Likestrømsmotor - DC motor
| Artikler om |
| Elektromagnetisme |
|---|
 |
En likestrømsmotor er hvilken som helst av en klasse roterende elektriske motorer som konverterer elektrisk strøm av elektrisk strøm til mekanisk energi. De vanligste typene er avhengige av kreftene som produseres av magnetfelt. Nesten alle typer likestrømsmotorer har en indre mekanisme, enten elektromekanisk eller elektronisk, for å periodisk endre strømretningen i en del av motoren.
Likestrømsmotorer var den første motorformen som ble mye brukt, siden de kunne drives fra eksisterende likestrømforsyningssystemer. En likestrømsmotors hastighet kan kontrolleres over et bredt område, enten ved hjelp av en variabel forsyningsspenning eller ved å endre strømstyrken i feltviklingene. Små likestrømsmotorer brukes i verktøy, leker og apparater. Den universal motor kan operere på likestrøm, men er en lett børstet motor som brukes for Bærbart verktøy og apparater. Større likestrømsmotorer brukes for tiden til fremdrift av elektriske kjøretøyer, heis og taljer, og i drivverk for stålvalser. Fremkomsten av kraftelektronikk har gjort utskifting av likestrømsmotorer med vekselstrømsmotorer mulig i mange bruksområder.
Elektromagnetiske motorer
En trådspole med en strøm som går gjennom den genererer et elektromagnetisk felt på linje med midten av spolen. Retningen og størrelsen på magnetfeltet produsert av spolen kan endres med retningen og størrelsen på strømmen som strømmer gjennom den.
En enkel likestrømsmotor har et stasjonært sett med magneter i statoren og et anker med en eller flere viklinger av isolert wire viklet rundt en myk jernkjerne som konsentrerer magnetfeltet. Viklingene har vanligvis flere svinger rundt kjernen, og i store motorer kan det være flere parallelle strømbaner. Endene på trådviklingen er koblet til en kommutator . Kommutatoren lar hver ankerspole bli aktivert etter tur og kobler de roterende spolene til den eksterne strømforsyningen gjennom børster. (Børsteløse likestrømsmotorer har elektronikk som slår på og av likestrømmen til hver spole og har ingen børster.)
Den totale mengden strøm som sendes til spolen, spolens størrelse og hva den vikles rundt, dikterer styrken til det elektromagnetiske feltet som er opprettet.
Sekvensen for å slå en bestemt spole på eller av dikterer hvilken retning de effektive elektromagnetiske feltene peker. Ved å slå av og på spoler i rekkefølge kan et roterende magnetfelt opprettes. Disse roterende magnetfeltene samhandler med magnetfeltene til magnetene (permanente eller elektromagneter ) i den stasjonære delen av motoren (statoren) for å skape et dreiemoment på ankeret som får den til å rotere. I noen DC -motordesign bruker statorfeltene elektromagneter for å lage sine magnetfelt som gir større kontroll over motoren.
Ved høye effektnivåer blir DC -motorer nesten alltid avkjølt med tvungen luft.
Ulike antall stator- og ankerfelt, samt hvordan de er tilkoblet, gir forskjellige iboende hastighets- og dreiemomentreguleringsegenskaper. Hastigheten til en likestrømsmotor kan kontrolleres ved å endre spenningen som tilføres ankeret. Variabel motstand i ankerkretsen eller feltkretsen tillater hastighetskontroll. Moderne likestrømsmotorer styres ofte av kraftelektronikksystemer som justerer spenningen ved å "hakke" likestrømmen til av- og på -sykluser som har en effektiv lavere spenning.
Siden den likviklede DC-motoren utvikler sitt høyeste dreiemoment ved lav hastighet, brukes den ofte i trekkapplikasjoner som elektriske lokomotiver og trikker . Likestrømsmotoren var bærebjelken i elektriske trekkdrev på både elektriske og dieselelektriske lokomotiver , gatebiler/trikker og dieselelektriske borerigg i mange år. Innføringen av likestrømsmotorer og et elektrisk nettsystem for å kjøre maskiner fra 1870 -årene startet en ny industriell revolusjon . Likestrømsmotorer kan drives direkte fra oppladbare batterier, og gir drivkraft for de første elektriske kjøretøyene og dagens hybridbiler og elbiler, i tillegg til å kjøre en rekke trådløse verktøy. I dag finnes DC -motorer fremdeles i applikasjoner så små som leker og diskstasjoner, eller i store størrelser for å betjene stålvalser og papirmaskiner. Store likestrømsmotorer med separat eksiterte felt ble vanligvis brukt med opprullingsdrev for gruveheiser , for høyt dreiemoment og jevn hastighetskontroll ved bruk av tyristor -stasjoner. Disse er nå erstattet med store vekselstrømsmotorer med frekvensomformere.
Hvis ekstern mekanisk kraft tilføres en likestrømsmotor, fungerer den som en likestrømsgenerator, en dynamo . Denne funksjonen brukes til å bremse og lade batterier på hybrid- og elbiler eller til å returnere strøm tilbake til det elektriske nettet som brukes på en gatebil eller elektrisk drevet toglinje når de senker farten. Denne prosessen kalles regenerativ bremsing på hybrid- og elbiler. I dieselelektriske lokomotiver bruker de også sine likestrømsmotorer som generatorer for å bremse, men spre energien i motstandsstabler. Nyere design legger til store batteripakker for å gjenvinne noe av denne energien.
Børstet
_80_degree_split_ring.gif)
Den børstede likestrømsmotoren genererer dreiemoment direkte fra likestrøm til motoren ved å bruke intern kommutasjon, stasjonære magneter ( permanente eller elektromagneter ) og roterende elektromagneter.
Fordelene med en børstet likestrømsmotor inkluderer lave startkostnader, høy pålitelighet og enkel kontroll av motorhastigheten. Ulemper er høyt vedlikehold og lav levetid for bruk med høy intensitet. Vedlikehold innebærer regelmessig utskifting av kullbørster og fjærer som bærer elektrisk strøm, samt rengjøring eller bytte av kommutatoren . Disse komponentene er nødvendige for å overføre elektrisk kraft fra utsiden av motoren til roterende trådviklinger av rotoren inne i motoren.
Børster er vanligvis laget av grafitt eller karbon, noen ganger med tilsatt dispergert kobber for å forbedre konduktiviteten. Ved bruk slites det myke børstematerialet for å passe til kommutatorens diameter, og fortsetter å bli slitt. En børsteholder har en fjær for å opprettholde trykket på børsten etter hvert som den forkortes. For børster som er beregnet på å bære mer enn en ampere eller to, vil en flygende ledning bli støpt inn i børsten og koblet til motorterminalene. Svært små børster kan stole på glidende kontakt med en metallbørsteholder for å bære strøm inn i børsten, eller kan stole på at en kontaktfjær trykker på enden av børsten. Børstene i svært små, kortvarige motorer, som brukes i leker, kan være laget av en brettet metallstrimmel som kommer i kontakt med kommutatoren.
Børsteløs
Typiske børsteløse likestrømsmotorer bruker en eller flere permanente magneter i rotoren og elektromagneter på motorhuset til statoren. En motorstyring konverterer DC til AC . Denne konstruksjonen er mekanisk enklere enn børstede motorer fordi den eliminerer komplikasjonen ved å overføre kraft fra utsiden av motoren til roterende rotor. Motorkontrolleren kan registrere rotorens posisjon via Hall -effektsensorer eller lignende enheter og kan nøyaktig kontrollere tidspunktet, fasen, etc., for strømmen i rotorspolene for å optimalisere dreiemoment, spare strøm, regulere turtall og til og med bruke litt bremsing. Fordelene med børsteløse motorer inkluderer lang levetid, lite eller ingen vedlikehold og høy effektivitet. Ulemper inkluderer høy startkostnad og mer kompliserte motorhastighetsregulatorer. Noen slike børsteløse motorer blir noen ganger referert til som "synkronmotorer", selv om de ikke har noen ekstern strømforsyning å synkronisere med, slik det ville være med vanlige AC -synkronmotorer.
Uendret
Andre typer likestrømsmotorer krever ingen kommutering.
- Homopolar motor - En homopolar motor har et magnetfelt langs rotasjonsaksen og en elektrisk strøm som på et tidspunkt ikke er parallell med magnetfeltet. Navnet homopolar refererer til fraværet av polaritetsendring. Homopolære motorer har nødvendigvis en en-svings spole, som begrenser dem til svært lave spenninger. Dette har begrenset den praktiske anvendelsen av denne motoren.
- Kulelageret motor - et kulelager motor er en uvanlig elektrisk motor som består av to kulelager -type lagrene, med de indre baner som er montert på en felles ledende aksel, og de ytre løp er forbundet med en høy strøm, lav spenning strømforsyning. En alternativ konstruksjon passer til de ytre løpene inne i et metallrør, mens de indre løpene er montert på en aksel med en ikke-ledende seksjon (f.eks. To hylser på en isolerende stang). Denne metoden har den fordelen at røret vil fungere som et svinghjul. Rotasjonsretningen bestemmes av det første spinnet som vanligvis er nødvendig for å få det i gang.
Permanente magnetstatorer
En motor med permanent magnet (PM) har ikke et feltvikling på statorrammen, i stedet for å stole på PM -er for å tilveiebringe magnetfeltet som rotorfeltet samhandler mot for å produsere dreiemoment. Kompenserende viklinger i serie med ankeret kan brukes på store motorer for å forbedre kommutering under belastning. Fordi dette feltet er fast, kan det ikke justeres for hastighetskontroll. PM -felt (statorer) er praktiske i miniatyrmotorer for å eliminere strømforbruket til feltviklingen. De fleste større likestrømsmotorer er av typen "dynamo", som har statorviklinger. Historisk sett kunne ikke PMs bevares for høy fluks hvis de ble demontert; feltviklinger var mer praktiske for å oppnå den nødvendige mengden fluks. Imidlertid er store PM -er kostbare, så vel som farlige og vanskelige å montere; dette favoriserer sårfelt for store maskiner.
For å minimere totalvekten og størrelsen, kan miniatyr PM -motorer bruke høyenergimagneter laget av neodym eller andre strategiske elementer; de fleste slike er neodym-jern-bor-legering. Med sin høyere flustetthet er elektriske maskiner med høyenergi-PM minst konkurransedyktige med alle optimalt utformede enkeltmatede synkrone og induksjonsmaskiner. Miniatyrmotorer ligner strukturen i illustrasjonen, bortsett fra at de har minst tre rotorpoler (for å sikre start, uavhengig av rotorposisjon), og deres ytre hus er et stålrør som magnetisk forbinder utsiden av de buede feltmagneter.
Sårstatorer
Det er tre typer elektriske tilkoblinger mellom statoren og rotoren som er mulige for likestrømsmotorer: serier, shunt/parallell og sammensatte (forskjellige serieblandinger og shunt/parallelle), og hver har unike hastighets-/dreiemomentegenskaper som er passende for forskjellige lastmomentprofiler/ signaturer.
Seriekobling
En serie likestrømsmotor kobler anker og feltviklinger i serie med en felles likestrømskilde. Motorhastigheten varierer som en ikke-lineær funksjon av lastmoment og ankerstrøm; strøm er felles for både stator og rotor som gir strøm i firkantet (I^2) oppførsel. En seriemotor har et veldig høyt startmoment og brukes ofte for å starte høye treghetsbelastninger, for eksempel tog, heiser eller taljer. Denne hastigheten/dreiemomentkarakteristikken er nyttig i bruksområder som dragline -gravemaskiner , der graveverktøyet beveger seg raskt når det er losset, men sakte når det bærer en tung last.
En seriemotor bør aldri startes uten belastning. Uten mekanisk belastning på seriemotoren er strømmen lav, motelektromotorkraften produsert av feltviklingen er svak, og derfor må ankeret snu raskere for å produsere tilstrekkelig mot-EMF for å balansere forsyningsspenningen. Motoren kan bli skadet av for høy hastighet. Dette kalles en løpsk tilstand.
Seriemotorer kalt universelle motorer kan brukes på vekselstrøm . Siden ankerspenningen og feltretningen reverserer samtidig, fortsetter dreiemomentet å bli produsert i samme retning. Imidlertid kjører de med lavere hastighet med lavere dreiemoment på vekselstrømforsyningen sammenlignet med likestrøm på grunn av reaktansspenningsfall i vekselstrøm som ikke er tilstede i likestrøm. Siden hastigheten ikke er relatert til linjefrekvensen, kan universelle motorer utvikle høyere enn synkron hastighet, noe som gjør dem lettere enn induksjonsmotorer med samme nominelle mekaniske effekt. Dette er en verdifull egenskap for håndholdte elektroverktøy. Universelle motorer for kommersiell bruk har vanligvis liten kapasitet, ikke mer enn ca 1 kW effekt. Imidlertid ble mye større universelle motorer brukt til elektriske lokomotiver, matet av spesielle lavfrekvente trekkraftnett for å unngå problemer med pendling under tunge og varierende belastninger.
Shunt -tilkobling
En shunt likestrømsmotor kobler anker og feltviklinger parallelt eller shunt med en felles likestrømskilde. Denne typen motor har god turtallsregulering selv om belastningen varierer, men har ikke startmomentet til en serie likestrømsmotor. Den brukes vanligvis til industrielle, justerbare hastighetsapplikasjoner, for eksempel maskinverktøy, viklings-/avrullingsmaskiner og spennere.
Sammensatt tilkobling
En sammensatt likestrømsmotor kobler anker- og feltviklingene i en shunt og en seriekombinasjon for å gi den karakteristika for både en shunt og en serie likestrømsmotor. Denne motoren brukes når både et høyt startmoment og god turtallsregulering er nødvendig. Motoren kan kobles til i to ordninger: kumulativt eller differensielt. Kumulative sammensatte motorer kobler seriefeltet for å hjelpe shuntfeltet, noe som gir høyere startmoment, men mindre turtallsregulering. Differensielle sammensatte DC -motorer har god turtallsregulering og drives vanligvis med konstant hastighet.
Se også
- Cogging dreiemoment
- Avdeling Leonard kontroll
- Dreiemoment og hastighet på en likestrømsmotor
- Armaturstyrt likestrømsmotor
Eksterne linker
- Lag en fungerende modell av likestrømsmotor på sci-toys.com
- Hvordan velge en likestrømsmotor på MICROMO
- DC -motormodell i Simulink på File Exchange - MATLAB Central