Tasasähkömoottorit: niiden toiminta, tyypit ja sovellukset

Mikä a DC sähkömoottori Is

Tasasähkömoottori (DC) on kone, joka muuntaa DC-sähköenergian pyörimismekaaniseksi energiaksi. Se toimii periaatteella, että magneettikenttään sijoitettu virtaa kuljettava johdin kokee voiman – ja järjestämällä johtimet, magneetit ja kytkentämekanismi oikein, tätä voimaa voidaan ylläpitää jatkuvasti yhdessä pyörimissuunnassa hyödyllisen vääntömomentin ja nopeuden tuottamiseksi lähtöakselilla.

Tasavirtamoottorit olivat ensimmäiset sähkömoottorit, jotka kehitettiin käytännölliseen teolliseen käyttöön. Keksijät, kuten William Sturgeon ja Thomas Davenport, olivat edelläkävijöitä 1830-luvulla, ja niistä tuli hallitseva moottorityyppi 1800- ja 1900-luvun alussa ennen kuin AC-moottoritekniikka kypsyi. Tänään, Tasavirtamoottorit ovat edelleen välttämättömiä autojen järjestelmissä, kannettavissa sähkötyökaluissa, akkukäyttöisissä laitteissa, sähköajoneuvoissa ja tarkassa liikkeenohjauksessa — sovellukset, joissa tasavirtalähteestä ohjattava nopeus ja vääntömomentti ovat ensisijaisia vaatimuksia.

Miten tasavirtamoottori toimii: Harjattu tasavirtamoottori selitettynä

Klassinen tasavirtamoottori – harjattu tyyppi – osoittaa toimintaperiaatteen selkeimmin. Sen pääkomponentit ovat ankkuri (roottori), kenttäjärjestelmä (staattori), kommutaattori ja harjat.

The armatuuri on pyörivä komponentti, joka koostuu laminoidusta rautasydämestä, joka on kierretty kuparijohtimilla. Kun tasavirta virtaa näiden johtimien läpi staattorin tarjoamassa magneettikentässä, jokainen johtime kokee Lorentz-voiman. Johtimet on järjestetty siten, että kaikki voimat vaikuttavat tangentiaalisesti samaan pyörimissuuntaan, jolloin syntyy nettovääntömomentti, joka pyörittää ankkuria.

Perushaasteena on, että ankkurin pyöriessä johtimet liikkuvat magneettikentän läpi ja niiden sijainti napoihin nähden muuttuu. Ilman korjausta voiman suunta vaihtuisi 180° kierron jälkeen, pysäyttäen ja kääntäen moottorin. The kommutaattori ratkaisee tämän: se on segmentoitu kuparirengas, joka on asennettu ankkuriakseliin, ja jokainen segmentti on kytketty eri ankkurikäämiin. Ankkurin pyöriessä kommutaattorisegmentit kulkevat kiinteän hiilen alla siveltimet jotka ylläpitävät sähköistä yhteyttä ulkoiseen piiriin. Kommutaattorin geometria varmistaa, että virta kulkee aina oikeaan suuntaan sen johtimien läpi, jotka ovat optimaalisessa vääntömomentin tuotantoasennossa. kääntää tehokkaasti kunkin käämin virran juuri oikealla hetkellä jatkuvan yksisuuntaisen pyörimisen ylläpitämiseksi.

Tasavirtamoottorien tyypit ja niiden ominaisuudet

Sarjan tasavirtamoottori

Sarjamoottorissa kenttäkäämi ja ankkurikäämi on kytketty sarjaan - molempien läpi kulkee sama virta. Tämä tuottaa erittäin suuren käynnistysmomentin, koska alhaisella nopeudella kentän läpi kulkee suuri virta, joka luo vahvan magneettikentän ja siten suuren voiman ankkurijohtimiin. Nopeus kuitenkin nousee jyrkästi kuorman pienentyessä, ja kuormittamattomana toimiva sarja DC-moottori voi saavuttaa vaarallisen suuria nopeuksia (tila nimeltä "pakoon"). Sarjamoottoreita käytetään sovelluksissa, joissa vaaditaan suurta käynnistysmomenttia: sähköveto (junat, raitiovaunut), nosturit, nostimet ja polttomoottoreiden käynnistysmoottorit.

Shuntti DC-moottori

Shunttimoottorissa kenttäkäämitys on kytketty rinnan (shuntti) ankkurin kanssa syöttöjännitteen poikki. Koska kenttäjännite on vakio, kenttävuo on olennaisesti vakio kuormitusvirrasta riippumatta. Tämä antaa shunttimoottorille sen määrittävän ominaisuuden: suhteellisen tasainen nopeus laajalla kuormitusalueella . Nopeudensäätö – nopeuden prosentuaalinen muutos tyhjästä täyteen kuormaan – on tyypillisesti 5–15 % hyvin suunnitellussa shunttimoottorissa. Shunttimoottorit sopivat työstökoneisiin, sorveihin, jyrsinkoneisiin ja puhaltimiin, joissa vaaditaan tasaista nopeutta vaihtelevalla kuormituksella.

Yhdistelmätasavirtamoottori

Yhdistelmämoottorissa yhdistyvät sekä sarja- että shunttikenttäkäämit, jotka yhdistävät sarjakonfiguraation korkean käynnistysmomentin shuntin nopeuden vakauteen. Kumulatiivinen seostus (kenttäapu) tuottaa suuren käynnistysmomentin kohtuullisella nopeudensäädöllä. Differentiaalinen sekoitus (kentät vastakkaiset) antaa erittäin tasaiset nopeusominaisuudet, mutta sitä käytetään harvoin epävakausriskien vuoksi. Yhdistelmämoottorit palvelevat puristimia, lävistyksiä, nostoja ja muita kuormia, jotka edellyttävät sekä hyvää käynnistysmomenttia että vakaata käyntinopeutta.

Kestomagneettinen tasavirtamoottori (PMDC)

PMDC-moottorit korvaavat käämityskentän kestomagneeteilla, mikä eliminoi kenttäkäämityksen kuparihäviöt ja yksinkertaistaa rakentamista. He tarjoavat lineaariset nopeus-momenttiominaisuudet — nopeus laskee suhteessa vääntömomentin kasvaessa, mikä tekee niistä erittäin ennustettavia ja helppoja hallita. Kestomagneettimoottorit ovat hallitseva tyyppi pienissä ja keskisuurissa tehosovelluksissa: autojen apukäytöissä (ikkunanostimet, pyyhkimet, istuimen säätimet), sähkötyökaluissa, tulostimissa ja pienissä kodinkoneissa. Niiden päärajoitus on, että kestomagneetit voivat demagnetoitua korkeissa lämpötiloissa tai vakavissa ylikuormitusvirroissa.

Harjaton tasavirtamoottori (BLDC)

Harjaton DC-moottori eliminoi mekaanisen kommutaattorin ja harjat kokonaan. Kestomagneetit ovat roottorissa; staattori kantaa käämit. Elektroninen ohjain (ESC tai invertteri) kytkee virran staattorin käämien läpi ajastettuna sekvenssinä, mikä tuottaa pyörivän magneettikentän, jota kestomagneettiroottori seuraa. Ilman harjoja kommutointirajapinnassa ei ole mekaanista kulumista , mikä antaa BLDC-moottoreille dramaattisesti pidemmän käyttöiän, paremman hyötysuhteen (yleensä 85–95 %), alhaisemman sähköisen melun ja kyvyn toimia paljon suuremmilla nopeuksilla kuin harjatut vastaavat. BLDC-moottorit hallitsevat sähköajoneuvoja, droneja, LVI-laitteita, teollisia servokäyttöjä ja akkukäyttöisiä sähkötyökaluja.

Harjatut vs. harjattomat tasavirtamoottorit: Tärkeimmät erot

Nopeudensäätö DC-moottoreissa

Yksi tasavirtamoottoreiden arvokkaimmista ominaisuuksista on se, kuinka yksinkertaisesti niiden nopeutta voidaan ohjata – ominaisuus, joka teki niistä suositeltavan valinnan muuttuvanopeuksisille teollisuuskäytöille kauan ennen kuin moderni AC-invertteritekniikka oli olemassa. DC-moottorin nopeutta säätelee back-EMF-yhtälö:

Nopeus ∝ (syöttöjännite − jännitehäviö ankkurivastuksen yli) ÷ magneettivuo

Tämä yhtälö paljastaa kaksi käytännön nopeudensäätömenetelmää. Ankkurin jännitteen säätö — vähentää ankkuriin kohdistettua jännitettä — alentaa nopeutta suhteellisesti säilyttäen samalla täyden kenttävuon, säilyttäen täyden vääntömomentin alhaisemmalla nopeudella. Tämä on vakiomenetelmä perusnopeuden (nimellisnopeuden) alapuolella oleville nopeuksille. Kentän heikkeneminen — kenttävirran ja siten vuon pienentäminen — nostaa nopeutta perusnopeuden yläpuolelle, mutta vääntömomenttikapasiteetti pienenee samassa suhteessa, koska magneettikenttä on heikompi. Yhdessä nämä kaksi menetelmää antavat tasavirtamoottoreille laajan säädettävän nopeusalueen: tyypillisesti 10:1 tai suurempi teollisissa käyttösovelluksissa verrattuna 2:1 tai vähemmän ohjaamattomiin AC-oikosulkumoottoreihin ilman taajuusmuuttajaa.

Nykykäytännössä nopeudensäätö toteutetaan elektronisesti. PWM (pulse-width modulation) -säätimet vaihtelevat ankkurin tehollista jännitettä kytkemällä syöttöä nopeasti päälle ja pois korkealla taajuudella - päälle- ja poiskytkentäajan suhde (käyttöjakso) määrittää keskimääräisen jännitteen ja siten nopeuden. PWM-ohjaus on erittäin tehokas, koska kytkentätransistorit kuluttavat minimaalisesti energiaa verrattuna resistiivisiin jännitepudotusmenetelmiin, ja se mahdollistaa tarkan nopeuden säädön yksinkertaisella palautteena moottorin akselilla olevasta kierroslukumittarista tai anturista.

Missä DC-sähkömoottoreita käytetään

Tasavirtamoottoreita esiintyy erittäin monenlaisissa sovelluksissa milliwattimittakaavaisista tarkkuusinstrumenteista megawattimittakaavaisiin teollisuuskäyttöihin:

• Autot: Nykyaikainen henkilöauto sisältää välillä 30 ja 80 pienet DC-moottorit ajoikkunat, peilit, istuimet, pyyhkimet, jäähdytystuulettimet, polttoainepumput, ABS-toimilaitteet ja LVI-puhaltimet. Käynnistysmoottori – suuren vääntömomentin sarjan tasavirtamoottori – pyörittää moottoria jokaisella käynnistysjaksolla.
• Sähköautot: Synkroniset BLDC- ja kestomagneettimoottorit (BLDC:n muunnelma) käyttävät akkukäyttöisten sähköajoneuvojen vetovoimaa. Teslan Model 3 -takamoottori on kestomagneettisynkroninen moottori, joka tuottaa yli 250 kW kompaktista, kevyestä paketista.
• Sähkötyökalut: Akkuporat, vääntimet, pyörösahat ja kulmahiomakoneet käyttävät joko harjattuja DC-moottoreita (säästöluokan) tai BLDC-moottoreita (professional range), jotka toimivat litiumioniakuilla.
• Teollisuusautomaatio ja robotiikka: CNC-työstökoneiden, robottivarsien ja automatisoitujen kokoonpanolaitteiden servokäytöt käyttävät BLDC- tai harjattomia kestomagneettimoottoreita, joissa on suljetun silmukan asento ja nopeudensäätö tarkan ja toistettavan liikkeen takaamiseksi.
• Kulutuselektroniikka: Kiintolevyaseman karamoottorit, jäähdytystuulettimet tietokoneissa ja projektoreissa ja tärinämoottorit älypuhelimissa ovat kaikki pieniä tasavirtamoottoreita - usein BLDC -moottoreita, jotka toimivat jatkuvasti tai ajoittain suljetuissa laitteissa.
• Rautatiet ja joukkoliikenne: DC-sarjan vetomoottorit käyttivät maanalaisia rautatieverkkoja yli sadan vuoden ajan. Monet metrojärjestelmät ympäri maailmaa käyttävät edelleen tasavirtainfrastruktuuria, vaikka nykyaikainen liikkuva kalusto käyttää yhä useammin vaihtovirtamoottoreita, jotka toimitetaan junan invertterien avulla.