Tasavirtamoottori - DC motor

Harjatun sähkömoottorin toiminta, jossa on kaksinapainen roottori (ankkuri) ja kestomagneettistaattori. "N" ja "S" osoittavat napaisuuksia magneettien sisäpinnan akseleissa ; ulkopinnoilla on vastakkaiset napaisuudet. + Ja - merkit osoittavat, missä DC virta syötetään kommutaattoriin , joka syöttää virtaa ankkuri kelat

Pennsylvania Railroad luokassa DD1 veturin pyörästön oli puoliksi pysyvästi kytketty pariksi kolmannen kiskon DC sähköveturi moottorit rakennetaan rautatien alkuperäisen New Yorkin-alueen sähköistys kun höyryveturien kiellettiin kaupungin (veturi ohjaamo poistettu tästä).

DC-moottori on mikä tahansa luokan pyörivän sähkömoottoreiden joka muuntaa tasavirtaa sähköenergian mekaaniseksi energiaksi. Yleisimmät tyypit riippuvat magneettikenttien tuottamista voimista. Lähes kaikentyyppisissä tasavirtamoottoreissa on jokin sisäinen mekanismi, joko sähkömekaaninen tai elektroninen, ajoittain muuttamaan virran suuntaa osassa moottoria.

Tasavirtamoottorit olivat ensimmäinen laajalti käytetty moottorimuoto, koska ne voisivat saada virtaa olemassa olevista tasavirtaisen valaistuksen virranjakelujärjestelmistä. Tasavirtamoottorin nopeutta voidaan ohjata laajalla alueella joko vaihtelevalla syöttöjännitteellä tai muuttamalla sen kenttäkäämien virran voimakkuutta. Pieniä tasavirtamoottoreita käytetään työkaluissa, leluissa ja laitteissa. Yleismoottori voi toimia tasavirta mutta on kevyt harjattu moottoria käytetään kannettavissa sähkötyökaluja ja laitteet. Suurempia tasavirtamoottoreita käytetään tällä hetkellä sähköajoneuvojen, hissien ja nostimien käyttövoimissa sekä teräksen valssaamoiden käyttölaitteissa. Tehoelektroniikan tulo on mahdollistanut tasavirtamoottoreiden vaihtamisen vaihtovirtamoottoreihin monissa sovelluksissa.

Sähkömagneettiset moottorit

Lankakela, jonka läpi kulkee virta, tuottaa sähkömagneettisen kentän, joka on linjassa kelan keskipisteen kanssa. Kelan tuottaman magneettikentän suuntaa ja suuruutta voidaan muuttaa sen läpi kulkevan virran suunnan ja suuruuden mukaan.

Yksinkertaisessa tasavirtamoottorissa on staattorissa kiinteä magneettisarja ja ankkuri, jossa on yksi tai useampi eristetty lanka, joka on kääritty pehmeän rautaytimen ympärille, joka keskittyy magneettikenttään. Käämissä on yleensä useita kierroksia sydämen ympäri, ja suurissa moottoreissa voi olla useita rinnakkaisia virtausreittejä. Langan käämityksen päät on kytketty kommutaattoriin . Kommutaattori mahdollistaa jokaisen ankkurikäämin virran vuorotellen ja yhdistää pyörivät kelat ulkoiseen virtalähteeseen harjojen kautta. (Harjattomissa tasavirtamoottoreissa on elektroniikka, joka kytkee DC -virran jokaiseen kelaan päälle ja pois, eikä siinä ole harjoja.)

Kelaan lähetetyn virran kokonaismäärä, kelan koko ja sen ympärille kääritty sanelevat syntyvän sähkömagneettisen kentän voimakkuuden.

Tietyn kelan kytkeminen päälle tai pois päältä määrää, mihin suuntaan tehokkaat sähkömagneettiset kentät osoittavat. Kääntämällä ja sammuttamalla kelat peräkkäin voidaan luoda pyörivä magneettikenttä. Nämä pyörivät magneettikentät ovat vuorovaikutuksessa magneettien (pysyvien tai sähkömagneettien ) magneettikenttien kanssa moottorin paikallaan olevassa osassa (staattori) muodostaen vääntömomentin ankkuriin, joka saa sen pyörimään. Joissakin tasavirtamoottorimalleissa staattorikentät käyttävät sähkömagneetteja magneettikenttien luomiseen, mikä mahdollistaa moottorin paremman hallinnan.

Suurilla tehotasoilla tasavirtamoottorit jäähdytetään lähes aina pakotetulla ilmalla.

Eri staattori- ja ankkurikenttien lukumäärä sekä niiden kytkentätapa tarjoavat erilaisia luontaisia nopeuden ja vääntömomentin säätöominaisuuksia. Tasavirtamoottorin nopeutta voidaan ohjata muuttamalla ankkuriin syötettyä jännitettä. Muuttuva vastus ankkuripiirissä tai kenttäpiirissä mahdollistaa nopeuden säätämisen. Nykyaikaisia tasavirtamoottoreita ohjaavat usein tehoelektroniikkajärjestelmät , jotka säätävät jännitettä "katkaisemalla" tasavirran päälle- ja poiskiertoihin, joilla on tehokkaasti pienempi jännite.

Koska sarjakelattu tasavirtamoottori kehittää suurimman vääntömomentin pienellä nopeudella, sitä käytetään usein vetosovelluksissa, kuten sähkövetureissa ja raitiovaunuissa . Tasavirtamoottori oli sähkö- ja dieselmoottorivetureiden , katuautojen/raitiovaunujen ja dieselporaporauslaitteiden sähköisten vetolaitteiden peruspilari monien vuosien ajan. Tasavirtamoottorien ja sähköverkkojen käyttöönotto koneiden käynnistämiseksi 1870 -luvulta alkaen aloitti uuden toisen teollisen vallankumouksen . Tasavirtamoottorit voivat toimia suoraan ladattavista akuista, ja ne tarjoavat käyttövoimaa ensimmäisille sähköajoneuvoille ja nykypäivän hybridiautoille ja sähköautoille sekä ajavat monia akkutyökaluja . Nykyään tasavirtamoottoreita löytyy edelleen niin pienistä sovelluksista kuin lelut ja levyasemat tai suuria kokoja teräksen valssaamoiden ja paperikoneiden käyttöön. Suuri DC-moottorit erikseen virittää kenttiä käytettiin yleensä leikkuriuusintojen asemat kaivoksen nostimet , korkean vääntömomentin sekä sileä nopeusrajoituksia käyttäen tyristori. Nämä korvataan nyt suurilla vaihtovirtataajuusmuuttajilla varustetuilla vaihtovirtamoottoreilla.

Jos DC -moottoriin syötetään ulkoista mekaanista voimaa, se toimii DC -generaattorina, dynamo . Tätä ominaisuutta käytetään hidastamaan ja lataamaan hybridi- ja sähköautojen akkuja tai palauttamaan sähkö takaisin katuauton tai sähkökäyttöisen junalinjan sähköverkkoon, kun ne hidastavat. Tätä prosessia kutsutaan regeneratiiviseksi jarrutukseksi hybridi- ja sähköautoissa. Dieselkäyttöisissä vetureissa he käyttävät myös tasavirtamoottoreitaan generaattoreina hidastamaan mutta hajottamaan energiaa vastuspinoissa. Uudemmat mallit lisäävät suuria akkuja saadakseen osan tästä energiasta takaisin.

Harjattu

Harjattu tasavirtamoottori, joka tuottaa vääntömomenttia tasavirtalähteestä käyttämällä sisäistä mekaanista kommutointia. Kiinteät kestomagneetit muodostavat staattorikentän. Vääntömomentti syntyy periaatteella, että mikä tahansa virrankuljetusjohdin, joka on sijoitettu ulkoiseen magneettikenttään, kokee voiman, joka tunnetaan nimellä Lorentzin voima. Moottorissa tämän Lorentzin voiman (vektorin, jota edustaa vihreä nuoli) suuruus ja siten lähtömomentti ovat roottorin kulman funktio, mikä johtaa ilmiöön, joka tunnetaan nimellä vääntömomentin aaltoilu ) Koska tämä on kaksinapainen moottori , kommutaattori koostuu halkaisurenkaasta, joten virta kääntyy puolen kierroksen verran (180 astetta).

Harjattu DC sähkömoottori tuottaa vääntömomentin suoraan DC-virtaa moottoriin käyttäen sisäistä kommutointi, liikkumattomien magneettien ( pysyvä tai sähkömagneetteja ), ja pyörivä sähkömagneetteja.

Harjatun tasavirtamoottorin etuja ovat alhaiset alkukustannukset, korkea luotettavuus ja yksinkertainen moottorin nopeuden säätö. Haittoja ovat korkea ylläpito ja lyhyt käyttöikä suuritehoisiin käyttöihin. Huoltoon kuuluu säännöllisesti sähkövirtaa kuljettavien hiiliharjojen ja -jousien vaihto sekä kommutaattorin puhdistus tai vaihto . Nämä komponentit ovat välttämättömiä sähköenergian siirtämiseksi moottorin ulkopuolelta moottorin sisällä oleviin roottorin pyöriviin vaijerikäämiin.

Harjat on yleensä valmistettu grafiitista tai hiilestä, joskus lisätty dispergoitua kuparia johtavuuden parantamiseksi. Käytössä pehmeä harjamateriaali kuluu sopimaan kommutaattorin halkaisijaan ja kuluu edelleen. Harjapidikkeessä on jousi, joka pitää harjan paineen kurissa, kun se lyhenee. Jos harjoissa on enemmän kuin yksi tai kaksi ampeeria, lentävä johto muovaillaan harjaan ja kytketään moottorin liittimiin. Hyvin pienet harjat voivat luottaa liukukosketukseen metallisen harjanpitimen kanssa virran siirtämiseksi harjaan, tai ne voivat luottaa kosketusjousen puristamiseen harjan päähän. Hyvin pienten, lyhytikäisten moottoreiden harjat, kuten leluissa käytetyt, voivat olla valmistettu taitetusta metallinauhasta, joka koskettaa kommutaattoria.

Harjaton

Tyypilliset harjaton tasavirtamoottorit käyttävät yhtä tai useampaa kestomagneettia roottorissa ja staattorin moottorikotelon sähkömagneetteja . Moottorinohjain muuntaa DC: n AC: ksi . Tämä rakenne on mekaanisesti yksinkertaisempi kuin harjatut moottorit, koska se eliminoi komplikaatiot voiman siirtämisestä moottorin ulkopuolelta pyörivään roottoriin. Moottorin ohjain voi tunnistaa roottorin asennon Hall -tehosteantureiden tai vastaavien laitteiden avulla ja voi tarkasti ohjata roottorikäämien virran ajoitusta, vaihetta jne. Optimoidakseen vääntömomentin, säästää tehoa, säätää nopeutta ja jopa jarruttaa. Harjattomien moottoreiden etuja ovat pitkä käyttöikä, vähän huoltoa tai ei lainkaan huoltoa ja korkea hyötysuhde. Haittoja ovat korkeat alkukustannukset ja monimutkaisemmat moottorin nopeudensäätimet. Joitakin harjattomia moottoreita kutsutaan joskus "synkronimoottoreiksi", vaikka niillä ei ole synkronoitavaa ulkoista virtalähdettä, kuten tavallisten AC -synkronimoottoreiden tapauksessa.

Selvittämätön

Muuntyyppiset tasavirtamoottorit eivät vaadi kommutointia.

Homopolaarimoottori - Homopolaarisessa moottorissa on magneettikenttä pyörimisakselia pitkin ja sähkövirta, joka jossain vaiheessa ei ole yhdensuuntainen magneettikentän kanssa. Nimi homopolaarinen viittaa polariteetin muutoksen puuttumiseen. Homopolaarimoottoreissa on välttämättä yksikierroksinen kela, joka rajoittaa ne erittäin pieniin jännitteisiin. Tämä on rajoittanut tämän tyyppisten moottorien käytännön käyttöä.
Kuulalaakeroitu moottori -Kuulalaakeroitu moottori on epätavallinen sähkömoottori, joka koostuu kahdesta kuulalaakerityyppisestä laakerista, joiden sisäkiskot on asennettu yhteiseen johtavaan akseliin ja ulkokilpailut on kytketty suurvirtaiseen, matalajännitteiseen virtalähteeseen. Vaihtoehtoinen rakenne sopii metalliputken sisällä oleviin ulkokiskoihin, kun taas sisäkiskot on asennettu akselille, jossa on johtamaton osa (esim. Kaksi holkkia eristetangolla). Tällä menetelmällä on se etu, että putki toimii vauhtipyöränä. Pyörimissuunta määräytyy alkukierrosta, joka yleensä tarvitaan sen käynnistämiseen.

Kestomagneetti staattorit

Kestomagneetti (PM) -moottorissa ei ole staattorikehyksessä kenttäkäämiä, vaan se luottaa PM: iin magneettikentän aikaansaamiseksi, jota vastaan roottorikenttä vuorovaikutuksessa tuottaa vääntömomenttia. Suuria moottoreita voidaan käyttää sarjassa ankkurilla varustettuja kompensointikäämiä kommutoinnin parantamiseksi kuormitettuna. Koska tämä kenttä on kiinteä, sitä ei voi säätää nopeuden säätöön. PM -kentät (staattorit) ovat käteviä minimoottoreissa poistamaan kenttäkäämin virrankulutus. Useimmat suuret tasavirtamoottorit ovat "dynamo" -tyyppisiä, joissa on staattorikäämit. Historiallisesti PM -laitteita ei voitu pitää yllä suurta virtausta, jos ne purettiin; kenttäkäämit olivat käytännöllisempiä tarvittavan vuon määrän saamiseksi. Suuret pääministerit ovat kuitenkin kalliita, vaarallisia ja vaikeasti koottavia; tämä suosii haavakenttiä suurille koneille.

Kokonaispainon ja koon minimoimiseksi pienikokoiset PM -moottorit voivat käyttää suuritehoisia magneetteja, jotka on valmistettu neodyymista tai muista strategisista elementeistä; useimmat niistä ovat neodyymi-rauta-booriseosta. Suuremman vuontiheyden ansiosta suuritehoiset PM-sähkökoneet ovat vähintään kilpailukykyisiä kaikkien optimaalisesti suunniteltujen yksisyöttöisten synkronisten ja induktiosähköisten koneiden kanssa. Pienikokoiset moottorit muistuttavat kuviossa esitettyä rakennetta, paitsi että niissä on vähintään kolme roottorinapaa (käynnistyksen varmistamiseksi roottorin asennosta riippumatta) ja niiden ulkokotelo on teräsputki, joka yhdistää magneettisesti kaarevien kenttämagneettien ulkopinnat.

Haavan staattorit

Kenttäkela voidaan kytkeä shuntiin, sarjaan tai yhdistelmään tasavirtakoneen (moottorin tai generaattorin) ankkurin kanssa

Staattorin ja roottorin välillä on kolmenlaisia sähköliitäntöjä, jotka ovat mahdollisia DC -sähkömoottoreille: sarja, shuntti/rinnakkais- ja yhdistelmä (erilaiset sarja- ja shuntti-/rinnakkaisseokset), ja jokaisella on ainutlaatuiset nopeus-/vääntöominaisuudet, jotka sopivat eri kuormitusmomenttiprofiileihin/ allekirjoituksia.

Sarjaliitäntä

Sarja DC-moottori yhdistää ankkurin ja kentän käämit on sarja , joilla on yhteinen DC-teholähteen. Moottorin nopeus vaihtelee kuormitusmomentin ja ankkurivirran epälineaarisena funktiona; virta on yhteinen sekä staattorille että roottorille, mikä tuottaa virran neliö (I^2) -käyttäytymistä. Sarjamoottorilla on erittäin suuri käynnistysmomentti, ja sitä käytetään yleisesti suurien hitauskuormien, kuten junien, hissien tai nostimien, käynnistämiseen. Tämä nopeus/vääntömomentti on hyödyllinen sovelluksissa, kuten dragline -kaivinkoneissa , joissa kaivotyökalu liikkuu nopeasti kuormattuna mutta hitaasti raskasta taakkaa kannettaessa.

Sarjamoottoria ei saa koskaan käynnistää ilman kuormaa. Ilman mekaanista kuormitusta sarjamoottorille virta on alhainen, kenttäkäämin tuottama vasta-sähkömoottorivoima on heikko, joten ankkurin täytyy kääntyä nopeammin tuottaakseen riittävän vasta-EMF: n syöttöjännitteen tasapainottamiseksi. Moottori voi vaurioitua ylinopeudesta. Tätä kutsutaan karkaavaksi tilaksi.

Yleismoottoreiksi kutsuttuja sarjamoottoreita voidaan käyttää vaihtovirralla . Koska ankkurijännite ja kentän suunta kääntyvät samanaikaisesti, vääntömomentti jatkuu samaan suuntaan. Ne toimivat kuitenkin hitaammalla nopeudella ja pienemmällä vääntömomentilla vaihtovirtaan verrattuna DC: hen johtuen AC: n reaktanssijännitehäviöstä , jota ei ole DC: ssä. Koska nopeus ei liity linjataajuuteen, yleismoottorit voivat kehittää synkronisia suurempia nopeuksia, mikä tekee niistä kevyempiä kuin saman nimellistehon induktiomoottorit. Tämä on arvokas ominaisuus käsikäyttöisille sähkötyökaluille. Kaupalliseen käyttöön tarkoitetut yleismoottorit ovat yleensä pienikapasiteettisia, enintään noin 1 kW: n teholla. Kuitenkin paljon suurempia yleismoottoreita käytettiin sähkövetureissa, joita syötettiin erityisillä matalataajuisilla vetovoimaverkoilla, jotta vältyttiin kommutointiongelmilta raskaiden ja vaihtelevien kuormien alla.

Shunt -liitäntä

Shunt DC -moottori yhdistää ankkurin ja kenttäkäämit rinnakkain tai shunttiin yhteisen tasavirtalähteen kanssa. Tämän tyyppisellä moottorilla on hyvä nopeuden säätö, vaikka kuorma vaihtelee, mutta sillä ei ole sarja -tasavirtamoottorin käynnistysmomenttia. Sitä käytetään tyypillisesti teollisiin, säädettäviin nopeussovelluksiin, kuten työstökoneisiin, kelaus-/kelauskoneisiin ja kiristimiin.

Yhdistetty liitäntä

Yhdistetty tasavirtamoottori yhdistää ankkurin ja kentän käämit shuntissa ja sarjayhdistelmässä, jotta se antaa sekä shuntin että sarjan DC -moottorin ominaisuudet. Tätä moottoria käytetään, kun tarvitaan sekä suurta käynnistysmomenttia että hyvää nopeuden säätöä. Moottori voidaan kytkeä kahdessa järjestyksessä: kumulatiivisesti tai eri tavalla. Kumulatiiviset seosmoottorit yhdistävät sarjakentän avustamaan shuntikenttää, mikä tarjoaa suuremman käynnistysmomentin mutta vähemmän nopeuden säätöä. Tasauspyörästön tasavirtamoottoreilla on hyvä nopeuden säätö ja niitä käytetään tyypillisesti vakionopeudella.

Katso myös

Ulkoiset linkit

Tee toimiva malli tasavirtamoottorista osoitteessa sci-toys.com
DC -moottorin valinta MICROMOssa
Tasavirtamoottorimalli Simulinkissa Tiedonvaihdossa - MATLAB Central

Languages

In other projects