Likströmsmotor - DC motor
| Artiklar om |
| Elektromagnetism |
|---|
 |
En likströmsmotor är vilken som helst i en klass av roterande elektriska motorer som omvandlar likström från elektrisk energi till mekanisk energi. De vanligaste typerna förlitar sig på krafterna som produceras av magnetfält. Nästan alla typer av likströmsmotorer har någon intern mekanism, antingen elektromekanisk eller elektronisk, för att periodiskt ändra strömriktningen i en del av motorn.
Likströmsmotorer var den första formen av motor som ofta användes, eftersom de kunde drivas från befintliga likströmsfördelningssystem. En likströmsmotors varvtal kan styras över ett brett intervall, antingen med hjälp av en variabel matningsspänning eller genom att ändra strömstyrkan i dess fältlindningar. Små likströmsmotorer används i verktyg, leksaker och apparater. Den universalmotor kan arbeta på likström men är en lätt borstad motor som används för bärbara elverktyg och apparater. Större likströmsmotorer används för närvarande vid framdrivning av elfordon, hissar och hissar, och i drivenheter för stålvalsverk. Tillkomsten av kraftelektronik har gjort det möjligt att byta ut likströmsmotorer med växelströmsmotorer i många applikationer.
Elektromagnetiska motorer
En trådspole med en ström som löper genom den genererar ett elektromagnetiskt fält i linje med spolens mitt. Riktningen och storleken på magnetfältet som produceras av spolen kan ändras med riktningen och storleken på strömmen som flyter genom den.
En enkel likströmsmotor har en stationär uppsättning magneter i statorn och en ankar med en eller flera lindningar av isolerad tråd lindad runt en mjuk järnkärna som koncentrerar magnetfältet. Lindningarna har vanligtvis flera varv runt kärnan, och i stora motorer kan det finnas flera parallella strömvägar. Ändarna på trådlindningen är anslutna till en kommutator . Kommutatorn gör att varje ankarspole kan aktiveras i tur och ordning och ansluter de roterande spolarna med den externa strömförsörjningen via borstar. (Borstlösa DC -motorer har elektronik som slår på och av DC -strömmen till varje spole och har inga borstar.)
Den totala mängden ström som skickas till spolen, spolens storlek och vad den lindas runt dikterar styrkan hos det skapade elektromagnetiska fältet.
Sekvensen för att slå på eller av en viss spole dikterar åt vilket håll de effektiva elektromagnetiska fälten är riktade. Genom att slå på och av spolar i följd kan ett roterande magnetfält skapas. Dessa roterande magnetfält interagerar med magnetfältet hos magneterna (permanenta eller elektromagneter ) i den stationära delen av motorn (stator) för att skapa ett vridmoment på ankaret som får den att rotera. I vissa DC -motordesigner använder statorfälten elektromagneter för att skapa sina magnetfält som möjliggör större kontroll över motorn.
Vid höga effektnivåer kyls DC -motorer nästan alltid med hjälp av forcerad luft.
Olika antal stator- och ankarfält samt hur de är anslutna ger olika inneboende hastighets- och vridmomentregleringsegenskaper. Hastigheten för en likströmsmotor kan regleras genom att ändra spänningen som anbringas på ankaret. Variabelt motstånd i ankarkretsen eller fältkretsen möjliggör hastighetsreglering. Moderna likströmsmotorer styrs ofta av kraftelektroniksystem som justerar spänningen genom att "hugga" likströmmen till på- och avstängningscykler som har en effektiv lägre spänning.
Eftersom den likvridna likströmsmotorn utvecklar sitt högsta vridmoment vid låg hastighet används den ofta i dragapplikationer som elektriska lok och spårvagnar . Likströmsmotorn var grundpelaren för elektriska dragkörningar på både elektriska och dieselelektriska lok , gatubilar/spårvagnar och dieselelektriska borriggar i många år. Införandet av likströmsmotorer och ett elnät för att driva maskiner från 1870 -talet startade en ny andra industriell revolution . Likströmsmotorer kan drivas direkt från laddningsbara batterier, vilket ger drivkraft för de första elbilarna och dagens hybridbilar och elbilar samt driver en mängd sladdlösa verktyg. Idag finns likströmsmotorer fortfarande i applikationer så små som leksaker och hårddiskar, eller i stora storlekar för att driva stålvalsverk och pappersmaskiner. Stora likströmsmotorer med separat exciterade fält användes i allmänhet med lindningsdrev för gruvhissar , för högt vridmoment och jämn hastighetsreglering med tyristor -drivenheter. Dessa ersätts nu med stora växelströmsmotorer med frekvensomriktare.
Om extern mekanisk effekt appliceras på en likströmsmotor fungerar den som en likströmsgenerator, en dynamo . Denna funktion används för att sakta ner och ladda batterier på hybrid- och elbilar eller för att återföra elektricitet till elnätet som används på en gatubil eller eldriven tåglinje när de saktar ner. Denna process kallas regenerativ bromsning på hybrid- och elbilar. I dieselelektriska lok använder de också sina likströmsmotorer som generatorer för att sakta ner men sprida energin i motståndsstackar. Nyare konstruktioner lägger till stora batteripaket för att återta en del av denna energi.
Borstad
_80_degree_split_ring.gif)
Den borstade likströmsmotorn genererar vridmoment direkt från likström som levereras till motorn med hjälp av intern kommutation, stationära magneter ( permanenta eller elektromagneter ) och roterande elektromagneter.
Fördelarna med en borstad likströmsmotor inkluderar låga initialkostnader, hög tillförlitlighet och enkel kontroll av motorvarvtal. Nackdelar är högt underhåll och låg livslängd för användning med hög intensitet. Underhållet innebär att regelbundet byta kolborstar och fjädrar som bär den elektriska strömmen, samt rengöra eller byta ut kommutatorn . Dessa komponenter är nödvändiga för att överföra elektrisk kraft från utsidan av motorn till rotorns lindningar av rotorn inuti motorn.
Borstar är vanligtvis gjorda av grafit eller kol, ibland med tillsatt dispergerat koppar för att förbättra konduktiviteten. Vid användning slits det mjuka borstmaterialet för att passa kommutatorns diameter och fortsätter att bära. En borsthållare har en fjäder för att hålla trycket på borsten när den förkortas. För borstar som är avsedda att bära mer än en ampere eller två kommer en flygande ledning att formas in i borsten och anslutas till motorterminalerna. Mycket små borstar kan förlita sig på glidande kontakt med en metallborsthållare för att bära ström in i borsten, eller kan förlita sig på en kontaktfjäder som trycker på borstens ände. Borstarna i mycket små, kortlivade motorer, som används i leksaker, kan vara gjorda av en vikt metallremsa som kommer i kontakt med kommutatorn.
Borstlös
Typiska borstlösa DC -motorer använder en eller flera permanentmagneter i rotorn och elektromagneter på statorns motorhus. En motorstyrenhet omvandlar DC till AC . Denna konstruktion är mekaniskt enklare än för borstade motorer eftersom den eliminerar komplikationen med att överföra kraft från utsidan av motorn till den roterande rotorn. Motorstyrenheten kan känna av rotorns position via Hall -effektsensorer eller liknande anordningar och kan exakt styra tidpunkten, fasen, etc., för strömmen i rotorspolarna för att optimera vridmoment, spara energi, reglera varvtal och till och med bromsa. Fördelarna med borstlösa motorer inkluderar lång livslängd, lite eller inget underhåll och hög effektivitet. Nackdelarna inkluderar höga initialkostnader och mer komplicerade motorvarvtalsregulatorer. Vissa sådana borstlösa motorer kallas ibland "synkronmotorer" även om de inte har någon extern strömförsörjning att synkronisera med, vilket skulle vara fallet med vanliga AC -synkronmotorer.
Okänd
Andra typer av likströmsmotorer kräver ingen kommutation.
- Homopolär motor - En homopolär motor har ett magnetfält längs rotationsaxeln och en elektrisk ström som vid någon tidpunkt inte är parallell med magnetfältet. Namnet homopolärt avser frånvaron av polaritetsförändring. Homopolära motorer har nödvändigtvis en envarvsspole, vilket begränsar dem till mycket låga spänningar. Detta har begränsat den praktiska tillämpningen av denna typ av motor.
- Kullagermotor -En kullagermotor är en ovanlig elmotor som består av två kullager av typen kullager, med de inre raserna monterade på en gemensam ledande axel, och de yttre raserna är anslutna till en högström, lågspänningsförsörjning. En alternativ konstruktion passar de yttre skårorna inuti ett metallrör, medan de inre skårorna är monterade på en axel med en icke-ledande sektion (t.ex. två hylsor på en isolerande stång). Denna metod har fördelen att röret fungerar som ett svänghjul. Rotationsriktningen bestäms av den initiala snurrningen som vanligtvis krävs för att få den att gå.
Permanenta magnetstatorer
En motor med permanentmagnet (PM) har ingen fältlindning på statorramen, utan förlitar sig istället på PM: er för att tillhandahålla det magnetfält mot vilket rotorfältet samverkar för att producera vridmoment. Kompenserande lindningar i serie med ankaret kan användas på stora motorer för att förbättra pendling under belastning. Eftersom detta fält är fast kan det inte justeras för hastighetskontroll. PM -fält (statorer) är praktiska i miniatyrmotorer för att eliminera strömförbrukningen för fältlindningen. De flesta större likströmsmotorer är av typen "dynamo", som har statorlindningar. Historiskt sett kunde PM inte få ett högt flöde om de demonterades; fältlindningar var mer praktiska för att erhålla den nödvändiga flödesmängden. Stora PM är dock både kostsamma, farliga och svåra att montera. detta gynnar sårfält för stora maskiner.
För att minimera totalvikt och storlek kan miniatyr PM -motorer använda högenergimagneter gjorda av neodym eller andra strategiska element; de flesta sådana är neodym-järn-borlegeringar. Med sin högre flödestäthet är elektriska maskiner med högenergi-PM minst konkurrenskraftiga med alla optimalt utformade ensammatade synkron- och induktionsmaskiner. Miniatyrmotorer liknar strukturen i illustrationen, förutom att de har minst tre rotorpoler (för att säkerställa start, oavsett rotorläge) och deras yttre hus är ett stålrör som magnetiskt förbinder utsidan av de krökta fältmagneterna.
Sårstatorer
Det finns tre typer av elektriska anslutningar mellan stator och rotor möjliga för likströmsmotorer: serie, shunt/parallell och sammansatt (olika serieblandningar och shunt/parallell) och var och en har unika varvtal/vridmomentegenskaper som är lämpliga för olika lastmomentprofiler/ underskrifter.
Seriekoppling
En serie likströmsmotor ansluter ankaret och fältlindningarna i serie med en gemensam likströmskälla. Motorvarvtalet varierar som en olinjär funktion av lastmoment och ankarström; ström är gemensam för både stator och rotor som ger ström i kvadrat (I^2) beteende. En seriemotor har mycket högt startmoment och används vanligtvis för att starta höga tröghetsbelastningar, såsom tåg, hissar eller lyftanordningar. Denna hastighet/vridmomentkaraktäristik är användbar i applikationer som draggrävmaskiner , där grävverktyget rör sig snabbt när det lossas men långsamt när det bär en tung last.
En seriemotor bör aldrig startas utan belastning. Utan någon mekanisk belastning på seriemotorn är strömmen låg, motelektromotorkraften som produceras av fältlindningen är svag, så ankaret måste vrida snabbare för att producera tillräcklig mot-EMF för att balansera matningsspänningen. Motorn kan skadas av överhastighet. Detta kallas ett springande tillstånd.
Seriemotorer som kallas universella motorer kan användas på växelström . Eftersom ankarspänningen och fältriktningen vänder samtidigt, fortsätter vridmomentet att produceras i samma riktning. De körs dock med lägre varvtal med lägre vridmoment på växelströmsförsörjningen jämfört med likström på grund av reaktansspänningsfall i växelström som inte finns i likström. Eftersom hastigheten inte är relaterad till linjefrekvensen kan universella motorer utveckla högre än synkrona hastigheter, vilket gör dem lättare än induktionsmotorer med samma nominella mekaniska effekt. Detta är en värdefull egenskap för handhållna elverktyg. Universalmotorer för kommersiellt bruk har vanligtvis liten kapacitet, inte mer än cirka 1 kW effekt. Men mycket större universella motorer användes för elektriska lok, matade av speciella lågfrekventa dragkraftsnät för att undvika problem med pendling under tunga och varierande belastningar.
Shunt -anslutning
En shunt likströmsmotor ansluter ankaret och fältlindningarna parallellt eller shuntar med en gemensam likströmskälla. Denna typ av motor har bra varvtalsreglering även om belastningen varierar, men har inte startmomentet för en serie likströmsmotor. Det används vanligtvis för industriella, justerbara hastighetsapplikationer, såsom verktygsmaskiner, lindnings-/avrullningsmaskiner och spännare.
Sammansatt anslutning
En sammansatt likströmsmotor ansluter ankar- och fältlindningarna i en shunt och en seriekombination för att ge den egenskaper hos både en shunt- och en serie likströmsmotor. Denna motor används när både ett högt startmoment och bra varvtalsreglering behövs. Motorn kan anslutas i två arrangemang: kumulativt eller differentiellt. Kumulativa sammansatta motorer ansluter seriefältet för att hjälpa shuntfältet, vilket ger högre startmoment men mindre varvtalsreglering. Differentialsammansatta likströmsmotorer har god varvtalsreglering och drivs vanligtvis med konstant varvtal.
Se även
- Cogging -vridmoment
- Avdelning Leonard kontroll
- Vridmoment och hastighet för en likströmsmotor
- Armaturstyrd likströmsmotor
externa länkar
- Gör en fungerande modell av likströmsmotor på sci-toys.com
- Hur man väljer en likströmsmotor på MICROMO
- DC -motormodell i Simulink på File Exchange - MATLAB Central