Stejnosměrný kartáčovaný motor

Stejnosměrný kartáčovaný motor – točivý stejnosměrný elektrický stroj, který přeměňuje stejnosměrnou elektrickou energii na mechanickou energii, ve kterém je alespoň jedno z vinutí zapojených do procesu přeměny hlavní energie připojeno ke kolektoru.

Návrh komutátorového stejnosměrného motoru

Stator (permanentní magnet)
Obrázek 1 — Řez stejnosměrným elektromotorem s permanentními magnety

Stator – stacionární část motoru.

Induktor (budicí systém) – součást stejnosměrného komutátorového stroje nebo synchronního stroje, který vytváří magnetický tok pro generování točivého momentu. Induktor musí obsahovat buď permanentní magnety nebo budící vinutí. Induktor může být součástí rotoru i statoru. U motoru znázorněného na Obr. 1 se budicí systém skládá ze dvou permanentních magnetů a je součástí statoru.

Kotva – část stejnosměrného komutátorového stroje nebo synchronního stroje, ve kterém se indukuje elektromotorická síla a protéká zatěžovací proud [2]. Rotor i stator mohou fungovat jako kotva. U motoru znázorněného na Obr. 1 je rotorem kotva.

Štětce – část elektrického obvodu, kterou je přenášen elektrický proud ze zdroje energie do kotvy. Kartáče jsou vyrobeny z grafitu nebo jiných materiálů. Stejnosměrný motor obsahuje jeden pár kartáčů nebo více. Jeden ze dvou kartáčů je připojen ke kladnému a druhý k zápornému pólu zdroje energie.

Sběratel – část motoru v kontaktu s kartáči. Pomocí kartáčů a komutátoru je elektrický proud distribuován přes cívky vinutí kotvy [1].

Typy komutátorových motorů

Podle konstrukce statoru může mít komutátorový motor permanentní magnety a budicí vinutí.

Kartáčovaný motor s permanentním magnetem

Schéma kartáčovaného motoru s permanentním magnetem

Mezi DCMC je nejběžnější motor s kartáčovaným stejnosměrným proudem (DCM) s permanentními magnety. Induktor tohoto motoru obsahuje permanentní magnety, které vytvářejí magnetické pole ve statoru. Komutátorové stejnosměrné motory s permanentními magnety (CMDC PM) se obvykle používají v úlohách, které nevyžadují vysoký výkon. PM DC motory jsou levnější na výrobu než komutátorové motory s budícím vinutím. V tomto případě je točivý moment PM DC omezen polem permanentních magnetů statoru. Permanentní magnet DCDC velmi rychle reaguje na změny napětí. Díky konstantnímu poli statoru je snadné řídit otáčky motoru. Nevýhodou stejnosměrného motoru s permanentním magnetem je, že magnety časem ztrácejí své magnetické vlastnosti, což má za následek zmenšení pole statoru a snížení výkonu motoru.

Komutátorový motor s budicím vinutím

Podle schématu zapojení statorového vinutí se komutátorové elektromotory s vinutím pole dělí na motory:

Nezávislý budicí obvod

Paralelní budicí obvod

Sériový budicí obvod

Smíšený budicí obvod

Motory nezávislého a paralelního buzení

U nezávisle buzených elektromotorů není budicí vinutí elektricky spojeno s vinutím kotvy (obrázek výše). Typicky budicí napětí U_OV se liší od napětí v obvodu kotvy U. Pokud jsou napětí stejná, pak je budicí vinutí zapojeno paralelně k vinutí kotvy. Použití nezávislého nebo paralelního buzení v pohonu elektromotoru je dáno obvodem elektrického pohonu. Vlastnosti (charakteristiky) těchto motorů jsou stejné [3].

U motorů s paralelním buzením jsou proudy budícího vinutí (induktoru) a proudy kotvy na sobě nezávislé a celkový proud motoru se rovná součtu proudu budícího vinutí a proudu kotvy. Při běžném provozu, s rostoucím napětím napájení zvyšuje celkový proud motoru, což vede ke zvýšení statorových a rotorových polí. S rostoucím celkovým proudem motoru se zvyšují i ​​otáčky a klesá točivý moment. Když je motor zatížen Proud kotvy se zvyšuje, což má za následek zvýšení pole kotvy. S rostoucím proudem kotvy se snižuje proud induktoru (budící vinutí), což má za následek snížení pole induktoru, což vede ke snížení otáček motoru a zvýšení točivého momentu.

Kartáčovaný bočníkový motor má mechanickou charakteristiku s klesajícím kroutícím momentem při vysokých otáčkách a vysokým, ale stálejším kroutícím momentem při nízkých otáčkách. Proud ve vinutí induktoru a kotvy na sobě nezávisí, takže celkový proud elektromotoru je roven součtu proudů induktoru a kotvy. Výsledkem je, že tento typ motoru má vynikající výkon při regulaci rychlosti. Boční kartáčovaný stejnosměrný motor se obvykle používá v aplikacích, které vyžadují výkon vyšší než 3 kW, zejména v automobilovém a průmyslovém průmyslu. Ve srovnání s DC DC PM neztrácí motor s paralelním buzením časem své magnetické vlastnosti a je spolehlivější. Nevýhody motoru s paralelním buzením jsou vyšší cena a možnost, že se motor vymkne kontrole, pokud proud induktoru klesne na nulu, což může vést k poruše motoru [5].

Sériový motor

U sériově buzených elektromotorů je budicí vinutí zapojeno do série s vinutím kotvy a budicí proud se rovná proudu kotvy (I_в = I_а), který dává motorům speciální vlastnosti. Při lehkém zatížení, kdy je proud kotvy menší než jmenovitý proud (I_а < I_nom) a magnetický systém motoru není nasycený (F ~ I_а), elektromagnetický moment je úměrný druhé mocnině proudu ve vinutí kotvy:

• kde M je točivý moment elektromotoru, N∙m,
• с_М – konstantní koeficient určený konstrukčními parametry motoru,
• Ф – hlavní magnetický tok, Wb,
• I_a – proud kotvy, A.

Jak se zatížení zvyšuje, magnetický systém motoru se nasytí a úměrnost mezi proudem I_а a magnetický tok F je narušen. S výraznou saturací, magnetický tok Ф s rostoucím I_а prakticky nezvyšuje. Graf závislosti M=f(I_a) má v počáteční části (když magnetický systém není nasycený) tvar paraboly, poté se při nasycení od paraboly odchyluje a v oblasti vysokého zatížení přechází do přímky [3].

Výkonová charakteristika sériového motoru

Elektromechanické charakteristiky sériového budícího motoru

Je důležité, aby se: Je nepřijatelné připojovat sériově buzené motory k síti v klidovém režimu (bez zatížení hřídele) nebo se zatížením menším než 25% jmenovitého zatížení, protože při nízkém zatížení se frekvence otáčení kotvy prudce zvyšuje a dosahuje hodnot při kterém je možná mechanická destrukce motoru, proto u pohonů U motorů se sekvenčním buzením je nepřípustné používat řemenový pohon, při jeho prasknutí přejde motor do volnoběhu. Výjimkou jsou sériové budicí motory s výkonem do 100-200 W, které mohou pracovat v klidovém režimu, protože jejich síla mechanických a magnetických ztrát při vysokých otáčkách je úměrná jmenovitému výkonu motoru.

Schopnost sériových budicích motorů vyvinout velký elektromagnetický moment jim poskytuje dobré startovací vlastnosti.

Sériově buzený kartáčovaný motor má vysoký točivý moment při nízkých otáčkách a vyvíjí vysoké otáčky, když není zatížení. Tento elektromotor je ideální pro zařízení, která potřebují vyvinout vysoký točivý moment (jeřáby a navijáky), protože proud statoru i rotoru se při zatížení zvyšuje. Na rozdíl od stejnosměrných motorů PM a motorů s paralelním buzením nemá sériově buzený motor přesnou charakteristiku řízení otáček a v případě zkratu v budícím vinutí se může stát neovladatelný.

Motor se smíšeným buzením

Motor se smíšeným buzením má dvě budicí vinutí, jedno z nich je zapojeno paralelně k vinutí kotvy a druhé sériově. Poměr mezi magnetizačními silami vinutí může být různý, ale obvykle jedno z vinutí vytváří větší magnetizační sílu a toto vinutí se nazývá hlavní vinutí, druhé vinutí se nazývá pomocné vinutí. Budicí vinutí lze zapínat koordinovaně a protiproudově, a proto je magnetický tok vytvářen součtem nebo rozdílem magnetizačních sil vinutí. Pokud jsou vinutí odpovídajícím způsobem zapojena, pak se rychlostní charakteristiky takového motoru nacházejí mezi rychlostními charakteristikami motorů s paralelním a sériovým buzením. Protispojení vinutí se používá, když je potřeba dosáhnout konstantní rychlosti otáčení nebo zvýšení rychlosti otáčení s rostoucí zátěží. Výkonové charakteristiky motoru se smíšeným buzením se tak přibližují charakteristikám motoru s paralelním nebo sériovým buzením v závislosti na tom, které z budicích vinutí hraje hlavní roli [4].

Motor se smíšeným buzením má výkonnostní charakteristiky motorů s paralelním a sériovým buzením. Má vysoký točivý moment při nízkých otáčkách jako sériový motor a dobrou regulaci otáček jako bočník. Motor se smíšeným buzením je ideální pro automobilové a průmyslové aplikace (jako jsou generátory). Výstup motoru se smíšeným buzením mimo kontrolu je méně pravděpodobný, protože k tomu musí být proud paralelního budicího vinutí snížen na nulu a sériové budicí vinutí musí být zkratováno.

Charakteristika kartáčovaného stejnosměrného motoru

Provozní vlastnosti stejnosměrných motorů jsou dány jejich provozními, elektromechanickými a mechanickými vlastnostmi a také regulačními vlastnostmi.

Mechanické vlastnosti kartáčovaných stejnosměrných motorů

Základní parametry stejnosměrného motoru

Konstanta točivého momentu

Pro stejnosměrný komutátorový motor je konstanta točivého momentu určena vzorcem:

• kde Z je celkový počet vodičů,
• Ф – magnetický tok, Wb [1]

Zařízení, které přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii, lze použít jako motor nebo generátor, protože konstrukce a princip činnosti motoru na stejnosměrný proud (DCM) je podobný konstrukci generátoru. Zvláštností stejnosměrného motoru je mechanický měnič (komutátor). Tento komutátor má kluzné kontakty ve formě kartáčů, které jsou uspořádány tak, že při rotačním pohybu mění polaritu vinutí kotvy (cívek).

Vlastnosti a konstrukce DPT

Stejnosměrný motor je točivý elektrický stroj, který běží na stejnosměrný proud. Podle směru toku výkonu se rozlišuje motor (elektromotor s elektrickým a mechanickým výkonem) a generátor (elektrický generátor napájený mechanickou energií i elektrickou energií). DPT lze spouštět pod zátěží a jejich rychlost lze snadno měnit. V režimu generátoru DPT převádí střídavé napětí, napájené rotorem, do pulzujícího stejnosměrného napětí.

Historie vynálezu

V návaznosti na vývoj prvních galvanických článků v první polovině 1829. století byly prvními elektromechanickými měniči energie stroje na stejnosměrný proud. Původní podoba elektromotoru byla vyvinuta v roce 1832 a v roce 1860 sestrojil Francouz Hippolyte Pixi první generátor. Antonio Pacinotti sestrojil stejnosměrný motor s vícesložkovým komutátorem v roce 1872. Friedrich von Hefner-Alteneck vyvinul v roce XNUMX bubnovou kotvu, která otevřela možnost průmyslového využití v oblasti strojírenství ve velkém.

V následujících desetiletích ztratily takové stroje význam ve velkém strojírenství v důsledku rozvoje třífázového střídavého proudu. Synchronní stroje a systémy indukčních motorů nenáročné na údržbu je v mnoha aplikacích nahradily.

Konstrukce motoru

Abyste pochopili princip fungování stejnosměrného motoru, musíte nejprve prostudovat jeho konstrukční vlastnosti, z nichž jeden je, že v magnetickém poli permanentního magnetu je instalován rotující vodivý obvod.

Zjednodušením této struktury můžeme říci, že Motor se skládá ze dvou hlavních součástí:

1. Hlavní magnet (permanentní magnet), který je připevněn ke statoru. Magnetické pole lze generovat i elektricky. Na statoru jsou tzv. budicí vinutí (cívky).
2. Vodivá smyčka (výztuž) na jádru kotvy, obvykle sestávající z laminovaných plechů.

Obě provedení se nazývají externě buzené stejnosměrné motory. Elektrodynamický zákon říká, že proudová smyčka vodiče v magnetickém poli představuje sílu [F], která závisí na proudu [I] a intenzitě magnetického pole [B]. Vodič s proudem je obklopen kruhovým magnetickým polem. Pokud je magnetické pole magnetického pole kombinováno s magnetickým polem vodivé smyčky, lze nalézt superpozici těchto dvou polí a také výsledný silový efekt.

Vinutí kotvy se skládá ze dvou polovin cívky. Pokud je na dva konce vinutí kotvy přivedeno stejnosměrné napětí, lze si představit, že pohyblivé nosiče náboje vstupují do spodní poloviny cívky z horní poloviny cívky.

Každá vodivá cívka vyvíjí své vlastní magnetické pole a magnetické pole permanentního magnetu je superponováno na magnetické pole spodní poloviny cívky a pole horní poloviny cívky. Siločáry konstantního magnetického pole jsou vždy ve stejném směru, vždy směřují od severního k jižnímu pólu. Naopak pole dvou polovin cívky mají opačný směr.

V levé části pole poloviny cívky mají siločáry pole budiče a pole cívky stejný směr. Díky tomuto silovému účinku v opačném směru vzniká na spodním a horním konci výztuže krouticí moment, který způsobuje rotační pohyb kotvy.

Kotva je tzv. I-paprsková kotva. Tento design dostal své jméno podle svého tvaru, který připomíná dvě naskládané „T“. Cívky kotvy jsou připojeny k deskám komutátoru (kolektoru). Přívod proudu do vinutí kotvy je obvykle přes uhlíkové kartáče, které zajišťují kluzný kontakt s rotujícím komutátorem a přivádějí elektřinu do cívek. Kartáče jsou vyrobeny ze samomazného grafitu, částečně smíchaného s měděným práškem pro malé motory.

Princip fungování a použití

Toto zařízení je elektrický stroj, který přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii. Princip činnosti stejnosměrného motoru spočívá v tom, že kdykoli je vodič s proudem umístěn do magnetického pole, působí na něj mechanická síla.

Permanentní magnet přeměňuje elektrickou energii na mechanickou prostřednictvím interakce dvou magnetických polí. Jedno pole je vytvořeno sestavou permanentních magnetů, druhé elektrickým proudem protékajícím ve vinutí motoru. Tato dvě pole mají za následek točivý moment, který má tendenci otáčet rotorem. Jak se rotor otáčí, proud ve vinutí je komutován, což zajišťuje nepřetržitý výstup točivého momentu.

Komutátor se skládá z vodivých segmentů (tyček) z mědi, které představují zakončení jednotlivých cívek drátu rozmístěných kolem výztuže. Druhá polovina mechanického spínače je vybavena kartáčky. Tyto kartáče obvykle zůstávají nehybné s krytem motoru.

Při průchodu elektrické energie kartáči a kotvou vzniká torzní síla ve formě reakce mezi polem motoru a kotvou, která způsobuje otáčení kotvy motoru. Když se kotva otáčí, kartáče se přepínají na sousední pásy na komutátoru. Tato akce přenáší elektrickou energii do sousedního vinutí a kotvy.

Pohybu magnetického pole je dosaženo přepínáním proudu mezi cívkami uvnitř motoru. Tato akce se nazývá komutace. Mnoho motorů má vestavěnou komutaci. To znamená, že když se motor otáčí, mechanické kartáče automaticky přepínají cívky na rotoru.

Nastavení rychlosti

DPT lze snadno nastavit. Rychlost lze měnit pomocí následujících proměnných:

1. Napětí kotvy U_A (regulace napětí).
2. Tok hlavního pole (řízení pole), intenzita magnetického pole.
3. Odolnost kotvy.

Nejjednodušší metodou řízení rychlosti otáčení je řízení napětí pohonu. Čím vyšší napětí, tím vyšší rychlost se motor snaží dosáhnout. V mnoha aplikacích může jednoduchá regulace napětí vést k velkým ztrátám výkonu v řídicím obvodu, proto je široce používána metoda pulzně šířkové modulace.

V základní metodě pulzně šířkové modulace se provozní napájení zapíná a vypíná za účelem modulace proudu. Poměr doby zapnutí k době vypnutí určuje rychlost motoru.

Externě buzený motor se snadno ovládá, protože proudy vinutí kotvy a statoru lze ovládat samostatně. Proto měly takové motory zvláštní význam, zejména v oblasti vysoce dynamických systémů pohonu, například pro pohon obráběcích strojů s přesnou regulací otáček a točivého momentu.

Moderní aplikace

DPT se používají v různých oblastech.

Je důležitým prvkem v různých produktech:

1. hračky;
2. servomechanická zařízení;
3. pohony ventilů;
4. roboty;
5. automobilová elektronika.

Vysoce kvalitní předměty každodenní potřeby (kuchyňské spotřebiče) využívají servomotor, známý jako univerzální motor. Tyto univerzální motory jsou typické stejnosměrné motory, ve kterých jsou stacionární a rotující cívky sériové vodiče.