Motor DC - DC motor

Funcționarea unui motor electric periat cu un rotor bipolar (armătură) și stator cu magnet permanent. „N” și „S” desemnează polaritățile pe fețele axei interioare ale magneților ; fețele exterioare au polarități opuse. + Și - semne arată în cazul în care curentul continuu este aplicat la comutatorul care furnizează curent la armatura de tehnica de bobinele
Echipamentul de rulare a locomotivei clasa DD1 a Pennsylvania Railroad era o pereche cuplată semipermanent de motoare electrice de locomotivă cu curent continuu, construite pentru electrificarea inițială a căii ferate din New York, când locomotivele cu aburi erau interzise în oraș (cabina locomotivei a fost scoasă aici).

Un motor DC este oricare dintr-o clasă de motoare electrice rotative care transformă energia electrică de curent continuu în energie mecanică. Cele mai frecvente tipuri se bazează pe forțele produse de câmpurile magnetice. Aproape toate tipurile de motoare de curent continuu au un mecanism intern, fie electromecanic, fie electronic, pentru a schimba periodic direcția curentului într-o parte a motorului.

Motoarele de curent continuu au fost prima formă de motor pe scară largă, deoarece acestea puteau fi alimentate din sistemele de distribuție a energiei de iluminat cu curent continuu existente. Viteza unui motor DC poate fi controlată pe o gamă largă, utilizând fie o tensiune de alimentare variabilă, fie modificând puterea curentului în înfășurările sale de câmp. Motoarele de curent continuu mici sunt utilizate în scule, jucării și aparate. Motorul universal poate funcționa cu curent continuu, dar este un motor ușor periat utilizat pentru unelte electrice și aparate portabile. Motoarele de curent continuu mai mari sunt utilizate în prezent în propulsia vehiculelor electrice, a lifturilor și a palanelor și în acționările pentru laminarele de oțel. Apariția electronicii de putere a făcut posibilă înlocuirea motoarelor de curent continuu cu motoarele de curent alternativ în multe aplicații.

Motoare electromagnetice

O bobină de sârmă cu un curent care o străbate generează un câmp electromagnetic aliniat cu centrul bobinei. Direcția și amploarea câmpului magnetic produs de bobină pot fi schimbate odată cu direcția și magnitudinea curentului care curge prin ea.

Un motor simplu DC are un set staționar de magneți în stator și o armătură cu una sau mai multe înfășurări de sârmă izolată înfășurate în jurul unui miez de fier moale care concentrează câmpul magnetic. Înfășurările au, de obicei, mai multe rotații în jurul nucleului, iar în motoarele mari pot exista mai multe căi de curent paralel. Capetele înfășurării sârmei sunt conectate la un comutator . Comutatorul permite ca fiecare bobină de armătură să fie energizată la rândul său și conectează bobinele rotative cu sursa de alimentare externă prin perii. (Motoarele de curent continuu fără perii au elemente electronice care comută curentul continuu la fiecare bobină de pornire și oprire și nu au perii.)

Cantitatea totală de curent trimisă la bobină, dimensiunea bobinei și ceea ce este înfășurat dictează puterea câmpului electromagnetic creat.

Secvența de pornire sau oprire a unei anumite bobine dictează în ce direcție sunt orientate câmpurile electromagnetice eficiente. Prin pornirea și oprirea bobinelor în ordine, se poate crea un câmp magnetic rotativ. Aceste câmpuri magnetice rotative interacționează cu câmpurile magnetice ale magneților (permanenți sau electro- magneți ) din partea staționară a motorului (stator) pentru a crea un cuplu pe armătură care îl determină să se rotească. În unele modele de motoare de curent continuu, câmpurile statorice utilizează electromagneti pentru a-și crea câmpurile magnetice, ceea ce permite un control mai mare asupra motorului.

La niveluri ridicate de putere, motoarele de curent continuu sunt aproape întotdeauna răcite folosind aer forțat.

Numărul diferit de câmpuri ale statorului și armăturii, precum și modul în care acestea sunt conectate oferă diferite caracteristici inerente de reglare a turației și a cuplului. Viteza unui motor DC poate fi controlată prin schimbarea tensiunii aplicate armăturii. Rezistența variabilă în circuitul de armătură sau în circuitul de câmp permite controlul vitezei. Motoarele de curent continuu moderne sunt adesea controlate de sisteme electronice de putere care reglează tensiunea prin „tăierea” curentului continuu în cicluri de pornire și oprire care au o tensiune efectivă mai mică.

Deoarece motorul continuu înfășurat în serie dezvoltă cel mai mare cuplu la viteză mică, este adesea utilizat în aplicații de tracțiune, cum ar fi locomotive electrice și tramvaie . Motorul de curent continuu a constituit elementul principal al tracțiunilor electrice atât pe locomotive electrice , cât și diesel-electrice , tramvaie / tramvaie și instalații de foraj electrice diesel timp de mulți ani. Introducerea motoarelor de curent continuu și a unui sistem de rețea electrică pentru funcționarea mașinilor, începând din anii 1870, a început o nouă revoluție industrială . Motoarele de curent continuu pot funcționa direct de la baterii reîncărcabile, oferind puterea motrice pentru primele vehicule electrice și mașinile hibride de astăzi și mașinile electrice , precum și pentru a conduce o serie de instrumente fără fir . Astăzi motoarele de curent continuu se găsesc încă în aplicații la fel de mici ca jucăriile și unitățile de disc sau în dimensiuni mari pentru a opera laminare de oțel și mașini de hârtie. Motoarele mari de curent continuu cu câmpuri excitate separat au fost, în general, utilizate cu acționări de înfășurare pentru palanele de mină , pentru cuplu ridicat, precum și pentru controlul vitezei ușoare folosind acționări cu tiristor. Acestea sunt acum înlocuite cu motoare de curent alternativ de dimensiuni mari cu acționări cu frecvență variabilă.

Dacă puterea mecanică externă este aplicată unui motor de curent continuu, acesta acționează ca un generator de curent continuu, o dinamă . Această caracteristică este utilizată pentru a încetini și a reîncărca bateriile de pe mașinile hibride și electrice sau pentru a returna energia electrică înapoi la rețeaua electrică utilizată pe un tramvai sau pe o linie de tren electric când acestea încetinesc. Acest proces se numește frânare regenerativă pe mașinile hibride și electrice. În locomotivele electrice diesel, aceștia își folosesc și motoarele de curent continuu ca generatoare pentru a încetini, dar pentru a disipa energia din stivele de rezistență. Designurile mai noi adaugă pachete mari de baterii pentru a recupera o parte din această energie.

Periat

Un motor electric cu curent continuu generat de cuplu de la alimentarea cu curent continuu utilizând o comutare mecanică internă. Magneții permanenți staționari formează câmpul statorului. Cuplul este produs de principiul că orice conductor purtător de curent plasat într-un câmp magnetic extern experimentează o forță, cunoscută sub numele de forță Lorentz. Într-un motor, magnitudinea acestei forțe Lorentz (un vector reprezentat de săgeata verde) și, astfel, cuplul de ieșire, este o funcție pentru unghiul rotorului, ducând la un fenomen cunoscut sub numele de ondulație a cuplului ) Deoarece acesta este un motor cu doi poli , comutatorul este format dintr-un inel despicat, astfel încât curentul să inverseze fiecare jumătate de tură (180 de grade).

Motorul electric DC periat generează cuplu direct de la puterea continuă furnizată motorului utilizând comutarea internă, magneții staționari ( permanenți sau electro- magneți ) și electromagnetii rotativi.

Avantajele unui motor DC periat includ un cost inițial redus, o fiabilitate ridicată și un control simplu al turației motorului. Dezavantajele sunt întreținerea ridicată și durata de viață redusă pentru utilizări de intensitate ridicată. Întreținerea implică înlocuirea regulată a periilor și arcurilor de carbon care transportă curentul electric, precum și curățarea sau înlocuirea comutatorului . Aceste componente sunt necesare pentru transferul energiei electrice din exteriorul motorului către înfășurările de sârmă rotitoare ale rotorului din interiorul motorului.

Periile sunt de obicei realizate din grafit sau carbon, uneori cu adaos de cupru dispersat pentru a îmbunătăți conductivitatea. La utilizare, materialul moale al periei se poartă pentru a se potrivi cu diametrul comutatorului și continuă să se poarte. Un suport de perie are un arc pentru a menține presiunea asupra periei pe măsură ce se scurtează. Pentru periile destinate să transporte mai mult de un amper sau doi, un cablu zburător va fi turnat în perie și conectat la bornele motorului. Periile foarte mici se pot baza pe contactul glisant cu un suport de perie metalic pentru a transporta curentul în perie sau se pot baza pe un arc de contact care apasă pe capătul periei. Periile din motoare foarte mici, de scurtă durată, precum cele utilizate în jucării, pot fi realizate dintr-o bandă de metal pliată care intră în contact cu comutatorul.

Fără perii

Motoarele DC tipice fără perii utilizează unul sau mai mulți magneți permanenți în rotor și electromagneti de pe carcasa motorului pentru stator. Un controler de motor convertește DC în AC . Acest design este mecanic mai simplu decât cel al motoarelor periate, deoarece elimină complicația transferului de putere din exteriorul motorului către rotorul rotativ. Controlerul motorului poate detecta poziția rotorului prin senzori de efect Hall sau dispozitive similare și poate controla cu precizie timpul, faza etc., a curentului din bobinele rotorului pentru a optimiza cuplul, a conserva puterea, a regla viteza și chiar a aplica unele frânări. Avantajele motoarelor fără perii includ durata de viață lungă, întreținerea redusă sau deloc și eficiența ridicată. Dezavantajele includ costuri inițiale ridicate și regulatoare de viteză ale motorului mai complicate. Unele astfel de motoare fără perii sunt uneori denumite „motoare sincrone”, deși nu au sursă de alimentare externă cu care să fie sincronizate, așa cum ar fi cazul motoarelor sincrone de curent alternativ.

Necomutat

Alte tipuri de motoare de curent continuu nu necesită comutare.

  • Motor homopolar - Un motor homopolar are un câmp magnetic de-a lungul axei de rotație și un curent electric care la un moment dat nu este paralel cu câmpul magnetic. Denumirea de homopolar se referă la absența schimbării polarității. Motoarele homopolare au în mod necesar o bobină cu un singur tur, care le limitează la tensiuni foarte mici. Acest lucru a restricționat aplicarea practică a acestui tip de motor.
  • Motor cu rulmenți cu bile - Un motor cu rulmenți cu bile este un motor electric neobișnuit care constă din doi rulmenți de tip rulment cu bile, cu cursele interioare montate pe un arbore conductiv comun și curelele exterioare conectate la o sursă de curent înalt, de joasă tensiune. O construcție alternativă se potrivește curselor exterioare din interiorul unui tub metalic, în timp ce cursele interioare sunt montate pe un arbore cu o secțiune neconductivă (de exemplu, două mâneci pe o tijă izolatoare). Această metodă are avantajul că tubul va acționa ca un volant. Direcția de rotație este determinată de rotirea inițială, care este de obicei necesară pentru a începe.

Statori cu magnet permanent

Un motor cu magnet permanent (PM) nu are o înfășurare de câmp pe cadrul statorului, bazându-se în schimb pe PM-uri pentru a furniza câmpul magnetic împotriva căruia interacționează câmpul rotorului pentru a produce cuplu. Înfășurările compensatoare în serie cu armătura pot fi utilizate pe motoare mari pentru a îmbunătăți comutarea sub sarcină. Deoarece acest câmp este fix, nu poate fi ajustat pentru controlul vitezei. Câmpurile PM (statori) sunt convenabile în motoarele miniaturale pentru a elimina consumul de energie al înfășurării câmpului. Majoritatea motoarelor de curent continuu mai mari sunt de tip „dinam”, care au înfășurări statorice. Din punct de vedere istoric, PM-urile nu ar putea fi obligate să păstreze un flux ridicat dacă ar fi dezasamblate; înfășurările de teren au fost mai practice pentru a obține cantitatea necesară de flux. Cu toate acestea, PM-urile mari sunt costisitoare, precum și periculoase și dificil de asamblat; acest lucru favorizează câmpurile înfășurate pentru mașinile mari.

Pentru a minimiza greutatea și dimensiunea totală, motoarele PM miniaturale pot utiliza magneți cu energie ridicată, realizate cu neodim sau alte elemente strategice; cele mai multe dintre acestea sunt aliaje de neodim-fier-bor. Cu densitatea lor de flux mai mare, mașinile electrice cu PM de mare energie sunt cel puțin competitive cu toate mașinile electrice sincrone și cu inducție alimentate individual . Motoarele miniaturale seamănă cu structura din ilustrație, cu excepția faptului că au cel puțin trei poli de rotor (pentru a asigura pornirea, indiferent de poziția rotorului), iar carcasa lor exterioară este un tub de oțel care leagă magnetic exteriorul magneților cu câmp curbat.

Statorii rănilor

O bobină de câmp poate fi conectată în șunt, în serie sau în compus cu armătura unei mașini de curent continuu (motor sau generator)

Există trei tipuri de conexiuni electrice între stator și rotor posibile pentru motoarele electrice de curent continuu: serie, șunt / paralel și compus (diferite amestecuri de serie și șunt / paralel) și fiecare are caracteristici unice de turație / cuplu adecvate pentru diferite profile de cuplu de încărcare / semnături.

Conexiune de serie

Un motor DC de serie conectează armătura și înfășurările de câmp în serie cu o sursă comună de curent continuu. Viteza motorului variază ca o funcție neliniară a cuplului de sarcină și a curentului de armătură; curentul este comun atât statorului, cât și rotorului, oferind un comportament de curent pătrat (I ^ 2). Un motor de serie are un cuplu de pornire foarte mare și este utilizat în mod obișnuit pentru pornirea sarcinilor cu inerție ridicată, cum ar fi trenurile, lifturile sau palanele. Această caracteristică de turație / cuplu este utilă în aplicații precum excavatoarele cu șenile , în care instrumentul de săpat se mișcă rapid atunci când este descărcat, dar încet când transportă o sarcină grea.

Un motor de serie nu trebuie pornit niciodată fără sarcină. Fără sarcină mecanică pe motorul de serie, curentul este redus, forța contra-electro-motrice produsă de înfășurarea câmpului este slabă, astfel încât armătura trebuie să se rotească mai repede pentru a produce suficient contra-EMF pentru a echilibra tensiunea de alimentare. Motorul poate fi deteriorat de viteza excesivă. Aceasta se numește o afecțiune fugară.

Motoarele de serie numite motoare universale pot fi utilizate pe curent alternativ . Deoarece tensiunea armăturii și direcția câmpului se inversează în același timp, cuplul continuă să fie produs în aceeași direcție. Cu toate acestea, acestea funcționează la o viteză mai mică, cu un cuplu mai mic la alimentarea cu curent alternativ, în comparație cu curentul continuu din cauza căderii de tensiune a reactanței în curent alternativ, care nu este prezentă în curent continuu. Deoarece viteza nu este legată de frecvența liniei, motoarele universale pot dezvolta viteze mai mari decât sincrone, făcându-le mai ușoare decât motoarele cu inducție cu aceeași ieșire mecanică nominală. Aceasta este o caracteristică valoroasă pentru uneltele electrice portabile. Motoarele universale pentru utilități comerciale au de obicei o capacitate mică, nu mai mult de 1 kW de putere. Cu toate acestea, motoarele universale mult mai mari au fost utilizate pentru locomotive electrice, alimentate de rețele speciale de putere de tracțiune cu frecvență joasă pentru a evita problemele de comutare sub sarcini grele și variabile.

Conexiune de șunt

Un motor de curent continuu conectează armătura și înfășurările de câmp în paralel sau derivați cu o sursă comună de curent continuu. Acest tip de motor are o reglare bună a vitezei chiar dacă sarcina variază, dar nu are cuplul de pornire al unui motor de serie DC. Este de obicei utilizat pentru aplicații industriale cu viteză reglabilă, cum ar fi mașini-unelte, mașini de înfășurat / derulat și dispozitive de tensionare.

Conexiune compusă

Un motor DC compus conectează armătura și înfășurările de câmp într-un șunt și o combinație de serie pentru a-i oferi caracteristicile atât ale unui șunt, cât și ale unui motor de serie DC. Acest motor este utilizat atunci când sunt necesare atât un cuplu mare de pornire, cât și o reglare bună a vitezei. Motorul poate fi conectat în două aranjamente: cumulativ sau diferențiat. Motoarele compuse cumulative conectează câmpul de serie pentru a ajuta câmpul de șunt, care asigură un cuplu de pornire mai mare, dar o reglare a vitezei mai mică. Motoarele de curent continuu diferențial au o reglare bună a vitezei și sunt de obicei acționate la viteză constantă.

Vezi si

linkuri externe

Referințe