DC-sähkömoottori ( DC ) on tasavirtasähkökone,joka muuntaa tasavirtasähkön mekaaniseksi energiaksi .
Tätä moottoria voidaan kutsua myös synkroniseksi DC-koneeksi, jossa on itsesynkronointi. Yksinkertaisin moottori, joka on tasavirtakone , koostuu kestomagneetista induktorissa ( staattorissa ), yhdestä sähkömagneetista , jossa on selkeät navat ankkurissa (kaksikärkinen ankkuri, jossa on selkeät navat ja yksi käämi), harja-keräinkokoonpanosta, jossa on kaksi levyä ( lamelleja ) ja kaksi harjaa.
Yksinkertaisimmassa moottorissa on kaksi roottoriasentoa (kaksi "kuollutta kohtaa"), joista itsestään käynnistyminen on mahdotonta, ja epätasainen vääntömomentti. Ensimmäisessä approksimaatiossa staattorin napojen magneettikenttä on tasainen (homogeeninen). Tässä tapauksessa vääntömomentti on:
,missä on roottorin käämityksen kierrosten lukumäärä,
- staattorin napojen magneettikentän induktio ,
- virta roottorin käämissä [A],
— käämin työosan pituus [m],
— etäisyys roottorin akselista roottorin käämityskierroksen työosaan ( säde ) [m],
- staattorin pohjois-etelä-navan suunnan ja roottorin saman suunnan välisen kulman sini [rad],
— kulmanopeus [rad/s],
— aika [sek].
Harjojen kulmaleveyden ja kollektorin levyjen (lamellien) välisen kulmaraon vuoksi tämän mallin moottorissa on roottorin käämityksen osia, jotka harjat oikosuljevat dynaamisesti pysyvästi. Roottorin käämityksen oikosuljettujen osien määrä on yhtä suuri kuin harjojen lukumäärä. Nämä roottorin käämityksen oikosuljetut osat eivät osallistu kokonaisvääntömomentin muodostukseen.
Roottorin oravanhäkkiosa yhteensä moottoreissa, joissa on yksi keräilijä, on yhtä suuri:
,missä on siveltimien määrä,
on yhden harjan kulman leveys [radiaani].
Ottamatta huomioon harjojen oikosuljettamia vääntömomentin osia, silmukoiden (käämien) keskimääräinen vääntömomentti virralla per kierros on yhtä suuri kuin integroidun vääntömomenttikäyrän alla oleva pinta-ala jaettuna jakson pituudella (1 kierros = ):
.Kuvassa näkyvä moottori . 2 , koostuu:
- yhdestä sähkömagneetista staattorissa (kaksinapainen staattori), jossa on selkeät navat ja yksi käämi,
- roottorista, jossa on kolme hammasta ja vastaavasti kolme käämiä (tämän mallin roottorin käämit voidaan kytkeä päälle tähti (tällaisessa pienitehoisessa koneessa kytkentäolosuhteet sallivat tällaisen liitännän) tai kolmio),
- harja-keräinkokoonpano, jossa on kolme levyä (lamelleja) ja kaksi harjaa.
Itsekäynnistys on mahdollista mistä tahansa roottorin asennosta. Siinä on vähemmän epätasainen vääntömomentti kuin moottorissa, jossa on kaksihampainen roottori (kuva 1).
Tasavirtamoottorit ovat käännettäviä sähkökoneita , eli ne voivat tietyissä olosuhteissa toimia tasavirtageneraattoreina .
Lyhenne DCT (DC motor) on valitettava, koska nimellä "AC motor" on sama lyhenne - DCT. Mutta koska AC-moottorit on jaettu asynkronisiin (AD) ja synkronisiin (SD), lyhennettä DPT kutsutaan DC-moottoreiksi.
Suunnittelusta riippuen DC-moottorin staattorissa on joko kestomagneetteja (mikromoottorit) tai sähkömagneetteja, joissa on virityskäämit (käämit, jotka indusoivat magneettisen viritysvuon ).
Yksinkertaisimmassa tapauksessa staattorissa on kaksi napaa, eli yksi magneetti yhdellä napaparilla. Mutta useammin DPT:issä on kaksi napaparia. Siellä on lisää. Staattorin (induktorin) päänapojen lisäksi voidaan asentaa lisänapoja, jotka on suunniteltu parantamaan kollektorin kommutaatiota.
Roottorin hampaiden vähimmäismäärä, jolla itsekäynnistys on mahdollista mistä tahansa roottorin asennosta, on kolme. Kolmesta näennäisesti korostetusta navasta itse asiassa yksi napa on aina kommutointivyöhykkeellä, eli roottorissa on vähintään yksi napapari (sekä staattori, koska muuten moottorin toiminta on mahdotonta).
Minkä tahansa DCT:n roottori koostuu useista keloista, joista osa on jännitteisiä riippuen roottorin kiertokulmasta staattoriin nähden. Useiden käämien (useiden kymmenien) käyttö on välttämätöntä vääntömomentin epätasaisuuden vähentämiseksi, kytketyn (kytketyn) virran pienentämiseksi sekä roottorin ja staattorin magneettikenttien optimaalisen vuorovaikutuksen varmistamiseksi (eli Luo roottoriin suurin vääntömomentti).
Laskettaessa roottorin hitausmomenttia , ensimmäisessä approksimaatiossa sitä voidaan pitää jatkuvana homogeenisena sylinterinä, jonka hitausmomentti on yhtä suuri:
,missä on sylinterin (roottorin) massa ,
a on sylinterin (roottorin) säde.
KeräilijäKeräimellä ( harja-kollektorikokoonpano ) on samanaikaisesti kaksi toimintoa: se on roottorin kulma-asennon anturi ja virtakytkin liukukoskettimilla.
Keräilijämalleja on monenlaisia.
Kaikkien kelojen lähdöt yhdistetään kollektorikokoonpanoksi. Keräinkokoonpano on tavallisesti toisistaan eristettyjen levykoskettimien (lamellejen) rengas, joka sijaitsee roottorin akselia (akselia pitkin). Keräilijäkokoonpanosta on muitakin malleja.
Harjakokoonpanoa tarvitaan sähkön syöttämiseksi pyörivän roottorin keloihin ja virran kytkemiseksi roottorin käämeissä. Harja - kiinteä kosketin (yleensä grafiitti tai kupari-grafiitti).
Harjat avaavat ja sulkevat roottorin kollektorin kosketuslevyt suurella taajuudella. Tämän seurauksena DCT:n toiminnan aikana roottorin käämeissä tapahtuu transientteja prosesseja . Nämä prosessit johtavat kipinöintiin kollektorissa, mikä heikentää merkittävästi tasavirtamoottorin luotettavuutta. Kipinöinnin vähentämiseen käytetään erilaisia menetelmiä, joista tärkein on lisäpylväiden asennus.
Suurilla virroilla DCT-roottorissa tapahtuu voimakkaita transientteja, joiden seurauksena kipinöinti voi jatkuvasti peittää kaikki keräinlevyt harjojen asennosta riippumatta. Tätä ilmiötä kutsutaan keräysrenkaan kipinöiksi tai "pyöreäksi tuleksi". Rengaskipinöinti on vaarallista, koska kaikki keruulevyt palavat yhtä aikaa ja niiden käyttöikä lyhenee merkittävästi. Visuaalisesti rengaskipinöinti näkyy valona renkaana lähellä keräilijää. Keräysrenkaan kipinävaikutelma ei ole hyväksyttävä. Käyttöjä suunniteltaessa moottorin kehittämille maksimivääntömomenteille (ja siten myös roottorin virroille) asetetaan asianmukaiset rajoitukset.
DC-moottorin toimintaperiaate voidaan kuvata kahdella tavalla:
1. liikkuva runko (kaksi sauvaa suljetuilla päillä) ja virta staattorin magneettikentässätai
2. staattorin ja roottorin magneettikenttien vuorovaikutus.Kehys virralla, staattorin napojen tasaisessa magneettikentässä induktiolla , rungon kahdelle tangolle, joiden pituus on , ja virralla , Ampère-voima vaikuttaa , vakioarvo, joka on yhtä suuri:
ja suunnattu vastakkaisiin suuntiin.Nämä voimat kohdistetaan hartioihin yhtä suurella kuin:
, missä on kehyksen säde;ja luo vääntömomentti , joka on yhtä suuri:
.Kahden runkotangon kokonaisvääntömomentti on:
.Käytännössä (johtuen siitä, että harjan kulmaleveys ( radiaaneina ) on hieman pienempi kuin raon kulmaleveys kollektorin levyjen (lamellien) välillä, jotta virtalähde ei oikosulje) pienet osat vääntömomenttikäyrän alla, yhtä suuri kuin:
, missä ,eivät osallistu kokonaisvääntömomentin muodostukseen.
Kun käämin kierrosten lukumäärä on yhtä suuri , vääntömomentti on yhtä suuri:
.Suurin vääntömomentti on kehyksen kiertokulmassa, joka on yhtä suuri: eli 90 ° kulmassa.
Tässä kehyksen pyörimiskulmassa virralla staattorin ja roottorin (kehyksen) magneettikenttien vektorit ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden, eli 90 ° kulmassa. Kun roottorin (rungon) kiertokulma on 180°, vääntömomentti on nolla (nollavarresta johtuen), mutta voimat eivät ole nolla, ja tämä roottorin (rungon) asento, jos virtakytkintä ei ole , on erittäin vakaa ja on samanlainen kuin yksi askel askelmoottorissa .
Ottamatta huomioon harjojen oikosuljettamia vääntömomentin osia, keskimääräinen vääntömomentti per kierros (jakso) on yhtä suuri kuin kokonaisen vääntömomenttikäyrän alla oleva pinta-ala jaettuna jakson pituudella :
.Käämityksen käännöksillä:
.Jos koneen roottoriin asennetaan toinen runko, joka on siirretty kulman verran ensimmäiseen nähden , saadaan nelinapainen roottori.
Toisen ruudun hetki:
.Molempien kehysten kokonaishetki:
.Siten käy ilmi, että vääntömomentti riippuu roottorin pyörimiskulmasta, mutta epätasaisuus on pienempi kuin yhdellä kehyksellä. Lisäksi lisätään itsekäynnistys mistä tahansa roottorin asennosta. Tässä tapauksessa toinen runko vaatii toisen keräimen (harja-keräinkokoonpano). Molemmat solmut on kytketty rinnan, kun taas virran kytkentä kehyksen sisällä tapahtuu aikavälein pienimmällä virralla kehyksen sisällä, sarjakytkennässä virran kytkentä toisessa kehyksessä (piirikatkos) tapahtuu toisessa suurimman virran aikana. kehys. Käytännössä johtuen siitä, että harjan kulmaleveys ( radiaaneina ) on hieman pienempi kuin keruulevyjen (lamellien) välisen raon kulmaleveys ( radiaaneina ), kahdeksan pientä vääntömomenttikäyrän alla olevaa osaa on yhtä suuri kuin :
, missä ,eivät osallistu kokonaisvääntömomentin muodostukseen.
Jos staattorin napojen magneettikenttä on epätasainen ja muuttuu suhteessa rungon tankoihin lain mukaan:
,silloin yhden tangon vääntömomentti on yhtä suuri:
,kahdelle tangolle:
,kelakehykselle :
.Vääntömomenttikäyrän alla olevat neljä osaa, jotka ovat yhtä suuria kuin:
Ottamatta huomioon harjojen oikosuljettamia vääntömomentin osia, keskimääräinen vääntömomentti per kierros (jakso) on yhtä suuri kuin integraalikäyrän alla oleva pinta-ala jaettuna jakson pituudella :
.Käämityksen käännöksillä:
.Toiselle (kosinin) kehykselle:
;vääntömomentti toisesta (kosini) kehyksestä on yhtä suuri kuin:
,molempien runkojen kokonaisvääntömomentti on:
,eli se on vakio eikä riipu roottorin pyörimiskulmasta.
Käytännössä raon vuoksi kahdeksan pientä vääntömomenttikäyrän alla olevaa osaa on yhtä suuri kuin:
jokainen, älä osallistu vääntömomentin luomiseen.Roottorin hitausmomentin laskemiseksi sitä voidaan pitää ensimmäisessä approksimaatiossa kiinteänä homogeenisena sylinterinä, jolla on hitausmomentti:
, missä on sylinterin (roottorin) massa, on sylinterin (roottorin) säde.Roottorin pyörimistyö (runko virralla) ei johdu ulkoisen magneettikentän (staattorikentän) energiasta, vaan virtalähteestä, joka ylläpitää jatkuvaa virtaa silmukkapiirissä. Magneettivuon muutoksissa, jotka tunkeutuvat piiriin (virralla varustettu kehys) pyörimisen aikana, tässä piirissä tapahtuu emf. induktio, suunnattu vastapäätä emf. nykyinen lähde. Tämän seurauksena virtalähteen on Lenz-Joulen lämmön vapautumiseen käytetyn työn lisäksi suoritettava lisätyötä emf:ää vastaan. induktio. Itse pyörimisprosessi johtuu ampeerivoimasta, joka vaikuttaa johtimeen, jonka sähkövirta sijaitsee magneettikentässä. Oikea mielipide on, että roottori (runko virralla) on asetettu liikkeelle, koska sen magneettikenttä hylätään staattorin magneettikentästä.
Kaikki tasavirtamoottorit luovat automaattisesti vääntömomentin, joka vastaa akselin vastusmomenttia, samalla kun nopeus pidetään vakiona [1] .
Oletetaan, että vastusmomentti on kasvanut ja siitä on tullut suurempi kuin kiertomomentti . Mekaniikan yhtälön mukaisesti ilmaantuu negatiivinen kiihtyvyys ja ankkurin nopeus alkaa laskea. Kun ankkurin nopeus pienenee, back-emf pienenee ja ankkurin virta ja vääntömomentti kasvavat. Kun vääntömomentti on yhtä suuri kuin lisääntynyt vastusmomentti, se on yhtä suuri kuin nolla ja uusi vakionopeus muodostuu .
DCT:t luokitellaan staattorin magneettijärjestelmän tyypin mukaan:
Staattorikäämien kytkentätapa vaikuttaa merkittävästi sähkömoottorin veto- ja sähköominaisuuksiin.
Yhdellä kollektorilla (harja-kollektorikokoonpano) ja käämeillä, missä on roottorin napaparien lukumäärä, roottorin käämien liittämisellä renkaaksi (tämän luokituksen mukaan kuvassa 2 oleva moottori on puolitoista, siinä on puolitoista paria napoja ja roottorin käämiä). Niissä on suuri, harjojen oikosuljettu osa roottorin käämityksestä, joka vastaa:
, jossa on harjojen lukumäärä, on yhden harjan kulmaleveys (rad), on pi:n lukumäärä (3.14 ...).Kahdella kollektorilla (harja-kollektorisolmut, harjattomissa - invertterillä kahdella rinnakkaisella sillalla) ja kahdella sini- ja kosinikäämityksellä (sini-kosini, kaksivaiheinen) epätasaisella (sinimuotoisella) magneettikentällä staattorin navat. Niissä on pieni ei-toimiva osa vääntömomenttikäyrän alla, joka on yhtä suuri:
, missä , a on keräinlevyjen (lamellien) välisen raon kulmaleveys.Samanlainen kuin kaksivaiheinen harjaton.
Kolmella keräimellä ja kolmella käämityksellä (harjaton, invertteri kolmella rinnakkaisella sillalla, kolmivaiheinen).
Neljällä keräilijällä (harja-keräinyksiköt) ja kahdella käämillä sini ja kosini (sini-kosini), erikois. Keräimen erityinen rakenne neljällä keräimellä (yksi kerääjä yhtä harjaa kohti) mahdollistaa vääntömomentin ei-toimivan osan pienentämisen lähes nollaan (tämän moottorin vääntömomentin ei-toimiva osa riippuu osien tarkkuudesta) ja tee käytetystä vääntömomentista riippumattomaksi harjan kulmaleveydestä. Tässä tapauksessa yhden keräinlevyn kulmaleveys on yhtä suuri:
, missä on yhden harjan kulman leveys.Neljällä keräimellä ja neljällä käämityksellä (harjattomissa - invertterillä neljällä rinnakkaisella sillalla, nelivaiheinen).
Kahdeksalla keräimellä (harja-keräinyksiköt). Tässä moottorissa ei ole enää kehyksiä, ja virta syötetään keräilijöiden kautta yksittäisiin roottorin tankoihin.
Jne.
Harjakeräimen elektroninen analogi on invertteri , jossa on roottorin asentoanturi (RPS) ( kytketty moottori ).
Roottori on kestomagneetti, ja staattorin käämit kytketään elektronisilla piireillä - inverttereillä .
Hiiliharjaton tasavirtamoottori tasasuuntaajalla (sillalla) voi korvata yleisen kollektorimoottorin ( UKD ).
Tärkeimmät DPT:n hallinnassa käytetyt kaavat:
missä on ankkurikäämin jännite,
- ankkurin käämivirta,
- ankkuripiirin vastus,
on rakentava vakio,
- virityskäämin synnyttämä vuo.
Yleisiä tapoja hallita DPT:tä:
Taajuuden riippuvuus DCT-akselin vääntömomentista näkyy kaaviona. Vaaka-akseli ( abskissa ) on roottorin akselin momentti, pystyakseli (ordinaatta) on roottorin nopeus. DPT:n mekaaninen ominaisuus on suora viiva, jonka kaltevuus on negatiivinen.
DCT:n mekaaninen ominaisuus on rakennettu tietylle roottorin käämien syöttöjännitteelle. Kun rakennetaan ominaisuuksia useille syöttöjännitteen arvoille, puhutaan DCT-mekaanisten ominaisuuksien perheestä.
Roottorin nopeuden riippuvuus DCT-roottorin käämien syöttöjännitteestä näytetään kaaviona. Vaaka-akseli (abskissa) on roottorin käämien syöttöjännite, pystyakseli (ordinaatta) on roottorin nopeus. DPT-säätökäyrä on suora viiva, jolla on positiivinen kaltevuus.
DPT:n ohjausominaisuus rakennetaan tietyllä moottorin kehittämällä hetkellä. Kun rakennetaan ohjausominaisuudet useille roottorin akselin vääntömomentin arvoille, puhutaan DPT:n ohjausominaisuuksien perheestä.
Moottorin akselin nopeuden vaihtamisalueella nollasta kone toimii moottorina, jonka nopeus riippuu kuormituksesta. [2]
Anna tasavirtamoottorin olla jännitteisenä , eikä sen akseliin kohdistu mekaanista kuormitusta. Sitten sen roottorin pyörimistaajuus . Tässä on vakio emf. Jos moottorin akseli pakotetaan ulkoisen momentin avulla pyörimään nopeudella , niin EMF moottorin liittimissä on suurempi kuin moottoriin syötetty jännite . Tämän seurauksena sähkövirta muuttaa suuntaa ja virtaa takaisin sähkögeneraattoriksi muuttuneesta sähkömoottorista virtalähteeksi ( sähkön talteenotto ). Regenerointisähkövirta , missä on ankkurin vastus. Rekuperaatioprosessissa sähkömoottori muuttaa sen akseliin kohdistuvien ulkoisten voimien momentin mekaanisen työn sähkövoimaksi: . Osa tästä tehosta muuttuu lämmöksi moottorin lämmityksen aikana: . Loput tehosta palautetaan virtalähteeseen: [2] .
Sähkömoottorin jarrutustilassa, joka luo vääntömomentin, joka on suunnattu esimerkiksi myötäpäivään, sen akselille suuremman vastapäivään kohdistetun momentin. Tämän seurauksena moottorin pyörimissuunta vaihtuu ja taka-EMF:n napaisuus käännetään ja siitä tulee sama kuin käytetyn jännitteen napaisuus . Virta kulkee moottorin käämin läpi : Vaihda moottoritilassa toimivan moottorin jarrutustilaan muuttamalla siihen kytketyn jännitteen napaisuutta. Tämän seurauksena moottori siirtyy jarrutustilaan, kunnes sen pyörimissuunta muuttuu. Jarrutustilassa ulkoisesta lähteestä moottoriin syötetty sähköenergia ja sen akseliin kohdistuvien ulkoisten voimien momentin työ muunnetaan lämmöksi. [2]
Edut:
Virheet: