DC motor

Nyní je nemožné si představit náš život bez elektromotorů. Pohánějí obráběcí stroje, domácí spotřebiče a nářadí, vlaky, tramvaje a trolejbusy, počítače, hračky a různé pohyblivé mechanismy a instalují se na výrobní stroje, pokud je třeba upravit rychlost otáčení pracovního hřídele v širokém rozsahu. Jednotky pro přeměnu elektrické energie na mechanickou energii jsou prezentovány v mnoha typech a modelech (synchronní, asynchronní, kolektorové atd.). Z tohoto článku se dozvíte, co je stejnosměrný elektromotor, jeho konstrukce a princip činnosti.

Stručná historie stvoření

O vytvoření ekonomického a výkonného motoru se již od první poloviny 19. století pokoušeli různí vědci. Základem byl objev M. Faradaye, uskutečněný v roce 1821. Zjistil, že vodič umístěný v magnetickém poli rotuje. Na základě toho dokázal v roce 1833 sestrojit vynálezce Thomas Davenport motor na stejnosměrný proud a později, v roce 1834, přišel vědec B. S. Jacobi s prototypem moderního modelu motoru s otočnou hřídelí. Zařízení více podobné moderním jednotkám se objevilo v roce 1886 a dodnes se elektromotor stále zdokonaluje.

Princip činnosti stejnosměrného motoru

Následující objev podnítil myšlenku vytvořit motor pro vědce. Drátěný rám umístěný v magnetickém poli, kterým prochází proud, se začne otáčet a vytvářet mechanickou energii. Princip činnosti stejnosměrného elektromotoru je založen na interakci magnetických polí rámu a samotného magnetu. Ale jeden rám po určitém počtu otáček zamrzne v poloze rovnoběžné s vnějším magnetickým polem. Pro pokračování pohybu je nutné přidat druhý snímek a v určitém okamžiku přepnout směr proudu.

Motor místo rámů používá sadu vodičů, do kterých je přiváděn proud, a kotvu. Při spuštění je kolem něj vybuzeno magnetické pole, které interaguje s polem vinutí. To způsobí, že se kotva otočí pod určitým úhlem. Přívod proudu do dalších vodičů vede k další rotaci kotvy a poté proces pokračuje.

Magnetické pole je vytvářeno buď pomocí permanentního magnetu (u jednotek s nízkým výkonem) nebo pomocí induktoru/budícího vinutí (u výkonnějších jednotek).

Střídavé nabíjení vodičů kotvy zajišťují kartáče z grafitu nebo slitiny grafitu a mědi. Slouží jako kontakty, které uzavírají elektrickou síť na svorky párů vodičů. Svorky, navzájem izolované, jsou prstencem několika lamel, který je umístěn na ose hřídele kotvy a nazývá se kolektorová jednotka. Díky střídavému uzavírání lamel kartáči se motor otáčí rovnoměrně. Stupeň rovnoměrnosti chodu motoru závisí na počtu vodičů (čím více, tím rovnoměrnější).

Konstrukce stejnosměrného motoru

Nyní, když víte, jak stejnosměrný motor funguje, je čas seznámit se s jeho konstrukcí.

Stejně jako u ostatních modelů je základem motoru stator (induktor) – stacionární část a kotva spolu s kartáčovo-sběrnou jednotkou – pohyblivá část. Obě části jsou odděleny vzduchovou mezerou.

Součástí statoru je rám, který je prvkem magnetického obvodu, dále hlavní a přídavné póly. Vinutí pole potřebná k vytvoření magnetického pole jsou umístěna na hlavních pólech. Na přídavných pólech je umístěno speciální vinutí, které zlepšuje spínací podmínky.

Kotva je jednotka skládající se z magnetického systému (je sestavena z několika plechů), soustavy vinutí (vodičů) uložených v drážkách a kolektoru, který dodává stejnosměrný proud do pracovního vinutí.

Kolektor má tvar válce sestaveného z izolovaných měděných plátů. Je namontován na hřídeli motoru a má výstupky, na které dosedají konce sekcí vinutí kotvy. Kartáče odvádějí proud z komutátoru tím, že se s ním dostanou do kluzného kontaktu. Držení kartáčů v požadované poloze a zajištění jejich přitlačení na komutátor určitou silou se provádí pomocí držáků kartáčů.

Mnoho modelů motorů je vybaveno ventilátorem, jehož účelem je chlazení jednotky a prodloužení doby provozu.

Vlastnosti a vlastnosti stejnosměrného motoru

Provozní vlastnosti stejnosměrného elektromotoru umožňují široké použití tohoto zařízení v nejrůznějších oblastech – od domácích spotřebičů až po dopravu. Mezi jeho výhody patří:

• Šetrnost k životnímu prostředí. Během provozu se neuvolňují žádné škodlivé látky ani odpad.
• Spolehlivost. Díky poměrně jednoduchému designu se málokdy rozbije a dlouho vydrží.
• Všestrannost. Může být použit jako motor i generátor.
• Snadná správa.
• Možnost regulace frekvence a rychlosti otáčení hřídele – stačí jednotku připojit k obvodu s proměnným odporem.
• Snadné spuštění.
• Malé velikosti.
• Možnost změny směru otáčení hřídele. U motoru se sériovým buzením je nutné změnit směr proudu v budícím vinutí, u všech ostatních typů – v kotvě.

Stejně jako každé zařízení mají stejnosměrné motory také „slabé stránky“:

• Jejich cena, a tedy i cena, je poměrně vysoká.
• Pro připojení k síti je nutný usměrňovač proudu.
• Nejzranitelnější a nejnositelnější část – kartáče – vyžaduje pravidelnou výměnu.
• Při silném přetížení může dojít k požáru. Při dodržení provozního řádu je tato možnost vyloučena.

Ale jak vidíte, výhody jednoznačně převažují, takže v současné době je elektromotor jedním z nejúspornějších a nejefektivnějších zařízení. Znáte-li strukturu a princip fungování stejnosměrného elektromotoru, můžete jej nezávisle sestavit a rozebrat pro kontrolu, čištění nebo odstraňování problémů.

DC motor – stejnosměrný elektrický stroj, který přeměňuje stejnosměrnou elektrickou energii na mechanickou energii.

Základní parametry stejnosměrného motoru

• Konstanta točivého momentu
• Konstantní EMF
• Motor konstantní
• Mechanická tuhost

• Napětí motoru
• Výkon stejnosměrného motoru
• Mechanická časová konstanta

Konstanta točivého momentu

• kde M je točivý moment elektromotoru, Nm,
• – momentová konstanta, N∙m/A,
• I – síla proudu, A

Konstantní EMF

Směr EMF je určen pravidlem pravé ruky. Směr indukovaného emf je opačný než směr proudu tekoucího ve vodiči.

Indukované EMF neustále mění směr v důsledku pohybu vodičů v magnetickém poli. Celkové emf, rovné součtu emf v každé cívce, je aplikováno na externí svorky motoru. Toto je zpětné EMF. Směr zpětného EMF je opačný k napětí přivedenému na motor. Hodnota back-EMF je úměrná rychlosti otáčení a je určena z následujícího výrazu: [1]

• kde — elektromotorická síla, V,
• – konstantní EMF, V∙s/rad,
• — úhlová frekvence, rad/s

Točivý moment a emf konstanty jsou přesně stejné K_T = K._E. Konstantní K_T a K_E jsou si navzájem rovny, pokud jsou definovány v jediné soustavě jednotek.

Motor konstantní

Jedním z hlavních parametrů stejnosměrného motoru je konstanta motoru K_м. Motorová konstanta určuje schopnost elektromotoru přeměňovat elektrickou energii na mechanickou energii.

• kde je konstanta elektromotoru, Nm/√ W,
• R – odpor vinutí, Ohm,
• – maximální točivý moment, Nm,
• — výkon spotřebovaný při maximálním točivém momentu, W

FAQ: Konstanta motoru spolu s rozměry motoru jsou hlavní parametry pro inženýra při výběru motoru s nejlepším poměrem výkon/výtlak.

Konstanta motoru nezávisí na zapojení vinutí za předpokladu, že je použit stejný materiál vodiče. Například vinutí motoru se 6 větvemi a 2 paralelními vodiči místo 12 samostatných vodičů zdvojnásobí konstantní emf, zatímco konstanta elektromotoru zůstane nezměněna.

Tuhost mechanických charakteristik motoru

• kde je tuhost mechanických charakteristik stejnosměrného motoru

Napětí motoru

Rovnice napětí na svorkách stejnosměrného motoru má tvar (v případě komutátorového motoru se nebere v úvahu úbytek napětí v sestavě kartáč-komutátor):

• kde U je napětí, V.

Rovnice napětí vyjádřená jako moment motoru bude vypadat takto:

Vztah mezi kroutícím momentem a otáčkami se nemění při dvou různých napájecích napětích stejnosměrného motoru. S rostoucí rychlostí otáčení se točivý moment lineárně snižuje. Sklon této funkce K_TK_E/R je konstantní a nezávisí na napájecím napětí a otáčkách motoru.

Tyto vlastnosti usnadňují ovládání rychlosti a úhlu otáčení stejnosměrných motorů. To je typické pro stejnosměrné motory komutátorového a ventilového typu, což nelze říci o střídavých motorech a krokových motorech [1].

Výkon stejnosměrného motoru

Zjednodušený model elektromotoru vypadá takto:

• kde I – síla proudu, A
• U – napětí, V,
• M — točivý moment elektromotoru, N∙m
• R – odpor vodivých prvků, Ohm,
• L – indukčnost, H,

• P_el — elektrická energie (dodávaná), W
• P_srst — mechanický výkon (užitečný), W
• P_teplo – tepelné ztráty, W
• P_indus — energie vynaložená na nabíjení induktoru, W
• P_tr – ztráty třením, W

Mechanická časová konstanta

Mechanická časová konstanta je čas, počítaný od okamžiku přivedení konstantního napětí na elektromotor, během kterého rychlost otáčení nezatíženého elektromotoru dosáhne úrovně 63,21 % (1-1/e) jeho konečné hodnoty.

• kde je mechanická časová konstanta, s