Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος είναι πανταχού παρούσες μηχανές που βρίσκονται σε μια ποικιλία ηλεκτρονικού εξοπλισμού που χρησιμοποιείται σε διάφορες εφαρμογές.

Συνήθως, αυτοί οι κινητήρες αναπτύσσονται σε εξοπλισμό που απαιτεί κάποια μορφή περιστροφικού ελέγχου ή ελέγχου που παράγει κίνηση.Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος είναι βασικά εξαρτήματα σε πολλά έργα ηλεκτρολογικής μηχανικής.Η καλή κατανόηση της λειτουργίας του κινητήρα συνεχούς ρεύματος και της ρύθμισης της ταχύτητας του κινητήρα επιτρέπει στους μηχανικούς να σχεδιάζουν εφαρμογές που επιτυγχάνουν πιο αποτελεσματικό έλεγχο της κίνησης.

Αυτό το άρθρο θα εξετάσει προσεκτικά τους τύπους των διαθέσιμων κινητήρων DC, τον τρόπο λειτουργίας τους και τον τρόπο επίτευξης ελέγχου ταχύτητας.

Τι είναι οι κινητήρες DC;

Αρέσεικινητήρες AC, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος μετατρέπουν επίσης την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια.Η λειτουργία τους είναι το αντίστροφο μιας γεννήτριας συνεχούς ρεύματος που παράγει ηλεκτρικό ρεύμα.Σε αντίθεση με τους κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος λειτουργούν με ισχύ συνεχούς ρεύματος – μη ημιτονοειδή, μονοκατευθυντική ισχύ.

Βασική Κατασκευή

Αν και οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος σχεδιάζονται με διάφορους τρόπους, όλοι περιέχουν τα ακόλουθα βασικά μέρη:

• Rotor (το τμήμα της μηχανής που περιστρέφεται, γνωστό και ως «οπλισμός»)
• Στάτης (οι περιελίξεις πεδίου ή «στάσιμο» μέρος του κινητήρα)
• Μετατροπέας (μπορεί να είναι βουρτσισμένος ή χωρίς ψήκτρες, ανάλογα με τον τύπο του κινητήρα)
• Μαγνήτες πεδίου (παρέχουν το μαγνητικό πεδίο που περιστρέφει έναν άξονα που συνδέεται με τον ρότορα)

Στην πράξη, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος λειτουργούν με βάση τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μαγνητικών πεδίων που παράγονται από έναν περιστρεφόμενο οπλισμό και αυτού του στάτορα ή του σταθερού εξαρτήματος.

Ένας ελεγκτής κινητήρα DC χωρίς ψήκτρες χωρίς αισθητήρα.Η εικόνα χρησιμοποιήθηκε ευγενική παραχώρηση τουKenzi Mudge.

Λειτουργική αρχή

Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος λειτουργούν σύμφωνα με την αρχή του ηλεκτρομαγνητισμού του Faraday, η οποία δηλώνει ότι ένας αγωγός που φέρει ρεύμα υφίσταται μια δύναμη όταν τοποθετείται σε ένα μαγνητικό πεδίο.Σύμφωνα με τον «κανόνα της αριστερής πλευράς για ηλεκτρικούς κινητήρες» του Φλέμινγκ, η κίνηση αυτού του αγωγού είναι πάντα σε κατεύθυνση κάθετη στο ρεύμα και στο μαγνητικό πεδίο.

Μαθηματικά, μπορούμε να εκφράσουμε αυτή τη δύναμη ως F = BIL (όπου F είναι δύναμη, B είναι το μαγνητικό πεδίο, I σημαίνει ρεύμα και L είναι το μήκος του αγωγού).

Τύποι κινητήρων συνεχούς ρεύματος

Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος εμπίπτουν σε διάφορες κατηγορίες, ανάλογα με την κατασκευή τους.Οι πιο συνηθισμένοι τύποι περιλαμβάνουν βουρτσισμένο ή χωρίς ψήκτρες, μόνιμο μαγνήτη, σειρά και παράλληλο.

Βουρτσισμένοι και χωρίς ψήκτρες κινητήρες

Βουρτσισμένος κινητήρας συνεχούς ρεύματοςχρησιμοποιεί ένα ζευγάρι βούρτσες γραφίτη ή άνθρακα που προορίζονται για τη διοχέτευση ή την παροχή ρεύματος από τον οπλισμό.Αυτές οι βούρτσες συνήθως διατηρούνται σε κοντινή απόσταση από τον μεταγωγέα.Άλλες χρήσιμες λειτουργίες των βουρτσών σε κινητήρες συνεχούς ρεύματος περιλαμβάνουν τη διασφάλιση της λειτουργίας χωρίς σπινθήρες, τον έλεγχο της κατεύθυνσης του ρεύματος κατά την περιστροφή και τη διατήρηση του μεταγωγέα καθαρό.

Κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρεςδεν περιέχουν βούρτσες άνθρακα ή γραφίτη.Συνήθως περιέχουν έναν ή περισσότερους μόνιμους μαγνήτες που περιστρέφονται γύρω από έναν σταθερό οπλισμό.Στη θέση των βουρτσών, οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες χρησιμοποιούν ηλεκτρονικά κυκλώματα για τον έλεγχο της φοράς περιστροφής και της ταχύτητας.

Κινητήρες μόνιμου μαγνήτη

Οι κινητήρες μόνιμου μαγνήτη αποτελούνται από έναν ρότορα που περιβάλλεται από δύο αντιτιθέμενους μόνιμους μαγνήτες.Οι μαγνήτες τροφοδοτούν μια ροή μαγνητικού πεδίου όταν περνάει συνεχές ρεύμα, η οποία αναγκάζει τον ρότορα να περιστρέφεται προς τη φορά των δεικτών του ρολογιού ή αριστερόστροφα, ανάλογα με την πολικότητα.Ένα σημαντικό πλεονέκτημα αυτού του τύπου κινητήρα είναι ότι μπορεί να λειτουργεί σε σύγχρονη ταχύτητα με σταθερή συχνότητα, επιτρέποντας τη βέλτιστη ρύθμιση της ταχύτητας.

Μοτέρ συνεχούς ρεύματος σε σειρά

Οι κινητήρες σειράς έχουν τις περιελίξεις του στάτη (συνήθως από ράβδους χαλκού) και τις περιελίξεις πεδίου (πηνία χαλκού) συνδεδεμένες σε σειρά.Κατά συνέπεια, το ρεύμα του οπλισμού και τα ρεύματα πεδίου είναι ίσα.Το υψηλό ρεύμα ρέει απευθείας από την παροχή στις περιελίξεις πεδίου που είναι παχύτερες και λιγότερες από ό,τι στους κινητήρες διακλάδωσης.Το πάχος των περιελίξεων του πεδίου αυξάνει τη φέρουσα ικανότητα του κινητήρα και επίσης παράγει ισχυρά μαγνητικά πεδία που δίνουν στους κινητήρες συνεχούς ρεύματος σειράς πολύ υψηλή ροπή.

Μοτέρ DC Shunt

Ένας κινητήρας DC διακλάδωσης έχει τον οπλισμό και τις περιελίξεις πεδίου συνδεδεμένα παράλληλα.Λόγω της παράλληλης σύνδεσης, και οι δύο περιελίξεις λαμβάνουν την ίδια τάση τροφοδοσίας, αν και διεγείρονται χωριστά.Οι κινητήρες διακλάδωσης έχουν συνήθως περισσότερες στροφές στις περιελίξεις από τους κινητήρες σειράς, γεγονός που δημιουργεί ισχυρά μαγνητικά πεδία κατά τη λειτουργία.Οι κινητήρες διακλάδωσης μπορούν να έχουν εξαιρετική ρύθμιση ταχύτητας, ακόμη και με ποικίλα φορτία.Ωστόσο, συνήθως τους λείπει η υψηλή ροπή εκκίνησης των κινητήρων σειράς.

Ένα κύκλωμα ελέγχου κινητήρα και ταχύτητας εγκατεστημένο σε ένα μίνι τρυπάνι.Η εικόνα χρησιμοποιήθηκε ευγενική παραχώρηση τουDilshan R. Jayakody

Έλεγχος ταχύτητας κινητήρα συνεχούς ρεύματος

Υπάρχουν τρεις κύριοι τρόποι για να επιτευχθεί ρύθμιση ταχύτητας σε κινητήρες συνεχούς ρεύματος σειράς – έλεγχος ροής, έλεγχος τάσης και έλεγχος αντίστασης οπλισμού.

1. Μέθοδος ελέγχου ροής

Στη μέθοδο ελέγχου ροής, ένας ρεοστάτης (ένας τύπος μεταβλητής αντίστασης) συνδέεται σε σειρά με τις περιελίξεις πεδίου.Ο σκοπός αυτού του εξαρτήματος είναι να αυξήσει την αντίσταση σειράς στις περιελίξεις που θα μειώσει τη ροή, αυξάνοντας κατά συνέπεια την ταχύτητα του κινητήρα.

2. Μέθοδος ρύθμισης τάσης

Η μέθοδος μεταβλητής ρύθμισης χρησιμοποιείται συνήθως σε κινητήρες διακλάδωσης συνεχούς ρεύματος.Υπάρχουν, πάλι, δύο τρόποι για να επιτευχθεί έλεγχος ρύθμισης τάσης:

• Σύνδεση του πεδίου διακλάδωσης σε μια σταθερή τάση διέγερσης ενώ τροφοδοτείται ο οπλισμός με διαφορετικές τάσεις (γνωστός και ως έλεγχος πολλαπλής τάσης)
• Μεταβολή της τάσης που παρέχεται στον οπλισμό (γνωστή και ως μέθοδος Ward Leonard)

3. Μέθοδος ελέγχου αντίστασης οπλισμού

Ο έλεγχος αντίστασης οπλισμού βασίζεται στην αρχή ότι η ταχύτητα του κινητήρα είναι ευθέως ανάλογη με το πίσω EMF.Έτσι, εάν η τάση τροφοδοσίας και η αντίσταση του οπλισμού διατηρηθούν σε σταθερή τιμή, η ταχύτητα του κινητήρα θα είναι ευθέως ανάλογη με το ρεύμα οπλισμού.