موتورهای الکتریکی DC: نحوه کار، انواع و کاربردها

چه موتور الکتریکی DC است

موتور الکتریکی جریان مستقیم (DC) ماشینی است که انرژی الکتریکی DC را به انرژی مکانیکی چرخشی تبدیل می کند. این بر اساس این اصل عمل می کند که یک هادی حامل جریان که در میدان مغناطیسی قرار می گیرد، نیرو را تجربه می کند - و با چیدمان صحیح هادی ها، آهنرباها و مکانیسم سوئیچینگ، این نیرو می تواند به طور مداوم در یک جهت چرخشی برای تولید گشتاور و سرعت مفید در یک شفت خروجی حفظ شود.

موتورهای DC اولین موتورهای الکتریکی بودند که برای مصارف صنعتی عملی توسعه یافتند که در دهه 1830 توسط مخترعانی از جمله ویلیام استورجن و توماس داونپورت پیشگام شدند و در طول قرن 19 و اوایل قرن 20 قبل از بلوغ فناوری موتور AC به نوع موتور غالب تبدیل شدند. امروز، موتورهای DC در سیستم‌های خودرو، ابزارهای برقی قابل حمل، دستگاه‌های باتری‌دار، خودروهای الکتریکی و کنترل دقیق حرکت ضروری هستند. - کاربردهایی که سرعت و گشتاور قابل کنترل از منبع برق DC الزامات اولیه هستند.

چگونه یک موتور DC کار می کند: موتور DC برس خورده توضیح داده شده است

موتور DC کلاسیک - نوع برس خورده - اصل عملکرد را به وضوح نشان می دهد. اجزای اصلی آن آرمیچر (روتور)، سیستم میدان (استاتور)، کموتاتور و برس ها هستند.

را آرماتور جزء دوار است که از یک هسته آهنی چند لایه با هادی های مسی تشکیل شده است. هنگامی که جریان DC از طریق این هادی ها در میدان مغناطیسی ارائه شده توسط استاتور جریان می یابد، هر هادی نیروی لورنتس را تجربه می کند. هادی ها به گونه ای چیده شده اند که همه نیروها به صورت مماس در یک جهت چرخشی عمل کنند و گشتاور خالصی تولید کنند که آرمیچر را می چرخاند.

را fundamental challenge is that as the armature rotates, the conductors move through the magnetic field and their position relative to the poles changes. Without correction, the force direction would reverse after 180° of rotation, stopping and reversing the motor. The کموتاتور این یک حلقه مسی قطعه‌بندی شده است که روی محور آرمیچر نصب شده است و هر بخش به سیم‌پیچ آرمیچر متفاوتی متصل است. با چرخش آرمیچر، بخش های کموتاتور از زیر کربن ثابت عبور می کنند برس ها که تماس الکتریکی را با مدار خارجی حفظ می کند. هندسه کموتاتور تضمین می کند که جریان همیشه در جهت صحیح از طریق هر هادی که در موقعیت بهینه تولید گشتاور قرار دارند در جریان باشد. معکوس کردن جریان در هر سیم پیچ دقیقاً در لحظه مناسب برای حفظ چرخش یک طرفه مداوم.

انواع موتورهای DC و ویژگی های آنها

موتور DC سری

در موتورهای سری، سیم‌پیچ میدان و سیم‌پیچ آرمیچر به صورت سری به هم متصل می‌شوند - جریان یکسانی از هر دو عبور می‌کند. این امر گشتاور راه اندازی بسیار بالایی را تولید می کند زیرا در سرعت کم، جریان بالایی از میدان عبور می کند و میدان مغناطیسی قوی ایجاد می کند و در نتیجه نیروی زیادی بر هادی های آرمیچر ایجاد می کند. با این حال، با کاهش بار، سرعت به شدت افزایش می یابد و یک موتور DC سری که بدون بار کار می کند می تواند به سرعت های خطرناکی برسد (شرطی به نام «فرار»). موتورهای سری در کاربردهایی که نیاز به گشتاور راه اندازی بالا دارند استفاده می شود: کشش الکتریکی (قطار، تراموا)، جرثقیل ها، بالابرها و موتورهای استارت در موتورهای احتراقی.

موتور DC شنت

در موتور شنت، سیم پیچ میدان به صورت موازی (شنت) با آرمیچر در سراسر ولتاژ تغذیه متصل می شود. از آنجایی که ولتاژ میدان ثابت است، شار میدان اساسا بدون توجه به جریان بار ثابت است. این به موتور شنت ویژگی تعیین کننده آن را می دهد: سرعت نسبتاً ثابت در یک محدوده بار گسترده . تنظیم سرعت - درصد تغییر سرعت از بدون بار به بار کامل - معمولاً در یک موتور شنت با طراحی خوب 5 تا 15 درصد است. موتورهای شنت برای ماشین‌های ابزار، ماشین‌های تراش، ماشین‌های فرز و فن‌هایی که سرعت ثابت تحت بارهای متغیر مورد نیاز است، مناسب هستند.

موتور DC مرکب

یک موتور مرکب هر دو سیم پیچ سری و میدان شنت را ترکیب می کند و گشتاور راه اندازی بالای پیکربندی سری را با پایداری سرعت شنت ترکیب می کند. ترکیب تجمعی (کمک به میدان ها) گشتاور راه اندازی بالایی با تنظیم سرعت معقول تولید می کند. ترکیب دیفرانسیل (مقابل میدان ها) ویژگی های سرعت بسیار مسطح می دهد اما به ندرت به دلیل خطرات ناپایداری استفاده می شود. موتورهای مرکب پرس، پانچ، آسانسور و بارهای دیگری را که هم به گشتاور راه اندازی خوب و هم به سرعت کار پایدار نیاز دارند، ارائه می کنند.

موتور DC مغناطیسی دائمی (PMDC)

موتورهای PMDC میدان زخم را با آهنرباهای دائمی جایگزین می‌کنند و تلفات مس سیم پیچ میدان را حذف می‌کنند و ساخت و ساز را ساده می‌کنند. ارائه می دهند ویژگی های سرعت-گشتاور خطی - سرعت به طور متناسب با افزایش گشتاور کاهش می یابد - آنها را بسیار قابل پیش بینی و آسان برای کنترل می کند. موتورهای آهنربای دائمی نوع غالب در کاربردهای قدرت کوچک تا متوسط ​​هستند: درایوهای کمکی خودرو (بالابر پنجره، برف پاک کن، تنظیم کننده صندلی)، ابزار برقی، چاپگر و لوازم خانگی کوچک. محدودیت اصلی آنها این است که آهنرباهای دائمی می توانند در دماهای بالا یا تحت جریان اضافه بار شدید، مغناطیس زدایی شوند.

موتور DC بدون جاروبک (BLDC)

را brushless DC motor eliminates the mechanical commutator and brushes entirely. Permanent magnets are on the rotor; the stator carries the windings. An electronic controller (ESC or inverter) switches current through the stator windings in a timed sequence, producing a rotating magnetic field that the permanent magnet rotor follows. بدون برس، هیچ سایش مکانیکی در رابط کموتاسیون وجود ندارد ، به موتورهای BLDC عمر طولانی تر، راندمان بالاتر (معمولاً 85-95٪)، نویز الکتریکی کمتر و توانایی کار با سرعت های بسیار بالاتر نسبت به مشابه های برس خورده می دهد. موتورهای BLDC بر وسایل نقلیه الکتریکی، هواپیماهای بدون سرنشین، تجهیزات تهویه مطبوع، درایوهای سروو صنعتی و ابزارهای برقی بی سیم تسلط دارند.

موتورهای DC Brushed در مقابل Brushless: تفاوت های کلیدی

کنترل سرعت در موتورهای DC

یکی از باارزش‌ترین ویژگی‌های موتورهای DC این است که سرعت آن‌ها را می‌توان به‌راحتی کنترل کرد – ویژگی که آن‌ها را خیلی قبل از وجود فناوری مدرن اینورتر AC به انتخاب ارجح برای درایوهای صنعتی با سرعت متغیر تبدیل کرد. سرعت موتور DC توسط معادله back-EMF کنترل می شود:

سرعت ∝ (ولتاژ تغذیه - افت ولتاژ در مقاومت آرمیچر) ÷ شار مغناطیسی

این معادله دو روش عملی کنترل سرعت را نشان می دهد. کنترل ولتاژ آرمیچر - کاهش ولتاژ اعمال شده به آرمیچر - سرعت را به طور متناسب با حفظ شار میدان کامل کاهش می دهد و قابلیت گشتاور کامل را در سرعت کاهش یافته حفظ می کند. این روش استاندارد برای سرعت های زیر سرعت پایه (نامی) است. تضعیف میدان - کاهش جریان میدان و در نتیجه شار - سرعت را بالاتر از سرعت پایه افزایش می دهد، اما ظرفیت گشتاور به نسبت ضعیف تر است زیرا میدان مغناطیسی ضعیف تر است. این دو روش با هم به موتورهای DC محدوده سرعت قابل کنترل گسترده ای می دهند: به طور معمول 10:1 یا بیشتر در کاربردهای درایو صنعتی، در مقایسه با 2:1 یا کمتر برای موتورهای القایی AC کنترل نشده بدون درایو فرکانس متغیر.

در عمل مدرن، کنترل سرعت به صورت الکترونیکی اجرا می شود. کنترل‌کننده‌های PWM (مدولاسیون عرض پالس) ولتاژ مؤثر به آرمیچر را با روشن و خاموش کردن سریع منبع تغذیه در فرکانس بالا تغییر می‌دهند - نسبت زمان روشن به زمان خاموش (چرخه کار) ولتاژ متوسط ​​و در نتیجه سرعت را تعیین می‌کند. کنترل PWM بسیار کارآمد است زیرا ترانزیستورهای سوئیچینگ کمترین انرژی را در مقایسه با روش های افت ولتاژ مقاومتی تلف می کنند و تنظیم دقیق سرعت را با بازخورد ساده از یک سرعت سنج یا رمزگذار روی شفت موتور امکان پذیر می کند.

جایی که از موتورهای الکتریکی DC استفاده می شود

موتورهای DC در طیف وسیعی از کاربردها ظاهر می شوند، از ابزار دقیق در مقیاس میلی وات تا درایوهای صنعتی در مقیاس مگاوات:

• خودرو: یک ماشین سواری مدرن شامل بین موتورهای 30 و 80 کوچک DC پنجره های رانندگی، آینه ها، صندلی ها، برف پاک کن ها، فن های خنک کننده، پمپ های سوخت، محرک های ABS و دمنده های HVAC. موتور استارت - یک موتور DC سری با گشتاور بالا - موتور را در هر چرخه شروع به کار می اندازد.
• وسایل نقلیه الکتریکی: موتورهای سنکرون BLDC و آهنربای دائم (نوعی از BLDC) نیروی محرکه کشش خودروهای الکتریکی باتری را تامین می کنند. موتور عقب مدل 3 تسلا یک موتور سنکرون آهنربای دائمی است که بیش از 250 کیلووات را از یک بسته فشرده و سبک وزن تولید می کند.
• ابزارهای برقی: دریل‌های شارژی، درایورها، اره‌های دایره‌ای و آسیاب‌های زاویه‌ای از موتورهای DC برس خورده (محدوده اقتصادی) یا BLDC (محدوده حرفه‌ای) استفاده می‌کنند که توسط بسته‌های باتری لیتیوم یون تغذیه می‌شوند.
• اتوماسیون صنعتی و رباتیک: درایوهای سرو در ماشین‌های CNC، بازوهای رباتیک و تجهیزات مونتاژ خودکار از موتورهای BLDC یا آهنربای دائم بدون جاروبک با موقعیت حلقه بسته و کنترل سرعت برای حرکت دقیق و قابل تکرار استفاده می‌کنند.
• لوازم الکترونیکی مصرفی: موتورهای دوک درایو هارد دیسک، فن های خنک کننده در رایانه ها و پروژکتورها، و موتورهای لرزشی در تلفن های هوشمند، همه موتورهای DC مینیاتوری هستند - اغلب BLDC - به طور مداوم یا متناوب در دستگاه های مهر و موم شده کار می کنند.
• راه آهن و ترانزیت: موتورهای کششی سری DC شبکه های راه آهن زیرزمینی را برای بیش از یک قرن تغذیه می کردند. بسیاری از سیستم‌های مترو در سرتاسر جهان هنوز از زیرساخت‌های کشش DC بهره می‌برند، اگرچه انبارهای نورد مدرن به طور فزاینده‌ای از موتورهای AC عرضه‌شده توسط اینورترهای داخلی استفاده می‌کنند.