Jak funguje stejnosměrný motor? Pochopení stejnosměrných elektromotorů

Stejnosměrné motory patří k nejpoužívanějším typům elektromotorů, a to především proto, že se snadno používají a jsou všestranné. Od malých hraček až po velké průmyslové aplikace hrají stejnosměrné motory zásadní roli v pohonu strojů a napájení zařízení. V tomto článku se budeme zabývat tím, jak stejnosměrné motory fungují, jaké jsou různé dostupné typy, jak se ovládají a jak si vybrat ten správný pro vaše potřeby.

Principy činnosti stejnosměrného motoru

Základní princip stejnosměrného motoru je jednoduchý: přeměňuje elektrickou energii na mechanický pohyb interakcí magnetického pole a vodiče, kterým protéká proud. Hlavními součástmi stejnosměrného motoru jsou stator, rotor (kotva), komutátor a kartáče. Funguje to takto:

Interakce magnetického pole: Stejnosměrný motor má magnetické pole vytvořené buď permanentními magnety, nebo elektromagnety ve statoru. Rotor (rotující část motoru) je umístěn v tomto magnetickém poli.

Tok proudu: Když vinutími rotoru protéká elektrický proud, generuje vlastní magnetické pole, které interaguje s magnetickým polem statoru. Podle zákona elektromagnetismu se opačné póly přitahují a stejné póly odpuzují. Tato interakce způsobuje otáčení rotoru.

Komutátor: Komutátor je kritickou součástí stejnosměrných motorů, která zajišťuje, že se směr proudu protékajícího vinutími rotoru mění každou půl otáčku. Díky tomu se rotor otáčí v jednom směru.

Kartáče: Kartáče jsou vodivé materiály (obvykle uhlík), které udržují elektrický kontakt s komutátorem během jeho otáčení. Dodávají potřebný proud do vinutí rotoru.

Tento nepřetržitý proces generování točivého momentu z interakce magnetických polí umožňuje motoru otáčet se a vykonávat mechanickou práci.

Typy stejnosměrných motorů

Existuje několik různých typů stejnosměrných motorů, každý se specifickými výhodami a aplikacemi. Lze je obecně rozdělit na stejnosměrné motory s permanentními magnety a stejnosměrné motory s buzením vinutím. Pojďme si každý typ podrobněji prozkoumat.

Stejnosměrné motory s permanentními magnety

Stejnosměrné motory s permanentními magnety (PMDC) jsou nejběžnějším typem stejnosměrných motorů a jsou známé svou jednoduchostí a účinností. Jak název napovídá, tyto motory používají k vytváření magnetického pole permanentní magnety ve statoru. Existují dva hlavní podtypy stejnosměrných motorů s permanentními magnety: bezkartáčové stejnosměrné motory a kartáčové stejnosměrné motory s permanentními magnety.

Bezkartáčové stejnosměrné motory

Bezkartáčové stejnosměrné motory neboli BLDC motory eliminují potřebu kartáčů a komutátoru díky elektronickým regulátorům pro přepínání proudu ve vinutích rotoru. Tyto motory používají permanentní magnety ve statoru a senzory detekují polohu rotoru pro úpravu toku proudu. V důsledku toho jsou bezkartáčové motory účinnější, mají delší životnost a vyžadují méně údržby než kartáčové motory.

Použití: Bezkartáčové stejnosměrné motory se běžně používají ve vysoce přesných aplikacích, jako jsou počítačové ventilátory, drony a elektromobily. Jsou ideální pro prostředí, kde je klíčová snížená údržba a vysoká účinnost.

Kartáčové stejnosměrné motory s permanentními magnety

Kartáčové motory PMDC jsou jednodušší a levnější ve srovnání s bezkartáčovými motory. Používají permanentní magnety ve statoru a komutátor pro obrácení toku proudu. Kartáče zajišťují fyzické spojení mezi rotujícím komutátorem a externím zdrojem napájení. Tyto motory jsou spolehlivé a široce používané v nízkonákladových aplikacích, i když kvůli opotřebení kartáčů obvykle vyžadují více údržby.

Použití: Kartáčové motory PMDC se nacházejí v hračkách, domácích spotřebičích a malých strojích, které vyžadují cenově efektivní řešení pro rotační pohyb.

Stejnosměrné motory s buzením vinutí

Stejnosměrné motory s vinutím a buzením používají ve statoru elektromagnety (budicí vinutí) místo permanentních magnetů. Tyto motory jsou flexibilnější než typy s permanentními magnety, protože sílu magnetického pole lze regulovat nastavením proudu protékajícího budicími vinutími. Stejnosměrné motory s vinutím a buzením se dodávají ve třech hlavních typech: sériové stejnosměrné motory, paralelní stejnosměrné motory a složené stejnosměrné motory.

Řadové stejnosměrné motory

U sériových stejnosměrných motorů je budicí vinutí zapojeno sériově s vinutím kotvy, což znamená, že stejný proud protéká jak budicím vinutím, tak kotvou. V důsledku toho závisí otáčky motoru na zatížení; při nízkém zatížení se zrychlí a při vysokém zatížení se zpomalí. Sériové motory poskytují vysoký rozběhový moment, díky čemuž jsou ideální pro aplikace, jako jsou elektrické vlaky a jeřáby, kde je k pohybu břemene potřeba vysoký točivý moment.

Použití: Sériové stejnosměrné motory se často používají v aplikacích vyžadujících vysoký točivý moment, jako jsou navijáky, elektrické zvedáky a startéry ve vozidlech.

Stejnosměrné motory s paralelním pohonem

Paralelní stejnosměrné motory mají budicí vinutí zapojena paralelně (paralelně) s vinutím kotvy. Tato konstrukce umožňuje budicímu vinutí udržovat relativně konstantní proud, což zvyšuje stabilitu otáček motoru bez ohledu na zatížení. Paralelní stejnosměrné motory jsou známé svou schopností udržovat stabilní otáčky v širokém rozsahu zatížení.

Použití: Pohyblivé motory se běžně používají v aplikacích, kde je důležitá regulace otáček, jako jsou soustruhy, dopravníkové pásy a ventilátory.

Složené stejnosměrné motory    

Složené stejnosměrné motory kombinují vlastnosti sériových i paralelních motorů. Mají dvě sady budicích vinutí: jednu zapojenou sériově a druhou paralelně s kotvou. Tato kombinace umožňuje složeným motorům poskytovat jak vysoký rozběhový moment, tak stabilní regulaci otáček při proměnném zatížení. Jsou všestranné a široce používané v odvětvích, která vyžadují jak vysoký točivý moment, tak konzistentní otáčky.

Použití: Složené motory se obvykle používají v aplikacích, jako jsou výtahy, válcovny a obráběcí stroje.

Řízení stejnosměrných motorů

Výkon a funkčnost stejnosměrného motoru lze řídit různými metodami. Mezi nejběžnější typy řízení stejnosměrného motoru patří:

Řízení otáček: Otáčky stejnosměrného motoru lze regulovat změnou napětí nebo proudu dodávaného do motoru. U motoru PMDC se otáčky regulují úpravou napájecího napětí. U motoru s buzením vinutím lze otáčky regulovat úpravou proudu v budicím vinutí.

Řízení směru: Směr otáčení stejnosměrného motoru lze obrátit změnou polarity napětí přiváděného na motor. Toho se často dosahuje použitím spínače nebo relé k obrácení směru proudu.

Řízení točivého momentu: Točivý moment lze nastavit regulací proudu protékajícího motorem. Vyšší proud vede k vyššímu točivému momentu.

Elektronické regulátory: Pokročilé elektronické regulátory se používají k řízení funkcí motoru, jako je rychlost, směr a točivý moment. Tyto regulátory používají senzory k poskytování zpětné vazby a optimalizaci výkonu motoru pro specifické úkoly.

Výběr stejnosměrného motoru

Při výběru stejnosměrného motoru pro vaši aplikaci zvažte následující faktory:

Požadavky na napájení: Určete, kolik energie váš systém potřebuje. Pro aplikace vyžadující vysoký točivý moment nebo výkon, jako jsou průmyslové stroje, jsou zapotřebí větší motory.

Regulace otáček: Pokud je důležitá přesná regulace otáček, hledejte motory s nastavitelnou funkcí otáček, jako jsou například paralelní nebo kombinované stejnosměrné motory.

Prostředí: Zvažte provozní prostředí motoru. Například motory používané v náročných podmínkách mohou vyžadovat dodatečnou ochranu před prachem nebo vlhkostí.

Účinnost: Bezkartáčové stejnosměrné motory bývají účinnější než kartáčové motory, což může snížit spotřebu energie a náklady na údržbu.

Cena: Vaši volbu ovlivní rozpočtová omezení. Bezkartáčové motory bývají dražší, zatímco kartáčové motory a motory s permanentními magnety mohou nabídnout dostupnější řešení pro jednodušší aplikace.

Shrnutí

Stejnosměrné motory jsou neuvěřitelně všestranné a široce se používají v celé řadě odvětví, od robotiky přes automobilový průmysl až po výrobu. Pochopení různých typů stejnosměrných motorů, jejich provozních principů a faktorů, které je třeba zvážit při výběru motoru, vám pomůže učinit informované rozhodnutí pro vaši aplikaci. Ať už potřebujete vysoký točivý moment, efektivní regulaci otáček nebo trvanlivý výkon, existuje stejnosměrný motor vhodný pro vaše potřeby. Zohledněním charakteristik každého typu motoru můžete zajistit optimální výkon a účinnost vašich systémů.