Od magnetického poľa po rotáciu: článok na pochopenie toho, prečo sa jednosmerné motory otáčajú

V predchádzajúcom článku sme už mali predbežné porozumenie Aký je jednosmerný motor, z ktorých časti jeho základná štruktúra pozostáva a jej širokú škálu aplikácií v živote a priemysle. V tomto článku vysvetlíme podrobnejšie hĺbku „Prečo sa môže jednosmerný motor otočiť a aký je jeho pracovný princíp".

 

Už vieme, že rotácia jednosmerného motora vyžaduje elektrický prúd, magnetické pole a zložitú štruktúru cievky, ale ako reaguje elektrina, magnetizmus a cievky na seba a aké fyzikálne zákony umožňujú zdanlivo stacionárnemu zložke začať sa neustále otáčať?

 

Tieto problémy vysvetlíme jeden po druhom z nasledujúceho obsahu, takže začnime.

 

 

Aby sme skutočne pochopili, prečo sa DC Motors môžu striedať, musíme poznať veľmi základný fyzikálny zákon -Ampereov zákon.

 

Základné princípy elektrických motorov: Ampere's Force Law (F=bil)

Vo fyzike existuje zákon, ktorý hovorí:

Keď prúd prechádza drôtom a je v magnetickom poli, bude pôsobiť magnetickým poľom.

 

Veľkosť tejto sily je určená nasledujúcim vzorcom:

F=b × i × l × sinθ

F: Sila

B: Magnetická sila poľa

I: Aktuálna intenzita

L: Dĺžka drôtu

θ: Uhol medzi smerom prúdu a smerom magnetického poľa

Táto sila je to, čo často nazývame „ampérou".

 

Nie je to záhadné, rovnako ako keď vložíte magnet blízko vodivej cievky, budete cítiť „tlačenú" alebo „ťahať" silu, čo je interakcia medzi elektrickým prúdom a magnetickým poľom.

 

Jednoducho povedané: Prúd prechádza magnetickým poľom → Sila sa aplikuje na drôt → Presunutie drôtu sa pohybuje

 

To je základ pre pohyb motora.

 

Ako sa jednosmerný motor premení na túto silu na „nepretržitú rotáciu"?

Skôr sme povedali, že drôt je vystavený sile. Ale v motore to nie je drôt, ale skupina cievkových vinutí - nazývame ich kotvové cievky, ktoré sú inštalované na rotor, ktorý sa môže voľne otáčať.

 

Prúd tečie zo zdroja napájania do cievky, cievka generuje silu a rotor sa začína otáčať. Tu je otázka:

Ak sa sila aplikuje iba raz, rotor sa otáča iba raz a potom sa zastaví a nemôže sa neustále otáčať?

 

Áno, takže vo vnútri jednosmerného motora - komutátor je navrhnutá veľmi dôležitá štruktúra.

 

Funkciou tohto malého komponentu je automaticky prepnúť smer prúdu v cievke počas rotácie kotvy. Výhodou je to, že hoci prúd mení smer, „smer sily" v magnetickom poli zostáva konzistentný, čo umožňuje rotora naďalej otáčať.

 

Kombutátor si môžete myslieť ako na spínač, ktorý počas rotácie „neustále preklopuje". Funguje s kefami, aby vždy udržal prúd „tečúce v správnom smere", aby sa udržala stabilná rotácia.

 

 

Dôvod, prečo sa jednosmerný motor môže „pohybovať" stabilne, nie je len z dôvodu prúdového a magnetického poľa, ale aj kvôli koordinovanej práci série presných komponentov v ňom, vrátane „kotvovej cievky", „komutátora" a „kefy". Pre jednoduchšie porozumenie bude vysvetlenie založené na brúsenom jednosmernom motore.

 

1. Kotva: „dráha" prúdu

V jednosmernom motore je kotva (nazývaná aj vinutie rotora) priamym nositeľom ampérovej sily. Keď prúd vstupuje do motora z externého zdroja energie, práve cez tieto cievky rozmiestnené v drážkach sa sila aplikuje v magnetickom poli. Keďže cievky sú symetricky rozložené na rotore, tieto sily budú navzájom spolupracovať a vytvárať stabilný a vyvážený rotačný krútiaci moment (krútiaci moment).

 

Dá sa to chápať takto:

Každá časť drôtu je ako „dráha", ktorou preteká prúd, a magnetické pole pôsobí ako rozhodca, ktorý vyvíja „hnaciu silu". Keď sa spojí viacero cievok, fungujú ako tím, rytmicky sa pohybujú v kruhoch a nakoniec generujú nepretržitý krútiaci moment.

 

Okrem toho, čím viac kotvových cievok je, tým plynulejší je motor a tým menšie je kolísanie výstupného krútiaceho momentu.

 

2. Komutátor a kefky: kúzelník, ktorý obracia prúd

Nestačí, aby prúd pretekal cievkou – aby kotva zostala pod konštantnou silou v rovnakom smere, musí sa smer prúdu meniť každú pol otáčku, čo je úlohou komutátora.

 

Komutátor je konštrukcia z medených dosiek pripevnených k hriadeli, ktoré udržiavajú kontakt s kefkami na statore. Keď sa rotor otáča, kefky sa kĺžu po rôznych medených doskách, čo spôsobuje „automatické obrátenie prúdu". Preto sila na drôte zostáva v rovnakom smere aj po otočení cievky o pol otáčky.

 

Inými slovami, komutátor je ako systém, ktorý automaticky upravuje semafory, aby zabezpečil, že prúd „tiekol hladko" a udržiaval rytmus rotácie.

 

Prečo sú teda kefky a komutátory často najrýchlejšie opotrebovateľnými súčiastkami?

Pretože sú v stave neustáleho kontaktu a trenia, sú náchylné na iskrenie a zahrievanie pri vysokých rýchlostiach a vysokých prúdoch a ich životnosť je pri dlhodobej prevádzke obmedzená. Preto vo vysokovýkonných motoroch (ako sú napríklad bezkartáčové jednosmerné motory) ľudia používajú elektronickú komutáciu na nahradenie tejto časti konštrukcie.

 

 

Jednosmerný motor nie je len o „otáčaní", môže sa tiež „otáčať rýchlo", „násilne" a dokonca udržiavať stabilný výstup pri rôznych zaťaženiach. Ako sa teda riadia rýchlosť (otáčky) a krútiaci moment (krútiaci moment) motora? Môžeme to pochopiť z nasledujúcich aspektov:

 

1. Vzťah medzi napätím, prúdom, rýchlosťou a krútiacim momentom

Výstupné charakteristiky jednosmerného motora úzko súvisia so vstupným napätím a prúdom:

 

Napätie určuje rýchlosť

Pod predpokladom, že zaťaženie zostáva nezmenené, je rýchlosť jednosmerného motora zhruba úmerná napätiu.

· Zníženie napätia → Redukcia rýchlosti

· Zvyšovanie napätia → Zvyšuje sa rýchlosť

 

Prúd ovplyvňuje krútiaci moment

Čím väčší je prúd, tým silnejšia je ampérska sila generovaná cez cievku a čím väčší je výstupný krútiaci moment.

· Viac prúdu → Viac krútiaceho momentu (ale tiež náchylnejšie k prehriatiu)

 

Preto pri zrýchľovaní vyžadujú elektrické vozidlá viac prúdu, zatiaľ čo prúd klesá pri plavbe konštantnou rýchlosťou.

 

2. Ako sa motor „samoreguluje" pri zmenách zaťaženia?

Keď sa zaťaženie poháňané motorom stane ťažším (ako dvaja ľudia sediaci na elektrickom bicykli), pohyb rotora sa stretne s väčším odporom a rýchlosť sa prirodzene zníži. V tejto chvíli sa zníži zadná elektromotívna sila cievky kotvy, čo spôsobí, že viac prúdu prúdia do motora, čo automaticky zvýši výstupný krútiaci moment, odoláva zaťaženiu a udržiava rotáciu.

 

Tento „adaptívny" mechanizmus je jedným z dôvodov, prečo sú jednosmerné motory veľmi praktické.

 

3. Ovládanie PWM: Variácia riadenia napätia

Pri regulácii aktuálneho motora nie je napájacie napätie priamo upravené. Namiesto toho sa na simuláciu efektu „premenlivého napätia" používa metóda nazývaná PWM (modulácia šírky impulzov).

 

Jednoducho povedané:

Ovládač zapína a vypína rýchlo a umožňuje motoru fungovať vo vysokofrekvenčnom prepínaní cyklu „zapnuté".

Úpravou časového pomeru „On" (pracovný cyklus) je možné simulovať rôzne priemerné napätie.

 

Napríklad:

50% pracovný cyklus ≈ napoly napätie → Rýchlosť je asi polovica plnej rýchlosti

90% pracovný cyklus - napájanie vysokého napätia → Rýchlosť blízko plnej rýchlosti

 

PWM má nielen presnú kontrolu, ale tiež znižuje stratu energie. Je to základný prostriedok moderných systémov riadenia jednosmerných motorov.

 

 

V predchádzajúcom obsahu sme ako príklad použili jednosmerný motor s permanentnými magnetmi s kefkou na vysvetlenie princípu fungovania, ale v skutočnosti „jednosmerný motor" nie je jednotná konštrukcia. Jeho konštrukcia sa môže líšiť v závislosti od metód komutácie, zdrojov magnetického poľa atď.

 

Fungujú teda tieto rôzne typy jednosmerných motorov rovnako? Aké sú kľúčové rozdiely? Pozrime sa na ne.

 

1. Kefkový vs. bezkefkový: Rozdiely v mechanizmoch komutácie

Kefkový jednosmerný motor

Metóda komutácie: Spolieha sa na mechanický komutátor + kefku na dokončenie zmeny smeru prúdu.

Vlastnosti: jednoduchá konštrukcia, jednoduché ovládanie, nízka cena, ale kefky sa ľahko opotrebúvajú a vyžadujú si pravidelnú údržbu.

 

Bezkefkový jednosmerný motor (BLDC)

Metóda komutácie: Elektronická komutácia, pomocou snímača polohy a regulátora sa určuje poloha rotora a mení sa napájaná cievka.

Vlastnosti: vysoká účinnosť, dlhá životnosť, nízka hlučnosť, vhodný pre scenáre vyžadujúce vysoký výkon (ako sú drony, elektrické náradie, elektrické vozidlá atď.).

 

Zhrnutie základných rozdielov:

projekt	Kefovaný motor	Kefový motor
Metóda komutácie	Mechanický komutátor	Elektronická kontrola
Frekvencia údržby	vysoký	Nízky
Životnosť	Relatívne krátky	Dlhší
náklady	Nízky	Vyšší
Obtiažnosť	Nízky	Stredná až vysoká

 

2. Permanentný magnet vs. excitácia: rôzne zdroje magnetického poľa

Jednosmerný motor s permanentným magnetom (PMDC motor)

· Zdroj magnetického poľa: Používajú sa permanentné magnety so stabilným magnetickým poľom a kompaktnou štruktúrou.

Výhody: malá veľkosť, vysoká účinnosť, bežne používané v mikromotoroch, prenosných zariadeniach, elektrických vozidlách atď.

Nevýhody: Magnet má obmedzenú tepelnú odolnosť a intenzitu magnetického poľa nemožno nastaviť.

 

Budený jednosmerný motor

· Zdroj magnetického poľa: Magnetické pole je generované budiacou cievkou, ktorá môže byť sériového budenia, paralelného budenia, zloženého budenia a iných štruktúr.

Výhody: Magnetické pole je nastaviteľné, vhodné pre aplikácie vyžadujúce veľký rozbehový krútiaci moment alebo premenlivú rýchlosť, ako sú priemyselné zdvíhacie zariadenia, výťahy atď.

Nevýhody: zložitejšia štruktúra, väčší objem, mierne vyššia spotreba energie.

 

Porovnanie rozdielov magnetického poľa:

projekt	Motor na permanentný magnet	Excitačný motor
Zdroj magnetického poľa	Stály magnet	Excitačná cievka
Nastaviteľnosť magnetického poľa	Nie nastaviteľný	Nastaviteľný
náklady	Relatívne nízky	Mierne vyššie
Aplikačný scenár	Malý	Priemyselná, ťažká služba

 

V porovnaní s tým je zrejmé, že hoci sa rôzne typy jednosmerných motorov líšia v mechanizmoch komutácie a zdrojom magnetického poľa, ich základné princípy sú rovnaké: použitie sily vyvíjanej na vodiča prenášajúceho prúdu v magnetickom poli na vytvorenie krútiaceho momentu, čím sa riadi rotácia.

 

 

V tejto chvíli si myslím, že máte úplné pochopenie Aký je jednosmerný motor a celý proces, prečo sa môže jednosmerný motor otáčať. Od fyzického princípu (zákon Ampere), až po koordinovanú prácu kľúčových komponentov (kotvová cievka, komutátor, kefa), až po rozdiely v pracovných mechanizmoch rôznych typov motorov (kefka\/kefka bez trvalého magnetu\/excitácie), je možné povedať, že DC motory sú technológia, ktorá „zdanlivo jednoduchý, ale obsahuje bezohľadný dizajn".

 

 

Ak hľadáte efektívny a spoľahlivý jednosmerný motor pre váš projekt, kontaktujte nás - výrobcu jednosmerných motorov s frekvenčným meničom (VSD).

Zameriavame sa na návrh a prispôsobenie rôznych jednosmerných motorov, vrátane kefkových, bezkefkových, s permanentnými magnetmi, prevodových, elektronických riadených a ďalších sérií, ktoré sa široko používajú v inteligentných domácich spotrebičoch, robotoch, automatizačných zariadeniach, medicínskej presnosti a ďalších oblastiach.

 

Naše výhody:

Podpora vývoja na mieru a skúšobnej výroby v malých dávkach

Vlastníme nezávislú patentovanú technológiu a prísnu certifikáciu kvality

Obsluhujeme zákazníkov v mnohých krajinách sveta

 

Neváhajte nás kontaktovať pre produktové manuály alebo technické poradenstvo. Uľahčíme vám výber motora a zefektívnime váš projekt!