Тұрақты токпен жұмыс істейтін мотор

Кіріспе

Тұрақты ток (DC) электрмоторы – механикалық күшті тудыру үшін тұрақты ток (DC) пайдаланатын электр қозғалтқышы. Ең көп таралған түрлері катушкалардағы токтар тудыратын магниттік күштерге негізделген. Көптеген DC электрмоторларында электрмеханикалық немесе электрондық түрде, мотордың бір бөлігінде ток бағытын мерзімік түрде өзгертетін ішкі механизм болады. DC электрмоторлары кеңінен қолданылатын моторлардың алғашқы түрі болды, себебі оларды қолданыстағы тұрақты токпен жарықтандыру электр тарату жүйелерінен қуат алуға болады. DC электрмоторының жылдамдығын кең ауқымда, өзгермелі қуат көзінің кернеуін немесе оның өріс орамдарындағы ток күшін өзгерту арқылы басқаруға болады. Кішкентай DC электрмоторлары құралдарда, ойыншықтарда және тұрмыстық техникаларда қолданылады. Универсалды мотор – портативті электр құралдары мен тұрмыстық техникалар үшін қолданылатын жеңіл щеткалы мотор, ол тұрақты және айнымалы токпен жұмыс істей алады. Ірі DC электрмоторлары қазіргі уақытта электр көліктерін, лифттерді және көтергіштерді, сондай-ақ болат прокаттау машиналарын қозғалысқа келтіру үшін қолданылады. Қуат электроникасының дамуы көптеген жағдайларда DC электрмоторларын AC электрмоторларымен алмастыруға мүмкіндік берді.

Электромагниттік қозғалтқыштар

Одан өтетін ток бар сым орамасы электромагниттік өріс тудырады. Одан өтетін токтың бағыты мен мөлшері арқылы орамның магниттік өрісінің бағыты мен мөлшері өзгеруі мүмкін. Қарапайым тұрақты ток қозғалтқышында статорда магниттер жиынтығы және магниттік өрісті шоғырландыратын жұмсақ темір өзекке оралған бір немесе бірнеше оқшауланған сым орамдары бар арматура болады. Орамдар әдетте өзекке айналып бірнеше рет оралған, ал үлкен моторларда бірнеше параллель ток жолдары болуы мүмкін. Сым орамының ұштары коммутатормен қосылады. Коммутатор әр арматура орамын кезекпен қуаттандыруға мүмкіндік береді және айналатын орамдарды щеткалар арқылы сыртқы қуат көзімен байланыстырады. (Құыссыз тұрақты ток моторларында әр орамға тұрақты токты қосу және сөндіруді басқаратын электроника болады және оларда щеткалар жоқ.) Орамға жіберілетін токтың жалпы мөлшері, орамның мөлшері және оның айналдыра оралған дененің материалы электромагниттік өрістің күшін анықтайды. Белгілі бір орамды қосу немесе сөндіру реті тиімді электромагниттік өрістердің бағытын анықтайды. Орамдарды кезекпен қосу және сөндіру арқылы айналатын магниттік өріс құруға болады. Бұл айналатын магниттік өрістер қозғалтқыштың (статордың) стационарлық бөлігіндегі магниттердің (тұрақты немесе электромагниттердің) магниттік өрістерімен өзара әрекеттесіп, арматурада айналуға себеп болатын айналым моментін жасайды. Кейбір тұрақты ток қозғалтқыштарының конструкцияларында статорлық өрістер өздерінің магниттік өрістерін құру үшін электромагниттерді қолданады, бұл қозғалтқышты бақылауды жеңілдетеді. Жоғары қуат деңгейінде тұрақты ток моторлары көбінесе мәжбүрлі ауамен салқындатылады. Статор мен арматураның әр түрлі саны және олардың қосылуы жылдамдық пен айналым моментін реттеудің әр түрлі ерекшеліктерін қамтамасыз етеді. Тұрақты ток қозғалтқышының жылдамдығы арматураға қолданылатын кернеуді өзгерту арқылы басқарылады. Арматура тізбегіндегі немесе өріс тізбегіндегі өзгермелі кедергі жылдамдықты реттеуге мүмкіндік береді. Қазіргі заманғы тұрақты ток моторлары көбінесе кернеуді "ұсақтау" арқылы кернеуді реттейтін қуат электроникасы жүйелерімен басқарылады. Сериялы орамды тұрақты ток қозғалтқышы төменгі жылдамдықта ең жоғары айналым моментін дамытатындықтан, ол көбінесе электр локомотивтері мен трамвайлар сияқты жылдамдату қолданбаларында қолданылады. Тұрақты ток қозғалтқышы көптеген жылдар бойы электр және дизельдік электр локомотивтерінде, көше вагондарында/трамвайларында және дизельдік электр бұрғылау қондырғыларында электрлік жетегінің негізгі бөлігі болды. 1870 жылдары машиналарды басқару үшін тұрақты ток моторларын және электр желісі жүйесін енгізу жаңа екінші өнеркәсіптік революцияны бастады. Тұрақты ток моторлары тікелей зарядталатын батареялардан жұмыс істей алады, алғашқы электр көліктеріне және бүгінгі гибридтік және электрлік көліктерге қозғалтқыш қуатын береді, сондай-ақ көптеген сымсыз құралдарды басқарады. Бүгінгі таңда тұрақты ток моторлары ойыншықтар мен дискілер сияқты кішкентай немесе болат прокаттау машиналарын және қағаз машиналарын басқару үшін үлкен көлемде қолданылады. Ауыспалы қосылған өрістері бар ірі тұрақты ток моторлары, әдетте, шахталық көтеру машиналары үшін, жоғары айналым күші үшін, сондай-ақ тиристорлық жетегі арқылы жылдамдықты тегіс басқару үшін қолданылды. Қазір олардың орнына ауыспалы жиілікті жетегі бар үлкен ауыспалы ток моторлары орнатылған. Егер тұрақты ток қозғалтқышына сыртқы механикалық қуат қолданылса, ол тұрақты ток генераторы, динамо ретінде әрекет етеді. Бұл мүмкіндік гибридтік және электрлік көліктердегі батареяларды баяулату және зарядтау үшін немесе электр көлігі немесе электрленген пойыз желісі баяулаған кезде электр желісіне электр энергиясын қайтару үшін қолданылады. Бұл процесс гибридтік және электрлік көліктерде регенеративті тежеу деп аталады. Дизельдік электрлік локомотивтерде олар өздерінің тұрақты ток моторларын генератор ретінде баяулату үшін пайдаланады, бірақ энергияны резисторлар тізбегінде таратып жібереді. Жаңа үлгілер осы энергияның бір бөлігін қайтадан жинап алу үшін үлкен батареяларды қосады.

A coil of wire with a current running through it generates an electromagnetic field aligned with the center of the coil. The direction and magnitude of the magnetic field produced by the coil can be changed with the direction and magnitude of the current flowing through it. A simple DC motor has a stationary set of magnets in the stator and an armature with one or more windings of insulated wire wrapped around a soft iron core that concentrates the magnetic field. The windings usually have multiple turns around the core, and in large motors there can be several parallel current paths. The ends of the wire winding are connected to a commutator. The commutator allows each armature coil to be energized in turn and connects the rotating coils with the external power supply through brushes. (Brushless DC motors have electronics that switch the DC current to each coil on and off and have no brushes.) The total amount of current sent to the coil, the coil's size, and what it is wrapped around decide the strength of the electromagnetic field created. The sequence of turning a particular coil on or off dictates what direction the effective electromagnetic fields are pointed. By turning on and off coils in sequence, a rotating magnetic field can be created. These rotating magnetic fields interact with the magnetic fields of the magnets (permanent or electromagnets) in the stationary part of the motor (stator) to create a torque on the armature which causes it to rotate. In some DC motor designs, the stator fields use electromagnets to create their magnetic fields which allows greater control over the motor. At high power levels, DC motors are almost always cooled using forced air. Different number of stator and armature fields as well as how they are connected provide different inherent speed and torque regulation characteristics. The speed of a DC motor can be controlled by changing the voltage applied to the armature. Variable resistance in the armature circuit or field circuit allows speed control. Modern DC motors are often controlled by power electronics systems which adjust the voltage by "chopping" the DC current into on and off cycles which have an effective lower voltage. Since the series wound DC motor develops its highest torque at low speed, it is often used in traction applications such as electric locomotives, and trams. The DC motor was the mainstay of electric traction drives on both electric and diesel electric locomotives, street cars/trams and diesel electric drilling rigs for many years. The introduction of DC motors and an electrical grid system to run machinery starting in the 1870s started a new second Industrial Revolution. DC motors can operate directly from rechargeable batteries, providing the motive power for the first electric vehicles and today's hybrid cars and electric cars as well as driving a host of cordless tools. Today DC motors are still found in applications as small as toys and disk drives, or in large sizes to operate steel rolling mills and paper machines. Large DC motors with separately excited fields were generally used with winder drives for mine hoists, for high torque as well as smooth speed control using thyristor drives. These are now replaced with large AC motors with variable frequency drives. If external mechanical power is applied to a DC motor it acts as a DC generator, a dynamo. This feature is used to slow down and recharge batteries on hybrid and electric cars or to return electricity back to the electric grid used on a street car or electric powered train line when they slow down. This process is called regenerative braking on hybrid and electric cars. In diesel electric locomotives they also use their DC motors as generators to slow down but dissipate the energy in resistor stacks. Newer designs are adding large battery packs to recapture some of this energy.

Бөренеленген

Бруспен жұмыс істейтін тұрақты ток электр моторы ішкі коммутация, тұрақты магниттер (тұрақты немесе электромагниттер) және айналатын электромагниттер арқылы тікелей токтан айналым моментін жасайды. Бруспен жұмыс істейтін тұрақты ток қозғалтқышының артықшылықтары – төмен бастапқы құн, жоғары сенімділік және қозғалтқыштың жылдамдығын қарапайым басқару. Кемшіліктері – жоғары қарқынды пайдалануда жоғары техникалық қызмет көрсету қажеттігі және қысқа қызмет ету мерзімі. Техникалық қызмет көрсету электр тогын өткізетін көмірлі щеткалар мен серіппелерді үнемі ауыстыруды, сондай-ақ коммутаторды тазалауды немесе ауыстыруды қамтиды. Бұл компоненттер электр қуатын қозғалтқыштың сыртынан қозғалтқыштың ішіндегі ротордың оралым сымдарына жеткізуге қажет. Щеткалар әдетте графиттен немесе көміртектен жасалады, кейде өткізгіштігін жақсарту үшін шашыраңқы мыс қосылады. Пайдалану кезінде жұмсақ щетка материалы коммутатордың диаметріне бейімделіп, тозуын жалғастырады. Щетка ұстағышында щетка қысқарғанда оған қысымды сақтайтын серіппе болады. Бір немесе екі амперден артық ток өткізуге арналған щеткалар үшін щеткаға қосымша сым қойылып, мотордың терминалдарына жалғанады. Өте кішкентай щеткалар металл щетка ұстағышымен сырғанап байланыс арқылы немесе щетканың ұшына қысым жасайтын серіппе арқылы ток өткізуге сенеді. Ойыншықтарда қолданылатын өте кішкентай, қысқа ғұмырлы моторлардағы щеткалар коммутатормен жанасатын бүктелген металл жолақтан жасалуы мүмкін.

Қалқасыз

Типтік щеткасыз тұрақты ток моторлары роторда бір немесе бірнеше тұрақты магниттерді және статордың мотор корпусындағы электромагниттерді пайдаланады. Мотор контроллері тұрақты токты кезек тогына түрлендіреді. Бұл конструкция механикалық тұрғыдан щеткалы моторларға қарағанда қарапайым, себебі ол мотордың сыртынан айналатын роторға қуат берудің қиындығын жояды. Мотор контроллері ротордың орнын Холл эффект сенсорлары немесе ұқсас құрылғылар арқылы анықтай алады және ротордағы орамдардағы токтың уақытын, фазасын және т.б. дәл басқару арқылы моментті оңтайландыруға, қуатты үнемдеуге, жылдамдықты реттеуге және тіпті тоқтатуға мүмкіндік береді. Щеткасыз моторлардың артықшылықтары – ұзақ қызмет ету мерзімі, аз немесе мүлдем күтім қажет етпеуі және жоғары тиімділік. Кемшіліктері – жоғары бастапқы құны және күрделірек мотор жылдамдығын басқару құрылғылары. Кейбір мұндай щеткасыз моторлар кейде "синхронды моторлар" деп аталады, бірақ олармен синхрондастыру үшін сыртқы қуат көзі болмайды, бұл әдеттегі айнымалы ток синхронды моторларында болатын жағдай.

Коммутацияланбаған

Басқа DC моторлар түрлеріне коммутация қажет емес. Гомополярлы қозғалтқыш – Гомополярлы қозғалтқышта айналу осі бойымен магнит өрісі және электр тогы болады, ол кейбір тұста магнит өрісіне параллель емес. "Гомополярлы" атауы полярлықтың өзгеруінің болмауын көрсетеді. Гомополярлы қозғалтқыштар міндетті түрде бір торапты орамнан тұрады, бұл оларды өте төмен кернеумен шектейді. Бұл осы типтегі қозғалтқыштың практикалық қолданысын шектейді. Шарлы подшипник қозғалтқышы – Шарлы подшипник қозғалтқышы – екі шарлы подшипниктерден тұратын ерекше электр қозғалтқышы, олардың ішкі сақиналары ортақ өткізгіш білікке бекітілген, ал сыртқы сақиналары жоғары ток пен төмен кернеулі қуат көзіне қосылған. Баламалы конструкцияда сыртқы сақиналар металл құбырдың ішіне орналасады, ал ішкі сақиналар өткізбейтін бөлігі бар (мысалы, оқшаулағыш таяқшаға екі гильза) білікке бекітіледі. Бұл әдістің артықшылығы құбырдың инерциялық дөңгелек ретінде жұмыс істеуі болып табылады. Айналу бағыты бастапқы айналумен анықталады, ол әдетте оны іске қосу үшін қажет.

Тұрақты магнит статорлары

Тұрақты магнит (PM) қозғалтқышында статор қаңқасында өріс орауы болмайды, оның орнына ротор өрісімен өзара әрекеттесіп, айналу моментін тудыратын магнит өрісін қамтамасыз ету үшін PM-ге сүйенеді. Үлкен қозғалтқыштарда жүктеме кезінде коммутацияны жақсарту үшін арматурамен тізбекте қосылған компенсациялық орамдар қолданылуы мүмкін. Бұл өріс бекітілгендіктен, жылдамдықты басқару үшін оны реттеуге болмайды. PM өрістері (статорлар) өріс орауының қуат тұтынуын болдырмау үшін кішкентай қозғалтқыштарда ыңғайлы. Көптеген үлкен тұрақты ток қозғалтқыштары "динамо" типіне жатады, оларда статор орамдары болады. Тарихи тұрғыдан алғанда, PM-ді бөлшектеген кезде жоғары магниттік ағынды сақтап тұру мүмкін болмады; қажетті ағынды алу үшін өріс орамдары тиімдірек болды. Дегенмен, үлкен PM-дер қымбатқа соғады, сондай-ақ қауіпті және құрастыру қиын; бұл үлкен машиналар үшін ораулы өрістерді пайдалануға ынталандырады. Жалпы салмақ пен көлемді азайту үшін кішкентай PM қозғалтқыштары неодим немесе басқа стратегиялық элементтерден жасалған жоғары энергиялы магниттерді пайдалануы мүмкін; мұндайлардың көпшілігі неодим-темір-бор қорытпасы болып табылады. Жоғары магниттік ағын тығыздығының арқасында жоғары энергиялы PM-дері бар электр машиналары, ең болмағанда, барлық оңтайлы жобаланған синхронды және индукциялық электр машиналарымен бәсекелесе алады. Кішкентай қозғалтқыштар суретте көрсетілген құрылымға ұқсас, бірақ оларда кемінде үш ротор полюсі бар (ротордың орнына қарамастан, іске қосылуын қамтамасыз ету үшін) және олардың сыртқы корпусы – иісті өріс магниттерінің сыртқы беттерін магниттік байланысқа түсіретін болат түтік болып табылады.

Жара stators

Статор мен ротор арасындағы тұрақты ток электр қозғалтқыштары үшін мүмкін электрлік қосылымдардың үш түрі бар: тізбекті, параллельдік/қос және аралас (тізбектік және параллельдік қосылымдардың әртүрлі үйлесімдері). Әрқайсысының жүктемелік моменттік профильдеріне/сигнатураларына сәйкес келетін ерекше жылдамдық/моменттік сипаттамалары бар.

Ілеспе қосылым

Бір қатарлы тұрақты ток қозғалтқышында якорь және өріс орамдары бір қатарда жалғанып, ортақ тұрақты ток көзіне қосылады. Қозғалтқыштың жылдамдығы жүктемелік моментке және якорь тогына сызықты емес тәуелді болады; тоқ статор мен ротор үшін ортақ, бұл ток квадратына (I^2) сәйкес мінез-құлқына әкеледі. Бір қатарлы қозғалтқыш өте жоғары бастапқы моментке ие және көбінесе пойыз, лифт немесе көтергіш сияқты жоғары инерциялық жүктемелерді іске қосу үшін қолданылады. Бұл жылдамдық/момент сипаттамасы, мысалы, шынжырлы экскаваторларда пайдалы, онда қазу құралы жүктелмегенде жылдам, ал ауыр жүк көтергенде баяу қозғалады. Бір қатарлы қозғалтқышты ешқашан жүксіз іске қосуға болмайды. Бір қатарлы қозғалтқышта механикалық жүктеме болмағанда ток төмен болады, өріс орамасымен туындайтын кері электр қозғалатын күш әлсіз болады, сондықтан якорь жеткілікті кері ЭҚҚ тудыру үшін жылдам айналуы керек. Қозғалтқыш артық жылдамдықтан зақымдануы мүмкін. Бұл "қашқындау” жағдайы деп аталады. Бір қатарлы қозғалтқыштар, универсалды қозғалтқыштар деп те аталады, айнымалы токпен де жұмыс істей алады. Якорь кернеуі мен өріс бағыты бір уақытта өзгеруіне байланысты, момент бір бағытта туындайды. Дегенмен, олар айнымалы ток көзімен жұмыс істегенде, тұрақты токпен салыстырғанда төменгі жылдамдықпен және төменгі моментпен жұмыс істейді, себебі айнымалы ток реактивті кернеудің төмендеуіне себеп болады, ол тұрақты токтан мүлдем жоқ. Жылдамдық желі жиілігіне байланысты болмағандықтан, универсалды қозғалтқыштар синхрондық жылдамдықтан жоғары жылдамдыққа жете алады, бұл оларды бірдей номиналды механикалық қуатқа ие индукциялық қозғалтқыштардан жеңіл етеді. Бұл қолмен ұсталатын электр құралдары үшін бағалы қасиет. Коммерциялық мақсаттағы универсалды қозғалтқыштар көбінесе шағын қуатты, шамамен 1 кВт-тан аспайтын қуатқа ие болады. Алайда, электр локомотивтері үшін одан да үлкен универсалды қозғалтқыштар қолданылды, олар ауыр және өзгермелі жүктемелер кезінде коммутация мәселелерін болдырмау үшін арнайы төмен жиілікті жетектік электр желілерімен жабдықталған.

Шант қосылымы

Шанттық тұрақты ток моторы арматура мен өрістік орамдарды параллель немесе ортақ тұрақты ток қуат көзімен қосады. Бұл типтегі мотор жүктеме өзгерген кезде де жылдамдықты жақсы сақтайды, бірақ сериялық тұрақты ток моторының бастапқы айналу моменты сияқты күшті болмайды. Ол көбінесе өнеркәсіптік, жылдамдығы реттелетін қолдануларда қолданылады, мысалы, станоктар, орау/ашып орау машиналары және кернеу түзеткіштері.

Құрама қосылым

Құрама тұрақты ток моторы арматура мен өріс орамдарын параллель және тізбекті қосылымдар арқылы жалғайды, осылайша ол параллель және тізбекті тұрақты ток моторларының ерекшеліктерін иеленеді. Бұл мотор жоғары бастапқы айналу моменті де, жылдамдық тұрақтылығы да қажет болған жағдайларда қолданылады. Моторды екі түрлі қосу схемасы бойынша жалғауға болады: жинақтаушы немесе дифференциалды. Жинақтаушы құрама моторлар тізбекті өрісті параллель өріспен бір бағытта жалғайды, бұл жоғары бастапқы айналу моментін қамтамасыз етеді, бірақ жылдамдық тұрақтылығын азайтады. Дифференциалды құрама тұрақты ток моторларының жылдамдық тұрақтылығы жоғары және олар көбінесе тұрақты жылдамдықпен жұмыс істейді.