Kartáčovaný motor je typ elektromotoru, který využívá systém komutátoru a kartáče ke spínání proudu ve vinutích. Toto zařízení získalo své jméno díky přítomnosti speciálního prvku – kolektoru, který slouží k přepínání směru proudu ve vinutí kotvy.
Princip činnosti komutátorového motoru je založen na interakci magnetických polí statoru a rotoru. Stator vytváří konstantní magnetické pole a rotor rotující uvnitř statoru má vinutí, kterými prochází střídavý proud. Když proud prochází vinutím rotoru, vytváří magnetické pole, které interaguje s magnetickým polem statoru, což způsobuje rotaci rotoru.
Klíčovým prvkem v tomto procesu je komutátor, zařízení, které přepíná směr proudu ve vinutí rotoru pokaždé, když prochází polohou, kde je jeho magnetické pole vertikálně orientováno vzhledem k magnetickému poli statoru. Toto spínání proudu zajišťuje plynulé otáčení rotoru v jednom směru.
Komutátorový motor tedy přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii a otáčí hřídelí, kterou lze použít k užitečné práci.
Konstrukce komutátorového motoru
Konstrukce kartáčovaného motoru zahrnuje několik klíčových prvků, z nichž každý hraje důležitou roli v jeho provozu.
Stator je stacionární část motoru, která se obvykle skládá z magnetického materiálu a slouží k vytvoření konstantního magnetického pole. U některých motorů s kartáčem může stator obsahovat vinutí, kterými prochází proud a vytváří magnetické pole.
Rotor (nebo kotva) je rotující část motoru. Obsahuje vinutí, kterými prochází proud a vytváří magnetické pole, které interaguje s magnetickým polem statoru a způsobuje otáčení rotoru.
Induktor je část motoru, která vytváří magnetický tok. U kartáčovaných motorů může být induktor součástí statoru nebo rotoru a může zahrnovat permanentní magnety nebo budicí vinutí.
Kotva je část motoru, ve které se indukuje elektromotorická síla a protéká zatěžovací proud. U kartáčovaných motorů je kotvou obvykle rotor.
Kartáče jsou prvky, které přenášejí proud ze zdroje energie do kotvy. Jsou v kontaktu s kolektorem a jsou obvykle vyrobeny z grafitu nebo jiných materiálů.
Komutátor je část motoru, která přichází do kontaktu s kartáči. Slouží k přepínání směru proudu ve vinutí kotvy a zajišťuje plynulé otáčení rotoru v jednom směru.
Všechny tyto prvky dohromady tvoří komplexní systém, který přeměňuje elektrickou energii na mechanickou energii a umožňuje motoru vykonávat užitečnou práci.
Typy kartáčových motorů
Komutátorové motory se v závislosti na konstrukci statoru dělí na dva hlavní typy: s permanentními magnety a s budícím vinutím. Každý z těchto typů má své vlastní vlastnosti, výhody a nevýhody.
Kartáčovaný motor s permanentními magnety má jednoduchou konstrukci a je široce používán v různých oblastech. U tohoto typu motoru vytváří stator konstantní magnetické pole pomocí magnetů, které nevyžadují žádné napájení. Díky tomu jsou energeticky účinnější a spolehlivější. Permanentní magnety však mohou časem ztratit své magnetické vlastnosti, zejména při vysokých teplotách, což může vést ke snížení účinnosti motoru.
Kartáčovaný motor s budícím vinutím využívá elektrický proud k vytvoření magnetického pole ve statoru. To umožňuje generování silnějšího magnetického pole a poskytuje větší flexibilitu při řízení charakteristik motoru. Tyto motory jsou však konstrukčně složitější a vyžadují více energie k provozu.
Existují různé podtypy kartáčovaných motorů s vinutím pole, včetně:
Nezávislé buzení: Budicí vinutí není elektricky spojeno s vinutím kotvy, což umožňuje nastavení magnetického pole nezávisle na proudu kotvy.
Sériové pole: Budicí vinutí je zapojeno do série s vinutím kotvy, což má za následek, že budicí proud je roven proudu kotvy.
Paralelní pole: Budicí vinutí je zapojeno paralelně s vinutím kotvy, což umožňuje, aby se budicí proud a proud kotvy navzájem měnily nezávisle.
Smíšené buzení: Tento typ motoru využívá obě budicí vinutí zapojená jak sériově, tak paralelně s vinutím kotvy.
Výběr typu kartáčovaného motoru závisí na konkrétních požadavcích aplikace, včetně požadovaného výkonu, otáček, točivého momentu a účinnosti.
Základní parametry a charakteristiky komutátorového motoru
Mezi hlavní parametry a charakteristiky komutátorového motoru patří výkon, rychlost otáčení, kroutící moment, účinnost a další. Tyto parametry určují funkčnost a účinnost motoru v různých aplikacích.
Výkon je množství práce, kterou může motor vykonat za daný čas. Výkon je důležitý pro určení toho, jakou zátěž motor zvládne. Například motory s vysokým výkonem se používají v průmyslových aplikacích, jako je výroba a těžké strojírenství.
Rychlost otáčení je počet otáček, které motor udělá za minutu. Rychlost otáčení je důležitá pro aplikace, kde je vyžadována přesná regulace rychlosti, jako je robotika nebo automobilový průmysl.
Točivý moment je rotační síla motoru. Točivý moment je důležitý pro aplikace, kde je vyžadováno velké množství síly, jako je zvedání těžkých břemen nebo řízení těžkého zařízení.
Účinnost (koeficient výkonu) je poměr užitečné práce vykonané motorem ke spotřebované energii. Účinnost je důležitá při určování účinnosti motoru a jeho provozních nákladů. Vysoká účinnost znamená, že motor využívá energii efektivněji, což je důležité pro aplikace, kde je vyžadována energetická účinnost, jako jsou elektrická vozidla nebo obnovitelná energie.
Všechny tyto parametry jsou důležité při výběru kartáčovaného motoru pro konkrétní aplikaci. Pomáhají určit, který motor bude pro konkrétní aplikaci nejúčinnější a nejúspornější.
Příklady použití komutátorových motorů v různých průmyslových odvětvích
Kartáčované motory se používají v celé řadě průmyslových odvětví díky jejich všestrannosti, účinnosti a schopnosti pracovat v široké škále podmínek. Zde jsou nějaké příklady:
Automobilový průmysl: Kartáčované motory se často používají v automobilech k pohonu elektricky ovládaných oken, chladicích ventilátorů, elektrických čerpadel a dalších systémů.
Průmyslová výroba: V průmyslových aplikacích se tyto motory používají k pohonu různých zařízení, včetně dopravníkových systémů, zdvihacích a manipulačních mechanismů a strojů na zpracování kovů a dřeva.
Domácí spotřebiče: Kartáčované motory lze nalézt v mnoha domácích spotřebičích, jako jsou vysavače, pračky, mixéry a vrtačky.
Robotika: Díky své schopnosti přesně řídit rychlost a točivý moment jsou kartáčované motory ideální pro použití v robotech, včetně průmyslových robotických ramen a výzkumných robotů.
Letectví: V této oblasti se komutátorové motory používají k pohonu různých systémů, včetně satelitní orientace a řízení pohybu kosmických lodí.
V každé z těchto aplikací jsou kartáčované motory vybrány pro jejich schopnost spolehlivě a efektivně přeměňovat elektrickou energii na mechanickou energii.
Kartáčované motory jsou důležitým prvkem v mnoha průmyslových odvětvích, od automobilového až po letecký průmysl. Nabízejí řadu výhod, včetně schopnosti spolehlivě a efektivně přeměňovat elektrickou energii na energii mechanickou.
V závislosti na konstrukci se komutátorové motory dělí na dva hlavní typy: s permanentními magnety a s budícím vinutím. Každý z těchto typů má své vlastní vlastnosti, výhody a nevýhody, což vám umožňuje vybrat nejvhodnější možnost pro konkrétní aplikaci.
Základní parametry a charakteristiky kartáčovaného motoru, jako je výkon, otáčky, točivý moment a účinnost, určují jeho funkčnost a účinnost v různých aplikacích.
V budoucnu se očekává další vývoj v technologii komutátorových motorů. Zlepšení materiálů a výrobních technologií zlepší účinnost a spolehlivost těchto motorů a také rozšíří jejich aplikaci do nových aplikací. Aktivně se zkoumají zejména možnosti využití kartáčových motorů v oblasti obnovitelných zdrojů energie a elektromobilů.
Kartáčované motory jsou tedy i nadále důležitým prvkem mnoha technologií a jejich význam v blízké budoucnosti jen poroste.
V domácích elektrických zařízeních, kde se používají elektromotory, jsou obvykle instalovány elektrické stroje s mechanickou komutací. Tento typ motoru se nazývá komutátorový motor (dále jen CM). Navrhujeme zvážit různé typy takových zařízení, jejich provozní principy a konstrukční vlastnosti. Také si povíme o výhodách a nevýhodách každého z nich a uvedeme příklady rozsahu použití.
Co je kartáčovaný motor?
Tato definice znamená elektrický stroj, který přeměňuje elektřinu na mechanickou energii a naopak. Konstrukce zařízení předpokládá přítomnost alespoň jednoho vinutí připojeného ke kolektoru (viz obr. 1).
Obrázek 1. Komutátor na rotoru motoru (označený červeně)
U CD se tento konstrukční prvek používá pro spínání vinutí a jako snímač pro určení polohy kotvy (rotoru).
Typy CD
Je obvyklé klasifikovat tato zařízení podle typu napájení, v závislosti na tom se rozlišují dvě skupiny CD:
- Stejnosměrný proud. Takové stroje se vyznačují vysokým rozběhovým momentem, plynulou regulací otáček a relativně jednoduchou konstrukcí.
- Univerzální. Mohou pracovat z konstantních i proměnných zdrojů energie. Vyznačují se kompaktními rozměry, nízkou cenou a snadnou správou.
První z nich se dělí na dva podtypy, podle uspořádání induktoru může být na permanentních magnetech nebo speciálních budicích cívkách. Slouží k vytvoření magnetického toku potřebného k vytvoření točivého momentu. CD, kde se používají budicí cívky, se rozlišují podle typů vinutí, mohou to být:
- nezávislý;
- paralelní;
- konzistentní;
- smíšené.
Když jsme se zabývali typy, uvažujme každý z nich.
Univerzální typ CD
Níže uvedený obrázek ukazuje vzhled elektrického stroje tohoto typu a jeho hlavní konstrukční prvky. Tento design je typický pro téměř všechna CD.
Návrh univerzálního komutátorového motoru
Označení:
- A – mechanický komutátor, nazývá se také kolektor, jeho funkce byly popsány výše.
- B – držáky kartáčů, sloužící k uchycení kartáčů (zpravidla z grafitu), kterými je přiváděno napětí do vinutí kotvy.
- C – Jádro statoru (složené z desek, jejichž materiálem je elektroocel).
- D – Statorová vinutí, tato jednotka patří do budícího systému (induktoru).
- E – Hřídel kotvy.
U zařízení tohoto typu může být buzení sériové nebo paralelní, ale protože druhá možnost se v současné době nevyrábí, nebudeme ji uvažovat. Co se týče univerzálních CD se sekvenčním buzením, typické schéma takových elektrických strojů je uvedeno níže.
Schéma univerzálního komutátorového motoru
Univerzální CD může pracovat se střídavým napětím díky tomu, že při změně polarity mění směr i proud ve vinutí pole a kotvy. V důsledku toho točivý moment nemění svůj směr.
Vlastnosti a rozsah univerzálních CD
Hlavní nevýhody tohoto zařízení se projevují při připojení ke zdrojům střídavého napětí, což se odráží v následujícím:
- snížení účinnosti;
- zvýšené jiskření v jednotce sběrače kartáčů a v důsledku toho její rychlé opotřebení.
Dříve se CD hojně používalo v mnoha domácích elektrospotřebičích (nářadí, pračky, vysavače atd.). V současné době výrobci prakticky přestali používat tento typ motoru a dávají přednost bezkomutátorovým elektrickým strojům.
Nyní se podívejme na kolektorové elektrické stroje pracující ze zdrojů konstantního napětí.
CD s induktorem s permanentním magnetem
Konstrukčně se takové elektrické stroje liší od univerzálních tím, že místo budicích cívek jsou použity permanentní magnety.
Návrh komutátorového motoru s permanentními magnety a jeho schéma
Tento typ CD je nejrozšířenější ve srovnání s jinými elektrickými stroji tohoto typu. Důvodem je nízká cena díky jednoduchosti konstrukce, jednoduchému ovládání rychlosti otáčení (v závislosti na napětí) a změně jeho směru (stačí změnit polaritu). Výkon motoru přímo závisí na síle pole vytvářeného permanentními magnety, což přináší určitá omezení.
Hlavní oblastí použití jsou nízkoenergetické pohony pro různá zařízení, často používané v dětských hračkách.
CD na permanentní magnety z hračky z dob SSSR
Mezi výhody patří následující vlastnosti:
- vysoký točivý moment i při nízkých otáčkách;
- dynamické řízení;
- nízké náklady.
Hlavní nevýhody:
- nízký výkon;
- magnety ztrácejí své vlastnosti přehřátím nebo časem.
Abychom odstranili jednu z hlavních nevýhod těchto zařízení (stárnutí magnetů), používají se v budicím systému speciální vinutí, přejděme k úvahám o takových CD.
Nezávislé a paralelní budicí cívky
První dostal tento název díky tomu, že vinutí tlumivky a kotvy nejsou navzájem spojeny a jsou napájeny samostatně (viz A na obr. 6).
Obrázek 6. Obvody CD s nezávislým (A) a paralelním (B) budicím vinutím
Zvláštností tohoto zapojení je, že napájecí zdroj U a UK se musí lišit, jinak vznikne moment síly. Není-li možné takové podmínky zorganizovat, pak jsou kotva a cívky induktoru zapojeny paralelně (viz B na obr. 6). Oba typy CD mají stejné vlastnosti, zjistili jsme, že je možné je kombinovat v jedné sekci.
Točivý moment takových elektrických strojů je při nízkých otáčkách vysoký a s rostoucím se snižuje. Je charakteristické, že proudy kotvou a cívkou jsou nezávislé a celkový proud je součtem proudů procházejících těmito vinutími. V důsledku toho, když proud budicí cívky klesne na 0, CD pravděpodobně selže.
Rozsah použití takových zařízení jsou elektrárny s výkonem 3 kW nebo více.
Pozitivní vlastnosti:
- nepřítomnost permanentních magnetů eliminuje problém jejich selhání v průběhu času;
- vysoký točivý moment při nízkých otáčkách;
- jednoduché a dynamické ovládání.
nevýhody:
- náklady jsou vyšší než náklady na zařízení s permanentními magnety;
- je nepřípustné, aby proud na budicí cívce klesl pod prahovou hodnotu, protože to povede k průrazu.
Sériová budicí cívka
Schéma takového CD je na obrázku níže.
CD obvod se sekvenčním buzením
Protože jsou vinutí zapojena do série, proud v nich bude stejný. V důsledku toho, když je proud ve vinutí statoru menší než jmenovitý (k tomu dochází při nízké zátěži), výkon magnetického toku klesá. V souladu s tím, když se zátěž zvyšuje, úměrně se zvyšuje výkon toku, dokud není magnetický systém zcela nasycen, poté je tato závislost přerušena. To znamená, že další zvýšení proudu ve vinutí cívky kotvy nevede ke zvýšení magnetického toku.
Výše zmíněná vlastnost se projevuje tím, že kompresor tohoto typu nelze spustit při zátěži o čtvrtinu nižší, než je jmenovitá zátěž. To může vést k tomu, že rotor elektrického stroje prudce zvýší rychlost otáčení, to znamená, že motor přejde do otáček. V souladu s tím tato vlastnost zavádí omezení rozsahu použití, například v mechanismech řemenového pohonu. To je způsobeno tím, že když se rozbije, elektrický stroj začne pracovat v režimu nečinnosti.
Tato funkce se nevztahuje na zařízení, jejichž výkon je nižší než 200 W; poklesy zátěže až do klidového režimu jsou pro ně přijatelné.
Výhody sériového ovládání cívky jsou stejné jako u předchozího modelu, s výjimkou jednoduchosti a dynamického ovládání. Pokud jde o nevýhody, zahrnují:
- vysoké náklady ve srovnání s analogy s permanentními magnety;
- nízká úroveň točivého momentu při vysoké rychlosti;
- protože stator a budicí vinutí jsou zapojeny do série, vznikají problémy s řízením rychlosti otáčení;
- provoz bez zatížení vede k selhání CD.
Smíšené budicí cívky
Jak je vidět ze schématu na obrázku níže, induktor na bázi CD tohoto typu má dvě cívky zapojené v sérii a paralelně k vinutí rotoru.
CD obvod se smíšenými budicími cívkami
Jedna z cívek má zpravidla větší magnetizační sílu, proto je považována za hlavní, respektive druhá je přídavná (pomocná). Je povoleno protishodné a koordinované zapojení cívek, v závislosti na tom intenzita magnetického toku odpovídá rozdílu nebo součtu magnetických sil každého vinutí.
Při obráceném zapojení se charakteristika CD přiblíží odpovídajícím indikátorům elektrických strojů se sériovým nebo paralelním buzením (podle toho, která z cívek je hlavní). To znamená, že takové zahrnutí je relevantní, pokud je nutné získat výsledek ve formě konstantní rychlosti nebo zvýšení rychlosti s rostoucí zátěží.
Koordinované zařazení vede k tomu, že charakteristiky stejnosměrného proudu budou odpovídat průměrné hodnotě ukazatelů elektrických strojů s paralelními a sériovými budicími cívkami.
Jedinou nevýhodou tohoto provedení je nejvyšší cena ve srovnání s jinými typy CD. Cena je odůvodněná následujícími pozitivními vlastnostmi:
