Silniki prądu stałego to wszechobecne maszyny, które można znaleźć w różnorodnym sprzęcie elektronicznym używanym w różnych zastosowaniach.

Zazwyczaj silniki te są stosowane w sprzęcie wymagającym jakiejś formy sterowania obrotowego lub wytwarzającego ruch.Silniki prądu stałego są niezbędnymi komponentami w wielu projektach elektrotechnicznych.Dobra znajomość działania silnika prądu stałego i regulacji prędkości silnika umożliwia inżynierom projektowanie aplikacji zapewniających bardziej wydajne sterowanie ruchem.

W tym artykule przyjrzymy się bliżej typom dostępnych silników prądu stałego, ich trybowi pracy i sposobom uzyskania kontroli prędkości.

Czym są silniki prądu stałego?

Tak jakSilniki prądu przemiennego, silniki prądu stałego przekształcają również energię elektryczną w energię mechaniczną.Ich działanie jest odwrotne do działania generatora prądu stałego, który wytwarza prąd elektryczny.W przeciwieństwie do silników prądu przemiennego, silniki prądu stałego działają na zasilaniu prądem stałym – niesinusoidalnym, jednokierunkowym.

Podstawowa konstrukcja

Chociaż silniki prądu stałego są projektowane na różne sposoby, wszystkie zawierają następujące podstawowe części:

• Wirnik (część maszyny, która się obraca, znana również jako „twornica”)
• Stojan (uzwojenie wzbudzenia lub „stacjonarna” część silnika)
• Komutator (może być szczotkowy lub bezszczotkowy, w zależności od typu silnika)
• Magnesy polowe (zapewniają pole magnetyczne, które obraca oś połączoną z wirnikiem)

W praktyce silniki prądu stałego działają w oparciu o interakcje pomiędzy polami magnetycznymi wytwarzanymi przez wirującą twornik a polem magnetycznym stojana lub elementu stałego.

Bezczujnikowy, bezszczotkowy sterownik silnika prądu stałego.Obraz wykorzystany dzięki uprzejmościKenzi Mudge.

Zasada działania

Silniki prądu stałego działają w oparciu o zasadę elektromagnetyzmu Faradaya, która stwierdza, że ​​na przewodnik przewodzący prąd działa siła po umieszczeniu w polu magnetycznym.Zgodnie z „Regułą lewej ręki dla silników elektrycznych” Fleminga ruch tego przewodnika odbywa się zawsze w kierunku prostopadłym do prądu i pola magnetycznego.

Matematycznie możemy wyrazić tę siłę jako F = BIL (gdzie F to siła, B to pole magnetyczne, ja oznaczam prąd, a L to długość przewodnika).

Rodzaje silników prądu stałego

Silniki prądu stałego dzielą się na różne kategorie w zależności od ich konstrukcji.Najpopularniejsze typy obejmują szczotkowane lub bezszczotkowe, z magnesami trwałymi, szeregowe i równoległe.

Silniki szczotkowe i bezszczotkowe

Szczotkowy silnik prądu stałegowykorzystuje parę szczotek grafitowych lub węglowych, które służą do przewodzenia lub dostarczania prądu ze twornika.Szczotki te są zwykle trzymane w pobliżu komutatora.Do innych przydatnych funkcji szczotek w silnikach prądu stałego zalicza się zapewnienie beziskrowej pracy, kontrolowanie kierunku prądu podczas obrotów oraz utrzymywanie komutatora w czystości.

Bezszczotkowe silniki prądu stałegonie zawierają szczotek węglowych i grafitowych.Zwykle zawierają jeden lub więcej magnesów trwałych, które obracają się wokół nieruchomej zwory.Zamiast szczotek, bezszczotkowe silniki prądu stałego wykorzystują obwody elektroniczne do kontrolowania kierunku obrotu i prędkości.

Silniki z magnesami trwałymi

Silniki z magnesami trwałymi składają się z wirnika otoczonego dwoma przeciwległymi magnesami trwałymi.Magnesy wytwarzają strumień pola magnetycznego po przejściu prądu stałego, co powoduje obrót wirnika w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, w zależności od polaryzacji.Główną zaletą tego typu silników jest to, że mogą one pracować z prędkością synchroniczną i stałą częstotliwością, co pozwala na optymalną regulację prędkości.

Silniki prądu stałego z uzwojeniem szeregowym

Silniki szeregowe mają uzwojenia stojana (zwykle wykonane z prętów miedzianych) i uzwojenia wzbudzenia (cewki miedziane) połączone szeregowo.W rezultacie prąd twornika i prądy pola są równe.Wysoki prąd przepływa bezpośrednio z zasilania do uzwojeń wzbudzenia, które są grubsze i mniejsze niż w silnikach bocznikowych.Grubość uzwojeń wzbudzenia zwiększa nośność silnika, a także wytwarza silne pola magnetyczne, które zapewniają szeregowym silnikom prądu stałego bardzo wysoki moment obrotowy.

Bocznikowe silniki prądu stałego

Bocznikowy silnik prądu stałego ma swoją twornik i uzwojenia wzbudzenia połączone równolegle.Dzięki połączeniu równoległemu oba uzwojenia otrzymują to samo napięcie zasilania, chociaż są wzbudzane oddzielnie.Silniki bocznikowe mają zazwyczaj więcej zwojów na uzwojeniach niż silniki szeregowe, co powoduje powstawanie silnych pól magnetycznych podczas pracy.Silniki bocznikowe mogą mieć doskonałą regulację prędkości, nawet przy zmiennym obciążeniu.Jednakże zazwyczaj brakuje im wysokiego momentu rozruchowego silników szeregowych.

Obwód kontroli silnika i prędkości zainstalowany w mini wiertarce.Obraz wykorzystany dzięki uprzejmościDilshan R. Jayakody

Sterowanie prędkością silnika prądu stałego

Istnieją trzy główne sposoby osiągnięcia regulacji prędkości w szeregowych silnikach prądu stałego – kontrola strumienia, kontrola napięcia i kontrola rezystancji twornika.

1. Metoda kontroli strumienia

W metodzie kontroli strumienia reostat (rodzaj rezystora zmiennego) jest połączony szeregowo z uzwojeniami wzbudzenia.Celem tego elementu jest zwiększenie rezystancji szeregowej w uzwojeniach, co zmniejszy strumień, a w konsekwencji zwiększy prędkość silnika.

2. Metoda regulacji napięcia

Metoda zmiennej regulacji jest zwykle stosowana w bocznikowych silnikach prądu stałego.Istnieją dwa sposoby osiągnięcia kontroli regulacji napięcia:

• Podłączenie pola bocznikowego do stałego napięcia wzbudzającego przy jednoczesnym zasilaniu twornika różnymi napięciami (inaczej sterowanie wieloma napięciami)
• Zmienianie napięcia dostarczanego do twornika (inaczej metoda Warda Leonarda)

3. Metoda kontroli rezystancji twornika

Sterowanie rezystancją twornika opiera się na zasadzie, że prędkość silnika jest wprost proporcjonalna do tylnej siły elektromotorycznej.Tak więc, jeśli napięcie zasilania i rezystancja twornika utrzymają się na stałym poziomie, prędkość silnika będzie wprost proporcjonalna do prądu twornika.