Jak działa silnik prądu stałego? Zrozumienie silników elektrycznych prądu stałego

Silniki prądu stałego są jednym z najczęściej używanych typów silników elektrycznych, przede wszystkim dlatego, że są proste w obsłudze i wszechstronne. Od małych zabawek po duże zastosowania przemysłowe, silniki prądu stałego odgrywają kluczową rolę w napędzaniu maszyn i zasilaniu urządzeń. W tym artykule przyjrzymy się, jak działają silniki prądu stałego, jakie są dostępne typy, jak są sterowane i jak wybrać odpowiedni dla swoich potrzeb.

Zasada działania silnika prądu stałego

Podstawowa zasada działania silnika prądu stałego jest prosta: zamienia energię elektryczną na ruch mechaniczny poprzez interakcję pola magnetycznego i przewodnika z prądem. Główne elementy silnika prądu stałego obejmują stojan, wirnik (twornik), komutator i szczotki. Oto jak to działa:

Interakcja pola magnetycznego: Silnik prądu stałego ma pole magnetyczne wytwarzane przez magnesy trwałe lub elektromagnesy w stojanie. Wirnik (obracająca się część silnika) jest umieszczony w tym polu magnetycznym.

Przepływ prądu: Kiedy prąd elektryczny przepływa przez uzwojenia wirnika, generuje własne pole magnetyczne, które oddziałuje z polem magnetycznym stojana. Zgodnie z prawem elektromagnetyzmu, przeciwne bieguny przyciągają się, a podobne odpychają. Ta interakcja powoduje obrót wirnika.

Komutator: Komutator jest krytycznym elementem silników prądu stałego, który zapewnia, że ​​kierunek prądu płynącego przez uzwojenia wirnika zmienia się co pół obrotu. Dzięki temu wirnik obraca się w jednym kierunku.

Szczotki: Szczotki to materiały przewodzące (zwykle węgiel), które utrzymują kontakt elektryczny z komutatorem podczas jego obrotu. Dostarczają niezbędny prąd do uzwojeń wirnika.

Ciągły proces generowania momentu obrotowego dzięki oddziaływaniu pól magnetycznych umożliwia silnikowi obracanie się i wykonywanie pracy mechanicznej.

Rodzaje silników prądu stałego

Istnieje kilka różnych typów silników DC, każdy z określonymi zaletami i zastosowaniami. Można je ogólnie podzielić na silniki DC z magnesami trwałymi i silniki DC z uzwojeniem. Przyjrzyjmy się każdemu typowi szczegółowo.

Silniki prądu stałego z magnesami trwałymi

Silniki prądu stałego z magnesami trwałymi (PMDC) są najczęstszym typem silnika prądu stałego i są znane ze swojej prostoty i wydajności. Jak sama nazwa wskazuje, silniki te wykorzystują magnesy trwałe w stojanie do tworzenia pola magnetycznego. Istnieją dwa główne podtypy silników prądu stałego z magnesami trwałymi: bezszczotkowe silniki prądu stałego i szczotkowe silniki prądu stałego z magnesami trwałymi.

Silniki prądu stałego bezszczotkowe

Silniki prądu stałego bezszczotkowe, czyli silniki BLDC, eliminują potrzebę stosowania szczotek i komutatora, wykorzystując regulatory elektroniczne do przełączania prądu w uzwojeniach wirnika. Silniki te wykorzystują magnesy trwałe w stojanie, a czujniki wykrywają położenie wirnika, aby dostosować przepływ prądu. W rezultacie silniki bezszczotkowe są bardziej wydajne, mają dłuższą żywotność i wymagają mniej konserwacji niż silniki szczotkowe.

Zastosowania: Silniki prądu stałego bezszczotkowe są powszechnie stosowane w aplikacjach o wysokiej precyzji, takich jak wentylatory komputerowe, drony i pojazdy elektryczne. Są idealne do środowisk, w których kluczowe znaczenie ma ograniczona konserwacja i wysoka wydajność.

Silniki prądu stałego szczotkowe z magnesami trwałymi

Silniki szczotkowe PMDC są prostsze i tańsze w porównaniu do silników bezszczotkowych. Używają magnesów trwałych w stojanie i komutatorze, aby odwrócić przepływ prądu. Szczotki zapewniają fizyczne połączenie między obracającym się komutatorem a zewnętrznym źródłem zasilania. Silniki te są niezawodne i szeroko stosowane w niedrogich aplikacjach, chociaż zwykle wymagają więcej konserwacji ze względu na zużycie szczotek.

Zastosowania: Silniki szczotkowe PMDC znajdują zastosowanie w zabawkach, sprzęcie gospodarstwa domowego i małych maszynach, które wymagają ekonomicznych rozwiązań w zakresie ruchu obrotowego.

Silniki prądu stałego z uzwojeniem

Silniki prądu stałego z uzwojeniem wykorzystują elektromagnesy (uzwojenia pola) w stojanie zamiast magnesów trwałych. Silniki te są bardziej elastyczne niż silniki z magnesami trwałymi, ponieważ natężenie pola magnetycznego można kontrolować, regulując prąd przepływający przez uzwojenia pola. Silniki prądu stałego z uzwojeniem występują w trzech podstawowych typach: silniki prądu stałego szeregowe, silniki prądu stałego bocznikowe i silniki prądu stałego złożone.

Silniki prądu stałego szeregowe

W silnikach prądu stałego szeregowego uzwojenie wzbudzenia jest połączone szeregowo z uzwojeniem wirnika, co oznacza, że ​​ten sam prąd przepływa zarówno przez uzwojenie wzbudzenia, jak i wirnik. W rezultacie prędkość silnika zależy od obciążenia; będzie przyspieszał przy małym obciążeniu i zwalniał przy dużym obciążeniu. Silniki szeregowe zapewniają wysoki moment rozruchowy, co czyni je idealnymi do zastosowań takich jak pociągi elektryczne i dźwigi, gdzie do poruszania obciążenia potrzebny jest wysoki moment obrotowy.

Zastosowania: Silniki prądu stałego szeregowego są często używane w zastosowaniach wymagających wysokiego momentu obrotowego, takich jak wyciągarki, podnośniki elektryczne i rozruszniki w pojazdach.

Silniki prądu stałego bocznikowe

Silniki prądu stałego typu shunt mają uzwojenia wzbudzenia połączone równolegle (shunt) z uzwojeniem wirnika. Taka konstrukcja pozwala uzwojeniu wzbudzenia na utrzymanie względnie stałego prądu, dzięki czemu prędkość silnika jest bardziej stabilna niezależnie od obciążenia. Silniki prądu stałego typu shunt są znane ze swojej zdolności do utrzymywania stałej prędkości w szerokim zakresie obciążeń.

Zastosowania: Silniki bocznikowe są powszechnie używane w urządzeniach, w których ważna jest kontrola prędkości, takich jak tokarki, przenośniki taśmowe i wentylatory.

Silniki prądu stałego złożone    

Silniki prądu stałego łączone łączą cechy silników szeregowych i bocznikowych. Mają dwa zestawy uzwojeń wzbudzenia: jeden połączony szeregowo, a drugi równolegle z wirnikiem. Ta kombinacja umożliwia silnikom łączonym zapewnienie zarówno wysokiego momentu początkowego, jak i stabilnej regulacji prędkości przy zmiennych obciążeniach. Są wszechstronne i szeroko stosowane w branżach, które wymagają zarówno wysokiego momentu obrotowego, jak i stałej prędkości.

Zastosowania: Silniki złożone są zazwyczaj stosowane w urządzeniach dźwigowych, walcowniach i obrabiarkach.

Sterowanie silnikami prądu stałego

Wydajność i funkcjonalność silnika DC można kontrolować za pomocą różnych metod. Niektóre z najczęstszych typów sterowania silnikiem DC to:

Kontrola prędkości: Prędkość silnika prądu stałego można regulować, zmieniając napięcie lub prąd dostarczany do silnika. W silniku PMDC prędkość jest regulowana przez regulację napięcia zasilania. W silniku z uzwojeniem pola prędkość można regulować przez regulację prądu w uzwojeniu pola.

Kontrola kierunku: Kierunek silnika prądu stałego można odwrócić, zmieniając biegunowość napięcia przyłożonego do silnika. Często osiąga się to za pomocą przełącznika lub przekaźnika w celu odwrócenia kierunku prądu.

Kontrola momentu obrotowego: Moment obrotowy można regulować, kontrolując prąd przepływający przez silnik. Większy prąd prowadzi do większego momentu obrotowego.

Kontrolery elektroniczne: Zaawansowane kontrolery elektroniczne służą do zarządzania funkcjami silnika, takimi jak prędkość, kierunek i moment obrotowy. Te kontrolery wykorzystują czujniki do zapewniania informacji zwrotnej i optymalizacji wydajności silnika dla określonych zadań.

Wybór silnika prądu stałego

Wybierając silnik prądu stałego do swojego zastosowania, należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

Wymagania dotyczące mocy: Określ, ile mocy potrzebuje Twój system. Większe silniki są wymagane do zastosowań wymagających wysokiego momentu obrotowego lub mocy, takich jak maszyny przemysłowe.

Regulacja prędkości: Jeśli ważna jest precyzyjna regulacja prędkości, należy szukać silników z możliwością regulacji prędkości, takich jak silniki bocznikowe lub silniki prądu stałego.

Środowisko: Rozważ środowisko pracy silnika. Na przykład silniki używane w trudnych warunkach mogą wymagać dodatkowej ochrony przed kurzem lub wilgocią.

Wydajność: Silniki prądu stałego bezszczotkowe są z reguły bardziej wydajne niż silniki szczotkowe, co może ograniczyć zużycie energii i koszty konserwacji.

Koszt: Ograniczenia budżetowe wpłyną na Twój wybór. Silniki bezszczotkowe są zazwyczaj droższe, podczas gdy silniki szczotkowe i silniki z magnesami trwałymi mogą oferować bardziej przystępne cenowo rozwiązanie w przypadku prostszych zastosowań.

Streszczenie

Silniki prądu stałego są niezwykle wszechstronne i szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu, od robotyki po motoryzację i produkcję. Zrozumienie różnych typów silników prądu stałego, ich zasad działania i czynników, które należy wziąć pod uwagę przy wyborze silnika, pomoże Ci podjąć świadomą decyzję dotyczącą Twojego zastosowania. Niezależnie od tego, czy potrzebujesz wysokiego momentu obrotowego, wydajnej kontroli prędkości lub trwałej wydajności, istnieje silnik prądu stałego dostosowany do Twoich potrzeb. Biorąc pod uwagę cechy każdego typu silnika, możesz zapewnić optymalną wydajność i efektywność swoich systemów.