Kontaktu līdzstrāvas elektromotors

Kontaktu līdzstrāvas elektromotors (angļu: Brushed DC Electric motor, turpmāk BDC elektromotors) ir viens no visvairāk izmantotajiem elektromotoru veidiem. To iespējams sastapt visdažādākajās elektromehāniskajās sistēmās, sākot ar bērnu rotaļlietām, līdz pat industriālajiem elektriskajiem urbjiem. BDC elektromotors griezes momentu (angļu: torque) nodrošina, izmantojot iekšējo, mehāniski realizēto strāvas komutāciju. Sarežģīta vadības sistēma nav nepieciešama, jo motora griezes momenta lielumu nosaka sistēmas elektrobarošanas avota spriegums. Tātad, motora griešanās ātrums ir tieši proporcionāls barošanas avota spriegumam.

Galvenās BDC elektromotora sastāvdaļas ir stators, rotors, sukas (angļu: brushes) un komutators. Stators nodrošina konstantu magnētisko lauku, kas aptver rotoru. Šo magnētisko lauku var ģenerēt kā pastāvīgais magnēts, tā arī elektromagnēts, kas izveidots no vadu tinumiem. Ir iespējami vairāki statora uzbūves veidi. Pēc šiem veidiem BDC elektromotorus iespējams klasificēt šādi: pastāvīgā magnēta BDC elektromotors, virknes tinumu BDC elektromotors, paralēlo tinumu BDC elektromotors, virknes-paralēlo tinumu BDC elektromotors.

Kontaktu līdzstrāvas elektromotoru veidi

Pastāvīgā magnēta BDC elektromotors

Pastāvīgā magnēta elektromotors

Pastāvīgā magnēta BDC elektromotora stators nesatur vadu tinumus. Ārējais magnētiskais lauks tiek ģenerēts, izmantojot tikai pastāvīgā magnēta magnētiskās īpašības. Tā kā magnētiskais lauks ir fiksēts, tas nevar tikt regulēts, lai izmainītu elektromotora griešanās ātrumu, un, līdz ar to, arī griezes momentu. BDC elektromotors ar pastāvīgā magnēta statoru tiek izmantots mazu elektromotoru elektromehāniskajos risinājumos, piemēram, rotaļlietās un neliela izmēra sadzīves elektrotehnikā, taču lielos BDC elektromotoros to statorā tiek izmantoti vadu tinumi, jo citādāk būtu nepieciešami ļoti lielu izmēru pastāvīgie magnēti, kurus šādos izmēros izveidot ir dārgi.

Lai samazinātu iekārtas izmērus un masu, neliela pastāvīgā magnēta BDC elektromotora statorā var tikt izmantoti neodīma (angļu: neodymium) vai tā sakausējumu magnēti. Mūsdienās pastāvīgā magnēta BDC elektromotori ir visbiežāk sastopamie līdzstrāvas elektromotori. Pastāvīgā magnēta BDC elektromotora īpašības:^[1]

viszemākās izmaksas, salīdzinot ar visiem pārējiem veidiem (ņemot vērā to, ka elektromotors tiek būvēts ekonomiski izdevīgā izmērā);
liels griezes moments pie maza elektromotora griešanās ātruma
mazs griezes moments pie liela elektromotora griešanās ātruma;
laba reakcija uz barošanas avota sprieguma izmaiņām (tāpēc, ka statora magnētiskais lauks ir konstants), kas nodrošina labu elektromotora griešanās ātruma kontroli;
pastāvīgā magnēta magnētiskās īpašības laikā pasliktinās — elektromotora efektivitāte samazinās.

Virknes tinuma BDC elektromotors

Virknes tinuma BDC elektromotora statora tinumi ir savienoti virknē ar rotoru un barošanas avotu. Caur rotoru un statoru plūst viena un tā pati strāva. Gadījumā, kad elektromotoram netiek pievienota mehāniskā slodze, palielinoties barošanas spriegumam, palielinās cauri elektromotoram un arī statoram plūstošā strāva. Tas liek palielināties statora un rotora magnētiskajiem laukiem, kā rezultātā palielinās arī elektromotora griešanās ātrums, bet samazinās griezes moments. Gadījumā, kad elektromotoram tiek pievienota slodze, strāva caur to palielinās, kā rezultātā palielinās arī statora un rotora magnētiskie lauki. Šajā gadījumā elektromotora griešanās ātrums samazinās un griezes moments palielinās. Šīs konfigurācijas BDC elektromotorus izmanto augstas inerces slodzēs — elektrovilcienos, liftos un ceļamkrānos, jo tiem ir augsts sākuma griezes moments.^[1]

Virknes tinuma BDC elektromotora īpašības:^[1]

liels griezes moments pie maza elektromotora griešanās ātruma;
elektromotora griešanās ātrums strauji palielinās, ja slodze strauji samazinās;
mazs griezes moments pie liela elektromotora griešanās ātruma;
lielas izmaksas, salīdzinot ar pastāvīgā magnēta BDC elektromotoru;
īssavienojuma gadījumā var tikt sabojāts pēkšņās ātruma izmaiņas dēļ.

Paralēlā tinuma BDC elektromotors

Paralēlā tinuma BDC elektromotora statora tinumi ir savienoti paralēli rotora tinumiem. Abos tinumos plūst atšķirīgas strāvas. Pēc 1. Kirhofa likuma izriet, ka kopējo strāvu nosaka cauri rotora tinumiem plūstošā strāva un cauri statora tinumiem plūstošā strāva. Gadījumā, kad elektromotoram netiek pievienota slodze, palielinoties barošanas spriegumam, palielinās cauri elektromotoram un arī statoram plūstošā strāva. Tas liek palielināties statora un rotora magnētiskajiem laukiem, kā rezultātā palielinās arī elektromotora griešanās ātrums, bet samazinās griezes moments. Gadījumā, kad elektromotoram tiek pievienota mehāniskā slodze, strāva caur rotoru palielinās, kā rezultātā palielinās rotora magnētiskais lauks. Ja caur rotoru plūstošā strāva palielinās, tad strāva, kas plūst caur statora tinumiem, samazinās, samazinot arī statora magnētisko lauku. Arī šajā gadījumā elektromotora griešanās ātrums samazinās un griezes moments palielinās. Šīs konfigurācijas BDC elektromotorus izmanto >3,730 kW (3730 Nm/s) sistēmu risinājumos — industriālajos un mašīnbūves elektromotoros.^[1]

Paralēlo tinumu BDC elektromotora īpašības:^[1]

stabils, bet ne pārāk liels griezes moments pie maza dzinēja griešanās ātruma;
lieliska elektromotora griešanās ātruma kontrole;
lielas izmaksas, salīdzinot ar pastāvīgā magnēta BDC elektromotoru;
ķēdes pārtraukuma gadījumā paralēlā tinuma zarā elektromotors var tikt sabojāts pēkšņās ātruma izmaiņas dēļ.

Virknes-paralēlā tinuma BDC elektromotors

Virknes-paralēlā tinuma BDC elektromotora statora tinumi ir savienoti virknē un paralēli rotora tinumiem. Šīs konfigurācijas BDC elektromotorus izmanto, lai iegūtu gan virknes, gan paralēlā tinuma BDC elektromotoru pozitīvās īpašības — lielu sākuma griezes momentu un stabilu elektromotora griešanās ātruma kontroli. Šos BDC elektromotorus izmanto industriālajos un mašīnbūves risinājumos, piemēram, ģeneratoros.^[1]

Virknes-paralēlo tinumu BDC elektromotora īpašības:^[1]

stabils, bet ne pārāk liels griezes moments pie maza elektromotora ātruma;
lieliska elektromotora griešanās ātruma kontrole;
no visām BDC elektromotoru konfigurācijām vislielākās izmaksas;
relatīvi grūti sabojāt elektromotoru (strāvai, kas plūst caur virknes tinumu, ir jābūt maksimālai,bet strāvai, kas plūst caur paralēlo tinumu, nullei).

Kontaktu līdzstrāvas elektromotora sastāvs

Rotors

Vienkārša līdzstrāvas elektromotora rotors.

Rotors ir izveidots no viena vai vairākiem vadu tinumiem. Kad cauri šiem tinumiem plūst strāva, ap rotoru inducējas magnētiskais lauks. Magnētisko īpašību dēļ rotora magnētiskie poli tiek pievilkti klāt pretēji polarizētajiem statora poliem, jo stators ģenerē konstantu magnētisko lauku. Rezultātā, rotors veic cirkulāru, rotējošu kustību pretēji polarizēto statora polu virzienā. Elektromotora rotoram griežoties, tinumos radītās magnētiskās indukcijas vektora virziens tiek mainīts, noteiktā secībā mainot tinumos plūstošās strāvas virzienu. Strāvas vadību sauc par strāvas komutāciju un BDC elektromotoros to nodrošina komutators un sukas.^[2]

Komutaturs un sukas

Komutators sastāv no vara plāksnēm, kuras ir viena no otras atdalītas, un ir piestiprināts pie rotora ass. Katrs no komutatora plāksnīšu pāriem ir pievienots atsevišķam rotora vadu tinumam. Sukas ir izveidotas no oglekļa materiāla un pievienotas barošanas avotam. Rotoram griežoties, sukas slīd pāri komutatora plāksnēm, pievienojot barošanas avota spriegumu rotora tinumam, ar kuru ir savienotas attiecīgās komutācijas fāzes komutatora plāksnes. Tātad, komutators kopā ar sukām veido slēdzi, kas dinamiski maina magnētiskās indukcijas vektora virzienu rotora tinumos.^[2]

Atšķirība no bezkontaktu līdzstrāvas elektromotora

Galvenā atšķirība starp kontaktu līdzstrāvas elektromotoru un bezkontaktu līdzstrāvas elektromotoru ir tā vadībā. BDC elektromotoram nav nepieciešams izstrādāt īpašu elektronisku vadības sistēmu, kas komutētu strāvu elektromotora tinumos, jo šo procesu nodrošina elektromotorā iebūvēta mehānika — komutators un sukas.

Priekšrocības

Galvenās BDC elektromotoru priekšrocības ir zemas sākotnējās izmaksas motora izgatavošanai, relatīvi zema tirgus cena un liela pieejamība tirgū, kā arī relatīvi vienkārša elektromotora vadība.

Trūkumi

Komutatora un suku mijiedarbības (slīdēšanas) rezultātā rodas berze, kas liek šīm elektromotora detaļām nolietoties. Vēl viena problēma, kas rodas suku un komutatora kontakta vietā, ir dzirksteļošana, kas neļauj šāda tipa elektromotora pielietošanu sprādzienbīstamu gāzu atmosfērā. Iepriekš minētie iemesli, kopā ar augstajām uzturēšanas izmaksām, kas ir saistītas ar komutatora un suku nolietošanos, ir galvenie faktori, kāpēc BDC elektromotori tiek aizstāti ar bezkontaktu līdzstrāvas elektromotoriem, kuriem nav šādu detaļu.^[1]

Skatīt arī

Atsauces

↑ ^1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 ^1,5 ^1,6 ^1,7 BDC elektromotors, Microchip tīmekļseminārs Arhivēts 2016. gada 7. martā, Wayback Machine vietnē. (angļu val.)
↑ ^2,0 ^2,1 Rotors, komutators un sukas. Howstuffworks.

Ārējās saites

Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Kontaktu līdzstrāvas elektromotors.

[:0-1] 1,0 ^1,1 ^1,2 ^1,3 ^1,4 ^1,5 ^1,6 ^1,7 BDC elektromotors, Microchip tīmekļseminārs Arhivēts 2016. gada 7. martā, Wayback Machine vietnē. (angļu val.)

[:1-2] 2,0 ^2,1 Rotors, komutators un sukas. Howstuffworks.

[1]

[2]