Від магнітного поля до обертання: стаття, щоб зрозуміти, чому двигуни постійного струму обертаються

У попередній статті ми вже мали попереднє розумінняЩо таке двигун постійного струму, з чого складається його основна структура, та широкий спектр застосувань у житті та промисловості. У цій статті ми детальніше пояснимо: "Чому двигун постійного струму може обертатися і який його принцип роботи".

 

Ми вже знаємо, що обертання двигуна постійного струму вимагає електричного струму, магнітного поля та складної структури котушки, але як електрика, магнетизм та котушки реагують один на одного, і які фізичні закони дозволяють, здавалося б, стаціонарному компоненту почати постійно обертатися?

 

Ми пояснимо ці питання по черзі в наступному змісті, тому давайте розпочнемо.

 

 

Щоб по -справжньому зрозуміти, чому двигуни постійного струму можуть обертатися, нам потрібно знати дуже базовий закон фізики -Закон Ампера.

 

Основні принципи електричних двигунів: Закон про силу Ампера (f=bil)

У фізиці є закон, який говорить:

Коли струм проходить через дріт і він знаходиться в магнітному полі, він буде діяти магнітним полем.

 

Величина цієї сили визначається такою формулою:

F=b × i × l × sinθ

F: Сила

Б: Міцність магнітного поля

I: Інтенсивність струму

L: Довжина дроту

θ: кут між напрямком струму та напрямком магнітного поля

Ця сила - це те, що ми часто називаємо "амперською силою".

 

Це не загадково, як коли ви ставите магніт на близько до провідної котушки, ви відчуєте "штовхаючу" або "тягнучу" силу, що є взаємодією між електричним струмом і магнітним полем.

 

Простіше кажучи: струм проходить через магнітне поле → сила застосовується до дроту → дріт рухається

 

Це основа для переміщення двигуна.

 

Як двигун постійного струму перетворює цю силу на "безперервне обертання"?

Раніше ми говорили, що дріт піддається силі. Але в двигуні це не дріт, а група обмоток котушки - ми називаємо їх котушками арматури, які встановлюються на роторі, який може вільно обертатися.

 

Струм тече від джерела живлення в котушку, котушка генерує силу, і ротор починає обертатися. Ось питання:

Якщо сила застосовується лише один раз, ротор буде обертатися лише один раз, а потім зупиниться, і не може постійно обертатися?

 

Так, так існує дуже важлива структура, розроблена всередині двигуна постійного струму - комутатора.

 

Функція цього невеликого компонента полягає в тому, щоб автоматично перемикати напрямок струму в котушці під час обертання арматури. Перевага цього полягає в тому, що хоча струм змінює напрямок, "напрямок сили" у магнітному полі залишається послідовним, що дозволяє ротору продовжувати обертатися.

 

Ви можете подумати про комутатора як перемикач, який "постійно перевертається" під час обертання. Він працює з пензлями, щоб завжди зберегти струм "тече в правильному напрямку", щоб підтримувати стабільне обертання.

 

 

Причина, чому двигун постійного струму може "рухати" стабільно, не тільки через те, що поточне та магнітне поле, але й завдяки узгодженому творчості ряду точних компонентів всередині нього, включаючи "котушку арматури", "комутатор" та "щітку". Для більш простого розуміння пояснення тут базуватиметься на матовому двигуні постійного струму.

 

1. Котушка арматури: "трек" струму

У двигуна постійного струму арматура (також називається обмоткою ротора) є прямим носієм ампер -сили. Коли струм потрапляє в двигун із зовнішнього джерела живлення, через ці котушки розподіляються в слотах, що сила застосовується в магнітному полі. Оскільки котушки симетрично розподіляються на роторі, ці сили співпрацюватимуть між собою, утворюючи стабільний і збалансований крутний момент обертання (крутний момент).

 

Це можна зрозуміти наступним чином:

Кожен розділ дроту - це як "доріжка", де працює струм, а магнітне поле діє як арбітр для застосування "рушійної сили". Коли кілька котушок поєднуються разом, вони схожі на команду, що бігають по колах ритмічно і врешті -решт генерують безперервний крутний момент.

 

Крім того, чим більше арматури є, тим плавніші двигун протікає і тим менше коливання вихідного крутного моменту.

 

2. Комітет та пензлі: фокусник, який обертає струм

Недостатньо, щоб струм протікав через котушку - щоб арматура не була в постійній силі в одному напрямку, напрямок струму повинен бути зворотним на кожній половині повороту, що є роботою комутатора.

 

Пан -комутатор - це структура мідних пластин, закріплених на валу, які підтримують контакт з щітками на статорі. По мірі обертання ротора щітки ковзають по різних мідних плитах, внаслідок чого струм "автоматично". Ось чому сила на дроті залишається в одному напрямку навіть після того, як котушка перетворилася на півроку.

 

Іншими словами, комутатор - це як система, яка автоматично регулює світлофори, щоб переконатися, що поточний "плавно протікає" і підтримує ритм обертання.

 

То чому ж пензлики та комутатори часто найшвидше носять деталі?

Оскільки вони перебувають у стані безперервного контакту та тертя, вони схильні до іскри та нагрівання на високих швидкостях та високих течіях, а їх тривалість життя обмежена при довгостроковій роботі. Тому у високопродуктивних двигунах (таких як безщірні двигуни постійного струму) люди використовують електронну комутацію для заміни цієї частини структури.

 

 

Двигун постійного струму - це не лише "поворот", він також може "швидко перетворитись", "обертатися жорстоко" і навіть підтримувати стабільний вихід під різними навантаженнями. Отже, як керують швидкість (об \/ хв) і крутний момент (крутний момент) двигуна? Ми можемо зрозуміти це з таких аспектів:

 

1. Зв'язок між напругою, струмом, швидкістю та крутним моментом

Вихідні характеристики двигуна постійного струму тісно пов'язані з вхідною напругою та струмом:

 

Напруга визначає швидкість

Під припущенням про те, що навантаження залишається незмінним, швидкість двигуна постійного струму приблизно пропорційна напрузі.

· Зниження напруги → Зниження швидкості

· Збільшується напруга → Швидкість збільшується

 

Струм впливає на крутний момент

Чим більший струм, тим сильнішою ампеерською силою генерується через котушку, і тим більший вихідний крутний момент.

· Більше струму → Більше крутного моменту (але також більше схильне до перегріву)

 

Ось чому електромобілі потребують більшого струму при прискоренні, тоді як струм зменшується при круїзі з постійною швидкістю.

 

2. Як двигун "саморегулює" при змінах навантаження?

Коли навантаження, що рухається двигуном, стає важче (як і двоє людей, що сидять на електричному велосипеді), рух ротора зіткнеться з більшим опором, а швидкість, природно, зменшиться. У цей час задня електрорушійна сила котушки арматури зменшиться, внаслідок чого більше струму потрапляє в двигун, що автоматично збільшить вихідний крутний момент, протистояти навантаженню та підтримувати обертання.

 

Цей "адаптивний" механізм є однією з причин того, що двигуни постійного струму дуже практичні.

 

3. Контроль ШВМ: Варіація контролю напруги

У поточному контролі двигуна напруга живлення не регулюється безпосередньо. Натомість метод, який називається PWM (модуляція ширини імпульсу), використовується для моделювання ефекту "змінної напруги".

 

Простіше кажучи:

Контролер швидко вмикає та вимикає живлення, що дозволяє двигун працювати у високочастотному циклі перемикання "Вмикання".

Відрегулюючи співвідношення часу "ON" (робочий цикл), можна моделювати різні середні напруги.

 

Наприклад:

50% робочого циклу ≈ половина подачі напруги → Швидкість становить приблизно половину повної швидкості

90% робочого циклу ≈ висока подача напруги → швидкість, близька до повної швидкості

 

PWM не тільки має точний контроль, але й зменшує втрати енергії. Це основний засіб сучасних систем управління двигуном постійного струму.

 

 

У попередньому вмісті ми використовували матовий постійний двигун постійного струму постійного струму як приклад для пояснення принципу роботи, але насправді "двигун постійного струму" не є єдиною структурою. Він може змінюватись у проектних формах на основі методів комутації, джерел магнітних поля тощо.

 

Отже, чи працюють ці різні типи постійних двигунів однаково? Які ключові відмінності? Давайте подивимось.

 

1. Матчики проти безщільниць: відмінності в механізмах комутації

Матовий двигун постійного струму

Метод комутації: покладатися на механічний комутатор + пензлик для завершення зміни поточного напрямку.

Особливості: проста структура, проста в контролі, низька ціна, але щітки прості в носінні та потребують регулярного обслуговування.

 

Безщівний двигун постійного струму (BLDC)

Метод комутації: Електронна комутація, через датчик положення та контролер для визначення положення ротора та зміни напруженої котушки.

Особливості: Висока ефективність, довгий термін життя, низький рівень шуму, підходяща для сценаріїв, що потребують високої продуктивності (наприклад, безпілотники, електроінструменти, електромобілі тощо).

 

Короткий зміст основних відмінностей:

демонструвати	Матовий двигун	Безщасливий двигун
Метод комутації	Механічний комутатор	Електронне управління
Частота обслуговування	високий	Низький
Служба життя	Відносно короткий	Довше
вартість	Низький	Вищий
Складність контролю	Низький	Середній до високого

 

2. Постійний магніт проти збудження: різні джерела магнітного поля

Постійний магнітний двигун постійного струму (двигун PMDC)

· Використовуються постійні магніти: Використовуються постійні магніти зі стабільним магнітним полем та компактною структурою.

Переваги: ​​невеликий розмір, висока ефективність, зазвичай використовуються в мікромоторах, портативних пристроях, електромобілях тощо.

Недоліки: магніт має обмежену теплову стійкість, і міцність магнітного поля не може бути відрегульована.

 

Збуджений двигун постійного струму

· Джерело магнітного поля: Магнітне поле генерується котушкою збудження, яка може бути серійним збудженням, паралельним збудженням, збудженням сполуки та іншими структурами.

Переваги: ​​Магнітне поле регулюється, підходить для застосувань, що потребують великого початкового крутного моменту або змінної швидкості, наприклад, промислове підйомне обладнання, ліфти тощо.

Недоліки: більш складна структура, більший об'єм, дещо більший споживання енергії.

 

Порівняння різниць магнітного поля:

демонструвати	Постійний магнітний двигун	Двигун збудження
Джерело магнітного поля	Постійні магніти	Котушка збудження
Регулювання магнітного поля	Не регулюється	Регульований
вартість	Відносно низький	Трохи вище
Сценарій застосування	Невеликий і портативний	Промисловий, важкий обов'язок

 

Для порівняння, можна побачити, що хоча різні типи двигунів постійного струму відрізняються за механізмами комутації та джерелами магнітних поля, їх основні принципи однакові: використовуючи силу, що здійснюється на провіднику, що переносить струм, у магнітному полі для формування крутного моменту, тим самим керує обертанням.

 

 

На даний момент я думаю, що ви маєте повне розумінняЩо таке двигун постійного струмуі весь процес того, чому двигун постійного струму може обертатися. Від фізичного принципу (Закон Ампера), до скоординованої роботи ключових компонентів (котушка арматури, комутатора, пензля), до відмінностей у робочих механізмах різних типів двигунів (безчестя, постійне магніт\/збудження) можна сказати, що двигуни постійного струму - це технологія, яка ", здавалося б, проста, але містить складну конструкцію".

 

 

Якщо ви шукаєте ефективний та надійний двигун постійного струму для свого проекту, чому б не зв'язатися з нами - VSD виробника двигуна постійного струму.

Ми зосереджуємось на проектуванні та налаштуванні різних двигунів постійного струму, що покривають матовий, безчесний, постійний магніт, передачу, електронне управління та інші серії, які широко використовуються в розумних приладах, роботах, автоматизації, медичній точній та інших полях.

 

Наші переваги:

Підтримуйте індивідуальну розробку та невелике виробництво випробувальних пакетів

Володіння незалежними патентними технологіями та суворою сертифікацією якості

Обслуговували клієнтів у багатьох країнах світу

 

Не соромтеся звертатися до нас за посібниками з продуктів чи технічною порадою. Це полегшить вибір вашого двигуна, а ваш проект більш ефективним!