DC 모터

DC 모터는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 다른 유형의 기계보다 먼저 발명되었습니다. AC 모터가 최근 가장 대중화되었지만 DC 모터에 대한 대안이 없는 애플리케이션이 있습니다.

DC 및 AC 모터

발명의 역사

자코비 전기모터.

DC 전기 모터(DC 모터)의 작동 원리를 이해하기 위해 제작 역사를 살펴봅니다. 따라서 전기 에너지가 기계적 에너지로 변환될 수 있다는 최초의 실험적 증거는 Michael Faraday에 의해 입증되었습니다. 1821년에 그는 도체를 바닥에 영구 자석이 있는 수은으로 채워진 용기에 낮추는 실험을 했습니다. 도체에 전기를 인가한 후 도체는 자석 주위를 회전하기 시작하여 용기에 존재하는 자기장에 대한 반응을 보여줍니다. 패러데이의 실험은 실용적인 응용을 찾지 못했지만 전기 기계를 만들 가능성을 증명하고 전기 역학의 발전을 일으켰습니다.

움직이는 부분(로터)의 회전 원리에 기초한 최초의 DC 전기 모터는 1834년 러시아 기계 물리학자 Boris Semenovich Jacobi에 의해 만들어졌습니다. 이 장치는 다음과 같이 작동했습니다.

설명된 원리는 Jacobi가 1839년에 12명의 승객을 태운 보트에 설치한 엔진에 사용되었습니다. 배는 조류에 반대하여 3km/h의 속도로 요란하게 움직이고 있었지만(다른 출처에 따르면 - 4.5km/h) 성공적으로 강을 건너 승객을 해안에 상륙시켰습니다. 320개의 갈바닉 셀이 있는 배터리를 전원으로 사용했으며 이동은 패들 휠을 사용하여 수행되었습니다.

이 문제에 대한 추가 연구를 통해 연구원들은 어떤 전원을 사용하는 것이 가장 좋은지, 성능을 개선하고 크기를 최적화하는 방법에 관한 많은 질문을 해결했습니다.

1886년 Frank Julian Sprague는 오늘날 사용되는 것과 유사한 디자인의 직류 전기 모터를 처음으로 설계했습니다. 그것은 자기 여자의 원리와 전기 기계의 가역성의 원리를 구현했습니다. 이 시점까지이 유형의 모든 엔진은 DC 발전기와 같은보다 적합한 소스에서 전원으로 전환되었습니다.

브러시 수집기 어셈블리는 기계의 고정 부분에 있는 회로와 회 전자 회로의 전기 연결을 제공합니다.

장치 및 작동 원리

현대 DPT에서는 자기장과 대전된 도체의 상호 작용과 동일한 원리가 사용됩니다. 기술의 향상으로 장치는 성능을 향상시키는 일부 요소만 보완됩니다. 예를 들어, 오늘날 영구 자석은 저전력 모터에만 사용됩니다. 대형 기계에서는 너무 많은 공간을 차지하기 때문입니다.

기본 원리

이 유형의 엔진의 초기 프로토타입은 최신 장치보다 눈에 띄게 간단했습니다. 그들의 원시 장치에는 두 개의 자석으로 된 고정자와 전류가 인가되는 권선이 있는 전기자만 포함되었습니다. 자기장의 상호 작용 원리를 연구한 설계자는 다음 엔진 작동 알고리즘을 결정했습니다.

전원 공급 장치는 전기자 권선에 전자기장을 생성합니다.
전자기장의 극은 영구 자석 필드의 동일한 극에서 반발합니다.
전기자는 부착된 샤프트와 함께 권선의 반발 필드에 따라 회전합니다.

이 알고리즘은 이론적으로 완벽하게 작동했지만 실제로 첫 번째 엔진의 제작자는 기계 작동을 방해하는 특정 문제에 직면했습니다.

엔진을 시동할 수 없는 데드 포지션 - 극이 정확히 서로 앞쪽을 향하고 있을 때.
극의 강한 저항 또는 약한 반발로 인해 시동할 수 없습니다.
로터는 1회전 후에 멈춥니다. 이것은 원의 절반을 지난 후 자석의 인력이 가속되지 않고 로터의 회전이 느려졌다는 사실 때문입니다.

첫 번째 문제에 대한 해결책은 매우 빨리 발견되었습니다. 이를 위해 두 개 이상의 자석을 사용하는 것이 제안되었습니다. 나중에 모터 장치에 여러 개의 권선과 수집기-브러시 어셈블리가 포함되어 특정 시점에 한 쌍의 권선에만 전원을 공급했습니다.

컬렉터-브러시 전류 공급 시스템은 또한 로터 제동 문제를 해결합니다. 로터의 회전이 느려지기 시작하는 순간까지 극성 전환이 발생합니다. 이것은 모터가 한 번 회전하는 동안 최소한 두 번의 극성 반전이 있음을 의미합니다.

낮은 돌입 전류 문제는 아래에서 별도의 섹션에서 설명합니다.

설계

따라서 영구 자석이 모터 하우징에 고정되어 내부에 회 전자가있는 고정자를 형성합니다. 전기자 권선에 전원이 인가된 후 고정자의 자기장과 상호 작용하는 전자기장이 발생하여 샤프트에 단단히 장착된 회전자가 회전합니다. 소스에서 전기자로 전류를 전달하기 위해 엔진에는 다음으로 구성된 컬렉터 브러시 어셈블리가 장착되어 있습니다.

수집기. 전기자 권선에 연결되고 모터 샤프트에 직접 장착되는 유전체 재료로 분리된 여러 섹션의 집전체 링입니다.
흑연 브러쉬. 그들은 압력 스프링에 의해 컬렉터의 접촉 패드에 눌러지는 브러시를 사용하여 컬렉터와 전원 사이의 회로를 닫습니다.

전기자 권선은 한쪽 끝이 서로 연결되고 다른 쪽 끝이 컬렉터 섹션에 연결되어 전류가 입력 브러시 -> 회전자 권선 -> 출력 브러시 경로를 따라 흐르는 회로를 형성합니다.

주어진 회로도(그림 3)는 두 섹션의 컬렉터가 있는 기본 DC 모터의 작동 원리를 보여줍니다.

이 예에서는 다이어그램과 같이 로터의 시작 위치를 고려할 것입니다. 따라서 "+"로 표시된 아래쪽 브러시에 전원이 공급되면 전류가 권선을 통해 흐르고 주변에 전자기장이 생성됩니다.
김릿법칙에 따르면 앵커의 북극은 왼쪽 아래 부분에 형성되고 남극은 오른쪽 위에 형성됩니다. 같은 이름의 고정자 극 근처에 위치하여 반발하기 시작하여 회전자를 움직이게 하고 반대 극이 서로 최소 거리에 있을 때까지, 즉 최종 위치에 도달할 때까지 계속됩니다(그림 1). 1).
이 단계에서 컬렉터의 설계는 전기자 권선의 극성 반전을 초래합니다. 그 결과 자기장의 극이 다시 가까운 범위에 있게 되고 밀어내기 시작합니다.
로터가 완전히 회전하고 컬렉터가 극성을 다시 반전시켜 계속 움직입니다.

DC 모터 부품

여기에서 이미 언급했듯이 원시 프로토타입의 작동 원리가 설명됩니다. 실제 모터는 2개 이상의 자석을 사용하고, 정류자는 더 많은 접촉 패드로 구성되어 부드러운 회전을 보장합니다.

고출력 모터의 경우 영구자석의 크기가 커서 사용이 불가능하다. 이에 대한 대안은 공급 버스바에 연결된 자체 권선이 있는 여러 개의 전도성 로드 시스템입니다. 동일한 이름의 극이 네트워크에 직렬로 포함됩니다. 본체에는 1~4쌍의 극이 있을 수 있으며 그 수는 집전체의 집전 브러시 수와 일치해야 합니다.

고전력용으로 설계된 전기 모터는 "가벼운" 모터에 비해 많은 기능적 이점이 있습니다. 예를 들어, 전류 수집 브러시의 로컬 배열은 "전기자 반응"이라고 하는 샤프트의 제동을 보상하기 위해 샤프트에 대해 특정 각도로 브러시를 회전합니다.

기동 전류

중단 없는 작동을 보장하고 부문별 제동을 배제하는 추가 요소로 모터 로터를 점진적으로 장착하면 시동 문제가 발생합니다. 그러나이 모든 것이 로터의 무게를 증가시킵니다. 샤프트의 저항을 고려하면 그 자리에서 밀어내는 것이 더 어려워집니다. 이 문제에 대한 첫 번째 해결책은 처음에 공급되는 전류를 늘리는 것이지만 이는 불쾌한 결과를 초래할 수 있습니다.

라인의 회로 차단기는 전류를 견디지 못하고 꺼집니다.
권선은 과부하로 인해 타 버릴 것입니다.
컬렉터의 스위칭 섹터는 과열로 인해 용접됩니다.

따라서 그러한 결정은 다소 위험한 반쪽 조치라고 할 수 있습니다.

일반적으로이 문제는 DC 모터의 주요 단점이지만 일부 영역에서 필수 불가결 한 주요 장점을 포함합니다. 이 장점은 시동 직후에 토크를 직접 전달하는 데 있습니다. 샤프트(움직이기 시작하는 경우)는 어떤 부하에서도 회전합니다. AC 모터는 이것을 할 수 없습니다.

지금까지 이 문제는 완전히 해결되지 않았습니다. 현재까지 이러한 엔진을 시동하기 위해 작동 원리가 자동차 기어 박스와 유사한 자동 시동기가 사용됩니다.

첫째, 전류가 점차적으로 시작 값까지 상승합니다.
그 자리에서 "이동"한 후 현재 값은 급격히 떨어지고 "축의 회전을 조정"하여 다시 부드럽게 상승합니다.
한계값까지 상승한 후 현재 강도가 다시 감소하고 "조정"됩니다.

이 사이클은 3-5회 반복되며(그림 4) 네트워크에 심각한 부하가 발생하지 않고 엔진을 시동할 필요성을 해결합니다. 실제로 "부드러운"시작은 없지만 장비가 안전하게 작동하고 DC 모터의 주요 이점인 토크가 유지됩니다.

배선도

DC 모터 연결은 AC 사양의 모터보다 다소 어렵습니다.

일반적으로 고출력 및 중출력 모터에는 특수 계자 권선(OB) 및 전기자 접점이 터미널 상자에 있습니다. 대부분의 경우 소스의 출력 전압이 전기자에 적용되고 일반적으로 가변 저항에 의해 조정되는 전류가 OB에 적용됩니다. 모터의 회전 속도는 여자 권선에 가해지는 전류의 강도에 직접적으로 의존합니다.

DC 모터의 전기자와 여자 권선을 켜는 데에는 세 가지 주요 방식이 있습니다.

직렬 여자는 초기에 큰 전류가 필요한 모터(전기 자동차, 렌탈 장비 등)에 사용됩니다. 이 체계는 OF와 전기자의 직렬 연결을 소스에 제공합니다. 전압을 가한 후 동일한 크기의 전류가 전기자 권선과 OB를 통과합니다. 순차 여자로 샤프트의 부하를 1/4로 줄이면 속도가 급격히 증가하여 엔진 고장, 따라서이 회로는 일정한 부하 조건에서 사용됩니다.
병렬 여자는 시동 시 샤프트에 높은 부하를 가하지 않는 공작 기계, 팬 및 기타 장비의 작동을 보장하는 모터에 사용됩니다. 이 회로에서 독립 권선은 가변 저항에 의해 가장 자주 조절되는 OF를 여자하는 데 사용됩니다.
독립 여자는 병렬 여자와 매우 유사하지만 이 경우 독립 소스가 OB에 전원을 공급하는 데 사용되므로 전기자와 여자 권선 사이의 전기적 연결이 나타나지 않습니다.

현대 DC 전기 모터에서는 설명된 세 가지를 기반으로 혼합 회로를 사용할 수 있습니다.

회전 속도 조정

DPT의 속도를 조절하는 방법은 연결 방식에 따라 다릅니다.

병렬 여자 모터에서 공칭 값에 대한 속도 감소는 전기자 전압을 변경하여 수행할 수 있고 여자 흐름을 약화시켜 증가시킬 수 있습니다. 속도를 높이기 위해(공칭 값에 대해 4배 이하) 가변 저항이 OB 회로에 추가됩니다.
직렬 여자의 경우 전기자 회로의 가변 저항에 의해 조정이 쉽게 수행됩니다. 사실, 이 방법은 속도를 줄이는 데만 적합하며 1:3 또는 1:2의 비율로만 적합합니다(또한 이로 인해 가변 저항에서 큰 손실이 발생함). 증가는 OB 회로의 조정 가변 저항을 사용하여 수행됩니다.

이 회로는 조정 범위가 좁고 기타 단점이 있기 때문에 현대 첨단 장비에서는 거의 사용되지 않습니다. 요즘에는 이러한 목적으로 전자 제어 회로가 점점 더 많이 만들어지고 있습니다.

반전

DC 모터의 회전을 반전(역)하려면 다음을 수행해야 합니다.

직렬 여기 - 입력 접점의 극성을 변경하십시오.
혼합 및 병렬 여기 - 전기자 권선의 전류 방향을 변경할 필요가 있습니다. OF의 파열은 주입된 기전력의 심각한 증가와 전선 절연 파괴로 이어질 수 있습니다.

적용 범위

이미 이해했듯이 네트워크에 대한 영구적인 중단 없는 연결이 가능하지 않은 조건에서는 DC 모터를 사용하는 것이 좋습니다. 여기에서 좋은 예는 "장소에서" 내연 기관을 밀어내는 자동차 시동기 또는 모터가 있는 어린이 장난감입니다. 이 경우 배터리를 사용하여 엔진을 시동합니다. 산업용으로 DPT는 압연기에서 사용됩니다.

DPT의 주요 적용 분야는 전기 운송입니다. 증기선, 전기 기관차, 트램, 무궤도 전차 및 기타 유사한 것들은 매우 큰 시동 저항을 가지며, 이는 부드러운 특성과 회전 조절의 넓은 한계를 가진 DC 모터의 도움으로만 극복할 수 있습니다. 환경 교통 기술의 급속한 발전과 대중화를 감안할 때 DPT의 범위는 점점 더 커지고 있습니다.