اصل کار موتور DC

ماشین جریان مستقیم (ماشین DC) به موتور دوار اطلاق می شود که قادر به تبدیل انرژی الکتریکی از جریان مستقیم به انرژی مکانیکی (به عنوان موتور DC) یا تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی جریان مستقیم (به عنوان یک ژنراتور DC) است. این نوعی موتور است که تبدیل متقابل بین انرژی الکتریکی و مکانیکی را تسهیل می کند. هنگامی که به عنوان یک موتور کار می کند، به عنوان یک موتور DC عمل می کند و انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. هنگامی که به عنوان یک ژنراتور کار می کند، به عنوان یک ژنراتور DC عمل می کند و انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

 

ساختار ترکیب

ساختار یک موتور DC باید از دو بخش اصلی تشکیل شده باشد: استاتور و روتور. قسمت ثابت موتور DC در حین کار، استاتور نامیده می شود. عملکرد اصلی استاتور تولید میدان مغناطیسی است که از پایه موتور، قطب های مغناطیسی اصلی، قطب های معکوس، کلاهک های انتهایی، یاتاقان ها و دستگاه های برس تشکیل شده است. قسمتی که در حین کار می چرخد ​​روتور نامیده می شود که عمدتاً گشتاور الکترومغناطیسی و نیروی الکتروموتور القایی ایجاد می کند. این هاب برای تبدیل انرژی در موتورهای DC است، بنابراین معمولاً به آن آرمیچر می گویند که از شفت، هسته آرمیچر، سیم پیچ آرمیچر، کموتاتور و فن تشکیل شده است.

 

قطب مغناطیسی اصلی

وظیفه قطب مغناطیسی اصلی ایجاد میدان مغناطیسی شکاف هوا است. قطب مغناطیسی اصلی از دو بخش تشکیل شده است: هسته آهنی قطب مغناطیسی اصلی و سیم پیچ تحریک. هسته آهنی معمولاً از صفحات فولادی سیلیکونی با ضخامت 0.5 تا 1.5 میلی متر ساخته شده است که به هم فشرده و پرچ می شوند. به دو قسمت تقسیم می شود: بدنه میله و کفش میله. قسمت بالای سیم پیچ تحریک را بدنه قطب و قسمت پایینی را که پهن می شود کفشک می گویند. کفشک های قطب پهن تر از بدنه قطب هستند که می تواند توزیع میدان مغناطیسی را در شکاف هوا تنظیم کند و تثبیت سیم پیچ تحریک را تسهیل کند. سیم پیچ تحریک از سیم مسی عایق ساخته شده و به دور هسته اصلی قطب مغناطیسی پیچیده شده است. کل قطب مغناطیسی اصلی با پیچ به پایه دستگاه ثابت می شود.

قطب معکوس

عملکرد قطب معکوس بهبود کموتاسیون و کاهش جرقه های احتمالی کموتاسیون بین برس الکتریکی و کموتاتور در حین کار موتور است. به طور کلی بین دو قطب اصلی مغناطیسی مجاور نصب می شود و از یک هسته آهنی قطب معکوس و یک سیم پیچ قطب معکوس تشکیل شده است. سیم پیچی قطب معکوس از سیم های عایق که به دور هسته آهنی قطب معکوس پیچیده شده است ساخته شده است و تعداد قطب های معکوس برابر با قطب های مغناطیسی اصلی است.

 

پایه ماشین

پوسته بیرونی استاتور موتور پایه نامیده می شود. عملکرد پایه ماشین دو دسته است:

یکی برای ثابت کردن قطب مغناطیسی اصلی، قطب معکوس، و پوشش انتهایی، و برای پشتیبانی و تعمیر کل موتور استفاده می شود.

ثانیاً خود پایه دستگاه نیز بخشی از مدار مغناطیسی است که مسیر مغناطیسی بین قطب های مغناطیسی را تشکیل می دهد. قسمتی که شار مغناطیسی از آن عبور می کند، یوغ مغناطیسی نامیده می شود. برای اطمینان از اینکه پایه دستگاه دارای استحکام مکانیکی کافی و رسانایی مغناطیسی خوب است، معمولاً از فولاد ریخته‌گری شده یا از صفحات فولادی جوش داده می‌شود.

 

دستگاه برس برقی

دستگاه برس الکتریکی برای معرفی یا استخراج ولتاژ DC و جریان DC استفاده می شود. دستگاه برس برقی از یک برس برقی، یک جا برس، یک میله برس و یک جا میله برس تشکیل شده است. برس برقی در نگهدارنده برس قرار می گیرد و با فنر فشرده می شود تا از تماس لغزشی خوبی بین برس و کموتاتور اطمینان حاصل شود. نگهدارنده برس روی میله برس که روی صندلی میله برس دایره ای نصب شده و باید از یکدیگر عایق باشند ثابت می شود. نشیمنگاه میله برس روی پوشش انتهایی یا روکش داخلی بلبرینگ نصب می شود و موقعیت محیطی آن قابل تنظیم است. پس از تنظیم، ثابت می شود.

 

(1) هسته آهنی آرماتور

هسته آرمیچر قسمت اصلی مدار مغناطیسی اصلی است و برای تعبیه سیم پیچ آرمیچر استفاده می شود. هسته آهنی آرمیچر عمومی از ورق های فولادی سیلیکونی به ضخامت 0.5 میلی متر ساخته شده است که پانچ و لمینت شده اند تا تلفات جریان گردابی و هیسترزیس ایجاد شده در هسته آهن آرمیچر در طول کار موتور را کاهش دهد. هسته آهنی انباشته روی شفت یا براکت روتور ثابت می شود. دایره بیرونی هسته آهنی دارای شیارهای آرمیچر است که در آن سیم پیچ های آرمیچر تعبیه شده است.

(2) سیم پیچ آرماتور

عملکرد سیم پیچ آرمیچر تولید گشتاور الکترومغناطیسی و نیروی الکتروموتور القایی است و جزء کلیدی برای تبدیل انرژی در موتورهای DC است، بنابراین آرمیچر نامیده می شود. از تعداد زیادی سیم پیچ (که از این پس اجزا نامیده می شوند) تشکیل شده است که طبق قوانین خاصی به هم متصل شده اند. سیم پیچ ها با سیم مسطح-میناکاری شده با استحکام بالا یا سیم مسطح پیچیده شده با الیاف شیشه پیچیده می شوند. لبه های سیم پیچ سیم پیچ های مختلف به لایه های بالایی و پایینی تقسیم می شوند و در شکاف آرمیچر تعبیه می شوند. عایق بین سیم پیچ و هسته آهنی و همچنین بین لبه های سیم پیچ بالایی و پایینی باید به درستی حفظ شود. برای جلوگیری از پرتاب نیروی گریز از مرکز لبه سیم پیچ به بیرون از شکاف، شکاف با گوه های شکاف ثابت می شود. قسمت اتصال انتهایی سیم پیچ که از شکاف بیرون می آید با نوار شیشه ای غیر بافته شده گرماسخت بسته می شود.

 

(3) کموتاتور

در یک موتور DC، کموتاتور مجهز به برس های الکتریکی است که می تواند توان DC خارجی را به جریان متناوب در سیم پیچ آرمیچر تبدیل کند و جهت گشتاور الکترومغناطیسی را ثابت نگه دارد. در یک ژنراتور DC، کموتاتور مجهز به برس‌های الکتریکی است که می‌تواند نیروی الکتروموتور متناوب القا شده در سیم‌پیچ آرمیچر را به نیروی الکتروموتور مستقیم که از برس‌های الکتریکی مثبت و منفی کشیده می‌شود، تبدیل کند. کموتاتور یک بدنه استوانه ای است که از بخش های کموتاتور زیادی تشکیل شده است که با صفحات میکا بین آنها عایق بندی شده است.

 

(4) شفت دوار

شفت نقش حمایتی در چرخش روتور دارد و به درجه خاصی از استحکام مکانیکی و سختی نیاز دارد. به طور کلی از فولاد گرد پردازش می شود

دسته بندی های اصلی

 

(5) ژنراتور DC

ژنراتور DC ماشینی است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی DC تبدیل می کند. این عمدتا به عنوان منبع انرژی تحریک برای موتورهای DC، الکترولیز، آبکاری الکتریکی، ذوب الکتریکی، شارژ و ژنراتورهای AC استفاده می شود. اگرچه اجزای یکسو کننده برق در مکان هایی که جریان مستقیم برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم مورد نیاز است نیز استفاده می شود، از نظر جنبه های عملکردی خاص، منابع برق یکسو کننده جریان متناوب نمی توانند به طور کامل جایگزین ژنراتورهای جریان مستقیم شوند.

(6) موتور DC

وسیله ای دوار که انرژی جریان مستقیم را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. استاتور موتور الکتریکی میدان مغناطیسی را فراهم می کند، منبع تغذیه DC جریان را به سیم پیچ روتور می دهد و کموتاتور جهت جریان روتور و گشتاور تولید شده توسط میدان مغناطیسی را ثابت نگه می دارد. موتورهای DC را می توان بر اساس مجهز بودن به کموتاتورهای براش معمولی به دو دسته تقسیم کرد، از جمله موتورهای DC برس دار و موتورهای DC بدون جاروبک.

موتور DC بدون جاروبک نوع جدیدی از موتور DC است که در سال‌های اخیر با توسعه فناوری ریزپردازنده، استفاده از دستگاه‌های الکترونیکی قدرت جدید با فرکانس سوئیچینگ بالا و مصرف برق کم، و همچنین بهینه‌سازی روش‌های کنترل و ظهور مواد آهنربای دائم کم هزینه و سطح انرژی مغناطیسی بالا توسعه یافته است.

(7) اصل کنترل

اصل کنترل موتور DC بدون جاروبک این است که برای چرخاندن موتور، واحد کنترل ابتدا باید موقعیت روتور موتور را که توسط سنسور هال حس می‌شود، تعیین کند و سپس ترتیب روشن (یا خاموش کردن) ترانزیستورهای قدرت در اینورتر را با توجه به سیم‌پیچ استاتور تعیین کند. AH، BH، CH (اینها ترانزیستورهای قدرت بازوی بالایی نامیده می شوند) و AL، BL، CL (این ترانزیستورهای قدرت بازوی پایین نامیده می شوند) در اینورتر باعث می شوند که جریان از طریق سیم پیچ موتور به ترتیب جریان یابد تا یک میدان مغناطیسی چرخشی رو به جلو (یا معکوس) ایجاد کند و با آهنربای روتور برهمکنش کند، به گونه ای که موتور در جهت عقربه ساعت/گردش ساعت باشد. هنگامی که روتور موتور به موقعیتی می‌چرخد که مجموعه دیگری از سیگنال‌ها توسط سنسور سالن حس می‌شود، واحد کنترل مجموعه بعدی ترانزیستورهای قدرت را روشن می‌کند، به طوری که موتور سیکلیک می‌تواند در همان جهت به چرخش خود ادامه دهد تا زمانی که واحد کنترل تصمیم بگیرد روتور موتور را متوقف کند و ترانزیستورهای قدرت را خاموش کند (یا فقط ترانزیستورهای قدرت بازوی پایین را روشن کند). اگر قرار باشد روتور موتور معکوس شود، ترتیب فعال سازی ترانزیستور قدرت برعکس می شود.

 

اساساً روش باز کردن ترانزیستورهای قدرت را می توان به صورت زیر مثال زد: AH، گروه BL → AH، گروه CL → BH، گروه CL → BH، گروه AL → CH، گروه AL → گروه CH، BL، اما نباید به صورت AH، AL یا BH، BL یا CH، CL باز شود. علاوه بر این، از آنجایی که قطعات الکترونیکی همیشه دارای زمان پاسخ سوئیچ هستند، زمان پاسخگویی ترانزیستور قدرت باید در هنگام خاموش و روشن شدن در نظر گرفته شود. در غیر این صورت، زمانی که بازوی بالایی (یا بازوی پایینی) به طور کامل خاموش نشود، بازوی پایینی (یا بازوی بالایی) از قبل روشن می شود و در نتیجه اتصال کوتاهی بین بازوهای بالا و پایین ایجاد می شود و ترانزیستور برق می سوزد.

 

وقتی موتور می‌چرخد، واحد کنترل دستور متشکل از سرعت و نرخ شتاب/کاهش سرعت تنظیم‌شده توسط راننده را با سرعت تغییر سیگنال سنسور سالن (یا محاسبه‌شده توسط نرم‌افزار) مقایسه می‌کند تا مشخص کند که آیا مجموعه بعدی کلیدها (AH، BL یا AH، CL یا BH، CL یا...) باید روشن شوند و مدت زمان روشن شدن آن. اگر سرعت کافی نباشد، تمدید خواهد شد. اگر سرعت خیلی زیاد باشد کوتاه می شود. این قسمت از کار توسط PWM تکمیل شده است. PWM راهی برای تعیین سریع یا کند بودن سرعت موتور است و نحوه تولید چنین PWM هسته اصلی برای دستیابی به کنترل سرعت دقیق تر است.

 

کنترل سرعت بالا باید در نظر بگیرد که آیا وضوح CLOCK سیستم برای درک زمان پردازش دستورالعمل های نرم افزار کافی است یا خیر. علاوه بر این، روش دسترسی به داده برای تغییرات سیگنال سنسور سالن نیز بر عملکرد پردازنده، دقت قضاوت و عملکرد زمان واقعی تأثیر می‌گذارد. در مورد-کنترل سرعت کم، به خصوص شروع با سرعت کم-، تغییرات در سیگنال سنسور سالن برگشتی کندتر می شود. استخراج سیگنال، پردازش آن در زمان مناسب و پیکربندی مناسب مقادیر پارامتر کنترل با توجه به ویژگی های موتور بسیار مهم است. از طرف دیگر، بازخورد سرعت را می توان بر اساس تغییرات رمزگذار تنظیم کرد تا وضوح سیگنال برای کنترل بهتر افزایش یابد. موتور می تواند نرم کار کند و به خوبی پاسخ دهد و مناسب بودن کنترل PID را نمی توان نادیده گرفت. همانطور که قبلاً ذکر شد، موتور DC بدون جاروبک یک کنترل حلقه بسته{13} است، بنابراین سیگنال بازخورد معادل این است که به بخش کنترل بگوید سرعت موتور هنوز چقدر با سرعت هدف متفاوت است، که همان خطا است. دانستن خطا به طور طبیعی نیاز به جبران دارد که می تواند از طریق کنترل های مهندسی سنتی مانند کنترل PID به دست آید. با این حال، وضعیت و محیط کنترل در واقع پیچیده است و همیشه{19}}در حال تغییر است. برای دستیابی به کنترل قوی و بادوام، عواملی که باید در نظر گرفته شوند ممکن است به طور کامل توسط کنترل مهندسی سنتی تسلط نداشته باشند. بنابراین، کنترل فازی، سیستم های خبره و شبکه های عصبی نیز به عنوان تئوری های مهم برای کنترل هوشمند PID گنجانده خواهند شد.