Μαθήματα:
- Εισαγωγή
- Αρχή λειτουργίας ηλεκτρικών κινητήρων
- Ηλεκτροκινητήρας συνεχούς ρεύματος με βούρτσες άνθρακα
- Ηλεκτροκινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς βούρτσες άνθρακα
Εισαγωγή:
Ηλεκτροκινητήρες βρίσκουμε σε όλο και περισσότερα σημεία του αυτοκινήτου. Σε έναν ηλεκτροκινητήρα, το ηλεκτρικό ρεύμα μετατρέπεται σε κίνηση και θερμότητα. Ηλεκτροκινητήρα βρίσκουμε στον καθρέφτη και τη ρύθμιση καθίσματος, αλλά και ως μοτέρ υαλοκαθαριστήρα στον μηχανισμό υαλοκαθαριστήρα ή ως μοτέρ εκκίνησης. Αυτοί οι ηλεκτροκινητήρες λειτουργούν με τάση 12 έως 14 βολτ. Σε αυτή τη σελίδα περιοριζόμαστε στους ηλεκτρικούς κινητήρες εσωτερικού και εξωτερικού χώρου.
Οι ηλεκτροκινητήρες παρέχουν επίσης (εν μέρει) ηλεκτρική πρόωση σε υβριδικά και πλήρως ηλεκτρικά οχήματα. Αυτός ο τύπος ηλεκτροκινητήρα συζητείται στη σελίδα: Ηλεκτροκινητήρες HV.
Μπορούμε να χωρίσουμε τους ηλεκτρικούς κινητήρες συνεχούς ρεύματος σε:
- Ηλεκτρικός κινητήρας με βούρτσες άνθρακα (ηλεκτρομαγνητικό πεδίο και οπλισμός)
- Ηλεκτροκινητήρες σειράς.
- Παράλληλοι ηλεκτροκινητήρες;
- Ηλεκτροκινητήρες χωρίς ψήκτρες.
Αρχή λειτουργίας ηλεκτροκινητήρων:
Σε έναν ηλεκτροκινητήρα, το ηλεκτρικό ρεύμα μετατρέπεται σε περιστροφική κίνηση. Η κίνηση προκαλείται από δύο μαγνητικούς πόλους που έλκονται ή απωθούνται μεταξύ τους:
- Ένας βόρειος πόλος και ένας νότιος πόλος ελκύουν ο ένας τον άλλον.
- Δύο βόρειοι πόλοι απωθούνται μεταξύ τους.
- Δύο νότιοι πόλοι απωθούνται μεταξύ τους.
Ένας μαγνήτης έχει βόρειο και νότιο πόλο με αντίθετα φορτία. Όταν αυτός ο μαγνήτης σπάσει στη μέση, δεν έχετε ξαφνικά δύο ξεχωριστούς πόλους, αλλά δύο νέους μαγνήτες, και οι δύο με έναν βόρειο και έναν νότιο πόλο.
Πολλαπλοί μαγνητικοί πόλοι (βόρεια και νότια) είναι στερεωμένοι στο περίβλημα. Υπάρχει ένα μαγνητικό πεδίο μεταξύ του βόρειου και του νότιου πόλου. Ο άξονας εξόδου (ο οπλισμός) περιστρέφεται λόγω αλλαγών στο μαγνητικό πεδίο.
Σε έναν ηλεκτροκινητήρα, δύο πόλοι με το ίδιο όνομα τοποθετούνται συνεχώς ο ένας απέναντι από τον άλλο χρησιμοποιώντας (συνήθως) μόνιμους μαγνήτες, ή αλλιώς ηλεκτρομαγνήτες. Επειδή οι ομώνυμοι πόλοι απωθούνται μεταξύ τους, δημιουργείται μια κίνηση.
Ηλεκτροκινητήρας συνεχούς ρεύματος με βούρτσες άνθρακα:
Σχεδόν όλοι οι ηλεκτροκινητήρες στην τεχνολογία αυτοκινήτων έχουν σχεδιαστεί ως κινητήρες συνεχούς ρεύματος με μόνιμους μαγνήτες και βούρτσες άνθρακα. Σε αυτόν τον τύπο ηλεκτροκινητήρων βρίσκουμε τους ακόλουθους μαγνήτες:
- Μόνιμοι μαγνήτες (ένας βόρειος και ένας νότιος πόλος): υπάρχει ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο μεταξύ τους.
- Πηνία: δημιουργείται ηλεκτρομαγνητικό πεδίο σε αυτό. Το περιστρεφόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο δημιουργείται στα πηνία.
Οι μόνιμοι μαγνήτες βρίσκονται αριστερά και δεξιά του ρότορα και αποτελούνται από έναν βόρειο και έναν νότιο πόλο. Μεταξύ αυτού του βόρειου και νότιου πόλου υπάρχει ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο που δεν αλλάζει όταν ο ηλεκτροκινητήρας βρίσκεται σε λειτουργία ή είναι ακίνητος.
Ένα περιστρεφόμενο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο δημιουργείται στα πηνία μόλις τα διαρρέει ρεύμα. Το ρεύμα τροφοδοτείται και αφαιρείται από τις βούρτσες άνθρακα μέσω του μεταγωγέα.
Η αντιστροφή της τρέχουσας κατεύθυνσης γίνεται μέσω εναλλαγής: δύο βούρτσες άνθρακα σύρονται πάνω από τον διακόπτη, ο οποίος αποτελείται από μια πλευρά συν και πλην. Η βούρτσα άνθρακα στη θετική πλευρά μεταφέρει το ρεύμα στον αγωγό (πράσινα βέλη στο σχήμα). Το ρεύμα φεύγει από τον αγωγό μέσω της βούρτσας άνθρακα στην αρνητική πλευρά. Το ρεύμα που διαρρέει τον αγωγό δημιουργεί ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο.
Δημιουργείται μια δύναμη μεταξύ του προκύπτοντος μαγνητισμού στον οπλισμό (ο αγωγός) και του πεδίου (οι μόνιμοι μαγνήτες) (κόκκινα βέλη στην εικόνα). Αυτή η δύναμη αναγκάζει τον οπλισμό και τον μεταγωγέα να περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους. Στη συνέχεια, οι βούρτσες άνθρακα χτυπούν το άλλο μέρος του μεταγωγέα, αντιστρέφοντας την κατεύθυνση του ρεύματος στον οπλισμό. Το μαγνητικό πεδίο και η δύναμη δημιουργούνται προς την ίδια κατεύθυνση, έτσι ώστε ο οπλισμός να περιστρέφεται ξανά γύρω από τον άξονά του.
Μπορούμε να αλλάξουμε τη φορά περιστροφής του ηλεκτροκινητήρα (διαβάστε: ο οπλισμός) αντιστρέφοντας το συν και το πλην των βουρτσών άνθρακα.
Η ανταλλαγή του συν και του πλην μπορεί να επιτευχθεί μέσω μιας γέφυρας H.
- Η ECU (1) ελέγχει ταυτόχρονα δύο από τα τέσσερα τρανζίστορ ή FET (4).
- Τα FET (2) δίνουν στον ηλεκτροκινητήρα (3) ένα συν και γείωση. Ανάλογα με το ποια δύο FET είναι ενεργοποιημένα, η επάνω βούρτσα άνθρακα είναι θετική και η κάτω είναι αλεσμένη ή αντίστροφα.
- Το ποτενσιόμετρο δίπλα στον ηλεκτροκινητήρα καταγράφει τη θέση και την κατεύθυνση περιστροφής. Δεν είναι όλοι οι ηλεκτροκινητήρες εξοπλισμένοι με ποτενσιόμετρο.
Δείτε τη σελίδα H-γέφυρα για τους πιθανούς σχεδιασμούς και μεθόδους μεταγωγής της γέφυρας Η.
Ηλεκτρικός κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς βούρτσες άνθρακα:
Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες (DC) είναι ένας σύγχρονος κινητήρας. Το ηλεκτρικό χειριστήριο έχει αντικαταστήσει τις βούρτσες άνθρακα. Αυτός ο τύπος ηλεκτροκινητήρα μοιάζει πολύ με τον σύγχρονο κινητήρα AC με μόνιμους μαγνήτες, όπως χρησιμοποιείται στο σύστημα μετάδοσης κίνησης των ηλεκτρικών οχημάτων. Η κύρια διαφορά μεταξύ των δύο κινητήρων είναι ο έλεγχος: ο κινητήρας AC ελέγχεται με διαμορφωμένη ημιτονοειδή εναλλασσόμενη τάση και ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος με τάση τετραγωνικού κύματος.
Ο στάτορας περιέχει συχνά τρία ή έξι πηνία (U, V και W) και ο ρότορας είναι ένας μόνιμος μαγνήτης. Η παρακάτω εικόνα δείχνει τη σχηματική δομή του κινητήρα συνεχούς ρεύματος με την εξέλιξη της τάσης μέσω των τριών πηνίων. Στην πραγματικότητα, αρκετοί αισθητήρες Hall είναι εγκατεστημένοι μεταξύ των πόλων για τον προσδιορισμό της θέσης του ρότορα.
Η μονάδα ελέγχου καθορίζει ποια πηνία πρέπει να ελέγχει με βάση τη θέση του ρότορα.
Στην παρακάτω εικόνα το πηνίο U+ είναι ενεργοποιημένο. Ο τρόπος με τον οποίο τυλίγεται το πηνίο γύρω από τον πόλο καθορίζει αν θα είναι βόρειος ή νότιος πόλος. Σε αυτό το παράδειγμα, το U+ είναι ο βόρειος πόλος και το U- είναι ο νότιος πόλος.
Ο ρότορας έχει σχεδιαστεί ως μόνιμος μαγνήτης. Όπως περιγράφεται στις προηγούμενες παραγράφους, ο ρότορας τοποθετείται ή περιστρέφεται ως αποτέλεσμα ενός μεταβαλλόμενου μαγνητικού πεδίου μέσω των πηνίων.
Για να περιστρέψετε τον ρότορα αριστερόστροφα από τη θέση που φαίνεται στο προηγούμενο σχήμα, τα πηνία V ενεργοποιούνται.
Το V+ γίνεται βόρειος πόλος, V- ο νότιος πόλος. Ο ρότορας μόνιμου μαγνήτη περιστρέφεται.
ο βόρειος και ο νότιος πόλος έλκονται μεταξύ τους, όπως και ο νότιος και ο βόρειος πόλος στην άλλη πλευρά του μαγνήτη.
Τώρα τα πηνία W ενεργοποιούνται για να περιστρέψουν τον ρότορα άλλες 60 μοίρες.
Το πηνίο W+ γίνεται βόρειος πόλος και W- ο νότιος πόλος. Ο ρότορας γυρίζει και παίρνει τη νέα του θέση.
Ο ρότορας στην επόμενη εικόνα έχει περιστραφεί 180 μοίρες από την πρώτη κατάσταση. Στην πρώτη εικόνα ο νότιος πόλος έδειχνε προς τα πάνω. τώρα αυτός είναι ο Βόρειος Πόλος.
Η πολικότητα του πηνίου U+ και του πηνίου U- αντιστρέφεται, με αποτέλεσμα το ρεύμα να ρέει μέσω των πηνίων αντίστροφα. Αυτό κάνει το U+ νότιο πόλο και το U- βόρειο πόλο.
Ο ρότορας με μόνιμο μαγνήτη περιστρέφεται περαιτέρω από την αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο.
Για να περιστρέψετε ξανά τον ρότορα κατά 60 μοίρες, το V- γίνεται βόρειος πόλος και το V+ νότιος πόλος. Ο ρότορας παίρνει τη νέα θέση.
Για άλλη μια φορά ο ρότορας στρέφεται κατά 60 μοίρες ως αποτέλεσμα μιας αλλαγής στο μαγνητικό πεδίο στα πηνία:
Το πηνίο W είναι ο βόρειος πόλος και το W+ είναι ο νότιος πόλος.
Στις έξι περιπτώσεις που περιγράφονται παραπάνω, δύο πηνία ενεργοποιούνται συνεχώς ταυτόχρονα. Επίσης βρίσκουμε συχνά κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες με τρία πηνία αντί για έξι. Με τρία πηνία, τα πηνία U, V και W ενεργοποιούνται επίσης το ένα μετά το άλλο, αλλά δεν υπάρχει αλλαγή στην πολικότητα.
Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες είναι ένας ισχυρός κινητήρας κατάλληλος για εφαρμογές όπου απαιτείται υψηλή ροπή τόσο για εκκίνηση όσο και για μεσαία ταχύτητα και για υψηλή ταχύτητα. Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες και ο βηματικός κινητήρας συχνά συγχέονται. Αυτό δεν προκαλεί έκπληξη, επειδή η λειτουργία και ο έλεγχος των κινητήρων έχουν πολλές ομοιότητες: και οι δύο κινητήρες κινούνται δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο μεταξύ των πηνίων και του ρότορα με μόνιμους μαγνήτες. Ωστόσο, εκτός από την ορολογία, και οι δύο κινητήρες έχουν σημαντικές διαφορές, κυρίως στην εφαρμογή και συνεπώς στην επιλογή των υλικών.
Ο βηματικός κινητήρας είναι βασικά ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες, αλλά εφαρμόζεται σε διαφορετικό πεδίο. Ενώ ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος χρησιμοποιείται κυρίως για μακροχρόνια λειτουργία σε υψηλές ταχύτητες, βλέπουμε τον βηματικό κινητήρα σε εφαρμογές όπου η ρύθμιση σε μια ακριβή θέση είναι η πιο σημαντική.
Ο κινητήρας συνεχούς ρεύματος που εμφανίζεται ελέγχεται κάθε περιστροφή 60° του ρότορα. Αυτό θα μπορούσε ενδεχομένως να μειωθεί στις 30° εάν ενεργοποιήσουμε τέσσερα πηνία ταυτόχρονα μεταξύ κάθε χειριστηρίου, λαμβάνοντας έτσι μια ενδιάμεση θέση. Ωστόσο, ένας βηματικός κινητήρας είναι ικανός να ρυθμίζει αυξήσεις από 1,8° έως 0,9°. Αυτό δείχνει περαιτέρω ότι ο βηματικός κινητήρας είναι κατάλληλος για πολύ ακριβείς θέσεις.
Οι διάφορες εκδόσεις, οι μέθοδοι ελέγχου από την ECU και οι εφαρμογές βρίσκονται στη σελίδα βηματικός κινητήρας.
