Aiheet:
- esittely
- Sähkömoottorien toimintaperiaate
- DC-sähkömoottori hiiliharjoilla
- DC-sähkömoottori ilman hiiliharjoja
Esipuhe:
Löydämme sähkömoottoreita yhä useammasta paikasta autossa. Sähkömoottorissa sähkövirta muunnetaan liikkeeksi ja lämmöksi. Löydämme sähkömoottorin peilistä ja istuimen säädöstä, mutta myös tuulilasinpyyhkimen moottorina tuulilasinpyyhkimestä tai käynnistysmoottoriksi. Nämä sähkömoottorit toimivat 12-14 voltin jännitteellä. Tällä sivulla rajoitumme sisä- ja ulkotilojen sähkömoottoreihin.
Sähkömoottorit tarjoavat myös (osittain) sähköisen käyttövoiman hybridi- ja täyssähköajoneuvoissa. Tämän tyyppistä sähkömoottoria käsitellään sivulla: HV sähkömoottorit.
Voimme jakaa DC-sähkömoottorit:
- Sähkömoottori hiiliharjoilla (sähkömagneettinen kenttä ja ankkuri)
- Sarja sähkömoottorit;
- Rinnakkaiset sähkömoottorit;
- Harjattomat sähkömoottorit.
Sähkömoottorien toimintaperiaate:
Sähkömoottorissa sähkövirta muunnetaan pyöriväksi liikkeeksi. Liikkeen aiheuttaa kaksi magneettinapaa, jotka vetävät puoleensa tai hylkivät toisiaan:
- Pohjoisnapa ja etelänapa vetävät toisiaan puoleensa;
- Kaksi pohjoisnavaa hylkivät toisiaan;
- Kaksi etelänapa hylkii toisiaan.
Magneetilla on pohjois- ja etelänapa vastakkaisilla varauksilla. Kun tuo magneetti murtuu kahtia, sinulla ei yhtäkkiä ole kahta erillistä napaa, vaan kaksi uutta magneettia, molemmilla pohjois- ja etelänapa.
Useita magneettinapoja (pohjoinen ja etelä) on kiinnitetty koteloon. Pohjois- ja etelänavan välillä on magneettikenttä. Lähtöakseli (ankkuri) pyörii magneettikentän muutosten vuoksi.
Sähkömoottorissa kaksi samannimistä napaa sijoitetaan jatkuvasti vastakkain käyttämällä (yleensä) kestomagneetteja tai muuten sähkömagneetteja. Koska samannimiset navat hylkivät toisiaan, syntyy liike.
DC-sähkömoottori hiiliharjoilla:
Lähes kaikki autotekniikan sähkömoottorit on suunniteltu DC-moottoreiksi kestomagneeteilla ja hiiliharjoilla. Tämän tyyppisistä sähkömoottoreista löytyy seuraavat magneetit:
- Kestomagneetit (yksi pohjoisnapa ja yksi etelänapa): niiden välillä on kiinteä magneettikenttä;
- Kelat: tässä syntyy sähkömagneettinen kenttä. Pyörivä sähkömagneettinen kenttä syntyy keloissa.
Kestomagneetit sijaitsevat roottorin vasemmalla ja oikealla puolella ja koostuvat yhdestä pohjoisnapasta ja yhdestä etelänapasta. Tämän pohjois- ja etelänavan välissä on kiinteä magneettikenttä, joka ei muutu, kun sähkömoottori on toiminnassa tai seisoo paikallaan.
Pyörivä sähkömagneettinen kenttä syntyy keloihin heti, kun virta kulkee niiden läpi. Virta syötetään ja poistetaan hiiliharjoista kommutaattorin kautta.
Virran suunnan kääntäminen tapahtuu kommutoinnin avulla: kaksi hiiliharjaa vetää yli kommutaattorin, joka koostuu plus- ja miinuspuolelta. Plus-puolella oleva hiiliharja kuljettaa virran johtimeen (vihreät nuolet kuvassa). Virta lähtee johtimesta hiiliharjan kautta negatiivisella puolella. Johtimen läpi kulkeva virta muodostaa sähkömagneettisen kentän.
Syntyy voima ankkurissa (johtimessa) olevan magnetismin ja kentän (kestomagneetit) välille (punaiset nuolet kuvassa). Tämä voima saa ankkurin ja kommutaattorin pyörimään akselinsa ympäri. Hiiliharjat osuivat sitten kommutaattorin toiseen osaan kääntäen virran suunnan ankkurissa. Magneettikenttä ja voima rakentuvat samaan suuntaan, jolloin ankkuri pyörii jälleen akselinsa ympäri.
Voimme muuttaa sähkömoottorin (lue: ankkurin) pyörimissuuntaa kääntämällä hiiliharjojen plus- ja miinussuuntaa.
Plussan ja miinuksen vaihtaminen onnistuu H-sillan avulla.
- ECU (1) ohjaa samanaikaisesti kahta neljästä transistorista tai FETistä (4);
- FETit (2) antavat sähkömoottorille (3) plussan ja maadoituksen. Riippuen siitä, mitkä kaksi FETiä on päällä, ylempi hiiliharja on positiivinen ja pohja on hiottu tai päinvastoin;
- Sähkömoottorin vieressä oleva potentiometri rekisteröi asennon ja pyörimissuunnan. Kaikissa sähkömoottoreissa ei ole potentiometriä.
Katso sivu H-silta H-sillan mahdollisista rakenteista ja kytkentätavoista.
DC-sähkömoottori ilman hiiliharjoja:
Harjaton tasavirtamoottori (DC) on synkroninen moottori. Sähköinen ohjaus on korvannut hiiliharjat. Tämän tyyppinen sähkömoottori on hyvin samanlainen kuin kestomagneeteilla varustettu synkroninen AC-moottori, jota käytetään sähköajoneuvojen voimansiirto. Suurin ero näiden kahden moottorin välillä on ohjaus: AC-moottoria ohjataan moduloidulla sinimuotoisella vaihtojännitteellä ja DC-moottoria neliöaaltojännitteellä.
Staattorissa on usein kolme tai kuusi käämiä (U, V ja W) ja roottori on kestomagneetti. Alla oleva kuva näyttää tasavirtamoottorin kaaviollisen rakenteen jännitteen etenemisellä kolmen kelan läpi. Todellisuudessa napojen väliin on asennettu useita Hall-antureita roottorin asennon määrittämiseksi.
Ohjausyksikkö määrittää roottorin asennon perusteella, mitä keloja sen tulee ohjata.
Seuraavassa kuvassa U+-kela on jännitteellinen. Tapa, jolla kela on kierretty navan ympärille, määrittää, onko se pohjois- vai etelänapa. Tässä esimerkissä U+ on pohjoisnapa ja U- on etelänapa.
Roottori on suunniteltu kestomagneetiksi. Kuten edellisissä kappaleissa on kuvattu, roottori sijoittuu tai pyörii kelojen läpi kulkevan muuttuvan magneettikentän seurauksena.
Roottorin pyörittämiseksi vastapäivään edellisessä kuvassa esitetystä asennosta V-käämit saavat jännitteen.
V+:sta tulee pohjoisnava, V- etelänapa. Kestomagneettiroottori pyörii;
pohjois- ja etelänavat vetävät toisiaan puoleensa, samoin kuin etelä- ja pohjoisnapa magneetin toisella puolella.
Nyt W-kelat ovat jännitteisiä pyörittämään roottoria vielä 60 astetta.
W+-kelasta tulee pohjoisnapa ja W- etelänapa. Roottori kääntyy ja ottaa uuden asennon.
Seuraavan kuvan roottori on kiertynyt 180 astetta ensimmäisestä tilanteesta; ensimmäisessä kuvassa etelänapa osoitti ylöspäin; nyt se on pohjoisnapa.
U+- ja U-kelan napaisuus on käänteinen, jolloin virta kulkee käämien läpi päinvastoin. Tämä tekee U+:sta etelänavan ja U- pohjoisnavan.
Kestomagneetilla varustettua roottoria pyöritetään edelleen magneettikentän muutoksen vaikutuksesta.
Roottorin kääntämiseksi 60 astetta taas V- tehdään pohjoisnapaksi ja V+ etelänapaksi. Roottori ottaa uuden asennon.
Jälleen kerran roottori kääntyy 60 astetta kelojen magneettikentän muutoksen seurauksena:
W-kela on pohjoisnapa ja W+ on etelänapa.
Yllä kuvatuissa kuudessa tilanteessa kaksi kelaa on jatkuvasti jännitteessä samaan aikaan. Löydämme usein myös harjattomia tasavirtamoottoreita, joissa on kolme kelaa kuuden sijaan. Kolmella kelalla myös U-, V- ja W-kelat jännitetään peräkkäin, mutta napaisuus ei muutu.
Harjaton DC-moottori on tehokas moottori, joka soveltuu sovelluksiin, joissa vaaditaan suurta vääntömomenttia sekä käynnistykselle, keskinopeudelle että suurelle nopeudelle. Harjaton DC-moottori ja askelmoottori sekoitetaan usein. Tämä ei ole yllättävää, sillä moottoreiden toiminnassa ja ohjauksessa on monia yhtäläisyyksiä: molempia moottoreita ohjataan luomalla kestomagneeteilla magneettikenttä kelojen ja roottorin välille. Silti terminologian lisäksi molemmissa moottoreissa on merkittäviä eroja, lähinnä käyttökohteessa ja siten materiaalivalinnassa.
Askelmoottori on periaatteessa harjaton tasavirtamoottori, mutta sitä käytetään eri alalla. Vaikka DC-moottoria käytetään pääasiassa pitkäaikaiseen ajoon suurilla nopeuksilla, näemme askelmoottorin sovelluksissa, joissa säätö tarkkaan asentoon on tärkeintä.
Esitettyä tasavirtamoottoria ohjataan jokaisella roottorin 60°:n kierroksella. Tämä voitaisiin mahdollisesti vähentää 30°:een, jos viritämme neljä käämiä samanaikaisesti kunkin ohjauksen välillä, jolloin saadaan väliasento. Kuitenkin askelmoottori pystyy säätämään askeleita 1,8° - 0,9°. Tämä osoittaa edelleen, että askelmoottori soveltuu erittäin tarkkoihin asentoihin.
Eri versiot, ECU:n ohjaustavat ja sovellukset löytyvät sivulta askelmoottori.
Aiheeseen liittyvät sivut:
