Πόσες φορές έχετε ανοίξει ένα ηλεκτρικό εργαλείο, μόνο και μόνο για να μπερδευτείτε από την πολύπλοκη εσωτερική λειτουργία του; Στην καρδιά αυτών των συσκευών βρίσκεται ο κινητήρας - το εξάρτημα που μετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική κίνηση. Αυτό το άρθρο αναλύει τη λειτουργία των κινητήρων συνεχούς ρεύματος (ονομάζονται επίσης κινητήρες γενικής χρήσης), τους συγκρίνει με άλλους τύπους κινητήρων και παρέχει πληροφορίες για τις εφαρμογές τους βάσει δεδομένων.

Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος, ιδιαίτερα οι κινητήρες γενικής χρήσης, χρησιμεύουν ως μια εξαιρετική εισαγωγή στην τεχνολογία κινητήρων λόγω της σχετικά απλής δομής τους. Βρίσκονται συνήθως σε ηλεκτρικά εργαλεία χειρός όπως τρυπάνια, δρομολογητές, σέγες και τριβεία. Για να κατανοήσουμε τη λειτουργία τους, θα εξετάσουμε τα βασικά εξαρτήματα ανατέμνοντας ένα ηλεκτρικό τρυπάνι.

Ο παραδοσιακός ρότορας κινητήρα συνεχούς ρεύματος αποτελείται από έναν μεταλλικό πυρήνα σιδήρου τυλιγμένο με πηνία χαλκού. Αυτά τα πηνία συνδέονται με σημεία επαφής που ονομάζονται μεταγωγέας στο ένα άκρο. Όταν εφαρμόζεται ρεύμα σε απέναντι επαφές του μεταγωγέα, ο ρότορας γίνεται ηλεκτρομαγνήτης με πόλους ευθυγραμμισμένους στη θέση του ρεύματος.

Αυτή η αρχή μπορεί να αποδειχθεί χρησιμοποιώντας λεπτά καλώδια συνδεδεμένα με τον μεταγωγέα και μια πυξίδα για την ανίχνευση του παραγόμενου μαγνητικού πεδίου. Η αλλαγή του τρέχοντος σημείου εφαρμογής περιστρέφει το μαγνητικό πεδίο ανάλογα, αποκαλύπτοντας τον θεμελιώδη μηχανισμό πίσω από την περιστροφή του κινητήρα DC: η μεταγωγή ρεύματος οδηγεί την περιστροφή του μαγνητικού πεδίου.

Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος λειτουργούν μέσω ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης. Ο ρότορας (ως ηλεκτρομαγνήτης) τυπικά διατηρεί περίπου 90 μοίρες γωνιακής διαφοράς από τους μαγνητικούς πόλους του στάτορα. Οι αντίθετοι πόλοι έλκονται, προκαλώντας την περιστροφή του ρότορα προς την ευθυγράμμιση. Η βασική καινοτομία είναι ότι η ηλεκτρομαγνητική φύση του ρότορα επιτρέπει τη συνεχή περιστροφή καθώς το ρεύμα μετατοπίζεται στις επαφές του μεταγωγέα.

Ενώ οι βασικές επιδείξεις επικυρώνουν τις αρχές, είναι αναποτελεσματικές. Η μαγνητική ροή χρειάζεται ένα πλήρες κύκλωμα - η διαπερατότητα του σιδήρου είναι περίπου 1.000 φορές μεγαλύτερη από τον αέρα εξηγεί γιατί οι ρότορες κινητήρα χρησιμοποιούν πυρήνες σιδήρου. Οι πρακτικές εφαρμογές χρησιμοποιούν κομμάτια σιδήρου σε σχήμα C με μαγνήτες σπάνιων γαιών για τη βελτιστοποίηση των μονοπατιών μαγνητικού πεδίου.

Οι κινητήρες λειτουργίας λειτουργούν ταυτόχρονα ως γεννήτριες. Η χειροκίνητη περιστροφή μπορεί να παράγει έως και 0,6 βολτ σε επιδείξεις - αυτή η πίσω ηλεκτροκινητική δύναμη (EMF) δημιουργεί αντίθετη τάση που περιορίζει τη μέγιστη ταχύτητα σε δεδομένες τάσεις. Οι πρακτικοί κινητήρες γενικής χρήσης λειτουργούν συνήθως με 100-200 στροφές ανά δευτερόλεπτο.

Στους πραγματικούς κινητήρες, οι στάτορες ακολουθούν στενά την καμπυλότητα του ρότορα, διατηρώντας τα διάκενα αέρα κάτω από 1 χιλιοστό. Αυτός ο σχεδιασμός ελαχιστοποιεί τη μαγνητική αντίσταση, βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοση.

Το ρεύμα φτάνει στον μεταγωγέα μέσω βουρτσών άνθρακα - αγώγιμα αλλά ανθεκτικά εξαρτήματα που πιέζονται πάνω στον μεταγωγέα με ελατήρια. Αν και τελικά φθείρονται (περιορίζοντας τη διάρκεια ζωής του κινητήρα), είναι ιδανικά για εφαρμογές όπως ηλεκτρικά εργαλεία όπου η περιστασιακή αστοχία είναι αποδεκτή.

Πέρα από τους κινητήρες συνεχούς ρεύματος, αρκετοί άλλοι τύποι κινητήρων εξυπηρετούν διαφορετικούς σκοπούς σε όλες τις βιομηχανίες.

Συνηθισμένοι σε ψυγεία, κλιβάνους, αντλίες και ανεμιστήρες εξαερισμού, οι επαγωγικοί κινητήρες προσφέρουν απλή κατασκευή και αξιόπιστη απόδοση για λειτουργία μεγάλης διάρκειας χωρίς επίβλεψη.

Χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε ασύρματα εργαλεία, αυτά αντικαθιστούν τις βούρτσες με ηλεκτρονικό διακόπτη. Ο ρότορας περιέχει μόνιμους μαγνήτες ενώ ο στάτορας φιλοξενεί ελεγχόμενες περιελίξεις. Η εξαιρετική τους απόδοση και ανθεκτικότητα τα καθιστούν κατάλληλα για προηγμένα εργαλεία μπαταρίας και ηλεκτρικά οχήματα.

Ιδανικοί για σαρωτές, παλαιότερους εκτυπωτές και δρομολογητές CNC, οι βηματικοί κινητήρες προσφέρουν θέση ελεγχόμενη από υπολογιστή χωρίς αισθητήρες ανάδρασης. Αν και είναι περιορισμένες σε ταχύτητα και ισχύ, η προσιτή τιμή και η απλότητα ελέγχου διατηρούν τη συνάφεια σε εφαρμογές ακριβείας.

Η επιλογή του σωστού κινητήρα απαιτεί την εξισορρόπηση πολλών τεχνικών και οικονομικών παραγόντων μέσω ποσοτικής ανάλυσης.

• Αποδοτικότητα:Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες συνήθως οδηγούν στη μετατροπή ενέργειας
• Ταχύτητα:Οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος γενικής χρήσης και χωρίς ψήκτρες υπερέχουν σε εφαρμογές υψηλών στροφών
• Ροπή:Οι επαγωγικοί κινητήρες παρέχουν ισχυρή ροπή εκκίνησης για βαριά φορτία

• Αρχικό κόστος:Οι κινητήρες γενικής χρήσης είναι πιο προσιτές. Οι κινητήρες χωρίς ψήκτρες και οι βηματικοί κινητήρες προσφέρουν πριμοδότηση
• Συντήρηση:Τα σχέδια χωρίς ψήκτρες μειώνουν το μακροπρόθεσμο κόστος μέσω της εξάλειψης της φθοράς της βούρτσας

Το Mean Time Between Failures (MTBF) ευνοεί τους επαγωγικούς κινητήρες για τη μηχανική τους απλότητα.

• Εργαλεία χειρός:Κινητήρες γενικής χρήσης (κόστος) έναντι ψήκτρων (απόδοση)
• Συσκευές:Οι επαγωγικοί κινητήρες κυριαρχούν για ανθεκτικότητα
• Βιομηχανικός εξοπλισμός:Επαγωγικοί κινητήρες για ισχύ. stepper για ακρίβεια

Η κατανόηση των τύπων κινητήρα και των χαρακτηριστικών τους επιτρέπει στους μηχανικούς και τους σχεδιαστές να λαμβάνουν τεκμηριωμένες αποφάσεις εξισορροπώντας τις απαιτήσεις απόδοσης, τους περιορισμούς κόστους και τις ανάγκες αξιοπιστίας. Η ποσοτική ανάλυση παρέχει αντικειμενικά κριτήρια για την επιλογή της βέλτιστης τεχνολογίας κινητήρα για κάθε μοναδική εφαρμογή.