DC 전기 모터: 작동 방식, 유형 및 응용 분야

정말 DC 전동기 이다

직류(DC) 전기 모터는 DC 전기 에너지를 회전 기계 에너지로 변환하는 기계입니다. 이는 자기장에 배치된 전류 운반 도체가 힘을 받는 원리에 따라 작동합니다. 도체, 자석 및 스위칭 메커니즘을 올바르게 배열하면 이 힘이 한 회전 방향으로 지속적으로 유지되어 출력 샤프트에서 유용한 토크와 속도를 생성할 수 있습니다.

DC 모터는 실용적인 산업용으로 개발된 최초의 전기 모터로, 1830년대 William Sturgeon과 Thomas Davenport를 포함한 발명가에 의해 개척되었으며 AC 모터 기술이 성숙되기 전인 19세기와 20세기 초에 지배적인 모터 유형이 되었습니다. 오늘, DC 모터는 자동차 시스템, 휴대용 전동 공구, 배터리 작동 장치, 전기 자동차 및 정밀 모션 제어 전반에 걸쳐 여전히 필수적입니다. — DC 전원의 제어 가능한 속도와 토크가 주요 요구 사항인 애플리케이션.

DC 모터 작동 방식: 브러시 DC 모터 설명

브러시형인 클래식 DC 모터는 작동 원리를 가장 명확하게 보여줍니다. 주요 구성 요소는 전기자(회전자), 계자 시스템(고정자), 정류자 및 브러시입니다.

는 뼈대 구리 도체가 감겨진 적층 철심으로 구성된 회전 구성 요소입니다. 고정자가 제공하는 자기장 내에서 DC 전류가 이러한 도체를 통해 흐를 때 각 도체는 로렌츠 힘을 경험합니다. 도체는 모든 힘이 동일한 회전 방향으로 접선 방향으로 작용하여 전기자를 회전시키는 순 토크를 생성하도록 배열됩니다.

는 fundamental challenge is that as the armature rotates, the conductors move through the magnetic field and their position relative to the poles changes. Without correction, the force direction would reverse after 180° of rotation, stopping and reversing the motor. The 정류자 이 문제를 해결합니다. 이는 전기자 샤프트에 장착된 분할된 구리 링이며, 각 세그먼트는 서로 다른 전기자 권선에 연결됩니다. 뼈대가 회전함에 따라 정류자 세그먼트는 고정 탄소 아래를 통과합니다. 브러쉬 외부 회로와 전기적 접촉을 유지하는 장치입니다. 정류자 구조는 최적의 토크 생성 위치에 있는 도체를 통해 전류가 항상 올바른 방향으로 흐르도록 보장합니다. 정확한 순간에 각 권선의 전류를 효과적으로 역전시킵니다. 지속적인 단방향 회전을 유지합니다.

DC 모터의 종류와 특성

시리즈 DC 모터

직렬 모터에서는 계자 권선과 전기자 권선이 직렬로 연결됩니다. 즉, 동일한 전류가 두 권선을 통해 흐릅니다. 이는 저속에서 높은 전류가 자기장을 통해 흐르고 강한 자기장이 생성되어 전기자 도체에 큰 힘이 가해지기 때문에 매우 높은 시동 토크를 생성합니다. 그러나 부하가 감소함에 따라 속도는 급격히 증가하며, 부하 없이 작동하는 직렬 DC 모터는 위험할 정도로 높은 속도에 도달할 수 있습니다. ("도망"이라는 조건). 직렬 모터는 전기 견인(기차, 트램), 크레인, 호이스트, 연소 엔진의 스타터 모터 등 높은 시동 토크가 요구되는 응용 분야에 사용됩니다.

션트 DC 모터

션트 모터에서 계자 권선은 공급 전압에 걸쳐 전기자와 병렬로(션트) 연결됩니다. 계자 전압이 일정하기 때문에 계자 자속은 부하 전류에 관계없이 기본적으로 일정합니다. 이는 션트 모터의 정의 특성을 제공합니다. 넓은 부하 범위에서 상대적으로 일정한 속도 . 속도 조절(무부하에서 최대 부하까지의 속도 변화율)은 일반적으로 잘 설계된 션트 모터에서 5~15%입니다. 션트 모터는 다양한 부하에서 일정한 속도가 요구되는 공작 기계, 선반, 밀링 기계 및 팬에 적합합니다.

복합 DC 모터

복합 모터는 직렬 및 션트 계자 권선을 모두 결합하여 직렬 구성의 높은 시동 토크와 션트의 속도 안정성을 혼합합니다. 누적 합성(현장 지원)은 합리적인 속도 조절로 높은 시동 토크를 생성합니다. 차등 합성(반대 필드)은 매우 균일한 속도 특성을 제공하지만 불안정 위험으로 인해 거의 사용되지 않습니다. 복합 모터는 좋은 시동 토크와 안정적인 주행 속도가 모두 필요한 프레스, 펀치, 엘리베이터 및 기타 부하에 사용됩니다.

영구자석 DC 모터(PMDC)

PMDC 모터는 권선 필드를 영구 자석으로 대체하여 필드 권선 구리 손실을 제거하고 구성을 단순화합니다. 그들은 제안한다 선형 속도-토크 특성 — 토크가 증가함에 따라 속도는 비례적으로 감소하므로 예측 가능성이 높고 제어가 쉽습니다. 영구 자석 모터는 자동차 보조 드라이브(창 리프트, 와이퍼, 시트 조절기), 전동 공구, 프린터 및 소형 가전제품과 같은 중소 전력 애플리케이션에서 지배적인 유형입니다. 주요 한계는 영구 자석이 고온이나 심각한 과부하 전류에서 자기를 잃을 수 있다는 것입니다.

브러시리스 DC 모터(BLDC)

는 brushless DC motor eliminates the mechanical commutator and brushes entirely. Permanent magnets are on the rotor; the stator carries the windings. An electronic controller (ESC or inverter) switches current through the stator windings in a timed sequence, producing a rotating magnetic field that the permanent magnet rotor follows. 브러시가 없으면 정류 인터페이스에서 기계적 마모가 발생하지 않습니다. BLDC 모터는 극적으로 긴 서비스 수명, 더 높은 효율(일반적으로 85~95%), 더 낮은 전기 소음 및 브러시형 모터보다 훨씬 더 빠른 속도로 작동할 수 있는 기능을 제공합니다. BLDC 모터는 전기 자동차, 드론, HVAC 장비, 산업용 서보 드라이브 및 무선 전동 공구를 지배합니다.

브러시형 DC 모터와 브러시리스 DC 모터: 주요 차이점

DC 모터의 속도 제어

DC 모터의 가장 중요한 특징 중 하나는 속도를 얼마나 직접적으로 제어할 수 있는지입니다. 이는 최신 AC 인버터 기술이 존재하기 오래 전에 가변 속도 산업용 드라이브에 선호되는 특성입니다. DC 모터 속도는 역기전력 방정식에 의해 결정됩니다.

속도 ∝ (공급 전압 - 전기자 저항 양단의 전압 강하) ¼ 자속

이 방정식은 두 가지 실제 속도 제어 방법을 보여줍니다. 전기자 전압 제어 — 전기자에 적용되는 전압 감소 — 전체 필드 자속을 유지하면서 비례적으로 속도를 낮추고 감소된 속도에서 최대 토크 성능을 유지합니다. 이는 기본(정격) 속도보다 낮은 속도에 대한 표준 방법입니다. 필드 약화 — 계자 전류를 감소시켜 자속을 감소 — 기본 속도 이상으로 속도를 증가시키지만 자기장이 약하기 때문에 토크 용량은 이에 비례하여 감소합니다. 이 두 가지 방법을 함께 사용하면 DC 모터에 제어 가능한 넓은 속도 범위가 제공됩니다. 10:1 이상 산업용 드라이브 애플리케이션에서는 가변 주파수 드라이브가 없는 제어되지 않는 AC 유도 모터의 경우 2:1 이하인 것과 비교됩니다.

현대에서는 속도 제어가 전자적으로 구현됩니다. PWM(펄스 폭 변조) 컨트롤러는 고주파수에서 공급 장치를 빠르게 켜고 끄는 방식으로 전기자에 대한 유효 전압을 변경합니다. 온 타임과 오프 타임의 비율(듀티 사이클)에 따라 평균 전압과 속도가 결정됩니다. PWM 제어는 스위칭 트랜지스터가 저항성 전압 강하 방법에 비해 최소한의 에너지를 소비하기 때문에 매우 효율적이며 모터 샤프트의 회전 속도계 또는 인코더의 간단한 피드백을 통해 정밀한 속도 조절이 가능합니다.

DC 전기 모터가 사용되는 곳

DC 모터는 밀리와트 규모의 정밀 기기부터 메가와트 규모의 산업용 드라이브에 이르기까지 매우 광범위한 응용 분야에 사용됩니다.

• 자동차: 현대 승용차에는 다음이 포함됩니다. 소형 DC 모터 30개 및 80개 운전석 창문, 거울, 좌석, 와이퍼, 냉각 팬, 연료 펌프, ABS 액추에이터 및 HVAC 송풍기. 고토크 시리즈 DC 모터인 스타터 모터는 각 시동 사이클에서 엔진을 작동시킵니다.
• 전기 자동차: BLDC 및 영구 자석 동기 모터(BLDC의 변형)는 배터리 전기 자동차의 트랙션 드라이브에 전력을 공급합니다. Tesla의 Model 3 후방 모터는 작고 가벼운 패키지로 250kW 이상을 생산하는 영구 자석 동기 모터입니다.
• 전동 공구: 무선 드릴, 드라이버, 원형 톱 및 앵글 그라인더는 리튬 이온 배터리 팩으로 구동되는 브러시형 DC(경제형 제품군) 또는 BLDC(전문가용 제품군) 모터를 사용합니다.
• 산업 자동화 및 로봇공학: CNC 공작 기계, 로봇 팔 및 자동 조립 장비의 서보 드라이브는 정밀하고 반복 가능한 모션을 위해 폐쇄 루프 위치 및 속도 제어 기능을 갖춘 BLDC 또는 브러시리스 영구 자석 모터를 사용합니다.
• 가전제품: 하드 디스크 드라이브 스핀들 모터, 컴퓨터와 프로젝터의 냉각 팬, 스마트폰의 진동 모터는 모두 소형 DC 모터(주로 BLDC)로 밀봉된 장치 내에서 지속적으로 또는 간헐적으로 작동합니다.
• 철도 및 대중교통: DC 시리즈 견인 모터는 100년 넘게 지하 철도 네트워크에 전력을 공급했습니다. 전 세계적으로 많은 지하철 시스템은 여전히 ​​DC 견인 인프라를 운영하고 있지만 현대 철도 차량은 온보드 인버터에서 공급되는 AC 모터를 점점 더 많이 사용하고 있습니다.