DC 모터

DC motor
2극 로터(무기) 및 영구 자석 스테이터가 있는 브러시된 전기 모터의 작동. "N"과 "S"는 자석의 내부 축 면에 극성을 지정하며, 외부 면은 반대 극성을 가진다. + 및 - 기호는 전기자 코일에 전류를 공급하는 정류자에 DC 전류가 인가되는 위치를 나타낸다.
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펜실베이니아 철도의 DD1 등급 기관차 운행 기어는 시내에서 증기 기관차가 금지되었을 때 뉴욕 지역의 초기 전기화를 위해 건설된 제3 철도 직류 전기 기관차 모터를 반영구적으로 결합한 것이었다(여기서 제거된 기관차).

DC 모터는 직류 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 회전 전기 모터의 한 종류다. 가장 흔한 종류는 자기장에 의해 발생하는 힘에 의존한다. 거의 모든 유형의 DC 모터에는 정기적으로 모터의 일부에서 전류의 방향을 변경하기 위한 전기기계적 또는 전자적 메커니즘이 있다.

DC 모터는 기존의 직류 조명 전원 분배 시스템에서 전력을 공급받을 수 있기 때문에 널리 사용되는 모터의 첫 번째 형태였다. DC 모터의 속도는 가변 공급 전압을 사용하거나 필드 권선의 전류 강도를 변경하여 광범위한 범위에서 제어할 수 있다. 소형 직류 모터는 공구, 장난감, 가전제품에 사용된다. 유니버설 모터는 직류로 작동할 수 있지만 휴대용 전동기 및 가전제품에 사용되는 경량 브러시드 모터다. 더 큰 DC 모터는 현재 전기 자동차, 엘리베이터 및 호이스트의 추진과 강철 롤링 공장용 드라이브에 사용된다. 전력 전자 장치의 등장으로 많은 응용 분야에서 DC 모터를 AC 모터로 교체할 수 있게 되었다.

전자기 모터

전류가 흐르는 전선 코일은 코일의 중심에 맞춰 전자기장을 생성한다. 코일에 의해 생성되는 자기장의 방향과 크기는 코일을 통해 흐르는 전류의 방향과 크기에 따라 변할 수 있다.

단순한 DC 모터에는 스테이터에 고정된 자석 세트가 있고 자기장을 집중시키는 부드러운 철심 주위에 하나 이상의 절연 와이어 권선이 감겨 있는 전기자가 있다. 권선은 보통 중심부를 여러 바퀴 돌며, 대형 모터에서는 여러 개의 병렬 전류 경로가 있을 수 있다. 와이어 권선의 끝은 정류자에 연결되어 있다. 정류기는 각 전기자 코일에 차례로 통전되도록 하고 브러시를 통해 회전 코일을 외부 전원 공급 장치와 연결한다(브러시리스 DC 모터에는 DC 전류를 각 코일의 ON/OFF로 전환하는 전자 장치가 있으며 브러시는 없다).

코일로 보내는 전류의 총량, 코일의 크기, 그리고 코일을 감싸는 것은 생성된 전자기장의 강도를 결정한다.

특정 코일을 켜거나 끄는 순서는 효과적인 전자기장이 어떤 방향을 가리키는지 지시한다. 코일을 순차적으로 켜고 끄면 회전 자기장이 생성될 수 있다. 이러한 회전 자기장은 모터(스테이터)의 정지 부분에 있는 자석의 자기장(영구 또는 전자석)과 상호작용하여 전기자에 토크를 만들어 회전하게 한다. 일부 DC 모터 설계에서 스테이터 장은 전동기에 대한 제어력을 높이는 자기장을 생성하기 위해 전자석을 사용한다.

높은 전력 수준에서 DC 모터는 거의 항상 강제 공기를 사용하여 냉각된다.

스테이터와 전기자 필드의 개수와 필드의 연결 방법은 서로 다른 고유 속도 및 토크 조절 특성을 제공한다. DC 모터의 속도는 전기자에 인가되는 전압을 변경하여 제어할 수 있다. 전기자 회로 또는 전기장 회로의 가변 저항을 통해 속도 제어가 가능하다. 현대의 DC 모터는 종종 DC 전류를 효과적인 낮은 전압을 가진 ON/OFF 사이클로 "절삭"하여 전압을 조정하는 전력 전자 시스템에 의해 제어된다.

직렬 와운드 DC 모터는 저속으로 최고 토크를 발전시키기 때문에 전기 기관차, 트램 등의 견인 응용에 자주 사용된다. DC 모터는 수년 동안 전기 및 디젤 전기 기관차, 전차/트램 및 디젤 전기 드릴링 장비 모두에서 전기 견인 구동력의 주축이었다. 1870년대부터 기계를 작동시키기 위한 DC 모터와 전기 그리드 시스템의 도입으로 새로운 2차 산업혁명이 시작되었다. DC 모터는 충전식 배터리로 직접 작동할 수 있으며, 최초의 전기 자동차와 오늘날의 하이브리드 자동차, 전기 자동차의 원동력을 제공할 뿐만 아니라 다수의 무선 공구를 운전할 수 있다. 오늘날 DC 모터는 여전히 장난감이나 디스크 드라이브처럼 작은 용도에서 발견되고 있으며, 강철 롤링 공장과 종이 기계를 작동시키기 위한 큰 크기의 용도에서 발견된다. 별도로 흥분된 필드를 가진 대형 DC 모터는 일반적으로 높은 토크뿐만 아니라 사이리스터 드라이브를 사용한 부드러운 속도 제어를 위해 광산 호이스트용 윈더 드라이브와 함께 사용되었다. 이들 모터는 이제 가변 주파수 드라이브가 장착된 대형 AC 모터로 대체된다.

만약 외부 기계적 전원이 DC 모터에 적용된다면 그것은 DC 발전기, 즉 발전기의 역할을 한다. 이 기능은 하이브리드 및 전기 자동차의 배터리를 감속 및 재충전하거나, 그들이 감속할 때 가로차 또는 전동차 노선에 사용되는 전기 그리드에 전기를 다시 돌려주는 데 사용된다. 이 과정을 하이브리드 자동차와 전기 자동차에 대한 회생 제동이라고 한다. 디젤 전기 기관차에서 그들은 또한 DC 모터를 발전기로 사용하여 속도를 늦추지만 저항기 스택의 에너지를 방출한다. 새로운 디자인은 이 에너지의 일부를 회수하기 위해 큰 배터리 팩을 추가하고 있다.

브러시드

주요 기사: 브러시된 DC 전기 모터
브러시된 DC 전기 모터는 내부 기계적 감류를 사용하여 DC 전원 공급으로부터 토크를 생성한다. 고정된 영구 자석은 스테이터 장을 형성한다. 토크는 외부 자기장 내에 배치된 전류 운반 도체는 로렌츠 힘이라고 알려진 힘을 경험한다는 원리에 의해 생성된다. 모터에서 이 로렌츠 힘의 크기(녹색 화살표로 표현되는 벡터)와 따라서 출력 토크는 로터 각의 함수로서 토크 리플이라는 현상을 초래한다). 이것이 2극 모터이기 때문에 정류자는 분할 링으로 구성되어 전류가 각 반 바퀴(180도)를 돌게 된다.

브러시된 DC 전기 모터는 내부 정류, 고정 자석(영구 또는 전자석) 및 회전 전자석을 사용하여 모터에 공급되는 DC 전력에서 직접 토크를 생성한다.

브러시된 DC 모터의 장점은 낮은 초기 비용, 높은 신뢰성 및 간단한 모터 속도 제어 등이다. 단점은 높은 유지보수와 높은 강도 사용의 낮은 수명이다. 유지관리는 정기적으로 전류를 전달하는 카본 브러시와 스프링을 교체하는 것뿐만 아니라 정류자를 청소하거나 교체하는 것을 포함한다. 이러한 구성부품은 모터 외부로부터 모터 내부의 로터의 회전 와이어 권선으로 전력을 전달하는데 필요하다.

브러시는 보통 흑연이나 탄소로 만들어지는데, 때로는 전도성을 높이기 위해 분산된 구리를 첨가하기도 한다. 사용 시 부드러운 브러쉬 소재는 정류자 직경에 맞게 착용하고, 계속 착용한다. 브러시 홀더는 브러시가 짧아질 때 압력을 유지하기 위한 스프링이 있다. 1암페어 또는 2암페어 이상을 운반하는 브러시의 경우, 플라잉 리드는 브러시에 성형되어 모터 단자에 연결된다. 매우 작은 브러시는 브러시로 전류를 전달하기 위해 금속 브러시 홀더와의 슬라이딩 접점에 의존하거나 브러시 끝을 누르는 접촉 스프링에 의존할 수 있다. 장난감에 사용되는 것과 같이 매우 작고 수명이 짧은 모터의 브러시는 정류자와 접촉하는 접힌 금속 스트립으로 제작될 수 있다.

브러시리스

주요 기사: 브러시리스 DC 전기 모터 및 스위치 방식 저항 모터

일반적인 브러시리스 DC 모터는 스테이터용 모터 하우징의 로터 및 전자석 중 하나 이상의 영구 자석을 사용한다. 모터 제어기는 DC를 AC로 변환한다. 이 디자인은 모터 외부에서 회전 로터로 동력을 전달하는 복잡성을 제거하기 때문에 브러시드 모터보다 기계적으로 단순하다. 모터 제어기는 홀 효과 센서나 유사한 장치를 통해 로터의 위치를 감지할 수 있으며, 로터 코일의 전류 타이밍, 위상 등을 정밀하게 제어하여 토크를 최적화하고, 동력을 절약하고, 속도를 조절하며, 심지어 약간의 제동도 가할 수 있다. 브러시리스 모터의 장점은 수명이 길고, 유지보수가 거의 또는 전혀 없으며, 고효율이다. 단점으로는 초기 비용이 많이 들고 모터 속도 제어기가 복잡하다는 것이다. 일부 브러시리스 모터는 일반 AC 동기 모터와 마찬가지로 동기화할 외부 전원 공급 장치가 없음에도 불구하고 "동기식 모터"라고 부르기도 한다.

커밋되지 않음

다른 유형의 DC 모터는 교체가 필요하지 않다.

  • 호모폴라 모터 – 호모폴라 모터는 회전의 축을 따라 자기장을 가지며, 어느 시점에서 자기장과 평행하지 않은 전류를 가지고 있다. 호모폴라(homopolar)라는 이름은 극성 변화가 없는 것을 가리킨다. 호모폴라 모터는 반드시 1회전 코일이 있어 매우 낮은 전압으로 제한된다. 이 때문에 이러한 유형의 모터의 실용적 적용이 제한되었다.
  • 볼 베어링 모터 – 볼 베어링 모터는 내측 레이스가 공통 전도성 샤프트에 장착되고 외측 레이스가 고전류 저전압 전원 공급 장치에 연결된 2개의 볼 베어링 타입 베어링으로 구성된 특이한 전기 모터다. 대체 구조는 금속 튜브 내부의 외부 레이스에 적합한 반면, 내측 레이스는 비전도성 섹션이 있는 샤프트(예: 절연 로드의 두 소매)에 장착된다. 이 방법은 관이 플라이휠 역할을 한다는 장점이 있다. 회전 방향은 보통 그것을 작동시키는 데 필요한 초기 스핀에 의해 결정된다.

영구 자석 스타터

주요 기사: 영구 자석 전기 모터

영구 자석(PM) 모터는 스테이터 프레임에 구불구불 구불구불한 전장을 가지지 않고, 대신 PM에 의존하여 회전자장이 상호 작용하는 자기장을 제공하여 토크를 생성한다. 전기자와 직렬로 연결된 보상 권선은 부하 시 감속을 개선하기 위해 대형 모터에 사용할 수 있다. 이 필드는 고정되어 있기 때문에 스피드 컨트롤을 위해 조정할 수 없다. PM 필드(stator)는 필드 권선의 전력 소비량을 제거하기 위해 소형 모터에서 편리하다. 대부분의 대형 DC 모터는 스테이터 권선을 가진 "다이나모" 타입이다. 역사적으로 PM은 분해할 경우 높은 유량을 유지할 수 없었다. 필요한 유량의 유량을 얻기 위해 현장 권선이 더 실용적이었다. 그러나 대형 PM들은 비용이 많이 들 뿐만 아니라 위험하고 조립하기도 어렵다. 이것은 대형 기계들의 상처 난 분야를 선호한다.

전체적인 무게와 크기를 최소화하기 위해 소형 PM 모터는 네오디뮴 또는 다른 전략적 요소로 만들어진 고에너지 자석을 사용할 수 있다. 대부분은 네오디뮴-철-보론 합금이다. 높은 플럭스 밀도로 인해 고에너지 PM을 가진 전기 기계는 적어도 단일 설계의 동기식 및 유도식 전기 기계와 경쟁할 수 있다. 미니어처 모터는 최소 3개의 로터 폴(로터 위치에 관계없이 시동이 걸리지 않도록 하기 위해)이 있고, 외측 하우징은 곡선장 자석의 외부를 자력적으로 연결하는 강철 튜브라는 점을 제외하면 그림의 구조와 유사하다.

상처입은 스타터

필드 코일은 DC 기계(모터 또는 제너레이터)의 전기자와 션트, 직렬 또는 복합적으로 연결될 수 있다.
주요 기사: 범용 모터
참고 항목: 흥분(자기)

DC 전기 모터에 사용할 수 있는 스테이터와 로터 사이에는 직렬, 션트/병렬 및 복합기(다양한 직렬과 션트/병렬)의 세 가지 유형의 전기 연결이 있으며, 각각 다른 부하 토크 프로파일/서명에 적합한 고유한 속도/토크 특성을 가지고 있다.[1]

직렬 연결

직렬 DC 모터는 전기자와 필드 권선을 공통 DC 전원과 직렬로 연결한다. 모터 속도는 부하 토크와 전기자 전류의 비선형 함수로 변화한다. 전류는 스테이터와 로터 모두에서 전류 제곱(I^2) 동작을 산출하는[citation needed] 것이 일반적이다. 직렬 모터는 시동 토크가 매우 높으며 열차, 엘리베이터 또는 호이스트와 같은 높은 관성 부하를 시작하는 데 일반적으로 사용된다.[2] 이러한 속도/토크 특성은 드래그라인 굴삭기와 같은 응용 분야에 유용하며, 하중이 없을 때는 굴착 공구가 빠르게 움직이지만 무거운 짐을 운반할 때는 천천히 움직인다.

직렬 모터는 절대로 무부하 상태에서 시동해서는 안 된다. 직렬 모터에 기계적 부하가 없으면 전류가 낮고, 필드 권선에 의해 발생하는 카운터 일렉트로 동력이 약하며, 따라서 전기자가 더 빨리 회전해야 공급 전압의 균형을 맞출 수 있는 충분한 카운터 EMF를 생산할 수 있다. 모터는 과속으로 손상될 수 있다. 이를 가출 조건이라고 한다.

유니버설 모터라고 불리는 직렬 모터는 교류에 사용할 수 있다. 전기자 전압과 전기장 방향이 동시에 역전되기 때문에 토크는 계속 같은 방향으로 생성된다. 단, DC에는 없는 AC의 리액턴스 전압 강하로 인해 DC에 비해 AC 공급 시 낮은 토크로 낮은 속도로 주행한다.[3] 속도는 라인 주파수와 관련이 없기 때문에 유니버설 모터는 동기화보다 더 높은 속도를 개발할 수 있어 동일한 정격 기계 출력의 유도 모터보다 가볍다. 이것은 핸드헬드 전동공구의 귀중한 특징이다. 상용 효용 범용 모터는 보통 약 1 kW 이하의 작은 용량의 모터다. 그러나 훨씬 더 큰 범용 모터가 전기 기관차에 사용되었고, 무겁고 다양한 부하에서 교류의 문제를 피하기 위해 특수 저주파 견인력 네트워크에 의해 공급되었다.

션트 연결부

분로 DC 모터는 전기자와 필드 권선을 병렬 또는 분로 공통 DC 전원과 연결한다. 이 유형의 모터는 부하가 변하더라도 속도 조절이 양호하지만 직렬 DC 모터의 시동 토크는 없다.[4] 그것은일반적으로 기계 공구, 권선/제동 해제 기계 및 텐셔너와 같이 산업적이고 조정 가능한 속도 응용에 사용된다.

복합 연결

복합 DC 모터는 전기자와 필드 권선을 션트와 직렬 조합으로 연결하여 션트와 직렬 DC 모터 모두의 특성을 제공한다.[5] 이 모터는 높은 시동 토크와 좋은 속도 조절이 필요할 때 사용된다. 모터는 누적 또는 차등 두 가지 배열로 연결될 수 있다. 누적 복합 모터는 션트 필드를 지원하기 위해 직렬 필드를 연결하며, 이는 출발 토크는 높지만 속도 조절은 더 적게 한다. 디퍼렌셜 컴파운드 DC 모터는 속도 조절이 양호하며 일반적으로 일정한 속도로 작동한다.

참고 항목

외부 링크

참조

  1. ^ 허먼, 스티븐. 산업용 모터 제어 장치. 제6판 델마르, 첸가지 학습, 2010. 251페이지.
  2. ^ 오하이오 전기 자동차. DC 시리즈 모터: 시동 토크는 높지만 부하 작동은 잘못됨. 오하이오 전기 자동차, 2011년 2011년 10월 31일 웨이백 머신에 보관
  3. ^ "범용 모터", 시공 및 작업 특성, 2015년 4월 27일 검색됨.
  4. ^ 러프턴 검시관과 워른 D.F. 에디터. 전기 기술자의 참고서. 제16판 뉴네즈, 2003년 19-4페이지.
  5. ^ 윌리엄 H. 예돈, 앨런 W. 예돈. 소형 전동기 핸드북. 2001년 맥그로힐 프로페셔널 4-134페이지.