브러시드 DC 전기 모터

브러시드 DC 전동기란 직류 전원에서 구동되도록 설계되어 접촉용 전기 브러시를 이용하는 내부 정류형 전기모터입니다.

브러시드 모터는 기계 에너지를 구동하는 데 상업적으로 중요한 첫 번째 동력 적용이었으며 DC 분배 시스템은 100년 이상 상업 및 산업용 건물에서 모터를 작동시키기 위해 사용되었습니다.브러시드 DC 모터는 동작 전압 또는 자기장의 강도를 변경하여 속도를 변경할 수 있습니다.전원에 대한 필드 접속에 따라 브러시드 모터의 속도 및 토크 특성을 변경하여 기계적 부하에 반비례하는 일정한 속도 또는 속도를 제공할 수 있습니다.브러시드 모터는 전기 추진, 크레인, 제지 기계 및 강철 압연기에 계속 사용됩니다.브러시가 마모되어 교체가 필요하기 때문에 전력 전자 장치를 사용하는 브러시리스 DC 모터가 많은 애플리케이션에서 브러시 모터를 대체했습니다.

단순 2극 DC 모터

다음 그래픽은 브러시 처리된 간단한 2극 DC 모터를 보여 줍니다.

외부 자기장 내에 위치한 연질 철심에 감긴 코일을 전류가 통과할 때 양극의 한쪽은 위쪽으로, 다른 한쪽은 아래쪽으로 작용한다.플레밍의 왼손 법칙에 따르면, 힘은 코일에 회전 효과를 일으켜 코일을 회전시킵니다.모터를 일정한 방향으로 회전시키기 위해, "직류" 정류자는 전류를 매 반주기마다 (2극 모터에서) 역방향으로 만들어 모터가 같은 방향으로 계속 회전하도록 합니다.

위에 표시된 모터의 문제는 코일의 평면이 자기장과 평행할 때(즉, 로터 극이 스테이터 극과 90도 떨어져 있을 때) 토크가 0이라는 것입니다.위 그림에서는 코일의 중심이 수평일 때 발생합니다. 오른쪽의 두 번째에서 마지막 그림에서 코일이 막 도달하려는 위치입니다.이 위치에서는 모터를 시동할 수 없습니다.그러나 일단 시작되면, 그것은 기세에 의해 이 위치를 통해 계속 회전할 것입니다.

이 단순한 폴 디자인에는 두 번째 문제가 있습니다.제로 토크 위치에서는 양쪽 정류자 브러시가 양쪽 정류자 플레이트에 닿아(브릿지) 단락이 발생합니다.전원 리드는 정류자 플레이트를 통해 함께 단락되며, 코일도 양쪽 브러시를 통해 단락됩니다(코일은 각 브러시를 통해 독립적으로 두 번 단락됨).이 문제는 위의 비시동 문제와 무관합니다.이 위치에서 코일에 고전류가 존재하더라도 토크는 0이 됩니다.여기서의 문제는 이 단락이 아무런 움직임(코일 전류도 발생시키지 않고 불필요하게 전력을 소비한다는 것입니다.저전류 배터리 구동 시연에서는 일반적으로 이러한 단락이 유해한 것으로 간주되지 않습니다.그러나 2극 모터가 수백 와트의 출력으로 실제 작업을 수행하도록 설계된 경우, 이러한 단락으로 인해 정류자가 심하게 과열되고 브러시가 손상되며 브러시가 금속성일 경우 정류자에 용접될 수 있습니다.자주 사용되는 카본 브러시는 용접되지 않습니다.어떤 경우든 이와 같은 단락은 매우 낭비가 심하고 배터리가 빠르게 소모되며, 적어도 단락 없이 모터를 구동하는 데 필요한 것보다 훨씬 더 높은 기준에 따라 전원 공급 부품을 설계해야 합니다.

간단한 해결책 중 하나는 브러시 끝보다 넓은 정류자 판 사이에 간격을 두는 것입니다.이렇게 하면 각도 위치의 제로 토크 범위가 증가하지만 단락 문제는 해소됩니다. 모터가 외부 힘에 의해 회전하기 시작하면 모터가 계속 회전합니다.이 변경으로 제로토크(즉 정류자 비접촉) 각도 범위의 위치에서 정지(정지)하는 것만으로 효과적으로 끌 수 있습니다.이 디자인은 과학 박람회 등의 자가 제작 취미용 모터에서 종종 볼 수 있으며, 이러한 디자인은 일부 출판된 과학 프로젝트 서적에서 찾아볼 수 있습니다.이 간단한 해결책의 분명한 단점은 모터가 이제 회전당 두 번 회전하는 상당한 호를 따라 하강하고 토크가 펄스된다는 것입니다.이 방법은 선풍기 또는 플라이휠을 계속 회전시키기 위해 사용할 수 있지만 테이프 트랜스포트의 캡스턴을 구동하는 등 시동과 정지가 필요 없는 경우에도 많은 응용 프로그램이 필요합니다.또 다른 단점은 코일에는 자기 인덕턴스가 측정되므로 코일 내부로 흐르는 전류가 갑자기 정지할 수 없다는 것입니다.전류는 정류자 세그먼트와 브러시 사이의 개방 간격을 점프하려고 시도하여 아크를 발생시킵니다.

팬이나 플라이휠에서도 이 설계에 남아 있는 명백한 약점(특히 모든 위치에서 스스로 시작하는 것은 아님)으로 인해 특히 현재 존재하는 더 나은 대안을 고려할 때 작업 용도로는 실용적이지 않습니다.위의 시연 모터와 달리 DC 모터는 일반적으로 2개 이상의 극으로 설계되어 있으며, 어떤 위치에서든 시동할 수 있으며, 일부 코일을 통과하여 기전력을 생성하지 않고 전류가 흐를 수 있는 위치가 없습니다.장난감과 소형 가전제품에 사용되는 많은 일반적인 소형 브러시 DC 모터, 가장 단순한 대량 생산 DC 모터에는 3극 전기자가 있습니다.이제 브러시는 단락을 일으키지 않고 인접한 정류자 세그먼트 두 개를 브리지할 수 있습니다.또한 이러한 3극 전기자는 브러시의 전류가 2개의 코일을 직렬로 통과하거나 1개의 코일만 통과한다는 장점이 있습니다.개별 코일의 전류가 공칭값의 절반(직렬로 2개의 코일을 통해 흐른 결과)에서 시작하여 공칭값으로 상승한 다음 이 값의 절반으로 떨어집니다.그런 다음 시퀀스는 역방향의 전류로 계속됩니다.그 결과 이상적인 정현파 코일 전류에 더 가까운 단계적 근사치를 얻을 수 있으며, 각 코일의 전류가 사각파에 가까운 2극 모터보다 더 고른 토크를 생성합니다.전류 변화는 동등한 2극 모터의 절반이므로 브러시의 아크가 적습니다.

DC 모터의 샤프트가 외부 힘에 의해 회전할 경우 모터가 제너레이터와 같은 역할을 하며 전기력(EMF)을 생성합니다.정상 작동 중에 모터의 회전은 모터에 인가되는 전압에 반대하기 때문에 CEMF(Counter-EMF) 또는 역EMF라고 하는 전압을 생성합니다.후방 EMF는 자유 주행 시 모터의 전기 저항이 권선에 포함된 와이어와 동일한 수준으로 나타나지 않는 이유입니다.이는 모터를 제너레이터로 사용할 때 발생하는 EMF와 동일합니다(예: 전구와 같은 전기 부하가 모터의 단자에 걸쳐 있고 모터 샤프트가 외부 토크로 구동되는 경우).따라서 모터 전체의 총 전압 강하는 CEMF 전압 강하와 전기자 권선의 내부 저항으로 인한 기생 전압 강하로 구성됩니다.모터를 통과하는 전류는 다음 방정식으로 구할 수 있습니다.

${\displaystyle I=black {V_{\text{applied}}-V_{\text{cemf}}{R_{\text{armature}}}}$

모터에 의해 생성되는 기계적 출력은 다음과 같습니다.

${\displaystyle P=I\cdot V_{\text{cemf}}}$

비부하 DC 모터가 회전할 때 모터에 인가되는 전류에 저항하는 역류 기전력이 발생합니다.모터의 전류는 회전 속도가 증가함에 따라 감소하며 자유 회전 모터에는 전류가 거의 없습니다.모터에 부하가 가해져 로터가 느려지는 경우에만 모터를 통해 유입되는 전류가 증가합니다.

정류면

발전기에서 한 쌍의 브러시가 정류자에 접촉하는 접촉 영역의 중심을 통과하는 전기자의 회전축에 평행한 평면을 정류면이라고 한다.이 다이어그램에서 다른 브러시가 표시된 브러시에서 180도 떨어진 반경 대칭의 정류자 반대편에 접촉했다고 가정할 때 브러시 중 하나에 대해서만 정류 평면이 표시됩니다.

스테이터 필드 왜곡 보상

진정한 발전기에서, 필드는 결코 완전히 균일하지 않다.대신 로터가 회전할 때 외부 비회전 스테이터의 자기선을 끌어서 왜곡시키는 전계 효과를 유도합니다.

로터에 의해 필드가 어떻게 왜곡되는지를 보여주는 과장된 예.

쇠줄은 로터를 가로지르는 왜곡된 필드를 나타냅니다.

로터가 더 빨리 회전할수록 전계 왜곡의 정도가 더 커집니다.다이너모는 스테이터 필드와 직각으로 로터 필드와 가장 효율적으로 작동하기 때문에 브러시 위치를 늦추거나 전진시켜 로터 필드를 왜곡된 필드와 직각으로 올바른 위치에 놓아야 합니다.

필드 왜곡 효과가 없는 경우 정류 평면의 중심 위치.

필드 왜곡을 보정하기 위한 정류 평면의 실제 위치.

스핀 방향이 반전되면 이러한 필드 효과가 반전됩니다.따라서 가장 높은 전계 강도를 위해서는 브러시를 일반 중성 평면의 반대쪽으로 이동시켜야 하므로 효율적인 가역 정류 발전기를 구축하는 것은 어렵습니다.

그 효과는 내연기관의 타이밍 진행과 다소 유사하다고 볼 수 있다.일반적으로 일정한 속도로 작동하도록 설계된 발전기는 브러시를 영구적으로 고정하여 해당 ^[1]속도에서 가장 높은 효율을 위해 필드를 정렬합니다.

권상 스테이터가 있는 DC 기계는 정류 필드 권선 및 보상 권선으로 왜곡을 보상합니다.

모터 설계의 변화

직류 모터

브러시드 DC 모터는 권상 로터와 권상 또는 영구 자석 스타터로 구성됩니다.

창상 스태터

필드 코일은 전통적으로 4가지 기본 형식, 즉 개별 들뜸(sepex), 직렬 감김, 션트 감김 및 후자의 두 가지 조합(복합 감김)으로 존재했습니다.

직권 모터에서 필드 코일은 전기자 코일(브러시를 통해)과 전기적으로 직렬로 연결됩니다.션트 와인딩 모터에서 필드 코일은 병렬로 연결되거나 전기자 코일에 "셔딩"됩니다.별도로 들뜬(sepex) 모터에서 계자 코일은 모터 제너레이터와 같은 독립 전원으로부터 공급되며, 계자 전류는 전기자 전류의 변화에 영향을 받지 않습니다.직류 견인 모터에서 휠 슬립을 쉽게 제어하기 위해 sepex 시스템이 사용되기도 했습니다.

영구 자석 모터

영구 자석 타입은 직류, 들뜸, 동기 타입에 비해 몇 가지 성능상의 이점이 있으며, 소수 마력 어플리케이션에서 우세한 것이 되었습니다.그것들은 한 번에 공급되는 다른 전기 ^[2]기계들보다 더 작고, 더 가볍고, 더 효율적이고, 믿을 수 있다.

원래 모든 대형 산업용 DC 모터는 권선장 또는 회전자 자석을 사용했습니다.영구 자석은 고강도 필드를 유지할 수 있는 재료를 찾기 어려웠기 때문에 전통적으로 소형 모터에만 유용했습니다.최근에야 재료 기술이 발전하여 네오디뮴 자석과 같은 고강도 영구 자석을 만들 수 있게 되었고, 여분의 필드 코일 및 들뜸 수단 없이 소형, 고출력 모터를 개발할 수 있게 되었습니다.그러나 이러한 고성능 영구 자석이 전기 모터 또는 발전기 시스템에 더 많이 적용됨에 따라 다른 문제가 발생합니다(영구 자석 동기 발전기 참조).

축방향 자기장 모터

전통적으로 자기장은 모터의 회전축 안과 바깥쪽으로 방사상으로 적용되어 왔다.그러나 일부 설계에서는 회전자가 회전하면서 필드 라인을 절단하는 등 모터의 축을 따라 필드가 흐릅니다.이는 특히 할바흐 어레이를 사용하는 경우 훨씬 더 강한 자기장을 허용합니다.그러면 모터에 저속으로 전력이 공급됩니다.그러나 높은 보자기력에도 불구하고 영구 자석의 제한된 잔류 플럭스 밀도에 대해 집속 플럭스 밀도를 상승시킬 수 없으며, 모든 전기 기계와 마찬가지로 자기 코어 포화의 플럭스 밀도를 설계상의 제약으로 한다.

스피드 컨트롤

일반적으로 DC 모터의 회전 속도는 코일 내 EMF(= 인가 전압에서 저항 손실 전압을 뺀 값)에 비례하며, 토크는 전류에 비례합니다.속도 제어는 가변 배터리 태핑, 가변 공급 전압, 저항 또는 전자 컨트롤을 통해 수행할 수 있습니다.시뮬레이션 예는 다음과 같습니다^[3].^[4]권상장 DC 모터의 방향은 필드 또는 전기자 연결 중 하나를 반대로 하여 변경할 수 있지만 둘 다 변경할 수는 없습니다.이것은, 통상, 특수한 컨택터(방향 컨택터) 세트를 사용해 실시합니다.유효 전압은 직렬 저항을 삽입하거나 사이리스터, 트랜지스터 또는 이전에 수은 아크 정류기로 만든 전자 ^[5]제어 스위칭 장치로 변경할 수 있습니다.

직렬 병렬

직렬 병렬 제어는 전력 전자 장치가 등장하기 전에는 철도 견인 모터를 제어하는 표준 방식이었습니다.전기 기관차나 열차는 일반적으로 세 가지 다른 방식으로 분류할 수 있는 4개의 모터를 가지고 있습니다.

• 직렬 4개 모두(각 모터에 라인 전압의 1/4이 공급됨), 최저 속도
• 직렬로 2개씩 2개의 병렬 그룹(각 모터에 라인 전압의 절반씩 공급됨)
• 4개 모두 병렬(각 모터에 최대 라인 전압이 공급됨), 최고 속도

이를 통해 최소 저항 손실과 함께 세 가지 주행 속도를 얻을 수 있었습니다.시동 및 가속을 위해 저항에 의해 추가 제어가 제공되었습니다.이 시스템은 전자 제어 시스템으로 대체되었습니다.

필드 약화

DC 모터의 속도는 필드 약화에 의해 증가할 수 있습니다.전계 강도의 감소는 션트 전계와 직렬로 저항을 삽입하거나 직렬로 연결된 전계 권선 주위에 저항을 삽입하여 전계 권선의 전류를 감소시킴으로써 이루어집니다.자기장이 약해지면 백엔프가 감소하기 때문에 전류가 전기자 권선에 흐르면 속도가 빨라집니다.필드 약화는 단독으로 사용되는 것이 아니라 직렬-병렬 제어와 같은 다른 방법과 함께 사용됩니다.

초퍼

초퍼로 알려진 회로에서 모터에 인가되는 평균전압은 공급전압을 매우 빠르게 전환함으로써 변화한다.평균 인가 전압을 변경하기 위해 "ON" 대 "OFF" 비율이 변화하면 모터의 속도가 변화합니다."on" 시간에 공급 전압을 곱한 백분율은 모터에 인가되는 평균 전압을 제공합니다.따라서 100V 전원 공급과 25%의 "ON" 시간을 사용할 경우 모터의 평균 전압은 25V가 됩니다."OFF" 시간 동안 전기자의 인덕턴스에 의해 전류가 모터와 병렬로 "플라이백 다이오드"라고 불리는 다이오드를 통해 계속됩니다.사이클의 이 시점에서 공급 전류는 0이므로 "ON" 시간이 100%가 아닌 한 평균 모터 전류는 항상 공급 전류보다 높아집니다.100% "ON" 시간에는 전원 공급과 모터 전류가 동일합니다.고속 스위칭은 직렬 저항기보다 에너지 낭비가 적습니다.이 방법은 펄스 폭 변조(PWM)라고도 불리며 마이크로프로세서에 의해 제어되는 경우가 많습니다.모터에 인가되는 평균 전압을 평활화하고 모터 노이즈를 줄이기 위해 출력 필터가 설치되는 경우가 있습니다.

직렬 감김 DC 모터는 저속에서 최고 토크를 발생시키기 때문에 전기 기관차나 트램과 같은 트랙션 용도로 자주 사용됩니다.또 다른 적용 분야는 가솔린 및 소형 디젤 엔진용 스타터 모터입니다.드라이브 고장이 발생할 수 있는 애플리케이션(예: 벨트 드라이브)에는 직렬 모터를 사용하지 마십시오.모터가 가속하면 전기자(즉, 계자) 전류가 감소합니다.전계가 감소하면 모터 속도가 빨라지고 극단적인 경우 모터가 스스로 파괴될 수도 있습니다. 단, 팬 냉각 모터(자체 구동 팬 포함)에서는 문제가 훨씬 덜합니다.이는 철도 모터의 접착력 상실이 발생할 경우 문제가 될 수 있습니다. 왜냐하면, 빠르게 제어되지 않는 한, 모터가 정상적인 상황에서보다 훨씬 더 높은 속도에 도달할 수 있기 때문입니다.이로 인해 모터 자체와 기어에 문제가 발생할 수 있을 뿐만 아니라 레일과 휠 간의 속도 차이로 인해 빠르게 가열 및 냉각되면서 레일 및 휠 트레드에 심각한 손상이 발생할 수 있습니다.전기 자동차의 최고 속도를 높이기 위해 일부 전자 컨트롤에서 전계 약화가 사용됩니다.가장 간단한 형태는 접촉기와 전계 약화 저항을 사용합니다. 전자 컨트롤은 모터 전류를 모니터링하고 모터 전류가 사전 설정 값 이하로 감소하면 전계 약화 저항을 회로로 전환합니다(모터가 최대 설계 속도일 때).저항이 회로에 들어가면 모터가 정격 전압에서 정상 속도 이상으로 속도를 높입니다.모터 전류가 증가하면 컨트롤이 저항을 분리하고 저속 토크를 사용할 수 있습니다.

워드 레너드

Ward Leonard 제어는 일반적으로 션트 또는 복합 권선 DC 모터를 제어하기 위해 사용되며, DC 방식에서 장점이 없는 것은 아니지만 AC 전원에서 속도 제어 모터를 제공하는 방법으로 개발됩니다.AC 전원 공급 장치는 AC 모터, 일반적으로 DC 제너레이터 또는 발전기를 구동하는 유도 모터를 구동하는 데 사용됩니다.전기자의 DC 출력은 DC 모터의 전기자에 직접 연결됩니다(경우에 따라서는 항상 동일하지는 않습니다).두 DC 기계의 션트 필드 권선은 가변 저항을 통해 독립적으로 들뜨게 됩니다.제너레이터 및/또는 모터 계자 전류를 변화시킴으로써 정지 상태에서 최대 속도까지 매우 우수한 속도 제어와 일관된 토크를 얻을 수 있습니다.이 제어 방법은 개발 단계부터 고체 사이리스터 시스템으로 대체될 때까지 사실상의 방법이었다.승객용 승강기에서 대형 갱도 헤드 와인딩 기어, 심지어 산업 공정 기계와 전기 크레인에 이르기까지 우수한 속도 제어가 필요한 거의 모든 환경에서 서비스를 제공했습니다.그 주된 단점은 스킴을 구현하기 위해 3대의 머신이 필요하다는 것이었습니다(대규모 설치에서는 DC 머신이 종종 탠덤 가변 저항기에 의해 복제 및 제어되었기 때문에 5대의 머신이 필요했습니다).많은 응용 프로그램에서 모터 제너레이터 세트는 필요에 따라 시동할 때 발생할 수 있는 지연을 방지하기 위해 영구 작동 상태로 유지되는 경우가 많았습니다.전자(사이리스터) 컨트롤러는 대부분의 중소형 워드-레오나드 시스템을 대체했지만, 일부 매우 큰 시스템(수천 마력)은 여전히 작동 중입니다.전기자 전류보다 계자 전류가 훨씬 낮기 때문에 중간 크기의 사이리스터 유닛이 직접 제어할 수 있는 것보다 훨씬 큰 모터를 제어할 수 있습니다.예를 들어, 한 설비에서는 300A 사이리스터 유닛이 제너레이터의 필드를 제어합니다.제너레이터 출력 전류가 15,000암페어를 초과하므로 사이리스터로 직접 제어하기에는 엄청나게 비용이 많이 들고 비효율적입니다.

DC 모터의 토크 및 속도

DC 모터의 속도 및 토크 특성은 기계 부하 범위에 걸쳐 모터를 제어하기 위해 선택적으로 사용되는 세 가지 자화 소스(별도의 여기장, 자기 여기장 또는 영구장)에 따라 달라집니다.자기 들뜸 필드 모터는 전기자에 연결된 직렬, 션트 또는 복합 감김일 수 있습니다.

기본 속성

정의

• E_b, 역기전력(V)
• I_a, 전기자 전류(A)
• k_b, 카운터 EMF 방정식 상수
• k_n, 속도 방정식 상수
• k_T, 토크 방정식 상수
• n, 전기자 주파수(rpm)
• R_m, 모터 저항(δ)
• T, 모터 토크(Nm)
• V_m, 모터 입력 전압(V)
• δ, 기계의 총 플럭스(Wb)
• 카터 계수(k_C)는 열린(또는 반밀폐형) ^[6]슬롯이 있는 모터 전기자의 유효 슬롯 피치를 추정하는 방법으로 자주 사용되는 매개변수입니다.

카운터 EMF 방정식

DC 모터의 카운터 emf는 기계의 총 플럭스 강도와 전기자 속도의 곱에 비례합니다.

E_b = k_b Ω n^[7]

전압 평형 방정식

DC 모터의 입력 전압은 카운터 emf뿐만 아니라 전기자 전류에 의해 발생하는 전압 강하도 극복해야 합니다. 즉, 브러시, 전기자 권선 및 직렬 필드 권선에 걸친 결합된 저항입니다.

V_m = E_b + R_m I_a^[8][9]

토크 방정식

DC 모터의 토크는 전기자 전류와 기계의 총 플럭스 ^[10][11][12]강도의 곱에 비례합니다.

$디스플레이 스타일T&=sqfrac {1}{2\pi }}k_{b}I_{a}\Phi \&=k_{T}I_{a}\Phi\end{aligned}}$

어디에

k_T =k_b/2인치

속도 방정식

부터

n = E_b/k_b Ω 및

V_m = E_b + R_m I_a

우리는^[13][14][15] 가지고 있다

${\displaystyle {\displaystyle {aligned}n&=frac {V_{m}-R_{m}I_{a}}{k_{b}\Phi}}\&=k_{n}{\frac {V_{m}-R_{m}I_{a}}{\Phi }}\end {aligned}}$

어디에

k_n = 1/k_b

토크 및 속도 특성

분로 권상 모터

분로 권선 모터의 고저항 전계 권선이 전기자와 병렬로 연결되어 있는 경우_m, V_m, R 및 Ø는 최대 부하 속도에 대한 무부하가 5%를 ^[16]넘는 경우가 거의 없을 정도로 일정합니다.스피드 컨트롤은 세 ^[17]가지 방법으로 이루어집니다.

• 필드 전압 변경
• 필드 약화
• 필드 회로의 가변 저항입니다.

직권 전동기

직렬 모터는 증가된 부하에 반응하여 감속합니다. 전기자와 계자 권선 모두에서 동일한 전류가 흐르기 때문에 전류가 증가하고 전류의 제곱에 비례하여 토크가 증가합니다.모터가 정지할 경우 권선의 총 저항에 의해서만 전류가 제한되고 토크가 매우 높을 수 있지만 권선이 과열될 위험이 있습니다.직렬 권상 모터는 모든 종류의 철도^[18] 운송에서 트랙션 모터로 널리 사용되었지만, 파워 인버터 공급 AC 유도 모터를 위해 단계적으로 폐지되고 있습니다.카운터 EMF는 전기자 저항을 보조하여 전기자를 통과하는 전류를 제한합니다.모터에 전원이 처음 공급되면 전기자가 회전하지 않고 카운터 EMF가 0이며 전기자 전류를 제한하는 유일한 요인은 전기자 ^[19]저항입니다.전기자를 통과하는 예상 전류가 매우 크기 때문에 모터 회전이 카운터 EMF를 형성할 수 있을 때까지 전류를 제한하기 위해 전기자와 직렬로 추가적인 저항이 필요합니다. 모터 회전이 증가함에 따라 저항이 점차 차단됩니다.

직권 DC 모터의 가장 주목할 만한 특징은 속도가 거의 전적으로 부하 구동에 필요한 토크에 의존한다는 것입니다.이는 모터가 최대 토크에서 가속할 때 큰 관성 부하에 적합하며, 속도가 증가함에 따라 토크가 점차 감소합니다.

직렬 모터의 속도가 위험할 정도로 높을 수 있기 때문에 직렬 모터가 기어 또는 ^[20]부하에 직접 연결되어 있는 경우가 많습니다.

영구 자석 모터

영구자석 직류모터는 정지상태에서 축에 대해 토크가 최대일 때의 스톨토크와 무부하속도 및 최대출력속도와의 선형관계를 특징으로 한다.이 두 속도 축 ^[21]점 사이에는 2차 검정력 관계가 있습니다.

보호.

DC 모터의 수명을 연장하기 위해 보호 장치와^[22] 모터 컨트롤러를 사용하여 기계적 손상, 과도한 습기, 높은 유전체 응력 및 고온 또는 열 과부하로부터 ^[23]DC 모터를 보호합니다.이러한 보호 장치는 모터 고장 상태를^[24] 감지하고 경보를 울려 작업자에게 알리거나 고장 상태가 발생하면 모터의 전원을 자동으로 차단합니다.과부하 상태의 경우 모터는 열 과부하 릴레이로 보호됩니다.바이메탈 열 과부하 보호기는 모터 권선에 내장되어 있으며 두 개의 이종 금속으로 제작됩니다.바이메탈 스트립은 온도 설정 지점에 도달하면 반대 방향으로 구부러져 컨트롤 회로를 열고 모터에 전원을 차단하도록 설계되었습니다.히터는 모터 권선과 직렬로 연결되어 모터 접촉기에 장착된 외부 열 과부하 보호기입니다.솔더 포트 히터는 과부하 상태에서 녹으며, 이로 인해 모터 컨트롤 회로가 모터의 전원을 차단합니다.바이메탈 히터는 내장 바이메탈 프로텍터와 같은 기능을 합니다.퓨즈 및 회로 차단기는 과전류 또는 단락 보호기입니다.접지 고장 릴레이는 과전류 보호 기능도 제공합니다.모터 권선과 접지 시스템 접지 사이의 전류를 모니터링합니다.모터 제너레이터의 경우 역류 릴레이가 배터리가 제너레이터를 방전 및 모터화하는 것을 방지합니다.직류 모터 전계 손실은 위험한 폭주 또는 과속 상태를 야기할 수 있으므로, 모터^[25] 전계와 병렬로 필드 릴레이 손실을 연결하여 필드 전류를 감지합니다.계자 전류가 설정 지점 아래로 감소하면 릴레이가 모터 전기자의 전원을 차단합니다.로터 잠김 상태는 시동 시퀀스가 시작된 후 모터가 가속하는 것을 방지합니다.거리 릴레이는 잠금식 로터 고장으로부터 모터를 보호합니다.저전압 모터 보호는 일반적으로 모터 제어기 또는 시동기에 통합되어 있습니다.또한 절연 변압기, 전력 조절 장비, MOV, 피뢰기 및 고조파 필터를 사용하여 모터를 과전압 또는 서지로부터 보호할 수 있습니다.먼지, 폭발성 증기, 물, 높은 주변 온도 등의 환경 조건은 DC 모터의 작동에 악영향을 미칠 수 있습니다.이러한 환경 조건으로부터 모터를 보호하기 위해 NEMA(National Electrical Manufacturers Association)와 IEC(International Electrotechnical Commission)는 오염 물질로부터 제공하는 환경 보호를 기반으로 모터^[26] 인클로저 설계를 표준화했습니다.최신 소프트웨어는 모터의 열 효율을 높이기 위해 모터-CAD와 같은 설계 단계에서도 사용할 수 있습니다.

직류 모터 시동 장치

카운터 전자파는 전기자 저항이 전기자를 통과하는 전류를 제한하도록 도와줍니다.모터에 전원을 처음 공급하면 전기자가 회전하지 않습니다.그 순간 counter-emf는 0이며 전기자 전류를 제한하는 유일한 요인은 전기자 저항과 인덕턴스입니다.일반적으로 모터의 전기자 저항은 1Ω 미만입니다. 따라서 전기자를 통과하는 전류는 전원이 공급될 때 매우 큽니다.이 전류는 회로 내의 다른 기기에 과도한 전압 강하를 일으킬 수 있으며 심지어 트립 과부하 보호 장치에도 영향을 미칠 수 있습니다.

따라서 모터 회전이 카운터-emf를 구축할 수 있을 때까지 전류를 제한하기 위해 전기자와 직렬로 추가적인 저항이 필요합니다.모터 회전이 축적됨에 따라 저항은 서서히 차단된다.

수동 시동식 레오스타트

전기 및 DC 모터 기술이 처음 개발되었을 때, 대부분의 장비는 모터 시스템 관리 교육을 받은 작업자에 의해 지속적으로 관리되었습니다.최초의 모터 관리 시스템은 거의 완전히 수동에 의한 것으로, 모터의 기동과 정지, 기기의 청소, 기계적 고장 수리 등입니다.

첫 번째 DC 모터 스타터도 이 이미지에서 보듯이 완전히 수동입니다.통상, 오퍼레이터는, 입력 전력을 동작 속도까지 서서히 증가시키기 위해서, 콘택트 전체에 걸쳐 레오스타트를 천천히 전진시키는 데 약 10초가 걸렸습니다.이러한 레오스타트에는 두 가지 다른 클래스가 있었는데, 하나는 시동 전용이고 다른 하나는 시동 및 속도 조절용이었습니다.시동 레오스타트는 비용이 적게 들었지만 일정한 속도로 모터를 구동해야 할 경우 연소되는 저항 요소가 더 작았습니다.

이 스타터에는 무전압 자기 홀딩 기능이 포함되어 있어 전원이 차단될 경우 레오스타트가 꺼짐 위치로 이동하므로 모터가 나중에 최대 전압 위치에서 다시 시작되지 않습니다.또한 설정량을 초과하는 과전류가 ^[27]감지될 경우 레버를 OFF 위치로 이동시키는 과전류 보호 기능도 있습니다.

3점 스타터

착신 전원선은 L1 및 L2라고 불립니다.이름에서 알 수 있듯이 스타터 연결은 수신 전원 연결, 전기자 연결, 필드 연결 등 3개뿐입니다.전기자에 대한 연결은 A1 및 A2라고 불립니다.필드(여진) 코일의 끝을 F1 및 F2라고 합니다.속도를 제어하기 위해 션트필드와 직렬로 필드 레오스타트를 접속한다.라인의 한쪽은 스타터 암에 연결됩니다.암은 스프링에 의해 구동되므로 다른 위치에 고정되지 않으면 "Off" 위치로 돌아갑니다.

• 암의 첫 번째 단계에서는 션트 필드에 전체 라인 전압이 인가됩니다.필드 레오스타트는 일반적으로 최소 저항으로 설정되므로 모터 속도가 과도하지 않고 모터의 시작 토크가 커집니다.
• 스타터는 또한 전자석을 션트장과 직렬로 연결합니다.암이 자석과 접촉하면 암이 제자리에 고정됩니다.
• 한편, 이 전압은 션트 필드에 인가되며, 시작 저항은 전류를 전기자로 제한합니다.
• 모터가 속도를 올리면 카운터EMF가 구축되고 암이 천천히 단락으로 이동합니다.

4점 스타터

4점 스타터는 3점 스타터의 단점을 없앤다.3점 스타터와 함께 사용하던 동일한 3점 외에, 라인의 다른 쪽인 L1은 암이 "Off" 위치에서 움직일 때 출발 심판에게 전달되는 네 번째 포인트가 된다.고정 자석의 코일은 선을 통해 연결됩니다.고정 자석과 시동 저항은 3점 스타터와 동일하게 작동합니다.

• 실수로 필드 회로가 개방될 가능성은 매우 희박합니다.4점 스타터는 모터에 무전압 보호 기능을 제공합니다.전원이 차단되면 모터가 라인에서 분리됩니다.

모수 및 통계 추정

• 몇몇 연구는 확장 칼만 필터(EKF)^[28][29]와 루엔버거의 ^[30]관찰자와 같은 모델에 의존하는 비지능적 추정기 또는 캐스케이드-포워드 뉴럴 네트워크(CFNN)와 준 뉴턴 BFGS 역전파^[31] 같은 지능형 추정기를 제안한다.

「 」를 참조해 주세요.

• 교류
• 브러시리스 DC 전기 모터

레퍼런스

참고 문헌

• Alger, P. L. (1949). "§7-277 to §7-287 'AC Commutator Motors' in Sec. 7 - Alternating-Current Generators and Motors". In Knowlton, A.E. (ed.). Standard Handbook for Electrical Engineers (8th ed.). McGraw-Hill. pp. 826–831.
• Hameyer, Kay (2001). "§5.2 'Basic Equations' in section 5 - DC Machine". Electrical Machine I: Basics, Design, Function, Operation. RWTH Aachen University Institute of Electrical Machines.
• Lynn, C. (1949). "§8-144 to §8-165 'Motor Characteristics and Regulation' in Sec. 8 - Direct-Current Generators and Motors". In Knowlton, A.E. (ed.). Standard Handbook for Electrical Engineers (8th ed.). McGraw-Hill. pp. 826–831.
• MIT CIPD (2009). "Understanding D.C. Motor Characteristics". Designing with D.C. Motors. MIT, Mech. Engineering, CIPD. Retrieved 2008-12-11.

외부 링크

• Electric Motors 작동 방식 (2014/31/01 Web Archive에서 회수)