Ηλεκτρική σερβο μηχανή 4.77N.m μηχανή-εναλλασσόμενο ρεύμα σερβο sgmp-15A3A4EPU 3000RMP Yaskawa

Ένας απλός κινητήρας συνεχούς ρεύματος έχει ένα πηνίο σύρματος που μπορεί να περιστρέφεται σε ένα μαγνητικό πεδίο. Το ρεύμα στο πηνίο τροφοδοτείται μέσω δύο βουρτσών που κάνουν κινούμενη επαφή με έναν σχιστό δακτύλιο. Το πηνίο βρίσκεται σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο. Οι δυνάμεις που ασκούνται στα καλώδια που μεταφέρουν ρεύμα δημιουργούν μια ροπή στο πηνίο.

Η δύναμη F σε ένα σύρμα μήκους L που μεταφέρει ρεύμα i σε ένα μαγνητικό πεδίο Β είναι iLB επί του ημίτονος της γωνίας μεταξύ Β και i, που θα ήταν 90° αν το πεδίο ήταν ομοιόμορφα κατακόρυφο. Η κατεύθυνση του F προέρχεται από τον κανόνα του δεξιού χεριού*, όπως φαίνεται εδώ. Οι δύο δυνάμεις που φαίνονται εδώ είναι ίσες και αντίθετες, αλλά μετατοπίζονται κατακόρυφα, επομένως ασκούν μια ροπή. (Οι δυνάμεις στις άλλες δύο πλευρές του πηνίου δρουν κατά μήκος της ίδιας γραμμής και έτσι δεν ασκούν ροπή.)

Το πηνίο μπορεί επίσης να θεωρηθεί ως μαγνητικό δίπολο ή ένας μικρός ηλεκτρομαγνήτης, όπως υποδεικνύεται από το βέλος SN: κουμπώστε τα δάχτυλα του δεξιού σας χεριού προς την κατεύθυνση του ρεύματος και ο αντίχειράς σας είναι ο Βόρειος πόλος. Στο σκίτσο στα δεξιά, ο ηλεκτρομαγνήτης που σχηματίζεται από το πηνίο του ρότορα αναπαρίσταται ως μόνιμος μαγνήτης και η ίδια ροπή (ο Βορράς έλκει τον Νότο) φαίνεται να είναι αυτή που ενεργεί για να ευθυγραμμίσει τον κεντρικό μαγνήτη.

• Σε όλη τη διάρκεια, χρησιμοποιούμε μπλε για τον Βόρειο πόλο και κόκκινο για τον Νότο. Αυτό είναι απλώς μια σύμβαση για να γίνει σαφής ο προσανατολισμός: δεν υπάρχει διαφορά στο υλικό σε κανένα άκρο του μαγνήτη και συνήθως δεν είναι βαμμένα με διαφορετικό χρώμα.

Σημειώστε την επίδραση τουβούρτσεςστοσπαστό δαχτυλίδι. Όταν το επίπεδο του περιστρεφόμενου πηνίου φτάσει σε οριζόντια θέση, οι βούρτσες θα σπάσουν την επαφή (δεν χάνονται πολλά, γιατί ούτως ή άλλως αυτό είναι το σημείο μηδενικής ροπής – οι δυνάμεις δρουν προς τα μέσα). Η γωνιακή ορμή του πηνίου το μεταφέρει πέρα ​​από αυτό το σημείο θραύσης και το ρεύμα στη συνέχεια ρέει προς την αντίθετη κατεύθυνση, γεγονός που αντιστρέφει το μαγνητικό δίπολο. Έτσι, αφού περάσει το σημείο θραύσης, ο ρότορας συνεχίζει να περιστρέφεται αριστερόστροφα και αρχίζει να ευθυγραμμίζεται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Στο επόμενο κείμενο, θα χρησιμοποιήσω σε μεγάλο βαθμό την εικόνα «ροπή σε μαγνήτη», αλλά θα πρέπει να γνωρίζετε ότι η χρήση βουρτσών ή εναλλασσόμενου ρεύματος μπορεί να προκαλέσει την εναλλαγή θέσης των πόλων του εν λόγω ηλεκτρομαγνήτη όταν το ρεύμα αλλάζει κατεύθυνση.

Η ροπή που παράγεται σε έναν κύκλο ποικίλλει ανάλογα με τον κατακόρυφο διαχωρισμό των δύο δυνάμεων. Επομένως, εξαρτάται από το ημίτονο της γωνίας μεταξύ του άξονα του πηνίου και του πεδίου. Ωστόσο, λόγω του split ring, είναι πάντα με την ίδια έννοια. Το παρακάτω κινούμενο σχέδιο δείχνει τη διακύμανσή του στο χρόνο και μπορείτε να το σταματήσετε σε οποιοδήποτε στάδιο και να ελέγξετε την κατεύθυνση εφαρμόζοντας τον κανόνα του δεξιού χεριού.

Τώρα ένας κινητήρας συνεχούς ρεύματος είναι επίσης μια γεννήτρια DC. Ρίξτε μια ματιά στο επόμενο animation. Το πηνίο, ο διαχωρισμένος δακτύλιος, οι βούρτσες και ο μαγνήτης είναι ακριβώς το ίδιο υλικό με τον παραπάνω κινητήρα, αλλά το πηνίο περιστρέφεται, το οποίο δημιουργεί ένα emf.

Εάν χρησιμοποιείτε μηχανική ενέργεια για να περιστρέψετε το πηνίο (Ν στροφές, περιοχή Α) με ομοιόμορφη γωνιακή ταχύτητα ω στο μαγνητικό πεδίοσι, θα παράγει ένα ημιτονοειδές emf στο πηνίο. emf (μια emf ή ηλεκτροκινητική δύναμη είναι σχεδόν το ίδιο πράγμα με μια τάση). Έστω θ η γωνία μεταξύσικαι η κανονική προς το πηνίο, άρα η μαγνητική ροή φ είναι NAB.cos θ. Ο νόμος του Faraday δίνει:

• emf = − dφ/dt = − (d/dt) (NBA cos θ)

  = NBA sin θ (dθ/dt) = NBAω sin ωt.

Το παραπάνω animation θα ονομάζεται γεννήτρια DC. Όπως και στον κινητήρα συνεχούς ρεύματος, τα άκρα του πηνίου συνδέονται με έναν σχιστό δακτύλιο, του οποίου τα δύο μισά έρχονται σε επαφή με τις βούρτσες. Σημειώστε ότι οι βούρτσες και ο διαχωρισμένος δακτύλιος «ανορθώνουν» το παραγόμενο emf: οι επαφές είναι οργανωμένες έτσι ώστε το ρεύμα να ρέει πάντα προς την ίδια κατεύθυνση, γιατί όταν το πηνίο περνάει από το νεκρό σημείο, όπου οι βούρτσες συναντούν το κενό στον δακτύλιο, οι συνδέσεις μεταξύ των άκρων του πηνίου και των εξωτερικών ακροδεκτών αντιστρέφονται. Το emf εδώ (παραμελώντας το νεκρό σημείο, που βολικά συμβαίνει στα μηδέν βολτ) είναι |NBAω sin ωt|, όπως σκιαγραφήθηκε.

Αν θέλουμε AC, δεν χρειαζόμαστε recification, οπότε δεν χρειαζόμαστε split rings. (Αυτά είναι καλά νέα, γιατί οι διαχωρισμένοι δακτύλιοι προκαλούν σπινθήρες, όζον, παρεμβολές ραδιοφώνου και επιπλέον φθορά. Εάν θέλετε DC, είναι συχνά καλύτερο να χρησιμοποιείτε εναλλάκτη και να διορθώνετε με διόδους.)

Στο επόμενο κινούμενο σχέδιο, οι δύο βούρτσες έρχονται σε επαφή με δύο συνεχείς δακτυλίους, έτσι οι δύο εξωτερικοί ακροδέκτες συνδέονται πάντα με τα ίδια άκρα του πηνίου. Το αποτέλεσμα είναι το μη διορθωμένο, ημιτονοειδές emf που δίνεται από το NBAω sin ωt, το οποίο εμφανίζεται στο επόμενο animation.

Τώρα, όπως δείχνουν τα δύο πρώτα κινούμενα σχέδια, οι κινητήρες DC και οι γεννήτριες μπορεί να είναι το ίδιο πράγμα. Για παράδειγμα, οι κινητήρες των τρένων γίνονται γεννήτριες όταν το τρένο επιβραδύνει: μετατρέπουν την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια και επαναφέρουν την ισχύ στο δίκτυο. Πρόσφατα, μερικοί κατασκευαστές άρχισαν να κατασκευάζουν λογικά αυτοκίνητα. Σε τέτοια αυτοκίνητα, οι ηλεκτροκινητήρες που χρησιμοποιούνται για την οδήγηση του αυτοκινήτου χρησιμοποιούνται επίσης για τη φόρτιση των μπαταριών όταν το αυτοκίνητο είναι σταματημένο - ονομάζεται αναγεννητικό φρενάρισμα.

Να λοιπόν ένα ενδιαφέρον συμπέρασμα.Κάθε κινητήρας είναι μια γεννήτρια. Αυτό ισχύει, κατά μία έννοια, ακόμη και όταν λειτουργεί ως κινητήρας. Το emf που παράγει ένας κινητήρας ονομάζεταιπίσω εμφ. Το πίσω emf αυξάνεται με την ταχύτητα, λόγω του νόμου του Faraday. Έτσι, αν ο κινητήρας δεν έχει φορτίο, γυρίζει πολύ γρήγορα και επιταχύνει έως ότου το πίσω EMF, συν την πτώση τάσης λόγω απωλειών, ισούται με την τάση τροφοδοσίας. Το πίσω EMF μπορεί να θεωρηθεί ως «ρυθμιστής»: σταματάει τον κινητήρα να περιστρέφεται απείρως γρήγορα (εξοικονομώντας έτσι τους φυσικούς από κάποια αμηχανία). Όταν ο κινητήρας είναι φορτωμένος, τότε η φάση της τάσης πλησιάζει περισσότερο σε αυτή του ρεύματος (αρχίζει να φαίνεται ωμική) και αυτή η φαινομενική αντίσταση δίνει μια τάση. Έτσι, το πίσω emf που απαιτείται είναι μικρότερο και ο κινητήρας περιστρέφεται πιο αργά. (Για να προσθέσετε το πίσω emf, το οποίο είναι επαγωγικό, στο εξάρτημα αντίστασης, πρέπει να προσθέσετε τάσεις που είναι εκτός φάσης. Δείτε κυκλώματα AC.)

Τα πηνία έχουν συνήθως πυρήνες

Στην πράξη, (και σε αντίθεση με τα διαγράμματα που έχουμε σχεδιάσει), οι γεννήτριες και οι κινητήρες συνεχούς ρεύματος έχουν συχνά έναν πυρήνα υψηλής διαπερατότητας μέσα στο πηνίο, έτσι ώστε να παράγονται μεγάλα μαγνητικά πεδία από μέτρια ρεύματα. Αυτό φαίνεται στα αριστερά στο παρακάτω σχήμα στο οποίο τοστάτορες(οι μαγνήτες που είναι σταθεροί) είναι μόνιμοι μαγνήτες.

Οι μαγνήτες του στάτη, επίσης, θα μπορούσαν να κατασκευαστούν ως ηλεκτρομαγνήτες, όπως φαίνεται παραπάνω δεξιά. Οι δύο στάτορες τυλίγονται προς την ίδια κατεύθυνση έτσι ώστε να δώσουν ένα πεδίο στην ίδια κατεύθυνση και ο ρότορας έχει ένα πεδίο που αντιστρέφεται δύο φορές ανά κύκλο επειδή συνδέεται με βούρτσες, οι οποίες παραλείπονται εδώ. Ένα πλεονέκτημα του τυλιγμένου στάτη σε έναν κινητήρα είναι ότι μπορεί κανείς να φτιάξει έναν κινητήρα που λειτουργεί με εναλλασσόμενο ρεύμα ή συνεχές ρεύμα, το λεγόμενοκινητήρας γενικής χρήσης. Όταν οδηγείτε έναν τέτοιο κινητήρα με εναλλασσόμενο ρεύμα, το ρεύμα στο πηνίο αλλάζει δύο φορές σε κάθε κύκλο (επιπλέον των αλλαγών από τις βούρτσες), αλλά η πολικότητα των στάτη αλλάζει ταυτόχρονα, επομένως αυτές οι αλλαγές ακυρώνονται. (Δυστυχώς, όμως, υπάρχουν ακόμα πινέλα, παρόλο που τα έχω κρύψει σε αυτό το σκίτσο.)

Για να κατασκευάσετε αυτόν τον απλό αλλά παράξενο κινητήρα, χρειάζεστε δύο αρκετά ισχυρούς μαγνήτες (μαγνήτες σπάνιων γαιών με διάμετρο περίπου 10 mm θα ήταν καλοί, όπως και οι μαγνήτες μεγαλύτερης ράβδου), λίγο άκαμπτο χάλκινο σύρμα (τουλάχιστον 50 cm), δύο καλώδια με κλιπ κροκόδειλου στα δύο άκρα, μια μπαταρία φαναριού έξι volt, δύο κουτιά αναψυκτικών, δύο τετράγωνα ξύλα με κολλητική ταινία.

Φτιάξτε το πηνίο από άκαμπτο χάλκινο σύρμα, ώστε να μην χρειάζεται εξωτερική υποστήριξη. Άνεμος 5 έως 20 στροφές σε κύκλο με διάμετρο περίπου 20 mm και τα δύο άκρα να δείχνουν ακτινικά προς τα έξω σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αυτά τα άκρα θα είναι τόσο ο άξονας όσο και οι επαφές. Εάν το σύρμα έχει λάκα ή πλαστική μόνωση, αφαιρέστε το στα άκρα.

Με τα ρεύματα AC, μπορούμε να αντιστρέψουμε τις κατευθύνσεις του πεδίου χωρίς να χρειάζεται να χρησιμοποιήσουμε βούρτσες. Αυτά είναι καλά νέα, γιατί μπορούμε να αποφύγουμε το τόξο, την παραγωγή όζοντος και την ωμική απώλεια ενέργειας που μπορεί να συνεπάγονται οι βούρτσες. Επιπλέον, επειδή οι βούρτσες έρχονται σε επαφή μεταξύ των κινούμενων επιφανειών, φθείρονται.

Το πρώτο πράγμα που πρέπει να κάνετε σε έναν κινητήρα AC είναι να δημιουργήσετε ένα περιστρεφόμενο πεδίο. Το «συνηθισμένο» AC από μια υποδοχή 2 ή 3 ακίδων είναι μονοφασικό AC -- έχει μια ενιαία ημιτονοειδή διαφορά δυναμικού που παράγεται μόνο μεταξύ δύο καλωδίων -- του ενεργού και του ουδέτερου. (Σημειώστε ότι το καλώδιο γείωσης δεν μεταφέρει ρεύμα εκτός από την περίπτωση ηλεκτρικών βλαβών.) Με μονοφασικό AC, μπορεί κανείς να παράγει ένα περιστρεφόμενο πεδίο δημιουργώντας δύο ρεύματα εκτός φάσης χρησιμοποιώντας για παράδειγμα έναν πυκνωτή. Στο παράδειγμα που φαίνεται, τα δύο ρεύματα είναι 90° εκτός φάσης, επομένως η κατακόρυφη συνιστώσα του μαγνητικού πεδίου είναι ημιτονοειδής, ενώ η οριζόντια είναι ομοιοειδής, όπως φαίνεται. Αυτό δίνει ένα πεδίο που περιστρέφεται αριστερόστροφα.

(* Μου ζητήθηκε να το εξηγήσω αυτό: ούτε τα πηνία ούτε οι πυκνωτές έχουν την τάση σε φάση με το ρεύμα. Σε έναν πυκνωτή, η τάση είναι μέγιστη όταν το φορτίο τελειώσει να ρέει στον πυκνωτή και πρόκειται να αρχίσει να ρέει. Έτσι η τάση είναι πίσω από το ρεύμα. Σε ένα καθαρά επαγωγικό πηνίο, το πιο επαγωγικό ρεύμα είναι μεταβαλλόμενο. που είναι επίσης όταν το ρεύμα είναι μηδέν Η τάση (πτώση) είναι μπροστά από το ρεύμα Στα πηνία του κινητήρα, η γωνία φάσης είναι μάλλον μικρότερη από 90¡, επειδή η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική.

Σε αυτό το κινούμενο σχέδιο, τα γραφήματα δείχνουν τη χρονική διακύμανση των ρευμάτων στα κάθετα και οριζόντια πηνία. Η γραφική παράσταση των συστατικών του πεδίου Β_xκαι Β_yδείχνει ότι το διανυσματικό άθροισμα αυτών των δύο πεδίων είναι ένα περιστρεφόμενο πεδίο. Η κύρια εικόνα δείχνει το περιστρεφόμενο πεδίο. Δείχνει επίσης την πολικότητα των μαγνητών: όπως παραπάνω, το μπλε αντιπροσωπεύει έναν βόρειο πόλο και το κόκκινο ένα νότιο πόλο.

Εάν βάλουμε έναν μόνιμο μαγνήτη σε αυτή την περιοχή του περιστρεφόμενου πεδίου ή αν βάλουμε ένα πηνίο του οποίου το ρεύμα τρέχει πάντα προς την ίδια κατεύθυνση, τότε αυτό γίνεταισύγχρονος κινητήρας. Κάτω από ένα ευρύ φάσμα συνθηκών, ο κινητήρας θα περιστρέφεται με την ταχύτητα του μαγνητικού πεδίου. Εάν έχουμε πολλούς στάτορες, αντί για τα δύο μόνο ζεύγη που φαίνονται εδώ, τότε θα μπορούσαμε να το θεωρήσουμε ως βηματικό κινητήρα: κάθε παλμός μετακινεί τον ρότορα στο επόμενο ζεύγος ενεργοποιημένων πόλων. Θυμηθείτε την προειδοποίησή μου σχετικά με την εξιδανικευμένη γεωμετρία: οι πραγματικοί βηματικοί κινητήρες έχουν δεκάδες πόλους και αρκετά περίπλοκες γεωμετρίες!

Τώρα, επειδή έχουμε ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το επαγόμενο EMF σε ένα πηνίο - ή ακόμα και μόνο τα δινορεύματα σε έναν αγωγό - για να κάνουμε τον ρότορα μαγνήτη. Σωστά, αφού έχετε ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο, μπορείτε απλώς να βάλετε έναν αγωγό και να γυρίζει. Αυτό δίνει αρκετά από ταπλεονεκτήματα των επαγωγικών κινητήρων: χωρίς βούρτσες ή εναλλάκτη σημαίνει ευκολότερη κατασκευή, χωρίς φθορά, χωρίς σπινθήρες, χωρίς παραγωγή όζοντος και καμία από τις απώλειες ενέργειας που συνδέονται με αυτά.

Το κινούμενο σχέδιο στα δεξιά αντιπροσωπεύει ένακινητήρας κλουβιού σκίουρου. Το κλουβί του σκίουρου έχει (σε ​​αυτή την απλοποιημένη γεωμετρία, ούτως ή άλλως!) δύο κυκλικούς αγωγούς που ενώνονται με πολλές ευθείες ράβδους. Οποιεσδήποτε δύο ράβδοι και τα τόξα που τις ενώνουν σχηματίζουν ένα πηνίο – όπως υποδεικνύεται από τις μπλε παύλες στο κινούμενο σχέδιο. (Μόνο δύο από τα πολλά πιθανά κυκλώματα έχουν παρουσιαστεί, για λόγους απλότητας.)

Αυτό το σχηματικό δείχνει γιατί θα μπορούσαν να ονομαστούν κινητήρες σκίουρου κλουβιού. Η πραγματικότητα είναι διαφορετική: για φωτογραφίες και περισσότερες λεπτομέρειες. Το πρόβλημα με τους κινητήρες κλωβού επαγωγής και σκίουρου που εμφανίζονται σε αυτό το κινούμενο σχέδιο είναι ότι οι πυκνωτές υψηλής αξίας και υψηλής τάσης είναι ακριβοί. Μια λύση είναι ο κινητήρας «σκιασμένου πόλου», αλλά το περιστρεφόμενο πεδίο του έχει κάποιες κατευθύνσεις όπου η ροπή είναι μικρή και έχει την τάση να κινείται προς τα πίσω υπό ορισμένες συνθήκες. Ο καλύτερος τρόπος για να αποφευχθεί αυτό είναι να χρησιμοποιήσετε κινητήρες πολλαπλών φάσεων.

Η μονοφασική χρησιμοποιείται σε οικιακές εφαρμογές για εφαρμογές χαμηλής ισχύος, αλλά έχει ορισμένα μειονεκτήματα. Το ένα είναι ότι σβήνει 100 φορές το δευτερόλεπτο (δεν παρατηρείτε ότι τα φώτα φθορισμού τρεμοπαίζουν με αυτή την ταχύτητα επειδή τα μάτια σας είναι πολύ αργά: ακόμη και 25 φωτογραφίες ανά δευτερόλεπτο στην τηλεόραση είναι αρκετά γρήγορες ώστε να δίνουν την ψευδαίσθηση συνεχούς κίνησης.) Το δεύτερο είναι ότι δυσχεραίνει την παραγωγή περιστρεφόμενων μαγνητικών πεδίων. Για το λόγο αυτό, ορισμένες οικιακές συσκευές υψηλής ισχύος (μερικών kW) ενδέχεται να απαιτούν εγκατάσταση τριών φάσεων. Οι βιομηχανικές εφαρμογές χρησιμοποιούν ευρέως τριφασικό κινητήρα και ο τριφασικός επαγωγικός κινητήρας είναι ένα τυπικό εργαλείο για εφαρμογές υψηλής ισχύος. Τα τρία καλώδια (χωρίς να υπολογίζουμε τη γη) φέρουν τρεις πιθανές διαφορές δυναμικού που είναι εκτός φάσης μεταξύ τους κατά 120°, όπως φαίνεται στο παρακάτω κινούμενο σχέδιο. Έτσι τρεις στάτορες δίνουν ένα ομαλά περιστρεφόμενο πεδίο.

Αν κάποιος βάλει έναν μόνιμο μαγνήτη σε ένα τέτοιο σύνολο στάτορων, γίνεται ασύγχρονος τριφασικός κινητήρας. Το κινούμενο σχέδιο δείχνει ένα κλουβί σκίουρου, στο οποίο για λόγους απλότητας εμφανίζεται μόνο ένας από τους πολλούς βρόχους επαγόμενου ρεύματος. Χωρίς μηχανικό φορτίο, περιστρέφεται ουσιαστικά σε φάση με το περιστρεφόμενο πεδίο. Ο ρότορας δεν χρειάζεται να είναι κλωβός σκίουρου: στην πραγματικότητα, οποιοσδήποτε αγωγός που θα μεταφέρει δινορεύματα θα περιστρέφεται, τείνοντας να ακολουθεί το περιστρεφόμενο πεδίο. Αυτή η ρύθμιση μπορεί να δώσει ένακινητήρας επαγωγήςικανό για υψηλή απόδοση, υψηλή ισχύ και υψηλές ροπές σε ένα εύρος ρυθμών περιστροφής.

Ένα σύνολο πηνίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία ενός μαγνητικού πεδίου που μεταφράζεται, αντί να περιστρέφεται. Το ζεύγος των πηνίων στην παρακάτω κινούμενη εικόνα είναι παλμικό, από αριστερά προς τα δεξιά, έτσι η περιοχή του μαγνητικού πεδίου μετακινείται από αριστερά προς τα δεξιά. Ένας μόνιμος ή ηλεκτρομαγνήτης θα τείνει να ακολουθεί το πεδίο. Το ίδιο θα έκανε και μια απλή πλάκα αγώγιμου υλικού, επειδή τα δινορεύματα που προκαλούνται σε αυτήν (δεν φαίνεται) αποτελούν έναν ηλεκτρομαγνήτη. Εναλλακτικά, θα μπορούσαμε να πούμε ότι, από το νόμο του Faraday, ένα emf στη μεταλλική πλάκα προκαλείται πάντα έτσι ώστε να αντιτίθεται σε οποιαδήποτε αλλαγή στη μαγνητική ροή και οι δυνάμεις στα ρεύματα που κινούνται από αυτό το emf διατηρούν τη ροή στην πλάκα σχεδόν σταθερή. (Τα δινορεύματα δεν εμφανίζονται σε αυτό το κινούμενο σχέδιο.)