Alalisvoolumootor

Alalisvoolumootor (ka alalisvoolumasin) on elektrimootor, mis töötab alalisvooluga.

Alalisvoolumootor

Püsimagnetergutusega alalisvoolumootori ristlõige

Harjadega alalisvoolumootor tekitab pöördemomendi alalisvoolu toiteallikast saadava energiaga, kasutades vaheldamiseks mehaanilist kommutaatorit ja püsimagnetite tekitatud staatori magnetvälja. Moment tekib Lorentzi jõu tõttu. Kuna sellise lihtne ühefaasilise rootoriga kahepooluselise mootori kommutaatoril on ainult kaks lamelli, siis väli vaheldub iga poolpöörde ehk 180 kraadi järel

Harjadega ehk kommutaatoriga alalisvoolumootor on kommutaatormasina alaliik, mis on ette nähtud tööks alalisvooluga. Sarnase ehituse ja tööpõhimõttega on ka vahelduvvoolu kommutaatormasinad, mida kasutatakse laialdaselt elektrilistes tööriistades (mikserid, trellid jms). Mõned kommutaatormootorid võivad töötada mõlema vooluliigiga ja neid nimetatakse universaalkommutaatormootoriteks.

Liigitus

Alalisvoolumootoreid liigitatakse vastavalt ergutusviisile:

• püsimagnetergutusega
• elektrilise ergutusega
  • sõltumatu ergutusega (toidetakse eraldi allikast)
  • jadaergutusega (ergutusmähised on ankrumähisega jadaühenduses)
  • rööpergutusega (ergutusmähised on ankrumähisega rööpühenduses)
  • segaergutusega (osad ergutusmähised on ankrumähisega jadaühenduses, osad rööpühenduses)

Alalisvoolumootorite matemaatilised alused

Alalisvoolumootori ankrumähise ja ergutusmähise (väljamähise) skeem

Vastavalt Ohmi seadusele kehtib ankruahela pingete kohta diferentsiaalvõrrand:

$L_{A}{\frac {\mathrm {d} i_{A}(t)}{\mathrm {d} t}}=-R_{A}\ i_{A}(t)-U_{\mathrm {ind} }+U_{A}\qquad {\text{(1)}}$

Kui eeldame, et vool ei muutu (on konstantne või hoitakse konstantsena), siis ${\tfrac {\mathrm {d} i_{A}(t)}{\mathrm {d} t}}=0$, saame

$0=-R_{A}\cdot i_{A}-U_{\mathrm {ind} }+U_{A}\quad {\text{mis on}}\quad U_{A}=R_{A}\cdot i_{A}+U_{\mathrm {ind} }$

Tulenevalt magnetilisest induktsioonist saame:

$U_{A}=R_{A}\cdot i_{A}+k_{2}\cdot \phi \cdot 2\pi n\qquad {\text{(1a)}}$

Konstantse pinge $U_{A}$ ja ankruahela väikese takistuse $R_{A}$ korral kui indutseeritav pinge (vastuelektromotoorjõud) $U_{\mathrm {ind} }$ on väiksem kui $U_{A}$ võime lihtsustatult väita, et konstantse pöördemomendi korral on pöörlemiskiirus n võrdeline ankrupingega.

Vahemikus $-U_{\mathrm {nimi} }<U_{A}<U_{\mathrm {nimi} }$ on seega pöörlemiskiirus n juhitav ankrupingega. Praktikas pole vool konstantne, vaid sõltub mehaanilisest koormusest (vt mehaanikaosa diferentsiaalvõrrand 4). Kuna nii mootor kui ka toiteallikas on piiratud võimsusega, tuleb voolu piirata väliste reguleerimisahelatega.

Magnetvälja nõrgendusala

Kui $U_{A}=U_{\mathrm {nimi} }$ ja $n=n_{\mathrm {nimi} }$, siis on mootor oma nimitööpunktis. Tööpunktist ülespoole (suurema kiiruse suunas) on konstantse (maksimaalsel võimalikul väärtusel piiratud) ankrupinge $U_{A}$ korral võimalik kiirust suurendada üksnes magnetvoo $\phi \,$ nõrgendamisega.

Nõrgema magnetvälja korral on ka maksimaalne võimalik pöördemoment väiksem.

Vastavalt Lorentzi jõule $M=k_{1}\cdot \phi \cdot I_{A}$ on pöördemoment võrdeline $\phi \,$-ga ja järelikult väiksem.

$L_{E}{\frac {\mathrm {d} i_{E}}{\mathrm {d} t}}=-R_{E}\ i_{E}+u_{E}\qquad {\text{(2)}}$

$u_{\mathrm {ind} }=c_{A}\cdot \psi _{E}\cdot \omega$

$\psi _{E}={\frac {1}{N_{E}}}L_{E}\ i_{E}$

kus:

$i_{A}\,$ – ankruvool,

$u_{A}\,$ – ankrupinge,

$R_{A}\,$ – ankrumähise takistus,

$L_{A}\,$ – ankrumähise induktiivsus,

$u_{E}\,$ – ergutuspinge,

$i_{E}\$ – ergutusvool,

$R_{E}\$ – ergutusmähise takistus,

$L_{E}\,$ – ergutusmähise induktiivsus,

$N_{E}\,$ – ergutusmähiste arv,

$\omega \,$ – rootori nurkkiirus,

$u_{\mathrm {ind} }\$ – indutseeritav pinge (vastuelektromotoorjõud),

$\psi _{E}\$ – ergutusvoog,

$\phi \,$ – magnetvoog õhupilus,

$n\,$ – pöörlemiskiirus,

$M\,$ – pöördemoment,

$k_{1}\,$ ja $k_{2}\,$ – masinakonstandid.

Mehaanikaosa diferentsiaalvõrrandid eeldusel, et ergutusahelat pole arvesse võetud, on järgmised:

${\frac {\mathrm {d} \alpha }{dt}}=\omega \qquad {\text{(3)}}$

$J{\frac {\mathrm {d} \omega }{dt}}=c_{A}\ \psi _{E}\ i_{A}-\tau _{L}\qquad {\text{(4)}}$

kus:

$J\,$ – ankru inertsimoment, mis sõltub ankru massijaotusest,

$\alpha \,$ – ankru pöördenurk,

$\omega \,$ – ankru nurkkiirus,

$\tau _{L}\,$ – mootori koormusmomentide summa (kaasaarvatud võlliga ühendatud koormus),

$c_{A}\,$ – masinakonstant.

Lihtsustatult saame võrrandid välja kirjutada järgmiselt:

$U_{A}=I_{A}\cdot R_{A}+L_{A}\cdot {\frac {dI_{A}}{dt}}+U_{q}$

$U_{E}=I_{E}\cdot R_{E}+L_{E}\cdot {\frac {dI_{E}}{dt}}$

$U_{q}=c\cdot n\cdot \Phi (I_{E})$

kus:

$U_{A}\,$ – ankrupinge

$U_{E}\,$ – ergutuspinge

$U_{q}\,$ – indutseeritud pinge ehk vastuelektromotoorjõud

$c$ – masinakonstant

$\Phi$ – põhivälja magnetvoog

Seejuures tuleb mainida, et kõik eeltoodud võrrandid kirjeldavad alalisvoolumootorit lihtsustatult, sest ei võta arvesse magneetimiskõveraid ega kirjelda kommutaatori tööd.

Tööpõhimõte

Harjadega alalisvoolumootorid töötavad alalispingel ning põhimõtteliselt ei vaja eraldi juhtelektroonikat, kuna kogu vajalik kommutatsioon toimub mootori sees. Mootori töötamise ajal libisevad kaks staatilist harja rootori pöörleval kommutaatoril ning hoiavad mähiseid pinge all. Mootori pöörlemissuuna määrab toitepinge polaarsus. Kui mootorit on vaja juhtida ainult ühes suunas, võib toitevoolu anda relee või muu lihtsa lülitusega, kui mõlemat pidi, siis kasutatakse H-silla-nimelist elektriskeemi. H-sillas tüürivad mootori pöörlemiseks vajalikku voolu neli transistori (või nende gruppi). H-silla elektriskeem meenutab H-tähte - sellest ka nimi. H-silla eripära seisneb mootorile mõlemat pidi polaarsuse rakendamise võimaluses.

Vaata ka

• Kommutaatormasin
• Ühefaasiline kommutaatormootor
• Harjavaba alalisvoolumootor
• Harjadeta alalisvoolumootorid

Välislingid

• Robotiehitamise juhis – alalisvoolumootor