Alalisvoolumootor

Alalisvoolumootor (ka alalisvoolumasin) on elektrimootor, mis töötab alalisvooluga. 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. 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) Vastavalt Ohmi seadusele kehtib ankruahela pingete kohta diferentsiaalvõrrand: L A d i A ( t ) d t = − R A   i A ( t ) − U i n d + U A (1) {\displaystyle 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 d i A ( t ) d t = 0 {\displaystyle {\tfrac {\mathrm {d} i_{A}(t)}{\mathrm {d} t}}=0} , saame 0 = − R A ⋅ i A − U i n d + U A mis on U A = R A ⋅ i A + U i n d {\displaystyle 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 ⋅ i A + k 2 ⋅ ϕ ⋅ 2 π n (1a) {\displaystyle U_{A}=R_{A}\cdot i_{A}+k_{2}\cdot \phi \cdot 2\pi n\qquad {\text{(1a)}}} Konstantse pinge U A {\displaystyle U_{A}} ja ankruahela väikese takistuse R A {\displaystyle R_{A}} korral kui indutseeritav pinge (vastuelektromotoorjõud) U i n d {\displaystyle U_{\mathrm {ind} }} on väiksem kui U A {\displaystyle U_{A}} võime lihtsustatult väita, et konstantse pöördemomendi korral on pöörlemiskiirus n võrdeline ankrupingega. Vahemikus − U n i m i < U A < U n i m i {\displaystyle -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. Kui U A = U n i m i {\displaystyle U_{A}=U_{\mathrm {nimi} }} ja n = n n i m i {\displaystyle n=n_{\mathrm {nimi} }} , siis on mootor oma nimitööpunktis. Tööpunktist ülespoole (suurema kiiruse suunas) on konstantse (maksimaalsel võimalikul väärtusel piiratud) ankrupinge U A {\displaystyle U_{A}} korral võimalik kiirust suurendada üksnes magnetvoo ϕ {\displaystyle \phi \,} nõrgendamisega. Nõrgema magnetvälja korral on ka maksimaalne võimalik pöördemoment väiksem. Vastavalt Lorentzi jõule M = k 1 ⋅ ϕ ⋅ I A {\displaystyle M=k_{1}\cdot \phi \cdot I_{A}} on pöördemoment võrdeline ϕ {\displaystyle \phi \,} -ga ja järelikult väiksem. L E d i E d t = − R E   i E + u E (2) {\displaystyle L_{E}{\frac {\mathrm {d} i_{E}}{\mathrm {d} t}}=-R_{E}\ i_{E}+u_{E}\qquad {\text{(2)}}} u i n d = c A ⋅ ψ E ⋅ ω {\displaystyle u_{\mathrm {ind} }=c_{A}\cdot \psi _{E}\cdot \omega } ψ E = 1 N E L E   i E {\displaystyle \psi _{E}={\frac {1}{N_{E}}}L_{E}\ i_{E}} kus: i A {\displaystyle i_{A}\,} – ankruvool, u A {\displaystyle u_{A}\,} – ankrupinge, R A {\displaystyle R_{A}\,} – ankrumähise takistus, L A {\displaystyle L_{A}\,} – ankrumähise induktiivsus, u E {\displaystyle u_{E}\,} – ergutuspinge, i E   {\displaystyle i_{E}\ } – ergutusvool, R E   {\displaystyle R_{E}\ } – ergutusmähise takistus, L E {\displaystyle L_{E}\,} – ergutusmähise induktiivsus, N E {\displaystyle N_{E}\,} – ergutusmähiste arv, ω {\displaystyle \omega \,} – rootori nurkkiirus, u i n d   {\displaystyle u_{\mathrm {ind} }\ } – indutseeritav pinge (vastuelektromotoorjõud), ψ E   {\displaystyle \psi _{E}\ } – ergutusvoog, ϕ {\displaystyle \phi \,} – magnetvoog õhupilus, n {\displaystyle n\,} – pöörlemiskiirus, M {\displaystyle M\,} – pöördemoment, k 1 {\displaystyle k_{1}\,} ja k 2 {\displaystyle k_{2}\,} – masinakonstandid. Mehaanikaosa diferentsiaalvõrrandid eeldusel, et ergutusahelat pole arvesse võetud, on järgmised: d α d t = ω (3) {\displaystyle {\frac {\mathrm {d} \alpha }{dt}}=\omega \qquad {\text{(3)}}} J d ω d t = c A   ψ E   i A − τ L (4) {\displaystyle J{\frac {\mathrm {d} \omega }{dt}}=c_{A}\ \psi _{E}\ i_{A}-\tau _{L}\qquad {\text{(4)}}} kus: J {\displaystyle J\,} – ankru inertsimoment, mis sõltub ankru massijaotusest, α {\displaystyle \alpha \,} – ankru pöördenurk, ω {\displaystyle \omega \,} – ankru nurkkiirus, τ L {\displaystyle \tau _{L}\,} – mootori koormusmomentide summa (kaasaarvatud võlliga ühendatud koormus), c A {\displaystyle c_{A}\,} – masinakonstant. Lihtsustatult saame võrrandid välja kirjutada järgmiselt: U A = I A ⋅ R A + L A ⋅ d I A d t + U q {\displaystyle U_{A}=I_{A}\cdot R_{A}+L_{A}\cdot {\frac {dI_{A}}{dt}}+U_{q}} U E = I E ⋅ R E + L E ⋅ d I E d t {\displaystyle U_{E}=I_{E}\cdot R_{E}+L_{E}\cdot {\frac {dI_{E}}{dt}}} U q = c ⋅ n ⋅ Φ ( I E ) {\displaystyle U_{q}=c\cdot n\cdot \Phi (I_{E})} kus: U A {\displaystyle U_{A}\,} – ankrupinge U E {\displaystyle U_{E}\,} – ergutuspinge U q {\displaystyle U_{q}\,} – indutseeritud pinge ehk vastuelektromotoorjõud c {\displaystyle c} – masinakonstant Φ {\displaystyle \Phi } – põhivälja magnetvoog Seejuures tuleb mainida, et kõik eeltoodud võrrandid kirjeldavad alalisvoolumootorit lihtsustatult, sest ei võta arvesse magneetimiskõveraid ega kirjelda kommutaatori tööd. 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. Kommutaatormasin Ühefaasiline kommutaatormootor Harjavaba alalisvoolumootor Harjadeta alalisvoolumootorid Robotiehitamise juhis – alalisvoolumootor