Egyenáramú gép

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
„Villámdelejes forgony”, Magyar Iparművészeti Múzeum, az első forgó mozgást végző egyenáramú motor
Egyenáramú gép robbantott nézete

Az egyenáramú gépek a villamos gépek egyenárammal működő alaptípusát alkotják. Amennyiben a gép villamos energiát alakít mechanikai energiává, úgy egyenáramú motornak nevezzük, fordított esetben egyenáramú generátorról (dinamóról[1]) van szó. Minden egyenáramú gép mindkét üzemállapotban képes működni.

Az egyenáramú gépek fajtái[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az egyenáramú gépeket többféle szempont alapján lehet csoportosítani.

Pólusszám szerint:

  • homopoláris (egypólusú)
  • többpólusú

Ezek felépítésükben és működésükben is alapvetően eltérőek.

A Párhuzamos
B Soros
C Vegyes gerjesztésű elrendezés vázlata

Gerjesztés szerint:

  • Soros gerjesztésű
  • Párhuzamos gerjesztésű
  • Vegyes gerjesztésű
  • Független gerjesztésű

Kommutáció szerint:

  • Mechanikus kommutációjú szénkefés
  • Elektronikus kommutációjú kefe nélküli

Klasszikus értelemben az egyenáramú gépek a kefés, többpólusú egyenáramú gépeket jelentik, míg a kefe nélküli gépek valójában szinkron gépek, és csak az elektronikával együtt viselkednek egyenáramú gépként.

Egyszerű kétpólusú, kommutátoros egyenáramú motor[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A következő ábrán egy kétpólusú gép elvi felépítése látható:

Egyenáramú motor forgása
Electric motor cycle 1.png Electric motor cycle 2.png Electric motor cycle 3.png
Egyenáramú motor elvi felépítése és működése. Ha a tekercsben áram folyik, körülötte mágneses mező létesül, amely igyekszik az állórész mező irányába állni. A forgórész a kommutátorral együtt forog, a kefék az állórészhez rögzítettek, és a kommutátor egymástól elszigetelt lemezein csúsznak. Minden fél fordulatnál a stabil helyzet elérésekor a kommutátor megfordítja a tekercsben folyó áram irányát, így a forgás folytatódik.
Különféle méretű egyenáramú gépek

Az ábrán látható gép tehát úgy működik, hogy a forgórész pólusait félfordulatonként felcseréljük. Ezen egyszerű motor nagy problémája, hogy az általa szolgáltatott nyomaték a forgórész pozíciójának függvényében kétoldalasan egyenirányított szinuszhullámnak megfelelően változik, és így van nulla helyzete is, amikor a gép nem tud elindulni.

A gép természetesen generátorként is tud működni. Ha a tengelyt forgatjuk, a forgórész tekercsekben szinuszos váltakozó feszültség indukálódik. Mivel azonban a kommutátor a tekercs végeit félperiódusonként felcseréli, ezért a gép kapcsain kétoldalasan egyenirányított szinuszhullámot kapunk.

Az előbbiek alapján azt is észrevehetjük, hogy a kommutátorszeletek elhelyezése a tekercsekhez képest nem közömbös. Az elhelyezés a gép teljesítménye szempontjából akkor ideális, ha a tekercsek kapcsainak felcserélése motor esetében „nyomaték nulla”, illetve generátor esetében „indukált feszültség nulla” átmenetnél történik. E két pozíció egybeesik. Amennyiben a kommutátort vagy a keféket elforgatjuk, úgy a póluscsere nem nullátmenetben történik, és így a nyomaték, illetve az indukált feszültség középértéke csökken, ezzel csökken a gép teljesítménye is.


Klasszikus (többpólusú, kefés) egyenáramú gépek felépítése és működése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Klasszikus egyenáramú, gerjesztőtekerccsel ellátott motor felépítése

Az állórészen egyenáramú gerjesztőtekercsek helyezkednek el, amelyek körbefogják a főpólusok törzseit. A gép forgórészén úgynevezett egyenáramú tekercselés helyezkedik el. A tekercselést alkotó tekercsek végei a kommutátorra vannak kivezetve, amely a keféken keresztül csatlakozik a gép kapcsaihoz. A keféken és a kommutátoron keresztül a forgórész tekercselését olymódon kell megtáplálni, hogy a forgórész mágneses tere merőleges legyen az állórész mágneses terére.

Többpólusú, kommutátoros egyenáramú motor gyakorlati felépítése és működése[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A gyakorlatban az egyenáramú gépek felépítése az előbbiektől jelentősen különbözik a forgórészt illetőleg. A forgórész ugyanis hornyolt felépítésű, és a hornyokban helyezkedik el az úgynevezett egyenáramú tekercselés. Ez lehet hullámos vagy hurkos kivitelű. Mindkét esetben a tekercselés a kommutátorszeleteken keresztül rövidre van zárva. A rövidre zárt tekercselésbe annyi ponton lép be, illetve ki az áram, ahány kefével érintkezik a kommutátor. Két kefével rendelkező gép esetében tehát a rövidre zárt tekercselés táplálása úgy képzelhető el, mintha egy gyűrű két pontját egy feszültségforrás kapcsaira kötnénk, és így a gyűrűben két párhuzamos áramút alakul ki.

A frekvencia-feltétel értelmében a forgórész mágneses mezejét mindig a forgórész szögsebességének megfelelő szögsebességgel kell forgatni, csak azzal ellentétes irányban. Ez azt jelenti, hogy a forgórész mezejének az állórészhez képest nem szabad forognia. Ezt az álló állapotot közelítőleg a kommutátor hozza létre, amely egy adott tekercsoldalban megfordítja az áram irányát, ha az áthalad egy mágneses pólushatáron. Ezáltal a forgórész-mező mindig csak egy horonyosztásnyit fordulhat el az állórészhez képest, ezután az előbbi áramirány-váltás miatt helyreáll az elmozdulás előtti mágneses mező.

A gép akkor van jól megépítve, ha az állórész és a forgórész mágneses mezői egymásra "merőlegesek", azaz a 2p mágneses pólussal rendelkező gép esetében az állórész és a forgórész pólushatárai geometriailag 90/p fokra vannak egymástól.

Egyenáramú gépek jellemzői[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Párhuzamos gerjesztésű gép[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A párhuzamos gerjesztésű gépnél a gerjesztőtekercs egy nagy ellenállású sokmenetes tekercselés, amit a forgórésszel párhuzamosan kötünk, tehát a gép kapocsfeszültsége táplálja. Motor üzemben a terhelés hatására a felvett teljesítmény nő, a tengely fordulatszáma közel állandó. A motor hajtási tulajdonságait kizárólag a kapocsfeszültség változtatással lehet befolyásolni.

Generátor üzemben a tengelyt állandó fordulatszámmal hajtva a terhelés függvényében a kapocsfeszültség közel állandó. Induláskor a felgerjedés a Jedlik Ányos által leírt dinamóelv alapján történik. A kapocsfeszültséget kizárólag a tengely fordulatszámának változtatásával lehet befolyásolni.

Független gerjesztésű gép[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Szétszerelt állandó mágneses gép

A gerjesztőtekercselés a forgórésztől függetlenül kapja a táplálást, ami lehetővé teszi a gép hajtási viszonyainak befolyásolását, a gerjesztőáram segítségével. A független gerjesztésű gép speciális esetének tekinthető az állandó mágneses gép.

Motor üzemben a gép kapocsfeszültségének, vagy gerjesztőáramának szabályozásával szabályozható a gép üzemállapota.

Generátor üzemben a tengely fordulatszámának illetve a gerjesztőáram értékének változtatásával állítható be a kapocsfeszültség.

A gerjesztőáram változtatásával való szabályozás jelentősen alacsonyabb teljesítményszinten történhet, mint a tengelyfordulatszámmal, vagy kapocsfeszültséggel történő beavatkozás.

Soros gerjesztésű gép[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A gerjesztőtekercs a forgórésszel sorba van kapcsolva, ezért a gerjesztőáram, így a gép fluxusa a forgórészáramtól függ, ezért motorként a fordulatszáma a terhelés növelésével meredeken csökken, illetve az üresjárati fordulatszáma a gép veszteségei által korlátozott magas értékre áll be (a forgórész "túlpörög"), emiatt a nagy teljesítményű soros gerjesztésű motorokat terhelés nélkül nem szabad névleges kapocsfeszültséggel üzemeltetni.

A soros gerjesztésű gép generátoros üzemben csak speciális esetekben használható.

Univerzális motor[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A soros gerjesztésű motor jellegzetessége, hogy (mivel az álló- és forgórészen ugyanaz az áram folyik át) váltakozó áramú táplálásnál is üzemképes szénkefés motor készíthető ilyen felépítéssel. Az univerzális megnevezés ellenére egy 230 V 50 Hz táplálásra tervezett motor nem üzemképes 230 V egyenfeszültségű táplálás esetén. Az egyen- és váltakozó feszültségű táplálásra egyaránt méretezett motorok esetén feltüntetik a névleges egyen és váltakozó tápfeszültséget is.

A legjelentősebb szerkezeti eltérés az egyenáramú géphez képest, hogy a váltakozó áramú táplálás miatt az állórészt is lemezelt kivitelben kell elkészíteni.

Univerzális gépeket gyakran használják háztartási gépekben (kávédaráló, porszívó), kéziszerszámokban (fúrógépek, sarokcsiszolók, fűszegélynyírók), illetve vasúti vontatásban.

Armatúra visszahatás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Szemléltető ábra a forgórész mágnestér-torzulás szemléltetésére.
Vasporos szemléltető ábra a forgórész mágneses terének szemléltetésére.
Az armatúra visszahatás kialakulása és a kommutációs vonal elfordulása

A forgórész mágneses mezeje az állórész mágneses mezejével kölcsönhatásba lépve annak alakját a forgórész áramától (terheléstől) függő mértékben eltorzítja, amely a gép fluxusának csökkenéséhez, ezért motor üzemben a fordulatszám nemkívánt emelkedéséhez, generátor üzemben a kapocsfeszültség csökkenéséhez vezet, illetve a kommutációs viszonyokat rontja.

Ennek kiküszöbölése történhet a gép kivitelétől függően:

  • a légrés növelésével
  • a gerjesztőáram emelésével
  • az állórészen kialakított segédpólusokkal, amelyek a forgórész mágneses terének hatását kompenzálják
  • a főpólusok sarujában hornyokban kialakított kompenzáló tekercselésekkel
  • a kommutátor elfordításával (emiatt a kommutáció a módosult mágneses térben is a semleges vonalba esik).

Az egyenáramú motorok indítása[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az egyenáramú motorok indítóárama a névleges áram 10-30 szorosa is lehet, amely nem csak a hálózatot terheli meg, hanem a kommutátort és a motor szerkezeti részeit is túlterhelheti, ezért egyenáramú gépet közvetlenül tápfeszültségre kapcsolással csak egészen kis teljesítmények esetén lehet indítani.

Kézi motorindító berendezés 1917-ből, túlterhelés és feszültségkimaradás elleni védelemmel

A közvetlen hálózatra kapcsoláskor lökésszerű mechanikai és villamos igénybevételek lépnek fel, ami mechanikai lengéseket okozhat. Ezeket a hajtás méretezésekor figyelembe kell venni.[2]

Az indítóáram korlátozására az egyik módszer ellenállásokat sorba kötni a motorral, az indítási folyamat során az ellenállásokat fokozatosan rövidre zárva a motor áramát az elfogadható tartományban lehet tartani.

A korszerű elektronikus motorindító áramkörök lehetővé teszik az állandó árammal, meghatározott idő alatt, vagy a technológiai igények szerinti egyéb motorindítási karakterisztika automatikus kezelését.

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. A klasszikus "kerékpár dinamó" azonban egy állandó mágneses szinkrongenerátor
  2. mérés

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]