Moottorivakio auttaa valitsemaan tasavirtamoottoreita liikkeenohjaussovelluksiin. Harjalliset ja harjattomat tasavirtamoottorit ovat hyvä valinta tehoherkissä tai tehokkuutta vaativissa sovelluksissa.

Usein tasavirtamoottorin tai generaattorin datalehdessä mainitaan moottorin vakio Km, joka on vääntömomentin herkkyys jaettuna käämityksen resistanssin neliöjuurella. Useimmat suunnittelijat pitävät tätä moottorin ominaisuutta esoteerisena arvolukuna, josta on hyötyä vain moottorisuunnittelijalle, eikä sillä ole käytännön arvoa tasavirtamoottorien valinnassa.

Mutta Km voi auttaa vähentämään iteratiivista prosessia tasavirtamoottorin valinnassa, koska se on yleensä käämityksestä riippumaton tietyssä tapauksessa tai runkokoossa. Jopa raudattomissa tasavirtamoottoreissa, joissa Km riippuu käämityksestä (kuparitäyttökertoimen vaihteluiden vuoksi), se on edelleen vankka työkalu valintaprosessissa.

Koska Km ei käsittele sähkömekaanisen laitteen häviöitä kaikissa olosuhteissa, vähimmäis-Km:n on oltava suurempi kuin laskettu arvo näiden häviöiden huomioimiseksi. Tämä menetelmä on myös hyvä todellisuuden tarkistus, koska se pakottaa käyttäjän laskemaan sekä tulo- että lähtötehon.

Moottorivakio kuvaa moottorin tai generaattorin perussähkömekaanista luonnetta. Sopivan käämityksen valinta on yksinkertaista, kun on määritetty riittävän tehokas kotelo tai runkokoko.

Moottorivakio Km määritellään seuraavasti:

Km = kt/R0,5

Tasavirtamoottorisovelluksessa, jossa tehon saatavuus on rajoitettua ja moottorin akselilla vaadittava vääntömomentti tiedetään, asetetaan vähimmäisarvo Km.

Tietyssä moottorisovelluksessa vähimmäiskilometrit ovat:

Km = T / (tappi – ulos)0,5

Moottoriin tuleva teho on positiivinen. PIN on yksinkertaisesti virran ja jännitteen tulo olettaen, ettei niiden välillä ole vaihesiirtoa.

PIN = VXI

Moottorista tuleva teho on positiivinen, koska se syöttää mekaanista tehoa ja on yksinkertaisesti pyörimisnopeuden ja vääntömomentin tulo.

POUT = ω XT

Liikkeenohjausesimerkki sisältää gantry-tyyppisen käyttömekanismin. Siinä käytetään halkaisijaltaan 38 mm:n ytimetöntä tasavirtamoottoria. Päätös on kaksinkertaistaa kääntönopeus ilman vahvistimen muutoksia. Nykyinen toimintapiste on 33,9 mN-m ja 2 000 rpm (209,44 rad/s) ja syöttöteho on 24 V ja 1 A. Lisäksi moottorin koon kasvattaminen ei ole hyväksyttävää.

Uusi toimintapiste on kaksinkertainen nopeus ja sama vääntömomentti. Kiihdytysaika on mitätön prosenttiosuus liikeajasta, ja kääntönopeus on kriittinen parametri.

Vähimmäiskilometrien laskeminen

Km = T / (tappi – ulos)0,5

km = 33,9 x 10⁻³ Nm / (24 V x 1A -

418,88 rad/s × 33,9 × 10⁻³ Nm) 0,5

km = 33,9 x 10⁻³ Nm / (24 W – 14,2 W) 0,5

km = 10,83 x 10⁻³ Nm/√W

Ota huomioon vääntömomenttivakion ja käämitysvastuksen toleranssit. Jos esimerkiksi vääntömomenttivakion ja käämitysvastuksen toleranssit ovat ±12 %, pahimmassa tapauksessa Km on:

KMWC = 0,88 kt/√(RX 1,12) = 0,832 km

tai lähes 17 % nimellisarvoja alhaisempi kylmällä käämityksellä.

Käämityksen kuumeneminen pienentää Km:ää entisestään, koska kuparin resistiivisyys nousee lähes 0,4 %/°C. Ongelmaa pahentaa se, että magneettikenttä vaimenee lämpötilan noustessa. Kestomagneetin materiaalista riippuen tämä voi olla jopa 20 % 100 °C:n lämpötilan nousulla. Ferriittimagneeteilla on 20 %:n vaimennus 100 °C:n magneetin lämpötilan nousulla. Neodyymi-boori-rauta-seoksessa on 11 % ja samariumkoboltti-seoksessa noin 4 %.

Mielenkiintoista kyllä, jos samalla mekaanisella syöttöteholla tavoitteena on 88 %:n hyötysuhde, niin pienin mahdollinen kilometrimäärä nousisi 1,863 Nm/√W:sta 2,406 Nm/√W:iin. Tämä vastaa samaa käämivastusta, mutta 29 % suurempaa vääntömomenttivakiota. Mitä suurempi hyötysuhde on haluttu, sitä suurempi on vaadittava kilometrimäärä.

Jos moottorisovelluksen tapauksessa suurin käytettävissä oleva virta ja pahimman mahdollisen momenttikuorman suuruus tunnetaan, laske pienin hyväksyttävä momenttivakio käyttämällä yhtälöä

KT = T/I

Kun olet löytänyt moottoriperheen, jonka momenttivakio on riittävä, valitse käämi, jonka vääntömomenttivakio on hieman suurempi kuin minimiarvo. Aloita sitten sen määrittäminen, toimiiko käämi tyydyttävästi kaikissa toleranssien ja sovellusrajoitusten tapauksissa.

Tehoherkissä moottori- ja hyötysuhdetta vaativissa generaattorisovelluksissa moottorin tai generaattorin valintaprosessia voi selvästi nopeuttaa määrittämällä ensin vähimmäiskilometrimäärän. Seuraava vaihe on sitten sopivan käämin valinta ja sen varmistaminen, että kaikki sovellusparametrit ja moottorin/generaattorin rajoitukset ovat hyväksyttäviä, mukaan lukien käämitoleranssit.

Valmistustoleranssien, lämpövaikutusten ja sisäisten häviöiden vuoksi Km-arvo tulisi aina valita jonkin verran sovelluksen vaatimuksia suurempi arvo. Tietty liikkumavara on tarpeen, koska käytännössä ei ole olemassa ääretöntä määrää käämitysvariaatioita. Mitä suurempi Km on, sitä anteeksiantavaisemmin se täyttää tietyn sovelluksen vaatimukset.

Yleisesti ottaen yli 90 %:n käytännön hyötysuhteet voivat olla käytännössä saavuttamattomia. Suuremmissa moottoreissa ja generaattoreissa on suuremmat mekaaniset häviöt. Tämä johtuu laakeri-, tuulenvastus- ja sähkömekaanisista häviöistä, kuten hystereesistä ja pyörrevirroista. Harjamoottoreissa on myös häviöitä mekaanisesta kommutointijärjestelmästä. Jalometallikommutoinnin tapauksessa, joka on suosittu ytimettömien moottoreiden kohdalla, häviöt voivat olla erittäin pieniä, pienempiä kuin laakerihäviöt.

Raudattomissa tasavirtamoottoreissa ja -generaattoreissa ei ole käytännössä lainkaan hystereesi- ja pyörrevirtahäviöitä tämän mallin harjallisessa versiossa. Harjattomissa versioissa nämä häviöt, vaikkakin pienet, ovat olemassa. Tämä johtuu siitä, että magneetti yleensä pyörii magneettipiirin takarautaan nähden. Tämä aiheuttaa pyörrevirta- ja hystereesihäviöitä. On kuitenkin olemassa harjattomia tasavirtaversioita, joissa magneetti ja takarauta liikkuvat yhdessä. Näissä tapauksissa häviöt ovat yleensä pienet.