מנוע קבוע מסייע בבחירת מנועי DC ביישומי בקרת תנועה. מנועי DC מוברש וחסר מברשות הם בחירה טובה ביישומים רגישים להספק או צריכת יעילות.

הרבה פעמים, גיליון נתונים של מנוע DC או גנרטור יכלול את קבוע המנוע Km, שהוא רגישות המומנט חלקי השורש הריבועי של התנגדות הפיתול. רוב המעצבים רואים בתכונה מוטורית מהותית זו נתון אזוטרי בעל ערך שימושי רק למעצב המנוע, ללא ערך מעשי בבחירת מנועי DC.

אבל Km יכול לעזור להפחית את התהליך האיטרטיבי בבחירת מנוע DC מכיוון שהוא בדרך כלל בלתי תלוי בפיתול במנוע נתון בגודל מארז או מסגרת. אפילו במנועי DC ללא ברזל, שבהם Km תלוי בפיתול (בשל שינויים בגורם המילוי הנחושת) הוא נשאר כלי מוצק בתהליך הבחירה.

מכיוון ש-Km אינו מתייחס להפסדים במכשיר אלקטרומכני בכל הנסיבות, ה-Km המינימלי חייב להיות גדול מהמחושב כדי לטפל בהפסדים הללו. שיטה זו היא גם בדיקת מציאות טובה מכיוון שהיא מאלצת את המשתמש לחשב גם את הספק הקלט וגם את הספק הפלט.

קבוע המנוע מתייחס לאופי האלקטרומכני הבסיסי של מנוע או גנרטור. בחירת פיתול מתאים היא פשוטה לאחר קביעת מארז חזק מספיק או גודל מסגרת.

קבוע המנוע Km מוגדר כ:

Km = KT/R0.5

ביישום מנוע DC עם זמינות כוח מוגבלת ומומנט ידוע הנדרש בציר המנוע, יוגדר ה-Km המינימלי.

עבור יישום מנוע נתון, ה-Km המינימלי יהיה:

Km = T / (PIN – POUT)0.5

הכוח לתוך המנוע יהיה חיובי. PIN הוא פשוט מכפלה של הזרם והמתח, בהנחה שאין שינוי פאזה ביניהם.

PIN = VXI

הכוח שיצא מהמנוע יהיה חיובי, מכיוון שהוא מספק כוח מכני והוא פשוט תוצר של מהירות הסיבוב והמומנט.

POUT = ω XT

דוגמה של בקרת תנועה כוללת מנגנון הנעה מסוג גאנטרי. הוא משתמש במנוע DC ללא ליבה בקוטר 38 מ"מ. ההחלטה מתקבלת להכפיל את מהירות הסיבוב ללא שינוי במגבר. נקודת ההפעלה הקיימת היא 33.9 mN-m (4.8 oz-in.) ו-2,000 סל"ד (209.44 רד/שנייה) והספק המבוא הוא 24 וולט ב-1 A. יתר על כן, לא מתקבלת עלייה בגודל המנוע.

נקודת ההפעלה החדשה תהיה במהירות כפולה ובאותו מומנט. זמן ההאצה הוא אחוז זניח מזמן התנועה, ומהירות התנועה היא הפרמטר הקריטי.

חישוב הק"מ המינימלי

Km = T / (PIN – POUT)0.5

Km = 33.9 X 10-3 ננומטר / (24 VX 1A -

418.88 רד/שנייה X 33.9 X 10-3 ננומטר) 0.5

Km = 33.9 X 10-3 ננומטר / (24 W – 14.2 W) 0.5

Km = 10.83 X 10-3 Nm/√W

התחשב בסובלנות של קבוע המומנט והתנגדות המתפתל. לדוגמה, אם למקבוע המומנט ולהתנגדות הליפוף יש סובלנות של ±12%, במקרה הגרוע ביותר של Km יהיה:

KMWC = 0.88 KT/√(RX 1.12) = 0.832 Km

או כמעט 17% מתחת לערכים הנומינליים עם סלילה קרה.

חימום מתפתל יפחית עוד יותר את ק"מ מכיוון שהתנגדות הנחושת עולה כמעט ב-0.4%/°C. וכדי להחמיר את הבעיה, השדה המגנטי ייחלש עם עליית הטמפרטורות. בהתאם לחומר המגנט הקבוע, זה יכול להיות עד 20% עבור עלייה של 100 מעלות צלזיוס בטמפרטורה. הנחתה של 20% עבור עליית טמפרטורת מגנט ב-100 מעלות צלזיוס מיועדת למגנטי פריט. ניאודימיום-בורון-ברזל מכיל 11%, ובקובלט סמריום כ-4%.

מעניין שעבור אותו כוח כניסה מכני, אם היעד הוא יעילות של 88%, ה-Km המינימלי יעבור מ-1.863 Nm/√W ל-2.406 Nm/√W. זה שווה ערך לאותה התנגדות פיתול אבל קבוע מומנט גדול ב-29%. ככל שהיעילות הרצויה גבוהה יותר, כך ה-Km הנדרש גבוה יותר.

אם במקרה של יישום המנוע ידוע הזרם המרבי הזמין ועומס המומנט הגרוע ביותר, חשב את קבוע המומנט הקביל הנמוך ביותר על ידי שימוש

KT = T/I

לאחר מציאת משפחת מנועים עם ק"מ מספיק, בחר בפיתול בעל קבוע מומנט העולה במעט על המינימום. לאחר מכן התחל לקבוע אם הפיתול יפעל בצורה משביעת רצון, בכל המקרים של סובלנות ומגבלות יישום.

ברור, בחירת מנוע או גנרטור על ידי קביעת תחילה את ה-Km המינימלי ביישומי גנרטורים רגישים להספק ומאתגרי יעילות יכולה להאיץ את תהליך הבחירה. השלב הבא יהיה לבחור פיתול מתאים ולוודא שכל פרמטרי היישום ומגבלות המנוע/גנרטור מקובלים, כולל שיקולי סובלנות לליפוף.

בגלל סובלנות ייצור, השפעות תרמיות והפסדים פנימיים, יש לבחור תמיד ב-Km קצת יותר גדול ממה שהיישום דורש. יש צורך בכמות מסוימת של קו רוחב מכיוון שאין מספר אינסופי של וריאציות מתפתלות זמינות מנקודת מבט מעשית. ככל שה-Km גדול יותר, כך הוא סלחן יותר בעמידה בדרישות של יישום נתון.

באופן כללי, יעילות מעשית מעל 90% עשויה להיות כמעט בלתי ניתנת להשגה. למנועים ולגנרטורים גדולים יותר יש הפסדים מכניים גדולים יותר. זה נובע ממיסבים, תנועות רוח והפסדים אלקטרומכניים כמו היסטרזיס וזרמי מערבולת. למנועים מסוג מברשת יש גם הפסדים ממערכת הקומוטציה המכנית. במקרה של העברת מתכת יקרה, הפופולרית במנועים חסרי ליבה, ההפסדים יכולים להיות קטנים ביותר, פחות מהפסדי המיסבים.

למנועי DC ולגנרטורים ללא ברזל אין כמעט היסטרזיס והפסדי זרם מערבולת בגרסת המברשת של עיצוב זה. בגרסאות נטולות המברשת, ההפסדים הללו, למרות שהם נמוכים, קיימים. הסיבה לכך היא שהמגנט מסתובב בדרך כלל ביחס לברזל האחורי של המעגל המגנטי. זה גורם לאובדן זרם מערבולת והיסטרזיס. עם זאת, ישנן גרסאות DC ללא מברשות שהמגנט והמגהץ האחורי נעים ביחד. במקרים אלה, ההפסדים בדרך כלל נמוכים.