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Overview

출처: 알리 바지, 코네티컷 대학교 전기 공학학과, 스토스, CT.

DC 기계는 AC 전류와 전압이 필요한 AC 기계와 달리 DC 전류 및 전압으로 작동합니다. DC 기계는 DC 전류에 의해 제어되는 두 개의 자기장을 발명하고 활용하는 최초의 기계입니다. DC 기계에 필드와 아마추어라는 두 개의 필드가 있기 때문에 적절한 필드 여기를 사용할 수 있는 경우 동일한 기계를 모터 또는 발전기로 쉽게 재구성할 수 있습니다. 필드는 일반적으로 stator 측에 있고 뼈대는 로터 측에 있습니다 (AC 기계에 비해 반대 또는 내부 아웃). 필드 여기는 영구 자석 또는 권선 (코일)에 의해 제공 될 수있다. 현재가 뼈 대또는 로터 코일에 적용되면 DC 소스에서 코일로 전달되어 브러시를 터치하는 회전 로터에 고정된 고정 및 슬립 링이 장착된 브러시를 통과합니다. 로터 뼈가 전류 운반 루프이고, 스테이터 또는 필드 자석에서 외부 필드에 노출되면, 힘이 루프에 가해된다. 루프가 베어링을 사용하여 모터의 양쪽에 "매달려"있기 때문에 힘은 다른 방향으로 이동하기보다는 로터의 샤프트를 회전하는 토크를 생성합니다.

이 회전으로 인해 자기장이 정렬되지만 동시에 슬립 링이 브러시의 측면을 전환하거나 "통근"하는 것이 통근 프로세스라고 합니다. 이 통근이 발생하면 로터 코일의 전류 흐름이 반전되고 자기장은 서로 반대하여 동일한 회전 방향으로 더 많은 토크를 일으킵니다. 이 공정은 계속되고 로터 샤프트가 회전하여 모터 동작을 제공합니다. 발전기 작동에서, 기계적 회전은 자기장 하에서 이동 코일로 인해 유도된 후 로터 샤프트및 전류 흐름이 로터에서 흘러나온다.

이 실험에서 논의된 기계에는 영구 자석이 아닌 필드 권선이 있습니다. DC 기계 작동에서 중요한 통근 프로세스는 미끄러짐 링과 브러시를 사용하여 로터(아마추어)에서 외부 세계로 에너지를 전송하는 데 는 회전선이 회전하고 회전하는 전선이 비틀어 부서지기 때문에 외부 세계로 에너지를 전달합니다. 그러나 이러한 브러시및 슬립 링은 정기적인 유지 보수, 브러시 교체, 청소가 필요하고 촉발될 수 있으므로 주요 신뢰성 단점이 있습니다. 이로 인해 대부분의 DC 기계를 AC 기계로 교체하고 나머지 DC 기계에는 장난감및 간단한 저전동 공구와 같은 영구 자석 필드 여기가 있습니다. 브러시리스 DC 기계(또는 BLDC)라고 불리는 AC 기계는 DC 소스 및 전원 전자 인버터를 사용하여 인버터에서 AC 전압을 제거하는 AC 기계입니다.

이 실험의 목적은 션트와 시리즈라는 두 가지 주요 DC 컴퓨터 구성을 테스트하는 것입니다. 테스트는 기계의 잔류 플럭스를 추정하고 다양한 구성의 부하 및 적재 특성을 연구하기 위한 것입니다.

Principles

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DC 기계의 네 가지 주요 구성이 존재합니다: 별도로 흥분, 션트, 시리즈 및 화합물. 이러한 구성은 필드 여기의 위치에 따라 분류되며, 여기서 필드는 모터 또는 발전기로 기계를 작동하는 데 필요한 자기장 중 하나입니다. 필드 권선은 DC 소스에 의해 구동되기 때문에 해당 소스는 DC 모터의 뼈를 구동하는 것과 동일하거나 분리 될 수 있습니다. 분리된 경우 기기는 "별도로 흥분"이라고 하며, 그렇지 않을 경우 모터 회로에서 구불 구불 구불구하는 필드의 위치는 어떤 유형의 구성인지 결정합니다. 필드 권선이 뼈권 과 병행하여 배치되어 뼈대에게 전력을 공급하는 동일한 전압 원을 볼 수 있다면 기계는 병렬 또는 션트 구성에 있습니다.

필드 권선이 뼈대 권선과 연이어 계면 전류 흐름이 동일하므로 기계는 계열 구성에 있습니다. 두 권선, 즉 션트 및 시리즈 권선사용이 모두 사용가능한 경우 기계가 복합 구성에 있습니다. 별도로 흥분된 구성은 뼈대와 독립적이며 자동 제어를 통해 다양한 부하를 지원하기 위해 조절할 수 있습니다. 그러나 션트, 계열 및 복합 구성은 동일한 뼈 소스에서 전류를 끌어들이므로 부하 및 뼈 전압 변동의 영향을 받습니다.

필드 여기가 없는 경우, 기계내의 잔류 자기장(λR)으로인한 잔류 자성은 경미한 필드 내분에 대한 원천역할을 한다. 이는 ω이 기계의 기계적 속도인"KIFω"에 추가되는 백 e.m.f.(EA)방정식Rω"에서 추가 용어로 표현될 수 있다. 복합 DC 기계의 경우 EA는

EA= KshIFshω+ K seIFseω+ λ Rω, (1)

여기서"se"는 시리즈를 의미,"sh"는 션트에 대한 의미, K 용어는 다시 e.m.f에 필드 전류 및 기계적 속도와 관련된 필드 상수입니다. 포화 한도에 도달할 때까지 K 값이 일정하며, 그 후 EA가 특정 값으로 포화됩니다.

이상적으로, λR은 0으로 가정되지만, 이것은 현실적이지 않습니다. λR을결정하기 위해 DC 기계는 션트 또는 계열 여기가 없고 부하없이 발전기로 실행됩니다. 따라서, 단말 전압은 VA=EA를측정한다. ω을 측정하는 경우 λR을 결정할 수 있습니다. EA는 DC 기계의 특징적인 전압으로, 뼈전압을 카운터하여 전류를 기계로 제한합니다. 모터 작동에서, EA는 뼈 전압보다 적고, EA가 높을수록 뼈가 적은 전류 무승부로 이어집니다. 그것은 수학식 1에 표시된 샤프트 속도에 따라 달라 지므로 EA가 높아서 더 빠른 속도 작동이 발생합니다. 발전기 어플리케이션에서 EA는 아마추어 대 필드에서 하나의 자기장을 회전하여 유도된 전압입니다.

션트 머신의 경우 방정식 1은 여전히 유지되지만 Fse는 0으로 설정됩니다. 계열 기계의 경우 방정식 1은 여전히 유지되지만 IFsh는 0으로 설정됩니다. 복합 기계는 션트와 계열이 모두 연결되어 있으며 길이 또는 짧은 형태로 연결할 수 있습니다. 두 필드가 모두 존재하면 그 효과는 뼈대에서 볼 수 있듯이 서로 를 합산하거나 반대할 수 있으며 이러한 구성을 누적 또는 차등이라고 합니다. 이러한 구성은 계열 필드 전후의 션트 필드의 위치를 변경하고 필드 전류가 각각의 점을 입력하거나 떠나도록 함으로써 달성될 수 있습니다. 도 1-4는 네 가지 구성을 모두 표시합니다.

Figure 1
그림 1: 누적 된 긴 화합물 구성의 회로도.

Figure 2
그림 2: 누적 짧은 화합물 구성의 회로도입니다.

Figure 3
그림 3: 차동 긴 화합물 구성의 회로도.

Figure 4
그림 4: 차동 짧은 화합물 구성의 회로도입니다.

이 실험의 목표는 계열 및 션트 구성 DC 모터의 전류, 전압 및 부하 관계를 비교하는 것입니다. 이 데모에서는 하나의 고전력 DC 전원 공급 장치만 사용할 수 있기 때문에 별도로 흥분된 작동은 적용되지 않습니다. 션트 및 시리즈 구성의 경우 DC 발전기의 주요 이동은 속도를 1800 RPM으로 조절하는 동기 모터입니다. IA 또는 IFsh와같은 DC 전류 측정이 필요할 때마다 현재 모드에서 디지털 멀티 미터를 사용합니다(멀티 미터의 단말이 현재 구성에 있는지 확인).

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Procedure

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1. DC 테스트

  1. 저전력 DC 전원 공급 장치가 0.8A로 제한되면 공급 단자기를 DC 기계 아마추어에 연결합니다.
  2. 공급의 DC 전압 및 전류 판독값을 기록합니다.
  3. 각 권선의 저항을 추정합니다.
  4. 다른 권선, 션트 필드 및 시리즈 필드를 한 번에 하나씩 반복합니다.
  5. 전원이 공급되지 않습니다.
  6. 내장 된 필드 로스트를 최대 저항으로 설정하고 저항을 측정합니다.
  7. 계열 필드 로스트(외부)를 최대 저항성으로 설정하고 저항을 측정합니다.

2. 프라임 무버 셋업 과 잔류 자성

이 실험의 프라임 무버는 DC 발전기 로터 (아마추어)를 회전하는 모터로 작동하는 동기 기계입니다.

  1. 3상 분리 스위치, 동기모터 스위치 및 DC 모터 스위치가 모두 꺼져 있는지 확인합니다.
  2. VARIAC가 0%에 있는지 확인합니다.
  3. VARIAC를 3상 출구로 연결하고 도 5에 도시된 설정을 연결한다.
  4. "시작/실행" 스위치가 "시작" 위치에 있는지 확인합니다.
  5. 3단계 연결 해제 스위치를 켭니다.
  6. 고전압 DC 전원 공급 장치를 켭니다.
  7. 모든 연결이 공급 터미널에서 명확한지 확인합니다.
  8. 공급의 "V/I DIS" 버튼을 눌러 전압 및 현재 작동 지점을 표시합니다. 전압 노브를 125 V로 조정합니다.
    1. 시작 버튼을 누르지 마십시오.
  9. DC 전원 공급 장치 패널의 "시작" 버튼을 누릅니다.
  10. VAC1이 120 V를 읽을 때까지 VARIAC 출력을 천천히 늘립니다.
  11. 동기 모터가 정상 상태 속도에 도달하면 시작/실행 스위치를 실행 위치로 전환합니다.
  12. 스트로브 라이트를 사용하여 회전 속도를 측정하고 기록하고 VA를기록합니다.
  13. DC 전원 공급 장치를 끄고 VARIAC를 0%로 반환합니다.
  14. "시작/실행" 스위치를 "시작"으로 재설정합니다.
  15. 3단계 연결 해제 스위치를 끕니다.

Figure 5
그림 5: 프라임 무버를 설정하는 방법에 대한 회로도.

3. DC 션트 생성기 특성화

  1. DC 발전기 측에서는 도 6에 도시된 바와 같이 뼈밭과 병렬로 션트 필드를 연결한다.
  2. RFsh(내선)에내장된 리오스트를 사용하고 다미터를 심미터로 사용하여 IFsh를 측정합니다.
  3. "S1"을열어 부하 없는 테스트를 유지합니다.
  4. "RFsh(내세요)"를 최대 저항에 보관하십시오.
  5. 3단계 연결 해제 스위치를 켭니다.
  6. DC 전원 공급 장치 패널의 "시작" 버튼을 누릅니다.
  7. VAC1이 120 V를 읽을 때까지 VARIAC 출력을 천천히 늘립니다.
  8. 동기 모터가 정상 상태 속도에 도달하면 "시작/실행" 스위치를 "실행" 위치로 전환합니다.
  9. 다른 곳에서 설명된 스트로브 라이트 기술을 사용하여 샤프트 속도를 측정합니다.
  10. DC 발전기 측의 이 부하 없음 조건에서 VA를 기록합니다.
  11. VA에서 생성된 전압이 약 150V가 될 때까지 RFsh(내축)를 줄입니다.
  12. 그 시점이후에는 최소 저항에 도달할 때까지 거의 동일한 5단계로 "RFsh(내선)"를줄입니다.
    1. 각 단계에 대해 VA를 측정하고 Fsh를 측정합니다.
  13. RFsh(내축)를 최소 값으로 둡니다.
  14. DC 전원 공급 장치를 끕니다.
  15. VARIAC 출력을 0%로 줄입니다.
  16. I Fsh 측정에서 암미터를 이동하여 IA를측정합니다.
  17. 앞서 설명한 대로 설정을 다시 시작합니다.
  18. RL을 Ω 300으로 설정하고 "S1"을켭니다. 측정 VA IA.
  19. "S1"을끄고 RL을 200 Ω 설정한 다음 "S1"을켭니다. 측정 VA,그리고 나는A.
  20. "S1"을끄고 RL을 100 Ω 설정한 다음 "S1"을켭니다. 측정 VA,그리고 나는A.
  21. DC 전원 공급 장치를 끄고 VARIAC 출력을 0%로 설정합니다.
  22. 설정의 동기 발생기 측면을 그대로 유지합니다.
  23. DC 생성기 연결을 분리합니다.
  24. "시작/실행" 스위치를 "시작"으로 재설정합니다.
  25. 3단계 연결 해제 스위치를 끕니다.

Figure 6
그림 6: 션트 DC 생성기 설정의 회로도.

4. DC 시리즈 발전기 특성화

  1. DC 발전기 측에서는 도 7에 도시된 대로 계열 필드를 아마추어 필드와 연열로 연결합니다.
    1. RFse(내선)에대한 외부 로스트를 사용합니다.
    2. 내장 된 류로스타를 RL로 사용하고 최대 저항에 있습니다.
    3. "S1"을열어 부하 없는 테스트를 유지합니다.
    4. RFse(내세요)를 최대 저항상태로 유지합니다.
  2. 3단계 연결 해제 스위치를 켭니다.
  3. DC 전원 공급 장치 패널의 "시작" 버튼을 누릅니다.
  4. VAC1이 120 V를 읽을 때까지 VARIAC 출력을 천천히 늘립니다.
  5. 동기 모터가 정상 상태 속도에 도달하면 "시작/실행" 스위치를 "실행" 위치로 전환합니다.
    1. DC 발전기 측의 이 부하 없음 조건에서 VA를 측정합니다.
  6. "S1"을켜고 0이 아닌 VA를보려면 필요에 따라 RFse(내선)를 줄입니다.
  7. 50% 설정에 도달하고 300 Ω로 설정하고 "S1"을켜기 전까지 5개의 거의 동일한 단계로 RL을 다양하게 설정합니다. 속도, VA및 I를 측정합니다.
    1. "S1"을끄고 RL을 200 Ω 설정한 다음 "S1"을켭니다. 속도, VA및 I를 측정합니다.
    2. "S1"을끄고 RL을 100 Ω 설정한 다음 "S1"을켭니다. 속도, VA및 I를 측정합니다.
  8. DC 전원 공급 장치를 끕니다.
    1. VARIAC 출력을 0%로 설정합니다.
    2. 설정의 동기 발생기 측면을 그대로 유지합니다.
    3. DC 생성기 연결을 분리합니다.
    4. "시작/실행" 스위치를 "시작"으로 재설정합니다.
  9. 3단계 연결 해제 스위치를 끕니다.
  10. 모든 전선과 미터를 분해합니다.

Figure 7
그림 7: 시리즈 DC 생성기 설정의 회로도.

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DC Motors, 소형 장난감 및 충전식 전동 공구에서 전기 자동차에 이르기까지 장비를 구동합니다. 이 전기 기계 기계는 뼈대라고 불리는 내부 전도성 코일과 고정기라고 불리는 외부 자석으로 구성됩니다. DC 소스는 통근기 슬리퍼를 통해 뼈대에게 전류를 제공합니다. 전자기력을 유도하고 루프의 회전을 허용합니다. 전자기력의 크기는 자기장과 코일 사이의 각도에 따라 달라지므로 회전이 있는 토크의 변동이 발생합니다. 뼈 대 주위에 간격을 두는 여러 권선, 토크 변동을 최소화하고, 전원 공급 장치를 단락 통근자 형태를 방지할 수 있습니다. 통근기 슬리퍼는 주기적으로 코일을 통해 전류의 방향을 전환하여 자기장의 정렬을 더욱 방지합니다. 이 비디오는 DC 모터 구성을 소개하고 다양한 부하를 가진 속도, 전류 및 전압과 같은 DC 모터 성능 특성의 측정을 보여줍니다.

영구 자석 스테이터는 DC 기계에서 가장 일반적이지만, 주체 자기장이 도체 권선을 통해 생성될 때, 속도 및 토크 출력과 같은 성능 특성은 전기장 설계를 통해 수정될 수 있다. 예를 들어, 속도는 전기 모터 힘 또는 EMF라고 하는 모터에 의해 개발된 전압과 관련이 있다. 마찬가지로 토크는 전류에 비례합니다. 이러한 특성은 모터의 설계에 따라 다르며 특정 용도에 대해 선택한 모터 설계에 영향을 미칩니다. DC 기계의 4가지 기본 전자 구성은 별도로 흥분, 션트, 시리즈 및 화합물입니다. 별도로 흥분된 모터는 필드와 아마추어에 별도의 전원 공급 기를 사용하므로 다양한 부하를 독립적으로 제어할 수 있습니다. 션트 설계에서 가장 일반적인 구성인 필드 권선은 일반적인 DC 공급과 함께 아마추어 부하와 평행하게 연결됩니다. 이를 통해 다양한 부하로 조정 가능한 속도를 제공하며, 이는 공작 기계 및 원주 펌프에 유용합니다. 시리즈 구성에서 DC 공급은 필드와 아마추어에 연재됩니다. 이를 통해 열차, 엘리베이터 또는 호이스트와 같은 장비의 간 부하를 극복하기 위한 더 높은 시작 토크를 제공합니다. 복합 설계 모터는 높은 시작 토크와 속도 조절을 위해 션트와 계열 회로를 모두 사용합니다. 션트 필드는 시리즈 필드 전후로 로드될 수 있습니다. DC 모터의 구성이 설명되었으므로 션트 DC 모터의 전류, 전압 및 부하 관계에 대한 분석이 입증됩니다.

DC 테스트에서 수집된 데이터를 사용하여 필요한 경우 동등한 회로 모델을 빌드할 수 있습니다. DC 모터의 전기적 특성을 측정하기 전에 저전력 DC 공급 장치를 0.8 amps로 설정하고 공급 단자장치를 기계 아마추어에 연결합니다. 그런 다음 공급 전압과 전류를 기록합니다. 다음으로 멀티미터를 사용하여 뼈대 전체의 전압과 전류를 측정하여 션트 필드와 계열 필드를 구불 하십시오. 데이터를 사용하여 각 구성 요소의 저항을 추정합니다. DC 모터 발전기의 기본 특성을 측정한 후 내장된 필드 리오스타스트를 최대 설정으로 설정하고 저항을 측정합니다. 마지막으로 외부 시리즈 필드 류로스트(rheostat)를 상한으로 설정하고 저항을 측정합니다.

DC 모터 테스트에 따라 동기 기계가 DC 기계의 뼈대를 회전하는 데 사용됩니다. 따라서 DC 기계는 필드 여기없이 발전기로 실행된 다음 부하없이 실행됩니다. 이러한 조건에서 단자 전압은 EMF와 같습니다. 발전기의 회전 속도를 측정하고, 잔류 자기라고 불리는 코일 여기의 부재시 뼈에 의해 유지되는 자기를 계산하는 데 사용된다. 먼저 3상 분리, 동기 모터 및 DC 모터가 모두 꺼져 있는지 확인합니다. 그런 다음 DC 모터 외부 로터에 작은 테이프 조각을 부착합니다. 바리악이 0%로 설정되어 있는지 확인한 후 바리악을 3상 콘센트로 연결합니다. 다음으로 설정에 연결합니다. 그런 다음 시작 실행 스위치가 시작 위치에 있는지 확인합니다. variac을 조정한 후 모든 연결이 공급 단자에서 명확한지 확인합니다. 그런 다음에야 3단계 연결 해제 스위치를 켭니다. 다음으로, 고전압 DC 전원 공급 장치를 켜고 VI 디스플레이 버튼을 눌러 작동 단면 전류를 표시하고 전압 노브를 125볼트로 조정합니다. 전압 노브를 조정하기 전에 시작 버튼을 누르지 마십시오. 시작 버튼을 DC 전원 공급 장치 패널을 누르고 장비를 켭분입니다. 다음으로, 터미널 전압이 120볼트를 판독할 때까지 바락 출력을 천천히 늘립니다. 동기 모터가 정상 상태 회전 속도에 도달하면 시작 실행 스위치를 뒤집어 실행합니다. 기계 사운드 변경에 주의를 기울이는 것입니다. 기계 사운드는 정상 상태에서 단조롭게 됩니다. 스트로브 라이트를 사용하여 스트로브 속도를 모터 회전 속도에 동기화하여 모터의 모션을 동결시킵니다. 스트로브 라이트가 동기화되면 로터에 부착된 테이프가 고정되어 나타납니다. 이 속도는 스트로브 속도를 서서히 증가시켜 팬을 다음 최고 속도로 동기화하여 모터 속도임을 확인합니다. 맞다면 이는 첫 번째 관찰된 스트로브 동기화 속도의 두 배가 됩니다. 이 시작 시퀀스는 각 후속 테스트 실행 전에 반복됩니다. 시동 후 모터의 회전 속도와 뼈 전압을 기록합니다. 그런 다음 이 데이터를 사용하여 잔류 자기장 강도를 계산합니다.

DC 기계는 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 다른 기계의 작동 매개 변수가 특징지어지면 특정 장치에 대한 설계 사양에 따라 선택할 수 있습니다. DC 생성기는 션트 구성과 같은 다양한 구성을 특징으로 할 수 있습니다. 스위치 S1이 열려 있어 부하 테스트없이 필드 엔드 로드 저항이 최대로 조정됩니다. 이어서, 샤프트 속도 및 단말 전압은 이전에 설명된 바와 같이 기록된다. 션트 저항은 최소 저항에 도달할 때까지 5단계로 줄어듭니다. 그리고 션트 저항기에 걸쳐 단말 전압과 전류를 측정. 모터는 동일한 프로토콜에 따라 부하 저항기사용으로 시뮬레이션된 하중으로 측정할 수 있습니다. DC 발전기의 각 유형은 자체 전압 전류 출력을 가지고 있습니다. 션트 발전기는 광범위한 전류 부하에 대한 전압을 제공할 수 있으며, 계열 발생기는 전류 부하로 증가하는 전압을 제공합니다. 전동 보철과 같은 무선 전원이 선호되는 다양한 응용 분야에서 DC 모터는 원하는 액추에이터입니다. 신경으로 제어되는 하반신 보철체에서 표면 또는 경피 센서는 그대로 다리와 마찬가지로 교체 사지의 전동 관절에 신호를 보내는 데 사용됩니다. 게이트와 발 벼룩은 경질 사지 교체를 사용하여 가능한 것보다 더 자연적이고 직관적으로 제어됩니다.

방금 Jove가 DC 모터를 소개하는 것을 보았습니다. 이제 DC 모터의 작동 방식과 매개 변수의 특성화 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

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Results

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시리즈 권선은 일반적으로 시리즈와 아마추어 권선 모두 연속이기 때문에 기계의 등급인 아마추어 전류에서 높은 전류를 운반합니다. 따라서 시리즈 권선은 몇 Ω mΩ의 순서에 있을 것으로 예상됩니다. 반면에 션트 권선기계의 뼈와 함께 전력을 공급하는 소스에서 최소 전류를 끌어야 하며, 따라서 수십~수백 또는 수천 개의 Ω 큰 저항 값을 가져야 합니다.

잔류 λ R은 부전 없이 뼈전압을 측정하여 추정할 수 있다. 이는 노로드 조건이기 때문에, 후면 e.m.f. 및 뼈전압은 동일하며, 백 e.m.f.(EA)는 EA=If λRωm 이 같은 λR의 기능이므로, 여기서 F는 필드 전류이고 ωm은 기계적 속도이다.

기계의 각 유형은 자체 전압 전류 또는 토크 속도 곡선을 가지고 있습니다. 션트 발생기의 장점은 전체 부하까지 부하없이 전압을 제공 할 수 있다는 것입니다, 시리즈 발전기는 약간의 부하가없는 한 전압을 제공 할 수없는 특징.

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Applications and Summary

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DC 기계는 AC 유도 및 동기 기계가 발명되기 전보다 훨씬 덜 일반적입니다. 장난감, 소형 로봇 및 레거시 장비와 같은 간단한 저전력 응용 분야에서도 여전히 일반적입니다. 풍부한 비희토 자석을 사용하는 영구 자석 DC 기계는 특히 저렴한 비용과 낮은 복잡성 응용 분야에서 더 간단한 흥분으로 인해 션트 및 시리즈 카운터 부품보다 더 일반적입니다.

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Transcript

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