Какво е принципът на работа на ДК мотор?

Какъв е принципът на действие на DC мотора?

Определение на DC мотор

DC мотор се дефинира като устройство, което преобразува директна електрическа енергия в механична енергия чрез използване на магнитни полета и електрически токове.

DC моторите играят ключова роля в съвременната индустрия. Разбирането на принципа на действие на DC мотор, който разглеждаме в тази статия, започва с неговата основна еднопетлова конструкция.

Основната конструкция на DC мотора съдържа арматура, която провежда ток, свързана с източника на напрежение чрез комутаторни сегменти и щетки. Арматурата е поставена между северния и южния полюс на постоянен или електромагнит, както е показано на диаграмата по-горе.

Когато директен ток протича през арматурата, тя изпитва механична сила от околните магнити. За да се разбере напълно как работи DC мотор, е важно да се разбере правилото на Флеминг за лявата ръка, което помага да се определи посоката на силата върху арматурата.

Ако проводник, който провежда ток, е поставен перпендикулярно в магнитно поле, то той изпитва сила в посока, която е взаимно перпендикулярна както на посоката на полето, така и на проводника, който провежда ток.

Правилото на Флеминг за лявата ръка може да определи посоката на въртене на мотора. Това правило гласи, че ако изправим указателния пръст, средния пръст и палец на лявата ни ръка перпендикулярно един към друг по такъв начин, че средният пръст да е в посоката на тока в проводника, а указателният пръст да е в посоката на магнитното поле, т.е. от северния до южния полюс, то палецът показва посоката на създадената механична сила.

За ясно разбиране на принципа на действие на DC мотора трябва да определим големината на силата, като вземем предвид диаграмата по-долу.

Знаем, че когато безкрайно малко заряд dq се кара да протече със скорост 'v' под влияние на електрическо поле E и магнитно поле B, то Лоренцовата сила dF, изпитвана от заряда, се дава по следния начин:

За работа на DC мотор, като приемем E = 0.

Т.е. това е векторното произведение на dq v и магнитното поле B.

Където, dL е дължината на проводника, който провежда заряд q.

От първата диаграма виждаме, че конструкцията на DC мотора е такава, че посоката на тока през арматурния проводник във всеки момент е перпендикулярна на полето. Следователно силата действа върху арматурния проводник в посока, която е перпендикулярна както на равномерното поле, така и на тока, който е постоянен.

Ако приемем, че токът в лявата част на арматурния проводник е I, а токът в дясната част на арматурния проводник е -I, защото те течат в противоположни посоки.

Тогава силата върху лявата част на арматурния проводник,

По същия начин, силата върху дясната част на проводника,

Следователно, виждаме, че в тази позиция силата от всяка страна е равна по големина, но противоположна по посока. Тъй като двата проводника са разделени на някакво разстояние w = ширина на арматурния завой, двете противоположни сили създават въртяща сила или момента, които водят до въртене на арматурния проводник.

Сега нека разгледаме израза на момента, когато арматурният завой създава ъгъл α (алфа) с началната си позиция. Моментът, който се създава, се дава по следния начин:

Тук α (алфа) е ъгълът между равнината на арматурния завой и равнината на референцията или началната позиция на арматурата, която тук е в посоката на магнитното поле.

Присъствието на члена cosα в уравнението за момента добре показва, че в сравнение със силата, моментът във всяка позиция не е същия. Той всъщност варира с изменението на ъгъла α (алфа). За да обясним изменението на момента и принципа зад въртенето на мотора, нека направим стъпков анализ.

Стъпка 1:

Първоначално приемаме, че арматурата е в началната си точка или референтна позиция, където ъгълът α = 0.

Тъй като α = 0, членът cos α = 1, или максималната стойност, следователно моментът в тази позиция е максимален и се дава по τ = BILw. Този висок начален момент помага да се преодолее началната инерция на арматурата и да я постави в движение.

Стъпка 2:

Когато арматурата се постави в движение, ъгълът α между фактическата позиция на арматурата и началната й референтна позиция продължава да се увеличава в пътя на въртенето, докато стане 90 ^o от началната позиция. Следователно, членът cosα намалява, както и стойността на момента.

Моментът в този случай се дава по τ = BILwcosα, което е по-малко от BIL w, когато α е по-голямо от 0^o.

Стъпка 3:

В пътя на въртенето на арматурата е достигнат момент, в който фактическата позиция на ротора е точно перпендикулярна на началната му позиция, т.е. α = 90 ^o, и като резултат членът cosα = 0.

Моментът, който действа върху проводника в тази позиция, се дава по:

Т.е. практически няма въртящ момент, който да действа върху арматурата в този момент. Но все пак арматурата не спира, тъй като операцията на DC мотора е проектирана така, че инерцията на движението в тази точка е достатъчна, за да преодолее тази точка на нулев момент.

Когато роторът премине през тази позиция, ъгълът между фактическата позиция на арматурата и началната равнина отново намалява и моментът започва да действа отново.