Quin és el Principi de Funcionament del Motor DC?

Quin és el principi de funcionament del motor DC?

Definició de motor DC

Un motor DC es defineix com un dispositiu que converteix l'energia elèctrica directa en energia mecànica mitjançant camps magnètics i corrents elèctriques.

Els motors DC juguen un paper crucial en la indústria moderna. Comprendre el principi de funcionament d'un motor DC, que explorarem en aquest article, comença amb la seva construcció bàsica de bucle únic.

La construcció bàsica d'un motor DC conté un armadiu portador de corrent, connectat a l'extrem de subministrament a través de segments de commutador i escovines. L'armadiu es col·loca entre el pol nord i el pol sud d'un imant permanent o electromagnètic, com es mostra en el diagrama superior.

Quan la corrent directa passa a través de l'armadiu, experimenta una força mecànica dels imants circumdants. Per entendre completament com funciona un motor DC, és essencial comprendre la regla de la mà esquerra de Fleming, que ajuda a determinar la direcció de la força sobre l'armadiu.

Si un conductor portador de corrent es col·loca en un camp magnètic perpendicularment, llavors el conductor experimenta una força en la direcció mútuament perpendicular tant a la direcció del camp com al conductor portador de corrent. 

La regla de la mà esquerra de Fleming pot determinar la direcció de rotació del motor. Aquesta regla diu que si estenem el dit índex, el dit mig i el polze de la mà esquerra perpendicularment de manera que el dit mig sigui en la direcció de la corrent en el conductor, i el dit índex sigui en la direcció del camp magnètic, és a dir, de pol nord a pol sud, llavors el polze indica la direcció de la força mecànica creada.

Per entendre clarament el principi del motor DC, hem de determinar la magnitud de la força, considerant el diagrama següent.

Sabem que quan una càrrega infinitament petita dq es fa fluir a una velocitat 'v' sota l'influència d'un camp elèctric E i un camp magnètic B, llavors la força de Lorentz dF experimentada per la càrrega es dona per:

Per a l'operació del motor DC, considerant E = 0.

És a dir, és el producte vectorial de dq v i el camp magnètic B.

On, dL és la longitud del conductor que porta la càrrega q.

A partir del primer diagrama, podem veure que la construcció d'un motor DC és tal que la direcció de la corrent a través del conductor de l'armadiu en tot moment és perpendicular al camp. Per tant, la força actua sobre el conductor de l'armadiu en la direcció perpendicular tant al camp uniforme com a la corrent, que és constant.

Així que si prenem la corrent a l'esquerra del conductor de l'armadiu com a I, i la corrent a la dreta del conductor de l'armadiu com a -I, ja que flueixen en direccions oposades.

Llavors la força a l'esquerra del conductor de l'armadiu,

De manera similar, la força a la dreta del conductor,

Per tant, podem veure que en aquesta posició la força a cada costat té la mateixa magnitud però en direccions oposades. Com que els dos conductors estan separats per una certa distància w = amplada de la volta de l'armadiu, les dues forces oposades produeixen una força rotacional o un gir que resulta en la rotació del conductor de l'armadiu.

Ara examinem l'expressió del gir quan la volta de l'armadiu crea un angle de α (àlfa) amb la seva posició inicial.El gir produït es dóna per,

Aquí α (àlfa) és l'angle entre el pla de la volta de l'armadiu i el pla de referència o la posició inicial de l'armadiu, que aquí és en la direcció del camp magnètic.

La presència del terme cosα en l'equació del gir indica molt bé que, a diferència de la força, el gir no és el mateix en totes les posicions. De fet, varia amb la variació de l'angle α (àlfa). Per explicar la variació del gir i el principi darrere la rotació del motor, fem una anàlisi pas a pas.

Pas 1:

Inicialment, considerem que l'armadiu està en el seu punt de partida o posició de referència on l'angle α = 0.

Com que α = 0, el terme cos α = 1, o el valor màxim, per tant, el gir en aquesta posició és màxim, donat per τ = BILw. Aquest gir d'arrancada elevat ajuda a superar la inèrcia inicial de repòs de l'armadiu i ho posa en rotació.

Pas 2:

Una vegada que l'armadiu s'ha posat en moviment, l'angle α entre la posició real de l'armadiu i la seva posició de referència inicial augmenta en el camí de la seva rotació fins que arriba a 90 ^o des de la seva posició inicial. Conseqüentment, el terme cosα disminueix, així com el valor del gir.

En aquest cas, el gir es dóna per τ = BILwcosα, que és menor que BILw quan α és més gran que 0o.

Pas 3:

En el camí de la rotació de l'armadiu, s'arriba a un punt on la posició real del rotor és exactament perpendicular a la seva posició inicial, és a dir, α = 90 ^o, i com a resultat, el terme cosα = 0.

El gir que actua sobre el conductor en aquesta posició es dóna per,

és a dir, virtualment no hi ha cap gir que actui sobre l'armadiu en aquest instant. Tot i això, l'armadiu no s'atura, això és degut al fet que l'operació del motor DC s'ha enginyat de manera que la inèrcia del moviment en aquest punt és justa per superar aquest punt de gir nul. 

Una vegada que el rotor creu aquesta posició, l'angle entre la posició real de l'armadiu i el pla inicial disminueix de nou i el gir torna a actuar sobre ell.