Jaký je princip fungování stejnosměrného motoru?

Jaký je princip fungování stejnosměrného motoru?

Definice stejnosměrného motoru

Stejnosměrný motor je definován jako zařízení, které převádí přímou elektrickou energii na mechanickou energii pomocí magnetických polí a elektrických proudů.

Stejnosměrné motory hrají klíčovou roli v moderní průmyslu. Porozumění principu fungování stejnosměrného motoru, které prozkoumáváme v tomto článku, začíná jeho základní jednosměrňovou konstrukcí.

Základní konstrukce stejnosměrného motoru obsahuje nosič proudu (armatura), spojený s napájecím konečkem prostřednictvím segmentů sběrače a štětek. Armatura je umístěna mezi severním a jižním pólem stálého nebo elektromagnetu, jak je znázorněno na obrázku nahoře.

Když přímý proud protéká armaturou, ta zažívá mechanickou sílu od okolních magnetů. Aby bylo možné plně pochopit, jak funguje stejnosměrný motor, je nezbytné porozumět Flemingově levé ruce, která pomáhá určit směr síly na armatuře.

Pokud je vedoucí proud umístěn kolmo do magnetického pole, pak vedoucí proud zažívá sílu ve směru, který je vzájemně kolmý k oběma směrům pole a vedoucího proudu.

Flemingova levá ruka může určit směr otáčení motoru. Toto pravidlo říká, že pokud rozšíříme ukazovák, prostředník a palec naší levé ruky tak, aby byly kolmé k sobě, přičemž prostředník ukazuje směr proudu v vedoucím proudu a ukazovák je ve směru magnetického pole, tedy od severu k jihu, pak palec ukazuje směr vytvořené mechanické síly.

Pro jasné pochopení principu stejnosměrného motoru musíme určit velikost síly, což provedeme s ohledem na následující diagram.

Víme, že když se nekonečně malý náboj dq pohybuje rychlostí 'v' pod vlivem elektrického pole E a magnetického pole B, pak Lorentzova síla dF, kterou náboj zažívá, je dána vztahem:

Pro fungování stejnosměrného motoru, uvažujeme E = 0.

Tedy je to vektorový součin dq v a magnetického pole B.

Kde dL je délka vodiče nesoucího náboj q.

Z prvního diagramu vidíme, že konstrukce stejnosměrného motoru je taková, že směr proudu v armaturním vodiči v každém okamžiku je kolmý k poli. Proto působí síla na armaturní vodič ve směru kolmém k obou homogenním polím a proudu, který je konstantní.

Takže pokud vezmeme proud v levé části armaturního vodiče jako I a proud v pravé části armaturního vodiče jako -I, protože proudí v opačném směru jeden k druhému.

Pak síla na levém armaturním vodiči,

Obdobně, síla na pravém vodiči,

Tedy vidíme, že v této pozici síla na obou stranách má stejnou velikost, ale opačný směr. Protože jsou dva vodiče odděleny nějakou vzdáleností w = šířka armaturného otáčení, dva opačné síly produkují otáčivou sílu nebo moment, který vede k otáčení armaturního vodiče.

Nyní se podívejme na výraz pro moment, kdy armaturní otáčení vytvoří úhel α (alfa) s jeho počáteční pozicí.Moment vyvolaný je daný vztahem,

Zde α (alfa) je úhel mezi rovinou armaturního otáčení a rovinou referencí nebo počáteční pozicí armatury, která je zde v souladu s směrem magnetického pole.

Přítomnost termínu cosα v rovnici pro moment dobře naznačuje, že na rozdíl od síly, moment v každé pozici není stejný. Ve skutečnosti se mění s variací úhlu α (alfa). Abychom vysvětlili variaci momentu a princip otáčení motoru, provedeme krok za krokem analýzu.

Krok 1:

Nejdříve uvažujeme, že armatura je v jejím počátečním bodě nebo referenční pozici, kde úhel α = 0.

Protože α = 0, termín cos α = 1, nebo maximální hodnota, tudíž moment v této pozici je maximální, daný vztahem τ = BILw. Tento vysoký počáteční moment pomáhá překonat počáteční inertii zastavené armatury a nastartuje ji do otáčení.

Krok 2:

Jakmile armatura nastartuje, úhel α mezi skutečnou pozicí armatury a její počáteční referenční pozicí se bude zvyšovat v cestě otáčení, dokud nebude 90 ^o od své počáteční pozice. Následně se termín cosα snižuje a také hodnota momentu.

Moment v tomto případě je daný vztahem τ = BILwcosα, což je méně než BIL w, když α je větší než 0 ^o.

Krok 3:

V cestě otáčení armatury je dosaženo bodu, kde skutečná pozice rotoru je přesně kolmá k jeho počáteční pozici, tedy α = 90 ^o, a v důsledku toho termín cosα = 0.

Moment působící na vodič v této pozici je daný vztahem,

tj. prakticky žádný otáčivý moment nepůsobí na armaturu v tomto okamžiku. Nicméně armatura se nezastaví, protože funkce stejnosměrného motoru je navržena tak, aby inercie pohybu v tomto bodě byla dostatečná k překonání tohoto bodu nulového momentu. 

Jakmile rotor překročí tuto pozici, úhel mezi skutečnou pozicí armatury a počáteční rovinou opět klesne a moment začne na ni opět působit.