Was ist das Arbeitsprinzip eines Gleichstrommotors?

Was ist das Arbeitsprinzip eines Gleichstrommotors?

Definition des Gleichstrommotors

Ein Gleichstrommotor ist definiert als ein Gerät, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt, indem es magnetische Felder und elektrische Ströme nutzt.

Gleichstrommotoren spielen in der modernen Industrie eine entscheidende Rolle. Das Verständnis des Arbeitsprinzips eines Gleichstrommotors, das wir in diesem Artikel untersuchen, beginnt mit seiner grundlegenden Einzelschleifenkonstruktion.

Die sehr grundlegende Konstruktion eines Gleichstrommotors enthält einen stromführenden Armaturenkörper, der über Kommutatorabschnitte und Bürsten mit der Stromversorgung verbunden ist. Der Armaturenkörper befindet sich zwischen dem Nord- und Südpol eines Permanentmagneten oder eines Elektromagneten, wie in der obigen Abbildung dargestellt.

Wenn Gleichstrom durch den Armaturenkörper fließt, erfährt er eine mechanische Kraft von den umgebenden Magneten. Um zu verstehen, wie ein Gleichstrommotor funktioniert, ist es wichtig, die linke Handregel von Fleming zu verstehen, die hilft, die Kraftrichtung auf den Armaturenkörper zu bestimmen.

Wenn ein stromführender Leiter senkrecht in einem magnetischen Feld platziert wird, dann erfährt der Leiter eine Kraft, die sowohl zur Richtung des Feldes als auch zum stromführenden Leiter senkrecht steht.

Die linke Handregel von Fleming kann die Drehrichtung des Motors bestimmen. Diese Regel besagt, wenn wir den Zeigefinger, Mittelfinger und Daumen unserer linken Hand so senkrecht zueinander ausstrecken, dass der Mittelfinger in die Richtung des Stroms im Leiter zeigt und der Zeigefinger in die Richtung des magnetischen Feldes, also vom Nord- zum Südpol, dann zeigt der Daumen die Richtung der erzeugten mechanischen Kraft an.

Um das Prinzip des Gleichstrommotors klar zu verstehen, müssen wir die Größe der Kraft bestimmen, indem wir das folgende Diagramm betrachten.

Wir wissen, dass, wenn eine unendlich kleine Ladung dq mit einer Geschwindigkeit 'v' unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes E und eines magnetischen Feldes B fließt, die Lorentzkraft dF, die von der Ladung erfahren wird, gegeben ist durch:

Für den Betrieb des Gleichstrommotors, unter Berücksichtigung von E = 0.

Das bedeutet, es ist das Kreuzprodukt von dq v und dem magnetischen Feld B.

Wobei dL die Länge des Leiters ist, der die Ladung q führt.

Aus dem ersten Diagramm können wir sehen, dass die Konstruktion eines Gleichstrommotors so ist, dass die Stromrichtung durch den Armaturenleiter in jedem Moment senkrecht zum Feld ist. Daher wirkt die Kraft auf den Armaturenleiter in einer Richtung, die sowohl senkrecht zum homogenen Feld als auch konstantem Strom ist.

Wenn wir den Strom auf der linken Seite des Armaturenleiters als I und den Strom auf der rechten Seite des Armaturenleiters als -I nehmen, weil sie in entgegengesetzter Richtung zueinander fließen.

Dann ist die Kraft auf dem linken Armaturenleiter,

Ähnlich, die Kraft auf dem rechten Leiter,

Daher können wir sehen, dass an dieser Position die Kraft auf beiden Seiten in der Größe gleich, aber in entgegengesetzter Richtung ist. Da die beiden Leiter durch eine Entfernung w = Breite der Armaturendrehung getrennt sind, erzeugen die beiden entgegengesetzten Kräfte eine Drehkraft, die zur Rotation des Armaturenleiters führt.

Nun lassen Sie uns den Ausdruck für die Drehkraft untersuchen, wenn die Armaturendrehung einen Winkel α (Alpha) mit ihrer Anfangsposition bildet. Die erzeugte Drehkraft ist gegeben durch:

Hier ist α (Alpha) der Winkel zwischen der Ebene der Armaturendrehung und der Referenzebene oder der Anfangsposition der Armatur, die hier in Richtung des magnetischen Feldes liegt.

Die Präsenz des Terms cosα in der Drehkraftgleichung zeigt sehr gut, dass die Drehkraft an allen Positionen nicht dieselbe ist. Sie variiert tatsächlich mit der Variation des Winkels α (Alpha). Um die Variation der Drehkraft und das Prinzip hinter der Rotation des Motors zu erklären, machen wir eine schrittweise Analyse.

Schritt 1:

Zunächst gehen wir davon aus, dass die Armatur in ihrem Startpunkt oder Referenzpunkt ist, wo der Winkel α = 0.

Da α = 0, ist der Term cos α = 1, oder der maximale Wert, daher ist die Drehkraft an dieser Position maximal gegeben durch τ = BILw. Diese hohe Anfangsdrehkraft hilft dabei, die anfängliche Trägheit der Ruhelage der Armatur zu überwinden und setzt sie in Rotation.

Schritt 2:

Sobald die Armatur in Bewegung gesetzt wird, nimmt der Winkel α zwischen der tatsächlichen Position der Armatur und ihrer ursprünglichen Referenzposition während ihres Rotationswegs bis zu 90° von ihrer Anfangsposition zu. Folglich nimmt der Term cosα ab und auch der Wert der Drehkraft.

Die Drehkraft in diesem Fall ist gegeben durch τ = BILwcosα, was kleiner als BIL w ist, wenn α größer als 0° ist.

Schritt 3:

Im Verlauf der Rotation der Armatur erreicht man einen Punkt, an dem die tatsächliche Position des Rotors genau senkrecht zu seiner Anfangsposition ist, d.h. α = 90°, und als Ergebnis ist der Term cosα = 0.

Die auf den Leiter an dieser Position wirkende Drehkraft ist gegeben durch:

Das bedeutet, dass praktisch keine Drehkraft auf die Armatur an dieser Stelle wirkt. Dennoch kommt die Armatur nicht zum Stillstand, da der Betrieb des Gleichstrommotors so ausgelegt ist, dass die Trägheit der Bewegung an diesem Punkt gerade ausreicht, um diesen Punkt der Null-Drehkraft zu überwinden.

Sobald der Rotor diese Position überquert, verringert sich der Winkel zwischen der tatsächlichen Position der Armatur und der ursprünglichen Ebene wieder, und die Drehkraft wirkt erneut auf sie.