Τι είναι το Πρίγκιπιο Λειτουργίας του DC Μοτέρ;

Ποια είναι η λειτουργία του DC κινητήρα;

Ορισμός DC κινητήρα

Ένας DC κινητήρας ορίζεται ως συσκευή που μετατρέπει άμεση ηλεκτρική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία και ηλεκτρικούς ρευστούς.

Οι DC κινητήρες έχουν βασικό ρόλο στη σύγχρονη βιομηχανία. Η κατανόηση της λειτουργίας ενός DC κινητήρα, την οποία εξετάζουμε σε αυτό το άρθρο, ξεκινά με τη βασική μονοβραχίωτη κατασκευή του.

Η πολύ βασική κατασκευή ενός DC κινητήρα περιλαμβάνει έναν αγωγό που φέρει ρεύμα, συνδεδεμένο με το πηγαίο άκρο μέσω τμημάτων κομμουτάτορα και βούρτσες. Ο αγωγός τοποθετείται μεταξύ του βόρειου και του νότιου πόλου ενός μόνιμου ή ηλεκτρομαγνήτου, όπως φαίνεται στο διάγραμμα παραπάνω.

Όταν άμεσο ρεύμα ρέει μέσω του αγωγού, αυτός υποστέλλει μηχανική δύναμη από τους περιβαλλόντες μαγνήτες. Για να κατανοήσετε πλήρως πώς λειτουργεί ένας DC κινητήρας, είναι απαραίτητο να κατανοήσετε τον κανόνα της αριστερής χειρός του Fleming, ο οποίος βοηθά στο να καθοριστεί η κατεύθυνση της δύναμης στον αγωγό.

Εάν ένας αγωγός που φέρει ρεύμα τοποθετηθεί ορθογώνια σε ένα μαγνητικό πεδίο, τότε ο αγωγός υποστέλλει μια δύναμη στην κατεύθυνση που είναι ορθογώνια στην κατεύθυνση του πεδίου και του αγωγού που φέρει ρεύμα.

Ο κανόνας της αριστερής χειρός του Fleming μπορεί να καθορίσει την κατεύθυνση της περιστροφής του κινητήρα. Αυτός ο κανόνας λέει ότι αν εκτείνουμε τον δείκτη, το μεσαίο και τον χερούλι της αριστερής χειρός μας ορθογώνια ο ένας στον άλλον, με το μεσαίο δάχτυλο στην κατεύθυνση του ρεύματος στον αγωγό, και τον δείκτη παράλληλα στην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου, δηλαδή από το βόρειο στο νότιο πόλο, τότε ο χερούλι δείχνει την κατεύθυνση της δημιουργημένης μηχανικής δύναμης.

Για σαφή κατανόηση της αρχής του DC κινητήρα, πρέπει να καθορίσουμε το μέγεθος της δύναμης, λαμβάνοντας υπόψη το διάγραμμα παρακάτω.

Ξέρουμε ότι όταν ένα άπειρα μικρό φορτίο dq κινείται με ταχύτητα 'v' υπό την επιρροή ενός ηλεκτρικού πεδίου E και ενός μαγνητικού πεδίου B, η δύναμη Lorentz dF που υποστέλλει το φορτίο είναι δεδομένη από:

Για τη λειτουργία του DC κινητήρα, θεωρούμε E = 0.

Δηλαδή, είναι το εξωτερικό γινόμενο του dq v και του μαγνητικού πεδίου B.

Όπου, dL είναι το μήκος του αγωγού που φέρει το φορτίο q.

Από το 1ο διάγραμμα μπορούμε να δούμε ότι η κατασκευή ενός DC κινητήρα είναι τέτοια ώστε η κατεύθυνση του ρεύματος μέσω του αγωγού του αγωγού σε όλες τις περιπτώσεις είναι ορθογώνια στο πεδίο. Συνεπώς, η δύναμη ενεργεί στον αγωγό του αγωγού στην κατεύθυνση ορθογώνια στο ομοιόμορφο πεδίο, και το ρεύμα είναι σταθερό.

Έτσι, αν θεωρήσουμε το ρεύμα στην αριστερή πλευρά του αγωγού του αγωγού να είναι I, και το ρεύμα στη δεξιά πλευρά του αγωγού του αγωγού να είναι -I, επειδή ρέουν σε αντίθετη κατεύθυνση ο ένας προς τον άλλον.

Τότε η δύναμη στον αγωγό της αριστερής πλευράς,

Ωστόσο, η δύναμη στον αγωγό της δεξιάς πλευράς,

Συνεπώς, μπορούμε να δούμε ότι σε αυτή τη θέση η δύναμη σε κάθε πλευρά είναι ίση σε μέγεθος αλλά αντίθετη σε κατεύθυνση. Επειδή οι δύο αγωγοί είναι αποστημένοι με κάποια απόσταση w = πλάτος της στροφής του αγωγού, οι δύο αντίθετες δυνάμεις παράγουν μια περιστροφική δύναμη ή ροπή που αποτελεί στην περιστροφή του αγωγού.

Τώρα ας εξετάσουμε την έκφραση της ροπής όταν η στροφή του αγωγού δημιουργεί γωνία α (άλφα) με την αρχική της θέση. Η παραγόμενη ροπή δίνεται από,

Εδώ, α (άλφα) είναι η γωνία μεταξύ του επιπέδου της στροφής του αγωγού και του επιπέδου αναφοράς ή της αρχικής θέσης του αγωγού, η οποία είναι εδώ παράλληλη στην κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου.

Η παρουσία του όρου cosα στην εξίσωση της ροπής σημαίνει ότι, σε αντίθεση με τη δύναμη, η ροπή σε όλες τις θέσεις δεν είναι η ίδια. Πράγματι, μεταβάλλεται με τη μεταβολή της γωνίας α (άλφα). Για να εξηγήσουμε τη μεταβολή της ροπής και την αρχή πίσω από την περιστροφή του κινητήρα, ας κάνουμε μια σταδιακή ανάλυση.

Βήμα 1:

Αρχικά, θεωρούμε ότι ο αγωγός είναι στην αρχική του θέση ή σημείο αναφοράς, όπου η γωνία α = 0.

Επειδή, α = 0, ο όρος cos α = 1, ή το μέγιστο ποσό, άρα η ροπή σε αυτή τη θέση είναι μέγιστη και δίνεται από τ = BILw. Αυτή η υψηλή αρχική ροπή βοηθά στην ξεπεράση της αρχικής αδράνειας του αγωγού και τον θέτει σε περιστροφή.

Βήμα 2:

Μόλις ο αγωγός ξεκινήσει να κινείται, η γωνία α μεταξύ της πραγματικής θέσης του αγωγού και της αρχικής θέσης αναφοράς αυξάνεται κατά τη διάρκεια της περιστροφής μέχρι να γίνει 90 ^o από την αρχική του θέση. Συνεπώς, ο όρος cosα μειώνεται και επίσης το μέγεθος της ροπής.

Η ροπή σε αυτή την περίπτωση δίνεται από τ = BILwcosα, η οποία είναι μικρότερη από BIL w όταν α είναι μεγαλύτερη από 0^o.

Βήμα 3:

Κατά τη διάρκεια της περιστροφής του αγωγού, φθάνει ένα σημείο όπου η πραγματική θέση του ροτόρα είναι ακριβώς κάθετη στην αρχική του θέση, δηλαδή α = 90 ^o, και ως αποτέλεσμα ο όρος cosα = 0.

Η ροπή που ενεργεί στον αγωγό σε αυτή τη θέση δίνεται από,

δηλαδή, σχεδόν καμία περιστροφική ροπή ενεργεί στον αγωγό σε αυτή τη στιγμή. Ωστόσο, ο αγωγός δεν σταματά, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η λειτουργία του DC κινητήρα έχει σχεδιαστεί έτσι ώστε η αδράνεια της κίνησης σε αυτό το σημείο να είναι αρκετή για να ξεπεράσει αυτό το σημείο μηδενικής ροπής. 

Μόλις ο ρότορας περάσει αυτή τη θέση, η γωνία μεταξύ της πραγματικής θέσης του αγωγού και του αρχικού επιπέδου μειώνεται και η ροπή ξεκινά να ενεργεί ξανά.