چگونه موتور مستقیم جریان کار می کند

موتور مستقیم جریان چگونه کار می‌کند؟

تعریف موتور مستقیم جریان

موتور مستقیم جریان به دستگاهی گفته می‌شود که انرژی الکتریکی مستقیم را با استفاده از میدان‌های مغناطیسی و جریان‌های الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.

موتورهای مستقیم جریان نقش مهمی در صنعت مدرن دارند. درک اصول کار موتور مستقیم جریان، که در این مقاله به آن پرداخته می‌شود، با ساختار اولیه یک حلقه‌ی واحد آغاز می‌شود.

ساختار اولیه یک موتور مستقیم جریان شامل یک آرماتور حامل جریان است که از طریق بخش‌های کموناتور و فرش‌ها به سمت تامین متصل می‌شود. آرماتور بین قطب شمال و جنوب یک مغناطیس دائمی یا الکترومغناطیس قرار دارد، همان‌طور که در نمودار بالا نشان داده شده است.

هنگامی که جریان مستقیم از طریق آرماتور می‌گذرد، نیروی مکانیکی از مغناطیس‌های محیطی تجربه می‌کند. برای درک کامل عملکرد یک موتور مستقیم جریان، لازم است قاعده چپ فلمینگ را که به تعیین جهت نیروی وارد بر آرماتور کمک می‌کند، درک کنیم.

اگر یک رساننده حامل جریان در یک میدان مغناطیسی عموداً قرار گیرد، آنگاه رساننده نیرویی در جهت عمود بر هر دو جهت میدان و رساننده حامل جریان تجربه می‌کند.

قاعده چپ فلمینگ می‌تواند جهت چرخش موتور را تعیین کند. این قاعده می‌گوید اگر انگشت شست، انگشت میانی و انگشت شصت چپ ما را به گونه‌ای عمود بر هم بگسترانیم که انگشت میانی در جهت جریان در رساننده و انگشت شست در جهت میدان مغناطیسی، یعنی از قطب شمال به قطب جنوب باشد، آنگاه انگشت شصت جهت نیروی مکانیکی ایجاد شده را نشان می‌دهد.

برای درک واضح اصول کار موتور مستقیم جریان، باید اندازه نیرو را با در نظر گرفتن نمودار زیر تعیین کنیم.

ما می‌دانیم که هنگامی که یک بار بسیار کوچک dq با سرعت 'v' تحت تأثیر یک میدان الکتریکی E و یک میدان مغناطیسی B حرکت می‌کند، نیروی لورنتس dF تجربه شده توسط بار به صورت زیر است:

برای عملکرد موتور مستقیم جریان، با در نظر گرفتن E = 0.

یعنی حاصلضرب خارجی dq v و میدان مغناطیسی B.

که در آن dL طول رساننده حامل بار q است.

از نمودار اول می‌توانیم ببینیم که ساختار یک موتور مستقیم جریان چنان است که جهت جریان از طریق رساننده آرماتور در همه زمان‌ها عمود بر میدان است. بنابراین نیروی وارد بر رساننده آرماتور در جهت عمود بر هر دو میدان یکنواخت و جریان ثابت است.

بنابراین اگر جریان در سمت چپ رساننده آرماتور را I و جریان در سمت راست رساننده آرماتور را -I در نظر بگیریم، چون در جهت‌های مخالف یکدیگر جریان دارند.

آنگاه نیروی وارد بر رساننده آرماتور در سمت چپ،

به طور مشابه، نیروی وارد بر رساننده آرماتور در سمت راست،

بنابراین می‌توانیم ببینیم که در آن موقعیت نیروی وارد بر هر دو سمت از نظر اندازه برابر ولی در جهت‌های مخالف است. چون دو رساننده با یک فاصله w = عرض دور آرماتور از هم جدا شده‌اند، دو نیروی مخالف یک نیروی چرخشی یا گشتاور ایجاد می‌کنند که منجر به چرخش رساننده آرماتور می‌شود.

حال بیایید عبارت گشتاور را وقتی که دور آرماتور زاویه α (آلفا) با موقعیت اولیه خود می‌سازد بررسی کنیم. گشتاور تولید شده به صورت زیر است:گشتاور تولید شده به صورت زیر است:

در اینجا α (آلفا) زاویه بین صفحه دور آرماتور و صفحه مرجع یا موقعیت اولیه آرماتور است که در اینجا در جهت میدان مغناطیسی است.

وجود عبارت cosα در معادله گشتاور به خوبی نشان می‌دهد که گشتاور در همه موقعیت‌ها یکسان نیست. بلکه با تغییر زاویه α (آلفا) تغییر می‌کند. برای توضیح تغییرات گشتاور و اصول چرخش موتور، بیایید تحلیل مرحله‌ای انجام دهیم.

مرحله ۱:

ابتدا فرض کنید آرماتور در نقطه شروع یا موقعیت مرجع خود با زاویه α = 0 است.

از آنجا که α = 0، عبارت cos α = 1 یا حداکثر مقدار است، بنابراین گشتاور در این موقعیت حداکثر است که به صورت τ = BILw است. این گشتاور شروع بالا کمک می‌کند تا لختی اولیه آرماتور را غلبه کند و آن را به چرخش درآورد.

مرحله ۲:

هر چه آرماتور در حال چرخش است، زاویه α بین موقعیت فعلی آرماتور و موقعیت مرجع اولیه آن در مسیر چرخش افزایش می‌یابد تا به 90 ^o از موقعیت اولیه خود برسد. در نتیجه عبارت cosα کاهش می‌یابد و همچنین مقدار گشتاور.

گشتاور در این حالت به صورت τ = BILwcosα است که کمتر از BIL w است وقتی α بزرگتر از 0 ^o است.

مرحله ۳:

در مسیر چرخش آرماتور، نقطه‌ای وجود دارد که موقعیت فعلی روتور دقیقاً عمود بر موقعیت اولیه آن است، یعنی α = 90 ^o، و در نتیجه عبارت cosα = 0.

گشتاور وارد بر رساننده در این موقعیت به صورت زیر است:

یعنی تقریباً هیچ گشتاور چرخشی روی آرماتور در این لحظه وارد نمی‌شود. اما همچنان آرماتور متوقف نمی‌شود، این به این دلیل است که عملکرد موتور مستقیم جریان به گونه‌ای طراحی شده است که لختی حرکت در این نقطه کافی است تا این نقطه گشتاور صفر را غلبه کند.

هر چه روتور از این موقعیت عبور می‌کند، زاویه بین موقعیت فعلی آرماتور و صفحه اولیه دوباره کاهش می‌یابد و گشتاور دوباره روی آن وارد می‌شود.