מה הוא עקרון הפעולה של מנוע ישר זרם?

מהו עקרון הפעולה של מנוע זרם ישר?

הגדרת מנוע זרם ישר

מנוע זרם ישר מוגדר כמכשיר הממיר אנרגיה חשמלית ישירה לאנרגיה מכנית באמצעות שדות מגנטיים והזרמת חשמל.

מנועי זרם ישר משחקים תפקיד מרכזי בתעשייה המודרנית. הבנת עקרון הפעולה של מנוע זרם ישר, אותו נחקור במאמר זה, מתחיל עם בנייתה הבסיסית של לולאה אחת.

הבנייה הבסיסית ביותר של מנוע זרם ישר כוללת ארמור נושא זרם, המחובר לקצה האספקה דרך קטעי קומוטטור ומשטחי מגע. הארמור ממוקם בין הקוטב הצפוני והקוטב הדרומי של מגנט קבוע או מגנט חשמלי כפי שמוצג בדיאגרמה למעלה.

כאשר זרם ישר זורם בארמור, הוא חווה כוח מכני מהמגנטים הסובבים אותו. כדי להבין איך מנוע זרם ישר פועל, חשוב להבין את כלל היד השמאלית של פלמינג, שמסייע לקבוע את כיוון הכוח על הארמור.

אם מוביל נושא זרם מוצב בשדה מגנטי בניצב, אז המוביל חווה כוח בכיוון הדדי הניצב לשני הכיוונים של השדה והמוביל הנושא זרם.

כלל היד השמאלית של פלמינג יכול לקבוע את כיוון סיבוב המנוע. הכלל אומר שאם נרחיב את אצבע הסופרת, אצבע האמצעי ואגודל יד שמאלנו בניצב אחד לשני באופן שאצבע האמצעי היא בכיוון הזרם במוביל, ואצבע הסופרת היא לאורך כיוון השדה המגנטי, כלומר מהקוטב הצפוני לקוטב הדרומי, אז האגודל מצביע על כיוון הכוח המכני שנוצר.

כדי להבין טוב את עקרון המנוע הזרם הישר עלינו לקבוע את גודל הכוח, תוך התייחסות לדיאגרמה להלן.

ידוע לנו שכאשר מטען קטן מאוד dq זורם במהירות 'v' תחת השפעת שדה חשמלי E ושדה מגנטי B, אז הכוח של לורנץ dF המורגש על ידי המטען נתון ע"י:

עבור פעולת מנוע זרם ישר, בהתחשב ב-E = 0.

כלומר, זהו מכפלה וקטורית של dq v ושדה מגנטי B.

כאשר, dL הוא אורך המוביל הנושא את המטען q.

מדיאגרמת הפתיחה ניתן לראות שהבנייה של מנוע זרם ישר היא כזו שהכיוון של הזרם דרך המוביל הארמור בכל רגע הוא בניצב לשדה. לכן הכוח פועל על המוביל הארמור בכיוון הניצב לשני השדה האחיד והזרם הוא קבוע.

אז אם ניקח את הזרם בצד השמאלי של המוביל הארמור להיות I, ואת הזרם בצד הימני של המוביל הארמור להיות -I, כי הם זורמים בכיוונים מנוגדים אחד לשני.

אז הכוח על המוביל הארמור בצד השמאלי,

באופן דומה, הכוח על המוביל בצד הימני,

לכן, ניתן לראות שבאותה מיקום הכוח משני הצדדים שווה בגודלו אבל מנוגד בכיוון. מכיוון שהשנייה המובילים מופרדת מרחק w = רוחב הפניה הארמור, שני הכוחות מנוגדים מייצרים כוח סיבובי או מומנט שמביא לסיבוב המוביל הארמור.

עכשיו בואו נבדוק את הביטוי למומנט כאשר הפניה הארמור יוצרת זווית של α (אלפא) עם מיקומה ההתחלתי.המומנט המופק נתון ע"י,

כאן α (אלפא) היא הזווית בין מישור הפניה הארמור למישור ההתייחסות או מיקומה ההתחלתי של הארמור שהוא כאן לאורך כיוון השדה המגנטי.

הימצאות המונח cosα במשוואת המומנט מעידה היטב על כך שלא כמו הכוח, המומנט בכל מיקום אינו אותו הדבר. הוא למעשה משתנה בהתאם לשינוי הזווית α (אלפא). כדי להסביר את שינוי המומנט והעקרון מאחורי סיבוב המנוע נערכו ניתוח שלבי.

שלב 1:

בתחילה, בהנחה שהארמור נמצא בנקודת ההתחלה או מיקום ההתייחסות שבו הזווית α = 0.

מכיוון ש- α = 0, המונח cos α = 1, או הערך המקסימלי, לכן המומנט במיקום זה הוא מקסימלי שנתון ע"י τ = BILw. המומנט ההתחילי הגבוה הזה מסייע להתגבר על האינרציה הראשונית של הרוגע של הארמור ומתחיל לסובב אותו.

שלב 2:

ברגע שהארמור מתחיל לנוע, הזווית α בין מיקומו האמיתי של הארמור למיקום ההתייחסות הראשוני שלו מתחילה להשתנות במסלול הסיבוב עד שהיא מגיעה ל-90 ^o ממיקומו הראשוני. כתוצאה מכך, המונח cosα יורד וגם ערך המומנט.

המומנט במקרה זה נתון ע"י τ = BILwcosα שהוא פחות מ-BIL w כאשר α גדול מאפס.

שלב 3:

במסלול הסיבוב של הארמור מגיע נקודה שבה מיקומו האמיתי של הרוטור הוא בדיוק ניצב למיקומו הראשוני, כלומר α = 90 ^o, ולכן המונח cosα = 0.

המומנט הפועל על המוביל במיקום זה נתון ע"י,

כלומר, כמעט אין מומנט סיבובי פועל על הארמור ברגע זה. אך עדיין הארמור אינו מתעכב, זאת מכיוון שהפעולת מנוע זרם ישר נבנתה בצורה כזו שהאינרציה של התנועה בנקודה זו היא בדיוק מספיקת להתגבר על נקודת המומנט האפס.

ברגע שהרוטור עובר מעל נקודה זו, הזווית בין מיקומו האמיתי של הארמור למישור ההתחלה שוב יורדת והמומנט מתחיל לפעול עליו שוב.