Milyen az egyirányú (DC) motor működési elve?

Milyen az egyirányú (DC) motor működési elve?

Egyirányú (DC) motor definíció

Az egyirányú (DC) motort úgy definiáljuk, hogy olyan eszköz, amely közvetlen elektromos energiát alakít át mechanikus energiává mágneses mezők és elektromos áramok használatával.

Az egyirányú (DC) motorok kulcsszerepet játszanak a modern iparban. Az egyirányú (DC) motor működési elvének megértése, amit ebben a cikkben vizsgálunk, kezdődik a motor alapvető egyhurok szerkezetével.

Az egyirányú (DC) motor legalapvetőbb szerkezete tartalmaz egy áramviselő armatúrát, amelyet a szellőző szeletek és kefelek révén csatlakoztatnak az ellátó véghez. Az armatúrát helyezik egy állandó vagy elektromágnes északi és déli pólusa között, ahogy a fenti ábra mutatja.

Amikor egyenes áram folyik az armatúrán keresztül, az a környező mágnesek hatására meccsile erőt tapasztal. Ahhoz, hogy teljesen megértsük, hogyan működik az egyirányú (DC) motor, alapvető, hogy megértse Flemings balkezes szabályát, amely segít meghatározni az armatúrára ható erő irányát.

Ha egy áramviselő vezetéket merőlegesen helyezünk egy mágneses mezőbe, akkor a vezeték egy olyan erőt tapasztal, ami mindkét iránynak, a mezőnek és az áramviselő vezetéknak, merőleges.

Flemings balkezes szabálya meghatározza a motor forgási irányát. Ez a szabály azt mondja, ha a balkezünk ujjait merőlegesen állítjuk egymáshoz úgy, hogy a mutatóujj a vezetékben folyó áram irányába, a középső ujj pedig a mágneses mező irányába, azaz észak-tól dél felé, akkor a hüvelykujj a létrejövő meccsile erő irányát jelzi.

Az egyirányú (DC) motor működési elvének világos megértéséhez meg kell határoznunk az erő nagyságát, figyelembe véve az alábbi ábrát.

Tudjuk, hogy amikor végtelenül kis töltést, dq-ot, 'v' sebességgel engedünk át egy elektromos mező, E, és egy mágneses mező, B, hatására, akkor a Lorentz-erő, dF, amit a töltés tapasztal, a következőképpen adódik:

Az egyirányú (DC) motor működése során, feltételezzük, hogy E = 0.

Azaz, ez a dq v és a mágneses mező, B, vektoriális szorzata.

Ahol, dL a töltést viselő vezeték hossza.

Az első ábrából látható, hogy az egyirányú (DC) motor szerkezete úgy van, hogy az armatúravezetékön átmenő áram minden pillanatban merőleges a mezőre. Így az erő a vezetéken merőleges irányban hat, a homogén mezőre és az áramra nézve konstans.

Tehát, ha az armatúravezeték bal oldalán áramló áram I, és a jobb oldalon -I, mivel ellenkező irányban folyik.

Ekkor az erő az armatúravezeték bal oldalán,

Hasonlóképpen, az erő az armatúravezeték jobb oldalán,

Tehát látható, hogy ezen a helyen az erő mindkét oldalon egyenlő nagyságú, de ellenkező irányú. Mivel a két vezeték valamilyen távolságra, w = az armatúrhurok szélessége, található, a két ellenkező erő forgóerőt vagy nyomatékot hoz létre, ami az armatúravezeték forgását eredményezi.

Most vizsgáljuk a nyomaték kifejezését, amikor az armatúrhurok α (alfa) szöget zár be kezdeti helyzetükhöz képest.A létrejövő nyomaték a következőképpen adódik:

Itt α (alfa) a szög az armatúrhurok síkja és a referenciavonal vagy a kezdeti helyzet között, ami itt a mágneses mező irányában van.

A cosα tag jelenléte a nyomatéki egyenletben nagyon jól jelzi, hogy a nyomaték nem ugyanaz minden helyzetben, mint az erő. Valójában, az α (alfa) szög változásával is változik. A nyomaték változásának és a motor forgásának elvét lépésenként elemzve magyarázhatjuk.

Lépés 1:

Kezdetben feltételezzük, hogy az armatúr a kezdeti pontjában vagy referenciapozíciójában van, ahol a szög α = 0.

Mivel α = 0, a cos α = 1, vagyis a maximum érték, így a nyomaték ezen a helyen maximális, amit τ = BILw ad. Ez a magas kezdőnyomaték segít a motor kezdeti inerciájának legyőzésében, és beindítja az armatúr forgását.

Lépés 2:

Miután az armatúr elkezd forogni, az α szög, az armatúr aktuális helyzete és a kezdeti referenciapozíciója között növekszik a forgás útján, amíg 90 ^o-ig nem éri el a kezdeti helyzetétől. Ennek eredményeként a cosα csökken, és a nyomaték értéke is.

Ebben az esetben a nyomaték τ = BILwcosα, ami kisebb, mint BIL w, amikor α nagyobb, mint 0^o.

Lépés 3:

Az armatúr forgási útján olyan pontot ér, ahol az armatúr aktuális helyzete pontosan merőleges a kezdeti helyzetére, azaz α = 90 ^o, és ennek eredményeként a cosα = 0.

A vezetéken ezen a helyen ható nyomaték a következőképpen adódik:

Azaz, szinte nincs forgóerő, ami ezen a pillanaton hat az armatúron. De az armatúr mégsem áll meg, mert az egyirányú (DC) motor működése úgy van kialakítva, hogy a mozgás inerciája ezen a ponton elegendő a null nyomaték pontjának legyőzésére. 

Miután a rotor áthalad ezen a pozíción, az armatúr aktuális helyzete és a kezdeti sík közötti szög ismét csökken, és a nyomaték újra hat.