Qual è il Principio di Funzionamento del Motore a Corrente Continua?

Qual è il principio di funzionamento del motore a corrente continua?

Definizione del motore a corrente continua

Un motore a corrente continua è definito come un dispositivo che converte l'energia elettrica diretta in energia meccanica utilizzando campi magnetici e correnti elettriche.

I motori a corrente continua svolgono un ruolo cruciale nell'industria moderna. La comprensione del principio di funzionamento di un motore a corrente continua, che esploreremo in questo articolo, inizia con la sua costruzione fondamentale a singola spira.

La costruzione più basilare di un motore a corrente continua include un armatura portatrice di corrente, collegata all'estremità di alimentazione attraverso segmenti del commutatore e spazzole. L'armatura è posizionata tra il polo nord e il polo sud di un magnete permanente o elettromagnete, come mostrato nella figura sopra.

Quando la corrente continua fluisce attraverso l'armatura, questa sperimenta una forza meccanica dai magneti circostanti. Per comprendere pienamente come funziona un motore a corrente continua, è essenziale comprendere la regola della mano sinistra di Fleming, che aiuta a determinare la direzione della forza sull'armatura.

Se un conduttore portatore di corrente è posizionato in un campo magnetico perpendicolarmente, allora il conduttore sperimenta una forza in una direzione mutuamente perpendicolare sia alla direzione del campo che al conduttore portatore di corrente.

La regola della mano sinistra di Fleming può determinare la direzione di rotazione del motore. Questa regola dice che se estendiamo l'indice, il dito medio e il pollice della nostra mano sinistra in modo perpendicolare l'uno all'altro in modo tale che il dito medio sia nella direzione della corrente nel conduttore, e l'indice sia lungo la direzione del campo magnetico, cioè dal polo nord al polo sud, allora il pollice indica la direzione della forza meccanica creata.

Per una comprensione chiara del principio del motore a corrente continua dobbiamo determinare la magnitudine della forza, considerando il diagramma qui sotto.

Sappiamo che quando una carica infinitesimale dq viene fatta fluire con una velocità 'v' sotto l'influenza di un campo elettrico E e di un campo magnetico B, la forza di Lorentz dF sperimentata dalla carica è data da:

Per l'operazione del motore a corrente continua, considerando E = 0.

Cioè, è il prodotto vettoriale di dq v e del campo magnetico B.

Dove, dL è la lunghezza del conduttore portatore di carica q.

Dal primo diagramma possiamo vedere che la costruzione di un motore a corrente continua è tale che la direzione della corrente attraverso il conduttore dell'armatura in tutti gli istanti è perpendicolare al campo. Pertanto, la forza agisce sul conduttore dell'armatura in una direzione perpendicolare sia al campo uniforme, sia alla corrente, che è costante.

Quindi, se prendiamo la corrente nel lato sinistro del conduttore dell'armatura come I, e la corrente nel lato destro del conduttore dell'armatura come -I, poiché stanno fluendo in direzioni opposte l'una rispetto all'altra.

Allora la forza sul lato sinistro del conduttore dell'armatura,

Analogamente, la forza sul lato destro del conduttore,

Pertanto, possiamo vedere che in quella posizione la forza su entrambi i lati è uguale in magnitudine ma opposta in direzione. Poiché i due conduttori sono separati da una certa distanza w = larghezza della spira dell'armatura, le due forze opposte producono una forza rotazionale o un momento che causa la rotazione del conduttore dell'armatura.

Ora esaminiamo l'espressione del momento quando la spira dell'armatura crea un angolo di α (alfa) con la sua posizione iniziale. Il momento prodotto è dato da, 

Qui α (alfa) è l'angolo tra il piano della spira dell'armatura e il piano di riferimento o la posizione iniziale dell'armatura, che qui è lungo la direzione del campo magnetico.

La presenza del termine cosα nell'equazione del momento segnala molto bene che, a differenza della forza, il momento in tutte le posizioni non è lo stesso. Infatti, varia con la variazione dell'angolo α (alfa). Per spiegare la variazione del momento e il principio alla base della rotazione del motore, facciamo un'analisi passo dopo passo.

Passo 1:

Inizialmente, considerando che l'armatura si trova nel suo punto di partenza o posizione di riferimento dove l'angolo α = 0.

Poiché α = 0, il termine cos α = 1, o il valore massimo, quindi il momento in questa posizione è massimo, dato da τ = BILw. Questo alto momento iniziale aiuta a superare l'iniziale inerzia di riposo dell'armatura e la mette in rotazione.

Passo 2:

Una volta che l'armatura si mette in moto, l'angolo α tra la posizione effettiva dell'armatura e la sua posizione iniziale di riferimento aumenta lungo il percorso della sua rotazione fino a diventare 90 ^o dalla sua posizione iniziale. Conseguentemente, il termine cosα diminuisce e anche il valore del momento.

Il momento in questo caso è dato da τ = BILwcosα, che è inferiore a BILw quando α è maggiore di 0^o.

Passo 3:

Nel percorso di rotazione dell'armatura, si raggiunge un punto in cui la posizione effettiva del rotore è esattamente perpendicolare alla sua posizione iniziale, cioè α = 90 ^o, e come risultato il termine cosα = 0.

Il momento agente sul conduttore in questa posizione è dato da,

cioè, virtualmente nessun momento rotazionale agisce sull'armatura in questo istante. Tuttavia, l'armatura non si ferma, ciò è dovuto al fatto che l'operazione del motore a corrente continua è stata progettata in modo che l'inerzia del movimento in questo punto sia sufficiente a superare questo punto di momento nullo. 

Una volta che il rotore supera questa posizione, l'angolo tra la posizione effettiva dell'armatura e il piano iniziale diminuisce nuovamente e il momento inizia ad agire di nuovo.