Wat is het werkingsschema van een gelijkstroommotor?

Wat is het werkingsschema van een gelijkstroommotor?

Definitie van Gelijkstroommotor

Een gelijkstroommotor wordt gedefinieerd als een apparaat dat directe elektrische energie omzet in mechanische energie met behulp van magnetische velden en elektrische stromen.

Gelijkstroommotoren spelen een cruciale rol in de moderne industrie. Het begrijpen van het werkingsprincipe van een gelijkstroommotor, dat we in dit artikel onderzoeken, begint met zijn fundamentele enkelloopconstructie.

De zeer basisconstructie van een gelijkstroommotor bevat een stroomvoerende armatuur, verbonden met de voedingskant via commutatorsegmenten en borstels. De armatuur is geplaatst tussen de noord- en zuidpool van een permanentmagneet of een elektromagneet, zoals in de bovenstaande afbeelding getoond.

Wanneer gelijkstroom door de armatuur stroomt, ondervindt deze een mechanische kracht van de omringende magneet. Om volledig te begrijpen hoe een gelijkstroommotor werkt, is het essentieel om de linkerhandregel van Fleming te begrijpen, die helpt bij het bepalen van de krachtrichting op de armatuur.

Als een stroomvoerend geleider perpendiculair in een magnetisch veld wordt geplaatst, ervaart de geleider een kracht in de richting die wederzijds loodrecht staat op zowel de richting van het veld als de stroomvoerende geleider. 

De linkerhandregel van Fleming kan de draairichting van de motor bepalen. Deze regel zegt dat als we de wijsvinger, middelvinger en duim van onze linkerhand loodrecht op elkaar uitstrekken, waarbij de middelvinger in de richting van de stroom in de geleider wijst, en de wijsvinger langs de richting van het magnetisch veld, d.w.z. van noord naar zuiderpool, dan geeft de duim de richting aan van de gecreëerde mechanische kracht.

Voor een duidelijk begrip van het principe van de gelijkstroommotor moeten we de grootte van de kracht bepalen, door de onderstaande diagrammen te overwegen.

We weten dat wanneer een oneindig kleine lading dq wordt gestuurd met een snelheid 'v' onder invloed van een elektrisch veld E, en een magnetisch veld B, de Lorentzkracht dF die door de lading wordt ervaren wordt gegeven door:

Voor de werking van de gelijkstroommotor, met E = 0.

D.w.z. het is het kruisproduct van dq v en het magnetisch veld B.

Waarbij, dL de lengte is van de geleider die de lading q draagt.

Uit het 1e diagram kunnen we zien dat de constructie van een gelijkstroommotor zo is dat de richting van de stroom door de armatuurgeleider op elk moment loodrecht staat op het veld. Daarom werkt de kracht op de armatuurgeleider in de richting loodrecht op zowel het uniforme veld, en de stroom is constant.

Dus als we de stroom aan de linkerkant van de armatuurgeleider I nemen, en de stroom aan de rechterkant van de armatuurgeleider -I, omdat ze in tegengestelde richting stromen ten opzichte van elkaar.

Dan is de kracht op de linkerkant van de armatuurgeleider,

Op dezelfde manier, de kracht op de rechterkant van de geleider,

Daarom kunnen we zien dat op die positie de kracht aan beide zijden gelijk is in grootte, maar tegengesteld in richting. Aangezien de twee geleiders gescheiden zijn door een afstand w = breedte van de armatuurlus, produceren de twee tegengestelde krachten een draaimoment dat resulteert in de rotatie van de armatuurgeleider.

Laten we nu de expressie voor het moment bekijken wanneer de armatuurlus een hoek α (alfa) maakt met zijn initiële positie.Het geproduceerde moment wordt gegeven door,

Hierbij is α (alfa) de hoek tussen het vlak van de armatuurlus en het referentievlak of de initiële positie van de armatuur, die hier langs de richting van het magnetisch veld ligt.

De aanwezigheid van de term cosα in de momentvergelijking geeft duidelijk aan dat, in tegenstelling tot de kracht, het moment niet overal hetzelfde is. Het varieert in feite met de variatie van de hoek α (alfa). Om de variatie van het moment en het principe achter de rotatie van de motor uit te leggen, laten we een stapsgewijze analyse doen.

Stap 1:

Aanvankelijk nemen we de armatuur in zijn startpunt of referentiepositie, waarbij de hoek α = 0.

Omdat, α = 0, is de term cos α = 1, of de maximale waarde, dus het moment op deze positie is maximaal gegeven door τ = BILw. Dit hoge startmoment helpt bij het overwinnen van de initiële inertie van rust van de armatuur en zet deze in beweging.

Stap 2:

Zodra de armatuur in beweging komt, neemt de hoek α tussen de werkelijke positie van de armatuur en zijn initiële referentiepositie toe in de baan van de rotatie totdat deze 90 ^o wordt vanaf de initiële positie. Als gevolg daarvan neemt de term cosα af en ook de waarde van het moment.

Het moment in dit geval wordt gegeven door τ = BILwcosα, wat minder is dan BIL w wanneer α groter is dan 0o.

Stap 3:

In de baan van de rotatie van de armatuur wordt een punt bereikt waarbij de werkelijke positie van de rotor precies loodrecht staat op zijn initiële positie, d.w.z. α = 90 ^o, en als gevolg daarvan is de term cosα = 0.

Het moment dat op de geleider werkt op deze positie wordt gegeven door,

D.w.z. er werkt vrijwel geen draaimoment op de armatuur op dit moment. Maar de armatuur komt niet tot stilstand, omdat de werking van de gelijkstroommotor zo is ontworpen dat de inertie van de beweging op dit punt net genoeg is om dit punt van nulmoment te overwinnen. 

Zodra de rotor deze positie passeert, neemt de hoek tussen de werkelijke positie van de armatuur en het initiële vlak weer af en begint het moment opnieuw te werken.