Hva er driftsprinsippet for en DC-motor?

Hva er driftsprinsippet for en DC-motor?

Definisjon av DC-motor

En DC-motor defineres som et enhet som konverterer direkte elektrisk energi til mekanisk energi ved hjelp av magnetiske felt og elektriske strømmer.

DC-motorer spiller en viktig rolle i moderne industri. Forståelsen av arbeidsprinsippet for en DC-motor, som vi utforsker i denne artikkelen, begynner med dens grunnleggende enkelte loop-konstruksjon.

Den mest grunnleggende konstruksjonen av en DC-motor inneholder en strømbærende armatur, koblet til strømforsyningen gjennom kommutatorsegmenter og pensler. Armaturen plasseres mellom nordpolen og sørpolen av en permanent eller en elektromagnet, som vist i figuren over.

Når direktestrøm flyter gjennom armaturen, opplever den en mekanisk kraft fra de omkringliggende magneter. For å forstå fullstendig hvordan en DC-motor fungerer, er det nødvendig å forstå Flemings venstre-håndsregel, som hjelper til å bestemme kraftens retning på armaturen.

Hvis en strømbærende ledere plasseres perpendikulært i et magnetfelt, opplever ledere en kraft i retningen som er mutuelt perpendikulær til både feltets retning og strømbærende ledere.

Flemings venstre-håndsregel kan bestemme rotasjonsretningen for motoren. Denne regelen sier at hvis vi utvider pekefinger, mellomfinger og tommel av vår venstre hånd perpendikulært til hverandre på en slik måte at mellomfingeren er i retningen av strømmen i ledere, og pekefingeren er langs retningen av magnetfeltet, dvs. fra nord til sørpol, indikerer tommelen retningen av den opprettet mekaniske kraften.

For å forstå prinsippet for en DC-motor må vi bestemme styrken på kraften, ved å betrakte figuren nedenfor.

Vi vet at når en uendelig liten ladning dq får flyte med en hastighet 'v' under påvirkning av et elektrisk felt E, og et magnetfelt B, så er Lorentz-kraften dF opplevd av ladingen gitt ved:

For drift av DC-motor, betrakter E = 0.

Dvs. det er kryssproduktet av dq v og magnetfeltet B.

Der dL er lengden av lederen som bærer ladning q.

Fra den første figuren kan vi se at konstruksjonen av en DC-motor er slik at retningen av strømmen gjennom armaturelederen alltid er perpendikulær til feltet. Derfor virker kraften på armaturelederen i retningen perpendikulær til både uniformt felt, og strøm er konstant.

Så hvis vi tar strømmen i venstre side av armaturelederen til å være I, og strømmen i høyre side av armaturelederen til å være -I, fordi de flyter i motsatt retning til hverandre.

Da er kraften på venstre side av armaturelederen,

På samme måte, kraften på høyre side ledere,

Dermed kan vi se at på den posisjonen er kraften på hver side lik i størrelse, men motsatt i retning. Siden de to lederene er separert av en viss avstand w = bredde av armaturetur, produserer de to motsatte krefter en rotasjonell kraft eller et dreiemoment som resulterer i rotasjon av armaturelederen.

La oss nå undersøke uttrykket for dreiemoment når armaturetur skaper en vinkel α (alpha) med sin startposisjon.Dreiemomentet som produseres er gitt ved,

Her α (alpha) er vinkelen mellom planet av armaturetur og planet av referanse eller startposisjonen av armaturen, som her er langs retningen av magnetfeltet.

Tilstedeværelsen av termen cosα i dreiemomentligningen viser godt at ulikt kraft er ikke dreiemomentet like på alle posisjoner. Det varierer faktisk med variasjonen av vinkelen α (alpha). For å forklare variasjonen av dreiemomentet og prinsippet bak rotasjonen av motoren la oss gjøre en trinnvis analyse.

Trinn 1:

Inntil videre antar vi at armaturen er i sin startpunkt eller referanseposisjon der vinkelen α = 0.

Siden α = 0, er termen cos α = 1, eller maksimal verdi, derfor er dreiemomentet på denne posisjonen maksimalt gitt ved τ = BILw. Dette høye startdreiemomentet hjelper til å overvinne den initielle inerti av hvile av armaturen og setter den i rotasjon.

Trinn 2:

Når armaturen setter i bevegelse, øker vinkelen α mellom den faktiske posisjonen av armaturen og dens initielle referanseposisjon i bevegelsesbanen sin frem til den blir 90 ^o fra sin initielle posisjon. Konsekvent, termen cosα minker og også verdien av dreiemomentet.

Dreiemomentet i dette tilfellet er gitt ved τ = BILwcosα som er mindre enn BIL w når α er større enn 0o.

Trinn 3:

I bevegelsesbanen av armaturen blir det nådd et punkt hvor den faktiske posisjonen av rotor er nøyaktig perpendikulær til sin initielle posisjon, dvs. α = 90 ^o, og som følge av dette er termen cosα = 0.

Dreiemomentet som virker på lederen på denne posisjonen er gitt ved,

dvs. nesten ingen roterende dreiemoment virker på armaturen i dette øyeblikket. Men fortsatt kommer ikke armaturen til stopp, dette skyldes at drift av DC-motor har blitt konstruert på en slik måte at inerti av bevegelse på dette punktet er akkurat nok til å overkomme dette punktet med null dreiemoment. 

Når rotoren passerer over denne posisjonen, minsker vinkelen mellom den faktiske posisjonen av armaturen og det initielle planet igjen, og dreiemoment begynner å virke på den igjen.