Jakie jest zasada działania silnika prądu stałego?

Jakie jest zasada działania silnika prądu stałego?

Definicja silnika prądu stałego

Silnik prądu stałego to urządzenie, które przekształca bezpośrednią energię elektryczną w energię mechaniczną za pomocą pól magnetycznych i prądów elektrycznych.

Silniki prądu stałego odgrywają kluczową rolę w nowoczesnej przemyśle. Zrozumienie zasady działania silnika prądu stałego, którą omawiamy w tym artykule, zaczyna się od jego podstawowej konstrukcji jednokółkowej.

Podstawowa konstrukcja silnika prądu stałego zawiera armaturę przewodzącą prąd, połączoną z końcem zasilania przez segmenty komutatora i szczotki. Armatura jest umieszczona między biegunem północnym i południowym stałą magnesu lub elektromagnesu, jak pokazano na powyższym diagramie.

Gdy prąd stały płynie przez armaturę, ta doświadcza siły mechanicznej ze strony otaczających magnesów. Aby w pełni zrozumieć, jak działa silnik prądu stałego, ważne jest, aby zrozumieć lewą rękę Fleminga, która pomaga określić kierunek siły działającej na armaturę.

Jeśli przewodnik niosący prąd jest umieszczony w polu magnetycznym prostopadle, to przewodnik doświadcza siły w kierunku wzajemnie prostopadłym zarówno do kierunku pola, jak i przewodnika niosącego prąd.

Lewa ręka Fleminga może określić kierunek obrotu silnika. Ta zasada mówi, że jeśli rozszerzymy palec wskazujący, środkowy i kciuk naszej lewej ręki prostopadle do siebie tak, że palec środkowy wskazuje kierunek prądu w przewodniku, a palec wskazujący jest wzdłuż kierunku pola magnetycznego, tzn. od bieguna północnego do południowego, to kciuk wskazuje kierunek stworzonej siły mechanicznej.

Aby dobrze zrozumieć zasadę działania silnika prądu stałego, musimy określić wielkość siły, uwzględniając poniższy diagram.

Wiemy, że gdy nieskończenie mała ładunek dq jest przeprowadzany z prędkością 'v' pod wpływem pola elektrycznego E i pola magnetycznego B, to siła Lorentza dF doświadczana przez ładunek wynosi:

Dla działania silnika prądu stałego, zakładając E = 0.

To jest iloczyn wektorowy dq v i pola magnetycznego B.

Gdzie dL to długość przewodnika niosącego ładunek q.

Z pierwszego diagramu możemy zobaczyć, że konstrukcja silnika prądu stałego jest taka, że kierunek prądu przez przewodnik armatury w każdym momencie jest prostopadły do pola. Stąd siła działa na przewodnik armatury w kierunku prostopadłym zarówno do jednorodnego pola, jak i prąd jest stały.

Więc jeśli przyjmiemy, że prąd w lewej części przewodnika armatury wynosi I, a prąd w prawej części przewodnika armatury wynosi -I, ponieważ płyną one w przeciwnych kierunkach.

Wtedy siła działająca na przewodnik armatury po lewej stronie,

Podobnie, siła działająca na przewodnik po prawej stronie,

Zatem widzimy, że w tym położeniu siła działająca na każdej stronie jest równa co do wartości, ale przeciwna co do kierunku. Ponieważ dwa przewodniki są oddalone od siebie o pewną odległość w = szerokość obrotu armatury, dwie przeciwne siły wywołują siłę obrotową lub moment, który powoduje obrót przewodnika armatury.

Teraz przeanalizujmy wyrażenie momentu, gdy obroty armatury tworzą kąt α (alfa) z ich początkowym położeniem. Moment wytworzony jest dany przez, 

Tutaj α (alfa) to kąt między płaszczyzną obrotu armatury a płaszczyzną odniesienia lub początkowym położeniem armatury, które tutaj jest wzdłuż kierunku pola magnetycznego.

Obecność terminu cosα w równaniu momentu dobrze świadczy o tym, że, w przeciwieństwie do siły, moment w każdym położeniu nie jest taki sam. W rzeczywistości zmienia się on wraz z zmianą kąta α (alfa). Aby wyjaśnić zmianę momentu i zasadę działania obrotu silnika, przeprowadźmy analizę krok po kroku.

Krok 1:

Początkowo zakładając, że armatura znajduje się w swoim punkcie początkowym lub pozycji odniesienia, gdzie kąt α = 0.

Ponieważ α = 0, termin cos α = 1, czyli wartość maksymalna, więc moment w tym położeniu jest maksymalny i wynosi τ = BILw. Ten wysoki początkowy moment pomaga w przezwyciężeniu początkowej bezwładności spoczynku armatury i uruchamia ją w ruch obrotowy.

Krok 2:

Gdy armatura rusza, kąt α między rzeczywistym położeniem armatury a jej początkowym położeniem odniesienia zwiększa się w trakcie jej obrotu, aż do momentu, gdy osiągnie 90 ^o od jej początkowego położenia. W konsekwencji, termin cosα maleje, a także wartość momentu.

Moment w tym przypadku wynosi τ = BILwcosα, co jest mniejsze niż BIL w, gdy α jest większe niż 0o.

Krok 3:

W trakcie obrotu armatury dochodzi do momentu, gdy rzeczywiste położenie wirnika jest dokładnie prostopadłe do jego początkowego położenia, tzn. α = 90 ^o, a w rezultacie termin cosα = 0.

Moment działający na przewodnik w tym położeniu wynosi,

czyli praktycznie żaden moment obrotowy nie działa na armaturę w tym momencie. Mimo to armatura nie zatrzymuje się, ponieważ działanie silnika prądu stałego zostało zaprojektowane w taki sposób, że bezwładność ruchu w tym punkcie jest wystarczająca, aby przezwyciężyć ten punkt zerowego momentu. 

Po przekroczeniu tego położenia kąt między rzeczywistym położeniem armatury a początkową płaszczyzną ponownie maleje, a moment zaczyna na nią działać.