Что такое принцип работы двигателя постоянного тока?

Каков принцип работы двигателя постоянного тока?

Определение двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока определяется как устройство, преобразующее прямую электрическую энергию в механическую энергию с использованием магнитных полей и электрических токов.

Двигатели постоянного тока играют ключевую роль в современной промышленности. Понимание принципа работы двигателя постоянного тока, которое мы рассматриваем в этой статье, начинается с его фундаментальной одноцикловой конструкции.

Самая базовая конструкция двигателя постоянного тока включает проводящий якорь, соединенный с источником питания через сегменты коллектора и щетки. Якорь помещается между северным и южным полюсами постоянного или электромагнита, как показано на диаграмме выше.

Когда постоянный ток проходит через якорь, он испытывает механическую силу от окружающих магнитов. Для полного понимания того, как работает двигатель постоянного тока, необходимо знать правило левой руки Флеминга, которое помогает определить направление силы на якоре.

Если проводник, по которому течет ток, находится перпендикулярно к магнитному полю, то проводник испытывает силу, направленную взаимно перпендикулярно как к направлению поля, так и к проводнику, по которому течет ток.

Правило левой руки Флеминга может определить направление вращения двигателя. Это правило гласит, что если мы вытянем указательный, средний палец и большой палец нашей левой руки перпендикулярно друг другу таким образом, чтобы средний палец был в направлении тока в проводнике, а указательный палец был в направлении магнитного поля, то есть от северного к южному полюсу, тогда большой палец указывает направление создаваемой механической силы.

Для четкого понимания принципа работы двигателя постоянного тока нам нужно определить величину силы, используя следующую диаграмму.

Мы знаем, что когда бесконечно малый заряд dq движется со скоростью 'v' под влиянием электрического поля E и магнитного поля B, то сила Лоренца dF, испытываемая зарядом, определяется следующим образом:

Для работы двигателя постоянного тока, принимая E = 0.

То есть это векторное произведение dq v и магнитного поля B.

Где, dL - длина проводника, несущего заряд q.

Из первой диаграммы видно, что конструкция двигателя постоянного тока такова, что направление тока через якорный проводник во всех случаях перпендикулярно полю. Поэтому сила действует на якорный проводник в направлении, перпендикулярном как однородному полю, так и току, который постоянен.

Поэтому, если взять ток в левой части якорного проводника равным I, а ток в правой части якорного проводника равным -I, так как они текут в противоположных направлениях.

Тогда сила, действующая на левую часть якорного проводника,

Аналогично, сила, действующая на правую часть проводника,

Таким образом, можно увидеть, что в этом положении сила на каждой стороне одинакова по величине, но противоположна по направлению. Поскольку два проводника разделены некоторым расстоянием w = шириной якорной обмотки, две противоположные силы создают вращательную силу или момент, что приводит к вращению якорного проводника.

Теперь давайте рассмотрим выражение момента, когда якорная обмотка создает угол α (альфа) с ее начальным положением. Момент, создаваемый, определяется следующим образом:Момент, создаваемый, определяется следующим образом:

Здесь α (альфа) - угол между плоскостью якорной обмотки и плоскостью отсчета или начального положения якоря, который здесь расположен вдоль направления магнитного поля.

Присутствие термина cosα в уравнении момента хорошо свидетельствует о том, что, в отличие от силы, момент в любом положении не одинаков. Он, фактически, изменяется с изменением угла α (альфа). Чтобы объяснить изменение момента и принцип вращения двигателя, давайте проведем пошаговый анализ.

Шаг 1:

Изначально предположим, что якорь находится в своей начальной точке или позиции отсчета, где угол α = 0.

Поскольку α = 0, термин cos α = 1, или максимальное значение, поэтому момент в этом положении максимален и равен τ = BILw. Этот высокий начальный момент помогает преодолеть начальную инертность покоя якоря и запускает его вращение.

Шаг 2:

Как только якорь начинает движение, угол α между фактическим положением якоря и его начальной позицией отсчета увеличивается в пути его вращения до тех пор, пока он не станет 90 ^o от его начального положения. В результате, термин cosα уменьшается, а также и значение момента.

Момент в этом случае определяется как τ = BILwcosα, что меньше, чем BIL w, когда α больше 0o.

Шаг 3:

В пути вращения якоря достигается точка, где фактическое положение ротора точно перпендикулярно его начальному положению, то есть α = 90 ^o, и, как результат, термин cosα = 0.

Момент, действующий на проводник в этом положении, определяется следующим образом:

то есть практически нет вращающего момента, действующего на якорь в этот момент. Однако якорь не останавливается, это связано с тем, что работа двигателя постоянного тока разработана таким образом, что инерция движения в этой точке достаточна, чтобы преодолеть эту точку нулевого момента.

Как только ротор переходит через это положение, угол между фактическим положением якоря и начальной плоскостью снова уменьшается, и момент начинает действовать на него снова.