Kako deluje DC motor?

Kako deluje DC motor?

Definicija DC motorja

DC motor je naprava, ki pretvori električno energijo v mehansko energijo z uporabo magnetnih polj in električnih tokov.

DC motorji igrajo ključno vlogo v sodobni industriji. Razumevanje načela delovanja DC motorja, ki ga bomo raziskovali v tem članku, se začne s osnovno enozankevno konstrukcijo.

Osnovna konstrukcija DC motorja vključuje nosilca toka, povezanega s strani snabdevanja preko komutatorjev in ščet. Nosilec toka je postavljen med severnim in južnim polom stalnega ali elektromagnetnega magneta, kot je prikazano na zgornjem diagramu.

Ko tok teče skozi nosilec toka, doživi mehansko silo od okoliških magnetov. Za popolno razumevanje, kako deluje DC motor, je ključno razumeti Flemingovo levo pravilo, ki pomaga določiti smer sile na nosilcu toka.

Če je nosilec toka postavljen v magnetno polje pod pravokotno koto, potem nosilec doživi silo v smeri, ki je pravokotna na smer polja in nosilca toka.

Flemingovo Levo Pravilo lahko določi smer vrtenja motorja. To pravilo pravi, da če raztegnemo kazalec, srednji prst in palec leve roke tako, da so pravokotni drug na drugega, srednji prst v smeri toka v vodilu in kazalec v smeri magnetnega polja, torej od severnega do južnega pola, potem palec kaže smer ustvarjene mehanske sile.

Za jasno razumevanje načela DC motorja moramo določiti velikost sile, glede na spodnji diagram.

Vemo, da, ko se neskončno majhno naboj dq premika z hitrostjo 'v' pod vplivom električnega polja E in magnetnega polja B, potem Lorentzova sila dF, ki jo doživi naboj, je dana z:

Za delovanje DC motorja, E = 0.

Torej je to vektorski produkt dq v in magnetnega polja B.

Kjer je dL dolžina vodilca, ki nosi naboj q.

Iz prvega diagrama lahko vidimo, da je konstrukcija DC motorja takšna, da je smer toka skozi vodilce nosilca toka v vsakem trenutku pravokotna na polje. Torej sila deluje na vodilce nosilca toka v smeri, ki je pravokotna na oba enakomerno polje, in tok je konstanten.

Torej, če vzamemo tok na levi strani nosilca toka kot I, in tok na desni strani nosilca toka kot -I, ker tečejo v nasprotnih smerih.

Potem je sila na levem vodilcu nosilca toka,

Podobno, sila na desnem vodilcu,

Torej lahko vidimo, da je v tej legi sila na obeh straneh enaka po velikosti, a nasprotne po smeri. Ker sta dva vodilca ločena z neko razdaljo w = širino obrata nosilca, dve nasprotni sili ustvarita vrtilno silo ali vrtljaj, ki povzroči vrtenje nosilca toka.

Nedavno preučimo izraz za vrtljaj, ko obrat nosilca ustvari kot α (alfa) z njegovo začetno lego. Ustvarjen vrtljaj je dan z: 

Tu je α (alfa) kot med ravnino obrata nosilca in ravnino referenc ali začetno lego nosilca, ki je tukaj v smeri magnetnega polja.

Prisotnost člena cosα v enačbi vrtljaja jasno kaže, da je, različno od sile, vrtljaj v vseh legah ni isti. V resnici se spreminja z variacijo kota α (alfa). Za razlago variacije vrtljaja in načela vrtenja motorja naredimo korak za korakom analizo.

Korak 1:

Na začetku predpostavljamo, da je nosilec v svoji začetni legi ali referenci, kjer je kot α = 0.

Ker je α = 0, je člen cos α = 1, ali maksimalna vrednost, zato je vrtljaj v tej legi maksimalen, podan z τ = BILw. Ta visoki začetni vrtljaj pomaga premočiti začetno inercijo miru nosilca in ga postavi v vrtenje.

Korak 2:

Ko se nosilec začne vrteti, kot α med dejansko lego nosilca in njegovo začetno referenco se povečuje v smeri vrtenja, dokler ne postane 90 ^o od začetne legi. Slednjim, člen cosα se zmanjša in tudi vrednost vrtljaja.

Vrtljaj v tem primeru je podan z τ = BILwcosα, kar je manjše od BIL w, ko je α večji od 0 ^o.

Korak 3:

V smeri vrtenja nosilca dosežena je točka, kjer je dejanska lega rotorja točno pravokotna na njegovo začetno lego, torej α = 90 ^o, in kot rezultat je člen cosα = 0.

Vrtljaj, ki deluje na vodilcu v tej legi, je podan z:

torej praktično noben vrtilni vrtljaj ne deluje na nosilcu v tem trenutku. Vendar se nosilec ne ustavi, to je zaradi dejstva, da je delovanje DC motorja tako zgrajeno, da je inercija gibanja v tej točki dovolj velika, da premore to točko nulnega vrtljaja. 

Ko rotor preide preko te točke, kot med dejansko lego nosilca in začetno ravnino ponovno zmanjša, in vrtljaj se znova začne nanj delovati.