Vad är arbetssättet för en likströmsmotor?

Vad är driftprincipen för en likströmsmotor?

Definition av likströmsmotor

En likströmsmotor definieras som en enhet som omvandlar direkt elektrisk energi till mekanisk energi med hjälp av magnetfält och elektriska strömmar.

Likströmsmotorspekar en viktig roll i modern industri. Förståelsen av arbetssättet hos en likströmsmotor, vilket vi utforskar i denna artikel, börjar med dess grundläggande enkla loppskonstruktion.

Den mycket grundläggande konstruktionen av en likströmsmotor innehåller ett strömledande armatur, anslutet till den försörjningsänden genom kommutatorsegment och penslar. Armaturen placeras mellan nordpolen och sydpolen av en permanent eller en elektromagnet, som visas i diagrammet ovan.

När likström flödar genom armaturen upplever den en mekanisk kraft från de omgivande magneterna. För att fullt förstå hur en likströmsmotor fungerar, är det nödvändigt att förstå Flemings vänsterhandsregel, vilken hjälper till att bestämma kraftens riktning på armaturen.

Om en strömledande ledare placeras i ett magnetfält perpendikulärt, så upplever ledaren en kraft i riktningen mutuellt perpendikulär till både fältets riktning och den strömledande ledaren.

Flemings vänsterhandsregel kan bestämma rotationsriktningen för motorn. Denna regel säger att om vi utsträcker pekfingret, långfingret och tummen på vår vänstra hand perpendikulärt till varandra på ett sätt att långfingret pekar i riktningen av strömmen i ledaren, och pekfingret pekar längs magnetfältets riktning, dvs. från nordpol till sydpol, då indikerar tummen riktningen av den skapade mekaniska kraften.

För att tydligt förstå principen för likströmsmotor måste vi bestämma kraftens storlek, genom att betrakta diagrammet nedan.

Vi vet att när en oändligt liten laddning dq får flyta med en hastighet 'v' under inflytande av ett elektriskt fält E, och ett magnetfält B, upplever laddningen Lorentzkraften dF givet av:

För funktionen av en likströmsmotor, med hänsyn tagen till E = 0.

Dvs. det är kryssprodukten av dq v och magnetfältet B.

Där dL är längden av ledaren som bär laddningen q.

Från det första diagrammet kan vi se att konstruktionen av en likströmsmotor är sådan att strömriktningen genom armaturen vid alla tillfällen är perpendikulär till fältet. Därför verkar kraften på armaturen i riktningen perpendikulär till både det uniforma fältet, och strömmen är konstant.

Så om vi tar strömmen i den vänstra sidan av armaturen till I, och strömmen i den högra sidan av armaturen till -I, eftersom de flyter i motsatt riktning till varandra.

Då är kraften på den vänstra sidan av armaturen,

På samma sätt, kraften på den högra sidan av ledaren,

Därför kan vi se att vid den positionen är kraften på båda sidor lika i storlek men motsatt i riktning. Eftersom de två ledarna är separerade av en viss avstånd w = bredden på armaturen, producerar de två motsatta krafterna en roterande kraft eller ett moment som resulterar i rotation av armaturen.

Nu ska vi undersöka uttrycket för momentet när armaturen skapar en vinkel α (alfa) med sin ursprungliga position. Momentet som produceras ges av,Här är α (alfa) vinkeln mellan planet av armaturen och referensplanet eller den ursprungliga positionen av armaturen, som här är längs magnetfältets riktning.

Tillvaron av termen cosα i momentekvationen visar väldigt väl att skillnaden mellan kraft och moment vid alla positioner inte är densamma. Det varierar faktiskt med variationen av vinkeln α (alfa). För att förklara variationen av moment och principen bakom rotationen av motorn ska vi göra en stegvis analys.

Steg 1:

Ursprungligen antar vi att armaturen är i sin startpunkt eller referensposition där vinkeln α = 0.

Eftersom α = 0, är termen cos α = 1, eller det maximala värdet, därför är momentet vid denna position maximalt givet av τ = BILw. Detta höga startmoment hjälper till att övervinna den initiala trögheten av vila för armaturen och sätter den i rotation.

Steg 2:

När armaturen har satts i rörelse, ökar vinkeln α mellan den faktiska positionen av armaturen och dess ursprungliga referensposition i banan för dess rotation tills den blir 90 ^o från sin ursprungliga position. Konsekvent minskar termen cosα och också värdet av momentet.

Momentet i detta fall ges av τ = BILwcosα vilket är mindre än BIL w när α är större än 0o.

Steg 3:

I banan för rotationen av armaturen når man en punkt där den faktiska positionen av rotor är exakt vinkelrät mot dess ursprungliga position, dvs. α = 90 ^o, och som en konsekvens är termen cosα = 0.

Momentet som verkar på ledaren vid denna position ges av,

Det vill säga, praktiskt taget ingen roterande kraft verkar på armaturen vid detta tillfälle. Men ändå kommer armaturen inte till stillastående, detta beror på att drift av likströmsmotor har konstruerats på ett sätt att trögheten av rörelse vid denna punkt är tillräcklig för att övervinna denna punkt av nollmoment. 

När rotorn passerar över denna position minskar vinkeln mellan den faktiska positionen av armaturen och det ursprungliga planet igen och moment börjar verka på den igen.