Silniki prądu stałego

Aleksandra Kasza
i
Aleksandra Sosnowska

Podstawy funkcjonowania

  

   
 

                                               

                                                
         

Moment elektromagnetyczny

  

   
 

                                               

                                                
         

W największym uproszczeniu, za silnik
elektryczny

możemy

przyjąć

model

składający się z dwóch magnesów trwałych:
zewnętrznego reprezentującego

stojan

i

wewnętrznego

odpowiadający

wirnikowi

silnika.

Ten

model

silnika

jest

najprostszym

z

możliwych.

Zawiera

on

tylko

2

bieguny (1 para)

, a składowe

pola magnetyczne wytwarzane
są przez magnesy trwałe. W
rzeczywistych

silnikach

w

zależności

od

ich

rodzaju

zastępuje się magnesy trwałe
odpowiednimi uzwojeniami dla
wirnika lub/i stojana, które
zasila się prądem stałym lub
przemiennym.

Zwiększa

się

również liczba par biegunów.

Jeżeli magnes wirnika posiadający swobodę ruchu, ustawiony
zostanie w dowolnym położeniu względem magnesu stojana,
przytwierdzonego do jakiejś nieruchomej obudowy, to pod wpływem
działania sił magnetycznych pojawi się

moment obrotowy

, który

obróci wirnik w położenie, w którym siły magnetyczne się
zrównoważą.

Budowa

Uproszczona budowa
przykładowego modelu

Podstawowymi elementami tego modelu silnika
DC (silnika elektrycznego prądu stałego) są:
 - magnes
 - umieszczona pomiędzy biegunami magnesów
ramka
 -

komutator

(służy do zmiany kierunku prądu)

 -

szczotki

(doprowadzają prąd do komutatora)

Prąd doprowadzany jest do ramki przez dwie
ślizgające się po pierścieniu szczotki

.

                                                     
                                      

 

                                       

                                                     
      

model silnika prądu stałego

Prawdziwe silniki prądu stałego są o wiele bardziej skomplikowane.
Zwykle zamiast magnesów stałych stosuje się elektromagnesy, dla których
wartość pola elektromagnetycznego jest o wiele większa, uzwojenie
posiada wiele zwojów, a komutator jest zdecydowanie bardziej
skomplikowany. Mimo to zasada działania pozostaje teka sama

  

   
 

 

                                 

                                                 
                         

  

   
 

                                                

                                                 
         

 silnik prądu stałego

Produkowane obecnie silniki prądu stałego w
zdecydowanej większości są to tzw. maszyny
komutatorowe. Istnieje jeszcze inna konstrukcja
tzw. maszyny unipolarne, ale jest ona rzadko
stosowana, ponieważ może być stosowana tylko
dla małych napięć zasilających.

      

                              

Wirnik silnika prądu stałego wykonany jest w
kształcie walca, na powierzchni, którego
znajdują się żłobki. W żłobkach tych
umieszczane jest uzwojenie, a następnie jest
on zamykany za pomocą specjalnych klinów,
zapobiegając w ten sposób wypadnięciu
podczas wirowania. Rdzeń żłobka, w celu
osiągnięcia

lepszych

właściwości

magnetycznych,

wykonywany

jest

z

pakietowanych blach.

Nieruchomy stojan, wykonany jest w kształcie
wydrążonego walca, zwykle, ze względu na stałe
pole magnetyczne, jako żeliwny lub staliwny
odlew

Po

wewnętrznej

stronie

stojana

umieszczone są bieguny(najczęściej główne i
pomocnicze), na których nawinięte są uzwojenia.
Część bieguna umieszczona najbliżej osi nazywa
się

nabiegunnikiem

i jest szersza od reszty

bieguna.

 

                                           

                          

przekrój silnika prądu stałego

Krzemowe szczotki ślizgając się po komutatorze umożliwiają połączenie
obracającego się uzwojenia wirnika z zasilającym je nieruchomym
źródłem prądu stałego.

Bardzo ważną częścią silnika prądu stałego, umożliwiającą mu
prawidłowe funkcjonowanie jest komutator. Rola, jaką spełnia jest
omówiona szerzej w części dotyczącej zasady działania silnika DC.
Komutator wykonany jest w postaci wielu miedzianych wycinków,
wzajemnie odizolowanych. Do każdego z wycinków przyłączony jest
jeden koniec uzwojenia wirnika.

W silniku komutatorowym prądu stałego uzwojenie wzbudzenia znajduje
się w stojanie natomiast uzwojenie twornika w wirniku (w silniku
synchronicznym jest odwrotnie). Komutator pełni rolę prostownika
mechanicznego. Pole magnetyczne wzbudzenia uzyskuje się zasilając
uzwojenia stojana prądem stałym, ponieważ trudno byłoby stworzyć
wystarczająco silne pole w oparciu o magnesy trwała i z pewnością
byłyby też znacznie kosztowniejsze. Stojan oprócz biegunów i uzwojeń
głównych wytwarzających główne pole magnetyczne posiada także
bieguny pomocnicze, na których nawinięte jest uzwojenie pomocnicze,
która jest połączone równolegle z uzwojeniem wirnika. Zadaniem tego
uzwojenia jest wyeliminowanie pewnych niekorzystnych zjawisk
spowodowanych oddziaływaniem wirnika, związanych ze zmiana
rozkładu indukcji magnetycznej pod biegunami, mogących objawiać się
nadmiernym iskrzeniem przy ocieraniu szczotek o komutator

KOMUTATOR

 

                                        

                     

komutator silnika prądu stałego

Zasada działania

Jeżeli ramka zostanie podłączona do źródła prądu stałego, na jej znajdujące
się w polu magnetycznym magnesu ramiona, zaczną oddziaływać siły
elektrodynamiczne, powstanie moment siły powodujący obrót ramki wokół
osi obrotu. Moment ten jest proporcjonalny do iloczynu wektorów siły i
ramienia, więc jego wartość zmienia się, gdy zmienie ulega wartość kąta
pomiędzy tymi wektorami. Gdy ramka ustawiona jest prostopadle do linii
pola magnetycznego, wektory siły i ramienia ustawione są równolegle, a
wartość momentu siły działającego na ramkę spada do zera, Prędkość
obracania się ramki znacznie spada i tylko dzięki bezwładności udaje się jej
pokonać krytyczne prostopadłe położenie. Aby utrzymać stały kierunek
obrotu ramki, w położeniu prostopadłym (za pośrednictwem komutatora)
następuje zmiana kierunku przepływu prądu. Wówczas ponownie pojawia
się moment, który dalej obraca ramkę w tym samym kierunku. Jego
wartość rośnie aż do osiągnięcia przez ramkę położenia poziomego
(wówczas wektory siły i ramienia są prostopadłe), poczym ponownie
zaczyna maleć, aby w położeniu pionowym całkiem spaść do zera.

Moment obrotowy działający na ramkę
 M = F  r sinα             gdzie:                                           

                                     r - ramię siły (odległość między kierunkiem siły a
osią obrotu.)
                                     F- wartość siły.
                                     α- kąt pomiędzy wektorem siły i wektorem
ramienia.

 

                                                                 

                                 

położenie poziome ramki  - w tym położeniu ramki wektory siły i
ramienia są prostopadłe a więc moment obrotowy i prędkości
chwilowa ramki, są największe.

W momencie gdy szczotki trafiają na przerwę w komutatorze (w położeniu
pionowym ramki), prąd w ramce przestaje płynąć. Dalszy obrót prowadzi do
zmiany kierunku prądu w ramce w związku z czym  ramka zachowuje stały
kierunek obrotu.

Ramka w prawie pionowym położeniu, wektory siły i ramienia są prawie
równoległe a więc w tym momencie wartość momentu obrotowego jest
bardzo mała. Gdy ramka osiągnie zupełnie pionowe położenie, komutator
na moment przerwie dopływ prądu.

http://silnikielektryczne.prv.pl/html/siln
ik_dc.html

http://www.zamkor.com.pl/programy%20fizyka
%20gimnazjum1/silnik_elektr/silnik_elektr.htm

http://www.wynalazki.mt.com.pl/wyn/silnik%20elektr.html

http://portalwiedzy.onet.pl/66472,,,,silnik_elektryczny,haslo.html