Jak działa silnik prądu stałego?

Jak działa silnik prądu stałego?

A Silnik prądu stałego jest jednym z najważniejszych wynalazków w historii elektrotechniki, przekształcającym energię elektryczną prądu stałego w energię mechaniczną. Od maszyn przemysłowych i systemów transportowych po urządzenia domowe i robotykę, jest kluczowym komponentem w nieskończonej liczbie urządzeń. Zrozumienie zasady działania Silnik prądu stałego jest istotne dla inżynierów, techników oraz wszystkich zainteresowanych systemami elektromechanicznymi.

W tym artykule wyjaśniono zasady działania silnika prądu stałego, jego budowę, rodzaje i zastosowania, a także naukę stojącą za jego funkcjonowaniem. Omówimy również sposób generowania momentu obrotowego, rolę komutacji oraz sposób kontroli prędkości i kierunku obrotów.

Podstawowa zasada działania

Zasada działania silnika prądu stałego opiera się na elektro-magnetyzm . Gdy przewodnik z prądem znajduje się w polu magnetycznym, doświadcza działania siły mechanicznej. Zjawisko to opisuje reguła lewej dłoni Fleminga, która stwierdza:

• The kciuk wskazuje kierunek siły (ruchu).

• The wskazujący palec wskazuje kierunek pola magnetycznego (od północy do południa).

• The środkowy palec wskazuje kierunek przepływu prądu (od plusa do minusa).

Układając przewodnik w odpowiedni sposób wewnątrz silnika, można wykorzystać tę siłę do wytwarzania ciągłego ruchu obrotowego.

Główne elementy silnika prądu stałego

Twornik (rotor)

Część wirująca silnika, przez którą przepływa prąd poprzez uzwojenia. Jądro wirnika zamocowane jest na wale i oddziałuje z polem magnetycznym w celu wytworzenia momentu obrotowego.

Kolektor

Segmentowane pierścienie miedziane połączone z uzwojeniami twornika. Ich rolą jest odwracanie kierunku przepływu prądu w każdej cewce twornika podczas obrotu, zapewniając, że moment obrotowy jest zawsze generowany w tym samym kierunku.

Szczotki

Węglikowe lub grafitowe szczotki utrzymują kontakt elektryczny między nieruchomym źródłem zasilania a obracającym się komutatorem.

Uzwojenie biegunów lub magnesy trwałe

Tworzą nieruchome pole magnetyczne, w którym obraca się twornik. W niektórych konstrukcjach stosowane są elektromagnesy, w innych – magnesy trwałe zapewniające to pole.

Namiar

Podtrzymują obracający się wał, zmniejszając tarcie i umożliwiając płynny ruch.

Obudowa (Rama)

Zewnętrzna obudowa, która trzyma wszystkie elementy razem, chroni je przed uszkodzeniami i może wspomagać odprowadzanie ciepła.

Proces pracy krok po kroku

1. Połączenie Zasilania
   Prąd stały jest doprowadzany do zacisków silnika, przy czym przewody dodatni i ujemny są podłączone do szczotek.

2. Przepływ prądu przez twornik
   Szczotki przekazują prąd do komutatora, który kieruje go do uzwojeń twornika.

3. Wzajemne oddziaływanie pól magnetycznych
   Prąd płynący w uzwojeniach twornika wytwarza własne pole magnetyczne. Oddziałuje ono z nieruchomym polem magnetycznym pochodzącym od uzwojeń wzbudzenia lub magnesów trwałych.

4. Wytwarzanie siły
   Wzajemne oddziaływanie obu pól magnetycznych powoduje powstanie siły działającej na przewody twornika, co powoduje obrót wirnika.

5. Komutacja
   Podczas obrotu wirnika komutator zmienia kierunek prądu w uzwojeniach twornika co pół obrotu. Zapewnia to, że wytwarzany moment obrotowy pozostaje w tym samym kierunku obrotu.

6. Ciągły Obrot
   Proces ten powtarza się w sposób ciągły, dopóki przyłożone jest napięcie zasilania, co prowadzi do trwałego ruchu obrotowego.

Rola komutacji w silniku prądu stałego

Komutacja odgrywa kluczową rolę w zapewnieniu płynnego obrotu. Jeśli prąd w uzwojeniach twornika nie zostanie odwrócony w odpowiednim momencie, moment obrotowy zmieni kierunek, a silnik zatrzyma się lub będzie działał nierównomiernie. W silnikach komutatorowych komutację mechaniczną realizują szczotki i segmenty komutatora. W silnikach bezszczotkowych funkcję tę wykonują obwody elektroniczne.

Typy silników prądu stałego i ich różnice w zasadzie działania

Silnik szeregowy prądu stałego

• Uzwojenie biegunów głównych jest połączone szeregowo z uzwojeniem twornika.

• Wytwarza duży moment rozruchowy, co czyni go odpowiednim do zastosowań takich jak suwnice i elektryczne pociągi.

• Prędkość silnika znacznie się zmienia w zależności od obciążenia.

Silnik bocznikowy prądu stałego

• Uzwojenie biegunów głównych jest połączone równolegle z uzwojeniem twornika.

• Zapewnia dobrą regulację prędkości przy zmiennym obciążeniu.

• Często stosowany w maszynach przemysłowych wymagających stabilnej pracy.

Silnik prądu stałego z magnesami trwałymi

• Łączy uzwojenia szeregowe i boczne.

• Oferuje równowagę między wysokim momentem rozruchowym a dobrą regulacją prędkości.

Silnikiem DC z magnesami trwałymi

• Wykorzystuje magnesy trwałe do wzbudzenia zamiast uzwojeń.

• Prostszy projekt, wysoka sprawność i kompaktowa wielkość.

• Stosowany w małych urządzeniach, zabawkach i zastosowaniach motoryzacyjnych.

Silnik prądu stałego bez szczotek (BLDC)

• Wykorzystuje komutację elektroniczną zamiast szczotek.

• Bardziej efektywny, dłuższa trwałość i mniejsze konieczne utrzymanie.

• Popularny w pojazdach elektrycznych, dronach i precyzyjnych instrumentach.

Jak silnik prądu stałego wytwarza moment obrotowy

Moment obrotowy to siła obrotowa generowana przez silnik. W silniku prądu stałego moment zależy od:

• Siły pola magnetycznego.

• Ilości prądu w uzwojeniach twornika.

• Liczby aktywnych przewodników w polu magnetycznym.

Podstawowe równanie momentu obrotowego dla silnika prądu stałego to:

T = k × Φ × Ia

Gdzie:

• T = Moment obrotowy

• k = Stała silnika

• φ = Strumień magnetyczny na biegun

• Ia = Prąd twornika

Zwiększenie prądu twornika lub strumienia magnetycznego spowoduje wzrost momentu obrotowego.

Regulacja prędkości w silniku prądu stałego

Prędkość można kontrolować poprzez regulację:

• Napięcie twornika : Wyższe napięcie zwiększa prędkość.

• Prąd wzbudzenia : Zwiększenie prądu wzbudzenia wzmocnia pole magnetyczne i zmniejsza prędkość; jego zmniejszenie zwiększa prędkość.

• Sterowanie PWM : Modulacja szerokości impulsu umożliwia precyzyjną i efektywną regulację prędkości.

Kontrola kierunku

Kierunek obrotów silnika prądu stałego można odwrócić, zmieniając polaryzację albo zasilania twornika, albo zasilania pola magnetycznego (ale nie obu jednocześnie). Jest to często wykorzystywane w napędach odwracalnych, takich jak elektryczne wciągniki czy przemysłowe taśmy transportowe.

Czynniki wpływające na sprawność

Sprawność silnika prądu stałego zależy od minimalizacji strat, w tym:

• Straty elektryczne w uzwojeniach (straty rezystancyjne).

• Straty mechaniczne w łożyskach i tarcie.

• Straty w rdzeniu spowodowane histerezą magnetyczną i prądami wirowymi.

Konstrukcje bezszczotkowe zazwyczaj zapewniają wyższą sprawność, ponieważ eliminują tarcie szczotek i zmniejszają iskrzenie elektryczne.

Zalety silników prądu stałego w praktycznym zastosowaniu

• Dokładna i płynna kontrola prędkości.

• Wyski moment rozruchowy dla dużych obciążeń.

• Szybka reakcja na sygnały sterujące.

• Zgodność ze źródłami energii bateryjnej.

Ograniczenia do rozważenia

• Wymagania konserwacyjne dla konstrukcji z szczotkami.

• Krótszy czas życia w warunkach dużego obciążenia przy niewłaściwej konserwacji.

• Zakłócenia elektryczne ze szczotek i komutatorów.

Zastosowania silników DC

• Transport : Samochody elektryczne, pociągi i tramwaje.

• Maszyny przemysłowe : Kształtowniki, taśmy transportujące i windy.

• Automatyzacja : Roboty, maszyny CNC i siłowniki.

• Elektronika konsumencka : Narzędzia elektronarzędziowe, wentylatory i urządzenia gospodarstwa domowego.

Przyszłość technologii silników prądu stałego

Wraz z rozwojem systemów energii odnawialnej, mobilności elektrycznej i zaawansowanej automatyki, silniki prądu stałego nadal pozostają aktualne. Ulepszenia materiałów, kontrolerów elektronicznych i metod produkcji zwiększają ich wydajność, zmniejszają konserwację i poszerzają zakres zastosowań. Szczególnie bezszczotkowe silniki prądu stałego mają szansę dominować przyszłe konstrukcje dzięki swojej wydajności i niezawodności.

Podsumowanie

Silnik prądu stałego działa, przekształcając energię elektryczną z źródła prądu stałego w obrót mechaniczny poprzez oddziaływanie pól magnetycznych i przewodników z prądem. Zsynchronizowana praca jego komponentów – twornika, komutatora, szczotek i układu polowego – zapewnia generowanie momentu obrotowego w sposób ciągły. Niezależnie od tego, czy jest w wersji z komutacją mechaniczną, czy bezszczotkową, zdolność silnika prądu stałego do zapewniania precyzyjnej kontroli prędkości, wysokiego momentu obrotowego i elastyczności jego zastosowań czyni go niezastąpionym w wielu gałęziach przemysłu.

Często zadawane pytania

Jaka jest główna funkcja silnika prądu stałego?

Jego główną funkcją jest przekształcanie energii elektrycznej prądu stałego w energię mechaniczną obrotową.

W jaki sposób kontrolowana jest prędkość silnika prądu stałego?

Poprzez regulację napięcia twornika, prądu wzbudzenia lub zastosowanie elektronicznej kontroli PWM.

Dlaczego silnik prądu stałego potrzebuje komutatora?

Komutator odwraca kierunek prądu w uzwojeniach twornika w odpowiednim momencie, aby zapewnić ciągły obrót w tym samym kierunku.

Czy silnik prądu stałego może działać bez szczotek?

Tak, w silnikach prądu stałego bezszczotkowych, obwody elektroniczne zastępują szczotki do komutacji.

Co decyduje o wartości momentu obrotowego silnika prądu stałego?

Moment obrotowy jest określany przez strumień magnetyczny, prąd twornika oraz konstrukcję silnika.