Silnik prądu stałego

Silnik prądu stałego jest silnikiem elektrycznym zasilanym prądem stałym i służy do zamiany energii elektrycznej na energię mechaniczną.

Jako maszyna elektryczna prądu stałego może pracować zamiennie jako silnik lub prądnica. W tym drugim przypadku wirnik napędzany jest energią mechaniczną dostarczona z zewnątrz, a na zaciskach uzwojenia twornika odbierana jest wytworzona energia elektryczna.

Większość silników prądu stałego to silniki komutatorowe, to znaczy takie, w których uzwojenie twornika zasilane jest prądem poprzez komutator. Jednak istnieje wiele silników prądu stałego które nie posiadają komutatora lub też komutacja przebiega na drodze elektronicznej.

Pierwsze silniki

Jeden z pierwszych wirujących silników elektrycznych został wynaleziony w roku 1821 przez Michaela Faradaya i składał się ze swobodnie zawieszonego przewodu zanurzonego w rtęci umieszczonej w rowku o kształcie okręgu otaczającym magnes. Trwały magnes był umieszczony pośrodku naczynia z rtęcią. Gdy prąd elektryczny przepływał przez przewód, obracał się on wokół magnesu, pokazując, że prąd wytwarza pole magnetyczne wokół przewodnika. Ten silnik jest często pokazywany na lekcjach fizyki w szkole, lecz zamiast toksycznej rtęci używa się solanki. To jest prosty przykład silnika elektrycznego nazywanego silnikiem homopolarnym. Później nazwanych Kołem Barlow'a.

Inna wczesna konstrukcja silnika elektrycznego używa rdzenia wewnątrz solenoidu; koncepcyjnie można go porównać do elektromagnetycznej wersji silnika spalinowego dwusuwowego. Thomas Davenport zbudował taki mały silnik prądu stałego w roku 1834, i użył go do napędu kolejki elektrycznej - zabawki, poruszającej się po kolistym torze. Otrzymuje na niego patent w 1837. Swoich konstrukcji używał też do napędu wiertarki i tokarki do drewna oraz większego silnika napędzającego rotacyjną prasę drukarską.

Nowoczesny silnik prądu stałego został wynaleziony przez przypadek, w 1873, gdy Zenobie Gramme połączył uzwojenie dynama z oddzielnym źródłem prądu. Maszyna Gramma była pierwszym używanym w przemyśle silnikiem elektrycznym. Wcześniejsze wynalazki były stosowane tylko jako zabawki lub laboratoryjne ciekawostki.

Pierwszy mikrosilnik zbudował Thomas Alva Edison w 1880 roku. Napędzał on elektryczne pióro do sporządzania kropkowanych matryc powielaczowych. Silnik miał wymiary 2,5 cm na 4 cm i osiągał około 4 tysięcy obr/min., napędzając drgającą igłę w obsadce. Igła robiła w matrycy otworki układające się w kontury liter. Silnik był zasilany z baterii.

Budowa i sposób funkcjonowania

Model silnika

1. stojan z magnesem trwałym;

2. wirnik z uzwojeniem twornika - prostokątna ramka z drutu;

3. Szczotki - doprowadzające prąd do uzwojenia twornika;

4. Komutator - pierścień ze stykami - wyprowadzenia z ramki (uzwojenia twornika);

5. Wyjścia do zasilania.

Silnik elektryczny prądu stałego zbudowany jest z dwóch magnesów zwróconych do siebie biegunami różnoimiennymi, tak aby pomiędzy nimi znajdowało się pole magnetyczne. Pomiędzy magnesami znajduje się przewodnik w kształcie ramki podłączony do źródła prądu poprzez komutator i ślizgające się po nim szczotki. Przewodnik zawieszony jest na osi, aby mógł się swobodnie obracać.

Na ramkę, w której płynie prąd elektryczny, działa para sił elektrodynamicznych z powodu obecności pola magnetycznego. Siły te powodują powstanie momentu obrotowego. Ramka wychyla się z położenia poziomego (jak na rys. 1), obracając się wokół osi. W wyniku swojej bezwładności mija położenie pionowe (w którym moment obrotowy jest równy zero a szczotki nie zasilają ramki). Po przejściu położenia pionowego ramki, szczotki znów dotykają styków na komutatorze, ale odwrotnie, prąd płynie w przeciwnym kierunku, dzięki czemu ramka w dalszym ciągu jest obracana w tym samym kierunku.

Wirnik

Opisany wyżej silnik ma wiele wad. Jeżeli ramka zatrzyma się w położeniu pionowym, silnik nie ruszy. Dlatego rzeczywiste silniki posiadają więcej ramek połączonych szeregowo, których są przyłączone do komutatora za pośrednictwem szczotek. Ramka składająca się z pojedynczego przewodu w rzeczywistych silnikach jest zastępowana zwojnicą. Podczas przełączania kolejnych zwojnic następuje jej zwarcie, powodujące iskrzenie na komutatorze oraz utratę energii zgromadzonej w polu magnetycznym wytwarzanym w tej zwojnicy. By zmniejszyć te zjawiska, wirnik dzielony jest nawet na kilkadziesiąt zwojnic.

Gdy wirnik silnika obraca się, ramka z prądem (zwojnica) porusza się w polu magnetycznym. Powoduje to indukowanie się siły elektromotorycznej, która zmniejsza natężenie prądu płynącego w wirniku, zmniejszając moment obrotowy wytwarzany przez silnik. Indukowana siła elektromotoryczna jest proporcjonalna do indukcji magnetycznej pola wytwarzanego przez magnes oraz prędkości ruchu przewodnika wirnika, która to jest zależna od prędkości obrotowej wirnika.

gdzie:

• M - moment obrotowy wytwarzany przez silnik

• B - indukcja magnetyczna wytwarzana przez stojan

• U - napięcie zasilające wirnik

• R - rezystancja wirnika

• ω - prędkość kątowa wirnika

• l i r - długość i promień wirnika, stałe dla danego silnika

• n - liczba przewodów uzwojeń oddziaływająca z polem magnetycznym

Z ostatniego wzoru wynika, że jeżeli indukcja magnetyczna stojana nie zależy od obrotów wirnika, a warunek ten jest spełniony dla silnika równoległego i obcowzbudnego, to:

• moment obrotowy silnika jest największy, gdy silnik nie obraca się i maleje wraz ze wzrostem obrotów,

• obroty silnika zależą od momentu obciążającego silnik, ale przy małej rezystancji wirnika zależność ta jest niewielka i silnik ma prawie stałe obroty w zakresie - od biegu luzem do obciążenia znamionowego,

• obroty silnika nieobciążonego zależą od wielkości indukcji magnetycznej B (im większa indukcja, tym mniejsze obroty biegu jałowego)

---