Trudno sobie nawet wyobrazić, jak wyglądałby współczesny świat bez silnika elektrycznego na prąd stały (i przy okazji, na prąd przemienny). Każdy nowoczesny mechanizm jest wyposażony w silnik elektryczny. Może mieć inny cel, ale jego obecność z reguły jest krytyczna. Oczekuje się, że w niedalekiej przyszłości rola silnika prądu stałego będzie tylko rosła. Już dziś bez tego urządzenia nie da się stworzyć wysokiej jakości, niezawodnego i cichego sprzętu o regulowanych prędkościach. Ale to jest klucz do rozwoju państwa i gospodarki światowej jako całości.
Z historii silnika prądu stałego
Podczas eksperymentów w 1821 roku słynny naukowiec Faraday przypadkowo odkrył, że magnes i przewodnik przewodzący prądwpływać na siebie nawzajem. W szczególności magnes trwały może powodować obrót prostego obwodu przewodzącego prąd. Wyniki tych eksperymentów posłużyły do dalszych badań.
Już w 1833 roku Thomas Davenport stworzył model pociągu z małym silnikiem elektrycznym, który może go napędzać.
W 1838 roku w Imperium Rosyjskim zbudowano łódź pasażerską na 12 miejsc. Kiedy ta napędzana silnikiem elektrycznym łódź płynęła pod prąd wzdłuż Newy, spowodowała prawdziwą eksplozję emocji w środowisku naukowym i nie tylko.
Jak działa silnik prądu stałego
Jeśli spojrzysz na pracę powierzchownie, tak jak robią to w szkole na lekcjach fizyki, może się wydawać, że nie ma w tym absolutnie nic skomplikowanego. Ale to tylko na pierwszy rzut oka. W rzeczywistości nauka o napędzie elektrycznym jest jedną z najtrudniejszych w cyklu dyscyplin technicznych. Podczas pracy silnika elektrycznego zachodzi szereg złożonych zjawisk fizycznych, które wciąż nie są w pełni zrozumiałe i wyjaśniane różnymi hipotezami i założeniami.
W uproszczonej wersji zasadę działania silnika prądu stałego można opisać w następujący sposób. Przewodnik jest umieszczany w polu magnetycznym i przepływa przez niego prąd. Co więcej, jeśli weźmiemy pod uwagę przekrój przewodnika, wokół niego powstają niewidzialne koncentryczne okręgi siły - jest to pole magnetyczne wytwarzane przez prąd w przewodniku. Jak już wspomniano, te pola magnetyczne są niewidoczne dla ludzkiego oka. Ale jest prosta sztuczka, która pozwala na ich wizualną obserwację. Najprostszym sposobem jest zrobienie dziury w sklejce lub grubej kartce papieru, przez którą przejdzie się drut. W takim przypadku powierzchnię w pobliżu otworu należy pokryć cienką warstwą drobno rozproszonego magnetycznego proszku metalu (można również użyć drobnych trocin). Gdy obwód jest zamknięty, cząsteczki proszku układają się w kształt pola magnetycznego.
Właściwie zasada działania silnika prądu stałego opiera się na tym zjawisku. Przewodnik przewodzący prąd jest umieszczony między biegunami północnym i południowym magnesu w kształcie litery U. W wyniku oddziaływania pól magnetycznych drut zostaje wprawiony w ruch. Kierunek ruchu zależy od ustawienia kijków i może być precyzyjnie określony przez tzw. regułę świderka.
Natężenie prądu
Siła, która wypycha przewodzący prąd przewodnik z pola magnesu trwałego, nazywana jest siłą Ampère'a - od nazwiska słynnego badacza zjawisk elektrycznych. Jednostka prądu jest również nazwana jego imieniem.
Aby znaleźć liczbową wartość tej siły, należy pomnożyć prąd w rozważanym przewodniku przez jego długość i przez wielkość (wektor) pola magnetycznego.
Formuła będzie wyglądać tak:
F=IBL.
Model najprostszego silnika
Z grubsza mówiąc, aby zbudować najbardziej prymitywny silnik, musisz umieścić ramę z materiału przewodzącego (drut) w polu magnetycznym i zasilić go prądem. Rama obróci się pod określonym kątem i zatrzyma się. To stanowisko w slangu specjalistów wobszar napędu elektrycznego nazywany jest „martwym”. Powodem zatrzymania jest kompensacja pól magnetycznych. Innymi słowy, dzieje się tak, gdy siła wypadkowa staje się równa zeru. Dlatego urządzenie z silnikiem prądu stałego zawiera nie jedną, ale kilka ramek. W prawdziwej jednostce przemysłowej (zainstalowanej na sprzęcie) takich obwodów elementarnych może być bardzo, bardzo wiele. Tak więc, gdy siły są równoważone na jednej klatce, druga klatka wyprowadza ją z „odrętwienia”.
Cechy urządzenia silników o różnej mocy
Nawet osoba, która jest daleko od świata elektrotechniki, natychmiast zorientuje się, że bez źródła stałego pola magnetycznego po prostu nie ma mowy o jakimkolwiek silniku elektrycznym na prąd stały. Jako takie źródła wykorzystywane są różne urządzenia.
W przypadku silników prądu stałego o małej mocy (12 V lub mniej) idealnym rozwiązaniem jest magnes trwały. Ale ta opcja nie jest odpowiednia dla jednostek o dużej mocy i rozmiarach: magnesy będą zbyt drogie i ciężkie. Dlatego w przypadku silników prądu stałego o napięciu 220 V lub wyższym bardziej celowe jest zastosowanie cewki indukcyjnej (uzwojenia polowego). Aby cewka indukcyjna stała się źródłem pola magnetycznego, musi być zasilana.
Konstrukcja silnika elektrycznego
Ogólnie projekt każdego silnika prądu stałego obejmuje następujące elementy:kolektor, stojan i twornik.
Twornik służy jako element nośny dla uzwojenia silnika. Składa się z cienkich blach stalowych do celów elektrycznych z rowkami na obwodzie do układania drutu. Materiał do produkcji w tym przypadku jest bardzo ważny. Jak już wspomniano, stosowana jest stal elektrotechniczna. Ten gatunek materiału charakteryzuje się dużą ziarnistością sztucznie wyhodowaną oraz miękkością (w wyniku niskiej zawartości węgla). Dodatkowo cała konstrukcja składa się z cienkich, izolowanych blach. Wszystko to nie pozwala na występowanie prądów pasożytniczych i zapobiega przegrzaniu twornika.
Stojan jest częścią stałą. Pełni rolę omówionego wcześniej magnesu. Aby zademonstrować działanie modelu silnika w laboratorium, dla jasności i lepszego zrozumienia zasad, zastosowano dwubiegunowy stojan. Prawdziwe silniki przemysłowe wykorzystują urządzenia z dużą liczbą par biegunów.
Kolektor to przełącznik (złącze), który dostarcza prąd do obwodów uzwojeń silnika prądu stałego. Jego obecność jest bezwzględnie konieczna. Bez tego silnik będzie pracował szarpanie, a nie płynnie.
Odmiany silników
Nie ma jednego uniwersalnego silnika, który znalazłby zastosowanie w absolutnie wszystkich gałęziach techniki i gospodarki narodowej oraz spełniałby wszystkie wymagania w zakresie bezpieczeństwa i niezawodności podczas eksploatacji.
Należy być bardzo ostrożnym przy wyborze silnika prądu stałego. Naprawa jest niezwykle trudna i kosztownaprocedura, którą może wykonać wyłącznie odpowiednio wykwalifikowany personel. A jeśli konstrukcja i możliwości silnika nie spełnią wymagań, to na naprawy zostaną wydane znaczne środki.
Istnieją cztery główne typy silników prądu stałego: szczotkowe, inwerterowe, jednobiegunowe i uniwersalne szczotkowe silniki prądu stałego. Każdy z tych typów ma swoje pozytywne i negatywne cechy. Należy podać krótki opis każdego z nich.
Silniki szczotkowe DC
Istnieje wiele możliwych sposobów realizacji silników tego typu: jeden kolektor i parzysta liczba obwodów, kilka kolektorów i kilka obwodów uzwojeń, trzy kolektory i taka sama liczba zwojów uzwojeń, cztery kolektory i dwa uzwojenie zwojów, cztery kolektory i cztery obwody na kotwicy, a na koniec - osiem kolektorów z kotwą bez ramy.
Ten typ silnika charakteryzuje się porównywalną prostotą wykonania i produkcji. Z tego powodu stał się znany jako silnik uniwersalny, którego zastosowanie jest bardzo szerokie: od zabawkowych samochodów sterowanych radiowo po bardzo złożone i zaawansowane technologicznie obrabiarki CNC produkowane w Niemczech lub Japonii.
Informacje o silnikach inwerterowych
Ogólnie rzecz biorąc, ten typ silnika jest bardzo podobny do kolektora i ma te same zalety i wady. Jedyna różnica polega na mechanizmie uruchamiania: jest więcejidealny, co pozwala łatwo odwrócić prędkość i dostosować prędkość wirnika. Tak więc osiągi tego typu silnika prądu stałego są lepsze od silników kolektorowych pod wieloma parametrami.
Ale jeśli coś zyskuje, to w niektórych rzeczach będzie strata. To niezaprzeczalne prawo wszechświata. A więc w tym przypadku: wyższość zapewnia dość złożona i kapryśna technika, która często zawodzi. Według doświadczonych specjalistów naprawa silników prądu stałego typu falownika jest dość trudna do przeprowadzenia. Czasami nawet doświadczeni elektrycy nie są w stanie zdiagnozować usterki w systemie.
Cechy jednobiegunowych silników prądu stałego
Zasada działania pozostaje taka sama i opiera się na interakcji pól magnetycznych przewodnika z prądem i magnesem. Ale obecny przewodnik nie jest drutem, ale dyskiem obracającym się wokół osi. Prąd jest dostarczany w następujący sposób: jeden styk zamyka się na metalowej osi, a drugi poprzez tzw. szczotkę łączy krawędź metalowego koła. Taki silnik, jak widać, ma dość złożoną konstrukcję i dlatego często zawodzi. Głównym zastosowaniem są badania naukowe w dziedzinie fizyki elektryczności i napędu elektrycznego.
Cechy uniwersalnych silników komutatorowych
W zasadzie ten typ silnika nie zawiera niczego nowego. Ale ma bardzo ważną cechę - możliwość pracy jakoz sieci DC oraz z sieci AC. Czasami ta właściwość pozwala zaoszczędzić znaczne pieniądze na naprawie i modernizacji sprzętu.
Częstotliwość prądu przemiennego jest ściśle regulowana i wynosi 50 Hz. Innymi słowy, kierunek ruchu ujemnie naładowanych cząstek zmienia się 50 razy na sekundę. Niektórzy błędnie uważają, że wirnik silnika elektrycznego musi również zmieniać kierunek obrotów (zgodnie z ruchem wskazówek zegara - przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) 50 razy na sekundę. Gdyby to była prawda, żadne użyteczne zastosowanie silników elektrycznych prądu przemiennego nie wchodziłoby w rachubę. Co dzieje się w rzeczywistości: prąd uzwojeń twornika i stojana jest synchronizowany za pomocą najprostszych kondensatorów. A zatem, gdy zmienia się kierunek prądu na ramie twornika, zmienia się również jego kierunek na stojanie. W ten sposób wirnik stale obraca się w jednym kierunku.
Niestety sprawność tego typu silnika prądu stałego jest znacznie niższa niż w przypadku silników falownikowych i jednobiegunowych. Dlatego jego zastosowanie ogranicza się do dość wąskich obszarów - gdzie za wszelką cenę, bez uwzględnienia kosztów eksploatacji (np. inżynieria wojskowa) konieczne jest uzyskanie maksymalnej niezawodności.
Klauzule końcowe
Technologia nie stoi w miejscu, a dziś wiele szkół naukowych na całym świecie konkuruje ze sobą i dąży do stworzenia taniego i ekonomicznego silnika o wysokiej sprawności i wydajności. Moc silników elektrycznych prądu stałego rośnie z roku na rok, natomiast ichpobór mocy.
Naukowcy przewidują, że przyszłość będzie determinowana przez sprzęt elektryczny, a era ropy wkrótce się skończy.
