Zaloguj się
Wszystkie
15 czerwca 2022
41381
Co to jest silnik prądu stałego?
Silnik to urządzenie, które generuje ruch - zazwyczaj obrotowy, choć nie zawsze. Określenie “prądu stałego” oznacza natomiast, że energię do działania pobiera z prądu elektrycznego, a dokładniej - z prądu stałego. To taki rodzaj prądu, którego parametry nie zmieniają się w czasie. Jednak nic nie jest idealne i każde źródło prądu stałego nieco zmienia swoje parametry pod wpływem obciążenia lub z biegiem czasu. Ale wróćmy do tematu.
Budowa
Ten rodzaj silnika składa się z ruchomego rotora, zwanego też wirnikiem, oraz stojana. Stojan jest nieruchomy, przytwierdzony na stałe do podłoża, zaś wirnik obraca się wokół własnej osi wewnątrz niego.
W najprostszych silnikach prądu stałego, na stojanie znajdują się magnesy stałe, zwane też trwałymi, które samoistnie wytwarzają pole magnetyczne. Z tym polem oddziałują uzwojenia nawinięte na wirniku. Komutator dotyka do szczotek, z których prąd jest przekazywany do uzwojeń. Szczotki przewodzą prąd i są na stałe podłączone do zasilania, czyli wspomnianego już prądu stałego.
Niektóre silniki mają uzwojenia nawinięte również na stojan, więc magnesów trwałych nie zawierają w ogóle. Jeszcze inny rodzaj silników prądu stałego, tak zwane bezszczotkowe, nie posiada komutatora. Modyfikacji jest więc kilka i wszystkie będą omówione.
Wszystko dzięki elektromagnesom
Ten silnik elektryczny działa dzięki elektromagnetycznemu oddziaływaniu uzwojeń na wirniku, przez które aktualnie płynie prąd, ze stojanem. To zjawisko jest jednym z fundamentów elektromagnetyzmu i umożliwia przekształcenie energii elektrycznej w ruch z wysoką sprawnością.
Cewka, zasilana prądem, sama zaczyna zachowywać się jak mages. Po zmianie polaryzacji prądu, bieguny tego magnesu również zamieniają się miejscami. Jeżeli dopływ prądu zostanie przerwany, magnetyczne właściwości znikają natychmiast.
Kiedy do uzwojenia zostanie włożony metalowy rdzeń, jego właściwości jako elektromagnesu ulegną znacznej poprawie.
Elektromagnesy zachowują się dokładnie tak samo jak magnesy, więc potrafią się zarówno przyciągać, jak i odpychać. Silniki wykorzystują to zjawisko: interakcja między magnesami trwałymi stojana a odpowiednio włączonymi cewkami uzwojenia na wirniku powoduje powstawanie ruchu obrotowego.
Magnesy (trwałe lub zasilane prądem) odpychają się, kiedy są zwrócone ku sobie jednakowymi biegunami: północnymi (N) lub południowymi (S). Z kolei, kiedy naprzeciw siebie znajdą się bieguny różnoimienne (N i S), zaczynają się przyciągać. Kluczem do działania silnika jest więc odpowiednie załączanie uzwojeń, by raz się przyciągały do magnesów stojana, a raz od nich odpychały
Rola komutatora
Dotychczas ten podzespół pozostawiliśmy bez omówienia, a to najważniejszy element silnika prądu stałego. Bez niego, wirnik utknąłby w jakiejś określonej pozycji: przyciągany z jednej strony i odpychany z drugiej. Kluczem do sukcesu jest więc takie sterowanie uzwojeniami wirnika, by ten zaczął się kręcić samodzielnie.
W prawdziwych silnikach, komutator składa się z trzech lub więcej sekcji. Sekcja oznacza płytkę, wygiętą na kształt fragmentu okręgu, która przewodzi prąd i jest oddzielona elektrycznie od innych. Szczotki, w czasie ruchu obrotowego wirnika, dotykają do różnych sekcji, powodując przepływ prądu przez inne uzwojenia.
Zasada działania
Jednak na potrzeby objaśnienia “jak to się kręci” zostanie użyty bardzo prosty model silnika prądu stałego: jego uzwojenie stanowi ramka z drutu, a komutator ma tylko dwie sekcje. Jego parametry są bardzo słabe, ale za to doskonale nada się do omówienia zasady działania tego silnika.
Komutator dostarcza prąd ze szczotek do uzwojenia. Ponieważ znajduje się ono w polu magnetycznym, pochodzącym od magnesów stojana, zaczyna na nie działać siła elektrodynamiczna. Ta siła próbuje poruszyć te części ramki, które idą równolegle do osi silnika: jedną część w górę, drugą w dół.
Jeżeli wał silnika jest ruchomy (nie został zablokowany), siła elektrodynamiczna spowoduje obrócenie go, aż do położenia skrajnego, czyli ustawi ramkę w pionie:
Bezwładność to podstawa
Uważny obserwator zauważy, że silnik w tym położeniu nie ma prawa działać: szczotki nie tylko nie dostarczają prądu do komutatora, a wręcz może powstać zwarcie między zaciskami zasilającymi silnik. Stanie się tak, kiedy obie sekcje komutatora dotykają jednocześnie do obu szczotek. Dlatego rzeczywiste silniki zawierają bardziej złożone komutatory, które zapobiegają powstawaniu takich sytuacji “martwego położenia”.
Stąd ważna jest siła bezwładności, która działa na wirnik i spowoduje jego przekręcenie przez ten krótki, lecz krytyczny moment. Kiedy tylko szczotki zaczną znowu dotykać do komutatora, prąd popłynie przez cewkę i silnik wykona kolejne pół obrotu.
Potęga komutacji
Jednak zmianie ulegnie kierunek przepływu prądu przez ramkę! Wcześniej prawa sekcja komutatora była podłączona do zacisku “+”, a lewa do “-”. Teraz zamieniły się, więc prąd płynie w drugą stronę. Co to oznacza? Bardzo przyjemną dla nas rzecz: działające na ramkę siły będą skierowane w tę samą stronę co poprzednio. Mimo, iż zmieniło się jej położenie względem zwrotu linii sił pola magnetycznego od magnesów stojana.
Właśnie do tego służy komutator. W odpowiednich momentach położenia wału załącza uzwojenie, kierując prąd w odpowiednim kierunku. Dzięki temu, że jest sprzęgnięty z wałem, to komutacja (czyli przełączanie) zachodzi niezależnie od aktualnej szybkości obrotowej silnika.
Po wykonaniu połowy obrotu, bezwładność znowu “przepchnie” ramkę przez martwe położenie komutatora i cykl rozpocznie się na nowo.
Inne wykonania
Różne modyfikacje silników prądu stałego dały im wiele zastosowań. Oto niektóre ze sposobów na ich budowę.
Z dwoma uzwojeniami (samowzbudny)
Silniki prądu stałego mogą mieć uzwojenie również na stojanie. Są w stanie wtedy osiągać bardzo wysokie moce, rzędu wielu kilowatów. Co ciekawe, uzwojenie stojana może być podłączone w różny sposób względem uzwojenia twornika (na wirniku). Oto spotykane kombinacje:
Silnik obcowzbudny ma uzwojenie stojana zasilane z zupełnie innego źródła niż twornik. Umożliwia to dowolną regulację napięcia zasilania obu tych uzwojeń, chociaż jest niewygodne w stosowaniu. Jednak łatwo można zmieniać parametry silnika.
Silnik szeregowy ma uzwojenia: stojana i twornika połączone szeregowo. Ma ciekawą właściwość: im mniejsze ma obciążenie wału, tym szybciej się obraca. Teoretycznie, puszczony bez obciążenia mógłby się obracać się nieskończenie szybko.
W praktyczne jednak, któryś z elementów mechanicznych nie wytrzyma i silnik zniszczy się - fachowo nazywa się to rozbieganiem. Ma jednak znaczne zalety: bardzo wysoki moment obrotowy, więc dobrze startuje z “trudnymi” obciążeniami.
Silnik bocznikowy ma oba uzwojenia połączone równolegle do tego samego źródła zasilania. Jest mało podatny na zmiany obciążenia wału, tj. dąży do utrzymania stałej prędkości obrotowej.
W silniku szeregowo-bocznikowym stojan ma dwa uzwojenia. Jedno z ich jest połączone szeregowo z twornikiem, a drugie równolegle do niego. W ten sposób została wyeliminowana główna wada silnika szeregowego, czyli tendencja do rozbiegania, za to pozostały istotne zalety.
Bezszczotkowy (BLDC)
W tym silniku przełączają się uzwojenia nawinięte na stojanie, zaś wirnik wytwarza stałe pole magnetyczne. Odpowiedni układ elektroniczny wykrywa położenie wału silnika (aktualny kąt obrotu) i odpowiednio załącza kolejne uzwojenia. Skrót BLDC pochodzi z angielskiego BrushLess Direct Current motor - bezszczotkowy silnik prądu stałego.
Ten rodzaj silnika może mieć bardzo dokładnie regulowaną prędkość obrotową. Brak iskrzącego komutatora zwiększa również jego trwałość. Jest tutaj małe oszustwo: prąd stały dociera tylko do płytki elektronicznej sterującej silnikiem, gdyż na sam silnik trafia już prąd zmienny, odpowiednio przełączany przez tranzystory wykonawcze.
Zastosowania
Ciężko jest znaleźć miejsce, w którym nie byłoby silnika prądu stałego, więc skupmy się na głównych obszarach ich zastosowania. Na pewno zaliczają się do nich wszelkiego rodzaju zabawki zasilane bateryjnie lub akumulatorowo - one zawierają proste silniki z magnesami trwałymi.
Ale silniki służą nie tylko rozrywce najmłodszych. W różnorakich elektronarzędziach akumulatorowych - wiertarkach, szlifierkach, wyrzynarkach, nożycach do żywopłotu - również je znajdziemy. Czasem są zastępowane przez silniki BLDC, chociaż to jeszcze nie jest standard.
Różnoraki sprzęt kosmetyczny i medyczny zasilany bateryjnie również się do tego grona zasilacza. Szczoteczki do zębów, irygatory, trymery, maszynki do golenia - wszędzie tam tkwi niewielki silnik prądu stałego.
Większe silniki znajdziemy w samochodach dla dzieci i hulajnogach elektrycznych. Mają moc rzędu kilkuset watów i są w stanie uciągnąć nawet dorosłego człowieka. Również niekiedy są zastępowane silnikami bezszczotkowymi dla uzyskania lepszego sterowania.
Ale są też naprawdę duże silniki prądu stałego - w pociągach i tramwajach, gdzie ich moc jest naprawdę olbrzymia. Również w przemyśle, gdzie napędzają potężne maszyny, na przykład pompy, dmuchawy, pompy, obrabiarki i nie tylko. Tam występują silniki obcowzbudne - magnesy trwałe nie dałyby sobie rady przy takich mocach.
Podsumowanie
Silniki prądu stałego to maszyny elektryczne, których zasada działania nie uległa zmianie przez dziesiątki lat. Zmieniły się metody ich wykonywania, a także powstały również nowoczesne odmiany. Warto wiedzieć jak działają, aby móc ich używać świadomie.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
