Silnik elektryczny prądu stałego

Silnik elektryczny jest urządzeniem zamieniającym energię elektryczną (prąd) w energię mechaniczną (ruch). Na Rys. 1. przedstawiono jeden z rodzajów silnika prądu stałego, tzw. silnik komutatorowy. Najprostszym przykładem takiego silnika jest pojedyncza ramka umieszczona w zewnętrznym polu magnetycznym. Napięcie, a co za tym idzie prąd, do ramki doprowadzany jest ze stałego źródła napięcia poprzez styki nazywane szczotkami. Szczotki dotykają obracającego się wraz z ramką walca – komutatora.

Rys. 1.

Na leżące naprzeciwko siebie fragmenty ramki działają zwrócone przeciwnie siły elektrodynamiczne , których momenty są zwrócone w tę samą stronę (przed rysunek – w stronę źródła napięcia). Momenty te powodują ruch obrotowy ramki w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, tak jak zaznaczono na rysunku.

Gdy ramka obróci się o , znajdzie się w położeniu skrajnym, w którym nie przepływa przez nią prąd, jednak dzięki bezwładności, przechodzi przez nie i po chwili znowu działają na nią siły powodujące jej dalszy obrót w tę samą stronę. Każda ze szczotek przeskakuje wtedy na drugą połowę komutatora.

W praktyce, aby uzyskiwany moment sił był na tyle duży, by silnik mógł wykonać użyteczną pracę oraz by był on w przybliżeniu stały, używa się bardzo wielu ramek (rzędu kilku tysięcy), które ułożone są względem siebie pod odpowiednimi kątami.

Różne rodzaje silników elektrycznych

Zwiększenie mocy silnika prądu stałego bez zwiększania natężenia prądu przez wirującą część (wirnik) polega na wzmocnieniu pola magnetycznego poprzez zamianę magnesu trwałego na elektromagnes. Tego typu silniki mają zastosowanie w samochodach w wycieraczkach, nawiewie czy rozruszniku, a także w starszych lokomotywach elektrycznych i tramwajach.

Kiedy w silniku zastosowano magnes trwały, zmiana biegunowości napięcia zasilającego powoduje obrót ramki w przeciwną stronę. Natomiast w przypadku elektromagnesu, po zmianie biegunowości zmieni się także zwrot wektora indukcji magnetycznej, więc siła elektrodynamiczna działa w tę samą stronę co poprzednio.

Ponieważ bez względu na biegunowość napięcia silnik obraca się w tę samą stronę, można go podłączyć także do napięcia przemiennego, dlatego silniki prądu stałego z elektromagnesem nazywamy silnikami uniwersalnymi.

W przypadku silników elektrycznych o dużej mocy problematyczne staje się dostarczanie prądu do ruchomych części za pomocą komutatora – przeskakiwanie szczotek powoduje iskrzenie, przez co elementy szybko się zużywają. Ponadto podnosi ono temperaturę urządzenia oraz wprowadza dodatkowy opór przy jego pracy.

Z tego powodu w większych urządzeniach od dawna stosuje się silniki indukcyjne, w których końce przewodów uzwojenia wirnika nie są połączone ze źródłem napięcia, ale ze sobą nawzajem – uzwojenie tworzy zamkniętą pętlę (nie ma już szczotek). Prąd powstaje w nim dzięki zjawisku indukcji elektromagnetycznej.

Jedną z najnowocześniejszych i najczęściej stosowanych obecnie odmian silnika indukcyjnego jest tzw. silnik inwerterowy. Wadą typowego silnika indukcyjnego jest bowiem fakt, że bardzo trudno precyzyjnie regulować w nim prędkość obrotową, co wiąże się również z tzw. twardym startem – silnik taki bardzo gwałtownie rozpoczyna swoją pracę i szybko osiąga maksymalną prędkość obrotową. Silnik inwerterowy eliminuje te wady, ponieważ zasilany jest on prądem przemiennym, a nie stałym. Jest to możliwe dzięki wykorzystaniu właśnie inwertera – przetwornicy, zmieniającej prąd stały w przemienny. Dzięki zastosowaniu falownika możliwa jest dokładna regulacja częstotliwości zasilającego prądu przemiennego, a przez to możliwe staje się precyzyjne sterowanie prędkością obrotową silnika – to dlatego np. nowoczesne pralki czy suszarki charakteryzują się cichą pracą i możliwością dokładnego dostosowania prędkości obrotów w zależności od materiału pranych/suszonych ubrań.

Prądnica prądu stałego

Prądnica jest urządzeniem, które przetwarza energię mechaniczną (ruch) na energię elektryczną (prąd). Rozpatrzmy teraz najprostszy model prądnicy prądu stałego. Załóżmy, że do rozważanego wcześniej komutatorowego silnika prądu stałego zamiast źródła napięcia podłączymy żarówkę i zaczniemy obracać ramką – przedstawiono to na Rys. 2.

Rys. 2.

W trakcie ruchu ramki zmienia się liczba linii pola magnetycznego przechodzących przez ramkę (czyli zmienia się strumień), więc indukuje się w niej siła elektromotoryczna. Dzięki komutatorowi prąd w zamkniętym obwodzie, w którym znajduje się również żarówka, płynie cały czas w tę samą stronę – żarówka zaczyna się świecić.

Rzeczywisty silnik składa się z wielu uzwojeń, które są ustawione względem siebie pod różnymi kątami. Z tego powodu napięcie indukuje się cały czas w trakcie jego obrotu. Przebieg napięcia w czasie jest zbliżony do napięcia wytwarzanego przez ogniwo, będące źródłem stałego napięcia. Wynika stąd, że silnik prądu elektrycznego może działać jako prądnica.

Ten fakt jest wykorzystywany np. w samochodach elektrycznych i hybrydowych. Kiedy taki samochód hamuje, silnik działa jako prądnica i ładuje akumulatory.

Prądnica prądu przemiennego

W prądnicy prądu przemiennego uzwojenie, a raczej wiele uzwojeń – cewek, w których indukuje się prąd, znajduje się na zewnątrz, a wewnątrz nich obraca się magnes. W małych prądnicach stosujemy magnesy trwałe (np. dynamo rowerowe), a w dużych elektromagnes. Indukowany w zewnętrznych cewkach prąd jest prądem przemiennym.

Przykład:

W najprostszym modelu silnika elektrycznego znajduje się ramka w kształcie kwadratu o boku , przez którą płynie prąd o natężeniu . Magnes wytwarza jednorodne pole magnetyczne o indukcji . Oblicz wypadkowy moment siły (momenty sił elektrodynamicznych) działający na ramkę, gdy nachylona jest ona do linii pola pod kątem .

Rozwiązanie:

Momenty sił elektrodynamicznych w przypadku fragmentów ramki skośnych do linii pola działają wzdłuż osi obrotu, dlatego nie bierzemy ich pod uwagę. Natomiast momenty sił elektrodynamicznych działających na fragmenty ramki  prostopadłe do linii pola są sobie równe i zwrócone przed rysunek (w stronę źródła napięcia). Ich wartość wynosi:

Gdzie  to ramię siły . Wartość siły elektrodynamicznej jest równa:

Linie pola magnetyczne wraz z połową skośnego fragmentu ramki tworzą trójkąt prostokątny o długościach boków takich jak przedstawiono to na rysunku poniżej:

Zgodnie z powyższym rysunkiem, zauważamy, że ramię siły wynosi:

Wstawiając wzory na ramię oraz siłę elektrodynamiczną, otrzymujemy wzór na moment siły elektrodynamicznej:

Ponieważ momenty obu sił elektrodynamicznych są zwrócone w tę samą stronę, to wartość ich momentu wypadkowego  obliczamy jako sumę wartości momentów każdej z tych sił, toteż:

Zadania do zrobienia:

1. W najprostszym modelu silnika elektrycznego znajduje się kwadratowa ramka o boku  oraz magnes trwały wytwarzający pole magnetyczne o indukcji . W momencie gdy ramka ułożona jest w płaszczyźnie równoległej do linii pola, jej wypadkowy moment sił elektrodynamicznych wynosi . Oblicz natężenie prądu płynącego przez ramkę.

Odp.

Jeśli jesteś zainteresowany/a dodatkowymi materiałami dotyczącymi tego zagadnienia, to pod poniższym linkiem znajdziesz płatne (60 zł) dwugodzinne nagranie z omówieniem teorii i rozwiązaniami zadań maturalnych w tej tematyce:

https://szkolamaturzystow.pl/kurs/kurs-maturalny-fizyka-elektromagnetyzm-3