Podstawy funkcjonowania                                                                                                                   Moment elektromagnetyczny Podstawy funkcjonowania                                                                                                                   W największym uproszczeniu, za silnik elektryczny możemy przyjąć model składający się z dwóch magnesów trwałych: zewnętrznego reprezentującego stojan i wewnętrznego odpowiadający wirnikowi silnika. Ten model silnika jest najprostszym z możliwych. Zawiera on tylko 2 bieguny (1 para), a składowe pola magnetyczne wytwarzane są przez magnesy trwałe. W rzeczywistych silnikach w zależności od ich rodzaju zastępuje się magnesy trwałe odpowiednimi uzwojeniami dla wirnika lub/i stojana, które zasila się prądem stałym lub przemiennym. Zwiększa się również liczba par biegunów. Jeżeli magnes wirnika posiadający swobodę ruchu, ustawiony zostanie w dowolnym położeniu względem magnesu stojana, przytwierdzonego do jakiejś nieruchomej obudowy, to pod wpływem działania sił magnetycznych pojawi się moment obrotowy, który obróci wirnik w położenie, w którym siły magnetyczne się zrównoważą.

model silnika prądu stałego Budowa Uproszczona budowa przykładowego modelu Podstawowymi elementami tego modelu silnika DC (silnika elektrycznego prądu stałego) są:  - magnes  - umieszczona pomiędzy biegunami magnesów ramka  - komutator (służy do zmiany kierunku prądu)  - szczotki (doprowadzają prąd do komutatora) Prąd doprowadzany jest do ramki przez dwie ślizgające się po pierścieniu szczotki.                                                                                             model silnika prądu stałego

model silnika prądu stałego                                                                                                     model silnika prądu stałego

                                                                                                                     Prawdziwe silniki prądu stałego są o wiele bardziej skomplikowane. Zwykle zamiast magnesów stałych stosuje się elektromagnesy, dla których wartość pola elektromagnetycznego jest o wiele większa, uzwojenie posiada wiele zwojów, a komutator jest zdecydowanie bardziej skomplikowany. Mimo to zasada działania pozostaje teka sama                                                                                                                      silnik prądu stałego

Produkowane obecnie silniki prądu stałego w zdecydowanej większości są to tzw. maszyny komutatorowe. Istnieje jeszcze inna konstrukcja tzw. maszyny unipolarne, ale jest ona rzadko stosowana, ponieważ może być stosowana tylko dla małych napięć zasilających.                                         Wirnik silnika prądu stałego wykonany jest w kształcie walca, na powierzchni, którego znajdują się żłobki. W żłobkach tych umieszczane jest uzwojenie, a następnie jest on zamykany za pomocą specjalnych klinów, zapobiegając w ten sposób wypadnięciu podczas wirowania. Rdzeń żłobka, w celu osiągnięcia lepszych właściwości magnetycznych, wykonywany jest z pakietowanych blach. Nieruchomy stojan, wykonany jest w kształcie wydrążonego walca, zwykle, ze względu na stałe pole magnetyczne, jako żeliwny lub staliwny odlew Po wewnętrznej stronie stojana umieszczone są bieguny(najczęściej główne i pomocnicze), na których nawinięte są uzwojenia. Część bieguna umieszczona najbliżej osi nazywa się nabiegunnikiem i jest szersza od reszty bieguna.

przekrój silnika prądu stałego                                                                        przekrój silnika prądu stałego

KOMUTATOR Krzemowe szczotki ślizgając się po komutatorze umożliwiają połączenie obracającego się uzwojenia wirnika z zasilającym je nieruchomym źródłem prądu stałego. Bardzo ważną częścią silnika prądu stałego, umożliwiającą mu prawidłowe funkcjonowanie jest komutator. Rola, jaką spełnia jest omówiona szerzej w części dotyczącej zasady działania silnika DC. Komutator wykonany jest w postaci wielu miedzianych wycinków, wzajemnie odizolowanych. Do każdego z wycinków przyłączony jest jeden koniec uzwojenia wirnika. W silniku komutatorowym prądu stałego uzwojenie wzbudzenia znajduje się w stojanie natomiast uzwojenie twornika w wirniku (w silniku synchronicznym jest odwrotnie). Komutator pełni rolę prostownika mechanicznego. Pole magnetyczne wzbudzenia uzyskuje się zasilając uzwojenia stojana prądem stałym, ponieważ trudno byłoby stworzyć wystarczająco silne pole w oparciu o magnesy trwała i z pewnością byłyby też znacznie kosztowniejsze. Stojan oprócz biegunów i uzwojeń głównych wytwarzających główne pole magnetyczne posiada także bieguny pomocnicze, na których nawinięte jest uzwojenie pomocnicze, która jest połączone równolegle z uzwojeniem wirnika. Zadaniem tego uzwojenia jest wyeliminowanie pewnych niekorzystnych zjawisk spowodowanych oddziaływaniem wirnika, związanych ze zmiana rozkładu indukcji magnetycznej pod biegunami, mogących objawiać się nadmiernym iskrzeniem przy ocieraniu szczotek o komutator

komutator silnika prądu stałego                                                                komutator silnika prądu stałego

Zasada działania Jeżeli ramka zostanie podłączona do źródła prądu stałego, na jej znajdujące się w polu magnetycznym magnesu ramiona, zaczną oddziaływać siły elektrodynamiczne, powstanie moment siły powodujący obrót ramki wokół osi obrotu. Moment ten jest proporcjonalny do iloczynu wektorów siły i ramienia, więc jego wartość zmienia się, gdy zmienie ulega wartość kąta pomiędzy tymi wektorami. Gdy ramka ustawiona jest prostopadle do linii pola magnetycznego, wektory siły i ramienia ustawione są równolegle, a wartość momentu siły działającego na ramkę spada do zera, Prędkość obracania się ramki znacznie spada i tylko dzięki bezwładności udaje się jej pokonać krytyczne prostopadłe położenie. Aby utrzymać stały kierunek obrotu ramki, w położeniu prostopadłym (za pośrednictwem komutatora) następuje zmiana kierunku przepływu prądu. Wówczas ponownie pojawia się moment, który dalej obraca ramkę w tym samym kierunku. Jego wartość rośnie aż do osiągnięcia przez ramkę położenia poziomego (wówczas wektory siły i ramienia są prostopadłe), poczym ponownie zaczyna maleć, aby w położeniu pionowym całkiem spaść do zera. Moment obrotowy działający na ramkę  M = F  r sinα             gdzie:                                                                                 r - ramię siły (odległość między kierunkiem siły a osią obrotu.)                                      F- wartość siły.                                      α- kąt pomiędzy wektorem siły i wektorem ramienia.

                                                                                                    położenie poziome ramki  - w tym położeniu ramki wektory siły i ramienia są prostopadłe a więc moment obrotowy i prędkości chwilowa ramki, są największe.

W momencie gdy szczotki trafiają na przerwę w komutatorze (w położeniu pionowym ramki), prąd w ramce przestaje płynąć. Dalszy obrót prowadzi do zmiany kierunku prądu w ramce w związku z czym  ramka zachowuje stały kierunek obrotu. Ramka w prawie pionowym położeniu, wektory siły i ramienia są prawie równoległe a więc w tym momencie wartość momentu obrotowego jest bardzo mała. Gdy ramka osiągnie zupełnie pionowe położenie, komutator na moment przerwie dopływ prądu.