Silnik elektryczny – zasada działania

Budowa i działanie silnika elektrycznego Silnik elektryczny przetwarza energię elektryczną na energię mechaniczną, czyli prąd elektryczny dostarczony do silnika powoduje wprawienie go w ruch. Ze względu na rodzaj napięcia zasilającego, silniki elektryczne dzielimy na: silniki elektryczne prądu stałego, silniki elektryczne prądu zmiennego, silniki uniwersalne.

Ze względu na sposób wzbudzenia pola magnetycznego dzielą się na: silnik prądu stałego obcowzbudny – silnik prądu stałego z magnesami trwałymi, którego budowę i działanie opisano powyżej lub z elektromagnesami, tj. z osobnym uzwojeniem wzbudzenia w stojanie zasilanym z oddzielnego źródła zasilania niż obwód twornika – stosowane głównie w napędach wymagających regulacji prędkości w szerokim zakresie obrotów; silnik prądu stałego samowzbudny – silniki z elektromagnesem w stojanie mogą mieć połączone uzwojenia stojana i wirnika szeregowo, równolegle (bocznikowo) lub w sposób mieszany. Sposób podłączenia określa rodzaj silnika.

silnik szeregowy – o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie połączonym szeregowo z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się dużą zależnością prędkości obrotowej od obciążenia. Zmniejszanie obciążenie powoduje wzrost prędkości obrotowej (teoretycznie do nieskończenie wielkiej) i grozi tzw. rozbieganiem, a w konsekwencji zniszczeniem silnika. Jest to jego poważna wada. Dlatego tego typu silników nie wolno włączać bez obciążenia. Stosowane są głównie w trakcji elektrycznej (napędy lokomotyw, tramwajów, trolejbusów)[1] i pojazdach mechanicznych (wózki akumulatorowe, rozruszniki samochodów), w napędach dźwigów, wentylatorów itp. Silnik szeregowy może być, jako jedyny silnik prądu stałego, zasilany również prądem przemiennym. Silniki takie zwane są też silnikami uniwersalnymi. Możliwość ich różnego zasilania wynika z faktu, że kierunek wirowania wirnika nie zależy od biegunowości przyłożonego napięcia. W przypadku, gdy silnik ma być zasilany prądem stałym stojan wykonywany jest z litego materiału. Natomiast przy zasilaniu prądem przemiennym wykonuje się go z pakietu izolowanych blach zmniejszając straty energii powstałe na skutek prądów wirowych. Ze względu na stosunkowo małe wymiary przy stosunkowo dużej mocy oraz duże prędkości obrotowe, silniki te znalazły liczne zastosowania w urządzeniach wymagających dużych prędkości obrotowych napędu, np. w odkurzaczach, elektronarzędziach, suszarkach, sokowirówkach, mikserach itp. silnik bocznikowy – o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie przyłączonym równolegle z uzwojeniem twornika. Charakteryzuje się małą podatnością na zmianę prędkości obrotowej na skutek zmiany obciążenia. Stosowany głównie w napędach obrabiarek, pomp, dmuchaw, kompresorów;

silnik szeregowo-bocznikowy – o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie połączonym z uzwojeniem twornika w sposób mieszany (część szeregowo, a część równolegle). Charakteryzuje się brakiem głównej wady silnika szeregowego – możliwości jego rozbiegania przy braku obciążenia, a także ma jego zalety – duży moment obrotowy w szerokim zakresie obrotów i zależność prędkości obrotowej od obciążenia. Stosowany jest zazwyczaj jako silniki dużych mocy, tam gdzie występuje ciężki rozruch: do napędu walcarek, pras, dźwigów oraz w napędach okrętowych mechanizmów pokładowych. Silniki mocy ułamkowej albo mikrosilniki - Stosunek mocy pomiędzy najmniejszymi i największymi maszynami elektrycznymi jest jak 1:1010. Według starego nazewnictwa silniki mocy ułamkowej to silniki o mocy poniżej 1kW. Nowsze źródła określają mianem mikrosilników, silniki o mocy mniejszej niż 750W. Rozwój techniki i powszechna miniaturyzacja sprawiają, ze mikrosilniki są powszechne w urządzeniach codziennego użytku: komputer, drukarka, magnetofon, odtwarzacz CD, wieża Hi-Fi, magnetowid, kamera wideo, aparat fotograficzny, telefaks, elektryczna szczoteczka do zębów, zegarek, zabawki to tylko kilka przykładów. Ocenia się, ze w przeciętnym gospodarstwie domowym znajduje się kilkadziesiąt mikrosilników. Są one konstruowane pod konkretne zastosowanie. około 75% są to silniki prądu stałego, zarówno komutatorowe jak też z komutacją elektroniczną.

Budowa silnika Silnik składa się z: szczotek - które dostarczają prąd do silnika, komutatorów - które zmieniają kierunek prądu w ramce, magnesów - które wytwarzają pole magnetyczne niezbędne do wprawienia ramki w ruch, wirnika (ramki) - dzięki dostarczeniu prądu to właśnie ta część silnika jest wprawiana w ruch.

Schemat silnika:

Działanie silnika: Zasada działania silnika elektrycznego jest następująca: wirnik obraca się dzięki temu, że uzwojenia przewodzące prąd umieszczone są w polu magnetycznym. Te dwa pola kolidują ze sobą powodując ruch wirnika (ramki). Komutatory poprzez szybką zmianę kierunku przepływu prądu przez ramkę powodują dalszy obrót (gdyby nie komutatory to ramka ciągle powracałaby do pozycji początkowej, a właśnie komutatory powodują jej dalszy obrót w jedną stronę). Po tym proces zaczyna się od początku i cykl rozpoczyna się na nowo.

Historia: Pierwszy pracujący silnik elektryczny zbudowano w roku 1837 w USA. Jego twórcą był Thomas Davenport, który swoich konstrukcji używał do napędu wiertarki i tokarki do drewna. Silnik był wyposażony w elektromagnes i osiągał prędkość 450 obrotów na minutę. Dwa lata później Davenport zbudował większy silnik, napędzający rotacyjną prasę drukarską, na której zaczął druk pierwszego w USA czasopisma poświęconego elektryczności. Pierwszy miniaturowy silnik zbudował Thomas Alva Edison w 1880 roku, aby napędzać elektryczne pióro do sporządzania kropkowanych matryc powielaczowych. Motor miał wymiary 2,5 cm na 4 cm i osiągał około 4 tysięcy obr/min., napędzając drgającą igłę w obsadce, która robiła w matrycy otworki układające się w kontury liter. Całość napędzała dwuogniskowa bateria. Elektryczne pióro Edisona (zbudowano ich około 60 tysięcy sztuk), skutecznie powielało dokumenty, aż zostało wyeliminowane przez wynalazek maszyny do pisania.

Reguła lewej dłoni. Reguła lewej dłoni, Reguła Fleminga - reguła określająca kierunek i zwrot wektora siły magnetycznej (elektrodynamicznej). Jeżeli lewą dłoń ustawi się tak, aby linie pola magnetycznego zwrócone były prostopadle ku wewnętrznej powierzchni dłoni (aby wnikały w wewnętrzną stronę dłoni), a wszystkie palce - z wyjątkiem kciuka - wskazywały kierunek płynącego prądu dodatniego (poruszającej się cząsteczki), to odchylony kciuk wskaże kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej działającej na dodatni ładunek elektryczny umieszczony w tym polu (dla ładunku ujemnego zwrot siły będzie przeciwny).

Drugi sposób Drugi sposób na określenie kierunku i zwrotu siły elektromagnetycznej polega na ułożeniu kciuka, palca wskazującego i środkowego pod kątami prostymi. W takim ułożeniu palec wskazujący pokazuje kierunek linii pola magnetycznego, palec środkowy kierunek i zwrot prądu, a kciuk kierunek i zwrot siły.

Reguła prawej dłoni W fizyce reguła prawej dłoni pozwala określić kierunek ruchu przewodnika w polu magnetycznym. Jeżeli 4 wyprostowane palce prawej dłoni (lub wyprostowany palec wskazujący) wskazują zwrot linii pola magnetycznego, a kciuk wskazuje umowny zwrot linii pola elektrycznego (od plusa do minusa), wówczas przewodnik poruszy się w tym samym kierunku, w którym otwarta dłoń wykonuje ruch popychający (lub w kierunku zgiętego palca środkowego, p. rysunek). Inna reguła prawej dłoni pozwala określić kierunek prądu indukowanego w przewodniku. Jeżeli wektor indukcji pola magnetycznego wchodzi w prawą dłoń, a kciuk pokazuje kierunek ruchu przewodnika, wówczas wyciągnięte 4 palce wskazują zwrot linii pola elektrycznego indukcji, powstającego w przewodniku. W innej wersji, znanej też jako reguła trzech palców, palec wskazujący prawej ręki wskazuje zwrot indukcji pola magnetycznego, a kciuk - zwrot prędkości ruchu przewodnika. Odgięty palec środkowy wskazuje wówczas zwrot indukowanego prądu. Zwrot związany z rotacją W fizyce druga forma reguły prawej dłoni określa regułę, w myśl której jeśli prawą dłonią obejmiemy przewodnik elektryczny tak, że kciuk wskazuje kierunek przepływu prądu elektrycznego I w przewodniku, to zgięte pozostałe palce wskażą zwrot wektora indukcji magnetycznej B (zwrot linii sił pola magnetycznego).

Praca domowa Silnik elektryczny krokowy