Silniki prądu stałego

Zbigniew Michalski
Silniki prądu stałego
1.Wiadomości wstępne
Maszyną elektryczną nazywamy urządzenie, w którym następuje przetwarzanie energii
mechanicznej na energię elektryczną lub na odwrót. Najbardziej rozpowszechnione są
maszyny wirujące, które składają się z dwóch głównych elementów: stojana (zwanego
też statorem ) oraz wirnika (zwanego też rotorem). W stojanie i wirniku są umieszczone
uzwojenia, przez które płynie prąd elektryczny. Ze względu na rodzaj przepływającego
prądu rozróżnia się maszyny prądu stałego i maszyny prądu przemiennego. Maszyny
elektryczne mogą pracować jako prądnice lub jak silniki. Jeżeli do maszyny jest
dostarczana energia elektryczna a odbierana mechaniczna, to maszyna pracuje jako
silnik.
2.Budowa maszyny prądu stałego
Podstawowe elementy maszyny prądu stałego to magneśnica, twornik i komutator.
Magneśnica jest nieruchoma; składa się z jarzma i biegunów magnetycznych. Do
stalowego jarzma są przymocowane elektromagnesy wraz z nabiegunnikami. Bieguny
magnetyczne są wykonane z blachy prądnicowej, wzajemnie odizolowanej. W skład
elektromagnesów wchodzi uzwojenie magnesujące, przez które płynie prąd wzbudzenia.
Twornik (wirnik) to element wirujący wraz z wałem maszyny. W żłobkach twornika
jest umieszczone uzwojenie. Przestrzeń między twornikiem a nabiegunnikami
elektromagnesów nazywa się szczeliną powietrzną. Twornik wykonuje się z blach
prądnicowycg, wzajemnie odizolowanych.
Komutator w prądnicy służy do odprowadzania prądu z uzwojenia twornika do obwodu
zewnętrznego. W silniku przez komutator prąd płynie w kierunku odwrotnym, tzn. z
obwodu zewnętrznego do uzwojenia twornika. Komutator składa się z wycinków
pierścieni wykonanych z miedzi elektrolitycznej, odizolowanych od siebie i od stalowej
piasty, na której są osadzone. Po komutatorze ślizgają się szczotki grafitowe,
odprowadzające prąd z uzwojenia do obwodu zewnętrznego. Rdzeń twornika oraz
komutator są umieszczone na wale osadzonym w łożyskach. Podczas wirowanianiezależnie od tego, czy maszyna pracuje jako prądnica czy jako silnik- w wirniku
indukuje się sił elektromotoryczna. Siła elektromotoryczna jest wprost proporcjonalna
do strumienia magnetycznego oraz do prędkości kątowej twornika. Jej wartość zależy
również od cech konstrukcyjnych maszyny (liczby zwojów, rodzaju uzwojenia, liczby
par biegunów itp.).
3. Działanie silnika prądu stałego
W silniku prądu stałego wykorzystano zjawisko oddziaływania pola magnetycznego na
przewodnik z prądem. W polu magnetycznym znajduje się ramka, przez którą przepływa
prąd stały, doprowadzony za pośrednictwem szczotek i wycinków komutatora.
Pojawiająca się wówczas siła F jest skierowana prostopadle do płaszczyzny ramki.
Powstaje więc moment obrotowy działający na ramkę. Po obróceniu się ramki o kąt 180
stopni moment obrotowy nie zmienia kierunku, gdyż jednocześnie następuje obrót
półpierścieni komutatora i zmiana kierunku prądu w ramce- ramka obraca się. W
rzeczywistości stosuje się nie jedną, lecz znacznie więcej ramek. W silniku nie są to
ramki, lecz uzwojenia. Odpowiednio większa jest również liczba wycinków komutatora.
Dzięki temu maleje pulsacja wytwarzanego przez silnik momentu obrotowego, co
oznacza stabilniejszą pracę silnika. Strumień magnetyczny w żelazie jest znacznie
silniejszy niż w próżni czy w powietrzu. Dlatego uzwojenia umieszcza się w wąskich
szczelinach (żłobkach) stalowego walca, zwanego wirnikiem silnika.
4. Rodzaje silników prądu stałego
W zależności od sposobu zasilania uzwojeń wzbudzenia rozróżnia się silniki prądu
stałego: obcowzbudne, bocznikowe, szeregowe i szeregowo- bocznikowe.
W silnikach obcowzbudnych uzwojenie wzbudzenia jest zasilane ze źródła o stałym
napięciu, a twornik- z oddzielnej prądnicy o regulowanej sile elektromotorycznej. Z tego
względu są one nazywane silnikami z niezależnym wzbudzeniem.
Silniki bocznikowe odznaczają się praktycznie stałą prędkością obrotową. W czasie
ich eksploatacji należy zwracać uwagę na połączenia w obwodzie wzbudzenia. Jeśli
powstanie przerwa w tym obwodzie, to prędkość obrotowa silnika niebezpiecznie
wzrośnie. Stan taki nazywa się rozbieganiem silnika. Jest on groźny zarówno dla
otoczenia, jak dla silnika.
Silniki szeregowe mają bardzo duży moment rozruchowy. Z tego względu znajdują
zastosowanie jako m.in. rozruszniki elektryczne pojazdów mechanicznych. Wadą tych
silników jest skłonność do osiągania nadmiernej prędkości obrotowej przy małych
obciążeniach. Bieg jałowy silnika może spowodować jego zniszczenie ze względu na
powstającą wówczas dużą siłę odśrodkową.
Silniki szeregowo- bocznikowe mają dodatkowe uzwojenie (bocznikowe), którego zadaniem
jest wytworzenie strumienia magnetycznego ograniczającego prędkość silnika
Bibliografia
Elektrotechnika samochodowa – Janusz Sokolik
Elektrotechnika – Stanisław Bolkowski