Silnik prądu stałego

Silnik prądu stałego to maszyna przetwarzająca energie elektryczną na energię mechaniczną, zwykle w postaci ruchu obrotowego. Moment obrotowy powstaje tu w wyniku wzajemnego oddziaływania pola magnetycznego i przepływającego prądu.

 

W zależności od zasilającego prądu rozróżnia się przede wszystkim silniki elektryczne prądu stałego oraz silniki elektryczne prądu przemiennego.

 

Jeden z pierwszych wirujących silników elektrycznych wynaleziony został już w 1821 roku przez Michaela Faradaya – słynna tzw. tarcza Faradaya, a udoskonalony przez Philipa Barlowa przeszedł do historii jako Koło Barlowa. Nowoczesny silnik prądu

stałego został jednak wynaleziony przez przypadek w 1873 roku, kiedy to Zenobie Gramme połączył uzwojenie dynama, czyli prądnicy, z oddzielnym źródłem prądu. Maszyna Gramme okazała się pierwszym używanym w przemyśle silnikiem elektrycznym. Silnik elektryczny prądu stałego zbudowany jest (wzorcowo) z dwóch magnesów zwróconych do siebie biegunami różnoimiennymi tak, aby pomiędzy nimi rozmieszczało się pole magnetyczne. Pomiędzy takimi magnesami znajduje się przewodnik w kształcie ramki, podłączony do źródła prądu poprzez komutator i ślizgające się po nim szczotki. Przewodnik zawieszony jest na osi, aby swobodnie mógł się obracać.

Na ramkę, w której płynie prąd elektryczny, działa para sił elektrodynamicznych z powodu obecności pola magnetycznego. Siły te powodują powstanie momentu obrotowego. Ramka wychyla się z położenia poziomego, obracając się wokół osi. Na skutek swej bezwładności mija położenie pionowe (w którym moment obrotowy jest równy zero, a szczotki nie zasilają ramki). Po przejściu położenia pionowego ramki, szczotki znów dotykają styków na komutatorze, ale prąd płynie w przeciwnym kierunku, dzięki czemu ramka w dalszym ciągu jest obracana w tym samym kierunku.

Opisana wyżej zasada działania takiego silnika ma jeszcze wiele wad. Na przykład, gdy ramka zatrzyma się w położeniu pionowym, to silnik nie ruszy. Dlatego rzeczywiste silniki posiadają więcej ramek połączonych szeregowo. A ramka składająca się z pojedynczego przewodu w praktyce zastępowana jest całym zwojem, czyli zwojnicą. Podczas przełączania kolejnych zwojnic następuje ich zwarcie, powodując iskrzenie na komutatorze oraz utratę energii zgromadzonej w polu magnetycznym wytwarzanym z tej zwojnicy. By zmniejszyć te zjawiska, w praktyce wirnik dzielony jest nawet na kilkadziesiąt zwojnic.

Obok wirnika (rotor) podstawową część silnika elektrycznego stanowi stojan (stator). Jest to zwykle cały zespół nieruchomych elementów silnika otaczających wirujący wokół stałej osi wirnik. Najchętniej stosowany jest on w pompach, sprężarkach, wentylatorach, dmuchawach, masywnych maszynach elektrycznych i turbinach. Lecz i tu zdarzają się wyjątki: w silniku z wirującym stojanem, stojan może wirować dookoła nieruchomego (lub ruchomego) wirnika.

W maszynach elektrycznych, szczególnie tych prądu stałego, w celu wymuszenia przepływu prądu w odpowiednim kierunku stosuje się tzw. komutację. Komutacja realizowana jest za pomocą komutatora, który sprawia, że urządzenie jest zasilane prądem stałym, choć w uzwojeniach twornika indukowane są napięcia przemienne i płyną prądy przemienne w czasie. Podstawową zaletą wszystkich maszyn komutatorowych jest łatwość sterowania nimi i regulacji. A silniki komutatorowe, zwane szczotkowymi, mają duży moment rozruchowy, do którego nie potrzebują kondensatora (tak jak to jest w silniku indukcyjnym jednofazowym). Podstawową wadą natomiast jest występowanie ruchomego zestyku szczotka – komutator, który się zużywa, oraz stosunkowo duże koszty wykonania.

Trzeba nam zatem nadmienić o szczotkach. „Szczotka” to specjalny rodzaj kontaktu elektrycznego pomiędzy dwiema (lub więcej) ruchomymi częściami. W silnikach współpracują z komutatorem lub pierścieniami ślizgowymi.

W zależności od rodzaju kontaktu i wymagań konstrukcyjnych, szczotka może być wykonana ze stopu metali (np. z dużą zawartością miedzi w celu uzyskania niewielkiej rezystancji) lub odpowiednio spreparowanego grafitu, odpornego na ścieranie. Szczotki wymagają jednak stałego docisku, którego siła musi być określona. Zbyt słaby docisk skutkuje nadmiernym iskrzeniem. Zbyt silny docisk powoduje zwiększone straty mocy

na tarcie mechaniczne oraz przyspieszone ścieranie. Dlatego dziś coraz więcej silników prądu stałego nie posiada komutatora, albo komutacja prowadzona jest drogą elektroniczną.

Podział silników prądu stałego określa się najczęściej ze względu na sposób wzbudzania pola magnetycznego. Mamy wtedy: silnik prądu stałego obcowzbudny – silnik prądu stałego z magnesami trwałymi lub elektromagnesami (tj. z osobnym uzwojeniem wzbudzenia w stojanie, zasilanym z oddzielnego źródła zasilania niż obwód twornika); silnik prądu stałego samowzbudny – silnik z elektromagnesem w stojanie; silniki te mogą mieć połączenie uzwojenia stojana i wirnika szeregowe, równoległe (bocznikowe) lub mieszane.

W interesującym nas obszarze narzędziowości należałoby zaznaczyć, iż to właśnie silnik szeregowy (o uzwojeniu wzbudzenia w stojanie, połączonym szeregowo z uzwojeniem twornika) może być – jako jedyny silnik prądu stałego – zasilany również prądem przemiennym. Silniki takie nazywane są wtedy silnikami uniwersalnymi. Możliwość ich różnego zasilania wynika z faktu, że kierunek wirowania wirnika nie zależy od biegunowości przyłożonego napięcia. Zwykle też, w przypadku, gdy silnik ma być zasilany prądem stałym, stojan wykonany 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 zastosowanie w urządzeniach wymagających dużych prędkości obrotowych napędu, takich jak elektronarzędzia.

Na zakończenie, aby rzecz całkiem ścieśnić, o silnikach mocy ułamkowej albo mikrosilnikach. Stosunek mocy pomiędzy największymi i najmniejszymi maszynami elektrycznymi jest dziś jak 1: (10 do 10). Według starego nazewnictwa silniki mocy ułamkowej to silniki o mocy poniżej 1kW. Nowsze źródła określają je mianem mikrosilników (silniki o mocy mniejszej niż 750 W). Rozwój techniki i powszechna miniaturyzacja sprawiają, że mikrosilniki są już powszechne w urządzeniach codziennego użytku: komputery, drukarki, magnetofony, różne odtwarzacze, aparaty i kamery, telefaksy, zegarki, zabawki, itp. Szacuje się, że w przeciętnym gospodarstwie domowym znajduje się w użyciu kilkadziesiąt takich mikrosilników. Są one konstruowane pod konkretne zastosowanie. Około 75% z nich to silniki prądu stałego, zarówno komutatorowe jak też z komutacją elektroniczną.

 

A)

B)

Silnik elektryczny prądu stałego: A) widok z góry, B) widok z boku, 1) stojan z magnesem trwałym, 2) wirnik z uzwojeniem twornika  (prostokątna ramka z drutu), 3) szczotki doprowadzające prąd do uzwojenia twornika, 4) komutator – pierścień ze stykami – wyprowadzenia z ramki (uzwojenia twornika), 5) wyjścia do zasilania