Silnik elektryczny
SILNIK ELEKTRYCZNY to maszyna służąca do przetwarzania energii elektrycznej na pracę mechaniczną.
Ze względu na rodzaj prądu sieci, z której silniki elektryczne pobierają energię elektryczną, rozróżnia się: silniki prądu stałego oraz silniki prądu przemiennego (synchroniczne i asynchroniczne). Silniki elektryczne prądu stałego stosowane są głównie w trakcji elektrycznej.
KRÓTKA HISTORIA
Jeden z pierwszych wirujących silników elektrycznych został wynaleziony w roku 1821 przez Michaela Faradaya i składał się ze swobodnie zawieszonego przewodu zanurzonego w rtęci umieszczonej w rowku o kształcie okręgu otaczającym magnes.
Inna wczesna konstrukcja silnika elektrycznego używa rdzenia wewnątrz solenoidu; koncepcyjnie można go porównać do elektromagnetycznej wersji silnika spalinowego dwusuwowego. Thomas Davenport zbudował taki mały silnik prądu stałego w roku 1834 i użył go do napędu kolejki elektrycznej - zabawki, poruszającej się po kolistym torze.
Nowoczesny silnik prądu stałego został wynaleziony przez przypadek, w 1873, gdy Zenobie Gramme połączył uzwojenie dynama z oddzielnym źródłem prądu.
Pierwszy mikrosilnik zbudował Thomas Alva Edison w 1880 roku. Napędzał on elektryczne pióro do sporządzania kropkowanych matryc powielaczowych. Silnik miał wymiary 2,5 cm na 4 cm i osiągał około 4 tysięcy obr/min., napędzając drgającą igłę w obsadce. Igła robiła w matrycy otworki układające się w kontury liter. Silnik był zasilany z baterii
BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA
Silnik elektryczny prądu stałego zbudowany jest z dwóch magnesów zwróconych do siebie biegunami różnoimiennymi, tak, aby pomiędzy nimi znajdowało się pole magnetyczne. Pomiędzy 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 mógł się swobodnie 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. W wyniku swojej 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 odwrotnie, prąd płynie w przeciwnym kierunku, dzięki czemu ramka w dalszym ciągu jest obracana w tym samym kierunku.
WIRNIK
Opisany wyżej silnik ma wiele wad. Jeżeli ramka zatrzyma się w położeniu pionowym, silnik nie ruszy. Dlatego rzeczywiste silniki posiadają więcej ramek połączonych szeregowo, których są przyłączone do komutatora za pośrednictwem szczotek. Ramka składająca się z pojedynczego przewodu w rzeczywistych silnikach jest zastępowana zwojnicą. Podczas przełączania kolejnych zwojnic następuje jej zwarcie, powodujące iskrzenie na komutatorze oraz utratę energii zgromadzonej w polu magnetycznym wytwarzanym w tej zwojnicy. By zmniejszyć te zjawiska, wirnik dzielony jest nawet na kilkadziesiąt zwojnic.
Gdy wirnik silnika obraca się, ramka z prądem (zwojnica) porusza się w polu magnetycznym. Powoduje to indukowanie się siły elektromotorycznej, która zmniejsza natężenie prądu płynącego w wirniku, zmniejszając moment obrotowy wytwarzany przez silnik. Indukowana siła elektromotoryczna jest proporcjonalna do indukcji magnetycznej pola wytwarzanego przez magnes oraz prędkości ruchu przewodnika wirnika, która to jest zależna od prędkości obrotowej wirnika.
PODZIAŁ
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
- 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) 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 część tą wykonuje się z pakietu blach zmniejszając tym samym straty cieplne 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 oraz jego zaletami duży moment obrotowy i duża 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.