Spis treści:
Silnik prądu stałego to fundamentalny element wielu urządzeń technicznych. W tym artykule opiszemy jego zasadę działania oraz różnorodne zastosowania. Ciekawi Cię ten temat? W takim razie zapraszamy do lektury!
Poznaj historię powstania pierwszego silnika prądu stałego
Początki silnika prądu stałego sięgają XIX wieku. Chociaż koncept przekształcania prądu elektrycznego w ruch mechaniczny został zgłębiony przez wielu wynalazców, prawdziwy przełom nastąpił w 1821 roku, dzięki brytyjskiemu naukowcowi Michaelowi Faradayowi.
Faraday stworzył urządzenie zwane “dyskiem Faradaya” – prosty silnik prądu stałego, który wykorzystywał siłę elektromagnetyczną do generowania ruchu. Choć była to prosta maszyna i nie była efektywna, to jednak zasada jej działania stanowiła podstawę dla późniejszych silników prądu stałego.
W 1837 roku, wynalazca z Belgii, Zenobe Gramme, stworzył pierwszy praktycznie użyteczny silnik prądu stałego, który był zdolny do stałego dostarczania mocy. Ten model był znacznie bardziej skomplikowany i efektywny od dysku Faradaya.
Silnik Gramme’a wykorzystywał nowy design, który zawierał komutator – kluczowy element współczesnych silników prądu stałego. Komutator umożliwił ciągłe odwracanie kierunku prądu, co pozwoliło na ciągły ruch obrotowy.
Rozwój technologii prądu stałego trwał przez cały XIX wiek, aż do wynalezienia alternatora i wprowadzenia prądu zmiennego. Silniki prądu stałego nadal mają wiele zastosowań, szczególnie tam, gdzie wymagana jest precyzyjna kontrola prędkości obrotowej.
Silnik prądu stałego - jak jest zbudowany?
Silnik prądu stałego, zwany także silnikiem DC, jest specyficznym urządzeniem konwertującym energię elektryczną na mechaniczną. Jego podstawowe komponenty składają się z trzech głównych części: wirnika, stojana oraz komutatora.
Wirnik, zwany również rdzeniem wirującym lub armaturą, jest zasadniczym elementem, który obraca się w wyniku generowanego przez silnik momentu obrotowego. Jest zwykle wykonany z laminowanych blach stalowych, aby zminimalizować straty energii spowodowane przez wirujące pole magnetyczne.
Stojan jest częścią silnika, która jest statyczna i nie obraca się. Jest zazwyczaj wyposażony w jeden lub więcej elektromagnesów lub magnesów stałych, które generują pole magnetyczne w silniku.
Komutator jest integralną częścią silników prądu stałego. To on jest odpowiedzialny za odwracanie kierunku prądu co pół obrotu, co pozwala na ciągłe obracanie się wirnika w jednym kierunku. W praktyce komutator jest zwykle połączony z wirnikiem i składa się z serii płytek miedzianych.
Silniki prądu stałego zazwyczaj zawierają również szereg innych elementów, takich jak łożyska, które umożliwiają wirnikowi obracanie oraz szczotki, które przekazują prąd do komutatora.
Na jakiej zasadzie działa silnik prądu stałego?
Silnik prądu stałego działa, wykorzystując podstawowe prawa elektromagnetyzmu. Najważniejsze z nich to prawo Ampère’a i prawo Lorentza.
Początkowo do silnika podajemy napięcie, które prowadzi do przepływu prądu przez wirnik. W wyniku tego przepływu prądu w obrębie pola magnetycznego stojana, na podstawie prawa Lorentza, wirnik doświadcza siły działającej prostopadle zarówno do kierunku przepływu prądu, jak i kierunku pola magnetycznego. Siła ta powoduje ruch obrotowy wirnika.
Jednakże, aby ruch obrotowy był ciągły, konieczne jest systematyczne odwracanie kierunku prądu płynącego przez wirnik. Do tego służy komutator – za każdym razem, gdy wirnik przechodzi przez punkt, w którym siła magnetyczna przestaje działać, komutator odwraca kierunek prądu. Dzięki temu wirnik jest zawsze napędzany siłą w tym samym kierunku.
To właśnie ta sekwencja zdarzeń – prąd płynący przez wirnik w obecności pola magnetycznego, generujący siłę obrotową, a następnie odwracanie kierunku prądu przez komutator – pozwala na ciągłe obracanie się wirnika, co jest podstawą działania silnika prądu stałego.
Silnik prądu stałego - przykłady zastosowania w praktyce
Silniki prądu stałego są wszechobecne w naszym codziennym życiu, choć często nie zdajemy sobie z tego sprawy. Poniżej przedstawiamy ich najpopularniejsze zastosowania:
- Pojazdy elektryczne – silniki prądu stałego są często stosowane w pojazdach elektrycznych, takich jak samochody, rowery czy hulajnogi elektryczne. Dzięki możliwości precyzyjnego sterowania prędkością i momentem obrotowym, są doskonałe do zastosowań wymagających płynnej zmiany prędkości.
- Domowe urządzenia elektryczne – silniki prądu stałego znajdują się praktycznie w każdym domowym urządzeniu elektrycznym. Są one wykorzystywane w urządzeniach takich jak odkurzacze, miksery, wiertarki, pralki, suszarki, wentylatory, a nawet elektryczne szczoteczki do zębów.
- Robotyka – w robotyce silniki prądu stałego są niezastąpione. Dzięki możliwości precyzyjnego sterowania, są one używane w różnych robotach – od prostych zabawek po zaawansowane systemy przemysłowe.
- Komputery – silniki prądu stałego znajdują się również w komputerach, gdzie są wykorzystywane do napędzania wentylatorów chłodzących.
- Systemy zasilania awaryjnego – silniki prądu stałego są często używane w generatorach prądu, które są używane jako systemy zasilania awaryjnego w przypadku awarii sieci energetycznej.
Jak widać, silnik prądu stałego to przełomowe odkrycie, które wpływa na rozwój technologii do dziś. Ciekawe, jaka jest jego przyszłość i co pokażą nam kolejne dekady odkryć.
