Zuerst starten wir mit dem einfachsten DC-Motor. Es sieht so aus, wie in Abb. 1 dargestellt. Der Stator ist ein Permanentmagnet und liefert ein konstantes Magnetfeld. Der Anker, der das rotierende Teil ist, ist eine einfache Spule.
Abb.1 Ein vereinfachter Gleichstrommotor, der mit Permanentmagnet läuft
Der Anker ist über ein Paar Kommutatorringe mit einer Gleichstromquelle verbunden. Wenn der Strom durch die Spule fließt, wird nach dem Lorentz-Gesetz eine elektromagnetische Kraft induziert , so dass sich die Spule dreht. Die durch die elektromagnetische Induktion induzierte Kraft wird unter Verwendung von "roten Pfeilen" in Fig. 2 gezeigt.
Abb.2 Die auf den Spulen induzierte elktromagnetische Kraft macht die Ankerspule drehend
Sie werden feststellen, dass sich der Kommutator mit der Stromquelle entgegengesetzter Polarität verbindet, wenn sich die Spule dreht. Infolgedessen wird auf der linken Seite der Spule der Strom immer "weg" und auf der rechten Seite wird Strom immer "nach" fließen. Dadurch wird sichergestellt, dass sich die Drehmomentwirkung auch während der gesamten Bewegung in der gleichen Richtung befindet, so dass sich die Spule weiter dreht.
Abb.3 Die Kommutatorringe sorgen dafür, dass ein unidirektionaler Strom durch den linken und rechten Teil der Spule fließt
Aber wenn Sie die Drehmomentwirkung auf die Spule genau beobachten, werden Sie feststellen, dass, wenn die Spule nahezu senkrecht zum magnetischen Fluss ist, die Drehmomentwirkung null liegt.
Abb. 4 Wenn sich die Spule senkrecht zum magnetischen Fluß nähert, nähert sich das erzeugte Drehmoment null
Infolgedessen wird es eine unregelmäßige Bewegung des Rotors geben, wenn Sie einen solchen Gleichstrommotor laufen lassen. Hier ist der Trick, dieses Problem zu überwinden! Fügen Sie dem Rotor eine weitere Schleife hinzu, mit einem separaten Kommutatorpaar. Bei dieser Anordnung, wenn die erste Schleife in der vertikalen Position ist, wird die zweite Schleife mit der Stromquelle verbunden. So ist immer eine treibende Kraft im System vorhanden.
Abb. 5 Für die 2-Spulen-Rotoranordnung, wenn die erste Spule senkrecht zum magnetischen Fluss ist, ist die zweite Spule mit der Stromquelle verbunden
Darüber hinaus, je mehr solche Schleifen, desto glatter wird die Motordrehung sein. In einem praktischen Motor sind die Ankerschlaufen in Schlitze aus hochpermeablen Stahlschichten eingepasst. Dies wird die Magnetfluss-Wechselwirkung verstärken. Federbelastete Kommutatorbürsten helfen, den Kontakt mit der Stromquelle aufrechtzuerhalten.
Abb.6 Mehr die Anzahl der Spulen, glatter wird die Motordrehung sein; um die Magnetfluss-Wechselwirkung zu verstärken, werden Spulen zwischen Stahl-Schicht-Pole gesetzt
Ein Permanentmagnet-Statorpol wird nur für sehr kleine Gleichstrommotoren verwendet. Meistens wird ein Elektromagnet verwendet; die Feldspule des Elektromagneten wird von der gleichen Gleichstromquelle gespeist.
Abb.7 Ein Elektromagnet wird meistens im Gleichstrommotor verwendet
Die Feldspulen können auf zwei verschiedene Weisen mit den Rotorwicklungen verbunden werden; parallel oder serie Dies führt zu 2 verschiedenen Arten von DC-Motoren-Konstruktionen; ein Shunt und eine Serie Motoren.
Abb.8 In einer Reihe sind Motorrotorspule und Statorspulen in Reihe geschaltet
Der gewickelte Motor hat ein gutes Startdrehmoment, aber seine Geschwindigkeit sinkt drastisch mit der Last. Diese Art ist in Abb. 8 dargestellt
Der Shuntmotor hat ein niedriges Anlaufmoment, kann aber nahezu konstant laufen, unabhängig von der Belastung des Motors. Dies ist eine attraktive Betriebskennlinie eines Shunt-Wickelmotors, wobei die Art der Geschwindigkeits-Drehmoment-Variation in Fig. 10 gezeigt ist.
Abb.9 Shunt-Motor hat eine Parallelschaltung zwischen Feld- und Statorwindung
Abb.10 Ein Shunt-Motor bietet eine konstante Geschwindigkeit-Drehmoment-Zeichen
Im Gegensatz zu den anderen elektrischen Maschinen zeigen DC-Motoren ein einzigartiges Merkmal; die Produktion von Back-EMF. Eine rotierende Schleife im Magnetfeld erzeugt eine EMF nach dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion.
Abb.11 Die zurückgesteuerte EMF induziert den Stromfluss durch die Ankerspule stark
Der Fall der rotierenden Ankerschleifen ist auch der gleiche. Es wird eine interne EMF induziert, die der angelegten Eingangsspannung entgegenwirkt. Der Rücken EMF reduziert den Ankerstrom um eine große Menge. Back EMF ist proportional zur Geschwindigkeit des Rotors. Beim Start des Motors ist die Gegen-EMF zu niedrig, so dass der Ankerstrom zu hoch wird, was zum Ausbrennen des Rotors führt. Somit ist ein geeigneter Startmechanismus, der die angelegte Eingangsspannung steuert, bei großen Gleichstrommotoren erforderlich.
Eine der interessanten Variationen des DC-Motors ist ein Universalmotor, der sowohl unter AC- als auch DC-Stromquellen betrieben werden kann. Wir werden durch seine Arbeits- und Betriebsmerkmale in einem separaten Artikel gehen.
