Budowa

Uproszczona budowa przykładowego modelu

Podstawowymi elementami tego modelu silnika DC (silnika elektrycznego prądu stałego) są:
 - magnes
 - umieszczona pomiędzy biegunami magnesów ramka
 - komutator (służy do zmiany kierunku prądu)
 - szczotki (doprowadzają prąd do komutatora)

Prąd doprowadzany jest do ramki przez dwie ślizgające się po pierścieniu szczotki.

model silnika prądu stałego

Prawdziwe silniki prądu stałego są o wiele bardziej skomplikowane. Zwykle zamiast magnesów stałych stosuje się elektromagnesy, dla których wartość pola elektromagnetycznego jest o wiele większa, uzwojenie posiada wiele zwojów, a komutator jest zdecydowanie bardziej skomplikowany. Mimo to zasada działania pozostaje teka sama

 silnik prądu stałego

Produkowane obecnie silniki prądu stałego w zdecydowanej większości są to tzw. maszyny komutatorowe. Istnieje jeszcze inna konstrukcja tzw. maszyny unipolarne, ale jest ona rzadko stosowana, ponieważ może być stosowana tylko dla małych napięć zasilających.

W silniku komutatorowym prądu stałego uzwojenie wzbudzenia znajduje się w stojanie natomiast uzwojenie twornika w wirniku (w silniku synchronicznym jest odwrotnie). Komutator pełni rolę prostownika mechanicznego. Pole magnetyczne wzbudzenia uzyskuje się zasilając uzwojenia stojana prądem stałym, ponieważ trudno byłoby stworzyć wystarczająco silne pole w oparciu o magnesy trwała i z pewnością byłyby też znacznie kosztowniejsze. Stojan oprócz biegunów i uzwojeń głównych wytwarzających główne pole magnetyczne posiada także bieguny pomocnicze, na których nawinięte jest uzwojenie pomocnicze, która jest połączone równolegle z uzwojeniem wirnika. Zadaniem tego uzwojenia jest wyeliminowanie pewnych niekorzystnych zjawisk spowodowanych oddziaływaniem wirnika, związanych ze zmiana rozkładu indukcji magnetycznej pod biegunami, mogących objawiać się nadmiernym iskrzeniem przy ocieraniu szczotek o komutator.

Zasada działania

Jeżeli ramka zostanie podłączona do źródła prądu stałego, na jej znajdujące się w polu magnetycznym magnesu ramiona, zaczną oddziaływać siły elektrodynamiczne, powstanie moment siły powodujący obrót ramki wokół osi obrotu. Moment ten jest proporcjonalny do iloczynu wektorów siły i ramienia, więc jego wartość zmienia się, gdy zmienie ulega wartość kąta pomiędzy tymi wektorami. Gdy ramka ustawiona jest prostopadle do linii pola magnetycznego, wektory siły i ramienia ustawione są równolegle, a wartość momentu siły działającego na ramkę spada do zera, Prędkość obracania się ramki znacznie spada i tylko dzięki bezwładności udaje się jej pokonać krytyczne prostopadłe położenie. Aby utrzymać stały kierunek obrotu ramki, w położeniu prostopadłym (za pośrednictwem komutatora) następuje zmiana kierunku przepływu prądu. Wówczas ponownie pojawia się moment, który dalej obraca ramkę w tym samym kierunku. Jego wartość rośnie aż do osiągnięcia przez ramkę położenia poziomego (wówczas wektory siły i ramienia są prostopadłe), poczym ponownie zaczyna maleć, aby w położeniu pionowym całkiem spaść do zera.

Moment obrotowy działający na ramkę

 M = F  r sinα             gdzie:                                           

                                     r - ramię siły (odległość między kierunkiem siły a osią obrotu.)
                                     F- wartość siły.
                                     α- kąt pomiędzy wektorem siły i wektorem ramienia.

położenie poziome ramki  - w tym położeniu ramki wektory siły i ramienia są prostopadłe a więc moment obrotowy i prędkości chwilowa ramki, są największe.

W momencie gdy szczotki trafiają na przerwę w komutatorze (w położeniu pionowym ramki), prąd w ramce przestaje płynąć. Dalszy obrót prowadzi do zmiany kierunku prądu w ramce w związku z czym  ramka zachowuje stały kierunek obrotu.

Ramka w prawie pionowym położeniu, wektory siły i ramienia są prawie równoległe a więc w tym momencie wartość momentu obrotowego jest bardzo mała. Gdy ramka osiągnie zupełnie pionowe położenie, komutator na moment przerwie dopływ prądu.

           Silnik prądu stałego w akcji

Przedstawiony w aplecie model silnika prądu stałego jest bardzo uproszczony, wirnik składa się z zaledwie pojedynczego uzwojenia, natomiast pole magnetyczne wytwarzają magnesy stałe, a komutatir składa sie tylko z dwóch półpierścieni. Dzięki tym ograniczeniom przejrzystość modelu jest lepsza, a istota działania pozostaje zachowana.

Sterowanie apletem