Довольно часто встречал неправильное понимание сути работы двигателей с магнитами, как ДПТ, так и бесколлекторных. Чтобы не распыляться в разных местах все время делая одно и то же, решил запилить эту тему.
Двигатели с постоянными магнитами на сегодняшний день имеют самые высокие эксплуатационные показатели и быстро набирают популярность в применениях где требуются высокие удельные характеристики. То есть там, где велико отношение номинальной мощности развиваемой двигателем к его массе и отношение крутящего момента создаваемого двигателем к его массе. Постараюсь простыми словами и минимумом формул, донести самую суть и возможно затем разные нюансы.
Первый принцип работы двигателя - сила Ампера.
Сила Ампера, является частным случаем силы Лоренца и возникает в электрических проводниках расположенных в магнитном поле, но только когда в этих проводниках протекает электрический ток. Сила Ампера - это векторная величина. То есть имеет направление действия. И действует она ортогонально линиям магнитного поля, пересекающего проводник с током.
На рисунке, тоненькие желтые стрелки это силовые линии магнитного поля, зеленый вектор - направление электрического тока, черный вектор - сила Ампера.
Именно сила Ампера и ответственна, за создание крутящего момента двигателя. При чем, неважно находится ли проводник в свободном пространстве заполненном воздухом, вакуумом, или ферромагнитной средой. Сила ампера возникает всегда, если есть проводник, ток, и магнитное поле.
Таким образом зная длину рабочей части провода в двигателе, ток протекающий через обмотку двигателя и индукцию магнитного поля, можно определить силу Ампера, которая будет действовать на ротор двигателя. Например, если длина рабочей части провода 10м, сила протекающего тока 10А, индукция магнитного поля 1Тл, то сила ампера в этом случае составит величину 100Н.
То есть сила Ампера равна длине провода, умноженной на силу тока, протекающего через проводник, умноженной на индукцию магнитного поля.
Итак сила Ампера приводит ротор двигателя во вращение, создавая крутящий момент. Этот момент определяется силой Ампера, приложенной к радиусу ротора двигателя. Если сила Ампера 100Н, а радиус ротора 0.1м, то момент составит величину 100Н*0.1м=10Нм.
Второй принцип работы двигателя - закон электромагнитной индукции.
Этот закон гласит, что если на проводник расположенный в пространстве, действует изменяющееся магнитное поле, то в проводнике будет возникать электродвижущая сила. Именно это явление позволяет любому двигателю с постоянными магнитами выступать в роли генератора. То есть при вращении ротора, всегда возникает некая ЭДС. При чем не важно как движется ротор, или принудительно, или по инерции, или под действием силы Ампера.
Во вращающемся двигателе в обмотках всегда возникает ЭДС. Если принудительно приводить ротор двигателя во вращение, то двигатель становится генератором, и ЭДС которая появляется в обмотке, называется генераторной-ЭДС. Если обмотку такого генератора замкнуть на нагрузку, то через обмотку потечет ток, вызванный этой генераторной ЭДС.
Если рассматривать двигательный режим, то следует помнить, что ЭДС наводящаяся в обмотке двигателя по причине вращения ротора, направлена таким образом, чтобы противодействовать напряжению питания двигателя. Поэтому ее называют противо-ЭДС.
Третий принцип работы двигателя - разность между напряжением питания двигателя и противо-ЭДС.
Идеальный двигатель.
Для большей ясности, рассмотрим сначала идеальный двигатель, обмотка которого не имеет электрического сопротивления. Допустим, обмотка двигателя выполнена из сверхпроводника, рабочая длина которого 10м. Индукция магнитов ротора равна 1Тл. И допустим обмотка такого двигателя, не теряет сверхпроводящих свойств, при любых, даже гигантских значениях тока. Чтобы не усложнять все, предположим, что у нас щеточный двигатель, у которого так же отсутствуют сопротивление щеток и электрические потери в коллекторе. Ну и допустим у нас есть идеальный источник дающий любой ток на выходе, который затребует нагрузка. Это абстракция, двигатель и источник слишком идеальны, но она удобна для рассмотрения принципов работы двигателя.
Допустим ротор такого двигателя нагружен на большую инертную нагрузку, которая не дает ротору мгновенно ускориться.
Рассмотрим замедленный процесс работы двигателя:
- В начальный момент времени, ротор покоится. Поэтому величина противо-ЭДС в обмотках двигателя равна нулю.
- Дальше подаем напряжение на обмотку двигателя. Допустим величиной 1В. Так как противо-ЭДС равна нулю, то из напряжения питания двигателя вычитать нечего. Значит к обмотке будет приложено полное напряжение источника питания.
- Так как сопротивление обмотки двигателя равно нулю, то даже от напряжения 1В, в обмотке может протекать гигантский ток. Благо у каждой обмотки, даже у прямого провода есть индуктивность. Она будет сдерживать скорость нарастания тока. Но предел тока неограничен. За достаточный промежуток времени, ток может набрать любую заданную гигантскую величину. Например, если индуктивность обмотки двигателя равна 100мкГн, то скорость нарастания тока, при напряжении питания 1В, составит 10000А/с. То есть по сути с течением времени, ток наберет любую величину, достаточную для того, чтобы сдвинуть ротор, преодолевая инерцию нагрузки и саму нагрузку.
- Итак, мы подали напряжение 1В, ротор покоился, ток в обмотке начал резко нарастать, и в конце-концов, сила Ампера проводников обмотки, начинает превышать силу противодействия нагрузки и ее инерцию и ротор начинает свое вращение, какой бы ни была нагрузка. Например если ток через обмотку составит величину 1000А, то окружная сила ротора составит величину 10000Н, или 1000кгс, в общем одну тонну усилия. А ток в случае отсутствия сопротивления может быть сколь угодно большим. Поэтому какая бы ни была нагрузка на валу, двигатель все равно провернется, если прочность материала двигателя позволит это сделать.
- Но как только ротор приходит в движение, в обмотке двигателя начинает генерироваться противо-ЭДС, которая моментально начинает вычитаться из напряжения питания.
Допустим немного разогнавшись, ротор приобрел окружную скорость движения 0.05м/с. При таком значении скорости, величина противо-ЭДС рассматриваемого двигателя, составит 0.5В и будет вычтена из напряжения питания. Таким образом, напряжение, которое "увидит" обмотка двигателя, уже уменьшится с 1 до 0.5В. Скорость нарастания тока, так же уменьшится до 5000А/с. Скорость ускорения ротора замедлится, но ток все равно будет нарастать, хоть и с меньшей величиной.
- Допустим через некоторое время, двигатель набрал окружную скорость 0.099м/с. Величина противо-ЭДС в обмотке ротора, составит величину 0.99В. Разница между напряжением питания и противо-ЭДС составит величину 0.01В. И это напряжение будет приложено к обмотке двигателя.
Но даже это напряжение способно вызвать любой ток, при нулевом сопротивлении обмотки. К тому же, скорость нарастания тока, все равно будет значительная 100А/с И ток будет продолжать расти, увеличивая силу Ампера, крутящий момент и разгоняя ротор с нагрузкой.
- И вот когда ротор полностью разгонится до такой скорости, при которой противо-ЭДС станет равной 1В, тогда разница между противо-ЭДС и напряжением питания станет нулевой и только в этом случае, нарастание тока в обмотке двигателя прекратится.
Ну а дальше ротор проскочит точку равновесия и двигатель превратися в генератор, начиная тормозить разогнанную массу. И в конце концов, все устаканится на таких оборотах, когда ток, протекающий через обмотки, будет покрывать потери на трение и сопротивление вращению нагрузки.