Silniki elektryczne i pola elektromagnetyczne

Cewka przewodząca prąd wytwarza pole magnetyczne skupione wokół cewki. Kierunek i wielkość tego pola magnetycznego różnią się w zależności od kierunku i wielkości prądu.

Prosty silnik prądu stałego składa się z magnesu stałego na stojanie i twornika składającego się z jednego lub więcej zwojów drutu cewki. Drut cewki jest izolowany (drut emaliowany), a wewnątrz cewki znajduje się miękki rdzeń ferromagnetyczny, który koncentruje pole magnetyczne. Cewka zwykle obraca się wiele razy wokół rdzenia; większe silniki mogą mieć kilka równoległych ścieżek prądowych w cewce. Drut na końcu cewki jest podłączony do komutatora. Komutator w połączeniu z zewnętrznym zasilaczem i szczotkami przełącza kierunek prądu w cewce podczas jej obrotu (bezszczotkowe silniki prądu stałego wykorzystują obwody elektroniczne do przełączania kierunku prądu stałego, eliminując w ten sposób potrzebę stosowania szczotek).

Siła pola elektromagnetycznego i ilość prądu generowanego przez twornik zależą od wielkości cewki i sposobu uzwojenia.

Kolejność włączania i wyłączania poszczególnych cewek określa kierunek efektywnego pola elektromagnetycznego. Wirujące pole magnetyczne można wytworzyć poprzez sekwencyjne włączanie i wyłączanie cewek. Interakcja pomiędzy wirującym polem magnetycznym a polem magnetycznym generowanym przez magnes stojana (magnes trwały lub elektromagnes) powoduje, że twornik wytwarza moment obrotowy, powodując jego obrót. Niektóre silniki prądu stałego wykorzystują elektromagnesy do generowania pola magnetycznego w stojanach, co poprawia sterowanie silnikiem.

Silniki prądu stałego-o większej mocy są chłodzone wymuszonym chłodzeniem powietrzem.

Różne liczby biegunów stojana, pola magnetyczne twornika i połączenia powodują różne charakterystyki prędkości/momentu obrotowego. Prędkość silnika prądu stałego można regulować poprzez zmianę napięcia na tworniku. Kontrolę prędkości można osiągnąć poprzez dodanie obwodu twornika lub rezystorów zmiennych do prądu polowego. Nowoczesne silniki prądu stałego są sterowane przez układy energoelektroniczne, które regulują napięcie poprzez zmianę wartości odcięcia prądu stałego, włączając i wyłączając go w ustalonych odstępach czasu, aby wytworzyć niższe napięcie.

Silniki prądu stałego z uzwojonym szeregowo-generują maksymalny moment obrotowy przy niskich prędkościach i dlatego są powszechnie stosowane w zastosowaniach trakcyjnych, takich jak koleje zelektryfikowane. Przez długi czas silniki prądu stałego były głównymi silnikami trakcyjnymi w lokomotywach elektrycznych i spalinowych, tramwajach oraz-elektrycznych wiertnicach spalinowych. Wprowadzenie silników prądu stałego i sieci przenoszenia mocy do napędzania maszyn w 1870 r. zapoczątkowało drugą rewolucję przemysłową. Silniki prądu stałego mogą być zasilane bezpośrednio z akumulatorów, co umożliwiło powstanie pierwszych pojazdów elektrycznych i umożliwiło napęd wielu narzędzi bezprzewodowych. Silniki prądu stałego nadal pojawiają się w wielu zastosowaniach, od małych zabawek lub napędów dyskowych po duże maszyny obsługujące walcownie stali i maszyny papiernicze. W maszynach wyciągowych żurawi kopalnianych zastosowano duże silniki prądu stałego z polami wzbudzenia bocznikowego; w połączeniu z siłownikami tyrystorowymi mogą generować duży moment obrotowy i zapewniać płynną kontrolę prędkości. Zastosowania te zostały obecnie w dużej mierze zastąpione przez duże silniki prądu przemiennego napędzane przez przetwornice częstotliwości.