Принцип действия машины постоянного тока

Устройство простейшей машины. На рис. 1-1 представлена простейшая машина постоянного тока, а на рис. 1-2 дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и круглого стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рис. 1-1 простейшей машины имеет два полюса / (ярмо индуктора на рис. 1-1 не показано).

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора. 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рис. 1-1 и 1-2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор налегают две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Рис. 1-1. Простейшая машина постоянного тока

Рис. 1-2. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)

Режим генератора. Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора. Предположим, что якорь машины (рис. 1-1 и 1-2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис. 1-3, а) и показано на рис. 1-1 и 1-2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения. Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря э. д. с.

Рис. 1-3. Правила правой (а) и левой (б) руки

e_np = Blv,

где В — величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l — активная длина проводника, т. е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v — линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины

Если якорь диаметром D, содержит w-витков и вращается с угловой скоростью ω, то

. Приняв во внимание, что -потокосцепление якоря с магнитным полем полюсов, уравнение (1-1) можно переписать .

Э. д. с. Е_а является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рис. 1-4, а).

Частота э. д. с. в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря п, выраженной в оборотах в секунду:

f = n,

Если число пар полюсов равно р, то

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток 1_а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. (рис. 1-4, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рис. 1-1) на 90° и изменении направления э. д. с. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой — пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Изменив знак второго полупериода кривой на рис. 1-4, а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рис. 1-4, б).

Рис. 1-4. Кривыеэ. д. с. итока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи(б)

Образуемый во внешней цепи пульсирующий по величине ток малопригоден для практических целей, Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор. Однако основные свойства машины постоянного тока могут быть установлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины. Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Е_а на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря г_а:

U_a = E_a-l_ar_a. (1-3)

Проводники обмотки якоря с током 1_а находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис. 1-2, а)

F_np = BlI_a, (1-4)

направление которых определяется по правилу левой руки (рис. 1-3, б). Эти силы создают механический вращающий момент М_d, который называется электромагнитным моментом и на рис. 1-2, а равен

M_d = F_apD_a = BlD_aI_a, (1-5)

где D_a — диаметр якоря. Как видно из рис. 1-2, а, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Приняв во внимание, что lDa – площадь витка, а В –индукция, то для w-витков уравнение (1-5) примет вид:

M=YaIa, (1-5)

где

Y a=wBlDa=wBS -потокосцепление

Ia - ток якоря.