Физические основы преобразования энергии в машине постоянного тока

Основные соотношения величин, которые характеризуют физиче­ские явления, лежащие в основе работы электрических машин (элек­тродвигателя и генератора), можно получить на основании законов Ам­пера и Фарадея [1].

Рассмотрим действие однородного магнитного поля, созданного полюсами С и Ю, на проводник с током I. Вокруг проводника возникает магнитное поле, направление которого определяется но правилу бурав­чика (рис.4.1,а). Справа от проводника, где направления линий магнит­ного поля проводника и полюсов совпадают, происходит сгущение ли­ний и, следовательно, увеличение магнитной индукции поля. Слева от проводника, где магнитные линии поля проводника и внешнего поля направлены навстречу друг другу, происходит разрежение магнитного поля (уменьшение магнитной индукции). Вследствие упругости, маг­нитные линии стремятся сократиться по длине и выталкивают провод­ник с током из области сгущения линий в область разрежения (рис.2.1,6).

Рис.4.1. Действие магнитного поля на проводник (а, б) и виток (в) с током

Результирующая электромагнитная сила F, действующая на про­водник, определяется законом Ампера: электромагнитная сила, дей­ствующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля, равна произведе­нию силы тока I, индукции магнитного поля В и длины проводника L

F = B I L.

(4.1)

Из формулы (4.1) следует, что B=F/(IL). Таким образом, магнитная индукция, количественно характеризующая интенсивность магнитного поля, равна максимальной силе, действующей в магнитном поле на уча­сток единичной длины проводника, по которому течет ток силой 1 А.

В системе СИ единица измерения магнитной индукции В - тесла.

1 Тл= 1Н/(1м^х1 А).

Направление действия электромагнитной силы F определяют по правилу левой руки: ладонь левой руки нужно расположить так, чтобы магнитные линии входили в нее, и четыре вытянутых пальца совместить с направлением тока; тогда расположенный под углом больший палец укажет направление действия силы F.

Если вместо проводника поместить в магнитное поле виток с то­ком и применить к нему правило левой руки, получим, что электромаг­нитные силы F, действующие на нижнюю и верхнюю стороны витка, будут направлены в разные стороны (рис.4.1,в). В результате действия этих двух сил возникает электромагнитный вращающий момент М на плече D cos α

M = F D cos α, Hм,

(4.2)

где D - расстояние между сторонами витка;

α - угол между направлениями линий магнитного поля и плоскости витка.

Наибольший вращающий момент будет иметь место, когда виток с током пересекает линии магнитного поля (α=0°, 180°), а наименьший - когда через площадь, ограниченную витком, проходит наибольший магнитный поток (α=90°,270°).

Свойство рамки с током поворачиваться в магнитном ноле лежит в основе создания электродвигателей, преобразующих электрическую энергию в механическую.

При пересечении проводником магнитных силовых линий в нем возникает или индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Это явление носит название электромагнитной индукции.

ЭДС, действующая в проводнике, представляет собой разность по­тенциалов на его концах и, следовательно, измеряется в вольтах (В).

ЭДС индуцируется в проводнике независимо от того, включен ли он в замкнутую цепь или нет. При замыкании цепи проводника в нем потечет электрический ток, вызванный ЭДС.

Явление электромагнитной индукции лежит в основе создания ге­нераторов - электрических машин для преобразования механической энергии в электрическую.

Значение ЭДС, индуцированной в проводнике, определяется зако­ном электромагнитной индукции Фарадея: ЭДС, наведенная в про­воднике, прямо пропорциональна индукции магнитного поля В, длине проводника L и скорости его перемещения в направлении, перпендику­лярном силовым линиям.

Направление ЭДС индукции определяют по правилу правой ру­ки: если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили маг­нитные силовые линии поля, а отогнутый большой палец совместить с направлением движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцированной ЭДС

В проводниках витка, движущихся в магнитном поле с постоянной окружной скоростью V, наводится ЭДС, переменная как по величине, так и по направлению (рис.4.2):

е = В V L cos α, В,

(4.3)

где α- угол между направлениями линий магнитного ноля и плоскости витка.

При α=0°,180° проводники I и II движутся перпендикулярно сило­вым линиям магнитного поля; в этом положении витка разность потен­циалов на его концах А и Б, то есть ЭДС, максимальна. При α=90",270^о проводники I и II перемещаются вдоль силовых линий поля, поэтому ЭДС в витке равна нулю.

В момент прохождения углов α=90^о,270° изменяются направления движения проводников I и II относительно линий магнитного поля. Поэтому, в соответствии с правилом правой руки, изменяется направление ЭДС в витке и, следовательно, полярность его концов А и Б (см. рис.4.2).

Рис.4.2. Электродвижущая сила в витке, вращающемся в магнитном поле

Таким образом, в витке с током, находящемся в переменном маг­нитном поле, возникает электродвижущая сила. Одновременно на про­водники витка действуют электромагнитные силы. Эти процессы явля­ются основой функционирования электрических машин, то есть уст­ройств для взаимного преобразования электрической и механической энергий.

Неразрывная связь электромагнитных явлений, вызванных взаимо­действием магнитных полей полюсов и витка с током, обусловливает свойство обратимости электрических машин постоянного тока. Оно заключается в том, что любая машина может работать как генератором, так и двигателем и может переходить из генераторного режима в двига­тельный и наоборот. Указанное свойство широко используется на ло­комотивах. Например, на тепловозах тяговый генератор работает в ре­жиме двигателя (стартера) при запуске дизеля, а тяговый двигатель - в режиме генератора при электродинамическом торможении [2J.

В связи с наличием у электрических машин постоянного тока свойства обратимости, принцип действия машины более подробно рас­смотрим на примере электродвигателя.