Электрические машины постоянного тока

Принцип работы электрических машин любого типа основан на взаимодействии магнитных полей неподвижной части – статора и подвижной - ротора.

Статор представляет собой отрезок стальной трубы, который является корпусом и магнитопроводом машины. В генераторе ротор вращается под действием внешней силы в постоянном магнитном поле статора и в соответствии с законом Фарадея в обмотках наводится ЭДС пропорциональная изменению магнитного потока:

где Ф – поток статора, пересекающий подвижные обмотки, поток изменяется и наводится ЭДС;

– постоянная, отображающая свойства машины.

В двигателе в обмотке ротора подается ток, возникает магнитное поле, взаимодействие ротора и статора приводит к возникновению вращающего момента.

Внутри статора располагаются полюса, выполненные либо в виде электромагнитов либо в виде постоянных магнитов. Полюса всегда явнополюсные, т. е. на каждом полюсе располагается отдельная обмотка. Число полюсов четное; обычно имеется одна пара полюсов у маломощных машин, и до четырех в мощных машинах. Северный и южный полюса чередуются. Они выполняются из цельного материала.

Рисунок 1 – Ротор

Рисунок 2 – Статор

Подвижную часть называют якорем (рисунок 1). Магнитопровод якоря по мере совершенствования имел 2,3,5 явновыраженных полюса. Якорь выполнен в виде стального барабана с неявновыраженными полюсами набранные из стальных изолированных друг от друга пластин ( Это необходимо для уменьшения влияния вихревых потоков). Обмотка многосекционная, концы секций соединяются с коллектором.

Коллектор – набор медных пластин, образующих цилиндрическую или дисковую форму

Рисунок 3 – Ротор

В контакте с коллектором находятся щетки, через которые подводят ток. Коллектор и щетки выполняют функцию механического выпрямителя. Напряжение в каждой из секций обмотки является переменным с частотой:

где – угловая скорость;

n –число пар полюсов.

Секции переключаются в момент перехода U через нулб, в результате чего получаем U=const

Рисунок 4 – Напряжение

Данная конструкция является классической. Имеются специальные типы машин, резко отличающиеся от конструкции: бесколлекторные, не содержащие якоря и т. д.

Эдс вращения якоря машины постоянного тока

Рассмотрим якорь, вращающийся в постоянном магнитном поле с индукцией В.обмотки якоря представляют собой совокупность сдвинутых в пространстве рамок, которые вращаются вместе с ротором. Рассмотрим одну из них.

Рисунок 5 – Геометрические параметры рамки

Рисунок 6 – Вращение рамки в магнитном поле

Здесь r – радиус вращения, l – длина активной части рамки, при равномерной скорости вращения имеем:

Противоположные активные части рамки движутся относительно силовых линий поля со скоростью

По закону электромагнитной индукции ЭДС наводится в рамке

С учетов конструктивных параметров машины

,

где n – число витков обмотки;

Ф – поток;

S – площадь полюсов.

Для конкретной машины среднее значение ЭДС

,

где – коэффициент ЭДС.

Если Ф является постоянной величиной для данной машины, например при возбуждении от постоянных магнитов, то

ЭДС вращения возникает всегда. Не зависимо от того в двигательном или генераторном режимах работает машина.

ЭДС вращения является синусоидальной в каждой из секций обмотки якоря. Коллектором она выпрямляется и на выходе является постоянной.

Пульсация имеет вид:

Рисунок 7 – Пульсация напряжения

Чем больше секций м число коллекторных пластин, тем меньше пульсация.