Принцип действия двигателя постоянного тока

Электрическая энергия подводится к обмоткам якоря и возбужде­ния двигателя постоянного тока, которые имеют такое же устройство, как и обмотки генератора. Благодаря коллектору подводимый по­стоянный ток меняет направление в проводниках обмотки якоря, ког­да при вращении якоря они переходят в другую параллельную ветвь, т. е. попадают в пространство под другим полюсом. Таким образом, направление тока в праводниках обмотки якоря, находящихся под данным полюсом, остается все время неизменным.

Как известно, на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует электромагнитная сила F, направление которой опре­деляется правилом левой руки. При указанном на рисунке направле­нии тока в обмотке якоря и полярности полюсов якорь машины вращается под действием силы F против часовой стрелки. Таким образом, машина постоянного тока разви­вает вращающий момент и к ее валу может быть приложен тормозной момент – механическая нагрузка.

При вращении якоря двигателя проводники его обмотки пересе­кают магнитный поток и в них индуцируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. На рисунке под каждым полюсом условно показан один проводник обмотки якоря с направлением тока I_я в нем и определенным согласно направлению вращения якоря направлением ЭДС якоря Е, значение которой определяется по формуле . Видно, что ЭДС якоря двигателя направлена противоположно току в нем, а следовательно, и подводи­мому напряжению U. Поэтому ЭДС якоря двигателя называется противо-ЭДС.

Для цепи обмотки якоря двигателя по второму за­кону Кирхгофа получаем

или

Это уравнение показывает, что приложенное к якорю напряжение уравновешивается противо-ЭДС якоря и падением напряжения в его обмотке. Так как у двигателя I_я>0, то U>Е. Но эта раз­ность невелика (не превышает 8-10%), так как сопротивление об­мотки якоря очень мало.

По способу включения обмотки возбуждения по отношению к об­мотке якоря двигатели постоянного тока делятся на двигатели па­раллельного возбуждения, двигатели последовательного возбуждения и двигатели смешанного возбуждения.

Следует особо отметить, что машина постоянного тока является обратимой машиной, т. е. она может работать как генератор элект­рической энергии, если к ее валу подводится механический вращаю­щий момент, и как двигатель, если к ее обмоткам подводится электри­ческая энергия.

Вращающий момент двигателя постоянного тока

Вращающий момент электродвигателя создается электромагнит­ными силами, действующими на все проводники обмотки якоря. Сила F_x, действующая на проводник обмотки якоря, находящийся в точке х окружности якоря, , где В_х – магнитная индукция в точке х окружности якоря; l – длина проводника; I – ток в нем. Эта сила создает вращающий момент , где D – диаметр якоря.

Сумма моментов М_х всех проводников создает электромагнитный вращающий момент двигателя

где N – число проводников обмотки якоря. Принимая в расчет среднюю магнитную индукцию, получаем .

Тогда

Ток I в проводнике якоря можно выразить через ток якоря I_я: . Далее, если учесть, что (τ – полюсное деление), то вращающий момент

где - постоянная величина.

Таким образом, вращающий момент двигателя постоянного тока пропорционален току якоря и магнитному потоку. Именно поэтому при пуске двигателя для получения наибольшего пускового момента необходимо иметь наибольший магнитный поток (ток возбуждения). Вращающий момент называется электромагнитным моментом.

При работе двигателя в установившемся режиме (при п = const) вращающий и тормозной моменты равны по значению (по направлению они взаимно противоположны). При холостом ходе двигателя тормозным моментом является момент холостого хода М₀, обуслов­ленный трением в подшипниках, щеток о коллектор, вращающегося якоря о воздух, потерями мощности в стальном магнитопроводе. Мо­мент холостого хода составляет 2-6% от номинального момента М_ном. Таким образом, при холостом ходе

В режиме нагрузки уравнение равновесия моментов как условие устойчивого режима двигателя принимает вид

где M₂ – тормозной момент, создаваемый приводимым во вращение механизмом на валу двигателя.

В переходных режимах (разгон, изменение нагрузки, остановка) вращающий момент уравновешивается, кроме того, динамическим мо­ментом инерции, т. е.

где M_j – динамический момент инерции якоря и вращающегося с ним исполнительного механизма.