11

Московский государственный технический университет

ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

ИРКУТСКИЙ ФИЛИАЛ

КАФЕДРА АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСИСТЕМ

И ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

ЛЕКЦИЯ №3

по дисциплине

Электрические машины

для студентов специальности 160903

ТЕМА №3

Принцип действия, конструкция, магнитное поле машины постоянного тока при холостом ходе и при нагрузке, коммутация машин постоянного тока

Иркутск, 2011 г.

Иркутский филиал МГТУ ГА

Кафедра Авиационных электросистем и пилотажно-

навигационных комплексов

Лекция №3

По дисциплине: Электрические машины

Тема лекции: Принцип действия, конструкция, магнитное поле машины постоянного тока при холостом ходе и при нагрузке, коммутация машин постоянного тока (2 часа)

СОДЕРЖАНИЕ

1. Принцип действия, элементы конструкции электрических машин постоянного тока.

2. Магнитное поле машины постоянного тока при холостом ходе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Копылов Б.В. Электрические машины. М., 1988 г.

НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ТСО

1. Мультимедийная установка

1. принцип действия, элементы конструкции электрических машин постоянного тока

Принцип действия электрических машин постоянного тока

На рис. 1.1 приведена принципиальная схема простейшего генератора постоянного тока. Здесь N и S– неподвижные полюсы, соединенные внешним магнитопроводом, который на рисунке не показан. Эта часть машины создает магнитный поток и называетсяиндуктором. Для создания потока могут использоваться постоянные магниты или электромагниты.

Рис. 1.1. Простейший генератор постоянного тока Рис. 1.2. Правило правой

руки

В пространстве между полюсами вращается стальной цилиндр. На цилиндре расположен виток abсdиз проводникового материала. Концы витка присоединяются к коллектору, который в простейшем виде представляет собой две изолированные друг от друга медные пластины 1 и 4. Эта часть машины называетсяякорем. На пластины наложены неподвижные щетки 2 и 3, к которым присоединяется электрическая нагрузкаRн.

Полюсы создают постоянный магнитный поток, линии которого направлены от северного полюса к южному и радиально к поверхности цилиндра.

Если якорь привести во вращение (например, против вращения часовой стрелки), то в активных сторонах витка ab и сdбудут индуцироваться электродвижущие силы ЭДС. Воспользовавшись правилом правой руки (рис. 1.2), можно определить направление этих ЭДС, а значит, и тока в проводникахab и сdдля момента времени, показанного на рис. 1.1. Это направление указано стрелками.

При повороте якоря на 180º направление ЭДС в сторонах витка изменится на противоположное, так как они окажутся под полюсами обратной полярности. Следовательно, при вращении в витке будет действовать переменная ЭДС, период изменения которой соответствует одному обороту якоря. Согласно закону электромагнитной индукции, мгновенное значение ЭДС, наводимой в проводнике

е_пр = B_δlV,

где B_δ – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсами, в месте расположения проводника;

l – активная длина проводника в зоне действия магнитной индукции;

V – скорость движения проводника.

Виток рассматриваемой машины состоит из двух проводников (abиcd), расположенных в диаметральной плоскости, поэтому ЭДС витка

е_в = 2B_δlV.

Так как величина l – постоянная, а V можно считать неизменной, то ЭДС витка можно записать в виде

е_в = кB_δ,

где к– коэффициент пропорциональности.

Таким образом, в рассматриваемых условиях величина и характер изменения ЭДС, индуцируемой в проводнике (витке) во времени, определяется величиной и характером распределения магнитной индукции в пространстве.

Условимся называть линию qq₁, проходящую через ось вращения якоря и посередине между полюсами,геометрической нейтралью, а часть окружности якоря (в нашем случае половина), соответствующую одному полюсу, –полюсным делениемτ, определяемым через диаметр якоряDи число пар полюсовpпо формуле

.

В данном случае машина имеет одну пару полюсов, т.е. два полюсных деления. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре реальной машины вдоль полюсного деления при холостом ходе обычно имеет трапецеидальный характер, достигая максимального значения под полюсами и нулевого на геометрической нейтрали, а знак ее соответствует полярности полюсов NиS(рис. 1.3, а). Следовательно, такую же форму имеет кривая ЭДС в витке якоря машины (рис. 1.3, б).

Время Т, в течение которого происходит полное изменение ЭДС, называетсяпериодом ЭДС. Число периодов в одну секунду называетсячастотой и имеет размерность Гц. В общем случае, когда машина имеетр-пар полюсов, частота индуцируемой ЭДС определяется формулой

f = pn/60,

где n– частота вращения якоря машины, об/мин.

Рис. 1.3. Кривые изменения: а – магнитной индукции в воздушном зазоре;

б – ЭДС и тока в витке якоря; в – ЭДС и тока во внешней цепи

Если виток якоря при помощи щеток замкнуть на внешнее активное сопротивление R_н, то возникнет ток i_я. В витке якоряi_ябудет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой ЭДС витка якоря (рис. 1.3, б). Однако во внешней цепи направление токаi_ябудет постоянным, что объясняется действием коллектора. Щетки на коллекторе устанавливаются так, чтобы они переходили с одной коллекторной пластины на другую в тот момент, когда ЭДС, индуцируемая в виткеabсdравна нулю. В результате к каждой щетке подводится ЭДС одного направления. Например, щетка 2 соединяется всегда с коллекторной пластиной, связанной с проводником витка, находящимся под северным полюсом, щетка 3 – с проводником под южным полюсом (рис. 1.1).

Таким образом, при помощи коллектора происходит выпрямление наводимой в витке abсd переменной ЭДС и, соответственно, переменного тока в пульсирующую ЭДС и пульсирующий ток на щетках, а, стало быть, постоянных по своему направлению во внешнем участке цепи (рис. 1.3, в).

В реальных генераторах для уменьшения пульсаций укладывают на якоре обмотку, состоящую из большого количества витков (секций), равномерно распределенных по его окружности, что также увеличивает и результирующую ЭДС якоря е_я. Если машина работает в режиме генератора, то щетка 2, от которой ток отводится во внешнюю цепь, считается положительной и обозначается знаком «+»", а щетка 3, через которую ток поступает обратно в машину, считается отрицательной и обозначается знаком «–». Для двигателя наоборот.

При работе в режиме генератора подводимая к машине механическая мощность преобразуется в электрическую. При этом со стороны генератора на приводной двигатель, имеющий момент M₁, действует момент сопротивления, возникающий в машине следующим образом (рис. 1.4, а). Ток якоряi_я, имеющий то же направление, что и ЭДС, взаимодействует с магнитным полем полюсов. В результате создаются электромагнитные силыf_пр, действующие на проводники.Эти силы обусловливают момент М_эм, называемый электромагнитным. В генераторном режиме этот момент направлен против вращения якоря, т.е. является тормозным для приводного двигателя (рис. 1.4, а).

Машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем обычным типам электрических машин и называется их обратимостью.

Чтобы электрическая машина работала двигателем, необходимо создать в машине магнитное поле и ток в обмотке якоря, подключив её к источнику электроэнергии постоянного тока.

На рис. 1.4, б показана работа простейшей машины постоянного тока в режиме двигателя (щетки на рисунке не указаны).

Магнитное поле полюсов N – S, действуя на проводники с токомi_я, вызывает электромагнитные силы

f_пр = B_δli_я.

Каждая из сил, действующих на проводник с током, создает электромагнитный момент, равный

М_пр = f_пр∙D/2 = B_δli_яD/2.

Суммируя все моменты, действующие на проводники с токами, получаем суммарный электромагнитный момент двигателя

,

где N– число активных проводников, уложенных на якоре.

Если момент М_эм, создаваемый двигателем, превысит моменты всех сил сопротивленияМ₁, то якорь придет во вращение в направлении действия электромагнитных сил. Момент двигателя, в отличие от момента генератора, является движущим и действует в направлении вращения (рис. 1.4, б). В режиме двигателя подводимая к машине электрическая мощность преобразуется в механическую.

Коллектор двигателя по устройству аналогичен коллектору генератора, но назначение его противоположное – инвертировать подводимый от источника постоянный ток в переменный. В двигателе при любом положении витка якоря (кроме расположения на геометрической нейтрали) с положительной щеткой соприкасается коллекторная пластина, соединенная с проводником витка, находящимся, например, под полюсом северной полярности, а с минусовой щеткой – проводник витка, находящийся под южным полюсом, поэтому направление электромагнитного момента останется неизменным. Таким образом, коллектор в двигателе обеспечивает постоянное направление М_эм.

Рис. 1.4. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме: