2.1.1 Устройство машины постоянного тока
Электрическая машина постоянного тока (МПТ) реверсивна, т.е. она может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.
МПТ состоит из двух основных частей:
- первая неподвижная называется статор и предназначена для создания магнитного поля,
- вторая вращающаяся называется якорь.
Схематически устройство МПТ представлено на рисунке 2.1.
Статор состоит из:
- стального корпуса (станина);
- двух главных полюсов (N,S) с катушками которые создают рабочий магнитный поток Fp.
Якорь (ротор) вращается в неподвижном магнитном поле.
Внешний диаметр ротора меньше внутреннего диаметра статора и это пространство образует воздушный зазор.
Обмотки. На внешней поверхности якоря сделаны пазы в которые уложены обмотки. Каждые два проводника образуют виток. Несколько витков соединяются в секцию. Проводники секции соединяются с соседними пластинами коллектора.
Коллектор собран из медных изолированных пластин и насажен на ось якоря. Количество пластин равно числу секций обмотки якоря.
Щетки изготавливаются из графита и устанавливаются в щеткодержателях. За счет специальных пружин щетки осуществляют скользящий контакт между вращающейся обмоткой и внешней цепью. Щетки располагаются на геометрической нейтрали.
Рабочий магнитный поток Fp пронизывает якорь и две половины корпуса статора. Перпендикулярно оси полюсов проходит геометрическая нейтраль (ГН).
Рис.2.1
2.1.2 Электродвижущая сила якоря
Рассмотрим один виток обмотки состоящий из двух диаметрально противоположных проводников расположенных на якоре машины и вращающихся с частотой n (Рис.2.2). Он является источником переменной электродвижущей силы. Эта э.д.с. равна нулю, когда виток проходит геометрическую нейтраль и максимальна, когда он проходит ось полюсов N-S. Расположим на якоре множество витков, идентичных ранее рассмотренному, и соединим их последовательно.
Проводники находящиеся слева от геометрической нейтрали являются источниками э.д.с. одного направления, а справа источниками э.д.с. противоположного направления.
Рис.2.2 Рис.2.3
Если представим все наводимые э.д.с. в виде источников (E), то получим эквивалентную электрическую схему (Рис.2.3). Когда якорь вращается напряжение между точками К и М почти постоянно. Если точки К и М не соединены с внешней цепью, то нет тока в обмотках. Если теперь соединить точки К и М с внешней цепью, то две группы витков (две группы источников на рисунке 2.3), называемые параллельными ветвями будут создавать электрический ток I = I/2 + I/2.
Понятно, что каждая э.д.с. переменна и реально существует пульсация э.д.с. (Рис.2.4). Амплитуда пульсации уменьшается с ростом числа пластин коллектора (т.е. параллельных ветвей обмотки). Для 50 пластин пульсация равна 0.4% от среднего значения э.д.с. Е. То есть практически можно считать э.д.с. Е постоянной.
В этом случае коллектор и щетки осуществляют контакт между обмоткой якоря и внешней цепью и выполняют функцию механического выпрямителя.
Рис.2.4
Электродвижущая сила для одного проводника будет
Так как магнитный поток проходит два воздушных зазора, то
DF = 2 Fp
и Dt = 1/n (где n - частота вращения)
тогда E = 2 n Fp.
Если число проводников N, то число витков N/2. Поэтому для двухполюсной машины э.д.с.будет
E = N n Fp.
Назовем "2p" число полюсов и "2a" число параллельных ветвей, тогда для многополюсной машины получим следующую формулу:
