4.2. Принцип действия и общее устройство электродвигателя постоянного тока

Электродвигатель - это электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую. Если двигатель получает питание напряжением постоянной полярности, то он называется двигателем постоянного тока.

Простейшая схема такого двигателя приведена на рис.4.3, где в двухполюсной магнитной системе расположена обмотка якоря (показа­ны два последовательно соединенных элементарных проводника, обра­зующих виток, концы которого подключены к двум пластинам коллек­тора К₁ и К₂). Подвод напряжения к коллектору осуществляется щетка­ми Щ₁ и Щ₂.

Рис.4.3.

Непрерывное взаимодействие магнитного поля, создаваемого по­люсами С и Ю, и магнитного поля якоря, возникающего при протека­нии по его обмотке тока Г_д, обусловливает возникновение электромаг­нитных сил F_1, F₂ и вращающего момента на валу якоря. Одновременно в якорной обмотке индуцируется ЭДС, которая направлена, в соответ­ствии с правилом правой руки, навстречу подводимому к двигателю напряжению (эту ЭДС иногда называют противо-ЭДС двигателя).

Таким образом, подводимое к электродвигателю напряжение стре­мится создать ток в обмотке якоря, чему препятствует индуцируемая ЭДС. Поэтому величина тока I_д в обмотке якоря работающего электро­двигателя будет определяться не подводимым к ней напряжением U_Д, a разностью между напряжением и наведенной в обмотке якоря ЭДС E_Д,:

I_Д = (U_Д - E_Д) / R_Д, А,

(4.4)

где R_Д - суммарное сопротивление якорной цепи, Ом.

Из рис.4.3 видно, что ток I_Д в якорной обмотке направлен от кол­лекторной пластины К₁; (щетка Щ₁ «+») к коллекторной пластине К₂

(щетка Щ₂ «-»). При повороте витка на угол 180° пластина К₁ переходит под щетку Щ₂ «-», а пластина К₂ - под щетку Щ₁ «+». Это приводит к изменению направления тока в витке на противоположное - от пласти­ны К₂ к пластине К₁. Одновременно в витке меняется направление ЭДС индукции (в соответствии с правилом правой руки). Такое переключе­ние направления тока в витке якорной обмотки происходит при каждом переходе элементарного проводника из зоны действия северного полю­са С в зону действия южного полюса Ю и наоборот. Процесс переклю­чения, называемый коммутацией, осуществляется коллекторно-щеточным узлом.

Следовательно, коллектор электродвигателя преобразует постоян­ный ток внешней цепи в переменный ток якорной обмотки. Примеча­тельно, что коллектор электрического генератора постоянного тока преобразует переменный ток якорной обмотки в постоянный ток внеш­ней цепи, то есть служит механическим выпрямителем.

Количество коллекторных пластин зависит от характеристик об­мотки якоря, которая состоит из множества витков, соединенных друг с другом и с пластинами коллектора по определенной схеме. К числу ха­рактеристик якорной обмотки относят [1]:

• количество проводников якорной обмотки N;

• число параллельных ветвей обмотки 2а.

Кроме того, конструкцию электрической машины постоянного тока характеризует такой параметр, как число главных полюсов 2р.

Главные полюсы обеспечивают создание рабочего магнитного по­ля в электромашине. Для усиления и регулирования магнитной индук­ции поля В в качестве главных полюсов используют электромагниты. Обмотки электромагнитов называют обмотками возбуждения, а ток, протекающий по ним, - током возбуждения. С увеличением тока воз­буждения возрастает магнитная индукция поля В и магнитный поток возбуждения Ф (величины Ф и В. прямо пропорциональны друг другу).

Помимо главных полюсов, в конструкции мощных электродвига­телей предусмотрены добавочные полюса, действие которых улучшает процессы коммутации. Обмотки этих полюсов включают последова­тельно с якорной обмоткой.

Главные и добавочные полюсы, остов, якорь и воздушный зазор между якорем и полюсами образуют магнитную цепь двигателя (рис.4.4).

В качестве тяговых электродвигателей на отечественных локомоти­вах обычно используют двигатели постоянного тока последователь­ного возбуждения. В двигателях этого типа обмотки главных, дополни­тельных полюсов и якоря соединены последовательно (рис.4.5, а). Иногда на электрических схемах обмотку якоря электродвигателя совме­щают с обмоткой дополнительных полюсов (рис. 4.5, б).

1. - добавочный полюс;

2. - обмотка возбуждения

добавочного полюса;

3. - главный полюс с обмот-

кой возбуждения;

4. - якорь с рабочей (якорной)

обмоткой

Рис.4.4. Магнитная цепь электродвигателя постоянного тока

Графическое изображение двигателей в электрических схемах

Рис.4.5. Графическое изображение двигателей в электрических схемах

Я₁ – Д₂ - обмотка якоря и добавочных полюсов;

С₁ – С₂ - обмотка возбуждения главных полюсов

Реверсирование тягового двигателя, то есть изменение направ­ления вращения его якоря, можно осуществить путем изменения на­правления тока в обмотках возбуждения I_В, либо в обмотке якоря I_д. На локомотивах нашел применение первый из этих способов - изменением направления тока в обмотках возбуждения, которое осуществляют c помощью специального электрического аппарата - реверсора (рис.4.6).

Рис. 4.6. Cхема реверсирования тягового двигателя

- контакты реверсора "Вперед" (----> I_В);

- контакты реверсора "Назад" (<---- I_В)

При одновременном изменении направления тока в обмотках якоря и главных полюсов направление вращения вала электродвигателя не меняется.