1.3. Основные законы, лежащие в основе анализа работы электрических машин

Несмотря на широкое функциональное и конструктивное разнообразие электрических машин их принцип действия основывается на двух фундаментальных законах.

Закон электромагнитной индукции определяет, какая ЭДС наводится в рамке, движущейся со скоростью в магнитном поле с индукцией и (или) возникающей в неподвижной рамке, сцепляющейся с изменяющимся во времени потоком Ф

, (1.17)

где d - элемент длины рамки.

Второе слагаемое уравнения (1.17) для однородного поля имеет вид

(1.18) , где .

Знак ЭДС определяется известным правилом правой руки [1].

Закон Ампера. В соответствии с ним на проводник длиной l и током I, находящийся в магнитном поле, действует выталкивающая сила

. (1.19)

В однородном магнитном поле .

Направление силы F определяют по правилу левой руки.

2. Электрические машины постоянного тока

2.1. Классификация электрических машин

Рис. 2.1

По выполняемым функциям электрические машины (ЭМ) можно разделить на машины общего и специального назначения (рис. 2.1).

В свою очередь, ЭМ общего назначения можно классифицировать следующим образом (рис. 2.2).

Рис. 2.2

2.2. Основные узлы электрических машин

Промышленность выпускает ЭМ различной мощности и на разные напряжения. Условно по мощности их можно разделить на следующие группы:

– микромашины (мощность P от долей ватта до 500 Вт);

– машины малой мощности (Р= 0,5 10 кВт);

– машины средней мощности (Р=10 1000 кВт);

– машины большой мощности (P свыше 1000 кВт).

Напряжение питания ЭМ изменяется от 6 12 В у машин постоянного тока до 30 кВ в машинах радиотехнических устройств.

Номинальная частота вращения электрических машин изменяется в пределах от нескольких оборотов в минуту до 30000 об/мин. Известно, что

, (2.1)

где M - вращающий момент на валу машины;  - угловая скорость вала.

Поэтому увеличение угловой скорости  при Р = const позволяет уменьшить вращающий момент М и получить ЭМ с меньшей массой и габаритами.

Электрические машины переменного тока по сравнению с ЭМ постоянного тока являются менее скоростными при частоте питающей сети 50 Гц, так как частота вращения двигателя не может превышать 3000 об/мин.

Конструктивно ЭМ содержат следующие основные узлы:

– неподвижный узел – статор;

– вращающийся узел – ротор (якорь);

– в машинах постоянного тока – щеточно-коллекторный узел, который в генераторах служит для выпрямления переменного напряжения, наводимого в секциях обмотки якоря.

На статоре машины постоянного тока (МПТ) всегда имеются явно выраженные полюса в отличие от машин переменного тока, где полюса выражены неявно. Статор и ротор являются элементами магнитопровода, по которым замыкается магнитный поток.

Конструктивно статор представляет собой металлический корпус цилиндрической формы, на внутренней поверхности которого крепятся магнитные полюса и другие детали. На магнитных полюсах МПТ помещается обмотка возбуждения (ОВ), секции которой располагаются таким образом, чтобы магнитные полюса чередовались (N–S–N–S…N–S).

Якорь набирают в виде пакета цилиндрических по форме листов электротехнической стали, имеющих на внешней поверхности пазы для обмотки. Пакет якоря стягивают изолированными от листов болтами и закрепляют на стальном валу, который вращается, опираясь на шарикоподшипники переднего и заднего щитов машины.

Коллектор представляет собой набор медных, изолированных друг от друга и вала машины пластин, набранных в виде боковой поверхности цилиндра. Коллектор крепится вместе с якорем на валу. По касательной к его боковой поверхности скользят неподвижные щетки (графитовые или медно-графитовые).

ЭМ постоянного тока делятся на две основные группы:

- электрические генераторы - преобразуют механическую энергию в электрическую;

- электрические двигатели - преобразуют электрическую энергию в механическую.

МПТ обладает свойством обратимости, т.е. без изменения конструкции она может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя.