Электродвигатели постоянного тока
Основные термины.
Прежде чем рассмотреть принцип работы этого двигателя, остановимся на терминах, используемых в электротехнике:
ротор – вращающая часть двигателя;
статор – неподвижная часть двигателя;
система возбуждения – часть двигателя, создающая магнитный поток для образования момента;
якорь – часть двигателя, проводящая электрический ток, который взаимодействует с магнитным потоком, для создания момента (в стартерном двигателе, ротор является якорем);
щетки – часть электрической цепи, по которой от источника питания электрический ток передается к якорю;
коллектор – часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коллектора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря.
Правило левой руки
Создание момента в двигателе постоянного тока основано на правиле левой руки (правило Флеминга). На проводник с током, который расположен в магнитном поле, действует сила. Направление силы определяется правилом левой руки так, как показано на рис., а ее значение,
F = BIпL,
где:
B – магнитная индукция (плотность магнитного потока), Тл;
Iп – электрический ток, А протекающий по проводнику;
L – эффективная длина проводника (которую пронизывают магнитные силовые линии).
Рис.11.1. Правило левой руки
Правило правой руки
Сила дейсвующая на проводник, перемещает его со скоростью V. При перемещении проводника в магнитном поле в нем наводится ЭДС
E = VBL,
где, V – скорость перемещения, В – магнитная индукция, L – длина проводника. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки (правило Флеминга).
Рис.11.2. Правило правой руки
Направление наводимой ЭДС в проводниках рамок будет противоположно направлению протекающего тока.
Рамка с током в магнитно поле.
Рис.11.3. Рамка с током в магнитно поле
Рамка содержит проводники AB, CD, СА, DB. Участки CA и DB служат для соединения проводников AB, CD между собой и к медным изолированным друг от друга полукольцам образующим коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки, которые осуществляют скользящий контакт с коллектором и связывают рамку с внешней цепью. При подключении источника напряжения к щеткам в рамке появится ток I, направление которого от «+» источника к «-» источника. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем возбуждения, на каждый проводник (AB и CD) действуют силы, направленные в противоположные стороны.
F = B Iп L.
Это справедливо, когда сила F направлена к «рычагу» (ось соединяющая центры проводников) под углом ωt = 90⁰. В общем случае при вращении рамки сила F направлена под углом ωt к рычагу R. По определению, если сила F направлена под углом ωt к рычагу R, то
М = R F sin ωt,
или
M = RBIп L sin ωt.
Наибольший крутящий момент будет при угле поворота рамки равном π/2, т.е. 90°. При угле поворота ротора (рамки) 180° крутящий момент равен нулю, но силы не равны нулю и это положение ротора (рамки), при отсутствии переключения тока, весьма устойчиво. Поэтому после поворота якоря на 180⁰, одновременно с переходом каждого проводника рамки из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса происходит изменение направления тока в проводниках рамки. Это изменение направления тока производит коллектор (коммутатор). Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока – изменять направление тока в проводниках обмотки при их переходе из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса.
В принятой модели имеются одна пара полюсов р = 1 (где р – число пар полюсов, количество полюсов равно 2р). Часть длины окружности якоря, приходящая на долю одного полюса называется полюсным делением и равна,
πD/2p = 2πR/2р = πR/р,
площадь полюсного деления,
S = πRL/р, тогда
M = RB Iп L sin (ωt) = ФIп p/π sin (ωt).