5.2. Будова й основні елементи машини

Будова машини постійного струму схематично показана на рис. 5.3. Вона складається з двох головних частин: нерухомої, що служить для створення магнітного потоку, та рухомої, в якій індукується ЕРС. Між цими частинами машини мається повітряний зазор.

Нерухома частина машини складається зі станини, основних і додаткових полюсів. Основні полюси служать для створення основного магнітного потоку. Кожен основний полюс складається з осердя й надягнутої на нього котушки, по якій проходить струм збудження. Котушки основних полюсів, з'єднані між собою у той чи інший спосіб, утворюють обмотку збудження машини. Осердя основних полюсів закінчуються полюсними наконечниками, призначення яких – поліпшити розподіл магнітного потоку. Додаткові полюси встановлені між головними полюсами й, служать для поліпшення умов комутації. Додатковий полюс, як і головний, складається з осердя й насадженої на нього котушки. Котушки додаткових полюсів, з'єднані між собою, утворюють обмотку, що вмикається послідовно з обмоткою якоря. Осердя полюсів часто виготовляють з тонких ізольованих листів електротехнічної сталі – із метою обмеження вихрових струмів. Станину, як правило, виготовляють із сталі й використовують для кріплення окремих частин, а також як магнітопровід машини.

Рис. 5.3. Будова машини постійного струму

1- колектор, 2- полюс основний, 3- полюс додатковий, 4- станина, 5- якір.

Машини постійного струму бувають двополюсними й багатополюсними. Полюси разом із ярмом станини й осердям якоря складають магнітну систему машини.

Якір машини (рис. 5.4, а) складається із осердя 3, укріпленого на валу, обмотки 2 і колектора 1. Осердя набирається з тонких листів електротехнічної сталі, а для поліпшення охолодження в ньому роблять вентиляційні канали. На поверхні осердя маються пази. Обмотка якоря виготовляється з мідного ізольованого проводу у виді одновиткових чи багатовиткових секцій (рис. 5.4, б), що закладають у пази сердечника (мал. 5.4, в) й закріплюють у них. Кінці секцій припаюють до колекторних пластин. Секції, з'єднані колекторними пластинами, утворюють обмотку якоря.

Рис. 5.4. Якір (а), секція його обмотки (б), пази (в)

Колектор складається з ряду клиноподібних мідних пластин, ізольованих друг від друга ізоляційними прокладками. Він закріплюється на валові машини й обертається разом із якорем. Струм з колектора знімається за допомогою щіток, що мають із колектором ковзний контакт. Щітки – то вугільні чи графітні бруски, розміщені в щіткотримачах.

5.3. Електрорушійна сила й електромагнітний момент машини постійного струму

При обертанні якоря машини у провідниках обмотки якоря, розташованих під різними полюсами (рис. 5.5), індукується ЕРС різного напрямку, але завдяки симетричному розташуванню провідників ці ЕРС рівні за величиною. З рис. 5.5 видно, що провідники, які утворюють будь-яку одну паралельну вітку, включені між щітками машини й їхні ЕРС діють узгоджено. Отже, ЕРС машини у кожен момент часу дорівнює сумі ЕРС цих провідників.

Рис. 5.5. До визначення ЕРС (а) і електромагнітного моменту (б) машин постійного струму

1, .,., 6 — номера секцій обмотки якоря й відповідних колекторних пластин

Позначаючи через N загальне число активних провідників якоря, а через а число пар паралельних віток, знайдемо:

(5.3)

де е – ЕРС, яка індукується в одному провіднику обмотки якоря; В_ср – середнє значення індукції у повітряному зазорі машини.

Оскільки лінійна швидкість обертання якоря v і магнітний потік машини Ф відповідно дорівнюють:

де D – діаметр якоря; р — число пар полюсів; – полюсний поділ, то, з урахуванням цих співвідношень, маємо:

(5.4)

У машині р, N і а постійні, тому, замінивши всі постійні величини коефіцієнтом , остаточно одержимо:

(5.5)

Однак у більшості випадків доводиться замість кутової швидкості ω користатися частотою обертання п. Оскільки , то рівняння ЕРС запишеться у такий спосіб:

(5.6)

де коефіцієнт, що залежить від конструктивних особливостей машини.

З рівняння (5.6) випливає, що при роботі машини її ЕРС можна змінювати шляхом зміни частоти обертання якоря чи величини магнітного потоку.

При роботі машини в режимі генератора ЕРС Е більше напруги U на затисках машини на величину спадання напруги e ланцюзі якоря. Отже, рівняння електричної рівноваги для генератора запишеться так:

(5.7)

I_a – сила струму e ланцюзі якоря; R_a – опір ланцюга якоря.

При роботі машини e режимі електродвигуна ЕРС Е, яка має назву зворотної чи протидіючої, менше напруги U на величину спадання напруги у ланцюзі якоря. Отже, рівняння електричної рівноваги для електродвигуна можна записати у наступному вигляді:

(5.8)

Рівняння електричної рівноваги характеризують першу основну умову роботи машини, яку називають умовою рівноваги ЕРС.

При роботі машини постійного струму має місце взаємодія полів полюсів і полів якоря, у результаті якого виникає електромагнітний момент машини, причому при роботі машини у режимі генератора виникає гальмовий момент, а при роботі у режимі електродвигуна – обертальний. Дійсно, струм, що тече в обмотці якоря генератора, взаємодіючи з магнітним потоком полюсів, створює гальмовий момент М_т електромагнітних сил Р, спрямований протилежно напрямку обертання якоря, а отже, і напрямку обертального моменту М первинного двигуна (див. рис. 5.5, а). У цьому неважко переконатися, застосовуючи правило лівої руки. Якщо ж через обмотку якоря пропустити струм від стороннього джерела у тому ж напрямку (рис. 5.5, б), то електромагнітна пара сил створить обертальний момент М. Цей момент у режимі двигуна буде переборювати навантаження на валу машини, який називають гальмовим моментом М_г або моментом опору.

Таким чином, при сталому режимі роботи машини повинна мати місце рівність моментів:

(5.9)

Це рівняння подає другу головну умову роботи машини, яку називають умовою рівноваги моментів.

Установимо залежність електромагнітного моменту від величин, що визначають природу його виникнення. Відповідно до закону Ампера середнє значення електромагнітної сили, що діє на один провідник, дорівнює:

(5.10)

де В_cp – середнє значення індукції у повітряному зазорі машини; l – активна довжина провідника; I – сила струму у провіднику.

Тому що плече сили дорівнює радіусові якоря R, то момент, що розвивається одним провідником, визначиться виразом:

(5.11)

З іншого боку, середнє значення магнітної індукції дорівнює магнітному потокові полюса, діленому на площу полюса:

(5.12)

Підставляючи отримане значення В_ср у рівняння (5.11), одержимо:

(5.13)

Якщо якір має N провідників і сила струму у провіднику то електромагнітний момент машини, створюваний усіма провідниками, буде дорівнювати:

(5.14)

Позначивши постійні величини машини через одержимо:

(5.15)

Таким чином, електромагнітний момент машини міняється тільки зі зміною її магнітного потоку й сили струму в якорі.