Раздел 1. Машины постоянного тока

5.1Принцип действия машины постоянного тока

Электрическая машина – машина, служащая для преобразования: – механической энергии в электрическую энергию; или – электрической энергии в механическую энергию; или – электрической энергии в электрическую энергию, отличающуюся по напряжению, частоте и другим параметрам. Действие электрических машин основано на использовании явления электромагнитной индукции и законов, определяющих взаимодействие электрических токов и магнитных полей.

Электромагнитная индукция – это явление возникновения электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, находящемся в изменяющемся магнитном поле или благодаря движению проводника относительно неподвижного магнитного поля. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем в 1831 году. Он обнаружил, что электродвижущая сила, возникающая в замкнутом проводнике пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Величина ЭДС не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение проводника в неоднородном магнитном поле. Электрический ток вызванный этой ЭДС называется индукционным током.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в системе СИ):

.

Рассмотрим принцип действия электрической машины постоянного тока (ЭМПТ) на простейшем примере: рамка в магнитном поле (рис. 1.1).

Магнитное поле в этом случае создаётся индуктором, в данном случае − два постоянных магнита. Другая конструктивная часть, в которой наводится ЭДС и протекает ток − это якорь с обмоткой якоря.

• Якорь с обмоткой − вращающаяся часть ЭМПТ − ротор,

• Индуктор − неподвижная часть ЭМПТ − статор.

В данном случае, обмотка якоря состоит из одного витка. Концы витка присоединены к изолированным от вала медным пластинам коллектора. На коллектор налегают две щётки, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью − нагрузкой. Чтобы данная ЭМ работала в режиме генератора, надо подвести к ней механическую мощность, т е. привести якорь во вращение с частотой n приводным двигателем. Тогда, согласно закону электромагнитной индукции (закону Фарадея), при вращении якоря проводники рамки пересекают магнитные силовые линии поля и в каждом проводнике (ав, cd) будет наводиться ЭДС:

(1.1)

где − магнитная индукция;

− активная длина проводника;

− линейная скорость движения проводника.

Напомним, что ЭДС - характеристика источника энергии в электрической цепи. Электродвижущая сила измеряется отношением работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль контура к величине этого заряда. ЭДС измеряется в вольтах. При изучении электрических машин полезно пользоваться правилами правой и левой руки. Правило правой руки помогает определить направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле. Если ладонь правой руки расположить так, чтобы в нее входили силовые линии магнитного поля, а отогнутый большой палец направить по движению проводника, то четыре 4 вытянутых пальца укажут направление индукционного тока. Правило левой руки помогает определить направление силы, которая действует на находящийся в магнитном поле проводник с током. Если ладонь левой руки расположить так, чтобы вытянутые пальцы были направлены по току, а силовые линии магнитного поля входили в ладонь, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

При этом направление вектора ЭДС проводника будет определяться по правилу правой руки.

По контуру витка ЭДС двух проводников складываются, и тогда полная ЭДС якоря (ЭДС на щётках):

(1.2)

Если включить во внешнюю цепь нагрузку, то по внешней цепи и рамке потечёт ток якоря i_а, при этом

(1.3)

Щётка, от которой ток оттекает во внешнюю цепь, считается положительной.

На проводник с током, находящийся в магнитном поле действует электромагнитная сила (сила Ампера), с которой магнитное поле действует на проводник с током

, (1.4)

где – магнитная индукция, – ток в проводнике, – угол между вектором магнитной индукции и направлением тока, – длина проводника.

При , что имеет место в электрических машинах

.

Магни́тная инду́кция – векторная величина, показывающая, с какой силой магнитное поле действует на движущийся заряд. Является силовой характеристикой поля, аналогичной вектору напряженности электрического поля. За положительное направление вектора принимается направление от северного полюса N к южному полюсу S магнитной стрелки. В системе СГС магнитная.

индукция поля измеряется в гауссах (Гс), в системе СИ – в теслах (Тл), 1 Тл = 10⁴ Гс.

Направление электромагнитной силы определяется по правилу левой руки.

Электромагнитная сила создаёт электромагнитный момент:

, (1.5)

где − диаметр якоря.

Отметим также, что направлен противоположно вращающему моменту , т.е. является в режиме генератора тормозным.

ЭДС проводника является переменной функцией времени, т.к. при вращении якоря проводники обмотки якоря попеременно проходят под южным и северным полюсом, в результате чего направление ЭДС проводника меняется. По форме кривая ЭДС проводника: повторяет кривую распределения магнитной индукции в зазоре: , и меняется по трапецеидальному закону (рис. 1.2).

На рис. 1.2 Т − время полного изменения ЭДС, т.е. период ЭДС. Число периодов в 1 сек. называется частотой ЭДС f. Понятно, что если число полюсов 2р=2, тогда f = n [об/сек]. Если число полюсов 2р, то частота ЭДС:

, (1.6)

где n − частота вращения, об/мин.

Таким образом:

!

Это достигается с помощью коллектора, т.е. в нашем случае − двух медных пластин.

Принцип действия коллектора: при повороте якоря на коллектор, который расположен на одном валу с якорем, также поворачивается на , и при изменении направления происходит смена коллекторных пластин под щётками. Из-за этого под верхней щёткой всегда будет находится пластина, соединённая с проводником, расположенным под верхним (северным) полюсом, а под нижней − пластина, соединённая с проводником, расположенным под нижним (южным) полюсом. В результате полярность щёток и направление тока во внешней цепи − неизменно.

Таким образом, коллектор является механическим выпрямителем в генераторном режиме (механическим инвертором − в двигательном), и создаёт скользящий контакт.