3.1 Устройство простейшей машины постоянного тока

Неподвижная часть электрической машины (ЭМ) – статор - выполняет роль источника магнитного потока, т.е. является индуктором. Она представляет собой стальное ярмо в форме полого цилиндра, внутри которого по окружности крепятся источники магнитного поля – в простейшем случае постоянные магниты, называемые полюсы (см. рисунок 3.1, а)). Число полюсов – всегда четное, поэтому для характеристики ЭМ принято число пар полюсов (р). В простейшей ЭМ число пар полюсов р =1 (т.е. магнитное поле такой машина содержит 2 полюса - северный "N" и южный "S").

Вращающаяся часть ЭМ – ротор – состоит из укрепленного на валу цилиндрического ферромагнитного якоря (якорь – та часть ЭМ, в которой под воздействием первичного потока магнитной индукции может возникнуть ЭДС электромагнитной индукции) и расположенной на нем якорной обмотки (ОЯ). В простейшей ЭМ ОЯ содержит 1 виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными коллекторными пластинами (в простейшей ЭМ таких пластин две). С внешней электрической цепью вращающаяся обмотка соединяется с помощью токопроводящих щеток, неподвижно закрепленных на статоре и скользящих по пластинам коллектора при его вращении.

3.2 Принцип действия ЭМ=Т

3.2.1 Режим генератора

Пусть якорь ЭМ приводится внешней механической силой во вращение по часовой стрелке. В проводниках якоря индуктируется ЭДС Е_пр, направление которой определяется правилом правой руки. При неизменном потоке полюсов эта ЭДС индуктируется только вследствие вращения, т.е. является ЭДС вращения (см. п. 1.2, л). Величина её, если принять магнитный поток, созданный полюсами и пронизывающий якорь ЭМ, постоянным и равномерным,

(см. п. 1.2, д), где В – индукция в воздушном зазоре в месте нахождения проводника; l – активная длина проводника (т.е. его часть, находящаяся в магнитном поле и при вращении пересекающая линии магнитной индукции); v – линейная скорость движения проводника (см. рисунок 3.1 а) и б)).

ЭДС, возникающие в обоих проводниках витка, направлены согласно, т.е. складываются, поэтому полная ЭДС якорной обмотки (якоря), снимаемая со щеток ЭМ,

(величины, относящиеся к якорю, принято обозначать с индексом "а").

Величина ЭДС Е_а и ее направление изменяются во времени, т.к. при перемещении каждого проводника обмотки изменяется угол , под которым пересекаются проводник и линии магнитного поля. Форма ЭДС повторяет кривую распределения индукции в зазоре, которая близка к трапециедальной (рисунок 3.2):

Рисунок 3.2 – Кривые ЭДС и тока простейшей машины

в якоре (а) и во внешней цепи (б)

Соответственно ЭДС в каждом из проводников во времени изменяется аналогично. Однако во внешней цепи (за щетками ЭМ) направление ЭДС благодаря наличию коллектора направление ЭДС не изменяется (см. рисунок 3.2, б)). Таким образом, коллектор представляет собой в данном случае механический выпрямитель – его электронный

аналог, диодный выпрямитель переменного тока, хорошо известен из курса "Электротехника и электроника).

Если к коллектору через щетки подключена нагрузка (активное сопротивление), то форма и направление возникающего при этом тока I_а= I_н будут совпадать с формой и направлением ЭДС Е_а . Очевидно, что в двухполюсной (простейшей) машине частота f изменения ЭДС Е_а во времени будет равна механической скорости вращения n якоря (в об/сек)

.

Если число пар полюсов р > 1, то

.

Таким образом, с электротехнической точки зрения рассмотренная ЭМ представляет собой источник (генератор) ЭДС постоянного (т.е. не изменяющего своего направления) тока. Понятно, что пульсации (отклонения от среднего значения) тока и напряжения во внешней цепи такой (простейшей) машины велики, поэтому на практике для снижения этих пульсаций и, следовательно, приближения свойств генератора к идеальным применяют более сложные по устройству обмотки якоря и коллектор.

При подключении внешней электрической нагрузки в цепи якоря ЭМ, работающей в режиме генератора, появляется ток I_a, направление которого совпадает с направлением ЭДС Е_а (т.е. ЭМ начинает отдавать в нагрузку электрическую мощность), а напряжение U_a, снимаемое с зажимов генератора, будет меньше ЭДС Е_а на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении ЭМ – сопротивлении обмотки якоря R_a:

U_a= Е_а - I_a·R_a.

На проводники обмотки якоря с током I_a, находящиеся в магнитном поле, в соответствии с п. 1.2, е) действуют электромагнитные силы F_пр величиной F_пр = Вlv, направление которых определяется правилом левой руки. Каждая из этих сил, будучи приложена к проводнику, находящемуся на расстоянии, равном радиусу якоря r_a, от оси вращения, создает механический вращающий момент М_{эм пр} (электромагнитный) M_{эм пр} = F_np r_a , и если проводники жестко прикреплены к якорю, то на него будет действовать суммарный электромагнитный момент M_эм= 2 F_np r_a = F_np d_a = Bld_aI_a. Этот момент в рассматриваемом здесь режиме генератора, как видно из рисунка 3.1, б), действует против направления вращения, т.е. является тормозящим.