Машины постоянного тока. Магнитный поток, ЭДС и электромагнитный момент

Машины постоянного тока в основном состоят из двух частей: неподвижной – индуктора и подвижной – якоря. Индуктор служит для создания постоянного магнитного потока при протекания тока в обмотке возбуждения (ОВ). В якоре генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую, а для двигателя соответственно электрической энергии в механическую.

Устройство простейшей машины. На рисунке 7.32, а представлена простейшая машина постоянного тока, а на рисунке 7.32, б и в дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Индуктор состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Индуктор изображенный на рисунке 7.32, а простейшей машины имеет два полюса 1 (ярмо индуктора не показано).

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо изготовляются из ферромагнитных материалов.

а)

Режим генератора. Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора.

в)

б)

Рисунок 7.32 – Работа простейшей машины постоянного тока (а)                                              в режиме генератора (б) и двигателя (в)

Предположим, что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта ЭДС индуктируется только вследствие вращения якоря и называется ЭДС вращения. Значение индуктируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС

где В – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, т. е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v – линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины

ЭДС Е является переменной, т. к. проводники обмотки якоря при вращении проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется. По форме кривая ЭДС проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рисунок 7.33, а).

Частота ЭДС f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря f = n, а в общем случае, когда машина имеет р пар полюсов с чередующейся полярностью   f = р n.

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток I_а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой ЭДС (рисунок 7.33, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора.При поворота якоря и коллектора на 90º и изменении направления ЭДС в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остается неизменными.

Таким образом, в режиме генератора коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Изменив знак второго полупериода кривой на рисунке 7.33, а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рисунок