Принцип действия. Основные уравнения

Рис. 3.1. К принципу действия коллекторной машины постоянного тока

По закону Ампера принцип действия любого коллекторного двигателя состоит в том, что на проводник с током (рис. 3.1) в магнитном поле с магнитной индукцией В (потоком главных полюсов Ф) действует сила

, Н (3.1)

где l – длина проводника, м;

B - индукция, Тл;

– сила тока, А, направление которой определяется по правилу левой руки. Под действием этой силы (для витка – пара сил) якорь, на котором расположен виток, начинает непрерывно вращаться благодаря коллектору со щеточным аппаратом, обеспечивающим постоянство направления тока в проводнике, находящемся под полюсом, а значит и момента . Важнейшая особенность, основное достоинство двигателей постоянного тока – прямой угол между вектором магнитной индукции В и вектором тока . На угол влияет только расположение щёток на коллекторе.

При движении проводников в магнитном поле в соответствии с законом Фарадея в них наводится электродвижущая сила – ЭДС вращения

, В (3.2)

где v – линейная скорость движения проводников, м/с, направленная по правилу правой руки. В случае витка ЭДС проводников складываются и в соответствии с законом Кирхгофа уравновешиваются напряжением

, (3.3)

где – суммарная ЭДС вращения;

R – сопротивление.

Машина постоянного тока, как и все электрические машины, на основании принципа обратимости Ленца может работать как двигателем, так и генератором. В генераторном режиме коллектор со щетками играет роль выпрямителя и поэтому сохраняется ортогональность между магнитным потоком (индукцией) и током якоря.

Умножив левую и правую часть уравнения (3.3) на ток , получим

(3.4)

или баланс мощности в двигательном режиме

, (3.5)

где – мощность, забираемая двигателем из сети, Вт;

– электромагнитная мощность, Вт;

- потери мощности в якорной цепи двигателя, Вт;

- суммарное сопротивление якорной цепи, Ом.

Баланс мощности в генераторном режиме (механическая мощность, подводится с вала двигателя)

; (3.6)

, (3.7)

где - мощность, отдаваемая в сеть или на пассивную нагрузку;

– потери, покрываемые за счёт электромагнитной мощности

, (3.8)

где – механические потери в двигателе.