Электрические машины постоянного тока

Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую энергию, называются электродвигателями.

Первую электрическую машину в нашей стране сконструировал в 1834 году академик Б.С.Якоби.

Машина постоянного тока может работать как в качестве генератора, так и в качестве электродвигателя. Поэтому генераторы и электродвигатели имеют одинаковую конструкцию. Свойство машин постоянного тока работать как в качестве генераторов, так и электродвигателей называется обратимостью.Явление обратимости машин постоянного тока впервые было открыто русским академиком Э.Х.Ленцем.

Всякая машина постоянного тока состоит из двух частей:

1.Статор

2.Ротор или якорь

Статор - неподвижная часть (корпус)

Представляет собой магнитопровод, на котором располагаются электромагниты. Магнитопровод изготавливают из мягкой литой стали, которая обладает хорошей магнитной проницаемостью. К магнитопроводу крепятся электромагниты (полюса). Электромагнит (полюс) состоит из полюсного сердечника и катушки возбуждения. Полюсный сердечник изготавливают из тонких листов электротехнической стали с хорошей магнитной проницаемостью. Полюсный сердечник имеет такую форму, которая позволяет, во-первых, удерживать катушку и во-вторых, придать распределению магнитных силовых линий поля желаемый характер. Полюсную катушку изготавливают из медной проволоки, обматывают специальной хлопчатобумажной лентой и пропитывают специальным лаком.

Магнитная система статора служит для создания необходимого магнитного потока. В зависимости от мощности электродвигатель изготавливается с различным числом полюсов.

Схемы магнитных систем двигателя постоянного тока: а) - двухполюсной машины; б) - четырехполюсной машины

Якорь - подвижная часть машины состоит:

Рис. 1

1.Обмотка

2.Коллектор 5.Вал

3.Сердечник

4.Вентилятор

Вализготавливают из конструкционной стали ст45 он имеет переменное сечение. Сердечникслужит для размещения на нем обмотки, и для уменьшения сопротивления магнитной цепи двигателя. Сердечник изготавливают из электротехнической стали с хорошей магнитной проницаемостью. С целью уменьшения нагрева от вихревых токов сердечник набирается из отдельных пластин изолированных друг от друга лаком.

Обмотка якоряпредназначена для создания магнитного поля якоря. Выполняется из медного провода и изолируется от сердечника. Обмотка укладывается в пазы и закрепляется бандажом. По типу различаютобмотку петлевуюи волновую.

Коллектор cлужит для подвода и распределения тока по проводникам обмотки якоря.

1 .Пластина 2.Шайба 3.Изоляция 4.Втулка 5. Гайка

Концы проводников обмотки якоря припаиваются к пластинам коллектора см.рис.1.

Ток к коллектору подводится через угольные щетки, которые закрепляют в щеткодержателе

Щетка и щеткодержатель а) - щетка; б) щеткодержатель со щетками

Вентилятор

Вентилятор жестко закрепляется на валу и служит для охлаждения электродвигателя.

Реакция якоря

При работе электродвигателя основное поле, создаваемое катушками электромагнитов (главных полюсов), искажается магнитным полем проводников, уложенных в самом якоре. Это явление носит название реакции якоря(см.рис.).

Реакция якоря сместит нейтральную линию (nn), на которой устанавливаются щетки в положение (n₁n₁) и вызовет, вследствие этого, искрение щеток. Искрение под щетками вызывает усиленный их износ и повреждение контактной поверхности коллектора, что, в свою очередь, может привести к возникновению кругового огня и выходу из строя якоря двигателя.

С целью уменьшения реакции якоря в двигателях между главными полюсами устанавливаются добавочные полюса.

Добавочные полюса создают дополнительное магнитное поле, которое в зонах установки щеток направлено навстречу полю якоря и нейтрализует его.

Для надлежащей компенсации поля якоря вместе с его изменением должно изменяться и поле добавочных полюсов, поэтому обмотки добавочных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря, и по ним проходит весь ток якоря.

Пуск двигателя

При вращении рамки с током в магнитном поле согласно явлению электромагнитной индукции в ней возникает Э.Д.С. (электродвижущая сила).

По правилу правой руки можем определить, что она имеет направление противоположное напряжению приложенному к рамке. По этой причине ее называют противо э.д.с.

Е = Сфn

где С - коэффициент постоянный, характеризующий конструкцию машины; Ф - магнитный поток полюсов; n- частота вращения.

В начальный момент т.е., когда двигатель еще не вращается (n = 0), то и Е = 0.

Сила тока якоря двигателя по закону Ома

Iя ⁼ U_дв/Е_я

Т.к. сопротивление обмотки якоря очень незначительно, то ток якоря (1_Я) может оказаться очень значительным и двигатель может сгореть. Поэтому при пуске двигателя в первый момент включают пусковой реостат для ограничения величины пускового тока.

Iя⁼ Uд_В/R_я+ R_пуск

Пусковой реостат в дальнейшем выводится т.к. появляется противо э.д.с. и ток якоря будет определяться:

Iя = U_дв - Е/R_я

Е - противо э.д.с.

Приведем пример

В ТЭД троллейбуса подается U =550В.

Сопротивление обмотки якоря К_я = 0,06Ом

По закону Ома пусковой ток 1пуск ⁼ U/R = 550/0,06 = 9166 А,

что недопустимо, т.к. длительный ток составляет 185А.

Пусковой реостат двигателя составляет 6.1Ом.

Таким образом I_Пуск = U/R_я + R_Пуск =550/0,06+ 6,1= 89,2А.

Постепенное выведение сопротивлений после пуска позволяет регулировать скорость двигателя при пуске.

Изменение направления вращения двигателя (реверсирование) производится путем изменения направления тока либо в катушках полюсов, либо в обмотке якоря.

Вращающий момент двигателя зависит от силы взаимодействия между током якоря и магнитным потоком главных полюсов.

М = С I_Я Ф

где С - коэффициент характеризующий конструкцию двигателя; I_Я - ток якоря двигателя; Ф - магнитный поток- главных полюсов.

Число оборотов электродвигателя выражается:

n= U - I_Я R_Я/СФ

При холостом ходе, без нагрузки I_Я • Rя незначительно, если им пренебречь, то частота вращения двигателя

n = U/СФ

Число оборотов двигателя зависит от магнитного поля полюсов и напряжения, приложенного к зажимам двигателя. Чем больше U тем больше оборотов развивает двигатель и, наоборот, чем больше магнитный поток, тем с меньшей скоростью будет вращаться двигатель.

Первый вариант затруднителен т.к. в контактной сети напряжение постоянно.

Второй вариант удобен. Для этого в цепь катушек возбуждения двигателя включают регулировочный реостат, с помощью которого можно увеличивать или ослаблять поле двигателя.