 |
|
Глава 1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА. ФИЗИКА ОСНОВНЫХ
ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ
Принцип действия машин постоянного тока
Электрическими машинами называются устройства, предназначенные для преобразования механической энергии вращения в электрическую (генератор) и наоборот, электрической энергии в механическую (двигатель). Работа электрической машины основана на единстве законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил.
Рассмотрим устройство, состоящее из двух магнитных полюсов, создающих постоянное магнитное поле, и якоря – стального цилиндра с уложенным на нем витком из электропроводного материала. Концы витка присоединены к двум металлическим полукольцам, изолированным друг от друга и от вала. Полукольца соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью (рисунок 1.1).
Рисунок 1.1 – К принципу действия машины постоянного тока
При вращении якоря в соответствии с законом электромагнитной индукции в проводниках витка ab и cd при пересечении ими магнитного поля индуктируется ЭДС, равная
| (1.1) |
где ν – линейная скорость движения проводника относительно магнитного поля; B – индукция магнитного поля; 
– длина активной части проводника.
Направление ЭДС в проводниках ab и cd определяется по правилу правой руки. По контуру abcd эти ЭДС складываются и, так как верхний и нижний проводники находятся в одинаковых магнитных условиях, ЭДС витка равна
| (1.2) |
Характер изменения во времени ЭДС в проводнике при вращении определяется характером распределения индукции В в зазоре. Распределение индукции В по окружности якоря неравномерное, так как магнитное сопротивление Rµ магнитному потоку различное. Под полюсами индукция В имеет максимальное значение, в промежутке между полюсами она уменьшается, достигая на линии qq нулевого значения (рисунок 1.2,а). Линия dd, проходящая через центр якоря по середине полюсов, называется продольной осью машины, а линия qq, проходящая через центр якоря посредине между полюсами - поперечной. Поперечную ось также называют геометрической нейтралью. Часть окружности якоря, приходящуюся на один полюс, называют полюсным делением и обозначают τ.
Рисунок 1.2 – Распределенние магнитной индукции в зазоре машины
Постоянного тока
При вращении якоря через каждые полоборота проводники ab и cd оказываются в поле противоположных полюсов, поэтому направление ЭДС в них меняется на противоположное. Таким образом, при вращении якоря в витке индуктируется переменная ЭДС. Для получения во внешней цепи постоянного тока устанавливают специальный переключатель, называемый коллектором.
| Рисунок 1.3 - Выпрямленные ЭДС и ток в витке при щетках, установленных на нейтрали |
Проводники ab и cd присоединяются к полукольцам, изолированным друг от друга и от вала. Полукольца (пластины коллектора) соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. При вращении якоря каждая из щеток будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно только с тем из проводников, который находится под полюсом данной полярности. Направление ЭДС в витке изменяется на линии геометрической нейтрали и в этот же момент происходит переключение полуколец к щеткам А и В. В результате полярность щеток в процессе работы машины остается неизменной, а ЭДС и ток во внешней цепи становятся постоянными по направлению и переменными по величине (рисунок 1.3). Таким образом, коллектор играет роль механического переключателя сторон витка к щеткам, т.е. является выпрямителем. Чтобы сгладить пульсации ЭДС и тока во внешней цепи, на якоре располагают несколько витков, присоединенных к соответствующим парам коллекторных пластин и сдвинутых относительно друг друга на некоторый угол. Практически уже при 16 витках на якоре пульсации ЭДС становятся незаметными и ток во внешней цепи можно считать постоянным не только по направлению, но и по величине. Таким образом, мы получили генератор постоянного тока.
Рассмотрим работу данной системы в режиме двигателя. Если к щеткам приложить напряжение от внешнего источника электроэнергии, то в витке потечёт ток. Согласно закону электромагнитных сил на каждую сторону витка действует сила
.(1.3)
Эта сила создает вращающий момент, действующий на виток и равный
(1.4)
где Да – диаметр якоря.
Под действием совокупности моментов якорь начинает вращаться, преодолевая момент сопротивления на валу. После прохождения сторонами витка линии геометрической нейтрали они попадают в зону полюса противоположной полярности и в это же время в них изменяется и направление тока, что осуществляется с помощью коллектора. В результате направление момента остается прежним, и якорь продолжает вращаться в том же направлении. В этом случае коллектор выполняет роль инвертора – преобразователя постоянного тока в переменный.