УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА. ФИЗИКА ПРОЦЕССА.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрическими машинами называются устройства, предназначенные для преобразования механической энергии вращения в электрическую (генератор) и наоборот, электрическую энергию в механическую (двигатель). Работа электрической машины основана на единстве закона электромагнитной индукции и закона электромагнитных сил.
Возьмем 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
При вращении якоря в соответствии с законом электромагнитной индукции в проводниках витка ab и cd при пересечении ими магнитного поля будет индуктироваться ЭДС, которая при наличии стального цилиндра равна
e = BLV
где V – линейная скорость движения проводника относительно магнитного поля;
B – индукция магнитного поля;
L – длина активной части витка.
Направления 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, то ЭДС витка будет
Таким образом, в данных условиях характер изменения во времени ЭДС в проводнике при вращении определяется характером распределения индукции в зазоре. Распределение ее по окружности якоря неравномерное, так как магнитное сопротивление R? потоку различное. Под полюсами индукция В имеет максимальное значение, в промежутке между полюсами индукция уменьшается, достигая на линии qq нулевого значения (рисунок 1.2,а). Линия dd, проходящая через центр якоря вдоль полюсов, называется продольной осью машины, а линия qq, проходящая через центр якоря посредине между полюсами, называется поперечной осью. Поперечную ось также называют геометрической нейтралью. Часть окружности якоря, приходящуюся на один полюс, называет полюсным делением и обозначают ?.
Рисунок 1.2
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 (рисунок 1.2,б). Для получения во внешней цепи постоянного тока устанавливают специальный переключатель, называемый коллектором. 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 это 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 переменным» по величине (рисунок 1.3). Таким образом, коллектор играет роль механического переключателя сторон витка к щеткам, т.е. является выпрямителем. Чтобы сгладить пульсацию 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 тока становятся незаметными и ток во внешней цепи можно считать постоянными не только по направлению, но и по величине. Таким образом, мы получили генератор постоянного тока.
Рисунок 1.3
Рассмотрим работу данной системы в режиме двигателя. Если к щеткам приложить напряжение внешнего источника электроэнергии, то в витке потечёт ток. Согласно закону электромагнитных сил на каждую сторону витка будет действовать сила
Эти силы создадут вращающий момент
Под действием этого момента якорь начнет вращаться, преодолевая момент сопротивления на валу. После прохождения сторонами витка линии геометрической нейтрали они попадают в зону полюса противоположной полярности. Но в это же время в них изменяется и направление тока, что осуществляется с помощью коллектора. В результате направление момента остается прежним, и якорь будет вращаться в том же направлении. В этом случае коллектор выполняет роль инвертора – преобразователя постоянного тока в переменный
Источник: //www.radioingener.ru/category/mashiny-postoyannogo-toka/