2. Электрические машины

Электрические машины предназначены для преобразования механической энергии в электрическую (генераторы) и обратно (двигатели). Электрические машины обратимы, т.е. генератор может работать как двигатель, а двигатель – в качестве генератора. Подавляющее большинство используемых в промышленности, сельском хозяйстве и в быту электрических машин – это электрические двигатели. С учетом того, что принципиальных конструктивных отличий между генераторами и двигателями нет, в дальнейшем будут рассмотрены принципы действия и конструкции только двигателей.

2.1 Двигатели постоянного тока, устройство и принцип действия

На рис. 2.1 изображен реальный двигатель постоянного тока, а на рис. 2.2 его схематическая модель в виде рамки с током помещенной в магнитное поле, иллюстрирующая принцип действия двигателя.

Магнитные полюса и щетки закреплены на неподвижной части двигателя, называемой статором, а рамка с коллекторными пластинами - на вращающемся роторе, называемом у двигателя постоянного тока якорем.

При подключении к клеммам двигателя (рис. 2.1) постоянного напряжения, в цепи якоря протекает ток: плюс источника; левая щетка; левая коллекторная пластина, левый активный проводник; правые – активный проводник, коллекторная пластина, щетка; минус источника. При взаимодействии тока в активных проводниках рамки с магнитным полем полюсов, возникает вращающий момент, который поворачивает рамку против часовой стрелки.

В свою очередь, при вращении рамки в магнитном поле, ее активные проводники пересекают силовые линии магнитного поля, и в них наводится ЭДС, направление которой противоположно напряжению источника питания двигателя. На основании этих рассуждений можем написать основное уравнение двигателя:

,

(2.1)

где U – напряжение источника питания; Е – ЭДС якоря; I_Я – ток якоря (рамки); R_Я – сопротивление обмотки якоря (рамки).

В отличие от модели, реальный двигатель постоянного тока имеет десятки коллекторных пластин, десятки и более обмоток якоря (рамок), включенных по различным схемам, с разным числом витков. Статор двигателя может иметь более одной пары полюсов, иметь дополнительные обмотки на этих полюсах и дополнительные полюса. Однако, несмотря на все различия в конструкции основные уравнения, описывающие работу двигателя, справедливы для всех двигателей постоянного тока.

Из закона электромагнитной индукции можно получить выражение для ЭДС якоря:

,

(2.2)

где р – число пар полюсов статора; N и а – количество витков и число параллельных ветвей обмотки якоря; Ф – магнитный поток одного полюса (Вб); ω – угловая скорость вращения якоря (рад./с); С_М – постоянная машины.

Из закона Ампера получают выражение для вращающего момента двигателя:

.

(2.3)

Подставив в (2.1) выражение (2.2) и выразив из него величину ω, получим формулу электромеханической характеристики ω(I_Я) – зависимость скорости вращения якоря от тока якоря:

.

(2.4)

Теперь выразим из (2.3) ток якоря I_Я и подставим в (2.4), получим формулу механической характеристики ω(М) – зависимость скорости вращения якоря от момента вращения на валу двигателя.

.

(2.4)

В зависимости от схемы соединения обмоток статора и якоря различают двигатели с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.