2.7. Механический момент на валу машины постоянного тока

Машины постоянного тока являются машинами обратимыми. Они могут работать как в режиме генератора, преобразующего механическую энергию в электрическую, так и в режиме двигателя, преобразующего механическую энергию в электрическую. И в том, и в другом случае на валу машины имеется механический момент. Если пренебречь механическими потерями в машине, то величина этого момента складывается из механических моментов, воздействующих на проводники якорной обмотки. Сила, действующая на проводник с током I' длиной l, находящийся в магнитном поле с индукцией B, определяется из формулы .

Механический момент, создаваемый одним проводником, , где R  радиус якоря.

Если в пазах якоря уложено N проводников, то, используя среднее значение индукции ,

.

Если общий ток якоря I, а обмотка имеет 2a параллельных ветвей, то ток одного проводника обмотки в 2a раза меньше общего тока, т. е. , тогда .

Введя в формулу величину диаметра якоря и умножив числитель и знаменатель коэффициента на , получим:

.

Умножим и разделим полученное выражение на количество полюсов машины , тогда

.

Величина является длиной окружности якоря, умноженной на длину внешней поверхности якоря, т. е. площадью поверхности якоря. Эта площадь, разделенная на количество полюсов, определит площадь якоря, находящуюся над одним полюсом

.

Но произведение среднего значения индукции на эту площадь равно магнитному потоку машины или

.

Подставляя это значение в формулу, получаем:

.

Обозначив постоянной , т. е. постоянной, зависящей лишь от конструкции машины, получим:

.

Таким образом, механический момент на валу машины постоянного тока зависит от конструкции машины и пропорционален магнитному потоку и току якоря.

Как ЭДС, так и механический момент пропорционален магнитному потоку, который, в свою очередь, является функцией тока возбуждения. Связь между магнитным потоком и током возбуждения зависит от геометрических размеров магнитной цепи машины и кривой намагничивания материала магнитной цепи.

Для определения ЭДС машины и механического момента использованы две постоянные, зависящие от конструкции машины

и .

Следовательно, или .

2.8. Магнитное поле машины постоянного тока, работающей в режиме холостого хода

Магнитная цепь машин постоянного тока состоит из статора в форме полого цилиндра с закрепленными на нем полюсами и якоря в виде цилиндра с пазами для укладки обмотки. Статор изготавливается из литой электротехнической стали с большой магнитной проницаемостью.

Главные полюса машины, предназначенные для формирования магнитного поля в воздушном зазоре, могут быть изготовлены как из литой, так и из листовой электротехнической стали. Якорь машины в форме цилиндра представляет собой пакет из листов электротехнической стали, что обусловлено необходимостью уменьшения потерь на перемагничивание и на вихревые токи в магнитопроводе якоря, который вращается в магнитном поле машины. Вращение магнитопровода якоря в магнитном поле машины приводит к появлению вихревых токов, что приводит к потерям в магнитопроводе якоря.

Магнитный поток создается намагничивающей силой обмоток возбуждения, расположенных на главных полюсах. Вся магнитная цепь машины служит для формирования магнитного поля в воздушном зазоре, где расположена обмотка якоря, являющаяся основным элементом преобразования электрической энергии в механическую, и наоборот.

Магнитная индукция магнитного поля воздушного зазора в зависимости от пространственного угла реальных машин распределяется по сложному закону, график которого представлен на рис. 2.21. Общая картина магнитного поля машины, ток якоря которой равен нулю, представлена на рис. 2.24, а.

Рис. 2.24

Следует отметить то, что в точках воздушного зазора, расположенных на оси симметрии машины, проходящей между главными полюсами (ОО'), индукция равна нулю, и она имеет максимальное значение на оси главных полюсов. Все высказывания справедливы для машины постоянного тока, ток якоря которой равняется нулю, т. е. для машины, работающей в режиме холостого хода.

Для изменения магнитного потока машины, что эквивалентно пропорциональному изменению индукции в любой точке воздушного зазора, необходимо изменить ток этих обмоток, т. е. ток возбуждения. Для изменения направления магнитного потока следует изменить полярность напряжения, питающего обмотку возбуждения.