Принцип действия машин постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока.

Принцип действия генератора. Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e₁ и e₂, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам.

По ходу витка ЭДС складываются,  результирующая  ЭДС е = е₁ – е₂.

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет  ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы

f определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Рис.1.5

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т. е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе машины в режиме генератора по замкнутой внешней цепи и витку обмотки якоря протекает ток, направление которого совпадает с направлением ЭДС (рис. 1.4,6), взаимодействие тока с магнитным полем полюсов  создает момент

М, направленный в рассматриваемом случае против часовой стрелки. Так как приложенный к витку вращающий момент приводного двигателя Мвр направлен по часовой стрелке, то возникающий при работе генератора момент называется противодействующим моментом Мnp. По существу возникновение Мпр — это реакция машины на воздействие внешнего момента Мвр, а физическая природа противодействующего момента та же, что и вращающего момента у двигателя. В установившемся режиме работы генератора между Мвр и Мпр устанавливается равновесие  и  Мвр=Мпр.

При работе машины в режиме двигателя проводники якоря пересекают магнитное поле и в них наводится ЭДС (рис. 1.5,б). Ее направление определяется по правилу правой руки. В рассматриваемом случае она направлена против тока и, следовательно, навстречу приложенному напряжению сети U и поэтому называется противо-ЭДС Enp. Физическая природа противо-ЭДС та же, что и ЭДС генератора. В установившемся режиме работы двигателя между Enp и U устанавливается равновесие и можно считать, что Enp ≈ U .

Таким образом, при работе машины постоянного тока в любом режиме во вращающихся проводниках наводится ЭДС

Е и возникает момент М, но роль их в разных режимах различная.

Принцип действия машин постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока основан на 2-х законах:
1. Закон электромагнитной индукции: при перемещении проводника длиною l в магнитном поле с индукцией B со скоростью v, в нем возникает ЭДС (электродвижущая сила).

e=Blv

2. Закон электромагнитных сил: если проводник длиною l и с током i поместить в магнитное поле с индукцией B, на него будет действовать электромагнитная сила

f.

f=Bli

Если рамку длиной l вращать в магнитном поле с индукцией B со скоростью v, на основании закона электромагнитной индукции в сторонах рамки будет наводиться ЭДС.

Чтобы определить направление действия ЭДС пользуются правилом правой руки.

Правило правой (а) и левой (б) руки.

τ=(πD)/(2p),

где p – число пар полюсов;
D — диаметр якоря;
τ – полюсное деление, показывающее какая часть длины окружности, которую описывает рамка, приходится на 1 полюс.

Число пар полюсов машины постоянного тока всегда кратно двум.

Ток всегда имеет то же направление, что и ЭДС.

Если рамку через кольцо соединить с внешней цепью, то по внешней цепи будет течь ток, совпадающий по форме и направлению с ЭДС.

Для того, чтобы во внешней цепи протекал постоянный ток, разрезаем кольцо на два полукольца и к каждому полукольцу подсоединяем по одному концу рамки. Замена кольца на два полукольца обеспечивает во внешней цепи однонаправленный ток.

Полукольца являются прообразом коллектора машины постоянного тока. Для того, чтобы ЭДС и ток на выходе машины был постоянным, надо увеличить число рамок и число полуколец.

Таким образом, коллектор в машине постоянного тока является механическим выпрямителем, если машина работает в генераторном режиме и механическим инвертором, если машина работает в двигательном режиме.

Внутри машины постоянного тока всегда действует переменное ЭДС и по обмотке якоря протекает переменный ток.

Если к рамке подвести ток, совпадающий по направлению с ЭДС, то на каждую сторону рамки на основании закона электромагнитных сил будет действовать сила, направление действия которой определяется правилом левой руки.

Для того чтобы рамка под действием сил начала вращаться, нужно иметь две силы и плечо. Чтобы выполнить это действие, все электрические машины изготавливаются круглой формы.

Для того чтобы на зажимах генератора постоянного тока появилось напряжение, его нужно привести во вращение от постороннего источника механической энергии и подать напряжение на обмотку возбуждения, и тогда на основании закона ЭМИ (электромагнитной индукции) на выходе генератора появится ЭДС.

Если к генератору подключить нагрузку, то по якорю генератора начнет протекать ток. И как только по якорю начнет протекать ток, в якоре генератора начнет действовать закон электромагнитных сил и будет создаваться момент, приложенный на встречу механической энергии, в результате чего якорь генератора будет притормаживаться.

Таким образом, в генераторе постоянного тока, работающем под нагрузкой, действуют оба закона: закон электромагнитных сил, который ухудшает работу машины, и закон ЭМИ, являющийся основным законом, на котором основан принцип действия генератора.

Для того чтобы якорь двигателя постоянного тока начал вращаться, необходимо создать магнитный поток с помощью обмотки возбуждения и подвести к якорю напряжение, тогда по обмотке якоря начнет протекать ток и в машине начнет действовать закон электромагнитных сил, который приведет якорь во вращение.

Как только якорь начнет вращаться, начнет действовать закон ЭМИ и будет создаваться ЭДС, направленная навстречу подводимому напряжению.

Так как в машине постоянного тока независимо от режима работы действуют оба закона, одна и та же машина может работать как двигателем, так и генератором.

Машина постоянного тока обратима, т.е. одна и та же машина может работать в разных режимах, в зависимости от того, какой вид энергии к ней подводится: электрический или механический.

Машины постоянного тока: общая информация

Опубликовано:

12.06.2021

Машина постоянного тока — электрическая машина с механи­ческим коммутатором — коллектором, позволяющим осуществ­лять непрерывное электромеханическое преобразование энергии путем превращения постоянного тока в переменный (режим двига­тельный) или переменного тока в постоянный (режим генератор­ный).

Устройство тягового двигателя.

Коммутация — процесс переключения электрических цепей. В машинах постоянного тока этот процесс осуществляется пере­ключателем — коллектором. Таким образом, машины постоянного тока применяют в ка­честве двигателей и в качестве генераторов.

Машина постоянного тока состоит из неподвижной час­ти, служащей для создания главного магнитного поля, и вра­щающейся части — якоря, в которой индуцируется электро­движущая сила (ЭДС). Токи от ЭДС, взаимодействуя с главным магнитным полем, создают тормозной момент в генераторном ре­жиме и вращающий момент в двигательном.

Неподвижная часть состоит из станины, на которой укрепляются основные (главные) полюса для создания главного магнитного поля.

Якорь — часть машины, в обмотке которой, при вращении ее относительно главного магнитного поля, индуцируется ЭДС. В ма­шине постоянного тока якорь состоит из зубчатого сердечника, об­мотки, уложенной в его пазах, и коллектора, насаженного на вал якоря. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга лаком. В пазы сердечника якоря уложена обмотка якоря, состоящая из отдельных секций. Для отвода тока от коллектора служат щетки, установленные в щеткодержателях.

Якорь машины постоянного тока.

Одна из основных частей электрических машин постоянного то­ка — коллектор — полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин, которые отделены и от вала машины. Проводниками они соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря. Вращающаяся об­мотка соединяется с внешней цепью скользящим контактом между щетками и коллектором.

Важнейший классификационный признак машин постоянного тока — способ возбуждения главного магнитного поля. Для этого используется обмотка возбуждения, размещенная на сердечниках полюсов машины. Все рабочие характеристики машин постоянного тока при работе как в режиме генератора, так и в режиме двигателя зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря. Соединение этих цепей может быть параллельным, по­следовательным, смешанным, и, наконец, цепи эти могут быть не­зависимы одна от другой, в соответствии с чем принято различать параллельное, последовательное, смешанное и независимое возбуж­дение машин.

Рисунок 1. Электрические машины 2-ух типов: общепромышленного применения и специализированного назначения.

Машины постоянного тока, за исключением крупных машин предельной мощности (главным образом двигателей и генераторов, используемых в системе привода прокатных станов, блюмингов и слябингов), выпускают в нашей стране серийно. Основная серия машин общепромышленного применения — единая серия П, которая ох­ватывает весь необходимый диапазон мощностей и частот враще­ния. Кроме нее выпускают ряд других специализированных серий: тяговые, краново-металлургические, судовые, для привода вспо­могательных систем автомобилей, тракторов и самолетов, для систем автоматического регулирования и др.

Единая серия П включает в себя электрические машины 2-ух типов: общепромышленного применения (рис. 1) и специализированного назначения.

Электродвигатели общепромышленного применения допускают регулирование частоты вращения не более чем в отношении 1:2. Исполнение защищенное — машины предохранены от случайного прикосновения к вращающимся и токоведущим частям, а также от попадания внутрь посторонних предметов.

Электродвигатели специализированного назначения имеют за­крытое исполнение, которое исключает непосредственное сообще­ние между их внутренним пространством и окружающей средой. Они отличаются разнообразием механических характеристик, ши­рокими пределами регулирования частоты вращения.

Генераторы общепромышленного применения имеют параллель­ное или смешанное самовозбуждение. Применяются для питания цепей управления, электродвигателей и машин постоянного тока.

Генераторы специализированного назначения предназначены для зарядки аккумуляторных батарей, питания мощных специали­зированных двигателей постоянного тока и т.д. В зависимости от мощности машины единой серии П делятся на 3 группы: I — 0,3-200 кВт; II —200-1400 кВт; III — свыше 1400 кВт.

Электрические машины

Электрическая машина — электромеханический преобразователь, который преобразует механическую энергию в электрическую (генератор), либо электрическую энергию в механическую (электродвигатель), либо электрическую энергию с одними параметрами (напряжением, частотой и т.д.) в электрическую с другими параметрами.

В качестве энергоносителя в электрической машине может быть использовано как магнитное, так и электрическое поле. Машины, в которых для преобразования энергии используется магнитное поле, называются индуктивными, а те, в которых используется электрическое поле, — емкостными. Возможно также совместное использование магнитного и электрического полей. Такие машины называются индуктивно-емкостными.

На практике наибольшее распространение получили индуктивные машины.

Принято различать электромеханические преобразователи в зависимости от цели преобразования энергии на:

• генераторы — источники электрической энергии;
• электродвигатели — источники механической энергии;
• специальные электрические машины — электромеханические преобразователи с более сложным целевым назначением

Современные электрические машины имеют самое разнообразное конструктивное исполнение и могут реализовывать различные роды напряжения и тока, а также различные виды движения — вращательное, колебательное, линейное и т.д. Диапазон мощностей современных электрических машин составляет 10^-17 — 10⁹ Вт. На рисунке 1 показаны области распространения и зоны использования емкостных (график 1), индуктивно-емкостных (график 2) и индуктивных (график 3) электрических машин. Электрическая машина является весьма экономичным преобразователем энергии.

Рисунок 1 – Области распространения электрических машин

Для управления современными электрическими машинами используются сложные электронные системы, которые конструктивно объединяются с электромеханическим преобразователем и образуют так называемую электромеханотронную систему, выступающую как единый технический комплекс. Все это существенно расширяет функциональные возможности электрических машин и обеспечивает их широкое внедрение во все сферы производственной и бытовой деятельности человечества [1].

Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах

Закон Ампера

Согласно закону, установленному Ампером, на проводник с током в магнитном поле действует сила

,

• где F – сила, Н,
• I – сила тока, А,
• – длина проводника, м,
• B — магнитная индукция, Тл,
• — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции, град.

Направление этой силы определяется по правилу «левой руки».

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Открытие электромагнитной индукции в 1831 году Фарадеем — одно из фундаментальных открытий в электродинамики. Максвеллу принадлежит следующая углубленная формулировка закона электромагнитной индукции:

Всякое изменение магнитного поля во времени возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Циркуляция вектора напряженности E этого поля по любому неподвижному замкнутому контуру s определяется выражением [3] [4]

,

• где E – напряженность электрического поля, В/м,
• ds – элемент контура, м,
• Ф — магнитный поток, Вб,
• t — время, с

Электродвижущая сила индукции возникающая в замкнутом контуре, равна скорости изменения во времени потока магнитной индукции

,

• где – электродвижущая сила индукции, В

Знак «-» показывает, что индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Вращающаяся электрическая машина — электротехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии на основе электромагнитной индукции и взаимодействия магнитного поля с электрическим током, содержащее, по крайней мере, две части, участвующие в основном процессе преобразования и имеющие возможность вращаться или поворачиваться относительно друг друга [2].

Вращающаяся машина постоянного тока, или машина постоянного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием только постоянного электрического тока.

Вращающаяся машина переменного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием переменного электрического тока.

Виды вращающихся электрических машин

По характеру магнитного поля в основном воздушном зазоре

Одноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции во всех точках основного воздушного зазора имеет один и тот же знак.

Разноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции в различных участках основного воздушного зазора имеет разные знаки.

Явнополюсная машина — разноименнополюсная машина, в которой полюса выступают в сторону основного воздушного зазора.

Неявнополюсная машина — разноименнополюсная машина с равномерным основным воздушным зазором.

6 Машины постоянного тока

Лекция 6

Цель лекции: Ознакомление с устройством, принципом действия, режимами работы, характеристиками машины с различными системами возбуждения и видами коммутации машины постоянного тока.

6.1 Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока

Электрические машины постоянного тока используются в качестве генераторов и двигателей, но наибольшее применение имеют двигатели постоянного тока. Двигатели постоянного тока используются для привода подъемных и транспортных средств, т. к. обладают хорошими пусковыми и регулировочными свойствами, а также возможностью получения частоты вращения более 3000 об/мин. Недостатками являются высокая стоимость, сложность в изготовлении и пониженная надежность, которые обусловлены наличием в них щеточно-коллекторного узла.

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора – механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в преобразователе связана тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, т. к. только в этом случае в машине происходит процесс электромеханического преобразования энергии. Коллектор состоит из соединенных с витками обмотки якоря изолированных между собой пластин, которые, вращаясь вместе с обмоткой якоря, поочередно соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. Одна из щеток является положительной, а другая – отрицательной.

В генераторе за счет коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи, то есть ток неизменный по направлению. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина коллектора, которая соединена с проводником, находящимся под северным полюсом, а под щеткой В – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток остается неизменной независимо от положения витка якоря. Пульсации тока ослабляются с увеличением числа витков и пластин коллектора.

В соответствии с принципом обратимости электрических машин упрощенную модель машины постоянного тока можно рассмотреть в качестве двигателя. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока.

В результате взаимодействия тока с магнитным полем постоянного магнита появятся электромагнитные силы, которые создадут в якоре электромагнитный момент, вращающий якорь против часовой стрелки. После поворота якоря на 180⁰ электромагнитные силы не изменят своего направления, так как одновременно с переходом каждого из проводников якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого, в проводниках меняется направление тока. Назначение коллектора и щеток в двигателе – изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону другой полярности.

6.2 Устройство коллекторной машины постоянного тока

Отдельные узлы электрические машины постоянного тока, предназначенных для работы в различных отраслях могут иметь различную конструкцию, но общая конструкция одинакова (рисунок 6.1).

Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором, а вращающаяся – якорем.

Статор – состоит из станины 8 и главных полюсов 6. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготавливают из стали – материала, обладающего механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. По окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов 6. Главные полюса предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения и состоят из сердечников 6 и полюсных катушек 7. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник имеет полюсный наконечник, который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники полюсов выполняют шихтованными из пластин листовой электротехнической стали толщиной 1-2 мм, которые не изолируют, т. к. окисная пленка на их поверхности достаточна для ослабления вихревых токов.

Рисунок 6.1 – Устройство машины постоянного тока

В машинах малой мощности полюсные катушки делают бескаркасными, то есть наматывают медный обмоточный провод непосредственно через изоляционную прокладку на сердечник полюса. В большинстве машин полюсную катушку делают каркасной, т. е. обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник.

Якорь состоит из вала 1, сердечника 5 с обмоткой и коллектора 3.

Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из пластин электротехнической стали. Листы покрываются изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция якоря позволяет ослабить вихревые токи, которые возникают в якоре в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывается якорная обмотка. Якорную обмотку выполняют медным проводом круглого или прямоугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают, а накладывают на поверхность якоря бандаж из проволоки или стеклоленты.

Коллектор является сложным узлом машины постоянного тока. Основными элементами коллектора являются пластины трапецеидального сечения из твердотянутой меди. Эти пластины собирают так, что коллектор приобретает цилиндрическую форму. Различают два основных типа коллекторов: со стальными конусными шайбами и на пластмассе.

Нижняя часть коллекторных пластин имеет форму «ласточкин хвост». После сборки коллектора эта часть («ласточкин хвост») оказывается зажатыми между стальными шайбами, которые изолируются от коллекторных пластин миканитовыми манжетами (прокладками). Коллекторы на пластмассе применяют в машинах малой мощности, где набор медных и миканитовых пластин удерживается пластмассой, которая и образует корпус коллектора.

В процессе работы машины рабочая поверхность коллектора постепенно истирается щетками. Чтобы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью, между коллекторными пластинами фрезеруют пазы на глубину до 1,5 мм. К выступающей части коллекторных пластин в паз закладываются проводники обмотки якоря и припаиваются.

Электрический контакт с коллектором осуществляется щетками, которые располагаются в щеткодержателе. Щетка снабжается гибким тросиком для включения ее в электрическую цепь машины. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами, которые подключаются к выводам машины. Одно из главных условий бесперебойной работы машины постоянного тока – плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором. Давление на щетку должно быть отрегулировано, т. к. сильный нажим может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный нажим – искрение на коллекторе.

Кроме этих основных частей машина имеет два подшипниковых щита: передний 2 задний 9. В передней щите имеется смотровое окно с крышкой, через которое можно осмотреть коллектор и щетки не разбирая машины. Концы обмоток выведены на зажимы коробки выводов. Вентилятор 10 служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.

Классификация электрических машин | Электрикам

Электрические машины — это устройства преобразующие механическую энергию в электрическую и наоборот, а так же машины преобразующую электрическую энергию одних параметров в электрическую энергию других параметров.

Классификация электрических машин по назначению:

• генераторы
• двигатели
• тахогенераторы (для преобразования частоты вращения в электрический сигнал)
• электромашинные усилители (усилители мощности электрических сигналов)
• синхронные компенсаторы (для повышения коэффициента мощности)
• индукционные регуляторы (для регулирования напряжения переменного тока)
• сельсины (для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала)
• и т. п.

Классификация электрических машин по принципу действия:

Все электрические машины разделяются на коллекторные и бесколлекторные.

Бесколлекторные машины — это машины переменного тока — асинхронные и синхронные.

Коллекторные машины используют главным образом для работы на постоянном токе в качестве генераторов или двигателей. Лишь коллекторные машины небольшой мощности делают универсальными двигателями, способными работать как от сети постоянного, так и переменного тока.

На рисунке представлена диаграмма классификации электрических машин, содержащая основные их виды, получившие наибольшее применение в современной электроэнергетике.

Классификация электрических машин по назначению:

• общего
• специального — выполненных с учетом специальных требований.

Классификация электрических машин по мощности:

• большой — несколько сотен мегаватт
• средней — более 10 кВт
• малой — 0,5 — 10 кВт
• микромашины — меньше 0,5 кВт

 Так же электрические машины одного принципа действия могут различаться схемами включения либо другими признаками, влияющими на эксплуатационные свойства этих машин. Например, асинхронные и синхронные машины могут быть трехфазными (включаемыми в трехфазную сеть) или однофазными. Асинхронные машины в зависимости от конструкции обмотки ротора могут быть с короткозамкнутым или фазным ротором. Синхронные машины и коллекторные машины постоянного тока в зависимости от способа создания в них магнитного поля возбуждения разделяют на машины с обмоткой возбуждения и машины с постоянными магнитами.

Машины постоянного тока устройство и принцип действия

Дата публикации: 26 ноября 2011.
Категория: Статьи.

В статье рассмотрено устройство простейшей машины постоянного тока, описан ее принцип действия. Дано определение принципа обратимости электрических машин и электромагнитной мощности.

Устройство простейшей машины

На рисунке 1 представлена простейшая машина постоянного тока, а на рисунке 2 дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рисунке 1 простейшей машины имеет два полюса 1 (ярмо индуктора на рисунке 1 не показано).

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рисунке 1 и рисунке 2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

Режим генератора

Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора.

Рисунок 1. Простейшая машина постоянного тока

Рисунок 2. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)

Предположим, что якорь машины (рисунки 1 и 2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с., направление которой может быть определено по правилу правой руки (рисунок 3, а) и показано на рисунках 1 и 2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения.

Рисунок 3. Правила правой (а) и левой (б) руки

Значения индуктируемой в проводнике обмотки якоря э. д. с.

e_пр = B × l × v,

где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, то есть та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v – линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с., которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины

Eа = 2 × eпр = 2 × B × l × v.

(1)

Э. д. с. E_а является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции B вдоль воздушного зазора (рисунок 4, а).

Частота э. д. с. f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду:

f = n,

а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью,

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток I_а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. (рисунок 4, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рисунок 1) на 90° и изменении направления э. д. с. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

Рисунок 4. Кривые э. д. с. и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)

Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Изменив знак второго полупериода кривой на рисунке 4, а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рисунок 4, б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по значению ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор. Однако основные свойства машины постоянного тока могут быть установлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше E_а на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря r_а:

Uа = Eа – Iа × rа.

(3)

Проводники обмотки якоря I_а с током находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рисунок 2, а)

Fпр = B × l × Iа,

(4)

направление которых определяется по правилу левой руки (рисунок 3, б). Эти силы создают механический момент , который называется электромагнитным моментом и на рисунке 2, а равен

Mэм = Fпр × Dа = B × l × Dа × Iа,

(5)

где D_а – диаметр якоря. Как видно из рисунка 2, а, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы F_пр и возникнет электромагнитный момент M_эм. Величины F_пр и M_эм, как и для генератора, определяются равенствами (4) и (5). При достаточном значении M_эм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент M_эм при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направление вращения генератора (рисунок 2, а) и двигателя (рисунок 2, б) были одинаковы, то направление действия , а следовательно, и направление тока I_а у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рисунок 2, б).

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве инвертора тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. E_а, значение которой определяется равенством (1).

Направление этой э. д. с. в двигателе (рисунок 2, б) такое же, как и в генераторе (рисунок 2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря E_а направлена против тока I_а и приложенного к зажимам якоря напряжения U_а. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. E_а и падением напряжения в обмотке якоря:

Uа = Eа + Iа × rа.

(6)

Из сравнения равенств (3) и (6) видно, что в генераторе U_а < E_а , а в двигателе U_а > E_а.

Принцип обратимости

Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.

Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.

Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.

Преобразование энергии

На рисунке 5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Рисунок 5. Направление э. д. с., тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозные вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

Mэм = Mв — Mтр — Mс,

(7а)

где M_в – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, M_тр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, M_с – тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

Mэм = Mв + Mтр + Mс,

(7б)

где M_в – тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе M_эм является тормозным, а в двигателе – вращающим моментом, причем в обоих случаях M_в и M_эм противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом M_эм мощность P_эм называется электромагнитной мощностью и равна

где

представляет собой угловую скорость вращения.

Подставим в выражение (8) значение M_эм и Ω из равенств (5) и (9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря

Тогда получим

Pэм = 2 × B × l × Dа × Iа × π × n = 2 × B × l × v × Iа

или на основании выражения (1)

В обмотке якоря под действием э. д. с. E_а и тока I_а развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Согласно равенствам (10) и (11), P_эм = P_а, т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Умножим соотношения (3) и (6) на I_а. Тогда для генератора будем иметь

Uа × Iа = Eа × Iа – Iа2 × rа

(12)

и для двигателя

Uа × Iа = Eа × Iа + Iа2 × rа.

(13)

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.

Хотя приведенные соотношения получены для простейшей машины постоянного тока (рисунок 1), они действительны и в общем случае при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь, превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.

Установленные выше применимо к машине постоянного тока общие закономерности превращения энергии в равной степени относятся также к машинам переменного тока.

Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Что такое машина постоянного тока? Базовая конструкция и эквивалентная схема

A DC Machine — это электромеханическое устройство преобразования энергии . Есть два типа машин постоянного тока; один — это генератор постоянного тока , а другой известен как двигатель постоянного тока .

Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию (ωT) в электрическую энергию постоянного тока (EI), тогда как двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. Электродвигатель переменного тока неизменно применяется в промышленности для преобразования электроэнергии в механическую, но там, где требуется широкий диапазон скоростей и хорошее регулирование скорости, например, в системах электрической тяги, используется электродвигатель постоянного тока.

Конструкция двигателя постоянного тока и генератора почти одинакова. Генератор используется очень защищенным способом. Отсюда и есть открытый тип конструкции. Но двигатель используется в местах, где они подвергаются воздействию пыли и влаги, и, следовательно, для него требуются кожухи, например, грязеотталкивающие, огнестойкие и т. Д. В соответствии с требованиями.

Хотя аккумулятор является важным источником электроэнергии постоянного тока, он может подавать только ограниченную мощность на любые машины. Есть некоторые области применения, где требуется большое количество энергии постоянного тока, например гальваника, электролиз и т. Д.Следовательно, в таких местах для подачи энергии используются генераторы постоянного тока.

Базовая конструкция электрических машин

Вращающаяся электрическая машина или машина постоянного тока состоит в основном из двух частей; один — Stator , а другой — Rotar . Статор и ротор отделены друг от друга воздушным зазором. Статор является внешней рамой машины и неподвижен. Ротор может свободно двигаться и является внутренней частью машины.

Статор и ротор изготовлены из ферромагнитных материалов.Прорези прорезаны на внутренней периферии статора и внешней периферии ротора. Проводники помещаются в пазы статора или ротора. Они соединены между собой и образуют обмотки.

Обмотки, в которых индуцируется напряжение, называются обмотками якоря . Обмотка, через которую пропускается ток для создания основного потока, называется Обмотка возбуждения . Для обеспечения основного потока в некоторых машинах также используются постоянные магниты.

Эквивалентная схема якоря машины постоянного тока

Якорь генератора постоянного тока может быть представлен эквивалентной электрической схемой.Он может быть представлен тремя последовательно соединенными элементами E, Ra и Vb.

Эквивалентная схема якоря генератора постоянного тока показана ниже на рисунке:

Эквивалентная схема якоря двигателя постоянного тока показана ниже на рисунке:

Элемент E на эквивалентных схемах представляет собой генерируемое напряжение, Ra — сопротивление якоря, а Vb — падение напряжения на контакте щетки.

Электрогенератор | инструмент | Британника

Полная статья

Электрогенератор , также называемый динамо , любая машина, которая преобразует механическую энергию в электричество для передачи и распределения по линиям электропередач бытовым, коммерческим и промышленным потребителям.Генераторы также производят электроэнергию, необходимую для автомобилей, самолетов, кораблей и поездов.

Механическая мощность для электрического генератора обычно получается от вращающегося вала и равна крутящему моменту вала, умноженному на вращательную или угловую скорость. Механическая энергия может поступать из ряда источников: гидротурбины на плотинах или водопадах; Ветряные турбины; паровые турбины, использующие пар, получаемый за счет тепла сгорания ископаемого топлива или ядерного деления; газовые турбины, сжигающие газ непосредственно в турбине; или бензиновые и дизельные двигатели.Конструкция и скорость генератора могут значительно различаться в зависимости от характеристик механического первичного двигателя.

Почти все генераторы, используемые для электроснабжения сетей, вырабатывают переменный ток, полярность которого меняется на фиксированную частоту (обычно 50 или 60 циклов или двойное переключение в секунду). Поскольку несколько генераторов подключены к электросети, они должны работать на одной и той же частоте для одновременной генерации. Поэтому они известны как синхронные генераторы или, в некоторых случаях, генераторы переменного тока.

Генераторы синхронные

Основная причина выбора переменного тока для электрических сетей заключается в том, что его постоянное изменение во времени позволяет использовать трансформаторы. Эти устройства преобразуют электрическую энергию при любом напряжении и токе, которые она генерирует, в высокое напряжение и низкий ток для передачи на большие расстояния, а затем преобразуют ее в низкое напряжение, подходящее для каждого отдельного потребителя (обычно 120 или 240 вольт для бытовых нужд). Частной формой переменного тока является синусоида, которая имеет форму, показанную на рисунке 1.Это было выбрано, потому что это единственная повторяющаяся форма, для которой две волны, смещенные друг от друга во времени, могут быть добавлены или вычтены, и в результате получится одна и та же форма. В идеале все напряжения и токи должны иметь синусоидальную форму. Синхронный генератор разработан для получения этой формы с максимальной точностью. Это станет очевидным, когда ниже будут описаны основные компоненты и характеристики такого генератора.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.Подпишитесь сейчас

Ротор

Элементарный синхронный генератор показан в разрезе на рис. 2. Центральный вал ротора соединен с механическим первичным двигателем. Магнитное поле создается проводниками или катушками, намотанными в пазы, вырезанные на поверхности цилиндрического железного ротора. Этот набор катушек, соединенных последовательно, известен как обмотка возбуждения. Положение катушек возбуждения таково, что направленная наружу или радиальная составляющая магнитного поля, создаваемого в воздушном зазоре к статору, приблизительно синусоидально распределяется по периферии ротора.На рисунке 2 плотность поля в воздушном зазоре максимальна снаружи вверху, максимальна внутрь внизу и равна нулю с двух сторон, что соответствует синусоидальному распределению.

Элементарный синхронный генератор.

Британская энциклопедия, Inc.

Статор простейшего генератора на рисунке 2 состоит из цилиндрического кольца из железа, обеспечивающего легкий путь для магнитного потока. В этом случае статор содержит только одну катушку, причем две стороны размещены в пазах в утюге, а концы соединены вместе изогнутыми проводниками по периферии статора.Катушка обычно состоит из нескольких витков.

Когда ротор вращается, в обмотке статора индуцируется напряжение. В любой момент величина напряжения пропорциональна скорости, с которой магнитное поле, окруженное катушкой, изменяется со временем, то есть скорости, с которой магнитное поле проходит через две стороны катушки. Таким образом, напряжение будет максимальным в одном направлении, когда ротор повернут на 90 ° от положения, показанного на рисунке 2, и будет максимальным в противоположном направлении на 180 ° позже.Форма волны напряжения будет примерно синусоидальной формы, показанной на рисунке 1.

Роторная конструкция генератора на рисунке 2 имеет два полюса: один для магнитного потока, направленного наружу, и соответствующий полюс для потока, направленного внутрь. Одна полная синусоида индуцируется в обмотке статора за каждый оборот ротора. Таким образом, частота электрического выходного сигнала, измеренная в герцах (циклах в секунду), равна скорости вращения ротора в оборотах в секунду. Чтобы обеспечить подачу электроэнергии с частотой 60 Гц, например, первичный двигатель и скорость ротора должны быть 60 оборотов в секунду или 3600 оборотов в минуту.Это удобная скорость для многих паровых и газовых турбин. Для очень больших турбин такая скорость может быть чрезмерной из-за механического напряжения. В этом случае ротор генератора спроектирован с четырьмя полюсами, разнесенными с интервалом 90 °. Напряжение, индуцированное в катушке статора, которая охватывает аналогичный угол 90 °, будет состоять из двух полных синусоид на оборот. Таким образом, требуемая частота вращения ротора для частоты 60 Гц составляет 1800 оборотов в минуту. Для более низких скоростей, например, используемых в большинстве водяных турбин, можно использовать большее количество пар полюсов.Возможные значения частоты вращения ротора в оборотах в минуту равны 120 f / p , где f — частота, а p — количество полюсов.

Как работает двигатель постоянного тока?

Теоретически одна и та же машина постоянного тока может использоваться в качестве двигателя или генератора. Следовательно, конструкция двигателя постоянного тока такая же, как и у генератора постоянного тока.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Электродвигатель — это электрическая машина, преобразующая электрическую энергию в механическую.Основной принцип работы двигателя постоянного тока : « всякий раз, когда проводник с током помещается в магнитное поле, он испытывает механическую силу». Направление этой силы определяется правилом левой руки Флеминга, а ее величина определяется как F = BIL. Где B = плотность магнитного потока, I = ток и L = длина проводника в магнитном поле.

Правило левой руки Флеминга : Если мы вытянем первый, второй и большой пальцы левой руки перпендикулярно друг другу, а направление магнитного поля будет представлено первым пальцем, направление тока будет представлено как второй палец, затем большой палец представляет направление силы, действующей на проводник с током.

Анимация: Работа двигателя постоянного тока (кредит: Lookang)

Анимация, приведенная выше, помогает понять принцип работы двигателя постоянного тока . Когда обмотки якоря подключены к источнику постоянного тока, в обмотке возникает электрический ток. Магнитное поле может создаваться обмоткой возбуждения (электромагнетизм) или постоянными магнитами. В этом случае проводники якоря с током испытывают действие магнитного поля в соответствии с принципом, изложенным выше.

Коммутатор

выполнен сегментированным для достижения однонаправленного крутящего момента. В противном случае направление силы менялось бы каждый раз, когда направление движения проводника менялось на противоположное в магнитном поле. Так работает двигатель постоянного тока !

Задняя ЭДС

Согласно фундаментальным законам природы, преобразование энергии невозможно, пока не появится что-то, что препятствует преобразованию. В случае генераторов это противодействие обеспечивается магнитным сопротивлением, а в случае двигателей постоянного тока — противоэдс .

Когда якорь двигателя вращается, проводники также разрезают линии магнитного потока и, следовательно, согласно закону электромагнитной индукции Фарадея, в проводниках якоря индуцируется ЭДС. Направление этой наведенной ЭДС таково, что она противодействует току якоря (I _a ). На схеме ниже показано направление обратной ЭДС и тока якоря . Величина обратной ЭДС может быть задана уравнением ЭДС генератора постоянного тока.

Значение обратной ЭДС:

Величина обратной ЭДС прямо пропорциональна скорости двигателя. Представьте, что нагрузка на двигатель постоянного тока внезапно уменьшилась. В этом случае требуемый крутящий момент будет мал по сравнению с текущим крутящим моментом. Скорость двигателя начнет увеличиваться из-за превышения крутящего момента. Следовательно, величина обратной ЭДС пропорциональна скорости. С увеличением обратной ЭДС ток якоря начнет уменьшаться. Поскольку крутящий момент пропорционален току якоря, он также будет уменьшаться, пока не станет достаточным для нагрузки.Таким образом, скорость мотора будет регулироваться.

С другой стороны, если двигатель постоянного тока внезапно нагружается, эта нагрузка вызовет снижение скорости. Из-за уменьшения скорости обратная ЭДС также уменьшится, что приведет к увеличению тока якоря. Повышенный ток якоря увеличит крутящий момент, чтобы удовлетворить требованиям нагрузки. Следовательно, наличие обратной ЭДС делает двигатель постоянного тока «саморегулирующимся» .

Типы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока обычно классифицируются в зависимости от конфигурации возбуждения:

• С отдельным возбуждением (обмотка возбуждения питается от внешнего источника)
• с самовозбуждением —
• Последовательная обмотка (обмотка возбуждения включена последовательно с якорем)
• Шунтовая обмотка (обмотка возбуждения включена параллельно якорю)
• Сложная рана —

См. Схему классификации машин постоянного тока здесь.

Машина постоянного тока — конструкция, работа, типы, уравнение электромагнитного поля и приложения

Машины постоянного тока можно разделить на два типа: двигатели постоянного тока и генераторы постоянного тока . Большинство машин постоянного тока эквивалентны машинам переменного тока, потому что они включают в себя как переменные токи, так и переменные напряжения. Выход машины постоянного тока — это выход постоянного тока, потому что они преобразуют напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока. Преобразование этого механизма известно как коммутатор, поэтому эти машины также называются коммутаторами.Машина постоянного тока чаще всего используется в качестве двигателя. Основные преимущества этой машины включают регулировку крутящего момента, а также легкую скорость. Применение машины постоянного тока ограничено поездами, мельницами и шахтами. Например, в вагонах метро и троллейбусах могут использоваться двигатели постоянного тока. В прошлом в автомобилях были установлены динамо-машины постоянного тока для зарядки батарей.

Что такое машина постоянного тока?

Машина постоянного тока — это электромеханическое устройство для преобразования энергии.Принцип работы машины постоянного тока заключается в том, что электрический ток протекает через катушку в магнитном поле, а затем магнитная сила создает крутящий момент, который вращает двигатель постоянного тока. Машины постоянного тока подразделяются на два типа, такие как генератор постоянного тока и двигатель постоянного тока.

Машина постоянного тока

Основной функцией генератора постоянного тока является преобразование механической энергии в электрическую мощность постоянного тока, тогда как двигатель постоянного тока преобразует мощность постоянного тока в механическую энергию. Электродвигатель переменного тока часто используется в промышленных приложениях для преобразования электрической энергии в механическую.Однако двигатель постоянного тока применим там, где необходимо хорошее регулирование скорости и широкий диапазон скоростей, например, в системах электрических транзакций.

Конструкция машины постоянного тока

Конструкция машины постоянного тока может быть выполнена с использованием некоторых основных частей, таких как ярмо, полюсный сердечник и полюсные наконечники, полюсная катушка и обмотка возбуждения, сердечник якоря, обмотка якоря или проводник, коммутатор, щетки и подшипники. Некоторые из частей машины постоянного тока обсуждаются ниже.

Конструкция машины постоянного тока

Хомут

Другое название ярма — рама. Основная функция ярма в машине — обеспечить механическую опору, предназначенную для столбов, и защитить всю машину от влаги, пыли и т. Д. Материалы, используемые в ярме, изготовлены из чугуна, литой стали или прокатной стали.

Полюс и полюс сердечник

Полюс машины постоянного тока представляет собой электромагнит, а обмотка возбуждения намотана между полюсами. Когда обмотка возбуждения находится под напряжением, полюс дает магнитный поток.Материалы, используемые для этого, — литая сталь, чугун или сердечник полюса. Он может быть изготовлен из отожженных стальных пластин для уменьшения падения мощности из-за вихревых токов.

Кеды

Башмак для столба в машине постоянного тока является обширной деталью, а также для увеличения области полюса. Из-за этой области поток может распространяться внутри воздушного зазора, а также дополнительный поток может проходить через воздушное пространство к якорю. Материал, используемый для изготовления полюсного башмака, — это чугун, в противном случае — литой конь, а также использовалась пластина из отожженной стали, чтобы уменьшить потери мощности из-за вихревых токов.

Обмотки возбуждения

В этом случае обмотки намотаны в области полюсного сердечника и называются катушкой возбуждения. Когда ток подается через обмотку возбуждения, он приводит в действие полюсы, которые создают необходимый магнитный поток. Материал обмоток возбуждения — медь.

Сердечник якоря

Сердечник арматуры включает в себя огромное количество слотов по краю. В этих пазах находится провод якоря. Он обеспечивает путь с низким сопротивлением к потоку, создаваемому обмоткой возбуждения.Материалы, используемые в этом сердечнике, представляют собой материалы с низкой магнитной проницаемостью, такие как литое железо. Ламинирование используется для уменьшения потерь из-за вихревых токов.

Обмотка якоря

Обмотка якоря может быть образована путем соединения между собой проводников якоря. Когда обмотка якоря поворачивается с помощью первичного двигателя, в ней индуцируется как напряжение, так и магнитный поток. Эта обмотка подключена к внешней цепи. Материалы, используемые для этой обмотки, представляют собой проводящий материал, такой как медь.

Коммутатор

Основная функция коммутатора в машине постоянного тока — собирать ток с проводника якоря, а также подавать ток на нагрузку с помощью щеток. А также обеспечивает однонаправленный крутящий момент для двигателя постоянного тока. Коммутатор может быть построен с огромным количеством сегментов в форме ребра жестко тянутой меди. Сегменты в коммутаторе защищены тонким слоем слюды.

Кисти

Щетки в машине постоянного тока собирают ток от коммутатора и подают его на внешнюю нагрузку.Щетки изнашиваются со временем, чтобы часто проверять. В щетках используются графит, в противном случае — углерод, имеющий прямоугольную форму.

Типы машин постоянного тока

Возбуждение машины постоянного тока подразделяется на два типа: раздельное возбуждение и самовозбуждение. В машинах постоянного тока с отдельным типом возбуждения катушки возбуждения активируются отдельным источником постоянного тока. В машине постоянного тока с самовозбуждением ток через обмотку возбуждения подается вместе с машиной.Основные типы машин постоянного тока подразделяются на четыре типа, включая следующие.

• Машина постоянного тока с независимым возбуждением
• Шунтирующий / шунтирующий аппарат.
• Станок для намотки / серии.
• Машина для комплексных обмоток / смешанных обмоток.

с раздельным возбуждением

В машине с независимым возбуждением постоянного тока для активации катушек возбуждения используется отдельный источник постоянного тока.

Шунтирующая рана

В машинах постоянного тока с шунтирующей обмоткой полевые катушки соединены параллельно через якоря .Поскольку шунтирующее поле получает полное напряжение o / p генератора, иначе — напряжение питания двигателя, оно обычно состоит из огромного количества витков тонкой проволоки с небольшим током возбуждения.

Обмотка серии

В машинах постоянного тока с последовательной намоткой катушки возбуждения соединены последовательно через якорь. Поскольку последовательная обмотка возбуждения получает ток якоря, а также большой ток якоря, в связи с этим последовательная обмотка возбуждения включает в себя несколько витков проволоки с большим поперечным сечением.

Многослойная рана

Составная машина включает в себя как последовательные, так и шунтирующие поля. Две обмотки подключены к каждому полюсу машины. Последовательная намотка машины включает в себя несколько витков огромной области поперечного сечения, а также шунтирующие обмотки, включающие несколько витков тонкой проволоки.

Подключение составной машины можно выполнить двумя способами. Если шунтирующее поле соединено параллельно только якорем, то машину можно назвать « короткой шунтирующей составной машиной », и если шунтирующее поле соединено параллельно как арматурой, так и последовательным полем, тогда машина называется «машина с длинным шунтом».

Уравнение ЭДС машины постоянного тока

Машина постоянного тока e.m.f может быть определена как когда якорь в машине постоянного тока вращается, напряжение может генерироваться внутри катушек. В генераторе ЭДС вращения можно назвать генерируемой ЭДС, а Er = Eg. В двигателе ЭДС вращения можно назвать противодействующей или противоэдс, а Er = Eb.

Пусть Φ — полезный поток для каждого полюса в пределах webers

P — общее количество полюсов

z — общее количество проводников внутри якоря

n — частота вращения якоря в оборот за секунду

А — это нет.параллельных полос по всей арматуре между щетками противоположной полярности.

Z / A — это нет. проводов якоря в серии для каждой параллельной полосы

Поскольку магнитный поток для каждого полюса равен ‘Φ’, каждый проводник режет магнитный поток ‘PΦ’ за один оборот.

Напряжение, создаваемое для каждого проводника = наклон потока на каждый оборот в WB / Время, затраченное на один оборот в секундах

Поскольку «n» оборотов совершаются за одну секунду, а 1 оборот будет выполнен за 1 / n секунду.Таким образом, время одного оборота якоря составляет 1 / нсек.

Нормативное значение производимого напряжения для каждого проводника

p Φ / 1 / n = np Φ вольт

Вырабатываемое напряжение (E) может быть определено с помощью количества проводов якоря в серии I на любой отдельной дорожке между щетками, таким образом, создаваемое напряжение в целом

E = стандартное напряжение для каждого проводника x № проводов в серии для каждой полосы

E = n.P.Φ x Z / A

Вышеупомянутое уравнение — это e.м.ф. уравнение машины постоянного тока.

Машина постоянного тока против машины переменного тока

Разница между двигателем переменного тока и двигателем постоянного тока заключается в следующем.

. Двигатель постоянного тока Двигатели постоянного тока

Двигатель переменного тока	Двигатель постоянного тока
Двигатель переменного тока — это электрическое устройство, которое приводится в действие от сети переменного тока	— это один из видов вращающихся двигателей, используемых для преобразования энергии постоянного тока в механическую.
Они подразделяются на два типа, такие как синхронные и асинхронные двигатели.	Эти двигатели доступны в двух типах, например, щеточные двигатели.
Электродвигатель переменного тока питается от переменного тока	Входное питание двигателя постоянного тока — постоянный ток
В этом моторе нет щеток и коммутаторов.	В этом двигателе присутствуют угольные щетки и коммутаторы.
Входные фазы питания двигателей переменного тока одно- и трехфазные	Входные фазы питания двигателей постоянного тока однофазные
Характеристики якоря двигателей переменного тока: якорь неактивен, а магнитное поле вращается.	Характеристики якоря двигателей постоянного тока: якорь вращается, а магнитное поле остается неактивным.
Он имеет три входных терминала, таких как RYB.	Он имеет две входные клеммы, такие как положительный и отрицательный
Управление скоростью двигателя переменного тока может осуществляться путем изменения частоты.	Управление скоростью двигателя постоянного тока может осуществляться путем изменения тока обмотки якоря
КПД двигателя переменного тока ниже из-за потери индукционного тока и скольжения двигателя.	Эффективность двигателя постоянного тока высока из-за отсутствия индукционного тока и скольжения.
Не требует обслуживания	Требуется обслуживание
Двигатели переменного тока используются везде, где требуется высокая скорость, а также переменный крутящий момент.	используются везде, где требуется регулируемая скорость, а также высокий крутящий момент.
На практике они используются в крупных отраслях промышленности	На практике они используются в бытовой технике

Потери в машине постоянного тока

Мы знаем, что основная функция машины постоянного тока — преобразовывать механическую энергию в электрическую.При использовании этого метода преобразования вся входная мощность не может быть преобразована в выходную мощность из-за потерь мощности в различных формах. Тип потери может меняться от одного устройства к другому. Эти потери снизят эффективность устройства, а также увеличат температуру. Потери энергии в машинах постоянного тока можно разделить на электрические, в противном случае — потери в меди, потери в сердечнике или потери в железе, механические потери, потери в щетках и потери из-за рассеянной нагрузки.

Преимущества машины постоянного тока

К достоинствам этой машины можно отнести следующее.

• Машины постоянного тока, такие как двигатели постоянного тока, имеют различные преимущества, такие как высокий пусковой крутящий момент, реверсирование, быстрый запуск и остановка, изменяемые скорости через входное напряжение
• Они очень легко контролируются, а также дешевле по сравнению с AC
.
• Регулировка скорости хорошая
• Крутящий момент высокий
• Работа бесшовная
• Без гармоник
• Простота установки и обслуживания

Применение машины постоянного тока

В настоящее время производство электроэнергии может производиться в больших объемах в форме переменного тока (переменного тока).Следовательно, использование машин постоянного тока, таких как двигатели и генераторы, генераторы постоянного тока чрезвычайно ограничено, поскольку они используются в основном для обеспечения возбуждения генераторов переменного тока крошечного и среднего диапазона. В промышленности машины постоянного тока используются для различных процессов, таких как сварка, электролитика и т. Д.

Обычно генерируется переменный ток, который затем преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителей. Следовательно, генератор постоянного тока подавляется с помощью источника переменного тока, который выпрямляется для использования в нескольких приложениях.Двигатели постоянного тока часто используются в качестве приводов с регулируемой скоростью и там, где происходят серьезные изменения крутящего момента.

Применение машины постоянного тока в качестве двигателя используется путем разделения на три типа, таких как последовательные, шунтирующие и составные, тогда как применение машины постоянного тока в качестве генератора подразделяется на генераторы с раздельным возбуждением, последовательные и шунтирующие генераторы.

Таким образом, речь идет о машинах постоянного тока. Из приведенной выше информации, наконец, мы можем сделать вывод, что машины постоянного тока — это генератор постоянного тока и двигатель постоянного тока.Генератор постоянного тока в основном используется для подачи источников постоянного тока к машине постоянного тока на электростанциях. В то время как двигатель постоянного тока приводит в действие некоторые устройства, такие как токарные станки, вентиляторы, центробежные насосы, печатные машины, электровозы, подъемники, краны, конвейеры, прокатные станы, авто-рикши, льдогенераторы и т. Д. Вот вопрос к вам, что такое коммутация в машина постоянного тока?

Машина постоянного тока — конструкция, работа, типы и применение

Устройство, классификация и применение машины постоянного тока

В зависимости от источника питания электрические машины подразделяются на два типа; Машина переменного тока и машина постоянного тока.Например, двигатели постоянного тока, генератор постоянного тока и т. Д.

Что такое машина постоянного тока?

Машина постоянного тока — это электромеханическое устройство, которое используется для преобразования электрической энергии в механическую или наоборот.

Машина постоянного тока, используемая для преобразования электрической энергии в механическую, известная как двигатель постоянного тока и , машина постоянного тока, используемая для преобразования механической энергии в электрическую, известная как генератор постоянного тока . Одна и та же машина может использоваться как двигатель или генератор.Конструкция одинакова для двигателя постоянного тока и генератора постоянного тока.

Работа машины постоянного тока

Принцип работы и работа машины постоянного тока основаны на эффекте, когда катушки проводника с током лежат в магнитном поле, магнитное поле создает на них механическую силу, известную как вращающий момент. катушки проводника в магнитном поле. Направление этого создаваемого крутящего момента можно найти с помощью правила для левой руки Флеминга (большой палец — это сила).Создаваемую силу можно рассчитать следующим образом.

F = BIL

Где:

• F = Величина создаваемой силы
• B = Плотность магнитного потока
• I = Ток
• L = Длина проводника

Конструкция машины постоянного тока

Машина постоянного тока состоит из ярма, полюса и башмака полюса, сердечника якоря, обмотки возбуждения, обмотки якоря, коммутатора, щеток, вала и подшипников. Давайте подробно объясним каждую часть с приложениями.

Хомут также известен как рама. Он покрывает внутренние части машины. Ярмо изготовлено из магнитного материала с низким сопротивлением, такого как железо и кремнистая сталь. Как правило, ярмо изготавливается из железа, поскольку железо является более экономичным материалом, чем сталь.

Хомут используется для механической защиты машины. Второе применение ярма заключается в том, что оно обеспечивает путь потока с низким сопротивлением. Итак, поток завершает свой путь через ярмо.

Обмотка возбуждения размещена на опоре.Когда ток проходит через обмотку возбуждения, он создает электрическое магнитное поле и ведет себя как электромагнит. Полюсные башмаки расширяют поток во всей машине.

Для уменьшения потерь на вихревые токи полюсные и полюсные наконечники ламинированы. Для небольшой машины полюс не нужно ламинировать. Он изготовлен из тонкой литой стали.

Полюс используется для обеспечения корпуса обмотки возбуждения и создания магнитного потока внутри машины. Полюсные башмаки используются для поддержки обмотки возбуждения и предотвращения соскальзывания с полюса.

Обмотка, раненная на полюс, известна как обмотка возбуждения. Внешний источник постоянного тока или выход машины используется для возбуждения обмотки возбуждения.

Изготовлен из меди и алюминия. В большинстве случаев обмотка сделана из меди, но если учесть стоимость, используется алюминий.

Когда через катушку проходит постоянный ток, он создает электромагнитное поле (ЭДС). И он намагнитит полюс и создаст магнитный поток.Поток, создаваемый полюсом, прямо пропорционален току возбуждения. И потока больше, чтобы пересечь воздушный зазор между якорем и полюсными наконечниками.

Сердечник якоря имеет цилиндрическую форму и соединен шпонкой с валом. Итак, это вращающаяся часть машины постоянного тока.

Сердечник якоря состоит из ряда пазов на внешней периферии. Он состоит из материала с низким сопротивлением и высокой проницаемости, такого как чугун или стальное литье. Сердечник якоря ламинирован для уменьшения вихревого тока.

На сердечнике якоря имеются отверстия для отвода тепла от машины. В пазах якоря размещается обмотка якоря.

Обмотка якоря размещается в пазах сердечника якоря. Он состоит из меди. Обмотка якоря связана с магнитным потоком и индуцирует вращающийся магнитный поток.

По подключению различают два типа обмоток; Обмотка внахлест и волновая обмотка

При намотке внахлест проводники якоря делятся на группы по количеству полюсов P.Все группы жил соединены параллельно и в одну группу, все жилы соединены последовательно.

Для намотки внахлест количество параллельных цепей (A) совпадает с количеством полюсов (P). Поэтому при намотке внахлест количество параллельных дорожек больше. Благодаря этому он способен обеспечивать больший ток нагрузки.

Таким образом, обмотка внахлест используется для низковольтных и сильноточных приложений.

В волновой обмотке все проводники соединены последовательно, образуя единую петлю.Для волновой обмотки, независимо от количества полюсов, количество параллельных путей всегда равно двум.

Таким образом, при волновой намотке доступно меньшее количество параллельных путей по сравнению с намоткой внахлест. Волновая обмотка используется для высоковольтной машины постоянного тока с низким током.

Коммутатор установлен на валу машины. Проводники якоря вращаются. Коммутатор служит для соединения вращающегося провода якоря со стационарной внешней цепью.

Преобразует переменный крутящий момент, создаваемый в якоре, в однонаправленный крутящий момент.Другими словами, он преобразует крутящий момент переменного тока в крутящий момент постоянного тока. Итак, он работает аналогично выпрямителю.

Состоит из ряда сегментов из твердотянутой меди для уменьшения износа и истирания. Потому что он соединяет вращающуюся часть с неподвижной. Все сегменты изолированы друг от друга тонким слоем слюдяных, бумажных или пластиковых изоляторов.

Коммутатор подключал внешнюю цепь через щетки. Щетки используются для отвода тока от проводников якоря.

В большинстве случаев щетки состоят из угля для малых машин и электрографитовых щеток, используемых для больших машин.

Щетки удерживают поверхность коллектора пружинами и имеют прямоугольную форму.

Вал, используемый для передачи механической энергии. Если машина используется в качестве двигателя постоянного тока, механическая мощность передается от двигателя к нагрузке. А если машина используется в качестве генератора постоянного тока, механическая энергия передается от первичного двигателя к машине.

Подшипники используются на конце вала. Трение между вращающейся частью и неподвижной частью уменьшено с помощью подшипников.

Подшипник изготовлен из любого твердого материала, например из углеродистой стали. В машине постоянного тока используется шарнирное или роликовое ограждение.

Классификация машин постоянного тока

Существуют различных типов машин постоянного тока , такие как серийные, шунтирующие, короткие шунтирующие соединения и длинные шунтирующие соединения.

По методу возбуждения поля машины постоянного тока классифицируются как; Между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря нет физической связи.

В машинах с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от отдельного источника питания.

Машина постоянного тока с самовозбуждением

В этом типе машины постоянного тока обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены друг с другом. Рабочие характеристики машины зависят от соединения между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря.

По соединению обмотки возбуждения и обмотки якоря машины постоянного тока классифицируются как:

• Машина постоянного тока серии
• Машина постоянного тока с параллельной обмоткой
• Машина постоянного тока с комбинированной обмоткой

Машина постоянного тока серии

В этом типе машины постоянного тока обмотка возбуждения соединена последовательно с обмотка якоря.Из-за последовательного соединения весь ток нагрузки (ток якоря) будет проходить от обмотки возбуждения. И этот ток большой.

Итак, последовательная обмотка возбуждения спроектирована с меньшим количеством витков толстого провода для уменьшения сопротивления.

Машина постоянного тока с шунтирующей обмоткой

В этом типе машины постоянного тока обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря. Из-за параллельного включения на обмотку возбуждения подается полное напряжение.Поэтому шунтирующая обмотка имеет большое количество витков с высоким сопротивлением.

Ток через обмотку возбуждения очень мал. Это всего 5% от номинального тока якоря.

Машина постоянного тока со смешанной обмоткой

В этом типе машины постоянного тока используются две обмотки возбуждения. Одна обмотка включена последовательно, а вторая обмотка включена параллельно обмотке якоря.

Составная машина постоянного тока с обмоткой также подразделяется на два типа;

Короткий шунт

Если обмотка возбуждения подключена параллельно только обмотке якоря, машина называется машиной постоянного тока с коротким шунтом и составной обмоткой.

Длинный шунт

Если обмотка возбуждения подключена параллельно с комбинацией последовательной обмотки возбуждения и обмотки якоря, машина называется машиной постоянного тока с составной обмоткой с длинным шунтом.

Применение машин постоянного тока

Использование электроэнергии увеличивается день ото дня. Из-за этого также увеличивается использование электрических машин.

Как правило, машины постоянного тока используются для возбуждения генератора переменного тока, а также во многих областях, таких как сварочный процесс, приводы электродвигателей с регулируемой скоростью, электролитические и гальванические процессы.

Малые машины постоянного тока используются в качестве устройства управления, например, для измерения скорости, позиционирования и отслеживания.

Применение машины постоянного тока в качестве двигателя

Двигатели постоянного тока делятся на три типа; Серийный двигатель, параллельный двигатель и составной двигатель.

Двигатели данной серии используются там, где необходим высокий пусковой момент и возможно изменение скорости.

Пример — пылесос, воздушный компрессор, краны, тяговая система и т. Д.

Параллельный двигатель используется в приложениях, где пусковой момент больше не требуется и работает с постоянной скоростью.

Пример — конвейер, подъемник, вентиляторы, токарный станок, прядильная машина, центробежный насос и т. Д.

Составные двигатели используются в приложениях, где требуется более высокий пуск с постоянной скоростью.

Примеры — прокатные станы, элеваторы, конвейеры, прессы и т. Д.

Применение машины постоянного тока в качестве генератора

Генераторы постоянного тока классифицируются как генераторы постоянного тока с независимым возбуждением, генераторы с параллельной обмоткой и генераторы с последовательной обмоткой.

• Генератор постоянного тока с отдельным возбуждением

Этот тип генератора постоянного тока используется для испытаний в лабораториях.Потому что он имеет широкий диапазон входного напряжения. Он также используется в качестве источника питания для двигателя постоянного тока.

Этот тип генератора используется для зарядки аккумулятора и обеспечения возбуждения генератора переменного тока. Этот тип генератора также используется для освещения.

Генераторы с последовательной обмоткой используются в локомотивах для обеспечения тока возбуждения, а также для рекуперативного торможения. В системе распределения электроэнергии он используется как усилитель.

Связанные электрические двигатели Сообщения

Машины постоянного тока и уравнения

Схема машины постоянного тока изображена ниже.Как видите, у него есть магнитные полюса как на статоре, так и на роторе. Крутящий момент, создаваемый машиной постоянного тока, является результатом магнитных сил между статором и ротором.

Обратите внимание, что крутящий момент максимален, когда угол между ними составляет 90 градусов. Провод обмотки возбуждения машины постоянного тока обычно находится на статоре, а провод якоря — это обычно провод ротора. Чтобы сохранить постоянный угол крутящего момента, обычно используют коммутатор.

Схема электрической машины постоянного тока.

Машины

постоянного тока могут иметь независимое возбуждение — при внешнем возбуждении, самовозбуждении или при возбуждении от напряжения якоря. Другой тип машины постоянного тока — машина с параллельным подключением, в которой последовательно подключен резистор, подключенный к цепи возбуждения.

Рассмотрим уравнения и формулы, описывающие работу машин постоянного тока. Когда возбуждение поля установлено, возникает магнитный поток, и ток поля проходит через цепь. Крутящий момент будет T = kTΦIa.

Генерируемая механическая мощность будет Pm = wmT. Вращение проводника якоря в магнитном поле создает противоэлектродвижущую силу. Eb = kaΦwm, ka и kT — константы, зависящие от геометрии проводников.

Рассеиваемая мощность будет Pd = IaEb. Общая формула для постоянной: ka = pN2πM, p — количество магнитных полюсов, N — количество проводников на катушку, M — количество параллельных путей на обмотку якоря.

Скорость вращения электрической машины обычно измеряется в оборотах в минуту.

Мы можем отличить генератор от двигателя математически. Если напряжение якоря электрической машины меньше обратной электродвижущей силы, то это генератор. Если напряжение якоря электрической машины больше, чем противодействующая электродвижущая сила, то машина является двигателем. Уравнения, описывающие электрическую машину:

–If + VfRf = 0Va – RaIa – Eb = 0 для двигателя;

–If + VfRf = 0Va – RaIa – Eb = 0 для генератора.

Динамические уравнения, описывающие машины постоянного тока:

Va (t) –Ia (t) Ra – LadIa (t) dt – Eb (t) = 0Vf (t) –If (t) Rf – LadIa (t) dt = 0 — уравнения для якоря и верха цепи возбуждения и Нижний.

Уравнение динамического крутящего момента выглядит следующим образом: T (t) = TL + bwL (t) + JdwL (t) dt.

Электрогенераторы

Из-за наличия магнитного сердечника в конструкции машины постоянного тока напряжение якоря ненулевое при отсутствии тока возбуждения. Когда ток возбуждения начинает течь, в якоре создается противодвижущая сила. Наиболее часто используемая конфигурация — это когда генератор постоянного тока содержит последовательную шунтирующую и последовательную проводку. Этот генератор можно описать следующими уравнениями:

Eb = kaΦwmVT = kaΦIaVL = Eb – IaRa – ISRSIS = Ia + If.

Электродвигатели

Электродвигатели с точки зрения их анализа почти такие же, но с инвертированными входом и выходом. Двигатель можно описать следующими уравнениями:

Eb = kaΦwmT = kaΦIaVL = Eb + IaRa + ISRSIS = Ia + If.

11.2 Электрические машины — генераторы и двигатели | Электродинамика

11.2 Электрические машины — генераторы и двигатели (ESCQ4)

Мы видели, что когда проводник перемещается в магнитном поле или когда перемещается магнит около проводника в проводнике течет ток.Величина тока зависит от:

• скорость, с которой проводник испытывает изменяющееся магнитное поле,
• количество витков, составляющих проводник, и
• положение плоскости проводника относительно магнитного поле.

Влияние ориентации проводника относительно магнитного поля проиллюстрирован на рисунке 11.1.

Рисунок 11.1: Серия рисунков, показывающих, что магнитный поток через проводник зависимый от угла, который плоскость проводника составляет с магнитным полем. В величайший поток проходит через проводник, когда плоскость проводника перпендикулярно к силовые линии магнитного поля, как на рисунке 11.1 (а). Номер силовых линий, проходящих через проводник, уменьшается по мере вращения проводника до он параллелен магнитному полю Рис. 11.1 (c).

Если наведенная ЭДС и ток в проводнике были представлены как функция угла между плоскостью проводника и магнитным полем для проводника, имеющего постоянной скорости вращения, то наведенные ЭДС и ток будут варьируются, как показано на рисунке 11.2. Текущие чередуются около нуля и известен как переменного тока (сокращенно AC).

Рисунок 11.2: Изменение наведенной ЭДС и тока как угол между плоскостью дирижер и магнитное поле изменяется.

Угол изменяется как функция времени, поэтому приведенные выше графики могут быть нанесены на временную ось. также.

Вспомните закон Фарадея, о котором вы узнали в 11 классе:

Закон Фарадея

ЭДС, \ (\ mathcal {E} \), индуцированная вокруг одиночной петли проводника, пропорциональна скорость изменения магнитного потока φ через площадь, \ (A \) петли.Математически это можно выразить как:

\ [\ mathcal {E} = -N \ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta t} \]

, где \ (\ phi = B · A \ cos \ theta \) и \ (B \) — напряженность магнитного поля.

Закон Фарадея связывает наведенную ЭДС со скоростью изменения магнитного потока, который является произведением напряженности магнитного поля и поперечного сечения область, через которую проходят силовые линии.Площадь поперечного сечения изменяется по мере того, как петля проводника вращается что дает фактор \ (\ cos \ theta \). \ (\ theta \) — угол между нормаль к поверхности витка проводника и магнитному полю. Поскольку проводник замкнутого контура меняет ориентацию по отношению к магнитному полю, величина магнитного потока через область петли изменяется, и в проводящей петля.

временный текст

Электрогенераторы (ESCQ5)

Генератор переменного тока (ESCQ6)

Используется принцип вращения проводника в магнитном поле для генерации тока. в электрических генераторах. Генератор преобразует механическую энергию (движение) в электроэнергия.

Генератор

Генератор — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. энергия.

Схема простого генератора переменного тока показана на рисунке 11.3. Проводник представляет собой катушку с проволокой, помещенную в магнитное поле. В проводник вручную вращается в магнитном поле. Это порождает чередование ЭДС. Переменный ток нужно передать от проводника к нагрузке, это система, для функционирования которой требуется электрическая энергия.

Нагрузка и проводник соединены контактным кольцом. Скользящее кольцо это соединитель, который может передавать электричество между вращающимися частями машины. Он состоит из кольца и щеток, одна из которых неподвижна. по отношению к другому. Здесь кольцо прикрепляется к проводнику и щеткам. прикреплены к нагрузке.Ток генерируется во вращающемся проводнике, проходит в контактные кольца, которые вращаются против щеток. Ток передается через щетки в нагрузку, и, таким образом, система получает питание.

Рисунок 11.3: Схема генератора переменного тока.

Направление тока меняется с каждой половиной оборота катушки.Когда одна сторона петли переходит в другую полюс магнитного поля, ток в контуре меняет направление. Этот тип тока, который меняет направление, известен как переменный. current, а на рис. 11.4 показано, как это происходит как проводник вращается.

Рисунок 11.4: Красные (сплошные) точки обозначают ток, исходящий со страницы, а крестики показать текущий переходя на страницу.Генераторы переменного тока

также известны как генераторы переменного тока. Их можно найти в легковых автомобилях для зарядки. автомобильный аккумулятор.

временный текст

Генератор постоянного тока (ESCQ7)

Простой генератор постоянного тока устроен так же, как генератор переменного тока, за исключением того, что представляет собой одно контактное кольцо, которое разделено на две части, называемые коммутатором, поэтому ток в в внешняя цепь не меняет направление.Схема генератора постоянного тока показана на Рисунок 11.5. Коммутатор с разъемным кольцом приспосабливается к изменению направление тока в контуре, таким образом создавая постоянный ток (DC), ток идущий через щетки и в цепь. Ток в контуре имеет обратное направление, но если вы посмотрите внимательно изучив 2D-изображение, вы увидите, что секция коммутатора с разъемным кольцом также меняет какой стороны цепи он касается.Если ток меняет направление одновременно время что коммутатор меняет местами стороны внешней цепи всегда будет иметь ток, идущий в в то же направление.

Рисунок 11.5: Схема генератора постоянного тока.

Форма ЭДС от генератора постоянного тока показана на рисунке 11.6. ЭДС не устойчива, но является абсолютной. значение синусоидальной / косинусоидальной волны.

Рисунок 11.6: Изменение ЭДС в генераторе постоянного тока.

Генераторы переменного и постоянного тока (ESCQ8)

Проблемы, связанные с замыканием и размыканием электрического контакта с подвижной катушкой: искрение и нагрев, особенно если генератор вращается с большой скоростью.Если атмосфера, окружающая машину, содержит легковоспламеняющиеся или взрывоопасные пары, практические проблемы искрообразования щеточных контактов еще больше.

Если вращается магнитное поле, а не катушка / проводник, то щетки не нужны в генераторе переменного тока (генераторе), поэтому генератор не будет иметь тех же проблем, что и генератор постоянного тока генераторы.Те же преимущества переменного по сравнению с постоянным током для конструкции генератора применимы и к электродвигателям. В то время как электродвигатели постоянного тока нуждаются в щетках для электрического контакта с движущимися катушками провода, переменного тока моторы нет. Фактически, конструкции двигателей переменного и постоянного тока очень похожи на их генераторы. аналоги. Двигатель переменного тока зависит от реверсивного магнитного поля, создаваемого переменным током. через неподвижные катушки с проволокой, чтобы магнит вращался.Двигатель постоянного тока зависит от замыкание и размыкание щеточных контактов соединения для обратного тока через вращающуюся катушку каждые 1/2 оборота (180 градусов).

temp text

Электродвигатели (ESCQ9)

Основные принципы работы электродвигателя такие же, как и у генератора, за исключением того, что двигатель преобразует электрическую энергию в механическую энергию (движение).

Электродвигатель

Электродвигатель — это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. энергия.

Если поместить движущуюся заряженную частицу в магнитное поле, она испытал бы силу, называемую силой Лоренца .

Сила Лоренца

Сила Лоренца — это сила, испытываемая движущейся заряженной частицей в электрический и магнитное поле. Магнитный компонент:

\ [F = qvB \]

где \ (F \) — сила (в ньютонах, Н), \ (q \) — электрический заряд (в кулонов, С), \ (v \) — скорость заряженной частицы (в \ (\ text {m · s $ ^ {- 1} $} \)), а \ (B \) — напряженность магнитного поля (в теслас, Т).

На этой диаграмме показан положительный заряд, движущийся между двумя противоположными полюсами магниты. В направление движения заряда указано оранжевой стрелкой. Так и будет испытать Сила Лоренца, которая будет направлена ​​зеленой стрелкой.

Токоведущий провод, в котором ток идет в направлении оранжевого стрелка, также будет испытывать магнитную силу, зеленая стрелка, из-за Лоренц сила на движущиеся отдельные заряды в текущем потоке.

Если направление тока меняется на противоположное, для того же направления магнитного поля, тогда направление магнитной силы также будет обратным, как указано в этом диаграмма.

Мы можем, если есть два параллельных проводника с током в противоположных направлениях. будут испытывать магнитные силы в противоположных направлениях.

Электродвигатель работает за счет использования источника ЭДС, заставляя ток течь по петле проводник такой, что сила Лоренца на противоположных сторонах петли равна противоположный направления, которые могут вызвать вращение петли вокруг центральной оси.

Сила, действующая на проводник с током, создаваемая магнитным полем, называется силой Ампера. закон.

Направление магнитной силы перпендикулярно обоим направлениям потока. тока и направления магнитного поля и можно найти используя Правило правой руки , как показано на рисунке ниже. Используйте ваш правая ; ваш первый палец указывает в сторону ток, второй палец по направлению магнитного поля и большой палец будет указывать в направлении силы.

И двигатели, и генераторы можно объяснить с помощью катушки, вращающейся в магнитном поле. поле. В генераторе катушка присоединена к внешней цепи, которая включается, что приводит к изменению потока, вызывающему ЭДС. В двигателе токоведущая катушка в магнитное поле испытывает силу с обеих сторон катушки, создавая скручивание сила (называемая крутящим моментом , произносится как «разговор»), которая заставляет его вращаться.

Если используется переменный ток, для создания двигателя переменного тока требуются два контактных кольца. Двигатель переменного тока показано на рисунке 11.7

Рисунок 11.7: Схема двигателя переменного тока.

Если используется постоянный ток, для создания двигателя постоянного тока требуются коммутаторы с разъемным кольцом. Это показано на рисунке 11.8.

Рисунок 11.8: Схема двигателя постоянного тока.

временный текст

Реальные приложения (ESCQB)

Автомобили

В автомобиле есть генератор. Когда двигатель автомобиля работает, Генератор заряжает аккумулятор и питает электрическую систему автомобиля.

Генераторы

Попытайтесь узнать различные значения тока, производимые генераторами для разные типы машин.Сравните их, чтобы понять, какие числа имеют смысл в реальном мире. Вы найдете разные значения для автомобилей, грузовики, автобусы, лодки и т. д. Попытайтесь узнать, что может быть у других машин генераторы.

Автомобиль также содержит электродвигатель постоянного тока, стартер, для вращения двигателя. чтобы запустить это.Стартер состоит из очень мощного электродвигателя постоянного тока и стартера. соленоид, прикрепленный к двигателю. Стартеру требуется очень большой ток для запуска двигателя, и он подключен к батарее с помощью больших кабелей для передачи большого тока.

Производство электроэнергии

Для производства электроэнергии для массового распределения (в дома, офисы, фабрики и т. д.) обычно используются генераторы переменного тока.Электроэнергия, производимая массивный Электростанции обычно имеют низкое напряжение, которое преобразуется в высокое напряжение. это эффективнее распределять электроэнергию на большие расстояния в виде высоких напряжение в линиях электропередач.

Затем высокое напряжение снижается до 240 В для потребления в домах и офисах.Этот обычно делается в пределах нескольких километров от того места, где он будет использоваться.

Рисунок 11.9: Генераторы переменного тока используются на электростанциях (всех типов, гидро- и угольные станции швон) для выработки электроэнергии.

Генераторы и двигатели

Учебное упражнение 11.1

Укажите разницу между генератором и двигателем.

Электрический генератор — это механическое устройство для преобразовывать энергию источника в электрическую энергия.

Электродвигатель — это механическое устройство для преобразования электрическая энергия из одного источника в другой форма энергии.

Используйте закон Фарадея, чтобы объяснить, почему возникает ток в катушке, вращающейся в магнитном поле.

Закон Фарадея гласит, что изменение магнитного потока может индуцируют ЭДС, когда катушка вращается в магнитный поле можно изменить вращение поток, тем самым вызывая ЭДС.

Если вращение катушки такое, что поток не меняется, т.е. поверхность катушки останки параллельно магнитному полю, тогда будет не должно быть наведенной ЭДС.

Объясните основной принцип работы генератора переменного тока в катушка механически вращается в магнитное поле.Нарисуйте диаграмму для поддержки вашего отвечать.

Решение пока недоступно

Объясните, как работает генератор постоянного тока.Нарисуйте диаграмму, чтобы поддержите свой ответ. Также опишите, как DC Генератор отличается от генератора переменного тока.

Решение пока недоступно

Объясните, почему катушка с током помещена в магнитное поле (но не параллельно полю) получится.Обратитесь к силе, прилагаемой к перемещению заряжается магнитным полем и крутящим моментом на катушка.

А токоведущая катушка в магнитном поле испытывает силу с обеих сторон катушки это не параллельно магнитному полю, создавая скручивающая сила (называемая крутящим моментом), которая делает его перемена.Любая катушка, по которой течет ток, может ощущать силу в магнитное поле. Сила обусловлена магнитная составляющая силы Лоренца на движущиеся заряды в проводнике, называемые Ампера Закон.Сила на противоположных сторонах катушки будет в противоположных направлениях, потому что заряды движется в противоположных направлениях.

Объясните основной принцип работы электродвигателя.Нарисуйте диаграмму, подтверждающую ваш ответ.

Решение пока недоступно

Приведите примеры использования генераторов переменного и постоянного тока.

Автомобили (как переменного, так и постоянного тока), производство электроэнергии (переменного тока). только) в любом месте, где требуется источник питания.

Приведите примеры использования двигателей.

Насосы, вентиляторы, приборы, электроинструменты, бытовые техника, оргтехника.