§ 33-2. Электрический двигатель постоянного тока
После того как в 1821 г. М. Фарадеем был впервые продемонстрирован принцип преобразования электромагнитным полем электрической энергии в механическую, учёные и инженеры стали пытаться создать электрический двигатель, который можно было бы использовать на производстве. В 1834 г. русский учёный Б.С. Якоби создал практически пригодный электрический двигатель и опубликовал теоретическую работу «О применении электромагнетизма для приведения в движение машины». 13 сентября 1838 г. лодка, снабжённая колёсами с лопастями, приводимыми во вращение электрическим двигателем, с двенадцатью пассажирами на борту проплыла по реке Неве против течения со скоростью около 3. Это было одно из первых применений электрического двигателя. Трудно представить, но ещё 100 лет назад в очень немногих домах можно было увидеть какое-либо устройство с электрическим двигателем: пыль и сор с пола убирали с помощью веника, кофе мололи и бельё стирали вручную. Даже автомобильные двигатели запускали с помощью специальной рукоятки.
Существует много различных типов электрических двигателей. Мы рассмотрим простейший электрический двигатель постоянного тока, для работы которого использованы основные законы электромагнетизма.
Электрический двигатель постоянного тока — электрическая машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию (рис. 188.4).
Основными частями, необходимыми для работы любой электрической машины постоянного тока, являются (рис. 188.5):
– индуктор — постоянный магнит или электромагнит, создающий магнитное поле (в технических электрических машинах в качестве индуктора, создающего магнитное поле, почти всегда применяют электромагниты);
– якорь — обмотка, в которой при изменении магнитного потока возникает ЭДС индукции. Для того чтобы получать большие магнитные поля там, где находятся обмотки якоря, его снабжают железным сердечником. Концы этого сердечника имеют такую форму, чтобы между полюсами магнита и сердечником оставался лишь небольшой зазор, необходимый для вращения;
– коллектор и скользящие по нему контактные пластинки — электрические щётки, при помощи которых осуществляется соединение обмотки якоря с источником тока.
Вращающуюся часть электрической машины (якорь) называют ротором, а её неподвижную часть (индуктор) — статором.
Если подключить к зажимам электрической машины источник тока и пропустить ток от этого источника через статор и ротор, то взаимодействие их магнитных полей создаст вращающий момент, приводящий в движение ротор. Таким образом, электрическая энергия, подаваемая на зажимы электрической машины, превращается в механическую энергию вращения. Электрическая машина в этом случае работает как электрический двигатель. Соединив вал ротора с нагрузкой, например, с грузоподъёмником, мы можем привести этот грузоподъёмник в движение.
Выясним происхождение сил, которые создают действующий на якорь электродвигателя вращающий момент. При подключении щёток к источнику постоянного напряжения по обмотке якоря проходит электрический ток. На проводники обмотки со стороны магнитного поля индуктора действуют силы Ампера, перпендикулярные к направлениям тока и индукции магнитного поля.
На рисунке 188.6 показаны силы Ампера, действующие на отдельные проводники обмотки, плоскость которой расположена под некоторым углом к направлению индукции магнитного поля. Применяя правило левой руки, можно убедиться, что силы Ампера и
, действующие на проводники АK, ED и ВС, параллельны оси вращения
. Следовательно, они не создают вращающего момента якоря. Силы Ампера
и
, действующие на проводники АВ и СD, перпендикулярны оси
и создают вращающий момент. Якорь начинает вращаться и тем самым приводит во вращение соответствующие детали технических устройств (троллейбусов, трамваев, электрических бытовых приборов и др.).
Основной рабочей характеристикой электродвигателя постоянного тока является вращающий момент Мвр = 2FrN, создаваемый силами Ампера. Здесь r — радиус ротора, N — число витков в обмотке. Поскольку максимальное значение силы Ампера Fmaх = BIl, то вращающий момент, действующий на рамку с током,
Мвр = 2BIlrN,
где I — сила тока в обмотке, B — индукция магнитного поля, l — длина проводника. Так как площадь рамки S = 2lr, а ВS = Фmaх — максимальный магнитный поток через рамку, то вращающий момент на валу двигателя можно определить по формуле
Мвр = NIФmaх.
Таким образом, вращающий момент электродвигателя постоянного тока прямо пропорционален максимальному магнитному потоку через виток обмотки, силе тока в обмотке якоря и числу витков в обмотке.
Якорь любого электродвигателя состоит из нескольких обмоток (рис. 188.7). Вращающий момент принимает максимальное значение, когда соответствующая обмотка находится в плоскости, параллельной направлению индукции магнитного поля, и равен нулю, когда обмотка находится в плоскости, перпендикулярной направлению индукции. Для того чтобы обеспечить длительное вращение якоря при неизменном направлении вращающего момента, электрический ток в обмотке должен изменять направление через каждые пол-оборота. Это может быть осуществлено следующим образом. При вращении якоря коллектор отключает электрические щётки от одной обмотки и подключает к другой, так что в каждый момент времени ток проходит через обмотку якоря, находящуюся в плоскости, параллельной направлению индукции магнитного поля. Таким образом, вращающий момент сохраняет своё направление, и якорь вращается в одном направлении.
Изменяя силу тока в обмотках якоря, можно регулировать модуль скорости его вращения. Направление вращения можно изменять, изменяя направление тока в обмотке якоря или индуктора.
Простота устройства электродвигателей и управления ими, возможность легко регулировать частоту вращения и хорошие пусковые свойства определили широкое применение их в качестве приводных двигателей для прокатных станов, гребных винтов кораблей, шахтных подъёмных машин, в электрифицированном магистральном, городском и заводском транспорте, дорожно-строительных, ремонтно-отделочных машинах. Электродвигатели часто являются исполнительными звеньями систем автоматического управления и регулирования и т. д.
1. Как устроен электродвигатель постоянного тока?
2. Каково назначение индуктора? якоря? коллектора и щёток?
3. На каком явлении основано действие электродвигателя постоянного тока?
4. От чего зависит вращающий момент электродвигателя постоянного тока?
5. Как можно изменять модуль скорости и направление вращения якоря электродвигателя?
6. Где применяют электродвигатели постоянного тока?