Двигатели постоянного тока

Двигателями постоянного тока называют электрические машины, преобразующие электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Ранее было отмечено, что машины постоянного тока обратимы, т. е. одна и та же машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

3.1. Принцип действия двигателей постоянного тока

Для правильного понимания принципа действия двигателей постоянного тока рассмотрим рис. 3.1, где схематично изображен поперечный разрез машины с основными элементами, участвующими в процессе преобразования энергии.

Рис. 3.1

При подключении машины к сети постоянного тока в обмотке возбуждения, расположенной на главных полюсах машины, будет протекать ток, который создаст магнитный поток в магнитной цепи, состоящей из статора, главных полюсов, воздушного зазора и ротора машины. Величина магнитного потока, как указывалось ранее, зависит от конструкции и материала магнитопровода, а также от силы тока возбуждения. В воздушном зазоре машины будет создано магнитное поле, представленное магнитными силовыми линиями. Обмотка якоря также подключена к сети постоянного тока, и по её проводникам протекает ток. Она представлена на рисунке проводниками, распределенными по поверхности якоря в воздушном зазоре. Направление тока в проводниках показано на рисунке. На каждый проводник якорной обмотки действует механическая сила, пропорциональная индукции магнитного поля, длине проводника и силе тока , где B_x – индукция магнитного поля в месте расположения проводника; l – длина проводника, i – сила тока проводника.

Направления сил f_x , действующих на проводники, находящиеся под северным и южным полюсами, показаны на рисунке стрелками. Направления сил можно принять совпадающими с направлениями касательных к поверхности якоря в местах расположения проводников.

Суммарное взаимодействие всех проводников обмотки якоря с магнитным полем машины создает механический момент на валу двигателя , где М – механический момент на валу двигателя; С_м ­­ постоянная, зависящая от конструкции машины; I_я – ток якоря, – магнитный поток.

Под действием механического момента якорь машины начинает вращаться со скоростью n. Одновременно в каждом проводнике якоря, перемещающемся в магнитном поле машины, наводится ЭДС . Суммарная электродвижущая сила всей якорной обмотки может быть определена из уравнения , где Е – ЭДС обмотки якоря; С_е – постоянная, зависящая от конструкции машины; n – частота вращения якоря; – магнитный поток машины;  – линейная скорость перемещения проводника в магнитном поле.

Направления электродвижущих сил проводников на рис. 3.1 показаны точками и крестиками, расположенными рядом с проводниками. Следует обратить внимание на несовпадение направлений токов и ЭДС проводников. Поэтому ЭДС якоря в двигателях называют иногда противоЭДС, подчеркивая то, что электродвижущая сила обмотки якоря противодействует приложенному напряжению и току якоря (рис. 3.2).

Рис. 3.2

На рисунке – ЭДС внешнего источника питания, – внутреннее сопротивление источника. Слева представлена электрическая схема цепи питания якоря двигателя постоянного тока; справа  эквивалентная схема замещения всей цепи якоря. С электрической точки зрения якорь двигателя представляет собой ЭДС , направление которой не совпадает с направлением тока обмотки якоря, и резистора , сопротивление которого равно сопротивлению провода обмотки якоря. Примечание: на рисунке цепь обмотки возбуждения не показана.