2-1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

На рис. 2-1 показана схема электродвигателя постоянного тока. Проводники 1 уложены в пазы якоря и соединены с пластинами коллектора 2, на которых установлены угольные щетки 3, присоединенные к источнику постоянного тока 4. Когда пластина коллектора при вращении якоря проходит под щеткой, ток в соединенном с ней проводнике изменяет свое направление. Поэтому всегда под одним полюсом токи в проводниках проходят в одну сторону, а под другим — в противоположную. Таким образом, в машинах постоянного тока по обмотке якоря проходит переменный ток.

Направление действия силы F можно определить по правилу левой руки. Силы двух противоположных проводников образуют пару сил. Эти пары создают вращающий момент двигателя М_вр, Н•м, который можно определить по формуле:

где Р — мощность электродвигателя, Вт; п — частота вращения якоря, об/мин.

Например, электродвигатель мощностью 30 Вт при частоте вращения 2 900 об/мин будет развивать вращающий момент

В электродвигателях малой мощности магнитное поле может создаваться постоянными магнитами (см. рис. 2-9). Однако большая часть электродвигателей имеет полюсы с надетыми на них катушками, которые питаются постоянным током обычно от того же источника, что и якорь электродвигателя. Эти катушки называются обмотками возбуждения. Разная полярность полюсов создается за счет того, что через катушку одного полюса ток проходит по часовой стрелке, а через катушку другого — против часовой стрелки.

Обмотка возбуждения может быть соединена с якорем параллельно (рис. 2-2, а) или последовательно (рис. 2-2, б). В первом случае обмотка состоит из большого числа витков тонкого провода, поэтому имеет большое сопротивление и через нее проходит небольшая часть тока якоря. При последовательном соединении через обмотку возбуждения проходит весь ток якоря, поэтому она имеет небольшое число витков более толстого провода. Намагничивающая сила обмотки возбуждения пропорциональна произведению числа витков и силы тока. Так, обмотка, состоящая из 1000 витков, при токе 0,1 А и обмотка, состоящая из 100 витков, при силе тока 1 А будут иметь одинаковую н. с., а именно 100 А.

В противоположность многим механическим двигателям, которые вращаются только в одну сторону, электродвигатель легко поддается изменению направления вращения. Для этого по правилу левой руки достаточно изменить направление тока в якоре или полярность полюсов.

Изменение направления вращения называется реверсированием и производится аппаратами управления электродвигателем.

На схеме рис. 2-3 показано реверсирование электродвигателя путем изменения направления тока якоря при помощи переключателя (тумблера). При замыкании контактов 1 и 2 с верхними контактами 3 и 4 с положительным полюсом источника тока будет соединена правая щетка электродвигателя. При переключении тумблера в нижнее положение, когда контакты 1 и 2 замыкаются с контактами 5 и 6, с положительным полюсом будет соединена левая щетка электродвигателя,

Как только якорь начал вращаться, в проводниках его обмотки будет наводиться э. д. с. По закону Ленца она направлена против напряжения источника тока. Поэтому ток, I, А, потребляемый электродвигателем, можно определить по формуле

где U — напряжение источника тока, В; Е — э. д. с., наводимая в обмотке якоря, В; R — сопротивление обмотки якоря, Ом.

Пока к валу электродвигателя не приложено никакой механической нагрузки, электродвигатель работает в режиме холостого хода. Чем быстрее вращается якорь, тем большая э. д. с. будет наводиться в его обмотке. При холостом ходе якорь вращается с наибольшей скоростью, и поэтому ток, потребляемый электродвигателем, будет мал. Но якорь никогда не может развить такую частоту вращения, при которой э. д. с. сравнялась бы с приложенным напряжением U. Как видно из (2-2), числитель превратился бы в нуль и электродвигатель перестал бы потреблять ток от источника. При этом вращающий момент также стал бы равен нулю.

Нагрузкой электродвигателя являются те механизмы, которые он приводит во вращение. По мере увеличения нагрузки будет увеличиваться ток, потребляемый электродвигателем, а частота вращения будет снижаться, и, наконец, двигатель остановится. Такое состояние электродвигателя, когда он присоединен к источнику тока, а якорь его не вращается, называется коротким замыканием электродвигателя. При коротком замыкании электродвигатель будет потреблять наибольший ток, так как при неподвижном якоре Е=0, а следовательно, по (2-2):

Сопротивление обмоток электродвигателя мало, поэтому ток короткого замыкания в несколько раз превышает номинальный рабочий ток. При этом ухудшаются условия охлаждения, так как неподвижный якорь не обдувается воздухом. При коротком замыкании электродвигатель очень быстро нагреется и его обмотки будут повреждены вследствие обугливания изоляции.

При каждом пуске электродвигатель в первый момент, когда якорь его неподвижен, находится в состоянии короткого замыкания, но после начала вращения по мере увеличения скорости будет нарастать э. д. с. и ток будет быстро уменьшаться. Для двигателей постоянного тока мощностью в несколько киловатт пусковой ток является опасным, поэтому при пуске двигателя последовательно с якорем включают дополнительное пусковое сопротивление, которое затем отключают. Электродвигатели мощностью в десятки ватт можно пускать в ход, присоединяя их к источнику тока без пусковых сопротивлений.

2-2. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

При изменении нагрузки электродвигателя изменяются мощность, вращающий момент, потребляемый ток и частота вращения якоря. Изменение можно было бы показать при помощи цифровых таблиц. Но гораздо нагляднее пользоваться графическими изображениями. Эти графики называют характеристиками электродвигателя.

Наиболее важной является механическая характеристика, которая показывает, как изменяется частота вращения якоря в зависимости от вращающего момента.

Для построения характеристики на миллиметровой бумаге проводят оси координат (рис. 2-4). По горизонтальной оси откладывают значения вращающего момента, а по вертикальной — частоты вращения якоря. Масштабы для моментов и частот вращения выбирают произвольно. На рис. 2-4 масштаб для моментов: 1 клеточка— 0,02 Н•м, а для частоты вращения: 1 клеточка — 500 об/мин.

Номинальными данными электродвигателя называются мощность, напряжение и частота вращения, на которые он рассчитан. Они обозначены на табличке, прикрепленной к корпусу электродвигателя. У электродвигателя, характеристика которого дана на рис. 2-4 (кривая 1), номинальная мощность 30 Вт, а номинальная частота вращения 2 900 об/мин. Номинальный вращающий момент был рассчитан по (2-1); он равен 0,1 Н•м.

Из точек на осях координат, соответствующих вращающему моменту 0,1 Н•м и частоте вращения 2 900 об/мин, проведем штриховые линии, параллельные осям. Пересечение их образует одну из точек механической характеристики двигателя. Остальные точки механической характеристики можно получить расчетным или опытным путем. В первом случае в расчетные формулы подставляют значения вращающего момента и получают соответствующие этим моментам частоты вращения. При получении характеристик опытным путем нагружают электродвигатель различными моментами при помощи тормоза и измеряют частоты вращения специальными приборами.

На рис. 2-4 (кривая 1) точки характеристики обозначены кружочками. Если соединить это кружочки линией, то получим механическую характеристику электродвигателя с параллельным возбуждением. Точка на вертикальной оси, в которой частота вращения равна 3 100 об/мин, а приложенный к валу вращающий момент равен нулю, является точкой холостого хода.

Механическая характеристика электродвигателя с параллельным возбуждением имеет вид прямой линии с небольшим наклоном от холостого хода в сторону полной нагрузки. Это значит, что при изменении нагрузки частота вращения якоря остается почти постоянной. Только после увеличения вращающего момента выше номинального частота вращения уменьшается и, когда нагрузка превысит максимальный вращающий момент электродвигателя, якорь остановится.

Электродвигатель с параллельным возбуждением применяется, например, на металлорежущих станках. Станок пускается без нагрузки, поэтому от электродвигателя не требуется большой пусковой момент. Резец подводят к обрабатываемой детали, когда станок уже вращается. При различных сечениях снимаемой стружки электродвигатель обеспечивает неизменную скорость резания.

На рис. 2-4 (кривая 2) изображена механическая характеристика электродвигателя с теми же номинальными данными, но с последовательным возбуждением. При изменении нагрузки, а следовательно, и тока, потребляемого электродвигателем, будут изменяться и ток якоря, и магнитное поле, так как через обмотку возбуждения проходит ток якоря. Поэтому вращающий момент будет пропорционален силе тока в квадрате и механическая характеристика его изображается не прямой, а кривой линией. Как видно на характеристике, при уменьшении нагрузки частота вращения резко возрастает. Это объясняется тем, что с уменьшением силы потребляемого тока магнитное поле полюсов становится очень слабым. Стремясь развить необходимую э. д. с., якорь сильно увеличивает частоту вращения.

При вращении якоря действуют центробежные силы, которые стремятся вытолкнуть проводники из пазов, оторвать пластинки коллектора и зубцы якоря. При больших частотах вращения центробежная сила может значительно превысить массу вращающихся частей. Например, на окружности якоря диаметром 2 см, вращающегося с частотой 3000 об/мин, на каждый 1 г массы действует центробежная сила 1 Н. При увеличении частоты вращения центробежная сила растет пропорционально квадрату и при частоте вращения 6000 об/мин будет равна 4Н.

Чтобы избежать опасности разрыва якоря, электродвигатель с последовательным возбуждением никогда не пускают в ход без нагрузки. К валу электродвигателя всегда должна быть приложена нагрузка. Пуск электродвигателей мощностью в десятки ватт можно производить и без нагрузки. Это объясняется тем, что при возрастании частоты вращения якорь будет затормаживаться вследствие потерь холостого хода, которые затрачиваются на трение щеток, подшипников, якоря о воздух, и потерями на вихревые токи и на перемагничивание якоря. Эти потери быстро растут при увеличении скорости.

Преимуществом электродвигателя с последовательным возбуждением является большая перегрузочная способность. Он может развивать вращающий момент, значительно превышающий номинальный. На механической характеристике видно, что при уменьшении частоты вращения до 1000 об/мин вращающий момент в 3 раза превышает номинальный. Это происходит за счет того, что с увеличением потребляемого тока увеличивается и магнитное поле. Наибольший момент электродвигатель развивает при пуске.

Электродвигатели с последовательным возбуждением широко применяются в электрическом транспорте, например в трамвае, троллейбусе, а также в подъемных кранах. В этих механизмах требуется большой вращающий момент при трогании с места.

Основное достоинство электродвигателей постоянного тока — это возможность плавной регулировки частоты вращения в широких пределах. Для снижения последней включают регулировочные сопротивления в цепь якоря и тем снижают подводимое напряжение. Для повышения частоты вращения сверх номинальной ослабляют магнитное поле электродвигателей сопротивлениями в цепи возбуждения.

2-3. ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕ И К. П. Д.

При работе электродвигателя часть подведенной энергии затрачивается на потери в самом двигателе. Эти потери разделяются на электрические, магнитные и механические.

Из электротехники известно, что если по проводнику проходит ток, то происходит затрата энергии и проводник нагревается. Эти потери пропорциональны квадрату силы тока и сопротивлению проводника. Для снижения электрических потерь обмотки выполняют из медных проводов, так как медь обладает высокой электропроводностью. Другим средством снижения электрических потерь является увеличение сечения проводников. Но это ведет к увеличению размеров и массы электродвигателя. Поэтому сечение проводников обмоток выбирают из расчета, чтобы нагрев их не превышал допустимой температуры нагрева изоляционных материалов.

Но электрические потери энергии имеют место не только в проводниках обмоток электродвигателя, но и на коллекторе. Дело в том, что в контакте между щетками и коллекторными пластинами происходит падение напряжения около 2 В на пару щеток. Произведение тока якоря на падение напряжения выражает электрические потери на коллекторе.

Магнитные потери в электродвигателях постоянного тока выделяются в сердечниках якоря. При вращении якоря в магнитном поле будут наводиться э. д. с. не только в проводниках его обмотки, но и в самом стальном сердечнике, так как якорь пересекает линии магнитного поля. На рис. 2-5, а видно, что под северным полюсом э. д. с. направлены в одну сторону, а под южным — в другую. Поэтому внутри якоря появятся токи, которые называют вихревыми токами. Ввиду того, что якорь имеет малое сопротивление, вихревые токи могут достигать большой величины. Для уменьшения потерь энергии от вихревых токов сердечник якоря собирают из тонких листов, изолированных один от другого слоем лака.

На рис. 2-5, б показано, что при разделении якоря на тонкие слои вихревые токи значительно снижаются. Другим средством снижения потерь от вихревых токов является увеличение удельного сопротивления материала якоря. Поэтому сердечники электрических машин штампуют из листов электротехнической стали, в состав которой вводят добавку кремния от 1 до 3%.

Выделим на якоре продольную полоску и проследим ее путь при вращении якоря. Она будет пробегать то под северным, то под южным полюсом и каждый раз происходит ее перемагничивание. Как известно из физики, при этом возникают потери энергии, называемые потерями на гистерезис. Их можно уменьшить, применяя для якоря мягкую сталь, подвергнутую специальной обработке для снижения остаточного магнетизма.

Магнитные потери растут с увеличением индукции и частоты. Как было сказано в § 2-1, в якоре электродвигателя постоянного тока проходит переменный ток. Частоту его f, Гц, можно определить по формуле

где р — число пар полюсов; п — частота вращения якоря, об/мин.

Из этого следует, что при расчетах электродвигателей индукцию в стальных сердечниках надо ограничить определенными пределами, особенно при большой частоте тока якоря. В корпусе и в сердечниках полюсов электродвигателей постоянного тока нет магнитных потерь, поэтому они могут быть выполнены из массивных кусков стали.

Механические потери затрачиваются на трение в подшипниках, трение щеток о пластины коллектора и якоря о воздух. В электродвигателях малой мощности при больших частотах вращения механические потери составляют значительную часть общих потерь.

Коэффициент полезного действия электродвигателя представляет собой отношение полезной мощности Р к потребляемой Р₁ выраженное в процентах:

В электродвигателях малой мощности к. п. д. резко падает. Как видно из графика рис. 4-2, для электродвигателя постоянного тока мощностью 2 Вт к. п. д. составляет 10%. Это значит, что 90% подводимой мощности затрачивается на потери в самом электродвигателе. С увеличением мощности к. п. д. быстро растет и при мощности 20 Вт достигает уже 45%.

Н.В. Виноградов, Ю.Н. Виноградов
Как самому рассчитать и сделать электродвигатель
Москва 1974
Содержание