Электрические машины. Принцип действия

В основу работы всех электрических машин положены два закона физики: электромагнитной индукции и закон Ампера. Согласно закону электромагнитной индукции ЭДС, индуцируемая в проводящем контуре, находящимся в переменном магнитном поле, пропорциональна скорости изменения поля,

e = ─ .

Закон Ампера, гласит, что на проводник с током, в магнитном поле, со стороны поля действует сила.

Следовательно, любой двигатель должен иметь устройство для создания магнитного поля и совокупность проводников, в которых наводится ЭДС. Каким путем создается магнитное поле, постоянными магнитами или катушками с током, безразлично, важно только чтобы оно изменялось относительно проводников. Наведение ЭДС может осуществляться различными способами: вращением проводников в неподвижном магнитном поле; вращением магнитного поля вокруг неподвижных проводников; вращением с различными частотами и проводников, и магнитного поля; изменением неподвижного магнитного поля во времени около неподвижных проводников.

Принцип действия электрической машины удобно рассмотреть на примере проводящей рамки, помещенной в магнитное поле.

Рис. 5.1 Проводящая рамка в магнитном поле. (а) - генераторный режим;

(б)- двигательный режим.

Если проводящую рамку привести во вращение в магнитном поле то в ней будет индуцироваться ЭДС, направление которой определяют по правилу правой руки. При замыкании рамки на приемник, под действием ЭДС в ней потечет ток, направление которого совпадает с направлением ЭДС, а на проводники рамки со стороны магнитного поля будет действовать сила, направление которой определяют по правилу левой руки. Момент пары сил, действующих на противоположные витки рамки, будет тормозить вращение рамки, и уменьшать ЭДС. Для поддержания ее величины неизменной необходимо увеличивать внешний вращающий момент, т.е . подводить к рамке механическую энергию. Таким образом, в данном случае в рассмотренной системе идет процесс преобразования механической энергии в электрическую. Такой режим называется генераторным.

Напряжение U на зажимах машины, работающей в генераторном режиме всегда меньше ЭДС на величину внутреннего падения напряжения:

U=E- Ir, (5.1)

где r-внутреннее сопротивление подвижной части машины.

Если к проводящей рамке, находящейся в магнитном поле, (рис. 5.1b) подвести напряжение, то по ее проводникам потечет ток. При взаимодействии проводников с током и магнитного поля возникает электромагнитная сила, направление которой определяется по правилу левой руки. Электромагнитный момент этой силы заставит рамку вращаться, при этом в ней возникнет ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Полностью аналогичные процессы протекают в проводниках подвижной части машины. Если вал машины будет сцеплен с валом механизма, который необходимо привести в движение, этот механизм будет тормозить вращение подвижной части машины. Чтобы вращение продолжалось, необходимо увеличить электромагнитный момент, создаваемый током, т.е. увеличить ток.

Таким образом, в этом случае в машине электрическая энергия преобразуется в механическую. Такой режим называется двигательным. Напряжение U на зажимах двигателя должно быть больше ЭДС на величину внутреннего падения напряжения.

U=E+Ir . (5.2)