Двигатели постоянного тока

Подвижная катушка в гальвано­метре вращается до тех пор, пока плоскость катушки не становится пер­пендикулярной по отношению к маг­нитному полю, т. е. до тех пор, пока

полюс S катушки не противостоит полюсу N магнита. Если могут быть найдены какие-либо средства для из­менения направления тока в этой точ­ке, то полярность катушки изменится и она продолжит вращение. По инер­ции она пройдет положение равнове­сия, и полюс, который станет полю­сом N, будет отталкиваться полюсом N магнита. Таким образом, для не­прерывного движения необходимо из­менять направление тока в катуш­ке после каждого полуоборота, т. е. когда плоскость катушки становится перпендикулярной магнитному полю. Это достигается соединением концов катушки с коллектором в виде полу­кольца (рис. 1).

Он состоит из двух половин медного цилиндра, со­единенных с изолирующим цилиндром таким образом, что имеется изоляция между медным слоем вверху и внизу. Каждый конец катушки соединен с одной из половин медного цилиндра, расположенного так, что прорезь в коллекторе располагается перпенди­кулярно по отношению к плоскости катушки. Поэтому когда катушка ста­новится вертикально, то прорезь в кол­лекторе находится в горизонтальном положении. Ток вводится в катушку и выводится из нее угольными или металлическими скользящими контак­тами. Они называются щетками.

На рисунке 1 показан простой двигатель. Когда выключатель замк­нут, то катушка вращается в направ­лении против часовой стрелки. Когда катушка располагается вертикально, то по инерции проходит дальше. Про­резь в коммутаторе теперь остается за щетками, и направление тока из­меняется на противоположное. Таким образом, катушка продолжает вра­щаться.

Обратная э.д.с.

Как только катушка двигателя на­чинает вращаться, то она начинает вести себя как динамо-машина и об­разуется э.д.с., которая противо­стоит приложенной э.д.с. Эта сила имеет название обратной э.д.с. Со­противление якорной катушки дви­гателя весьма мало, и если бы к ней была приложена большая э.д.с., то образованный большой ток сжег бы ее якорь. Поэтому последовательно с двигателем включается стартовое со­противление, и исходный ток доста­точно мал. По мере того как двига­тель ускоряет свое движение и начи­нает действовать обратная э.д.с., стартовое сопротивление уменьшает­ся. Когда двигатель работает свобод­но, то разность между приложенной э.д.с. и обратной э.д.с. равна току в якоре катушки X на сопротивление.

Е приложенная — Е обратная = IR

Когда двигатель замедляется, то обратная э.д.с. уменьшается. Это вызывает увеличение тока, враща­тельный момент катушки якоря увели­чивается, и двигатель ускоряет свою работу. Таким образом, обратная э.д.с. действует как регулятор и дви­гатель работает^- с постоянной ско­ростью.

Рабочие двигатели

Настоящий рабочий двигатель бо­лее сложен, нежели простая модель, описанная выше, по следующим при­чинам:

1.  Вместо одной катушки у него имеется большое их число и боль­шое число секторов в коллекторе. Это обеспечивает плавное движение.

2.  Катушки намотаны на сердечни­ки, которые сделаны из тонких слоев сильного магнитного сплава. Эти слои изолированы друг от друга. Вся вра­щающаяся система называется яко­рем, а вращающаяся катушка назы­вается якорной катушкой.

3.  Вместо постоянного магнита магнитное поле образуется электро­магнитом. Катушка, применяемая для возбуждения электромагнита, называется полевой катушкой.

Назначение электродвигателя сос­тоит в преобразовании электрической энергии в энергию механическую. Существуют различные виды двига­телей, зависящие от того, как в них намотаны катушки.

Двигатели с последовательной на­моткой.

Полевая катушка здесь вклю­чается последовательно с якорной ка­тушкой, и поэтому ток одинаков в обеих катушках. Поскольку вращаю­щий момент, действующий на якорь, зависит от квадрата силы тока (I²), то такие двигатели характеризует большой начальный вращающий мо­мент. Эти двигатели очень удобны в качестве стартеров в трамваях, авто­мобилях и пр.

Двигатели с шунтовой намоткой.

Как следует из их названия, поле­вая и якорная катушки соединяются в них параллельно. Ток в полевой катушке остается неизменным, а ток в якорной катушке изменяется в зависи­мости от скорости вращения двигате­ля. Благодаря действию обратной э.д.с. двигатель более или менее само­регулируется и будет работать с пос­тоянной скоростью. Эти двигатели применяются для приведения в дейст­вие таких механизмов, как токарный станок на заводах, они применяются в бытовых пылесосах, холодильниках.

Двигатели со смешанной намоткой (компаундные).

Эти двигатели пред­ставляют собой комбинацию двух этих типов и попытку соединить пре­имущества обоих.

Некоторые причины потери энер­гии:

1)   кинетическая энергия движу­щихся частей;

2)   кинетическая энергия воды (она имеет кинетическую энергию, так же как и потенциальную, когда достигает вершины);

3)   теплота, выделяющаяся в об­мотках и подшипниках;

4)   образованный звук

Мощность двигателя

Полезная мощность небольшого двигателя может быть измерена при подъеме им груза на некоторую вы­соту. Двигатель приводит в движе­ние вал, на который наматывается шнурок с подвешенным к нему гру­зом. Масса груза подбирается таким образом, чтобы двигатель поднимал его с более или менее постоянной ско­ростью. Затем замечается время (t) для подъема этого груза на заме­ренную высоту (h).

Полезная мощность = mgh / t Вт, где m измеряется в килограммах, h - в метрах, t - в секундах.