Принцип действия постоянного тока. Принцип действия двигателя постоянного тока: устройство, работа и применение

Как устроен двигатель постоянного тока. Каков принцип его работы. Какие законы лежат в основе действия ДПТ. Где применяются двигатели постоянного тока. Каковы их преимущества и недостатки.

Устройство двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока (ДПТ) состоит из следующих основных частей:

• Статор — неподвижная часть, создающая магнитное поле
• Ротор (якорь) — вращающаяся часть с обмоткой
• Коллектор — устройство для изменения направления тока в обмотке ротора
• Щетки — обеспечивают контакт между коллектором и внешней цепью

Статор обычно представляет собой постоянный магнит или электромагнит. Ротор имеет обмотку из медного провода. Коллектор состоит из медных пластин, изолированных друг от друга. Щетки изготавливаются из графита.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Принцип действия ДПТ основан на взаимодействии магнитных полей статора и ротора. Вот основные этапы его работы:

1. При подаче напряжения на обмотку ротора по ней начинает протекать электрический ток
2. Вокруг проводников обмотки возникает магнитное поле
3. Это поле взаимодействует с полем статора, создавая вращающий момент
4. Под действием момента ротор начинает вращаться
5. Коллектор обеспечивает изменение направления тока в обмотке при повороте ротора

Таким образом, происходит непрерывное вращение ротора двигателя. Скорость вращения зависит от величины подаваемого напряжения.

Законы, лежащие в основе работы ДПТ

Работа двигателя постоянного тока базируется на двух фундаментальных законах электромагнетизма:

1. Закон электромагнитной индукции

Согласно этому закону, при движении проводника в магнитном поле в нем возникает электродвижущая сила (ЭДС). Величина ЭДС определяется формулой:

E = Blv

где B — магнитная индукция, l — длина проводника, v — скорость движения.

2. Закон электромагнитных сил

Этот закон гласит, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. Ее величина рассчитывается по формуле:

F = BIl

где B — магнитная индукция, I — сила тока, l — длина проводника.

Именно эта сила создает вращающий момент в двигателе постоянного тока.

Области применения двигателей постоянного тока

ДПТ широко используются в различных отраслях промышленности и транспорта:

• Электротранспорт (трамваи, троллейбусы, электровозы)
• Станки и промышленные роботы
• Подъемно-транспортные механизмы
• Бытовая техника (электроинструменты, пылесосы)
• Автомобильная промышленность (стартеры, стеклоподъемники)
• Авиация и космонавтика

Такое широкое применение обусловлено рядом преимуществ ДПТ.

Преимущества и недостатки двигателей постоянного тока

К основным достоинствам ДПТ относятся:

• Высокий пусковой момент
• Широкий диапазон регулирования скорости
• Линейные механические характеристики
• Компактные размеры и малый вес
• Высокий КПД (до 90-95%)

Однако у двигателей постоянного тока есть и недостатки:

• Сложность конструкции коллекторного узла
• Необходимость регулярного обслуживания щеточно-коллекторного узла
• Искрение при работе коллектора
• Относительно высокая стоимость

Несмотря на эти недостатки, ДПТ остаются востребованными во многих областях техники.

Виды двигателей постоянного тока

Существует несколько основных типов ДПТ, различающихся способом возбуждения магнитного поля:

• С независимым возбуждением — обмотка возбуждения питается от отдельного источника
• С параллельным возбуждением — обмотка возбуждения подключена параллельно якорю
• С последовательным возбуждением — обмотка возбуждения включена последовательно с якорем
• Со смешанным возбуждением — комбинация параллельного и последовательного
• С возбуждением от постоянных магнитов

Каждый тип имеет свои особенности характеристик и области применения.

Регулирование скорости вращения ДПТ

Одним из главных преимуществ двигателей постоянного тока является возможность плавного регулирования скорости вращения. Это достигается следующими способами:

1. Изменение напряжения на якоре
2. Введение добавочного сопротивления в цепь якоря
3. Изменение магнитного потока (для двигателей с независимым возбуждением)

Наиболее эффективным является первый способ, позволяющий регулировать скорость в широком диапазоне.

Реверсирование двигателя постоянного тока

Для изменения направления вращения ДПТ (реверсирования) необходимо изменить направление тока либо в якоре, либо в обмотке возбуждения. На практике чаще применяется изменение полярности напряжения на якоре, так как это проще технически.

Реверсирование широко используется в электроприводах станков, подъемных механизмов, транспортных средств.

Перспективы развития двигателей постоянного тока

Несмотря на конкуренцию со стороны асинхронных двигателей, ДПТ продолжают совершенствоваться. Основные направления развития:

• Применение новых магнитных материалов
• Совершенствование коллекторно-щеточного узла
• Использование электронных систем управления
• Разработка гибридных конструкций

Это позволяет улучшать характеристики двигателей и расширять области их применения.

Заключение

Двигатели постоянного тока остаются важным элементом современной техники. Их принцип действия, основанный на взаимодействии магнитных полей, обеспечивает уникальные эксплуатационные характеристики. Несмотря на определенные недостатки, ДПТ находят широкое применение в различных отраслях промышленности и транспорта.

Понимание устройства и принципов работы двигателей постоянного тока необходимо для их эффективного использования и обслуживания. Развитие технологий открывает новые перспективы совершенствования этих электрических машин.

Электродвигатели постоянного тока YALU: принцип работы и широкие возможности применения | Публикации

Среди изготовителей электродвигателей постоянного тока (ДПТ) особое место занимает компания YALU, одна из лидеров в своей сфере. ДПТ — незаменимая запасная часть для электрического транспорта и промышленных приводов, требующих точной регулировки частоты вращения. Сегодня на рынке представлен широкий выбор ДПТ с разнообразными характеристиками, позволяющими подобрать агрегат вне зависимости от поставленных задач.

В чём плюсы электродвигателей YALU

Основная функция электродвигателей постоянного тока — преобразование электрической энергии постоянного тока в механическое непрерывное угловое вращение. В отличие от двигателей переменного тока они обладают возможностью регулировки частоты оборотов в большом диапазоне.

В основе работы ДПТ лежит явление электромагнитной индукции, когда на проводник в магнитном поле действует сила Ампера, вызывающая возникновение крутящего момента, который определяется током, проходящим через обмотки двигателя. Этот момент и используют в практических целях для вращения насосов, вентиляторов, колёс, компрессоров и пр.

Основными деталями ДПТ выступают статор (неподвижная часть) и ротор (вращающаяся часть). Скорость вращения определяется приложенным напряжением постоянного тока. Она может варьироваться от нескольких до тысячи оборотов в минуту. Это расширяет возможности применения ДПТ, которые можно использовать в робототехнике, электронике, автомобилестроении.

Набор для «электрификации» велотранспорта

Электродвигатели YALU обладают всеми преимуществами, которые свойственны ДПТ.

К плюсам агрегатов относятся:

• компактные размеры, особенно у двигателей на постоянных магнитах;
• быстрый запуск за счёт большой величины пускового момента;
• простая эксплуатация, связанная с практически линейными регулировочными и механическими характеристиками;
• плавная регулировка скорости вращения вала;
• возможность применения не только в качестве двигателя, но и как генератора тока.

Важной характеристикой ДПТ выступает мощность, от которой зависит КПД агрегата. Для слабых двигателей КПД составляет около 40 %, а для более мощных (1 МВт) может достигать 96 %.

Сферы применения электродвигателей постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока — наиболее часто используемые приводы для создания непрерывного движения с регулируемой скоростью вращения. Они могут приводить в движение транспортные средства: от игрушечных автомобилей-аттракционов с аккумулятором 12 В до электричек и троллейбусов, где точность регулировки оборотов наглядно демонстрируется плавным разгоном техники. Агрегаты на постоянных магнитах имеют особенно большую плотность мощности, поэтому часто используются в оборонительной отрасли.

Электрический транспорт — одна из самых распространённых сфер применения ДПТ. На них основана работа:

• метро,
• трамваев,
• троллейбусов,
• электровозов,
• пригородных электрических дорог.

Другую сферу применения ДПТ составляют подъёмные механизмы, включая электрические подъёмные краны. Ввиду отсутствия жёстких ограничений по размерам электродвигатели часто остаются незамеченными. Их используют в автомобилестроении: на грузовом транспорте устанавливаются агрегаты с рабочим напряжением от 24 В, а на легковом — 12 В. Здесь ДПТ работают от генератора или АКБ и отвечают за разные функции:

• поднятие-опускание стёкол;
• поддержание в салоне заданной температуры;
• позиционирование сидений;
• управление зеркалами и пр.

Использование электродвигателя на постоянном токе для автоматизированной очистки стёкол

Для применения ДПТ в качестве генератора тока необходимо поменять полярность питания постоянного тока, подаваемого на соединения агрегата. Т. е., нужно изменить направление тока в якоре или обмотке возбуждения. В результате вал будет вращаться в противоположном направлении. Самым простым и недорогим способом управления вращением вала остаются переключатели.

При использовании ДПТ учитывается одна из важнейших характеристик — способ подключения обмотки возбуждения:

• независимый,
• параллельный,
• последовательный,
• смешанный.

В ДПТ с последовательной схемой возбуждения при необходимости можно уменьшить скорость вращения в 2 раза. За это отвечает переменный резистор, который при необходимости включают в цепь возбуждающей обмотки реостата. В двигателях с параллельной схемой для уменьшения оборотов в 2 раз тоже применяют реостат, а для повышения в 4 раза подключают сопротивление.

В двигателях с параллельной схемой для уменьшения оборотов в 2 раз тоже применяют реостат, а для повышения в 4 раза подключают сопротивление

Широкие возможности с электродвигателями постоянного тока

Ввиду разнообразия ассортимента сегодня возможны стабильные поставки электродвигателей постоянного тока YALU для самодвижущейся техники, электротранспорта и других видов техники и промышленного оборудования. В зависимости от задач можно подобрать один мотор или все комплектующие, необходимые для проекта.

Среди ДПТ представлены агрегаты, рассчитанные на напряжение от 12 до 48 В и силу тока до 39 А. Если вам необходима консультация по поводу выбора, обратитесь к представителям «ВКС» через онлайн-форму или свяжитесь по телефону.

Принцип действия машин постоянного тока. Законы электромагнитной индукции и электромагнитных сил

  Автор: admin Генераторы постоянного тока, Двигатели постоянного тока, Машины постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока основан на 2-х законах:
1. Закон электромагнитной индукции: при перемещении проводника длиною l в магнитном поле с индукцией B со скоростью v, в нем возникает ЭДС (электродвижущая сила).

e=Blv

2. Закон электромагнитных сил: если проводник длиною l и с током i поместить в магнитное поле с индукцией B, на него будет действовать электромагнитная сила f.

f=Bli

Если рамку длиной l вращать в магнитном поле с индукцией B со скоростью v, на основании закона электромагнитной индукции в сторонах рамки будет наводиться ЭДС.

Чтобы определить направление действия ЭДС пользуются правилом правой руки.

Правило правой (а) и левой (б) руки.

τ=(πD)/(2p),

где p – число пар полюсов;
D — диаметр якоря;
τ – полюсное деление, показывающее какая часть длины окружности, которую описывает рамка, приходится на 1 полюс.
Число пар полюсов машины постоянного тока всегда кратно двум.

Ток всегда имеет то же направление, что и ЭДС.

Если рамку через кольцо соединить с внешней цепью, то по внешней цепи будет течь ток, совпадающий по форме и направлению с ЭДС.

Для того, чтобы во внешней цепи протекал постоянный ток, разрезаем кольцо на два полукольца и к каждому полукольцу подсоединяем по одному концу рамки. Замена кольца на два полукольца обеспечивает во внешней цепи однонаправленный ток.

Полукольца являются прообразом коллектора машины постоянного тока. Для того, чтобы ЭДС и ток на выходе машины был постоянным, надо увеличить число рамок и число полуколец.

Таким образом, коллектор в машине постоянного тока является механическим выпрямителем, если машина работает в генераторном режиме и механическим инвертором, если машина работает в двигательном режиме.

Внутри машины постоянного тока всегда действует переменное ЭДС и по обмотке якоря протекает переменный ток.

Если к рамке подвести ток, совпадающий по направлению с ЭДС, то на каждую сторону рамки на основании закона электромагнитных сил будет действовать сила, направление действия которой определяется правилом левой руки.

Для того чтобы рамка под действием сил начала вращаться, нужно иметь две силы и плечо. Чтобы выполнить это действие, все электрические машины изготавливаются круглой формы.

Для того чтобы на зажимах генератора постоянного тока появилось напряжение, его нужно привести во вращение от постороннего источника механической энергии и подать напряжение на обмотку возбуждения, и тогда на основании закона ЭМИ (электромагнитной индукции) на выходе генератора появится ЭДС.

Если к генератору подключить нагрузку, то по якорю генератора начнет протекать ток. И как только по якорю начнет протекать ток, в якоре генератора начнет действовать закон электромагнитных сил и будет создаваться момент, приложенный на встречу механической энергии, в результате чего якорь генератора будет притормаживаться.

Таким образом, в генераторе постоянного тока, работающем под нагрузкой, действуют оба закона: закон электромагнитных сил, который ухудшает работу машины, и закон ЭМИ, являющийся основным законом, на котором основан принцип действия генератора.

Для того чтобы якорь двигателя постоянного тока начал вращаться, необходимо создать магнитный поток с помощью обмотки возбуждения и подвести к якорю напряжение, тогда по обмотке якоря начнет протекать ток и в машине начнет действовать закон электромагнитных сил, который приведет якорь во вращение.

Как только якорь начнет вращаться, начнет действовать закон ЭМИ и будет создаваться ЭДС, направленная навстречу подводимому напряжению.

Так как в машине постоянного тока независимо от режима работы действуют оба закона, одна и та же машина может работать как двигателем, так и генератором.

Машина постоянного тока обратима, т.е. одна и та же машина может работать в разных режимах, в зависимости от того, какой вид энергии к ней подводится: электрический или механический.

свадебный торт с мастикой

Принцип действия двигателя постоянного тока

Закон электромагнитной индукции Ленца…

Пожалуйста, включите JavaScript

Закон электромагнитной индукции Ленца: определение и формула

Двигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию в механическую. Входная мощность двигателя постоянного тока является мощностью постоянного тока. Двигатель постоянного тока работает по принципу закона Лоренца, который гласит, что когда проводник с током помещается в магнитное поле, на него действует сила. Эта сила называется силой Лоренца, и ее направление можно найти по правилу левой руки Флеминга.

Принцип работы двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока имеет якорь и обмотку возбуждения. Якорь подключен к источнику питания постоянного тока через сегмент коммутатора и угольные щетки. Якорь находится под действием магнитного поля. Магнитное поле создается в двигателе постоянного тока, когда его обмотка возбуждения находится под напряжением постоянного тока.

Одноконтурная конструкция двигателя постоянного тока приведена ниже.

Двигатель постоянного тока имеет якорь и обмотку возбуждения. Якорь подключен к источнику питания постоянного тока через сегмент коммутатора и угольные щетки. Якорь находится под действием магнитного поля. Магнитное поле создается в двигателе постоянного тока, когда его обмотка возбуждения находится под напряжением постоянного тока.

Когда проводник якоря с током помещается в магнитное поле, на проводник действует сила. Направление силы, действующей на проводник, можно определить по правилу левой руки Флеминга.

Когда проводник якоря с током помещается в магнитное поле, на проводник действует сила. Направление силы, действующей на проводник, можно определить по правилу левой руки Флеминга.

Согласно правилу левой руки Флеминга, если мы вытянем указательный, средний и большой пальцы левой руки таким образом, чтобы средний палец находился в направлении тока в проводнике, а указательный – вдоль направление магнитного поля, то есть с севера на южный полюс, затем большой палец указывает направление создаваемой механической силы.

Величина силы

Когда бесконечно малый заряд dq течет со скоростью v под действием электрического поля E и магнитного поля B, тогда сила Лоренца, испытываемая зарядом dq, определяется выражением;

В двигателе постоянного тока направление тока через проводник якоря в любой момент перпендикулярно полю. Ток в левой части катушки равен I, а ток в правой стороне катушки равен -I.

Сила, действующая на левую сторону катушки, равна;
F = БИЛ Sinθ
θ = 90 ^∘

F = БИЛ Sin90  [ Sin 90 ^∘  = 1 ]
F= БИЛ
;
FR = BIL SINθ
θ = 90 ^∘

FR = B (-I) L SIN90 [SIN 90 ^∘ = 1]
FR =-BIL

В DC MOD ток через проводник якоря в любой момент перпендикулярен полю. Ток в левой части катушки равен I, а ток в правой стороне катушки равен -I.

Таким образом, на двух сторонах катушки возникает одинаковая по величине сила. Однако направление обеих сил противоположно друг другу. Противоположная сила, действующая на две стороны катушки, которые находятся на расстоянии «w», вызывает вращение катушки, и катушка начинает вращаться. Таким образом, в двигателе постоянного тока создается крутящий момент.

Величина крутящего момента

Крутящий момент двигателя постоянного тока

 

Связанные сообщения:

Подпишитесь на нас и поставьте лайк:

Объяснение урока: Двигатели постоянного тока

В этом объяснении мы научимся описывать использование коммутатора для создания равномерного кругового движения на выходе источника постоянного тока.

Двигатель постоянного тока представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию в кинетическую. Он делает это, используя принцип электромагнитной индукции. Мы рассмотрим конструкцию двигателя постоянного тока и посмотрим, как он работает.

Начнем с того, как устроен двигатель постоянного тока. Базовая конструкция показана на схеме ниже.

Устройство называется двигателем постоянного тока, поскольку оно работает от источника постоянного тока. Источник постоянного тока, такой как батарея, — это источник тока, который всегда посылает ток в том же направлении.

Источник постоянного тока соединен проводами с двумя щетками. Провода и щетки показаны на схеме синим цветом. Эти щетки изогнуты, чтобы помочь поддерживать электрический контакт с коммутатором, который находится между двумя щетками.

Коммутатор показан на схеме оранжевым цветом. Коммутаторы обычно выглядят как круг или сплошное кольцо, разделенное на две половины. Они сделаны из металла, поэтому они проводят электричество. Однако зазор между двумя половинками означает, что они электрически отделены друг от друга, т. е. заряды не могут течь напрямую из одной половины коммутатора в другую.

Каждая половина коммутатора подключена к одному концу петли провода. Эта проволочная петля, показанная на схеме розовым цветом, называется катушкой. Это иногда также называют арматурой. Петля из проволоки нарисована так, что она ориентирована в горизонтальной плоскости. Однако он способен вращаться вместе с коммутатором, вокруг оси, проходящей через его центр. Эта ось показана на диаграмме пунктирной серой линией.

Вокруг якоря есть постоянный магнит. На схеме это показано серым цветом. Этот магнит часто называют статором. Название выбрано, чтобы подчеркнуть тот факт, что эта часть двигателя остается неподвижной, в отличие от вращающейся катушки.

Коллектор и щетки показаны крупным планом на схеме ниже. Проиллюстрированы две разные конструкции коммутатора: коммутатор может быть изготовлен из любого две половинки D-образной формы, как на левой диаграмме, или две половины разрезного кольца, как на правой диаграмме. Эти диаграммы показаны «сзади» коммутатора по сравнению с предыдущей схемой.

Важно отметить, что каждый конец токопроводящего контура провода подключен к одной половине коммутатора. При вращении коммутатора и проволочной петли концы проволоки остаются прикрепленными к половинам коммутатора.

Сначала мы нарисовали схему двигателя постоянного тока, на которой все его части были выделены разными цветами. Однако теперь, когда мы определили различные компоненты, возможно, более полезно изобразить его следующим образом.

В этой второй версии диаграммы мы использовали серый цвет для всех частей двигателя, которые остаются неподвижными, и мы использовали оранжевый цвет для всех частей. двигателя, который может вращаться.

Рассмотрим путь, по которому следует ток. Это показано на диаграмме ниже, где катушка ориентирована горизонтально.

Вспомним, что обычный ток идет от плюса к минусу. Это означает, что у нас есть ток, идущий от положительной клеммы.

Зазор между двумя половинками коммутатора блокирует направление тока непосредственно на отрицательную клемму.

Однако, поскольку каждый конец катушки подключен к одной половине коммутатора, вместо этого ток проходит через катушку. Ток следует по петле, образованной катушкой, пока не достигнет другой половины коммутатора.

Эта вторая половина коллектора контактирует со щеткой, соединенной с отрицательной клеммой. Это дает току путь, по которому он должен следовать, чтобы достичь отрицательного терминал, тем самым замыкая цепь.

Теперь давайте подумаем, что на самом деле делает этот ток, чтобы заставить это устройство работать как двигатель.

Основной принцип, лежащий в основе работы двигателя постоянного тока, заключается в том, что электрический заряд, движущийся в магнитном поле, испытывает силу.

В данном конкретном случае мы рассматриваем протекание зарядов в проводе, другими словами, электрический ток. Имеем провод определенной длины, несущий ток в присутствии магнитного поля. Поскольку провод содержит движущиеся заряды, мы знаем, что на него будет действовать сила.

Уравнение: сила, действующая на провод с током в магнитном поле

Рассмотрим провод длиной 𝐿, по которому течет ток величиной 𝐼 в присутствии магнитного поля 𝐵.

Если направление провода перпендикулярно направлению магнитного поля, то величина силы, действующей на провод, определяется выражением 𝐹=𝐵𝐼𝐿.

Направление силы перпендикулярно как току в проводе, так и магнитному полю и может быть найдено с помощью правила левой руки.

Сила на провод действует перпендикулярно направлению тока в проводе и направлению магнитного поля. Итак, давайте посмотрим на направления тока и магнитного поля.

Направление магнитного поля указано на схеме выше. Мы знаем, что магнитное поле между двумя полюсами магнита идет от северного полюса к южному полюсу; в нашем случае это слева направо на экране.

Также указано направление тока в обеих частях катушки, перпендикулярных магнитному полю. Мы можем вспомнить, что только ток, который перпендикулярно полю, возникнет сила. С левой стороны катушки этот ток направлен на экран. С правой стороны текущий направлен за пределы экрана к нам.

Давайте сосредоточимся на левой стороне катушки. Здесь ток направлен на экран. Магнитное поле направлено слева направо. Мы знаем это сила должна быть перпендикулярна обеим этим величинам, но остается два варианта: вверх или вниз.

Чтобы выяснить, в каком из этих направлений указывает сила, мы можем использовать правило левой руки Флеминга.

Правило: правило левой руки Флеминга

Правило левой руки Флеминга позволяет найти направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, при условии, что поле и направления тока перпендикулярны.

Правило визуально показано на диаграмме выше. Это работает следующим образом:

• Левой рукой мы указываем первым, или указательным, пальцем по направлению магнитного поля.
• Затем мы указываем вторым пальцем под углом 90° к первому вдоль направления тока.
• Большой палец, под углом 90° к обоим пальцам, указывает направление силы, действующей на провод.

Давайте применим это правило левой руки к катушке провода в нашем двигателе.

Мы начнем с рассмотрения левой стороны нашего мотка проволоки. Здесь ток направлен от нас. Магнитное поле направлено вправо. Применяя правило левой руки, мы указываем нашим первым пальцем вдоль направления поля, а вторым пальцем — вдоль текущего направления. Это показано на диаграмме ниже.

Мы обнаруживаем, что наш большой палец направлен вниз. Это говорит нам о том, что сила, действующая на левую сторону катушки, направлена ​​вниз.

Мы можем применить тот же процесс к правой стороне катушки. В этом случае направление поля по-прежнему правое, но ток теперь направлен на нас. С помощью правила левой руки можно легко проверить (и полезно попробовать это сделать), что сила на этой правой стороне катушки действует вертикально вверх.

Таким образом, силы, действующие на эти две стороны катушки, показаны на диаграмме ниже. На этой диаграмме мы показали вид сверху вниз слева, в котором текущий указано направление. Справа мы показали вид сбоку, на котором указаны силы. На этой диаграмме сбоку мы также указали текущий направление с помощью символов ⊗ (в экран) и ⊙ (вне экрана).

Здесь стоит повторить, что на две другие стороны катушки сила не действует. Причина этого в том, что ток в этих сторонах течет либо параллельно, либо антипараллельно направлению магнитного поля.

Давайте рассмотрим пример, который поможет вам познакомиться с двигателями постоянного тока и попрактиковаться в использовании правила левой руки.

Пример 1. Определение направления тока в обмотке двигателя постоянного тока

На схеме показан двигатель постоянного тока. Показанные розовые стрелки представляют силы, действующие на катушку. Какой из терминалов 𝑎 или 𝑏 это плюс двигателя?

Ответ

Вопрос заключается в том, чтобы найти, какой из двух терминалов, помеченных 𝑎 и 𝑏, является положительным. Чтобы сделать это, нам нужно определить направление тока, так как мы знаем, что обычный ток направлен от положительного к отрицательному.

Нам дано направление силы на левой и правой сторонах катушки. Мы также знаем, что магнитное поле направлено от северного полюса. к южному полюсу постоянного магнита; это слева направо.

Теперь мы можем обратиться к нашему правилу левой руки. Будем рассматривать левую часть катушки. В этом случае мы знаем направление магнитного поля (вдоль которого мы указываем указательным или указательным пальцем) — вправо, а направление силы (вдоль которого мы указываем большим пальцем) — вверх.

Мы обнаруживаем, что наш второй палец, указывающий текущее направление, указывает на нас. Это означает, что ток в левой части провода направлен к нам, за пределы экрана.

Так как направление тока не может просто частично измениться в цепи, мы можем видеть, что ток должен следовать по этому пути в двигателе:

Затем, поскольку ток направлен от положительного к отрицательному, мы видим, что ответ на вопрос в том, что положительная клемма 𝑏.

В самом начале этого объяснения мы сказали, что катушка может вращаться (вместе с коммутатором). Теперь мы видели, что комбинация текущего в катушке, а магнитное поле от статора (магнитов вокруг катушки) приводит к возникновению сил, действующих на две стороны катушки.

Оказывается, именно эта сила вызывает вращение катушки. Точнее, крутящий момент, возникающий от этой силы, вызывает вращение.

Крутящий момент, возникающий в результате действия силы, определяется как произведение величины этой силы и расстояния по перпендикуляру к линии действия силы от оси вращения. Другими словами, всякий раз, когда у нас есть сила, действующая на объект на некотором перпендикулярном расстоянии от оси, вокруг которой объект может вращаться, будет крутящий момент.

На схеме ниже мы можем видеть ось, вокруг которой катушка способна вращаться, то есть ось вращения. Мы также можем видеть, что две силы не действуют вдоль этой оси, а на некотором расстоянии от нее.

Расстояние сил от оси выделено на диаграмме двумя черными пунктирными стрелками. Поскольку силы не вдоль оси, они действительно будут в результате возникает крутящий момент на катушке.

В этом случае левая сила действует вниз, а правая сила действует вверх. Итак, как и следовало ожидать, крутящий момент заставляет катушку (вместе с коммутатор) вращаться в направлении, показанном на схеме, то есть против часовой стрелки от того направления, в котором мы на него смотрим.

До сих пор все наши анализы проводились, когда катушка находится в горизонтальной плоскости. Однако мы только что показали, что силы, действующие на катушку в этой точке, создают крутящий момент, который заставляет его вращаться. Это означает, что нам также необходимо учитывать, что происходит, когда катушка поворачивается на другие углы.

Рассмотрим случай, когда катушка повернулась на некоторую величину меньше 90∘ относительно начальной горизонтальное положение мы рассмотрели. Это показано на диаграмме ниже.

Из диаграммы видно, что коммутатор вращался вместе с катушкой, но каждая из двух половин коммутатора все еще находится в электрическом состоянии. контакт одной и той же кистью. Для ясности мы обозначили половины коммутатора 1 и 2. Тогда мы можем сказать, что в этот момент половина коммутатора 1 все еще находится в контакте. с положительной клеммой, а половина коммутатора 2 все еще находится в контакте с отрицательной клеммой.

Это означает, что электрический заряд по-прежнему движется по цепи так же, как и раньше, когда катушка была горизонтальной. ток имеет такое же направление в левой и правой частях катушки, как это было раньше.

Поскольку направления тока остались прежними и направление магнитного поля также не изменилось, это означает, что силы, действующие с каждой стороны катушки находятся в том же направлении, что и прежде. То есть сила с левой стороны действует вниз, а сила с правой стороны действует вверх.

Как и прежде, эти силы не действуют на линию, проходящую через центр вращения катушки. Это означает, что они действуют для создания крутящего момента. Однако мы можем видеть из на диаграмме выше видно, что перпендикулярное расстояние этих сил от оси вращения меньше, чем когда катушка была горизонтальной. Поскольку эти силы действуют ближе к оси вращения, чем они были ранее, величина создаваемого ими крутящего момента уменьшилась.

Когда катушка отклоняется от горизонтального положения и приближается к вертикальному положению на 90∘, величина крутящего момента на этой катушке становится все меньше и меньше по мере уменьшения расстояния сил от оси вращения.

Теперь рассмотрим, что происходит при вертикальном положении катушки, показанном на диаграмме ниже.

Из схемы видно, что любые силы, действующие на стороны катушки в этом положении, будут действовать вдоль оси вращения. Следовательно, крутящий момент не будет производимые этими силами. Другими словами, когда катушка ориентирована вертикально, на нее не действует чистый крутящий момент. Единственное, что заставляет катушку вращаться в этот момент он имеет некоторую инерцию вращения; поскольку катушка уже двигалась против часовой стрелки, она будет продолжать это делать, если не будет сопротивления.

На этой диаграмме важно отметить еще кое-что: положение коммутатора. До этого момента половина коммутатора с номером 1 всегда находился в электрическом контакте со щеткой, подключенной к плюсовой клемме. Точно так же половина коллектора 2 всегда находилась в контакте со щеткой. подключен к минусовой клемме. Это вертикальное положение катушки представляет собой точку переключения. Когда катушка вращается дальше этой точки, половина коммутатора 1 будет соприкасается с отрицательной клеммой, а половина коммутатора 2 будет соприкасаться с положительной клеммой.

Рассмотрим, что происходит с током в катушке после поворота вокруг вертикали. Заряды теперь текут от положительной клеммы к половине коммутатора 2. Они проходят через катушку, пока не достигают половины коммутатора 1. Затем они проходят через правую щетку к отрицательной клемме. Это показано в правой половине диаграммы ниже.

В левой половине диаграммы показана катушка до того, как она повернется за вертикаль. Для наглядности мы обозначили стороны катушки 1 и 2 в соответствии с половина коммутатора, к которой подключен каждый.

Мы видим, что когда катушка проходит вертикальную ориентацию, направление тока в самой катушке меняется. Прежде чем пройти через вертикаль, ток со стороны 1 был направлен от нас (в экран), а ток со стороны 2 был направлен к нам (за пределы экрана). Теперь, после прохождения по вертикали ток со стороны 1 направлен к нам, а ток со стороны 2 направлен от нас.

Однако направление тока в схеме вне катушки остается неизменным. Ток по-прежнему направлен от плюсовой клеммы к левой щетке. и от правой щетки к минусовой клемме. Именно добавление коммутатора вызывает изменение направления тока в катушке.

Мы видели, что происходит с током в катушке, когда она вращается вокруг вертикали. Теперь давайте также рассмотрим силы, действующие с каждой стороны катушки. Эти силы показаны на диаграмме ниже.

Мы снова показали катушку в двух положениях: до и после поворота катушки за пределы вертикальной ориентации. Помимо указания направления тока по сторонам катушки в каждом случае мы обозначили силы, действующие с каждой стороны катушки. Направление этих сил можно проверить, применив правило левой руки.

Перед прохождением вертикального положения (левая диаграмма) сила на стороне 1 была направлена ​​вниз, а сила на стороне 2 была направлена ​​вверх. Ранее, мы описали это как силу на левой стороне катушки, направленную вниз, и силу на правой стороне, направленную вверх.

Глядя на правую диаграмму, мы видим, что после того, как катушка вращается вокруг вертикали, сила на левой стороне катушки по-прежнему направлена ​​вниз а сила с правой стороны по-прежнему направлена ​​вверх. Однако сторона 1 теперь является правой стороной, а сторона 2 теперь левой стороной. Потому что направление ток через катушку изменился, изменилось и направление сил с каждой стороны катушки.

Давайте рассмотрим пример.

Пример 2. Определение положения максимального и минимального крутящего момента в двигателе постоянного тока

На схеме показан двигатель постоянного тока. Катушка двигателя показана одновременно под четырьмя разными углами к магнитному полю двигателя.

1. В каком положении крутящий момент катушки двигателя максимален?
2. В каком положении крутящий момент на обмотке двигателя минимальный?

Ответ

Часть 1

На схеме представлены четыре различных угла катушки в двигателе постоянного тока. В положении I катушка расположена горизонтально. В положениях II и IV катушка находится в положении под углом 45∘ к этой горизонтали. В положении III катушка расположена вертикально.

Мы можем вспомнить, что на две стороны катушки, которые перпендикулярны направлению магнитного поля, действует сила. Это стороны, которые направленные к нам или от нас (левая и правая стороны, когда катушка ориентирована горизонтально).

Крутящий момент на катушке зависит от величины самой силы, а также от расстояния линии действия этой силы от оси вращения.

Величина силы рассчитывается по формуле 𝐹=𝐵𝐼𝐿, где 𝐵 — напряженность магнитного поля, 𝐼 — сила тока, 𝐿 — длина провода. Поскольку ни одна из этих величин не меняется при вращении катушки, величина силы не изменится. Следовательно, любые изменения крутящего момента будут результатом изменения расстояния линии действия силы от оси вращения катушки.

Когда катушка ориентирована горизонтально, это расстояние максимально. Следовательно, крутящий момент на катушке наибольший, когда катушка ориентирована горизонтально, как в позиции I.

Часть 2

Крутящий момент будет минимальным для минимального расстояния между линией действия силы и осью вращения катушки.

Это происходит, когда катушка находится в вертикальном положении. В этом случае расстояние от оси до любой из двух сторон катушки, перпендикулярных магнитному направление поля равно нулю. Таким образом, когда катушка ориентирована вертикально, крутящий момент не только минимален, но фактически равен нулю.

Таким образом, наш ответ заключается в том, что крутящий момент на катушке минимален, когда катушка ориентирована вертикально, как в положении III.

Каждый раз, когда катушка поворачивается в вертикальном направлении, направление тока в катушке меняется. Это означает, что направление сил на сторонах A и B также будут меняться каждый раз.

Результатом этого является то, что сила на стороне катушки слева от вертикали (будь то сторона 1 или 2) всегда будет направлена ​​вниз, а сила на правой стороне катушки всегда будет направлен вверх.

Это означает, что крутящий момент от этих сил всегда будет вращать катушку в одном и том же направлении. Таким образом, катушка будет продолжать вращаться в том же направлении.

Давайте рассмотрим еще один пример.

Пример 3: Определение направления вращения катушки в двигателе постоянного тока

Какая из диаграмм, изображающих двигатель постоянного тока, правильно представляет направление вращения двигателя? Катушка двигателя одновременно показан под четырьмя разными углами к магнитному полю двигателя.

Ответ

Этот вопрос спрашивает нас, какая из двух диаграмм показывает правильное направление вращения двигателя. Чтобы ответить на этот вопрос, давайте напомним себе что вызывает это вращение.

Мы можем вспомнить, что вращение вызывается крутящим моментом на катушке и что этот крутящий момент является результатом силы, действующей на токонесущие провода этой катушки.

Рассмотрим упрощенную схему, показывающую только один угол катушки. Мы нарисовали это ниже. Мы можем вспомнить, что из-за того, как коммутатор связывает щетки к катушке, если мы знаем, в каком направлении крутящий момент заставляет катушку вращаться на какой-то один угол, то мы знаем, что действие этого крутящего момента останется одинаково для всех углов катушки. Другими словами, катушка будет продолжать вращаться в том же направлении.

Напомним, что направление силы можно найти по направлению тока и направлению магнитного поля по правилу левой руки.

На схеме мы указали направление магнитного поля. Это направление вправо, так как магнитное поле между двумя полюсами магнита идет от северного полюса к южному полюсу.

Поскольку обычный ток направлен от плюса к минусу, мы знаем, что ток в катушке будет направлен так, как показано на схеме.

Рассмотрим левую сторону катушки. Мы видим, что ток направлен от нас, тогда как мы знаем, что магнитное поле направлено вправо.

Используя правило левой руки, мы указываем нашим первым пальцем вдоль направления поля (вправо), а нашим вторым пальцем вдоль текущего направления (от нас). Это показано на диаграмме ниже.

Как показано на диаграмме, большой палец направлен вниз. Следовательно, сила на левой стороне катушки действует вниз.

Если мы применим то же правило левой руки к правой стороне катушки, мы обнаружим, что сила на этой стороне действует вверх, так как в этом случае ток направлен к нам.

Силы показаны на диаграмме ниже.

Поскольку силы толкают левую сторону катушки вниз, а правую сторону вверх, мы видим, что они придадут нам крутящий момент что заставляет катушку вращаться против часовой стрелки.

Сравнивая диаграммы, данные нам в вопросе, мы видим, что правильное направление вращения, против часовой стрелки, показано на диаграмме B.

Теперь мы рассмотрели все основы работы двигателя постоянного тока. Остается только одна часть: как эта вращающаяся катушка на самом деле работает как двигатель?

Ответ состоит в том, что стержень расположен вдоль оси вращения катушки. Когда катушка вращается, этот стержень также вращается вместе с ней.

Этот вращающийся стержень способен приводить во вращение шестерню или другой механический объект, и этот вращающийся объект может выполнять механическую работу. Таким образом, двигатель постоянного тока использует электрическую энергию цепи для производства механической работы.