Электродвигатели: Часть 2

Видео

Конспект

6. Устройство коллектора

Чтобы условие $\cos\varphi \approx 1$ выполнялось постоянно, в реальном двигателе ротор содержит несколько наборов по $n$ витков, каждый из которых выведен на пару контактов коллектора. Неподвижные щётки всегда подключают к источнику именно тот набор витков, плоскость которого в данный момент содержит силовые линии поля. При повороте ротора один набор витков отсоединяется, следующий подключается. Тем самым на рамку всегда действует близкий к максимальному момент сил.

7. Двигатели переменного тока с коллектором

Если вместо источника постоянного тока к коллекторному двигателю подключить сеть переменного тока, двигатель продолжает работать. Это объясняется синхронным изменением знака тока в обмотках ротора и знака магнитного поля статора: знак момента сил остаётся неизменным (за исключением моментов, когда напряжение сети равно нулю).

Параллельное соединение обмоток статора и ротора

При параллельном соединении магнитное поле статора не зависит от тока ротора. Поведение двигателя аналогично двигателю постоянного тока: существует максимальная установившаяся угловая скорость, при которой ток в цепи и момент сил обращаются в нуль.

Последовательное соединение обмоток статора и ротора

При последовательном соединении по обеим обмоткам течёт один и тот же ток $I$, и магнитное поле статора пропорционально этому току: $$

B = B_0 \cdot \frac{I}{I_0}.

$$ Уравнение для тока: $$

I\!\left(R_{ст} + R_{р} + \frac{\omega\, S n B_0}{I_0}\right) = \mathcal{E}.

$$

Подстановка в механическое уравнение даёт: $$

J\dot{\omega} = \frac{S n B_0}{I_0} \cdot \frac{\mathcal{E}^2}{\!\left(R_{ст} + R_{р} + \dfrac{\omega S n B_0}{I_0}\right)^{\!2}} - M_{ext}.

$$

При отсутствии нагрузки ($M_{ext}=0$) правая часть остаётся положительной при любом $\omega$, поэтому угловая скорость неограниченно возрастает. Это опасный режим: двигатель, включённый последовательно без нагрузки, может разогнаться до разрушения. На практике именно такие случаи приводили к выходу двигателей из строя.

8. Двигатели с вращающимся магнитным полем

Ещё один класс — двигатели, в которых статор создаёт вращающееся магнитное поле. Для этого используются две пары катушек, токи в которых сдвинуты по фазе на $90°$: $$

I_1(t) = I_0 \cos(\omega t), \qquad I_2(t) = I_0 \sin(\omega t).

$$ Результирующий вектор поля $\vec{B}$ вращается в пространстве с угловой скоростью $\omega$.

Ротор (например, с железным сердечником) приобретает индуцированный магнитный момент и увлекается вращающимся полем. Различают два подтипа:

Синхронный двигатель. Ротор вращается с той же угловой скоростью, что и поле. При увеличении нагрузки возрастает угол между вектором $\vec{B}$ и магнитным моментом ротора, что увеличивает момент сил. В определённом диапазоне нагрузок синхронизм сохраняется.

Асинхронный двигатель. Ротор вращается несколько медленнее, чем магнитное поле (отстаёт по фазе). Например, при частоте сети $50~Гц$ поле вращается со скоростью $50 \times 60 = 3000~об/мин$, а на корпусе асинхронного двигателя может быть указано $2750~об/мин$. Разность скоростей обусловлена запаздыванием перемагничивания ротора.

Итог

Основные типы электродвигателей:

Двигатели постоянного тока (с коллектором): обмотки ротора и статора могут соединяться параллельно или последовательно; последовательное включение без нагрузки опасно неограниченным разгоном.

Коллекторные двигатели переменного тока: работают при синхронном изменении тока в роторе и поля статора.

Синхронные и асинхронные двигатели: используют вращающееся магнитное поле статора, не требуют коллектора.