Принцип работы электродвигателя

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯХ.

УСЛОВИЯ РАБОТЫ ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ. ТРЕБОВАНИЯ,

ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ.

 

Тяговые электродвигатели в режиме тяги служат для преобразования электрической энергии в механическую энергию, то есть для образования силы тяги электровоза. В режиме электрического торможения они служат для превращения кинетической энергии поезда в электрическую энергию.

Тяговые электродвигатели работают в более тяжелых условиях, чем стационарные электродвигатели, так как подвержены воздействию внешней среды (пыли, влаги, снега, колебаниям температуры внешней среды), вибрации от воздействия пути на электровоз, изменению нагрузки в широких пределах и колебаниям напряжения в контактной сети. Поэтому к тяговым электродвигателям предъявляется ряд особых требований. Они должны иметь:

· иметь большую мощность при малых габаритах;

· обладать высокой перегрузочной способностью и выдерживать частые пуски;

· обеспечивать изменение скорости в широких пределах;

· иметь хорошую коммутацию при динамических воздействиях на него на него колесной пары, колебаний напряжения в контактной сети и запыленности внешней среды остова;

· иметь высокую прочность;

· устойчиво работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

Проводник с током в магнитном поле постоянного магнита. На проводник с током, помещенный в магнитное поле постоянного магнита, действует электромагнитная сила. Эта сила стремится вытолкнуть его за пределы поля, перемещая проводник перпендикулярно магнитным силовым линиям поля. Направление этой силы определяется правилом Левой руки: ладонь левой руки расположить так, чтобы магнитные силовые линии поля входили в нее, четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока, расположенный под прямым углом большой палец укажет направление электромагнитной силы F (рис.1, а)

 

 

 

Рис. 1. Проводник с током в магнитном поле постоянного магнита (а),

виток с током в магнитном поле постоянного магнита (б),

образование электромагнитной силы (в).

Примечание: электромагнитные силы образуются в результате взаимодействия магнитного поля проводника с внешним магнитным полем (рис.1,в) С правой стороны магнитные силовые линии обеих полей направлены согласованно, а с левой стороны – направлены навстречу друг другу. Магнитное поле с правой стороны внешнего магнитного поля усиленное, а с левой стороны – наоборот ослабленное. Под действием усиленного магнитного поля проводник выталкивается в сторону ослабленного магнитного поля с силой F. Эта сила пропорциональна силе тока, индукции магнитного поля и длине проводника.

Виток с током в магнитном поле постоянного магнита. На каждую сторону проводника, изогнутого в виде витка, помещённого в магнитное поле постоянного магнита вертикально, также действует электромагнитные силы F. Их направление также определяется по правилу левой руки (рис.1,б). Эти две силы образуют пару сил, под действием которой образуется электромагнитный момент М. Он вызывает поворот витка, в данном примере, по часовой стрелке и выражается формулой М = F ´ Д, где Д – расстояние между витками или плечо этих сил. Виток будет поворачиваться до тех пор, пока он пересекает магнитные силовые линии поля, т.е. пока он не займет положение, перпендикулярное магнитным силовым линиям поля. Дальнейший его поворот прекратится, так как вращающий момент М будет равен нулю.

Вывод: один виток с током помещенный в магнитное поле постоянного магнита, не будет вращаться постоянно.

Электродвигатель. Для того чтобы вращающий момент был постоянным, необходимо между постоянными магнитами расположить несколько таких витков. В то время, когда один виток расположен перпендикулярно магнитным силовым линиям и его М = 0, другой – в это же время пересекает магнитные силовые линии поля и создает вращающий момент. Затем этот момент будет создавать следующий виток и т.д. Такое конструктивное решение для создания постоянного вращающего момента и используется в электродвигателе.

Основные элементы электродвигателя (рис.2).

Для крепления всех деталей применяют остов, который является одновременно и магнитопроводом.

Вместо постоянных магнитов применяют электромагниты, называемые главными полюсами. Они состоят из сердечника, собранного из листов электротехнической стали, и катушки. Главные полюсы создают основной магнитный поток двигателя. Катушки полюсов соединяются между собой последовательно и образуют обмотку главных полюсов или обмотку возбуждения.

- витки (секции), образующие обмотку якоря, комплектуют в катушки и закрепляют в круглом сердечнике. Он изготавливается из листов электротехнической стали. Этот сердечник напрессован на вал, который вращается в подшипниках, закреплённых в подшипниковых щитах остова. Обмотка и сердечник вместе составляют якорь и называются, соответственно, обмотка якоря и сердечник якоря;

- для подвода тока к обмотке якоря применяют щёточный аппарат и коллектор, в пластины которого впаяны секции обмотки якоря.

-

Рис.2. Разрез электродвигателя постоянного тока.

 

В тяговом электродвигателе обмотка возбуждения и обмотка якоря соединяются между собой последовательно и подключаются к контактной сети. Так как на каждую сторону секций обмотки якоря действуют электромагнитные силы F, в результате взаимодействия этих сил, как рассматривалось выше, и образуется непрерывный вращающий момент М. (рис. 3,а). Этот момент вращает якорь с некоторой частотой n.

Поскольку электромагнитные силы образуются в результате взаимодействия магнитного поля с внешним полем, то образование вращающего момента электродвигателя можно сформулировать так: ”Вращающий момент электродвигателя образуется в результате взаимодействия магнитного поля якоря с магнитным полем главных полюсов “

При вращении секций обмотки якоря в магнитном поле главных полюсов в них индуцируется э.д.с. (электродвижущая сила). Её направление определяется Правилом левой руки (Рис. 3, б): если ладонь правой руки расположить так, чтобы магнитные силовые линии поля входили в ладонь, отогнутый большой па-лец совместить с направлением движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление индуцированной э.д.с. Из Рис.3,б видно, направление её противоположно току, протекающему по секции, а значит и приложенному к нему напряжению. Поэтому, чтобы якорь не прекратил вращение, приложенное к нему напряжение, должно быть больше суммарной э.д.с. всех его секций. Так как эта э.д.с. направлена против тока, протекающего по секциям обмотки якоря, её называют противо-э.д.с., а поскольку она индуцируется при вращении якоря, её называют ещё и э.д.с. вращения.

а) б)

 

 

 

Рис.3. Электрическая схема электродвигателя (а), образование э.д.с. (б).

 

Таким образом, при работе электромашины в режиме электродвигателя:

· электромагнитный момент М частота вращения nсовпадают по направлению, что характеризует отдачу машиной механической энергии;

· в проводниках обмотки якоря возникает э.д.с., направленная против тока и внешнего напряжения, что вызывает необходимость потребления машиной электрической энергии.