Как работает электродвигатель

Как работает электродвигатель

Чтобы электродвигатель работал, надо соединить его обмотки с источником постоянного тока. Для самых маленьких двигателей, потребляющих ток не более 0, 3 А, можно в качестве источника тока применить батарейку от карманного фонаря. Более мощные двигатели можно питать постоянным током от батареи или аккумулятора.

Как только мы соединим обмотки двигателя с источником тока, якорь начнет вращаться. Это происходит потому, что на витки обмотки якоря, находящиеся в магнитном поле, действуют моменты пар сил, которые складываются и образуют вращающий момент, заставляющий якорь вращаться. Вращающий момент двигателя можно рассчитать. Он зависит от мощности двигателя и скорости его вращения и определяется по формуле

Мвр, = 97, 5*P/n (кГ*см). (2-3)

В этой формуле Р обозначает мощность двигателя в ваттах, а n — скорость вращения якоря, выраженную в оборотах в минуту.

Например, двигатель мощностью 5 Вт работающий при скорости вращения 3000 об/мину будет иметь вращающий момент

Мвр = 97, 5*5/3000 =0, 162 кГ*см.

Если сравнить этот момент с моментом, создаваемым одним витком, который был вычислен по формуле (2-2), то оказывается, что вращающий момент двигателя в 270 раз больше момента одного витка. Это потому, что обмотка якоря состоит из нескольких сотен витков и вращается в более сильном магнитном поле электромагнитов. Формулу (2-3) можно выразить и иначе:

Р=1, 02*Мвр*n (Вт). (2-4)

Из этого выражения видно, что при одной и той же величине вращающего момента мощность двигателя будет увеличиваться пропорционально скорости вращения. Как будет показано в гл. 5, двигатель с большой скоростью вращения будет иметь меньшие размеры и вес, чем тихоходный двигатель такой же мощности. Поэтому двигатели малой мощности выполняются с большими скоростями вращения — до 10000 об/мин.

Как только якорь начал вращаться, в проводниках его обмотки будут наводиться ЭДС. По закону Ленца они направлены против напряжения источника тока. Поэтому силу тока, потребляемую якорем электродвигателя, можно узнать, разделив разность между напряжением U и ЭДС – Е, на сопротивление обмотки двигателя R: I=(U-E)/R. (2-5)

Пока к валу двигателя не приложено никакой нагрузки, он работает на холостом ходу. Чем быстрее вращается якорь двигателя, тем большая ЭДС. будет наводиться в его обмотке. При холостом ходе двигатель имеет наибольшую скорость вращения, и поэтому ток, потребляемый двигателем при холостом ходе, мал. Но якорь никогда не может развить такую скорость вращения, чтобы ЭДС Е сравнялась с приложенным напряжением U. Как видно из формулы (2-5), при этом числитель превратился бы в нуль, а, следовательно, двигатель перестал бы потреблять ток от источника. Из формулы (2-2) видно, что момент двигателя также превратился бы в нуль, и двигатель перестал бы работать.

Рис. 2-8. Нагрузка двигателя тормозом. 1 — шкив, 2 — стойка, 3 — рычаг, 4 — колодка, 5 — стержень, 6 — груз

Нагрузка электродвигателя состоит из сопротивления тех механизмов, которые он приводит во вращение. Когда хотят изучить свойства двигателя, то нагрузку ему создают при помощи тормоза (рис. 2-8). Для этого против шкива 1 на конце вала двигателя устанавливают стойку 2, с которой шарнирно соединен рычаг 3. К рычагу прикреплена колодка 4, прилегающая к шкиву двигателя. На другом конце рычага подвешен стержень 5 из проволоки, на который можно надевать грузики 6. Чем больше грузиков надето на стержень, тем сильнее колодка будет давить на шкив. При этом увеличится сила трения на окружности шкива. Произведение силы трения Т на радиус шкива r будет создавать тормозной момент для двигателя. При установившейся скорости вращения тормозной момент равен вращающему моменту двигателя.

По мере увеличения нагрузки будет увеличиваться ток, потребляемый двигателем от источника, а скорость вращения якоря будет снижаться.

Если мы будем увеличивать число грузиков, то якорь двигателя, наконец, остановится. Такое состояние двигателя, когда он приключен к источнику тока, и якорь не вращается, называется коротким замыканием двигателя. Очевидно, что при коротком замыкании двигатель будет потреблять очень большой ток, так как при неподвижном якоре E=0, а следовательно, по формуле (2-5)

I=U/R. (2-6)

Сопротивление обмоток двигателя мало, и поэтому ток короткого замыкания в несколько раз превышает нормальный рабочий ток двигателя. При этом ухудшаются условия охлаждения, так как неподвижный якорь не обдувается воздухом. Поэтому при коротком замыкании двигатель очень быстро нагреется, и его обмотки будут повреждены вследствие обугливания изоляции проводников.

Рассмотрим момент пуска двигателя. В момент подключения его обмоток к источнику тока якорь еще неподвижен. Поэтому пусковой ток можно определить по формуле (2-6), как и ток короткого замыкания. Но по мере увеличения скорости будет нарастать ЭДС, и ток будет быстро спадать. Однако для двигателей мощностью выше 1 кВт пусковой ток является опасным, и поэтому при пуске двигателя последовательно с якорем включают дополнительное пусковое сопротивление. Двигатели мощностью в десятки ватт можно пускать, непосредственно подключая их к источнику питания без пусковых сопротивлений.