Основні теоретичні відомості. Двигун постійного струму

Двигун постійного струму

Сили, які діють на електричний струм в магнітному полі, зокрема, сили, що діють на замкнутий струм і викликають його поворот, широко використовуються в техніці. Саме завдяки їм працюють електричні двигуни.

Основна частина двигуна постійного струму - контур (рамка, котушка), розміщений в сильному магнітному полі електромагніта на рисунку 5.1.

Такий контур у магнітному полі не обертається, а

Рисунок 5.1 лише повертається. Досягнувши положення рів- новаги, в якому площина контуру стає перпендикулярною вектору індукції магнітного поля, контур має зупинитися. Але якщо через кожну половину оберту контуру в ньому змінювати напрям струму, то контур обертатиметеся без­перервно.

Зміна напряму струму в контурі здійснюється автоматично за допомогою пристрою, який називають колектором, на рисунку 5.1 позначений літерою К. Він складається з двох половинок мідного циліндра, до яких приєднані кінці контуру, і обертається разом з ним. Через ці півциліндри за допомогою ковзних контактів - щіток - контур з'єднується з джерелом струму.

В реальних двигунах є не один, а кілька контурів, намотаних на залізне осердя (це так званий ротор двигуна). Магнітне поле, в якому обертається ротор, створюється елек­тромагнітами на статорі. Схематично це показано на рисунку 5.2. На роторі намотано 4 контури (1-1, 2-2, 3-3, 4-4). Струм від джерела напруги U через колектор (на рисунку не показаний) подається і в електромагніти статора, і в обмотки ротора.

Двигуни постійного струму використовуються в

електричних транспортних засобах, на підйомних

Рисунок 5.2 кранах, у бага­тьох побутових електричних прис- троях.

Магнітоелектричні прилади.

Принцип дії магнітоелектричної системи ґрунтується на взаємодії провідника зі струмом і магнітного поля. Поле створюється постійним магнітом 1 на рисунку 5.3, струм проходить через котушку у вигляді рамки 2. Рамка є рухомим елементом приладу і знаходиться на одній осі зі стрілкою 3. Обертальний момент, що діє Рисунок 5.3

на рамку, зав­дяки спеціально сконструйованому магнітові не залежить від кута повороту рамки і дорівнює:

М₀= BINА, (5.1)

де В — індукція магнітного поля, І — сила струму, N — кількість витків у рамці, А — її площа.

Рамка починає повертатися. При цьому спіральна пружина 4 закручується і виникає протидіючий момент, пропорційний куту повороту рамки: М_п = k , де k — коефіцієнт пропорційності, який залежить від пружних властивостей пружини. Коли протидіючий момент дорів­нюватиме обертальному: М_п = Мо або k = BINS, рамка зу­пиниться. При цьому кут повороту рамки, а значить, і стрілки, дорівнює , тобто прямо пропорційний силі струму в рамці. Це забезпечує рівномірність пікали приладу.

Магнітоелектричні прилади придатні для вимірювання лише в колах постійного струму, що є їх недоліком. Проте ці прилади споживають мало енергії і мають високу чутли­вість.

Більш чутливими є прилади магнітоелектричної системи, на­приклад дзеркальні гальванометри. В них на осі обертання замість стрілки прикріплене маленьке пласке дзеркальце. Вузький пучок світла від лам­почки падає на дзеркало, а відбитий від нього зайчик потрапляє на віддалену шкалу.

Електромагнітні прилади

Принцип дії приладів елек­тромагнітної системи ґрунтується на ефекті втягування заліз­ного осердя котушкою, якою проходить струм. Такий прилад на рисунку 5.4, а складається з нерухомої котушки зі струмом І, залізної пластинки 2, що обертається на осі, де закріплено пружинку 3, яка утримує пластинку, і стрілки 4.

Внаслідок проходження через котушку електричного стру­му будь-якого напряму залізна пластинка втягується в котуш­ку, повертається на своїй осі і обертає стрілку. Для зменшен­ня коливань стрілки застосовується «заспокоювач» 5, який складається з циліндра, в якому рухається поршень, з'єд­наний із залізною пластинкою.

Електромагнітні прилади менш точні, ніж магніто­електричні, але простіші за конструкцією і придатні для ви­мірювання як постійного, так і змінного струму.

Електродинамічні прилади

Принцип дії приладів електро­динамічної системи — це взаємодія провідників зі струмом. Такий прилад на рисунку 5.4, б складається з двох котушок 1, 2 у вигляді рамок, підвішених на спільній осі, одна — нерухомо, друга — на підшипниках. Обидві рамки зв'язані двома пружинами, якими до рамок підводиться струм. У результаті проходження струму рухома рамка повертається на осі тим більше, чим більша сила струму, і з'єднана з нею стрілка дає показання на нерухомій шкалі.

а б

Рисунок 5.4

Електродинамічними приладами можна користуватися для вимірювань постійного і змінного струмів (сили струму і на­пруги). Шкала цих приладів нерівномірна.

На практиці часто використовують прилади з кількома ме­жами вимірювання сил струмів і напруг. Для цього у процесі вимірювання напруг послідовно з приладом вмикають додат­кові опори, а вимірюючи сили струмів, до приладу приєдну­ють паралельно опори-шунти.

Гучномовець

Дія магнітного поля на провідник зі струмом використову­ється у будові гучномовців — приладів для збудження звуко­вих хвиль під дією електричного струму, сила якого змінюється із звуковою частотою. В електродина­мічному гучномовці (динаміку) ви­користовують дію магнітного поля постійного магніту на змінний Рисунок 5.5

струм у рухомій котушці. Звукова котушка 1 на рисунку 5.5 з мідного дроту, з'єднана з гнучкою мембра­ною 2 і конічним дифузором З, розміщена у зазорі сильного кіль­цевого постійного магніту 4.

Під час проходження змінного електричного струму котушка під дією змінної сили Ампера коливається з частотою коливань сили струму і змушує коливатися з такою самою частотою мембрану і дифузор. Ці коливання створюють коливання тис­ку повітря, тобто звукові хвилі.

Першокласні гучномовці відтворюють без значних спотво­рень звукові коливання в діапазоні 40–15 000Гц. Але такі пристрої дуже складні. Тому застосовують системи з кількох гучномовців, кожний з яких відтворює звук у певному неве­ликому інтервалі частот.

Загальним недоліком усіх гучномовців є малий ККД. Вони випромінюють лише 1—3 % усієї підведеної до них енергії.