§ 172. Электродвигатели постоянного тока.

Вращая генератор постоянного тока какой-нибудь внешней силой, мы затрачиваем определенную механическую мощность , а в сети получаем соответствующую электрическую мощность . Проделаем теперь с генератором постоянного тока обратный опыт. Подключим к зажимам генератора какой-нибудь внешний источник тока, например аккумуляторную батарею, и пропустим ток от этого источника через индуктор и якорь генератора, соединенные последовательно или параллельно, как на рис. 339 и 340. Мы увидим, что тотчас же якорь генератора придет во вращение. Соединив вал якоря со станком, мы можем привести в движение и станок. Генератор будет теперь работать как электрический двигатель. Теперь превращение энергии происходит в обратном направлении: мы затрачиваем определенную электрическую мощность , которую мы заимствуем от внешнего источника тока, и превращаем ее в соответствующую механическую мощность .

Происхождение сил, создающих действующий на якорь электродвигателя вращающий момент, понять нетрудно. Когда мы пропускаем ток через витки якоря, находящиеся в магнитном поле индуктора, то на них действуют силы, перпендикулярные к направлению тока и направлению индукции магнитного поля; направление этих сил может быть определено по правилу левой руки (§ 133).

На рис. 359 показаны силы, действующие на отдельные проводники обмотки (секции) якоря в момент, когда плоскость этой обмотки расположена под некоторым углом к направлению магнитного поля. Легко видеть, что силы, действующие на проводники  и , лежащие в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, всегда направлены параллельно этой оси. Поэтому они не создают вращающего момента якоря, а стремятся лишь деформировать (сжать или растянуть) его обмотку. Силы же, действующие на проводники  и , параллельные оси вращения, перпендикулярны к этой оси и создают вращающий момент, который и приводит во вращение вал якоря и связанные с ним валы станков, оси трамваев и т. п.

Рис. 359. Возникновение вращающего момента, действующего на обмотку с током, находящуюся в магнитном поле

Действующий на якорь механический вращающий момент имеет наибольшее значение тогда, когда соответствующая обмотка лежит в плоскости, параллельной направлению магнитного поля. По мере поворота обмотки этот вращающий момент уменьшается и обращается в нуль, когда обмотка становится перпендикулярно к направлению поля. В этом положении силы, действующие на проводники  и , лежат в одной плоскости (плоскости обмотки), так что они не создают вращающего момента, а стремятся только деформировать обмотку. При дальнейшем повороте обмотки знак вращающего момента меняется, т. е. он начинает действовать в противоположную сторону. Поэтому, если бы не было коллектора, то направление вращающего момента менялось бы после каждого полуоборота якоря, и длительное вращение было бы невозможно. Но, как мы видели, коллектор коммутирует (изменяет) направление тока в обмотках как раз в те моменты, когда обмотка стоит перпендикулярно к линиям поля. Благодаря этому вращающий момент сохраняет свое направление и якорь вращается постоянно в одну сторону.

Таким образом, когда машина работает как генератор постоянного тока, то роль коллектора заключается в выпрямлении переменного тока, индуцируемого в ее обмотках, а когда машина работает как двигатель, то коллектор таким же образом «выпрямляет» вращающий момент, т. е. заставляет машину длительно вращаться в одну сторону.

Направление вращения коллекторного двигателя зависит от соотношения между направлением магнитного поля индуктора и направлением тока в якоре. Различные возможные здесь случаи изображены на рис. 360, из которого видно, что, для того чтобы изменить направление вращения двигателя, нужно изменить направление тока либо в якоре машины, либо в ее индукторе. Если же мы одновременно изменим направление обоих токов, например присоединим тот зажим машины, который раньше был соединен с положительным зажимом сети, к отрицательному и наоборот, то машина будет продолжать вращаться в прежнюю сторону.

Рис. 360. Направление вращения двигателя постоянного тока в зависимости от направления магнитного поля и направления тока: кружки с крестиком – ток направлен от нас, кружки с точкой – ток направлен к нам

Из этого ясно, что снабженный коллектором электродвигатель постоянного тока может работать и от сети переменного тока, потому что при каждом изменении направления тока будет одновременно изменяться и направление тока и в индукторе и в якоре. Однако такие коллекторные двигатели переменного тока применяются сравнительно редко, преимущественно в виде двигателей малой мощности. В технике чаще всего применяются описанные в § 171 трехфазные электродвигатели с вращающимся полем.

172.1. Проверьте правильность рис. 360 при помощи правила левой руки.

Силы, действующие в магнитном поле на проводники якоря, по которым идет ток, существуют и тогда, когда этот ток возникает в результате индукции, т. е. машина работает как генератор, и тогда, когда этот ток посылается внешним источником, т. е. машина работает как двигатель.

Когда машина работает как генератор, эти силы по правилу Ленца направлены так, чтобы создаваемый ими вращающий момент тормозил процесс, вызывающий появление индуцированной э. д. с., т. е. был противоположен тому моменту, который приводит генератор во вращение. Таким образом, в этом случае приводящие генератор во вращение внешние силы должны преодолеть, уравновесить те силы, которые действуют на якорь в магнитном поле. Понятно, что эти силы тем больше, чем больше ток в якоре, т. е. чем больше электрическая мощность, потребляемая в сети, которую питает генератор. Поэтому по мере возрастания электрической нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности , возрастает и механическая мощность , которую нужно затратить, чтобы поддержать его вращение с прежней частотой. В этом легко убедиться, если попробовать вращать ротор генератора от руки. При работе генератора вхолостую (без нагрузки) или при очень малой нагрузке нам приходится делать лишь очень небольшое усилие, чтобы вращать его. Но если мы подключим к генератору лампочку накаливания мощностью, скажем, 100 Вт и попробуем вращать ротор генератора так, чтобы эта лампочка горела нормальным накалом, то убедимся, что это очень трудно. Приходится затрачивать большое усилие, чтобы преодолевать силы, действующие в магнитном поле индуктора на активные проводники якоря, через которые теперь проходит ток около 1 А. Таким образом, по мере возрастания нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности , возрастает и поглощаемая им механическая мощность , необходимая для поддержания прежней частоты вращения ротора и прежнего напряжения в сети.

Точно так же, когда машина работает в качестве двигателя, при возрастании ее механической нагрузки, т. е. при увеличении отдаваемой ею механической мощности , должна соответственно возрастать и поглощаемая ею из сети электрическая мощность , т. е. должен увеличиваться ток через якорь. В правильности этого легко убедиться, включив в цепь якоря амперметр. Когда двигатель работает вхолостую или совершает очень небольшую работу, ток в цепи якоря очень мал. Увеличим теперь нагрузку якоря, например тормозя его вал или присоединив к двигателю какой-нибудь станок. Мы заметим, что при этом ток через якорь, измеряемый амперметром, автоматически усилится до необходимого значения, при котором отбираемая от сети электрическая мощность равна затрачиваемой двигателем полезной механической мощности плюс неизбежные потери на нагревание проводников током (джоулево тепло), на перемагничивание железа в якоре и на трение в движущихся частях соединенного с ней станка.

Это автоматическое согласование электрической мощности с механической неизбежно следует из закона сохранения энергии. Но как оно происходит? Благодаря какому процессу увеличивается идущий через якорь электрический ток при увеличении механической нагрузки двигателя? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно иметь в виду, что независимо от того, работает ли машина как генератор или как двигатель, в витках ее якоря, вращающихся в магнитном поле индуктора, возникает индуцированная э. д. с. , направленная, согласно правилу Ленца, противоположно напряжению внешней сети , к которой машина присоединена. Таким образом, в цепи якоря фактически действует напряжение, равное разности , и по закону Ома ток в якоре

,                   (172.1)

где  – активное сопротивление якоря.

Если , то энергия отбирается от сети, т.е. машина работает как двигатель, если же , то машина отдает энергию в сеть, т. е. работает как генератор. Индуцированная э. д. с.  тем больше, чем больше частота вращения якоря. Пока нагрузка двигателя мала, ротор его вращается быстро, индуцированная э. д. с.  велика и почти равна  и ток в якоре очень слаб. При увеличении механической нагрузки двигателя частота вращения ротора убывает, индуцированная э. д. с.  уменьшается и ток  в якоре возрастает.