Основы электромеханики. Машины постоянного тока

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
Ю.Г. Шерстняков, Б.В. Стрелков, Н.А. Роднов
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ.
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Рекомендовано Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2012

УДК 621.313(075.8)
ББК 31.25
Ш50
Рецензенты: О.Д. Гольдбер, В.Г. Чернышев
Шерстняков Ю. Г.
Ш50
Основы электромеханики. Машины постоянного тока : учеб.
пособие / Ю.Г. Шерстняков, Б.В. Стрелков, Н.А. Роднов. – М.:
Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 46, [2] с. : ил.
Изложены основы теории электромеханики – процессов взаимного преобразования электрической и механической энергий. Показана
связь между электрическими, магнитными и механическими величинами на основе законов электромагнитной индукции и электромагнитного взаимодействия. Рассмотрены физические процессы в машинах постоянного тока, их устройство и функциональные особенности,
а также характеристики двигателей постоянного тока.
Для студентов факультетов ИУ
, РЛ и БМТ, изучающих электрические машины и механизмы в курсе «Электротехника». Может быть
полезно при подготовке к экзамену по соответствующему разделу
курса.
УДК 621.313(075.8)
ББК 31.25
c
⃝МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012

ВВЕДЕНИЕ
Наша жизнь неразрывно связана с электричеством как с самой удобной и универсальной формой энергии. Без электрической
энергии нельзя представить современное производство, быт и в целом жизнь цивилизованного общества. Широкое применение электрической энергии обусловлено возможностями ее производства,
передачи на большие расстояния, распределения, управляемости,
а также возможностью ее преобразования в другие виды энергии
с высоким КПД.
Б´
ольшая часть электрической энергии преобразуется в механическую энергию. Эту функцию выполняют электромеханические преобразователи (электрические машины). Электромеханическое преобразование энергии — одно из удивительнейших явлений
окружающего нас мира. Несмотря на большое разнообразие электромеханических преобразователей по назначению и конструктивному исполнению, их объединяет единый механизм преобразования электрической энергии в механическую энергию и наоборот.
Эти преобразования осуществляются на основе фундаментальных
физических законов и описываются сходными уравнениями.

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Электромеханика изучает взаимодействие электрических и механических систем с целью преобразования энергии, управления
объектами и получения информации. Основой электромеханических процессов является движение проводниковых и ферромагнитных элементов в магнитном и электрическом полях. Электромеханическое преобразование энергии есть взаимосвязь электрических, магнитных и механических явлений. Устройства, осуществляющие преобразования энергии, называются электрическими
машинами (ЭМ). Если преобразование энергии в ЭМ происходит
посредством магнитного поля, они называются индуктивными, а
если посредством электрического поля — емкостными. Емкостные машины пока не нашли широкого применения из-за низких
энергетических характеристик, поэтому в пособии они не рассматриваются.
Основными физическими законами, устанавливающими связи
между электрическими, магнитными и механическими величинами, являются законы электромагнитной индукции и электромагнитного взаимодействия.
1.1. Основные физические законы электромеханического
преобразования энергии
Закон электромагнитной индукции определяет процесс наведения ЭДС в контурах или проводниках, находящихся в магнитном
поле. Явление электромагнитной индукции было впервые открыто
М. Фарадеем в 1831 г. опытным путем. Сущность этого явления
заключается в том, что в проводящем теле, пересекающем магнитные силовые линии при движении в магнитном поле, наводится
4

ЭДС. Причина наведения ЭДС кроется в изменении потокосцепления контура при движении контура (или проводника) в магнитном
поле или в результате изменения связанного с контуром потока.
Наведенная ЭДС количественно равна скорости изменения потокосцепления (формулировка Максвелла):
e = −dψ
dt
— формула, отражающая закон электромагнитной индукции в
обобщенном виде. Знак минус в этом выражении обусловлен
инерционным характером электромагнитной индукции: ток, возникающий в контуре под действием наведенной ЭДС, всегда направлен таким образом, что созданный им поток препятствует
изменению магнитного потока, пронизывающего контур (правило
Ленца).
ЭДС может возникнуть как в неподвижном контуре при изменении потокосцепления с ним, так и при движении контура в
магнитном поле. В общем случае могут иметь место оба вида изменения потокосцепления:
dψ = ∂ψ
∂t dt + ∂ψ
∂x dx,
а наведенная ЭДС
e = −∂ψ
∂t + ∂ψ
∂x
dx
dt = −∂ψ
∂t + v∂ψ
∂x = et + ev,
где v = dx/dt — относительная скорость движения контура в магнитном поле. Слагаемое et = −∂ψ/∂t представляет собой ЭДС
трансформации, а слагаемое ev = −v(∂ψ/∂x) — ЭДС движения.
Понятия «ЭДС трансформации» и «ЭДС движения» являются
условными и зависят от выбора системы координат.
Часто бывает удобно определять ЭДС движения контура через
ЭДС движения прямолинейных проводников (в формулировке Фарадея), составляющих этот контур. Если прямолинейный проводник длиной l движется в однородном магнитном поле c индукцией
B со скоростью v (рис. 1.1, а), то ev = [vB]l, где l — вектор, учитывающий длину и ориентацию проводника. Когда векторы v, B, l
взаимно ортогональны (это случай, обычно реализуемый на практике), ev = Вlv. Если абсолютные величины индукции B, длины l
5