Действие генераторов постоянного тока основано на явлении электромагнитной индукции, открытой М. Фарадеем в 1831 году. В соответствии с этим явлением при движении проводника в магнитном поле со скоростью V перпендикулярно силовым линиям магнитной индукции В в нем наводится ЭДС, определяемая как

Ei= B *1* V                                                            (1)

где Ei - ЭДС, наводимая в одном проводнике обмотки якоря, направление которой определяется правилом правой руки;

В - магнитная индукция;

1 - длина проводника, пересекаемая силовыми лини­ями магнитной индукции;

V- скорость пересечения проводника силовыми линиями магнитной индукции

Для определения выражения ЭДС генератора введем такое понятие, как полюсное деление 1, представляющее собой часть окружности якоря, соответствующую одному полюсу [1,8,12]. Более точное понятие полюсного деления связывается с геометрической нейтралью [1,3,12]. Под геометрической нейтралью понимается линия на поверхности якоря, проходящая в осевом направлении по средине между соседними полюсами. Часть окружности якоря между геометрическими нейтралями называется полюсным делением. При работе машины постоянного тока магнитная индукция на геометрической нейтрали равна нулю. Щетки для подведения напряжения к обмотке якоря двигателя и для снятия напряжения с генератора устанавливаются на коллекторе таким образом, чтобы в момент перехода щеток с одной коллекторной пластины на другую, напряжение между этими пластинами было минимальным (близким к нулю). В данном случае говорят, что щетки установлены на геометрической нейтрали. Как правило, при этом они располагаются по осям полюсов. Причем, при вращении якоря, каждая из щеток соприкасается только с той коллекторной пластиной, а соответственно и с теми проводниками обмотки якоря, которые находятся под полюсом одной полярности. Поэтому одна из щеток всегда будет иметь одну полярность, например «плюс», а вторая щетка другую - «минус».

Количество полюсных делений соответствует числу полюсов. Если например, электрическая машина имеет одну пару плюсов р=1 ( то есть два полюса ), то этому соответствует и два полюсных деления. Если же р=2, то количество полюсных делений, естественно, равно четырем. Полюсное деление определяется как

                                                                                                                                                              (2)

Где   - полюсное деление;

D - внешний диаметр якоря;

р - число пар полюсов.

Для удобства практического использования изменим выражение (1). Линейная скорость проводника, находящегося в пазу якоря, может быть выражена через его частоту вращения:

                                                                                                                                 (3)

где n - частота вращения якоря.

Тогда

Представим в последнем выражении длину окружности якоря через полюсное деление из выражения ( 2 ):

                                                                                                                      (4)

Произведение ( ) представляет собой площадь S, которую пронизывают силовые линии магнитной индукции, создаваемой обмоткой возбуждения полюса. В свою очередь известно, что произведение магнитной индукции однородного поля на перпендикулярную к ее силовым линиям поверхность носит название магнитного потока Ф.

С учетом этого последнее выражение примет вид:

                                                                                                                               (5)

В выражении ( 5 ) частота вращения представлена размерностью с-1, то есть количеством оборотов якоря в секунду. На практике во многих случаях она выражается количеством оборотов в минуту, тогда

                                                                                                                                (6)

Полученное выражение определяет ЭДС одного проводника обмотки якоря. В общем случае в ней может содержаться N активных проводников, а число ее параллельных ветвей - составлять 2а. На основании этого ЭДС одной параллельной ветви Е обмотки якоря определится как

                                                                                                                                          (7)

Введем коэффициент, зависящий от конструкции данной машины Се [1,4,5,7,181:

Окончательно будем иметь:

Таким образом, ЭДС генератора постоянного тока пропорциональна основному магнитному потоку Ф, создаваемому обмоткой возбуждения, и частоте вращения якоря п .

Машины постоянного тока, как генераторы, так и двигатели, подразделяются по способу возбуждения в них основного магнитного потока: на машины с независимым возбуждением и самовозбуждением. Машины с самовозбуждением в свою очередь делятся на машины параллельного возбуждения ( шунтовые ), последовательного возбуждения ( сериесные ) и смешанного возбуждения ( компаундные ), рис.8.

4. Принцип действия двигателя постоянного тока.

Принцип работы двигателя основан на движении проводника с током в магнитном поле. Электромагнитная сила Fi, действующая на один проводник обмотки якоря, находящийся под полюсом, определяется выражением

                                                        (10)

где B - магнитная индукция;

L - длина проводника, находящегося в магнитном поле;

 I - ток, проходящий по проводнику ( по одной параллельной ветви обмотки якоря).

Сила по выражению (10 ) направлена в соответствии с правилом левой руки. Иногда это выражение представляют в несколько ином виде, заменяя длину проводника L из произведения S= τ∙ l полюсное деление как τ=π∙ D /(2∙ p ) и ток, проходящий через активный проводник, отношением I = I я/(2∙ a ). Тогд

Fi                                           (11)

где Ф - основной магнитный поток, создаваемый током обмотки возбуждения;

 р - число пар полюсов двигателя

 Iя - ток в обмотке якоря;

а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря;

D - диаметр якоря.

Момент вращения Mi, создаваемый каждым проводником обмотки якоря, определяется выражением:

Суммарный электромагнитный момент, создаваемый всеми активными проводниками N обмотки якоря, будет иметь вид:

                                                                              (12)

В полученном выражении выделим постоянный коэффициент См, зависящий от конструктивных особенностей данного двигателя П.7. 181:

                                                                                                    (13)

Электромагнитный момент двигателя постоянного тока с учетом выражения ( 13 ) представляется в виде

M=Cм∙Ф∙iя                                           (14)

Если машина постоянного тока работает в режиме двигателя, то наличие тока в обмотке якоря, как видно из выражения (14), создает его момент вращения, а при работе в режиме генератора, как будет показано ниже, - тормозной момент.