Električni stroji DC.
Načrtovanje električnih strojev
Enosmerni tok. Reverzibilnost strojev
Enosmerne električne stroje delimo glede na namen na generatorje in motorje.
Generatorji proizvajajo električno energijo, ki gre v omrežje; motorji ustvarjajo mehanski navor na gredi, ki se uporablja za pogon različnih mehanizmov in vozila.
Delgas kliče, zaradi česar je nepogrešljiv pri gradnji motorjev v transportni industriji. Komutator ima enako število tuljav kot inducirano navitje stroja. medenina ali medenina. Vendar obstaja. ločeni drug od drugega s plastjo laka ali oksida. Magnetna glava iz pločevina ima na svoji zunanji površini režo, kjer se nahaja inducirano navitje stroja. na osnovi železnih listov.
Vodniki in utori običajno potekajo vzporedno z osjo, v drugih primerih pa so nagnjeni. Obseg utorov za namestitev vodnikov navitja armature. Vlečni elektromotorji imajo dva načina delovanja: neprekinjen in urni. Vse obstaja večje število industrijski procesi ki zahtevajo natančen nadzor ali razpon hitrosti, ki jih ni mogoče doseči z motorji AC. zvitki papirja. Uporabljajo se obvodni motorji. prevoz po vodi. IN zadnja leta vedno bolj se uporablja na strojih s spremenljivo hitrostjo, kjer je potrebna velika količina hitrosti in nadzora.
Električni stroji so reverzibilni. To pomeni, da lahko isti stroj deluje kot generator in kot motor. Zato lahko govorimo o zasnovi enosmernih strojev, ne da bi posebej upoštevali zasnovo generatorja ali motorja.
Lastnosti reverzibilnosti ne bi smeli nasprotovati posebnemu namenu stroja, ki je običajno zasnovan in uporabljen kot motor ali kot generator. Stroji, zasnovani za delovanje v generatorskem in motornem načinu, se uporabljajo veliko manj pogosto. To so tako imenovani startni generatorji, ki so nameščeni na nekaterih premikajočih se objektih.
V vsakem od njih se odsek bolj zmanjša in hitrost poveča. Ta vrsta generatorja letalski generator našel kasneje praktična uporaba v letalstvu. Široka elektrifikacija letal se je začela leta in asinhroni motor s kletkasti rotor. Rotacijski asinhroni motor rotor.
S tem motorjem naj bi vrtel propelerje letala. Kot rezultat raziskave je bila razvita shema avtomatska regulacija napetost generatorja. V tem zadnjem primeru. to. Velik del te energije se v isti obliki izmeničnega toka uporablja v industriji za razsvetljavo in gospodinjske potrebe. Glede na to, kako sta induktor in armatura povezani, poznamo tri vrste dinama: zaporedno. Generatorji na trajni tok Sodobne elektrarne proizvajajo skoraj samo trifazni izmenični tok.
Generator in motor se razlikujeta po zasnovi in oblikovne značilnosti. Zato uporaba motorja kot generatorja ali generatorja kot motorja povzroči poslabšanje značilnosti delovanja strojev, zlasti do zmanjšanja učinkovitosti.
V vsakem enosmernem stroju se gibljivi in mirujoči deli jasno razlikujejo. Premični (vrtljivi) del stroja se imenujerotor , nepremično -stator .
V nekaterih primerih generator. elektromagnet je vzbujen neodvisni tok ali samostimulacijo. Če ima oklep en kabel. V slednjem primeru se uporabljajo sredstva za tokokrog motorja. Sodobna generatorska polja so opremljena s štirimi ali več elektromagnetnimi poli, ki povečujejo velikost in moč magnetno polje. napetost. DC stroji imajo princip reverzibilnosti. hitrost vrtenja. Večsegmentno stikalo, ki se uporablja z bobnasto armaturo, vedno poveže zunanje vezje s kablom, ki se premika čez območje polja z visoko intenzivnostjo.
Del stroja, v katerem se inducira elektromotorna sila, običajno imenujemo armatura, del stroja, v katerem se ustvari magnetno vzbujevalno polje, pa je induktor. Običajno pri enosmernem stroju stator služi kot induktor, rotor pa kot armatura.
Imenuje se tudi stator enosmernega strojapostelja.Okvir je izdelan iz magnetno prevodnega materiala (običajno litega jekla); opravlja dve funkciji, prvič je magnetno vezje, skozi katerega prehaja magnetni vzbujevalni tok stroja, in drugič, glavni strukturni del, v katerem se nahajajo vsi drugi deli. Palice so pritrjene na okvir z notranje strani. Strojni drog je sestavljen iz jedra, pola in tuljave. Ko enosmerni tok teče skozi tuljave, se v polih inducira magnetni vzbujevalni tok. Poleg glavnih polov so v strojih z veliko močjo (več kot 1 kW) nameščeni dodatni manjši poli za izboljšanje delovanja stroja. Dodatne polne tuljave so zaporedno povezane z navitjem armature.
Avtomatski vzbujevalni generatorji so ločeni. Generator sestavljenega vzbujanja ima dva vzbujalna navitja. Za serijski generator so značilni obremenitveni tokovi. Po drugi strani pa v generatorju pri oddajanju armaturnega toka enaka vsoti tok obremenitve in tok vzbujanja. obremenitvena karakteristika postane prazna funkcija. armature in vzbujanja so enaki. v skladu z načinom povezovanja vzbujevalnih navitij. Razvrstitev enosmernih motorjev Enako kot generatorji. Razdeljeni so v dve veliki skupini. pretok je konstanten, če je napajalni vir fiksen.
Armaturno jedro in komutator se kotalita na isti gredi. Jeklena armaturna gred sloni na ležajih, nameščenih v stranskih ščitih stroja. V zameno so stranski ščiti priviti na stator.
Za zmanjšanje vrtinčnih tokov in s tem povezanih toplotnih izgub je jedro armature izdelano iz tankih pločevin elektrotehničnega jekla, ki so med seboj izolirane z lakiranim premazom. V telo armature so izvrtani prezračevalni kanali, skozi katere prehaja hladilni zrak. Prevodniki armaturnega navitja, povezani s kolektorskimi ploščami, so nameščeni v utore armaturnega jedra.Kolektor je sestavljen iz ločenih bakrenih plošč. tesnila iz mikanita. Površina bakrenih plošč je posebej obdelana za povečanje njihove odpornosti proti obrabi.
Reakcija oklepa preprečuje, da bi tok zapustil. Polarnost glavnih polov se ne spremeni. Hitrost servomotorjev se mora sorazmerno povečevati, tako da se nasprotna elektromotorna sila poveča za uravnoteženje enačbe. pri nazivna napetost in polno polje. vendar se še naprej obrača v isti smeri kot prej in ohranja isto polarnost polov. Zdaj deluje kot električni motor in razvija navor. Ker se obremenitveni tok zmanjša od polne obremenitve.
Najmanjša varna obremenitev je določena z največjo varno obratovalno hitrostjo. v velikosti konjskih frakcij in majhnem številu konj. Tok serijskega polja se spremeni neposredno, ko se spremeni armaturni tok. Niso potrebni niti električni napajalniki za vzbujanje niti ustrezno navitje. To zagotavlja hitrostno karakteristiko, ki ni "trdna" ali ravna kot ranžirni motor. Stopnja povečanja hitrosti je sprva majhna, vendar se povečuje, ko se tok zmanjšuje.
Električni priključek vrtljivo navijanje armature s fiksnimi sponkami stroja se izvaja s strOz močjo ščetk, ki drsijo po komutatorju.
Krtače so vstavljene v posebne kletke držala krtač in pritisnjene na komutator s spiralnimi ali listnatimi vzmetmi. Nosilci ščetk so pritrjeni na traverzo, ki se skupaj s ščetkami lahko vrti glede na stator pod določenim kotom v eno ali drugo smer.Grafit se uporablja kot osnova za izdelavo čopičev. Za pridobitev želenih lastnosti (določena električna prevodnost, povečana odpornost proti obrabi) se krtači doda kovinski prah (baker, svinec).
Učinkovitost in hlajenje sta izboljšana z odpravo izgub moči v polju vzbujevalnika. Učinek temperature je odvisen od vrste materiala, uporabljenega v magnetu. zato povzroči rahlo oslabitev pretoka, ko tok narašča. pri katerem je navitje vznemirjenja zaporedno povezano z armaturo. Slabosti so pomanjkanje nadzora nad terenom in posebne lastnosti hitrostni par. Sestavljeni motorji imajo zaporedno polje na vrhu navitja shuntnega polja. Sklopljeni motorji so običajno povezani na ta način in se imenujejo oblikovana povezava.
Na sl.5 .1. prikazuje videz enosmernega stroja serije P, proizvedenega domaindustrija. Stroji te serije so zasnovani za različne moči od 0,3 do 200 kW. Motorji serije P so zasnovani za 110 ali 220 V, generatorji pa za 115 ali 230 V.
riž.5 .1. Videz DC stroji
V seriji motorjev. Serijsko navitje motorja. ker ni nobenih navitij vzbujevalnika, ki ne delujejo, in ni možnosti prekoračitve hitrosti zaradi izgube polja. Preobremenitve lahko povzročijo delno razmagnetenje, kar spremeni značilnosti hitrosti in navora motorja. Serijsko polje je povezano tako, da se njegov tok doda fluksu glavnega shuntnega polja. Kombinirani motor ima omejeno območje oslabitve polja. Imajo več prednosti pred vrstami navitih polj. in je neposredno sorazmeren z obremenitvijo.
riž. 9.2. Prerez enosmernega stroja:
1 - armaturno jedro z vodniki za navijanje; 2 - tuljava navitja polja;3 - gred; 4 - glavni drog; 5 - dodatni pol; 6 - stator
Prerez enosmernega stroja je shematično prikazan na sl.5 .2, kjer sta vidna stator, ki ustvarja pretok magnetnega polja, in rotor, v utorih katerega se nahajajo vodniki navitja kotve. Med polom in armaturo je zračna reža, ki odpravlja trenje med rotorjem in statorjem (sl.5 .3, a). Magnetna indukcija v zračni reži se spreminja vzdolž kroga po zakonu, ki se imenuje trapezoiden (sl.5 .3, b).
Ni tako "mehak" kot serijski motor. dokler se magnetizacija popolnoma ne obnovi. To se imenuje "stabilnost" in motor se šteje za nestabilnega. Tiskano vezje in mobilna tuljava. igelna resonanca. Enosmerni tok na armaturo preklapljamo s tranzistorji. Preklopno zaporedje je konfigurirano za ustvarjanje vrtljivega magnetnega toka v zračni reži. ki so podobni stikalom. fizična oblika Rotor oklepnega motorja je sestavljen iz valjaste lupine bakrenih ali aluminijastih tuljav.
Zasnova enosmernega stroja je prikazana na sl.5 .4.
Stroji z enosmernim tokom so običajno prisilno zračno hlajeni z ventilatorjem, nameščenim na gredi armature. Za zmogljive stroje so bili razviti vodikovi in vodni hladilni sistemi.
Motor ima lahko dva. kot vztrajnost. Servo motorji so lahki. Servomotorji vključujejo elektromotorje z trajni magneti. 05, tranzistorji pa dovajajo tokovne impulze navitjem armature. konfiguracijo tega. hitrost in teža. Izbira motorja je lahko tako preprosta, kot da ga prilagodite razpoložljivemu prostoru. Tudi če imajo ti motorji enake vrednosti navora. ki ostane pod stalnim kotom z magnetnim tokom, ki ga ustvarjajo trajni magneti rotorja. Vsaka od teh glavnih vrst ima svoje značilnosti.
riž.5 .3. Shematski prikaz zračne reže1 med polom 2 in armaturo 3 (a) ter magnetno indukcijo v zračni reži (b)
Za zaščito stroja pred prahom in vlago so strukturna okna, ki omogočajo dostop do komutatorja in krtač, pokrita z odstranljivo jekleni trakovi ali plošče.
Tudi numerično krmiljeni stroji ali druge aplikacije, kjer je treba zagon in zaustavitev izvesti hitro in natančno. To vezje postaja vedno dražje in neučinkovito, ko se število navitij povečuje. tako kot so ti elementi razporejeni v običajnih enosmernih motorjih. Ima najboljše začetni navor. njene fizikalne in električne konstante se znatno razlikujejo.
V izjemnih primerih. razen če so sprejeti ukrepi za zmanjšanje uporabljene napetosti. pri gonilnikih je nasprotna smeri toka in je znana kot povratna elektromotorna sila. Kako se armatura motorja vrti v magnetnem polju. Med tem zagonom bo v motorju tekel čezmeren tok. Običajno se uporabljajo sprožilne naprave, ki so sestavljene iz zaporedno vezanega spremenljivega upora. sprememba hitrosti, ki nastane pri delovanju pod obremenitvijo in pod vakuumom, je osnova za merilo za določanje njegovih značilnosti delovanja.
riž.5 .4. Zasnova enosmernega stroja:
1 - zbiralnik; 2 - ščetke; 3 - jedro armature; 4 - jedro glavnega pola; 5 - polna tuljava; 6 - stator; 7 - ležajni ščit; 8 - ventilator; 9 - navitje armature
DC motor. Če priključite enosmerni stroj na električno omrežje, bo tok tekel skozi navitje armature. V skladu z Amperejevim zakonom mehanske sile delujejo na vodnike navitja armature, ki se nahajajo v magnetnem polju vzbujanja. Te sile ustvarjajo navor, pod vplivom katerega se začne armatura odvijati.
Induktor ima razmeroma majhno število ovojev žarilne nitke. Magnetni tok povzroči nastanek para v prevodnih nastavkih. Motorji z sekvenčno vzbujanje so motorji, pri katerih je induktor zaporedno povezan z armaturo. Če motorno železo vzdržujemo pri zmerni nasičenosti. skozenj prepušča magnetni tok. Kaj. Od povratne elektromotorne sile pri ničelni hitrosti. Navitje motorja je zaporedno.
V seriji motorjev. ob upoštevanju prejšnje enačbe. Preklopni drogovi so izboljšali preklapljanje zvočnikov, tako da je mogoče uporabiti veliko ožjo zračno režo kot v preteklosti. kot šant. Reakcija armature mora biti dovolj velika, da se z večanjem obremenitve hitrostna karakteristika poveča. ne kot motorji. Vzbujevalni sistemi turbogeneratorjev Sl. Osnovni stroj, ki uporablja reakcijo ojačitve in iz katerega so se razvili vsi ostali, ki delujejo na istem principu. uporablja se za regulacijo napetosti v velikih sinhronskih generatorjih v elektrarnah. Kot transformatorski stroji. ena hitrost na splošno.
Gred vrtljive armature se uporablja za pogon različnih mehanizmov: dvižnih in transportnih vozil, obdelovalnih strojev, šivalni stroji itd.
Na podlagi zakona o ohranjanju energije lahko domnevamo, da večja kot je mehanska obremenitev na njegovi gredi, večja je moč, ki jo motor porabi iz omrežja. Vendar pa razumeti bistvo dela električni motor Pomembno je spremljati, kako spremembe mehanske obremenitve vplivajo na električno moč, ki jo porabi motor.
Reakcija armature je zaskrbljujoč pojav, ki ga je treba na nek način kompenzirati. Nad vakuumsko napetostjo. čeprav je napetost obloka variirala. Generatorji, namenjeni za varjenje, morajo izpolnjevati številne značilnosti, kot so: vzdrževati kratek stik. pritrjeni na krtače, ki se nahajajo pod glavnimi drogovi. na kaj se priklopi generator? Vzbujevalno navitje je v seriji z varilnim krogom. S povečanjem razpoložljive nazivne moči turbogeneratorjev. Tok kratkega stika ni veliko višji od nastavljenega varilnega toka. katerih izhod se skozi ščetke in drsne obroče dovaja v polje generatorja. s katerim lahko spremenite magnetni upor, ki ustreza glavnemu polju.
Ugotovimo. Armaturno navitje motorja se vrti v magnetnem vzbujalnem polju. Pod temi pogoji v skladu z zakonom elektromagnetna indukcija EMF se pojavi v navitju armature. Uporaba pravila desna roka, je enostavno ugotoviti, da je usmerjena proti uporabljeni omrežni napetosti. Zato se je imenoval povratni EMF. Prav povratni EMF je dejavnik, ki uravnava porabo električne energije iz omrežja.
Generatorji, ki se uporabljajo za varjenje Varilni generatorji so na splošno generatorji prečnega polja. Tok ostane nespremenjen. Zagotovite približno konstantno jakost toka. Pri spajkanju se spajkalnik začne dotikati obdelovanca z elektrodo. in s tem vrednost varilnega toka.
Razpon ali obseg toka, ki ga zagotavlja varilni generator, določa varilne postopke. Nastali tok v magnetnem vezju stroja je določen s skupno magnetomotorno silo vseh navitij v stroju. Ta vzbujevalni stroj deluje v zelo težke razmere menjava za tisto, kar si zelo zasluži učinkovit sistem toplotno evakuacijo. ko je potreben konstanten tok, tudi če so sponke naprave v kratkem stiku. na os glavnega generatorja in predstavljajo prvo obliko vzbujalnega sistema za sinhronske stroje. in tretja serija nemirov. oziroma Za turbogeneratorje srednja moč Položaj armature generatorja vzbujevalnika je tak, da je priključen na en konec rotorja stroja. postavitev ščetk.
V skladu z zakonom elektromagnetne indukcije je povratni EMF neposredno sorazmeren s hitrostjo spremembe magnetnega toka, ki poteka skozi zavoje navitja armature. Posledično, ko se frekvenca vrtenja armature zmanjša, se zmanjša tudi povratni EMF.
Če na gredi motorja ni mehanske obremenitve (motor je v prostem teku), je navor motorja oviran le s tornimi momenti in hitrost vrtenja armature doseže največjo vrednost. V tem primeru povratni EMF skoraj popolnoma kompenzira omrežno napetost in minimalni tok prehaja skozi navitje armature. Oziroma električna energija, porabljen iz omrežja, je minimalen.
Nadzor vrtljajev motorja
DC neodvisno in vzporedno vzbujanje
Poglejmo še enkrat osnovno enačbo elektromotorja. Izraz za EMF motorja se ne razlikuje od izraza za EMF generatorja. To je razumljivo: v obeh primerih se vodniki navitij križajo električni vodi magnetno polje. Dejstvo, da se kotva generatorja odvija z mehanskimi silami, armatura motorja pa z elektromagnetnimi silami, z vidika zakona elektromagnetne indukcije ni pomembno.
S praktičnega vidika je pomembno razumeti pogoje in metode za uravnavanje vrtilne frekvence motorja. Izpeljana formula nam omogoča rešitev tega problema. Najprej ugotavljamo, da si za zmanjšanje izgub moči prizadevajo, da bi bil upor navitja armature čim manjši (v resničnih strojih je to stotinke ali tisočinke ohma).
Tako obstajata dva načina za gladko spreminjanje vrtilne frekvence motorja v širokem razponu: 1) spremenite napetost U, ki se dovaja armaturi motorja;. 2) sprememba pretoka magnetnega vzbujanja Ф (vzbujalni tok Iв).
Druga metoda regulacije vrtilne frekvence motorja je boljša, saj je povezana z manjšimi izgubami energije: vzbujevalni tok je desetkrat manjši od toka armature, izgube v regulacijskem reostatu pa so sorazmerne s kvadratom toka. Če pa je treba spremeniti število vrtljajev motorja v zelo širokem območju, se uporabita obe metodi hkrati.
Sposobnost gladke in ekonomične regulacije hitrosti vrtenja v širokem razponu je najpomembnejša prednost DC motorji.
V mnogih primerih je potrebno spremeniti smer vrtenja armature elektromotorja. Spreminjanje smeri vrtenja se imenuje reverziranje.
Če želite obrniti enosmerni motor, je treba spremeniti smer magnetnega pretoka polja ali armaturnega toka. Pri hkratni spremembi smeri vzbujalnega toka in armaturnega toka zaradi spremembe polarnosti napetosti vira energije se smer vrtenja armature motorja ne spremeni.
Preklop motorja se izvede s pomočjo stikal v armaturnem krogu ali v vzbujalnem krogu.
Izraz za vrtilno frekvenco motorja kaže, da ko se vzbujevalni magnetni pretok zmanjša, frekvenca neomejeno narašča. S tega vidika je nevaren prelom v vzbujalnem tokokrogu motorja, pri katerem se magnetni tok močno zmanjša na preostali magnetizacijski tok in motor "kromi". Način "prekoračenja" je še posebej verjeten pri neobremenjenem motorju. Način "razmika" je zasilni: centrifugalne sile deformirajo navitje armature, armatura se zatakne in v nekaterih primerih uniči.
DC stroj (slika 1, A) je sestavljen iz dveh glavnih delov:
1) stacionarni del, namenjen predvsem ustvarjanju magnetnega toka;
2) vrtljivi del, ki se imenuje armatura in v katerem poteka proces pretvorbe mehanske energije v električno energijo (električni generator) ali obratno - električna energija na mehanske (elektromotor). Nepremični in vrtljivi deli so med seboj ločeni z režo.
Fiksni del enosmernega stroja je sestavljen iz glavni drogovi 3(slika 2), namenjen ustvarjanju glavnega magnetnega toka; dodatni drogovi 4, nameščen med glavnim in zaposlenimi za doseganje delovanja brez iskrenja ščetke 6 na kolektorju (slika 1, b); postelja 1.
Sidro 7 je valjasto telo, ki se vrti v prostoru med poli in je sestavljeno iz jedro armature zobnika; položen nanj navitja; zbiralec in krtačni aparat. IN držala za ščetke 5 so ščetke 6, ki zagotavlja drsni stik s komutatorjem med vrtenjem. Vklopljeno gred 2 Ventilator in balansirni obroč sta pritisnjena na motor.
Slika 1– Oblikovanje enosmernega stroja A in zbiratelj b.
Zbiralec sestavljeni iz bakrenih plošč, ločenih med seboj in od ohišja 3. Stisnjene mikanitne manšete so nameščene na tlačne prirobnice 4. Tlačne prirobnice so med seboj izolirane z mikanitnimi tesnili 2, ki so zategnjene z obročno matico 6. Odseki armature navitja so spajkana na peteline 7. Komutator je izpostavljen toplotni obdelavi tako, da se oblikuje monolitna struktura, odpravlja udarce in vibracije.
Slika 2– Glavni drog.
Glavni drog sestoji iz jedra (5), sestavljenega na čepih iz jeklene elektrotehnične pločevine debeline 1 mm. Na strani, obrnjeni proti kotvi, ima jedro pol 6, ki služi za lažje prevajanje magnetnega pretoka skozi zračno režo. Na jedro pola je nameščena navitna tuljava 1, skozi katero teče enosmerni tok. Tuljava je navita na okvir 2. Palice so pritrjene na okvir 4 s posebnimi vijaki 3.
Razvrstitev armaturnih navitij enosmernih strojev
Ne glede na vrsto sidra (obroč ali boben) imamo naslednje vrste armaturna navitja enosmernih strojev:
a) preprosta zanka; b) preprost val; c) kompleksna zanka;
d) kompleksno valovanje.
Enostavna navitja tvorijo vedno le en sam vase zaprt sistem prevodnikov, kompleksna navitja pa lahko tvorijo enega ali več takih sistemov. V prvem primeru bomo imenovali kompleksno navijanje enkrat zaprto, v drugem – večkratno zaprto.
Generatorski način.
Predpostavimo, da je sidro stroja (slika 3, A) se vrti v smeri urinega kazalca. Nato se v vodnikih navitja armature inducira EMF, katerega smer lahko določimo z desnim pravilom in je prikazana na sliki 3, A. Ker se domneva, da je pretok polov konstanten, se ta emf inducira samo zaradi vrtenja armature in se imenuje rotacijski emf.
Velikost EMF, inducirana v prevodniku navitja armature.
, (1)
Slika 3– Najenostavnejše delo
DC stroji v načinu
generator ( A) in motor ( b)
kjer je velikost magnetne indukcije v zračni reži med polom in armaturo na mestu prevodnika; – aktivna dolžina vodnika med stebrom in armaturo na mestu namestitve vodnika, t.j. dolžina, na kateri se nahaja v magnetnem polju; – linearna hitrost gibanja prevodnika.
Zaradi simetrije se v obeh vodnikih, ki se seštejeta vzdolž obrisa zavoja, inducira enak EMF in s tem skupni EMF armature obravnavanega stroja.
. (2)
EMF je spremenljiv, ker vodniki armaturnega navitja potekajo izmenično pod severnim in južnim polom, zaradi česar se spremeni smer EMF v vodnikih.
Frekvenca EMF v dvopolnem stroju je enaka hitrosti vrtenja armature, izražena v vrtljajih na sekundo:
in v splošni primer ko ima stroj pare polov z izmenično polariteto,
V generatorju je komutator mehanski usmernik, ki pretvarja izmenični tok armaturnega navitja v enosmerni tok v zunanjem tokokrogu.
Enosmerna napetost na sponkah armature generatorja bo manjša za količino padca napetosti v uporu navitja armature:
Prevodniki navitja armature s tokom so v magnetnem polju, zato bodo na njih delovale elektromagnetne sile:
katere smer je določena s pravilom leve roke.
Te sile ustvarjajo mehanski navor, ki se imenuje elektromagnetni navor in na sliki 3 A, je enako
, (7)
kjer je premer sidra. Kot je razvidno iz slike 3 A, v generatorskem načinu ta moment deluje v nasprotni smeri vrtenja armature in zavira.
Način motorja.
Upoštevano najpreprostejši stroj lahko deluje tudi kot motor, če se v navitje armature dovaja enosmerni tok zunanji vir. V tem primeru bodo elektromagnetne sile delovale na vodnike navitja armature in nastal bo elektromagnetni navor. Količine in , kot pri generatorju, določata enačbi (3.6) in (3.7). Z zadostno vrednostjo se bo armatura stroja vrtela in razvila mehansko moč. Moment je pogonski in deluje v smeri vrtenja.
Če želimo, da z enako polarnostjo polov, smer vrtenja generatorja (slika 3, A) in motor (slika 3, b) enaka, potem mora biti smer delovanja , zato mora biti smer toka v motorju obrnjena v primerjavi z generatorjem (slika 3, b).
V motornem načinu komutator pretvori enosmerni tok, porabljen iz zunanjega tokokroga, v izmenični tok v navitju armature in tako deluje kot mehanski pretvornik toka.
V magnetnem polju se vrtijo tudi vodniki navitja armature motorja, zato se v navitju armature motorja inducira tudi EMF, katerega velikost je določena z enačbo (3.2). Smer tega EMF v motorju (slika 3, b) je enak kot v generatorju (slika 3, A). Tako je v motorju armaturna emf usmerjena nasproti toka in napetosti, ki se uporablja za armaturne sponke. Zato se imenuje tudi EMF armature motorja nasprotna elektromotorna sila.
Napetost, ki se uporablja za armaturo motorja, je uravnotežena z emf in padcem napetosti v navitju armature:
Načelo reverzibilnosti:
Iz zgoraj navedenega sledi, da lahko vsak enosmerni stroj deluje tako v generatorskem kot v motornem načinu. Ta lastnost je lastna vsem vrstam vrtljivih električnih strojev in se imenuje reverzibilnost.
Za prehod enosmernega stroja iz načina generatorja v način motorja in nazaj, pri nespremenjeni polariteti polov in ščetk ter nespremenjeni smeri vrtenja, je potrebna le sprememba smeri toka v navitju armature.
Zato je takšen prehod mogoče izvesti precej preprosto in v določene pogoje celo samodejno.
Pretvorba energije.
Na sliki 4 so prikazane smeri delovanja mehanskih in električnih veličin v kotvi generatorja in enosmernega motorja.
Slika 4– Smeri EMF toka in trenutkov v generatorju ( A) in motor ( b) DC.
V skladu s prvim Newtonovim zakonom se pogonski in zavorni moment, ki delujeta na to telo, pri uporabi na vrtečem se telesu uravnotežita. Zato je v generatorju v stacionarnih pogojih delovanja elektromagnetni navor
, (9)
kjer je navor na gredi generatorja, ki ga razvije glavni motor, je moment tornih sil v ležajih, na zraku in na komutatorju stroja, je zavorni moment, ki ga povzročajo izgube zaradi histereze in vrtinčnih tokov v jedru armature .
Te izgube moči so posledica vrtenja armaturnega jedra v stacionarnem magnetnem polju polov. Elektromagnetne sile, ki pri tem nastanejo, imajo zavorni učinek na armaturo in se v tem pogledu kažejo kot sile trenja.
V motorju v stabilnem stanju
, (10)
kjer je zavorni moment na gredi motorja, ki ga razvije delovni stroj (obdelovalni stroj, črpalka itd.).
Pri generatorju je to pogonski moment, pri motorju pa zavorni moment in v obeh primerih je nasproten smeri.
Moč, ki jo razvije elektromagnetni navor, se imenuje elektromagnetna moč in je enako
predstavlja kotna hitrost vrtenje.
V navitju armature se pod vplivom EMF in toka razvije notranja električna moč armature.
Po enačbah (4.5) in (4.6) je t.j. Notranja električna moč armature je enaka elektromagnetni moči, ki jo razvije elektromagnetni navor, ki odraža proces pretvorbe mehanske energije v električno energijo v generatorju in obratni proces v motorju.
Za generator
(15)
in za motor
. (16)
Levi deli teh izrazov predstavljajo električno moč na armaturnih sponkah, prvi členi desnih delov so elektromagnetna moč armature in zadnji členi so izgube električne energije v armaturi.
V skladu s temi izrazi se mehanska moč, ki jo na gredi generatorja razvije glavni motor, minus mehanske in magnetne izgube, pretvori v električno moč v navitju armature, električna moč minus izgube v tem navitju pa se dovaja v zunanje vezje. V motorju se električna energija, ki jo armaturi dovaja iz zunanjega tokokroga, delno porabi za izgube v navitju armature, preostanek pa se pretvori v moč elektromagnetnega polja in ta v mehansko moč, ki, zmanjšana za izgube zaradi trenja in izgube v jeklo armature, se prenese na delovni stroj.
Izgube.
Splošne določbe. Ko električni stroj deluje, se del energije, ki jo porabi, izgubi in razprši v obliki toplote. Moč izgubljene energije se imenuje izgube moči ali samo izgube.
Izgube v električni stroji delimo na osnovne in dodatne. Glavne izgube nastanejo zaradi glavnega elektromagnetnega in mehanski procesi, dodatne izgube pa povzročajo različni sekundarni pojavi. Pri rotacijskih električnih strojih so glavne izgube razdeljene na 1) mehanske izgube, 2) magnetne izgube (izgube jekla) in 3) električne izgube.
Med električne izgube sodijo izgube v navitjih, ki jih imenujemo tudi bakrene izgube, čeprav navitja niso vedno izdelana iz bakra, izgube v krmilnih reostatih in izgube v kontaktnem uporu krtačnih kontaktov.
Mehanske izgube sestavljajo 1) izgube v ležajih, 2) izgube zaradi trenja ščetk na komutatorju ali drsnih obročih in 3) izgube zaradi prezračevanja, ki vključujejo izgube zaradi trenja delov stroja ob zrak in druge izgube, povezane s prezračevanjem stroja.
Izgube v ležajih so odvisne od vrste ležajev (kotalni ali drsni), stanja drgnih površin, vrste mazanja itd.
Izgube zaradi trenja krtač se lahko izračunajo po formuli
, (17)
kjer je koeficient trenja ščetk na komutatorju ali drsnih obročih ( 
); – specifični (na enoto površine) pritisk na krtačo; – kontaktna površina vseh ščetk; – obodna hitrost komutatorja ali drsnih obročev.
Prezračevalne izgube so odvisne od konstrukcije stroja in vrste prezračevanja. Pri samoprezračevalnih strojih z vgrajenim centrifugalnim ventilatorjem se prezračevalne izgube približno izračunajo po formuli:
kje je količina zraka, potisnjenega skozi stroj;
– obodna hitrost prezračevalnih kril vzdolž njihovega zunanjega premera, .
Splošne mehanske izgube
Kot izhaja iz zgoraj navedenega, so v katerem koli stroju izgube odvisne le od hitrosti vrtenja in niso odvisne od obremenitve. Pri enosmernih strojih z močjo 10 - 500 kW znašajo izgube okoli 2 - 0,5 % nazivne moči stroja.
Magnetne izgube vključujejo izgube zaradi histereze in vrtinčnih tokov, ki jih povzroči obračanje magnetizacije aktivnih jeklenih jeder. Za izračun teh izgub je jedro razdeljeno na dele, v vsakem od katerih je magnetna indukcija konstantna. Na primer, v strojih z enosmernim tokom se izgube v jedru armature in v zobcih armature izračunajo ločeno.
Magnetne izgube vključujejo tudi dodatne izgube, ki so odvisne od velikosti glavnega toka stroja (fluksa polov) in so posledica zobniške strukture jeder. Te izgube imenujemo tudi dodatne izgube brez obremenitve, saj obstajajo v vzbujenem stroju že pri prosti tek. Te izgube v enosmernih strojih vključujejo predvsem površinske izgube v polnih kosih, ki jih povzroči nazobčanje armature.
Če so tudi utori v polnih kosih enosmernega stroja (če obstaja kompenzacijsko navitje), potem nastanejo pulzacije magnetnega pretoka v zobcih in polih armature kot posledica njihovega medsebojnega gibanja. Tokovi v zobeh so največji, ko se zob armature nahaja nasproti polnega zoba, minimalni pa, ko je utor nasproti zoba. Tudi pogostost teh pulzacij je visoka. Pri tem nastanejo pulzacijske izgube v zobcih, površinske pa tudi na zunanji površini armature.
. (21)
Električne izgube vključujejo tudi izgube v krmilnih reostatih in izgube v prehodnem uporu kontaktov ščetk. Količina izgube kontaktnega upora kontaktov ščetk za ščetke iste polarnosti se izračuna po formuli
kje je padec napetosti na kontakt ščetke.
Dodatne izgube. V to skupino spadajo izgube, ki nastanejo zaradi različnih sekundarnih pojavov, ko je stroj obremenjen.
Pri enosmernih strojih del obravnavanih izgub nastane zaradi popačenja krivulje magnetnega polja v zračni reži pod obremenitvijo pod vplivom prečne reakcije armature. Posledica tega je, da se magnetni tok neenakomerno porazdeli po zobcih in prerezu armaturne hrbtne strani: z enega roba pola se indukcija v zobcih in armaturni hrbtni strani zmanjša, z drugega roba pa poveča. Ta neenakomerna porazdelitev toka povzroči povečanje magnetnih izgub, tako kot neenakomerna porazdelitev toka v prevodniku povzroči povečanje električne izgube. Zaradi te neenakomerne porazdelitve toka se povečajo tudi površinske izgube v polnih kosih. V prisotnosti kompenzacijskega navitja je obravnavani del dodatnih izgub praktično odsoten.
Drugi del dodatnih izgub v enosmernih strojih je povezan s komutacijo. Ko se tokovi uhajanja preklopljenih odsekov sčasoma spremenijo, se v vodnikih navitja inducirajo vrtinčni tokovi. Dodatni preklopni tok povzroča tudi dodatne izgube.
V praksi se dodatne izgube ocenjujejo na podlagi eksperimentalnih podatkov v obliki določenega odstotka nazivne moči. V skladu z GOST 11828 - 66 so te izgube za enosmerne stroje pri nazivni obremenitvi vzete: v odsotnosti kompenzacijskega navitja, enake 1,0% in v prisotnosti kompenzacijskega navitja, enake 0,5% izhodne moči za generator in prevodna moč za motor. Za druge obremenitve se te izgube preračunajo sorazmerno s kvadratom obremenitvenega toka.
Zajete so vse vrste dodatnih izgub, ki niso neposredno povezane z električnimi procesi v tokokrogih navitij stroja mehanska moč na gredi stroja.
Skupne ali skupne izgube predstavljajo vsoto vseh izgub.