O primeiro de todos os rotores rotativos inventados no século 19máquinas elétricas é um motor DC. Seu princípio de operação é conhecido desde meados do século passado, e até agora, os motores de corrente contínua (motores DC) continuam a servir fielmente a uma pessoa, colocando em movimento muitas máquinas e mecanismos úteis.
Desde a década de 30 do século 19, em seu desenvolvimento, elespassou por várias etapas. O fato é que antes do surgimento dos alternadores mecanizados, no final do século passado, a única fonte de eletricidade era uma célula galvânica. Portanto, todos os primeiros motores elétricos só podiam operar em corrente contínua.
Qual foi o primeiro motor DC?O princípio de operação e o dispositivo dos motores construídos na primeira metade do século 19 eram os seguintes. Um indutor de pólo explícito era um conjunto de ímãs permanentes estacionários ou eletroímãs em barra que não possuíam um circuito magnético fechado comum. Uma armadura de pólo explícita foi formada por vários eletroímãs de haste separados em um eixo comum, acionados em rotação pelas forças de repulsão e atração para os pólos do indutor. Seus representantes típicos eram os motores U. Ricci (1833) e B. Jacobi (1834), equipados com interruptores mecânicos de corrente em eletroímãs de armadura com contatos móveis no circuito de enrolamento da armadura.
Qual era o princípio desta máquina?O motor Jacobi DC e seus análogos tiveram um momento eletromagnético pulsante. Durante o tempo em que os pólos opostos da armadura e do indutor se aproximaram, sob a influência da força magnética de atração, o momento do motor atingiu rapidamente o máximo. Em seguida, com a posição dos pólos da armadura oposta aos pólos indutores, a chave mecânica interrompeu a corrente nos eletroímãs da armadura. O momento caiu para zero. Devido à inércia da armadura e do mecanismo acionado, os pólos da armadura saíram de baixo dos pólos do indutor, neste momento uma corrente de direção oposta foi fornecida a eles pelo interruptor, sua polaridade também mudou para o oposto, e a força de atração para o pólo mais próximo do indutor foi substituída por uma força repulsiva. Assim, o motor Jacobi girava em solavancos sucessivos.
Nos eletroímãs da haste da armadura do motorA corrente Jacobi era desligada periodicamente, o campo magnético por ela criado desaparecia e sua energia era convertida em perdas de calor nos enrolamentos. Assim, a conversão eletromecânica da energia elétrica da fonte de corrente da armadura (célula galvânica) em energia mecânica ocorria nela com interrupções. Precisávamos de um motor com enrolamento contínuo fechado, cuja corrente fluísse constantemente durante todo o tempo de operação.
E tal fuhtufn foi criado em 1860 por A.Pacinotti. Como seu motor DC difere de seus predecessores? O princípio de operação e estrutura do motor Pacinotti são os seguintes. Como âncora, ele usava um anel de aço com raios fixados em uma haste vertical. Ao mesmo tempo, a âncora não tinha pólos pronunciados. Tornou-se implicitamente polarizado.
Bobinas foram enroladas entre os raios do anelenrolamentos da armadura, cujas extremidades foram conectadas em série na própria armadura, e picos foram feitos a partir dos pontos de conexão de cada duas bobinas, conectadas às placas coletoras localizadas ao longo da circunferência na parte inferior do eixo do motor, cujo número era igual ao número de bobinas. Todo o enrolamento da armadura foi fechado sobre si mesmo, e os sucessivos pontos de conexão de suas bobinas foram conectados a placas coletoras adjacentes, ao longo das quais um par de rolos de alimentação de corrente deslizou.
Uma âncora de anel foi colocada entre os pólos de doiseletroímãs estacionários do indutor-estator, de modo que as linhas de força do campo magnético de excitação criado por eles entraram na superfície cilíndrica externa da armadura do motor sob o pólo norte de excitação, passaram ao longo da armadura anular sem se mover para seu orifício interno, e saiu sob o pólo sul.
Qual era o seu princípio de funcionamento? O motor DC Pacinotti funcionava exatamente da mesma maneira que os motores DC modernos.
No campo magnético do pólo do indutor com um determinadoa polaridade sempre foi um certo número de condutores do enrolamento da armadura com uma corrente de direção constante, e a direção da corrente da armadura sob os diferentes pólos do indutor foi oposta. Isso foi conseguido colocando os atuais rolos de alimentação, que desempenham o papel de escovas, no espaço entre os pólos do indutor. Portanto, a corrente instantânea da armadura fluiu para o enrolamento através do rolo, da placa coletora e da derivação fixada a ela, que também estava no espaço entre os pólos, então fluiu em direções opostas ao longo dos dois ramos de meio enrolamento, e finalmente fluiu para fora através da derivação, a placa coletora e o rolo no outro intervalo pólo a pólo. Nesse caso, as próprias bobinas da armadura sob os pólos do indutor mudaram, mas a direção da corrente nelas permaneceu inalterada.
De acordo com a lei de Ampère, para cada condutor de bobinaA armadura com corrente, localizada no campo magnético do pólo do indutor, atuou uma força, cujo sentido é determinado pela conhecida regra da "mão esquerda". Com relação ao eixo do motor, essa força criou um torque, e a soma dos momentos de todas essas forças dá o torque DCT total, que é quase constante mesmo com várias placas coletoras.
Como sempre aconteceu na história da ciência etecnologia, a invenção de A. Pacinotti não encontrou aplicação. Ele foi esquecido por 10 anos, até que em 1870 foi repetido independentemente pelo inventor franco-alemão Z. Gramm em um projeto semelhante de um gerador de corrente contínua. Nessas máquinas, o eixo de rotação já era horizontal, utilizando escovas de carvão deslizando sobre placas coletoras de design quase moderno. Na década de 70 do século XIX, o princípio da reversibilidade das máquinas elétricas já era bem conhecido, sendo a máquina Gram utilizada como gerador e motor DC. Seu princípio de funcionamento já foi descrito acima.
Apesar do fato de que a invenção da âncora de anelfoi um passo importante no desenvolvimento do DCT, seu enrolamento (chamado enrolamento de Gramm) teve uma desvantagem significativa. No campo magnético dos pólos do indutor, havia apenas aqueles condutores (chamados de ativos) que ficavam sob esses pólos na superfície cilíndrica externa da armadura. Foi a eles que as forças magnéticas de Ampère foram aplicadas, criando um torque em relação ao eixo do motor. Os mesmos condutores inativos que passaram pelo orifício da armadura anular não participaram da criação do momento. Eles apenas dissiparam eletricidade inutilmente na forma de perda de calor.
Elimine esta desvantagem da âncora de anelfoi sucedido em 1873 pelo famoso engenheiro elétrico alemão F. Gefner-Altenek. Como funcionava seu motor DC? O princípio de funcionamento, a estrutura de seu estator-indutor é a mesma de um motor com enrolamento em anel. Mas o design da armadura e seu enrolamento mudaram.
Gefner-Alteneck percebeu que a direçãoa corrente de armadura fluindo das escovas estacionárias nos condutores do enrolamento Gramm sob os pólos de campo adjacentes é sempre oposta, isto é, eles podem ser incluídos nas voltas de uma bobina localizada na superfície cilíndrica externa com uma largura (passo) igual à divisão do pólo (parte da circunferência da armadura por um pólo de campo).
Neste caso, o buraco noâncora de anel e se transforma em um cilindro sólido (tambor). Este enrolamento e a própria armadura são chamados de tambor. O consumo de cobre nele com o mesmo número de condutores ativos é muito menor do que em um enrolamento grama.
Nas máquinas de Gram e Gefner-Alteneck, a superfíciea armadura era lisa e os condutores de seu enrolamento estavam localizados na lacuna entre ela e os pólos do indutor. Nesse caso, a distância entre a superfície cilíndrica côncava do polo de excitação e a superfície convexa da armadura atingiu vários milímetros. Portanto, para criar a magnitude necessária do campo magnético, foi necessário usar bobinas de excitação com uma grande força magnetomotriz (com um grande número de voltas). Isso aumentou significativamente o tamanho e o peso dos motores. Além disso, na superfície lisa da armadura, suas bobinas eram difíceis de prender. mas o que pode ser feito? De fato, para atuar sobre um condutor com uma corrente da força Ampère, ele deve estar localizado em pontos no espaço com um grande campo magnético (com uma grande indução magnética).
Descobriu-se que isso não é necessário.O inventor americano da metralhadora H. Maxim mostrou que se a armadura do tambor for dentada e as bobinas do enrolamento do tambor forem colocadas nas ranhuras formadas entre os dentes, então a lacuna entre ela e os pólos de campo pode ser reduzida a frações de um milímetro. Isso tornou possível reduzir significativamente o tamanho das bobinas de excitação, mas o torque DCT não diminuiu em nada.
Como funciona esse motor constante?atual? O princípio de funcionamento é baseado no fato de que com uma armadura de engrenagem, a força magnética é aplicada não aos condutores em suas ranhuras (praticamente não há campo magnético neles), mas aos próprios dentes. Neste caso, a presença de corrente no condutor na ranhura é de importância decisiva para a ocorrência desta força.
Outra grande melhoria foi feita poro famoso inventor T. Edisson. O que ele adicionou ao motor DC? O princípio de operação permaneceu inalterado, mas o material do qual sua âncora é feita mudou. Em vez do maciço anterior, ele foi forrado com finas chapas de aço isoladas eletricamente umas das outras. Isso permitiu reduzir a quantidade de correntes parasitas (correntes de Foucault) na armadura, o que aumentou a eficiência do motor.
Resumidamente, pode ser formulado da seguinte forma:quando o enrolamento da armadura de um motor excitado é conectado a uma fonte de energia, uma grande corrente surge nele, chamada de corrente de partida e ultrapassando seu valor nominal várias vezes. Além disso, sob os pólos de excitação de polaridade oposta, a direção das correntes nos condutores do enrolamento da armadura também é oposta, como mostra a figura abaixo. De acordo com a regra da "mão esquerda", esses condutores são acionados pelas forças de Ampère, direcionadas no sentido anti-horário e arrastando a âncora para a rotação. Nesse caso, uma força eletromotriz (back-EMF) é induzida nos condutores do enrolamento da armadura, direcionada em oposição à tensão da fonte de alimentação. À medida que a armadura acelera, o EMF de volta em seu enrolamento também aumenta. Consequentemente, a corrente da armadura diminui da corrente de partida para um valor correspondente ao ponto de operação na característica do motor.
Para aumentar a velocidade de rotação da armadura, você precisaaumente a corrente em seu enrolamento ou reduza o EMF de volta nele. O último pode ser alcançado reduzindo a magnitude do campo magnético de excitação, reduzindo a corrente no enrolamento de excitação. Este método de controlar a velocidade do DCT é amplamente difundido.
Com a conexão dos cabos do enrolamento de excitação (OF)para uma fonte de alimentação separada (OB independente), DCTs poderosos são geralmente executados a fim de tornar mais conveniente regular a magnitude da corrente de excitação (a fim de alterar a velocidade de rotação). Em termos de propriedades, os DCTs com OF independente são praticamente semelhantes aos DCTs com OF, conectados em paralelo ao enrolamento da armadura.
O princípio de operação de um motor DCa excitação paralela é determinada por suas características mecânicas, ou seja, a dependência da velocidade de rotação no momento da carga em seu eixo. Para tal motor, a mudança na velocidade durante a transição da rotação de marcha lenta para o torque de carga nominal é de 2 a 10%. Essas características mecânicas são chamadas de rígidas.
Assim, o princípio de funcionamento do motora corrente contínua com excitação paralela determina seu uso em inversores com velocidade de rotação constante e uma ampla faixa de variações de carga. No entanto, também é amplamente utilizado em acionamentos de velocidade variável de velocidade variável. Neste caso, para regular sua velocidade, pode-se utilizar uma mudança tanto na corrente de armadura quanto na corrente de excitação.
O princípio de operação de um motor DCa excitação sequencial, assim como a paralela, é determinada por suas características mecânicas, que neste caso é suave, pois a velocidade do motor varia muito com as mudanças de carga. Onde está a maneira mais lucrativa de usar esse motor DC? O princípio de funcionamento de um motor de tração ferroviária, cuja velocidade deve diminuir quando o trem supera as elevações e voltar ao valor nominal ao se mover em uma planície, corresponde plenamente às características de um motor DC com um OF, conectado em série com o enrolamento de armadura. Portanto, uma parte significativa das locomotivas elétricas em todo o mundo está equipada com tais dispositivos.
O princípio de operação de um motor DC coma excitação sequencial também implementa motores de tração por corrente pulsante, que são, na verdade, o mesmo DCT com uma série OF, mas especialmente concebidos para trabalhar com uma corrente retificada já a bordo de uma locomotiva elétrica, que tem pulsações significativas.
