Stejnosměrné stroje (motory a generátory) se odlišují způsobem připojení vinutí hlavních pólů nebo buzení do sítě (obr. 5.3):
Stejnosměrné stroje s nezávislým buzením (obr. 5.3, a), elektrický obvod budícího vinutí je nezávislý na napájecím obvodu rotoru; pro generátory je to prakticky jediná možnost návrhu obvodu;
Stejnosměrné stroje s paralelním buzením (obr. 5.3, b), budicí vinutí je zapojeno paralelně s obvodem kotvy;
Stejnosměrné stroje se sekvenčním buzením (obr. 5.3, c) vinutí statoru je zapojeno do série s vinutím rotoru, což způsobuje, že magnetický tok závisí na proudu kotvy; v praxi se tento způsob buzení používá jen zřídka;
Stejnosměrné stroje se smíšeným buzením (obr. 5.3, d), existují dvě budicí vinutí: paralelní a sériově spojená s obvodem kotvy.
Na obrázcích plné šipky ukazují směry proudů v režimu generátoru, přerušované šipky – v režimu motoru.
Princip činnosti stejnosměrného motoru
Uvažujme princip činnosti motoru s paralelním buzením podle schématu (obr. 5.4), kde
N, S – hlavní póly,
Ф – hlavní magnetický tok,
Фп – příčný magnetický tok motoru,
Iя – proud v obvodu kotvy, Iв – budicí proud,
F – elektromagnetické síly,
Мэ – elektromagnetický točivý moment,
Мс – moment odporu hnacího mechanismu,
ω – úhlová frekvence otáčení kotvy,
U – napájecí napětí motoru,
E – zpětné EMF vinutí kotvy.
Napětí U je přiváděno do obvodu budicího vinutí a obvodu kotvy z jednoho zdroje stejnosměrného proudu.
Pod vlivem tohoto napětí prochází budícím vinutím proud Iв, vytvářející konstantní magnetizační sílu Iвwв, který budí hlavní magnetický tok F, stacionární v prostoru, jehož směr závisí na směru proudu v budícím vinutí. Směr magnetického toku určuje pravidlo pravého šroubu: rotační pohyb šroubu směřuje podél proudu v budícím vinutí, pak translační pohyb šroubu ukáže směr magnetického toku. Polarita hlavních pólů N, S závisí na směru magnetického toku.
Obvodem kotvy motoru prochází proud Iя. Pomocí kartáčů přitlačených ke komutátoru je vinutí kotvy rozděleno na paralelní větve. Počet párů kartáčů (+, –) se rovná počtu párů hlavních pólů p.
Sekce vinutí kotvy je umístěna ve štěrbinách jádra kotvy tak, že její aktivní vodiče jsou pod protilehlými póly. Pokud tedy v horním aktivním vodiči, umístěném pod severním pólem (obr. 5.4), směřuje proud z předního konce kotvy dozadu (označeno křížkem), pak ve spodním vodiči této sekce, umístěný pod jižním pólem, proud směřuje opačným směrem (označená tečka). V důsledku toho ve všech vodičích umístěných pod jedním pólem je směr proudů stejný.
Proudové vodiče umístěné v magnetickém poli jsou vystaveny elektromagnetickým silám, jejichž směr je určen pravidlem levé ruky: levá ruka je umístěna tak (obr. 5.5, b), aby siločáry magnetického pole vstupovaly do dlaně , čtyři prsty směřují podél proudu ve vodiči, pak palec ohnutý o 90 stupňů bude indikovat směr síly.
Při naznačeném směru proudu ve vinutí kotvy a polaritě pólů (obr. 5.4) vytvářejí elektromagnetické síly F působící na horní a spodní vodič elektromagnetický moment, který otáčí kotvou proti směru hodinových ručiček rychlostí n, ot./min.
Když se kotva otáčí, aktivní vodiče vinutí mění své umístění, pohybují se z jednoho pólu na druhý, procházejí geometrickým neutrálem – čárou vedenou kartáči (obr. 5.4).
Vlivem magnetického pole motoru na všechny vodiče s proudem vznikají elektromagnetické síly, které vytvářejí elektromagnetický moment
kde je návrhová konstanta stroje v závislosti na počtu párů pólů, počtu aktivních vodičů N, počtu párů paralelních větví а kotevní vinutí.
Při otáčení kotvy křižují vodiče jejího vinutí hlavní magnetický tok a na základě zákona elektromagnetické indukce se v nich indukuje emf. Jeho směr je určen pravidlem pravé ruky: pravá ruka je umístěna tak (obr. 5.5, a), aby siločáry magnetického pole vstupovaly do dlaně, palec ohnutý o 90 stupňů směřuje ve směru pohybu dlaně. vodič, pak čtyři prsty ukážou směr EMF.
Na Obr. 5.4 je směr EMF označen tečkami a křížky v blízkosti vodičů vinutí kotvy. Je vidět, že směr těchto EMF je opačný než směr proudu ve vinutí, proto se nazývají zpět EMF. Hodnota EMF
kde je konstrukční konstanta stroje.
Proud ve vodičích vinutí kotvy tvoří magnetické pole kotvy, jehož směr je určen pravidlem šroubu pravé ruky. Pro uvedené směry proudu je magnetický tok tohoto pole Фп směřuje kolmo k hlavnímu (podélnému) toku F. Proto se nazývá příčný.
Při interakci dvou polí je výsledné magnetické pole zkreslené. Pod náběhovými hranami hlavních pólů jsou magnetické toky směrovány v opačném směru a výsledné magnetické pole je zeslabeno a pod náběžnými hranami jsou zesíleny, neboť toky jsou směrovány stejně.
Pro kompenzaci příčného magnetického pole se používají další póly Nд, Sд, jehož vinutí jsou zapojena do série s vinutím kotvy. Magnetický tok přídavných pólů je směrován proti toku příčného pole. a úměrně tomu. Proto bez ohledu na provozní režim motoru bude magnetický tok přídavných pólů vždy kompenzovat magnetický tok příčného pole.
Na Obr. Obrázek 5.6 ukazuje ekvivalentní obvod obvodu kotvy stejnosměrného motoru, kde RЯ – odpor vinutí kotvy.
Podle druhého Kirchhoffova zákona:
Pak rovnice elektrického stavu obvodu kotvy stejnosměrného motoru má tvar:
Proud vinutím kotvy.
V klidovém režimu (bez zatížení hřídele motoru) se kotva otáčí maximální rychlostí n. EMF Eя má maximální hodnotu, proud kotvy Iя= Ijo je bezvýznamné, jak je vidět ze vzorce. Moment M, vyvinutá motorem v režimu volnoběhu, se rovná momentu setrvačnosti motoru.
S rostoucím zatížením hřídele klesají otáčky motoru n a klesá hodnota zpětného EMF Eя. Poté se zvýší proud vinutím kotvy a točivý moment vyvíjený motorem MVR=M+Mс, kde Mс – zatěžovací moment na hřídeli motoru.
