Электрические машины : машины постоянного тока

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ  
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 3046 

Кафедра электротехники и информационно-измерительных
систем 

М.С. Анисимова 
 
 

Электрические машины

Машины постоянного тока 

Учебное пособие 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2017 

УДК 621.3 
 
А67 

Р е ц е н з е н т  
д-р физ.-мат. наук, проф. Ф.И. Маняхин 

Анисимова М.С. 
А67  
Электрические машины : машины постоянного тока : учеб. 
пособие / М.С. Анисимова. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 
2017. – 27 с. 
 

Представлена классификация электрических машин по назначению, 
принципу работы, конструктивному исполнению и способу монтажа. Подробно рассмотрены устройство, принцип работы, способы регулирования 
скорости, потери мощности и КПД асинхронных двигателей. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование» и 09.03.03 «Прикладная информатика», профиль «Прикладная информатика в энергосбережении». 

УДК 621.3 

 
 М.С. Анисимова, 2017 
 
 НИТУ «МИСиС», 2017 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение .................................................................................................... 4 
1. Устройство машины постоянного тока .............................................. 7 
2. Принцип действия машины постоянного тока .................................. 8 
3. Вывод формулы ЭДС ........................................................................... 9 
4. Магнитное поле машины при нагрузке ............................................ 10 
5. Электромагнитный момент ............................................................... 11 
6. Коэффициент полезного действия и потери мощности 
в машинах постоянного тока ................................................................. 12 
7. Режимы работы машины постоянного тока ..................................... 13 
8. Двигатели постоянного тока независимого и параллельного 
возбуждения ............................................................................................ 16 
9. Тормозные режимы работы двигателей постоянного тока ............ 20 
10. Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения ... 24 
11. Двигатель постоянного тока смешанного возбуждения ............... 24 
Библиографический список ................................................................... 26 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Классификация электрических машин 

Все электрические машины можно классифицировать по ряду 
признаков. 
1. По назначению: 
– электрические генераторы, преобразующие механическую 
энергию в электрическую; 
– электрические двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую; 
– электромашинные преобразователи, преобразующие переменный ток в постоянный и наоборот, изменяющие величину напряжения, частоту и число фаз; 
– электромашинные компенсаторы, осуществляющие генерирование реактивной мощности в электрических установках для улучшения энергетических показателей источников и приёмников электроэнергии; 
– электромеханические преобразователи сигналов, генерирующие, преобразующие и усиливающие различные сигналы. 
2. По роду тока: 
– электрические машины постоянного тока; 
– электрические машины переменного тока: синхронные, асинхронные. 
3. По мощности: 
– микромашины – до 500 Вт; 
– машины малой мощности – 0,5…10 кВт; 
– машины средней мощности – 10…300 кВт; 
– машины большой мощности – свыше 300  кВт. 
4. По частоте вращения: 
– тихоходные – до 300 об/мин; 
– средней быстроходности –300…1500 об/мин; 
– быстроходные – 1500…6000 об/мин; 
– сверхбыстроходные – свыше 6000 об/мин. 
5. По степени защиты: 
– исполнение открытое (соответствует степени защиты IP00); 
– защищённое (IP21, IP22); 
– брызгозащищённое и каплезащищённое (IP23, IP24); 
– водозащищённое (IP55, IP56); 

– пылезащищённое (IP65, IP66); 
– закрытое (IP44, IP54); 
– герметичное (IP67, IP68). 
6. По группе эксплуатации. 
Каждая электрическая машина относится к какой–либо группе 
эксплуатации, обозначаемой М1 – М31. Указанная группа характеризует приспособленность машины к вибрации с определённой частотой, к ускорениям и ударам. В основном машины общего назначения 
относятся к группе М1, предусматривающих их размещение на стенах или фундаментах при отсутствии ударных нагрузок. 
7. По продолжительности и особенностям работы машины. 
Продолжительность и особенности работы машины характеризуются режимом работы, который указывается в паспорте и обозначается буквой S и цифрой от 1 до 8. Описание режимов работы приводится в нормативных документах. 
8. По способу монтажа. 
Исполнение электрической машины по способу монтажа обозначается буквами IМ и четырьмя цифрами, например, IМ1001, IМ3001 
и др. Первая цифра характеризует конструктивное исполнение машины (на лапах – для установки на горизонтальной поверхности, 
электрические машины с фланцем – для крепления к вертикальной 
поверхности и т.д.). 
Далее двумя цифрами обозначается способ монтажа и направление конца вала машины, а последняя цифра указывает на исполнение 
конца вала (цилиндрический, конический и пр.). 
Основные показатели и характеристики электрической машины, 
на которые она рассчитана, называются номинальными и указываются в паспорте или на табличке, прикреплённой к корпусу машины 
(см. рисунок). 

 

Табличка с номинальными параметрами 

Общие сведения о машинах постоянного тока 

Машины постоянного тока используются в качестве генераторов 
и двигателей. 
В начальный период появления электрических машин наибольшее 
распространение получили двигатели постоянного тока. Впервые 
двигатель постоянного тока был изобретён учёным Якоби в России в 
1834 г. и применён для привода шлюпки в 1838 г. По мере развития 
техники (70–80-е годы XIX в.) удельный вес машин постоянного тока в общем выпуске электрических машин постепенно уменьшался и 
в настоящее время преобладающими являются машины переменного 
тока. Это объясняется более сложной конструкцией машин постоянного тока и, как следствие, их более высокой стоимостью и меньшей 
надёжностью. 
Вместе с тем двигатели постоянного тока имеют ряд достоинств и 
специфических качеств: большой пусковой момент, высокие перегрузочная способность и КПД, возможность плавного регулирования 
частоты вращения в широком диапазоне и др. 
В промышленном производстве генераторы постоянного тока 
применяются для питания различного рода устройств, работающих 
на постоянном токе, в том числе и двигателей постоянного тока, которые  находят применение в металлургической промышленности, 
металлорежущих станках, бумагоделательных машинах, на электрифицированном транспорте и др. Генераторы и двигатели изготавливаются промышленностью серийно, мощностью от единиц ватт до 
тысяч киловатт. 
Большое количество двигателей постоянного тока применяется в 
цехах по обработке металлов давлением. Например, на широкополосном стане 2000 горячей прокатки установлено более 2000 электродвигателей как постоянного, так и переменного тока. В главных 
приводах этого стана используются двигатели постоянного тока 
мощностью 12 600 кВт. 

1. Устройство машины постоянного тока 

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: 
неподвижной части – статора, и вращающейся части – якоря. Эти 
части разделены воздушным зазором, позволяющим свободно вращаться якорю внутри статора. Общий вид и эскиз машины постоянного тока показаны на рис. 1 и 2. 

 

Рис. 1. Общий вид машины постоянного тока 

 

Рис. 2. Эскиз машины постоянного тока 

а

б

Статор состоит из станины 1, главных полюсов 2, дополнительных полюсов 3, подшипниковых щитов 4 и щёточной траверсы со 
щётками 6 (рис. 1). Станина имеет кольцевую форму и выполняется 
из стального литья или стального листового проката. Главные полюса служат для создания постоянного магнитного поля. В машинах 
небольшой мощности в качестве полюсов используются постоянные 
магниты. В большинстве же машин на полюсах расположена обмотка возбуждения 10, к которой подключается постоянное напряжение 
Uв (см. рис. 1). Дополнительные полюса устанавливаются между 
главными полюсами и служат для улучшения условий коммутации. 
Подшипниковые щиты закрывают статор с торцов. В них впрессовываются подшипники и помещается щёточная траверса. В подшипники устанавливается вал. 
Якорь машины постоянного тока состоит из сердечника 7, обмотки 8 и коллектора 5 (см. рис. 2). Сердечник имеет цилиндрическую 
форму. Он набирается из дисков электротехнической стали, изолированных друг от друга. По внешней поверхности сердечника проточены пазы, в которые укладываются проводники обмотки якоря. 

2. Принцип действия машины постоянного тока 

Предположим, что якорь вращается с постоянной частотой вращения n в указанном на рис. 2 направлении. В проводниках, лежащих на внешней поверхности кольца и пересекающих линии нормальной к ней магнитной индукции В, наводится мгновенная электродвижущая сила (ЭДС) 

 
е
Вlv

, 
(1) 

где l – активная длина проводника; 
v – линейная скорость. 

По правилу правой руки (рис. 3) определяется направление тока и 
ЭДС в проводниках. Под одноименными полюсами направление 
ЭДС во всех проводниках одинаково («крестики» или «точки»). 
Проводники, расположенные на внутренней и торцевых сторонах 
якоря, не пересекают магнитные линии и в них не наводится ЭДС. 
Линия, соединяющая проводники с нулевой ЭДС, называется нейтралью. Таким образом, при вращении якоря в его проводниках наводится переменная ЭДС. 
На установленных на геометрической нейтрали щётках будет получена сумма ЭДС во всех проводниках, т.е. максимум ЭДС. 

Рис. 3. Принцип действия машины постоянного тока 

3. Вывод формулы ЭДС 

Если общее число проводников якоря N, а число параллельных 
ветвей 2а, то ЭДС одной параллельной ветви 

 

2

1

N
a

i
i

E
lv
B


 
. 
(2) 

Распределение индукции под полюсным делением вдоль якоря 
имеет зависимость в виде трапеции, поэтому сумму индукции Вi 
можно заменить средним значением Вср: 

 
cp,
2
N
E
lv
B
a

 
(3) 

где 2
N
a  – последовательные соединение активных проводников 

в пределах каждой параллельной ветви. 

Заменим 

 
cp
B
l

  , 
(4) 

где Ф – магнитный поток одного полюса, Вб; 

а
б

я

2
d
р

 
 – полюсное деление; 

здесь dя – диаметр якоря; 
     2р – число полюсов. 
Тогда 

 
я

2
d
v


. 

Окончательная формула ЭДС якоря 

 
я
2
рN
E
a



 
(5) 

или 

 
я
e
E
С

 , 
(6) 

где 
2
e

рN
c
a
   – коэффициент, определяемый конструктивными осо
бенностями машины; 

2
60
n

 
 – угловая скорость, рад/с; 

n – частота вращения, об/мин. 

Введя в формулу (6) частоту вращения, получим 

 
Ф.
е
Е
C п

 
(7) 

4. Магнитное поле машины при нагрузке 

Протекание тока в проводниках якоря создаёт собственное магнитное поле якоря. Это поле накладывается на основной магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения. В результате наложения полей происходит искажение основного магнитного потока и в проводниках на геометрической оси наводится ЭДС. Линия, проходящая через проводники с нулевой ЭДС при работе под нагрузкой, называется 
физической нейтралью. Несовпадение физической нейтрали с геометрической называется реакцией якоря. Реакция якоря вызывает искрение на коллекторе и может вызывать «круговой огонь», т.е. электрическую дугу, замыкающую накоротко коллекторные пластины. 

Для устранения реакции якоря применяется компенсационная обмотка. Её укладывают в пазах полюсов и соединяют последовательно 
с якорем. 
При вращении якоря происходит непрерывный переход щёток с 
одной коллекторной пластины на другую. Под действием индуктивности якоря по 1-му закону коммутации ток в этот момент не может 
измениться скачком. В результате в момент коммутации возникает 
искрение. Для устранения этого явления между основными полюсами ставят дополнительные полюса и их обмотки соединяют последовательно с якорем. 

5. Электромагнитный момент 

Известно, что на проводник с током, двигающийся в постоянном 
магнитном поле, действует электромагнитная сила F, направление 
которой определяется по правилу левой руки. 
По закону Ампера 

 
a
F
BlI

, 
(8) 

где Iа – ток в проводнике. 

В поле одного полюса находятся N/2p проводников якоря с одинаковым током параллельной ветви
a
я / 2
I
I
а

. Тогда момент от сил 
одного полюса 

 
я
я
1
cp
яФ
2
2
2
2
2
d
I l
N
N
М
B
I
a
p
a




. 
(9) 

Общий момент равен: 

 
яФ
2
рN
М
I
a
 
 
(10) 

или 

 
м яФ
М
С I

, 
(11) 

где См = Се = С – коэффициент, определяемый конструктивными 
особенностями машины. 

Выражение момента можно также получить из равенства электромагнитной и механической мощности якоря: