Электрической машиной называется устройство, служащее для преобразования механической энергии в элек­трическую или, наоборот, электрической энергии в механиче­скую. В первом случае машина называется электрическим ге­нератором, во втором случае — электродвигателем.

В основу работы электрических генераторов положен прин­цип электромагнитной индукции. Известно, что если провод­ник пересекает магнитное поле, то в нем будет наводиться электродвижущая сила (э.д. с.), которая по законам электро­магнитной индукции зависит от интенсивности магнитного по­ля, длины проводника, скорости его движения и угла между вектором поля и вектором движения проводника. Если этот проводник замкнуть, то в цепи появится электрический ток. Так как причиной наведения электродвижущей силы в проводнике является пересечение им магнитных силовых линий, той в том случае, когда проводник неподвижен, а движется (из­меняется) магнитное поле, в проводнике также будет наводиться э. д. с.

Это физическое явление и положено в основу работы элек­трических генераторов. Любой генератор состоит из устройства, служащего для создания магнитного потока (например, элек­тромагнита), и электрической обмотки, в которой наводится э. д. с. У генераторов постоянного тока обмотка обычно раз­мещается на вращающейся части, называемой якорем. Якорь располагается между полюсами, создающими магнитное поле. При вращении якоря механическим двигателем в этом магнит­ном поле в обмотке наводится э. д. с., которая прямо пропор­циональна скорости вращения и величине магнитного потока. С помощью коллектора ток подается во внешнюю цепь.

Аналогичным образом устроены и генераторы переменного тока, только у них основная обмотка, как правило, размещается на неподвижной части, называемой статором, а магнитное по­ле создается полюсами, расположенными на »вращающейся части (роторе).

Очевидно, что для получения электроэнергии якорь (ротор) генератора должен .вращаться каким-либо двигателем, являю­щимся источникам механической энергии.

Действие электродвигателей основано на свойстве провод­ника с током двигаться в магнитном поле. Известно, что если проводник с электрическим током поместить в магнитное поле, то на него со стороны поля будет действовать сила F, завися­щая от интенсивности магнитного поля, длины проводника и ве­личины тока в нем. Таким образом, пропуская электрический ток по обмотке якоря электрической машины, можно заставить его вращаться в магнитном поле.

Характерным свойством электрических машин является их обратимость. Действительно, если якорь машины постоянного тока вращается в магнитном поле полюсов механическим дви­гателем, то машина будет источником электрической энергии. Та же машина может использоваться и как источник механи­ческой энергии. Для этого к обмотке якоря с помощью щеток и коллектора нужно подвести электрическую энергию, и якорь придет во вращение.

Таким образом, для электродвигателей возможны два основ­ных режима работы: двигательный и генераторный, часто называемый также тормозным режимом.

В двигательном режиме (рис. 1,а) к зажимам электродвигателя подводится электрическая энергия, преобразуемая им в механиче­скую. Создаваемый при этом вращающий момент принято считать положительным, так как направле­ние момента совпадает с направ­лением вращения.

При работе электродвигателя в тормозном режиме (рис. 1, б) к валу подводится механическая энергия, которая машиной преобразуется в электрическую. Создаваемый при этом вращающий момент будет отрицатель­ным, так как он препятствует вращению машины.

Любой электродвигатель может работать в любом из этих режимов при определенных условиях. При работе в двигатель­ном режиме к валу электродвигателя приложены два момента: момент, развиваемый электродвигателем, и момент, создавае­мый приводимым в движение механизмом. Последний называ­ют статическим моментом или моментом сил сопротивления на валу электродвигателя. В дальнейшем момент, развиваемый в двигательном режиме, будем называть вращающим, а момент, развиваемый в генераторном режиме, — тормозным.

Вращающий момент любого электродвигателя, прямо про­порционален магнитному потоку и току в обмотке якоря (ро­тора). Статический момент, создаваемый приводимым механизмом, определяет нагрузку электродвигателя и может быть по­ложительным и отрицательным. Статический момент положи­телен, когда его направление совпадает с направлением движе­ния, и отрицателен, когда он направлен против движения. В первом случае статический момент называется движущим, а во вторам — моментом сопротивления.

Отрицательные статические моменты создаются силами тре­ния, силами сопротивления резанию, сжатию, растяжению и скручиванию неупругих тел, а также силой тяжести при подъе­ме груза. Положительные статические моменты создаются на валу электродвигателя силой тяжести при спуске груза. Ста­тический момент может также состоять из нескольких слагае­мых, имеющих разные знаки. Например, при спуске груза си­ла тяжести создает положительный статический момент, а си­ла трения будет создавать отрицательный статический момент. Знак результирующего статического момента будет зависеть от величины первого и второго слагаемых.

Условимся момент, развиваемый электродвигателем (вра­щающий или тормозной), обозначать М, а статический момент (движущий или момент сопротивления) — M_c.

Когда электродвигатель работает в установившемся режи­ме, т. е. ) при равномерном движении, всегда поддерживается равенство

±М=±М_с. (1)

В общем случае связь между моментом электродвигателя и статическим моментом выражается уравнением

±М±М_с = М_j, (2)

где М — момент, развиваемый электродвигателем, кГм;

М_с — статический момент, создаваемый механизмом на валу электродвигателя, кГм;

М_j — динамический или избыточный момент на валу электро­двигателя, кГм.

Динамический момент является результирующим моментом рассматриваемой механической системы. Он определяется по выражению

где J — момент инерции движущих частей, приведенный к валу электродвигателя, кГм·сек²;

d?/dt — угловое ускорение электродвигателя, рад/сек².

Угловое ускорение двигателя определяется величиной и зна­ком динамического момента, который может быть ускоряющими тормозным.

При ±М ± М_с > 0 угловое ускорение d?/dt >0 и, следователь­но, скорость двигателя увеличивается (динамический момент яв­ляется ускоряющим); при ±М=±М_с= 0 угловое ускорение d?/dt = 0 (имеет место установившийся режим работы электродви­гателя); при ±М=±М_с <0 угловое ускорение d?/dt <0, т. е. скорость электродвигателя замедляется (динамический момент яв­ляется тормозным). Таким образом, электродвигатель работает с постоянной' скоростью при М = М_с. Если же М>М_c, то имеет место ускоренное вращение электродвигателя, а при М<М_c — замедленное вращение электродвигателя.