7.4 Машини постійного струму
7.4.1 Загальні поняття про будову машин постійного струму й принципі їхньої дії
У машині постійного струму нормального виконання циліндричний ротор з розташованої на ньому обмоткою, який називається якорем, обертається в нерухомому магнітному полі (рис. 7.7). У витках 1–3 і 2–4 обмотки якоря индукуються змінні ЕРС, для одержання незмінного напрямку струму i в опорі навантаження 𝑅 застосовується колектор K, що складається з мідних ізольованих друг від друга пластин, що утворять циліндр, по якому сковзають щітки a - b . Наявність колектора є відмінною рисою машини постійного струму. До його пластин приєднуються початки й кінці витків обмотки. Сторони витків, розташовані за площиною малюнка, умовно показані штриховими лініями.
Рис. 7.8. Найпростіший генератор із двома витками й чотирма колекторними пластинами
У
положенні, показаному на рис. 7.8, а, між
щітками буде максимальна ЕРС, тому що
сторони 1–3 витки перетинають магнітні
лінії перпендикулярно. При подальшому
обертанні ця ЕРС почне зменшуватись.
Після повороту якоря на 45
(рис. 7.8,б) щітки перейдуть із пластин
1–3 колектори на пластини 2–4 і підключаться
до наступного витка. ЕРС у ньому буде
спочатку зростати до максимуму, а потім
почне зменшуватись, поки щітки знову
не перейдуть на пластини 3-1; ЕРС знову
почне зростати й т.д. Ріст і зменшення
ЕРС відбуваються за час, що відповідає
повороту якоря на кут 
(рис.
7.9), протягом цього часу кожна щітка
торкається однієї й тієї ж колекторної
пластини.
Пульсації ЕРС (і токи) шкідливо позначаються на роботі приймачів і самого генератора. Для їхнього зменшення збільшують число витків, у котрих індукується ЕРС, і число колекторних пластин.
Відповідно до принципу оборотності машина постійного струму може працювати як генератор і як двигун. У кожному разі провідники перетинають лінії поля й у них виникає ЕРС.
Рис. 7.9. ЕРС генератора з чотирма колекторними пластинами
Одночасно на провідники зі струмом у магнітному полі впливають електромагнітні сили.
Генератор
перетворює механічну енергію, що
підводить до вала первинним двигуном,
в електричну, споживану приймачем,
підключеним до його затискачів. Механічне
сила 
первинного двигуна (рис. 7.10,а) приводить
провідники якоря в рух з деякою швидкістю
v.
Виникаюча ЕРС Е
викликає
струм 
такого
ж напрямку й повинна перебороти спадання
напруги в обмотці якоря й опір навантаження:
,
де U - напруга на затискачах генератора або приймача;
- опір кола якоря.
Електромагнітна сила діюча на провідники зі струмом, створює протидію силі F первинного двигуна. В усталеному режимі при постійній швидкості ці сили рівні:
.
Механічна потужність, що розвивається первинним двигуном,
.
(7.8)
перетвориться
в електромагнітну потужність генератора
.
Остання
частково витрачається на нагрівання
обмотки якоря, а та її частина, що
залишається, становить електричну
потужність
,
споживану приймачем (
.
(7.9)
У
двигуні протікання струму в обмотці
якоря обумовлено прикладеною напругою
U
,
напрямок якого збігається з напрямком
струму (рис. 7.10,б). На провідники зі
струмом діє електромагнітна сила 
,
що приводить у рух якір зі швидкістю υ.
При тому ж напрямку струму, що й у
генераторі, напрямок руху буде протилежним.
Виникаюча в провідниках при перетинанні
ліній поля ЕРС виявляється протилежною
струму, а, отже, і напрузі U
,
що повинна перебороти цю ЕРС і спадання
напруги в обмотці якора:
.
(7.10)
а) Генератор б) Двигун
ЕРС Струм ЕРС Струм
Рис. 7.10. ЕРС, струми й механічні сили в провіднику обмотки якоря генератора й двигуна постійного струму
При
постійній швидкості електромагнітна
сила повинна переборювати силу опору
на
валу двигуна. Електрична потужність,
споживана двигуном з мережі,
(7.11)
частково йде на нагрівання обмотки якоря. Залишившася її частина являє собою електромагнітну потужність, що виявляється рівною механічної потужності, що розвивається двигуном на валу:
(7.12)
Отримані вирази можна об'єднати:
;
.
(7.13) (7.13)
(знак “плюс” береться для генератора, “мінус” - для двигуна).