Конструкция и принцип действия коллекторной машины постоянного тока.
Коллекторная машина постоянного тока является, по существу, машиной переменного тока, так как в ее перемещающейся относительно поля возбуждения обмотке — обмотке якоря — протекает переменный ток. Однако машина имеет специальное устройство — коллектор, позволяющий преобразовывать переменный ток в постоянный.
Рассмотрим работу коллекторной машины постоянного тока на примере простейшего генератора постоянного тока. Она состоит из полюсов магнита (N—S), создающих постоянный магнитный поток. Между ними с линейной скоростью V вращается рамка 1—2—3—4 с длиной стороны I
При вращении рамки, например, против направления движения часовой стрелки в каждой ее стороне индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Поскольку длина рамки / и скорость V — величины постоянные, величина ЭДС зависит только от распределения индукции В под полюсами, которое близко к синусоидальному. Поэтому изменение ЭДС между точками 1—4 рамки также близко к синусоидальному. Таким образом, если к концам рамки 1 и 4 подключить с помощью скользящих контактов внешнюю нагрузку, в ней потечет переменный ток, имеющий форму ЭДС
Чтобы заставить ток протекать по внешней цепи в каком-нибудь одном направлении, т. е. выпрямить его, используется специальное устройство — коллектор. Концы витка 1—2—3—4 присоединяются к двум изолированным медным сегментам. На пластины наложены неподвижные в пространстве щетки А и Б, к которым присоединяется внешняя цепь.
Нужно поставить щетки так, чтобы при вращении якоря каждая из них соприкасалась только с той коллекторной пластиной и тем из проводников рамки, которые находятся под полюсом данной полярности. Так, щетка А всегда соприкасается только с проводником, находящимся под северным полюсом. Следовательно, по внешней цепи ток будет протекать только в одном направлении — от щетки А к щетке Б, т. е. происходит выпрямление наводимой в витке ЭДС и тока в пульсирующие ЭДС на щетках и ток во внешней цепи
Пульсации тока на рис. носят резко выраженный характер. Однако эти пульсации сглаживаются, если вместо рамки использовать обмотку, состоящую из большого числа проводников, определенным образом выполненную и соединенную с коллектором. Система подвижных проводников в машине постоянного тока вместе с несущей их механической конструкцией называется якорем.
В режиме двигателя к щеткам подводится постоянный ток, который коллектором преобразуется в переменный ток обмотки якоря. Этот ток, взаимодействуя с полем возбуждения, создает электромагнитный момент, приводящий якорь в движение и совершающий максимальную работу.
Скорость перемещения проводников обмотки якоря относительно неподвижного поля возбуждения основных полюсов определяется частотой вращения якоря п (об/мин). Поэтому ЭДС обмотки якоря
Е=СеФп, Где СЕ — конструктивный коэффициент, зависящий от геометрии и параметров машины и ее обмотки якоря; Ф — магнитный поток.
Исходя из рассматриваемого принципа действия, машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части — статора, предназначенной в основном для создания магнитного потока, и вращающейся части — якоря, в которой происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую (электрический генератор) или обратно — электрической энергии в механическую (электродвигатель).
Неподвижная и вращающаяся части отделяются друг от друга зазором.
Неподвижная часть машины постоянного тока состоит из основных полюсов, предназначенных для создания основного магнитного потока; добавочных полюсов, устанавливаемых между основным и служащих для достижения безыскровой работы щеток на коллекторе.
Якорь представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся в пространстве между полюсами, и состоит из зубчатого сердечника якоря, уложенной на нем обмотки, коллектора и щеточного аппарата.