1.3. Генератор постоянного (пульсирующего) напряжения

Принцип работы генератора постоянного напряжения аналогичен описанному выше, разница только в устройстве коллектора, т.е. узла съёма напряжения с рабочей обмотки. В данном случае переменное напряжение на рабочей обмотке превращается в выходное постоянное, а точнее – в пульсирующее, − специальным коллектором, переключающим выводы рабочей обмотки: он имеет вид двух полуцилиндров, изолированных друг от друга (рис. 3,а). В результате со щёток коллектора снимается однополярное пульсирующее напряжение (рис. 3,б), которое затем может дополнительно сглаживаться какими-либо устройствами. Щётки − это угольные таблетки, поджимаемые к медному коллектору упругими пластинками.

Как правило, значительного уменьшения пульсаций добиваются уже конструкцией самогó генератора. Для этого обмотку ротора разделяют на много секций, на столько же секций дробится и коллектор (рис. 4, а,б).

а

U_вых

а

U_вых

_х

U_вых

U_вых

б

Рис. 4. Схема трёхсекционной обмотки ротора (а) и снимаемое со щёток сглаженное напряжение (б)

1.4. Мотор постоянного напряжения

Если к обмотке ротора генератора постоянного напряжения подвести постоянное напряжение, то этот генератор будет работать как электродвигатель (мотор). Это означает, что машины постоянного напряжения (а они всегда коллекторные) являются обратимыми, т.е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме мотора.

Работу мотора постоянного напряжения, удобно рассмотреть на примере ротора с многосекционной обмоткой (рис. 5). При вращении такого ротора многосекционный коллектор направляет ток через ту обмотку, плоскость которой в данный момент параллельна линиям поля В. Следовательно, именно на эту обмотку со стороны магнитного поля постоянного магнита или электромагнита статора действует пара сил Ампера F, созд ающая крутящий момент М=Fd, где d – диаметр ротора. Этот момент немного пульсирует, причём пульсации тем меньше, чем больше секций в обмотке ротора (для трёхсекционной обмотки пульсации момента сил точно такие же, как и пульсации ЭДС на рис. 4,б). Однако для массивного ротора, вращающегося со скоростью в десятки или даже сотни оборотов в секунду, такие пульсации совершенно незаметны. Максимум момента сил на ротор

М₀=Fd=(IBl)dN=(BSN)I, (1)

где S=ld – площадь контура обмотки ротора, N – число витков, I – ток в обмотке.

Направление вращения ротора определяется соотношением полярностей токов в рабочей и возбуждающей обмотках (на рис. 5 обмотка возбуждения для простоты представлена постоянным магнитом).

Скорость вращения ротора зависит, вообще говоря, как от токов в обмотках, так и от нагрузки мотора. При быстром вращении ротора в его обмотках наводится ЭДС индукции, «направленная» против внешнего напряжения U и почти равная ему (_инд≈U), поэтому при холостом ходе мотора (т.е. когда он работает без нагрузки) ток в обмотках ротора мал: I_х.х=(U−_инд)/r≈0 (здесь r – сопротивление обмотки ротора). При нагрузке скорость вращения уменьшается, ЭДС индукции тоже уменьшается, и ток в обмотках растёт. Таким образом, ток, потребляемый мотором, пропорционален нагрузке. Особенно большим ток бывает в момент пуска мотора (пусковой ток), когда ЭДС индукции ещё мала и внешнее напряжение U полностью падает на очень малом сопротивлении обмотки: I_пуск=U/r. Пусковой ток может быть настолько большим (в 10-20 раз превышающим номинальное рабочее значение), что пережигает обмотку ротора, поэтому пуск мощных моторов производится с помощью пусковых реостатов.

Впервые электромотор был построен в 1838 году русским физиком и электротехником Борисом Семёновичем Якóби. Он же разработал и основы теории электродвигателей.