§ 1.2. Принцип действия генератора постоянного тока

При вращении в магнитном поле (рис. 1.2) проводника в виде витка (рамки) в его активных сторонах аb и сd, наводятся э. д. с., мгновенные значения которых определяются по формуле

Исходя из правила правой руки, можно установить, что э. д. с., наводимые в обеих активных сторонах проводников витка, направлены согласно, т. е. складываются.

Величина э. д. с. в витке зависит от угла , под которым активные стороны витка пересекают магнитные линии. При переходе активных сторон через плоскость, перпендикулярную магнитному полю, наводимые в них э. д. с. будут менять свое направление. В проводнике витка будет дейcтвовать э. д. с., переменная как по величине, так и по направлению. Если концы витка через контактные кольца соединить с внешней цепью, то в цепи будет протекать переменный ток с частотой

,

где р — число пар полюсов;

Рис. 1.2. Вращение витка в маг­нитном поле

п — скорость вращения витка (якоря), об/мин.

Таким образом, во всяком электрическом генераторе, работа которого основана на вращении проводника в магнитном поле, создается переменная э. д. с., которая может служить источником переменного тока. Для получения во внешней цепи электрического тока одного направления электрическая машина снабжается устройством, называемым коллектором.

Простейший коллектор состоит из двух полуколец — коллекторных пластин (рис. 1.3, а), к которым присоединены концы витка якоря. Коллектор вращается вместе с якорем и является его неотъемлемой частью. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, при помощи которых внешняя цепь присоединяется к обмотке якоря.

Предположим, что в однородном магнитном поле виток вращается по часовой стрелке. Направление э. д. с., наведенной в проводнике, находящемся под северным полюсом магнита, будет «от нас», а в проводнике, находящемся под южным полюсом,— «к нам».

а б

Рис. 1.3. Работа коллектора

Пока проводник а движется под северным полюсом, в нем наводится э. д. с. одного направления, изменяющаяся по величине от нуля до амплитудного значения.

В то же время в проводнике б, движущемся под южным полюсом, наводится э. д. с. обратного направления, также изменяющаяся по величине от нуля до амплитудного значения. Если к щеткам подключить внешнюю цепь, то в ней будет протекать ток от щетки А к щетке Б. Следовательно, щетка А будет положительной, а щетка Б — отрицательной.

При достижении проводниками нейтральной линии э. д. с. в них будет равна нулю, и щетки замкнут накоротко обе коллекторные пластины. Миновав нейтральную линию, проводник а попадает под действие южного полюса магнита, а проводник б — северного полюса. Направление э. д. с. в проводниках изменяется на обратное; в проводнике а — «к нам», в проводнике б — «от нас». Однако в это же время под щетку А подойдет коллекторная пластина, с которой соединен проводник б, а под щетку Б — коллекторная пластина, с которой соединен проводник а. Таким образом, во внешней цепи ток будет протекать в прежнем направлении, и полярность щеток не изменится.

Будучи постоянным по направлению, ток, протекающий по внешней цепи, переменен по величине, т. е. является пульсирующим (рис.1.3, б). Пульсацию тока можно уменьшить увеличением числа витков, вращающихся в магнитном поле машины, и соответственно, числа коллекторных пластин. На рис. 1.4, а показано устройство генератора постоянного тока с двумя витками и четырьмя коллекторными пластинами.

На рис. 1.4, б показан график э. д. с. на выходе генератора, полученный в результате совмещения кривых, характеризующих изменения э. д. с. и.

При большом числе витков и, соответственно, коллекторных пластин напряжение на щетках и электрический ток во внешней цепи будут практически постоянными как по величине, так и по направлению.