14.2. Принцип действия машин постоянного тока

Принцип действия генераторов постоянного тока основан на исполь­зовании явления электромагнитной индукции. Если якорь вращать пер­вичным двигателем по часовой стрелке (см. рис. 14.1), то во всех его проводниках, находящихся в рассматриваемый момент времени в зоне северного полюса, индуцируются э. д. с., направленные, согласно правилу правой руки, от наблюдателя, а в проводниках, находящихся в зоне южного полюса,— направленные к наблюдателю. Следовательно, при заданном направлении вращения якоря направление наведенных э. д. с. в проводниках зависит от того, под каким полюсом находится в дан­ный момент проводник, причем в проводниках, расположенных выше геометрической нейтрали (линии, перпендикулярной оси полюсов), э. д. с. всегда направлена в одну сторону, а в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, — в противоположную сторону. Так как маши­на устроена симметрично, то количество проводников, находящихся под каждым полюсом, будет постоянным, а значит, и суммарная э. д. с., наводимая в них и приходящаяся на один полюс, также постоянна по полярности и примерно одинаковая по значению. Проводники якоря, находящиеся на линии геометрической нейтрали, не пересекают линий магнитного поля, а скользят вдоль них, поэтому э. д. с. в них равна нулю.

Магнитный поток главных полюсов, проходящий через сердечник якоря, распределяется в зависимости от магнитного сопротивления на его пути. Для того чтобы магнитная индукция распределялась по полюсам более равномерно и охватывала большую часть поверх­ности якоря, полюсы машины снабжают полюсными наконечниками (рис. 14.4, а). Кривая распределения индукции рис. 14.4,6 близка к трапецеидальной и может быть изменена в некоторых пределах за счет изменения ширины полюсного наконечника и размера воздушного зазора δ между наконечником и якорем. При вращении в каждом про­воднике якоря наводится периодическая э. д. с., период которой равен времени движения проводника вдоль двух соседних полюсных деленийгде D — диаметр якоря; р — число пар полюсов. Например, при р = 1 периодT соответствует одному обороту якоря, при р = 2 — по­вороту якоря на 1/2 оборота и т. д.

Для увеличения э. д. с. генератора целесообразно отдельные провод­ники якоря соединять таким образом, чтобы их э. д. с. складывались. Для этого необходимо соединить последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса, с концом проводника, располо­женного в зоне полюса противоположной полярности. На рис. 14.5 условно изображена двухполюсная машина постоянного тока, э. д. с. якоря которой равна э. д. с. любой из параллельных ветвей. Обмот­ка якоря состоит из отдельных секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких витков. Концы секции присоединяют к каждой паре соседних коллекторных пластин, стороны же каждой секции располагают под полюсами различной полярности на расстоянии, при­мерно равном полюсному делению τ (дуга окружности якоря между осями соседних полюсов). Лишь при этом условии наводимые в про­водниках э. д. с. будут складываться. Все секции между собой соединяют через коллекторные пластины.

Для получения во внешней цепи тока одного направления электри­ческую машину снабжают коллектором и прижимающимися к его по­верхности неподвижными щетками. С помощью этих щеток, имеющих постоянную полярность, внешняя цепь присоединяется к обмотке якоря и в нее подается ток одного направления - постоянный ток. Если к щеткам подключить сопротивление нагрузки r_н, то через него будет проходить постоянный ток I, направление которого определяется направлением э. д. с. Е, причем этот ток, проходя через обмотку якоря, разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (ток I_a/2). Для того чтобы полностью использовать э. д. с. обмотки якоря, щетки необходимо размещать на геометрической нейтрали, так как при таком положении щеток э. д. с. параллельной ветви будет наибольшей. В отсутствие внешней нагрузки r_н к щеткам в этом случае будет приложено практически постоянное напряжение U, равное Е. Напря­жение U имеет и переменную составляющую, обусловленную изме­нением положения проводников в пространстве. Если щетки сместить с геометрической нейтрали, то э. д. с. в параллельной ветви уменьшится, так как в одной и той же параллельной ветви окажутся проводники с противоположным направлением э. д. с. В предельном случае, когда щетки расположатся по оси полюсов, э. д. с. якоря будет равна нулю, так как в этом случае в каждой параллельной ветви будет столько проводников с противоположным направлением э. д. с., что их сумма окажется равной нулю.

Благодаря наличию щеток напряжение на зажимах машины постоянно, несмотря на то, что в каждом проводнике обмотки якоря индуцируется переменная э. д. с. Действительно, если одна щетка соединена с про­водниками, расположенными под северным полюсом, а другая — с проводниками, расположенными под южным полюсом, то напряжение на щетках будет всегда неизменным по направлению.

Обмотку якоря выполняют замкнутой и симметричной. Если обмот­ка якоря отключена от внешней нагрузки, то ток по ней не проходит, так как э. д. с., индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.

Если в генераторном режиме работы машины коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками необходимы для выпрям­ления переменной э. д. с. обмотки якоря, то в двигательном режиме коллектор со щетками позволяют обеспечить непрерывность вращения машины, так как на проводники якоря действует электромагнитная сила одного и того же направления. В самом деле, если проводник обмотки якоря переходит из области действия одного полюса в область действия другого полюса, то одновременно коллектор со щетками осуществляют изменение тока в проводнике, в результате чего направ­ление вращающего момента остается неизменным.