6.3.3. Принцип действия и устройство коллекторных машин 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 вращается рамка 1—2—3—4 с длиной стороны (рис. 6.24)
	Рис. 6.24

При вращении рамки, например, против направления движения часовой стрелки в каждой ее стороне индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки (рис. 6.24), а величина - формулой (6.1). Поскольку длина рамки и скорость - величины постоянные, величина ЭДС зависит только от распределения индукции под полюсами, которое близко к синусоидальному. Поэтому изменение ЭДС между точками 1—4 рамки (рис. 6.24) также близко к синусоидальному (рис. 6.25).

Таким образом, если к концам рамки 1 и 4 подключить с помощью скользящих контактов внешнюю нагрузку, в ней потечет переменный ток, имеющий форму ЭДС (рис. 6.25).

Рис. 6.25	Рис. 6.26

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 (рис. 6.24). 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 (рис. 6.24). 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 (рис. 6.26).

Пульсации тока на рис. 6.26 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 (об/мин). Поэтому ЭДС обмотки якоря , где - конструктивный коэффициент, зависящий от геометрии и параметров машины и ее обмотки якоря; - 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.