13.4. Анализ работы щеточного токосъема

Во вращающейся обмотке якоря машины постоянного тока индуктируется переменная ЭДС, и для ее выпрямления необходим коллектор.

Процесс выпрямления ЭДС в машине постоянного тока удобно проследить на простейшем примере генератора постоянного тока (рис. 13.9, а), в котором нет ферромагнитного сердечника якоря, магнитное поле главных полюсов однородное с индукцией B₀, а обмотка якоря представляет собой два одинаковых витка 1 и 2 площадью S каждый, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и подключенных к коллектору.

При вращении витков 1 и 2 с угловой скоростью w по направлению движения часовой стрелки в них индуктируются ЭДС, положительные направления которых определяются правилом буравчика (см. рис. 2.5, б), а значение по (2.15)

e₁ = –dF₁/dt = E_mcoswt: e₂ = –dF₂/dt = E_msinwt,

где F₁ = –F₀sinwt и F₂ = F₀coswt — нормальные к плоскостям витков 1 и 2 составляющие главного магнитного потока F₀ = B₀S.

Так как виток 1 подключен к пластинам 1 и 3, а виток 2 — к пластинам 2 и 4 коллектора, то при отключенной нагрузке, т.е. в режиме холостого хода, между этими пластинами будут напряжения

U₁₃ = e₁ = E_mcoswt; u₂₄ = e₂ = Е_msinwt.

При вращении выводы генератора подключаются к виткам 1 и 2 через неподвижные щетки, расположенные в вертикальной плоскости, и коллектор так, что за один оборот коллектора его пластины 3, 4, 1, 2, 3 последовательно контактируют со щеткой a, а пластины 1, 2, 3, 4, 1 — со щеткой b. Следовательно, напряжение между щетками a и b, т.е. напряжение генератора постоянного тока, будет изменяться в соответствии с временной последовательностью их контактирования с пластинами коллектора: и_ab = u₃₁, и_ab = u₄₂, и_ab = u₁₃, и_ab = u₂₄, и_ab = u₃₁ (рис. 13.9, б, сплошная тонкая линия), где u₃₁ = –u₁₃ = –E_mcoswt; u₄₂ = –u₂₄ =–E_msinwt.

Если изменить направление вращения витков и коллектора, то, во-первых, изменится знак нормальной составляющей главного магнитного потока к плоскости витка 1, т. е. F₁ = F₀sinwt, а следовательно, и знак ЭДС, индуктируемой им в этом витке, e1 = df₁/dt = –E_mcoswt; во-вторых, за один оборот коллектора со щеткой а будут последовательно контактировать пластины 3, 2, 1, 4, 3, а со щеткой b — пластины 1, 4, 3, 2, 1. В соответствии с временной последовательностью контактирования коллектора со щетками будет изменяться и напряжение генератора постоянного тока: и_ab = u₃₁, и_ab = u₂₄, и_ab = u₁₃, и_ab = u₄₂, и_ab = u₃₁ (рис. 13.9, б, штриховая линия), где u₁₃ = e₁ = –Е_mcoswt; u₃₁ = –u₁₃ = E_mcoswt; u₂₄ = e₂ = E_msinwt;

u₄₂ = –u₂₄ = –E_msinwt.

Применение ферромагнитного якоря и полюсных наконечников позволяет получать равномерное распределение индукции В в воздушном зазоре d машины (рис. 13.10) и таким образом уменьшать пульсацию напряжения генератора. Если витки I и 2 генератора постоянного тока (рис. 13.9, а) расположить в пазах якоря, вращающегося в магнитном поле главных полюсов с полюсными наконечниками, то напряжение генератора (рис. 13.9, в) меньше пульсирует, чем при вращении этих витков в однородном магнитном поле (рис. 13.9, б).

Если число пар полюсов машины p больше 1, как на рис. 13.9 и 13.10, то соответственно должно быть увеличено и число щеток, чтобы соединять между собой параллельные ветви обмотки якоря.

Для упрощения рисунков, поясняющих работу машины, будем в дальнейшем пользоваться видом торцевого сечения ее якоря и главных полюсов со стороны, противоположной коллектору при вращении якоря генератора по направлению движения часовой стрелки. На рис. 13.11, а показано такое изображение четырехполюсного (р = 2) генератора постоянного тока, в котором две одновитковые обмотки 1 и 2 соединены между собой параллельно.

Индуктируемые в витках 1 и 2 одинаковые переменные ЭДС (e₁ = e₂) изменяются с угловой частотой 2w и выпрямляются при помощи коллектора (рис. 13.11,б).

В генераторе щетки и коллектор необходимы для выпрямления переменной ЭДС витков обмотки якоря. В двигателе коллектор и щетки обеспечивают непрерывность вращения якоря. Во всех проводах параллельных ветвей обмотки якоря ток один и тот же: I = I_я/2a, где а — число пар параллельных ветвей. Если на все эти провода действует электромагнитная сила одного и того же направления, то двигатель развивает наибольший вращающий момент. Когда же провод переходит из области одного полюса в область другого, то одновременно щетки и коллектор производят переключение в нем направления тока, так что сохраняется неизменным направление вращающего момента.