§ 26. Принцип действия

Машина постоянного тока (рис. 69, а) имеет обмотку возбужде­ния, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По об­мотке возбуждения проходит постоянный ток /_в, который создает магнитное поле возбуждения Ф_в. На роторе расположена обмотка якоря, в которой при вращении ротора индуцируется э. д. с.

88

При заданном направлении вращения якоря направление э. д. с, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, распо­ложенных под одним полюсом, направление э. д. с. одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. Иными словами, картина, изображающая направление э. д. с. на рис. 69, а, неподвижна во времени: в проводниках, расположенных выше гори­зонтальной оси симметрии (геометрической нейтрали), э. д. с. всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометри­ческой нейтрали, э. д. с. направлена в противоположную сторону.

При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от од­ного полюса к другому; э. д. с, индуцируемая в них, меняет знак, т. е. в каждом проводнике наводится переменная э. д. с. Однако число проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная э. д. с, индуцируемая в провод­никах, находящихся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта э. д. с. снимается с обмотки якоря при помощи скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.

Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной (рис. 69, б). При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как э. д. с, индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.

Если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам будет приложено напряжение II, рав­ное э. д. с, индуцированной в каждой из половин обмоток. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую пере­менную составляющую, обусловленную изменением положения про­водников в пространстве. При большом числе проводников пульса­ции напряжения незначительны.

При подключении к щеткам нагрузки /?_н через обмотку якоря будет проходить постоянный ток /_я> направление которого определя­ется направлением э. д. с. В обмотке якоря ток /_я разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (токи г_я).

Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по про­водникам обмотки якоря (как это было на заре электромашино­строения), а по коллектору, выполняемому в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединя­ют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков; эту часть называют секцией обмотки якоря.

С помощью коллектора и щеток вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней электрической цепью. В генераторах кол­лектор и щетки служат для преобразования изменяющихся по на­правлению э. д. с. и тока в проводниках обмотки якоря в постоянные по величине и направлению э. д. с, напряжение и ток во внешней цепи. В двигателе с помощью коллектора и щеток осуществляется обратное преобразование.

Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора, осуществляющего скользящий контакт между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.

Рассмотрим подробнее процесс преобразования э. д. с. и тока с помощью коллектора и щеток.

Назначение коллектора в генераторе. В простейшем генераторе (рис. 70) при вращении витка в магнитном поле его рабочие (активные) стороны 1 п 2 пересекают магнитные силовые линии и в них индуцируется переменная э. д. с. е. Если к кольцам, к которым припаяны концы витка, присоединить внешнюю цепь с некоторым приемником электрической энергии, то по нему пойдет переменный ток /. Участки 3 и 4 витка являются нерабочими, так как при вра­щении витка они не пересекают магнитных силовых линий и, сле­довательно, не участвуют в создании э. д. с. Эти участки витка называют лооовыми частями.

В положении, показанном на рис. 70, а, виток не пересекает силовых линий магнитного поля, э. д. с. в нем не индуцируется и тока нет. При повороте витка по часовой стрелке на 90° (рис. 70, б) обе стороны его будет пересекать магнитное поле, при этом в активных сторонах / и 2 индуцируются э. д. с. е и по витку и внешней цепи начинает проходить ток I. Применяя правило правой руки, можно установить, что э. д. с, индуцированная в стороне / витка, будет направлена от нас, а в. стороне 2 — к нам. Следовательно, во внеш­ней цепи ток проходит от щетки А, имеющей положительный потен­циал, к щетке Б с отрицательным потенциалом. В положении, показанном на рис. 70, в, виток снова не пересекает силовые линии поля, поэтому э. д. с. и ток уменьшаются до нуля. При повороте витка на 270° (рис. 70, г) под северный полюс подходит сторона 2 витка, а под южный — сторона /. Поэтому направление э. д. с. в рабочих сторонах / и 2 изменяется на противоположное по сравнению с направлением его в положении, показанном на рис. 70, б. В резуль-90 тате изменяются полярность щеток Л и Б и направление тока / во внешней цепи.

Как следует из закона электромагнитной индукции, значение индуцированной э. д. с. е пропорционально числу силовых магнит­ных линий, пересекаемых сторонами витка в единицу времени. При перемещении рабочих сторон витка под полюсами э. д. с. е, напря­жения и, действующие между щетками Л и Б, и ток I будут иметь некоторые постоянные значения (см. рис. 70,6). При переходе от одного полюса к другому направления е, и и I будут изменяться.

Для получения во внешней цепи постоянных по направлению э. д. с, напряжения и тока в простейшем генераторе виток присоеди­няют не к двум кольцам, как показано на рис. 70, а к одному кольцу, разрезанному на две изолированные одна от другой части. Начало витка присоединяют к одной половине кольца, конец — к другой (рис. 71). Такую конструкцию называют коллектором, а отдельные изолированные части его (в данном случае полукольца) — коллек­торными пластинами.

Рассмотрим процесс изменения напряжения и тока во внешней цепи, подключенной к простейшему генератору, при наличии коллектора.

В положении, показанном на рис. 71, а, э. д. с. в витке не инду­цируется и тока во внешней цепи нет. При повороте витка на 90° (рис. 71, б) в его рабочих сторонах / и 2 индуцируется э. д. с. е и во внешней цепи будет протекать ток I от щетки Б к щетке Л. В положении, показанном на рис. 71, в, э. д. с. в витке не индуцируется и ток во внешней цепи равен нулю. Наконец, при повороте витка на 270° (рис. 71, г) направление э. д. с. е в рабочих сторонах / и 2 витка изменяется по сравнению с положением, показанным на рис. 71, б. Однако направление тока во внешней цепи остается неизменным, так как одновременно с поворотом витка меняются местами и коллек­торные пластины, вследствие чего к щетке Б подходит пластина, связанная со стороной 2 витка, а к щетке А — пластина, связанная со стороной /. Потенциалы щеток, т. е. напряжение и, при этом сохра­няются такими же, как и в положении, показанном на рис. 71,0, и ток I во внешней цепи будет протекать в прежнем направлении. Таким образом, при замене двух контактных колец двумя изолиро­ванными одна от другой коллекторными пластинами происходит выпрямление напряжения и, действующего между щетками А и Б, а следовательно, и тока / во внешней цепи. Характер изменения напряжения и на щетках и тока / поясняется на рис. 71, д. Напря­жение и ток получаются постоянными по направлению, но перемен­ными по значению. Такой ток и напряжение называют пульси­рующими.

Пульсирующий ток мало пригоден для практических целей. Для сглаживания пульсации в обмотке якоря увеличивают число витков и сответственно число коллекторных пластин.

Для лучшего использования обмотки якоря / (рис. 72) отдельные витки соединяют друг с другом последовательно. К каждой коллек­торной пластине 2 присоединяют конец предыдущего и начало сле­дующего витка. В результате получают замкнутую обмотку (рис. 72, а). При вращении якоря между любыми двумя точками такой обмотки, например между а и Ь (рис. 72,6), действует пере­менная э. д. с. <?„л. Однако во внешней цепи между неподвижными щетками А и Б действует постоянная по направлению и значению э. д. с. Е, равная сумме э. д. с, индуцированных во всех последо­вательно соединенных витках якоря, расположенных между этими щетками. Следовательно, коллектор осуществляет преобразование изменяющихся э. д. с. и тока в обмотке якоря в постоянные по величине и направлению э. д. с. и ток, действующие во внешней цепи, т. е. работает в качестве механического выпрямителя.

Чем больше витков в обмотке якоря и коллекторных пластин, тем меньше пульсируют э. д. с. и ток. Полностью освободиться от пульсации невозможно. Для большей части электрических потреби­телей эти пульсации не играют никакой роли и совершенно не отра­жаются на их работе.

Назначение коллектора в электродвигателе. Электродвигатель питается от сети постоянного напряжения и к его якорю подается постоянный ток. По проводникам же обмотки якоря протекает пере­менный ток (см. рис. 70,(3). Следовательно, в электродвигателе коллектор работает в качестве механического преобразователя по­стоянного тока в переменный, обеспечивая питание обмотки якоря переменным током от внешнего источника постоянного тока.

Важную роль играет коллектор при распределении тока по про­водникам обмотки якоря. При вращении якоря проводники его об­мотки перемещаются под полюсами машины, переходя от северного полюса к южному, затем снова к северному и т. д. Этот переход дол­жен сопровождаться изменением направления тока в проводниках для того, чтобы электромагнитный момент машины действовал все

Распределение тока по проводни-обмотки якоря при его вращении

время в одном и том же направ­лении. Благодаря коллектору по всем проводникам, распо­ложенным под северным полю­сом, ток проходит в одном направлении, а по проводни­кам, расположенным под юж­ным полюсом,— в другом. Ког­да же при вращении якоря проводники меняются местами (переходят под полюсы другой полярности), направление тока в них также меняется на про­тивоположное. Например, в положении, показанном на рис. 73, а, ток / проходит по витку /. Возникающий при этом электромагнитный момент М направлен по часовой стрелке. Когда виток / в процессе поворота якоря займет положение, показанное на рис. 73,6, коллек­торные пластины, к которым присоединен этот виток, выйдут из-под щеток, и ток перестанет проходить по витку /. Однако под щетками окажется вторая пара коллекторных пластин, соединенных с вит­ком 2, и ток г начнет проходить по этому витку. Электромагнитный момент М будет действовать в том же направлении, что и при поло­жении якоря, показанном на рис. 73, а. То же самое будет иметь место при повороте каждого витка на 180°, когда их рабочие стороны перейдут под полюсы другой полярности. Подобную же роль в распределении тока по проводникам обмотки якоря играет коллектор при работе машины в генераторном режиме: при любом положении якоря электромагнитный тормозной момент, созданный всеми проводниками обмотки якоря, действует в одном и том же направлении.