УСТРОЙСТВО И РАБОТА ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

При вращении якоря в магнитном поле в проводниках его обмотки индуктируется эдс, переменная по величине и направлению (рис.117 ). Если начало и конец одного витка обмотки припаять к двум медным кольцам, на кольца наложить щетки, соединенные с внешней цепью, то при вращении витка в магнитном поле, как показано на рис.117 а , в замкнутой цепи потечет переменный электрический ток (рис.117 б). На этом основано действие генератора переменного тока.

а б

рис.117

Если же начало и конец витка присоединить к двум медным полукольцам, изолированным друг от друга и называемым пластинами коллектора, и наложить на них щетки, то при вращении витка в магнитном поле (рис. 118а), в витке будет по- прежнему индуктироваться переменная эдс. Однако во внешней цепи будет протекать уже пульсирующий ток, переменный по величине, но постоянный по направлению (рис.118б).

а б

Рис.118

Для установления этого обратимся теперь к рис.119а. Здесь показан якорь с одним витком. Начало витка (н ) припаяно к коллекторной пластине (а), конец витка (к ) к пластине (б). К коллекторным пластинам прижаты две неподвижные щетки, соединенные с внешней цепью. Рассмотрим три характерных положения витка в пространстве между полюсами. В положении (рис.119 а) виток находится в зоне действия северного полюса. Учитывая направление вращения якоря, определим направление эдс в витке по правилу правой руки. Необходимо учесть,

Рис.119

что эдс индуктируется только в той части витка, которая лежит поверх якоря. Ток в данном положении направлен от начала витка к его концу. Через правую щетку ток пойдет во внешнюю цепь. Поэтому эту щетку можно назвать положительной. Пройдя нагрузку, ток притекает к левой щетке генератора , которую можно назвать отрицательной.

В положении (б) (рис.119б) виток находится на нейтральной линии. Нейтральной линией или геометрической нейтралью называется линия, проходящая через центр якоря и перпендикулярная оси полюсов. Активная часть витка в этом положении, скользит вдоль магнитных линий, не пересекая их. Поэтому эдс в витке не наводится, и ток равен нулю. Обычно ширина щетки больше толщины изоляционного слоя между коллекторными пластинами, и виток, находясь на нейтральной линии, замыкается в этот момент щетками накоротко.

В положении (в) (рис.119 в) виток находится в зоне действия южного полюса. Определяя направление эдс, индуктированной в витке, находим, что ток направлен от конца витка к его началу. Если бы коллекторная пластина (а) по - прежнему соприкасалась с левой щеткой, а пластина (б) с правой щеткой, то изменение направления тока в витке вызвало бы перемену тока во внешней цепи. Но этого теперь не случится, так как изменение направления тока в витке после перехода его через нейтральную линию совпадает с таким моментом, когда под правую щетку подошла пластина (а) и под левую щетку – пластина (б).

Сравнивая первое и третье положения видно (рис.119 а,в), что ток витка в обоих случаях притекает к правой, положительной щетке, проходит по внешней цепи и возвращается к левой, отрицательной щетке. Во внешней цепи направление тока не изменяется и ток является пульсирующим (рис. 118б).

Назначение коллектора. Пульсацию тока можно уменьшить путем увеличения числа коллекторных пластин (вместо двух полуколец), соответственно увеличив число витков якоря, которые разделяются на отдельные части – секции.

Расположим на якоре четыре катушки, сдвинутые на 90⁰ друг относительно друга, и соединим их между собой последовательно (рис.120 а). Число коллекторных пластин также увеличим до четырех. Направление индуктированной эдс в катушках определяем по правилу правой руки.

а б

Рис.120

На рис. 120 б показаны кривые эдс катушек 1 и 2 . так как катушки сдвинуты в пространстве на 90⁰, то кривые эдс также сдвинуты по фазе на 90⁰. Кривые эдс у катушек 3 и 4 имеют тот же характер, что и у катушек 1 и 2, с той лишь разницей, что эдс катушек 1 и 3, с одной стороны, и катушек 2 и 4, с другой, равны по величине, но противоположны по направлению. Поэтому для выяснения вопроса ограничимся рассмотрением кривых эдс катушек 1 и 2. Поскольку катушки соединены между собой последовательно, то мгновенная величина эдс е_общ, создаваемая двумя катушками, равна сумме мгновенных значений эдс каждой катушки. На рис.121 а показано сложение мгновенных значений обоих катушек. Кривая суммарной эдс имеет меньшую

а б

Рис.121

пульсацию, чем кривые эдс отдельных катушек. Суммарная эдс катушек, находящихся под другим полюсом, имеет ту же величину, но противоположна по направлению суммарной эдс верхних катушек. Обе эдс включены параллельно по отношению к щеткам генератора.

Восемь катушек, размещенных на якоре, при сложении их мгновенных эдс дадут, как показано на рис.121б, суммарную эдс е_общ, пульсации которой будут еще меньше, чем в предыдущем случае. Таким образом, размещая на якоре большое число проводников, увеличивая соответственно число коллекторных пластин, можно получить от генератора эдс, пульсации которой станут так незначительны, что ток, практически можно считать постоянным. Так, например, уже при 16 катушках на якоре колебания эдс будут менее одного процента. В современных машинах число катушек на якоре бывает свыше ста.

Итак, коллектор в генераторах постоянного тока служит для преобразования переменной эдс, индуктируемой в обмотке якоря, в постоянную эдс на щетках генератора.