Принцип действия машин постоянного тока

Простейшим генератором постоянного тока может служить виток из проводника в виде рамки, вращающейся в магнитном поле между двумя постоянными магнитами N и S (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема работы машины постоянного тока

Концы витка abсd присоединяются к двум медным пластинам коллектора, изолированным друг от друга и от вала, на котором они помещены. На пластинах помещены неподвижные щетки А и В, к которым присоединена внешняя цепь, состоящая из каких-либо приемников электроэнергии. При вращении витка с постоянной частотой проводники ab и cd пересекают магнитные линии, при этом в проводниках индуктируется э. д. с. При равномерном распределении магнитного поля в пространстве э. д. с. проводника

(1.1),

где — угловая частота; f — частота э. д. с.

Таким образом, при условии равномерного распределения магнитного поля в витке индуктируется переменная синусоидальная э. д. с. (рис. 1.2, а). Направление индуктируемой в проводнике э. д. с. определяется правилом правой руки, т. е. при перемещении проводника ab под северным полюсом в нем наводится э. д. с., направленная из-за плоскости чертежа, а когда он проходит под южным полюсом,— за плоскость чертежа. Таким образом, в проводнике ab наводится переменная во времени э. д. с., изменяющая свое направление 2 раза за один оборот витка. Время Т, за которое изменяется э. д. с., называют периодом. Число периодов в одну секунду называют частотой. В общем случае, когда машина имеет р пар полюсов, частота наводимой э. д. с. увеличивается пропорционально р, т. е. f=pn, где п — частота вращения витка в секунду.

Рис. 1.2. Э. д. с., индуктируемая в витке (а) и на внешнем участке цепи (б)

Для нормальной работы генератора нужно установить щетки так, чтобы наводимая в витке э. д. с. была равна нулю в момент перехода щетки с одной пластины на другую. Каждая из щеток будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно только с тем из проводников, которые находят под полюсом данной полярности. Например, в момент времени, показанный на рис. 1.1, щетка А соприкасается с пластиной 1 и имеет положительный потенциал, так как к ней подводится э. д. с. от проводника ab, находящегося под северным полюсом. При повороте якоря на 90° виток будет расположен так, что его проводники перемещаются вдоль магнитных линий поля, не пересекая их. Поэтому э. д. с., наведенная в витке, равна нулю. Щетки соединяют коллекторные пластины между собой и тем самым замыкают виток накоротко. При повороте витка на 180° щетка А соприкасается с пластиной 2, но по прежнему она имеет положительный потенциал, так как к ней подводится э. д. с. от проводника cd, заменившего проводник ab под северным полюсом. Аналогично можно видеть, что щетка В имеет всегда только отрицательный потенциал.

Таким образом, по витку abcd по-прежнему протекает переменный ток; при этом по внешнему участку цепи ток проходит только в одном направлении, а именно от положительной щетки А к отрицательной щетке В, т. е. происходит выпрямление переменной э. д. с., наведенной в витке, в пульсирующую на внешнем участке цепи (рис. 1.2, б). Как видно из рисунка, кривая э. д. с. помимо постоянной содержит большую переменную составляющую, называемую пульсацией э. д. с. Для ее уменьшения следует увеличить число коллекторных пластин. Если, например, в магнитном поле полюсов поместить два витка, оси которых сдвинуты на 90° в пространстве, и концы этих витков соединить с четырьмя коллекторными пластинами, то при вращении витков индуктируемые в них э. д. с. окажутся сдвинутыми по фазе на угол /2. Щетки в такой машине надо поместить так, чтобы они соприкасались с пластинами того витка, в котором в данный момент э. д. с. имеет наибольшее значение и на щетках будет э. д. с., пульсация которой много меньше, чем при двух коллекторных пластинах. При дальнейшем увеличении числа коллекторных пластин пульсация уменьшается и при 16 пластинах на пару полюсов становится менее 1%.

В действительности распределение магнитного поля в пространстве неравномерно. Для увеличения э. д. с. (напряжения) на щетках электрические машины выполняют с многовитковыми обмотками якоря. На рис. 1.3, а показаны схема двухполюсного генератора постоянного тока, обмотка якоря которого состоит из четырех витков, и схема токопрохождения в проводах обмотки. Коллектор генератора имеет четыре пластины и на нем располагают две неподвижные щетки, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью. К этим щеткам параллельно приложены две суммарные э. д. с.: одна от проводов 7, 8, 1, 2 и другая от проводов 6, 5, 4, 3. Причем э. д. с. проводов 7,8 и проводов 1, 2 сдвинуты относительно друг другу на угол 90°. Также сдвинуты на 90° э. д. с. проводов 6, 5 и э. д. с. проводов 4, 3. На рис. 1.3, б и в представлены графики изменения э. д. с. в параллельных цепях обмотки якоря в зависимости от времени.

Рис. 1.3. Генератор постоянного тока с обмоткой якоря из четырех витков

Если увеличить число коллекторных пластин и число проводов (витков) обмотки якоря, то результирующая кривая э. д. с. становится близкой к прямой линии с незначительной по величине пульсацией. Таким образом, коллектор в генераторах постоянного тока выполняет роль преобразователя переменной э. д. с., индуктируемой в обмотке якоря, в постоянную на щетках, т. е. осуществляет выпрямление э. д. с. Электрические машины чаще изготовляют многополюсными.

Рис. 1.4. Схема четырехполюсного генератора

На рис. 1.4 изображена схема четырехполюсного генератора постоянного тока. Линию, перпендикулярную оси полюсов и проходящую между разноименными полюсами, называют геометрической нейтралью, а часть окружности якоря, соответствующую одному полюсу,— полюсным делением. Рассматриваемая простейшая машина может работать двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника.