Принцип работы машин постоянного тока. На рис. 1 схематично изображен поперечный разрез машины постоянного тока. На неподвижной части машины (статоре) размещаются стальные полюсы П с надетыми на них катушками обмотки возбуждения В. Катушки соединяются между собой так, чтобы при прохождении по обмотке постоянного тока полюсы приобретали чередующуюся полярность (N, S, N, S и т.д.). Магнитный поток Ф, созда¬ваемый обмоткой возбуждения, неизменен во времени.
Рис. 1. Поперечный разрез машины постоянного тока с кольцевой обмоткой якоря На вращающейся части машины располагается обмотка О, в которой индуцируется основная ЭДС, поэтому - в машинах постоянного тока вращающуюся часть называют якорем. Обмотка располагается на стальном сердечнике, закреп¬ленном на валу (на рисунке не показан). Предположим, что сердечник выполнен в виде полого цилиндра, на внешней и внутренней поверхностях которого размещаются провод¬ники. С торцевых сторон эти проводники соединяются меж¬ду собой, образуя замкнутый контур.
Сплошные линии по¬казывают соединения проводников с переднего торца сер¬дечника, а штрихпунктирные - с заднего.
Изображенные на рис. 1 сердечник и обмотка назы¬ваются кольцевыми. В настоящее время они не имеют прак¬тического применения, но их часто используют при анализе рабочих свойств машины, благодаря чему этот анализ приобретает большую наглядность. От обмотки якоря выполняются ответвления к пласти¬нам коллектора.
Коллектор располагается на валу якоря и представляёт собой цилиндрическое тело, состоящее из электрически изолированных между собой медных пластин. Часть обмотки, заключенная между следующими друг за другом ответвлениями к коллекторным пластинам, называ¬ется секцией. Обмотка имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких витков. Число коллекторных пластин равно числу секций. На рис. 1 обмотка состоит из 12 одновитковых секций, а коллектор имеет 12 пластин.
При вращении якоря в проводниках его обмотки инду¬цируется ЭДС, направление которой определяется по пра¬вилу правой руки. В кольцевой обмотке ЭДС будет инду¬цироваться только в проводниках, расположенных на внеш¬ней поверхности сердечника. В проводниках, лежащих на внутренней поверхности, ЭДС не наводится, так как эти про¬водники не пересекают индукционных линий магнитного по¬ля. Поэтому проводники, расположенные на внешней поверхности сердечника, являются активными, а на внутрен¬ней - пассивными.
В обмотке якоря машины постоянного тока наводится переменная ЭДС, так как каждый проводник поочередно проходит полюсы разной полярности, вследствие чего ЭДС в них меняет свое направление. Если машина работает ге¬нератором, то переменная ЭДС обмотки должна быть вы¬прямлена. Достигается это с помощью коллектора. С кол¬лектором соприкасаются неподвижные щетки Щ, посредст¬вом которых обмотка якоря соединяется с внешней сетью. Для того чтобы ЭДС на выводах машины была максималь¬на, щетки следует установить в тех местах, где ЭДС, наво¬димая в проводниках, меняет направление.
Это происходит под серединой межполюсного промежутка. Воображаемая линия, проведенная через середину межполюсного проме¬жутка, называется геометрической нейтралью ГН. Следовательно, в машинах постоянного тока щетки должны быть установлены на геометрической нейтрали. Поскольку число нейтралей равно числу полюсов, то и число мест, где уста¬навливаются щетки, выбирается равным числу полюсов.
Для момента времени, изображенного на рис. 1, между каждой парой соседних щеток включены проводники об¬мотки якоря с одинаковым направлением ЭДС. Поэтому щетки, соприкасающиеся с определенными коллекторными пластинами, будут иметь указанную полярность. При вращении якоря расположение проводников и кол¬лекторных пластин в пространстве будет меняться, при этом будет изменяться направление ЭДС, индуцируемой в про¬водниках. Но всегда между коллекторными пластинами, с которыми соприкасаются неподвижные щетки, будут рас¬полагаться проводники с одинаковым направлением ЭДС, и щетки всегда будут иметь определенную полярность.
По¬лярность соседних щеток, как и полярность полюсов, будет чередующейся. Щетки одноименной полярности соединяют¬ся между собой, а к их общим точкам подключается внеш¬няя сеть. При наличии коллектора во внешней сети генера¬тора будет протекать постоянный ток, в то время как в об¬мотке якоря ЭДС и ток будут переменными.
В двигателях постоянного тока к щеткам подводится по¬стоянный ток. Роль коллектора в этом случае состоит в том, чтобы в любой момент времени обеспечить такое распреде¬ление тока по обмотке якоря, при котором под полюсами разной полярности располагались бы проводники с проти¬воположным направлением тока. Для определенного мо¬мента времени такому распределению тока в якоре соот¬ветствует рис. 1, если принять на нем, что крестиками и точками обозначены направления тока. При таком рас¬пределении тока электромагнитные силы всех проводников будут направлены в одну сторону, в чем можно убедиться, применив правило левой руки. В результате этого при про¬чих равных условиях двигатель будет создавать наиболь¬ший вращающий момент.
По отношению к выводам сети обмотка якоря разбива¬ется на параллельные ветви. Параллельной ветвью назы¬вают группу последовательно соединенных проводников, включенных между щетками разной полярности. В данной машине обмотка имеет четыре параллельные ветви.
Ее развертка по отношению к выводам сети показана на рис. 2. ЭДС на выводах машины будет равна ЭДС одной параллельной ветви, а ток в сети равен сумме токов парал¬лельных ветвей. Рис. 2. Параллельные ветви обмотки якоря В замкнутом контуре самой обмотки якоря машины по¬стоянного тока сумма ЭДС равна нулю (см. рис. 1), по¬этому при разомкнутой внешней цепи ток в обмотке возни¬кать не будет.