Машины постоянного тока широко используются в качестве источника постоянного тока, либо преобразователя электрической мощности в механическую. Первая машина работает в режиме генератора, вторая в режиме двигателя. Двигатели постоянного тока широко используются в регулируемом электроприводе.
Работа машин постоянного тока основана на двух законах:
1. Закон электромагнитной индукции
, (3.1)
где – индукция, ; – длина проводника, м; – линейная скорость,
2. Закон электромагнитных сил:
, (3.2)
где – сила воздействия на проводник, Н; – ток в проводнике,
ЭДС, наводимая в проводнике, получается за счет того, что проводник пересекает магнитное поле со скоростью . Поэтому в реальной машине должно быть две основные части: первая часть – создает магнитный поток, вторая часть – в которой индуктируется ЭДС. Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором (рис. 3.1), вращающаяся часть – якорем (рис. 3.2).
Рис. 3.1. Устройство статора машины постоянного тока
Статор (рис. 3.1) состоит из станины (1) и главных штампованных полюсов (2) на которых располагается обмотка возбуждения (3) (рис. 3.1). Обмотка возбуждения создает магнитный поток при протекании по ней постоянного тока. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали – материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы для крепления машины к фундаментной плите, а по окружности станины расположены отверстия для креплении сердечников главных полюсов.
Рис. 3.2. Устройство якоря машины постоянного тока
Якорь машины постоянного тока (рис. 3.2) состоит из вала (1) , сердечника (2) с обмоткой (4) и коллектора (5). Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Листы покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате перемагничивания процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы (3), в которые укладывают секции обмотки якоря (4). Каждая секция соединяется с пластинами коллектора (5). Коллектор служит для выпрямления переменной ЭДС в постоянную величину (режим генератора). Эта ЭДС снимается с помощью щеток (6).
Рассмотрим принцип выпрямления (рис. 3.3). Виток (3) подсоединен к двум кольцам и вращается в магнитном поле. При вращении витка в проводниках (1, 2) будет наводиться переменная ЭДС (под северным полюсом одно направление, а под южным другое). Снятое со щеток напряжение будет иметь синусоидальный характер (рис. 3.3,a).
Рис 3.3. Принцип выпрямления ЭДС
Если кольцо разрезать пополам и подсоединить к ним проводники (1, 2) то это уже будет элементарный коллектор – выпрямитель, (рис. 3.3,б). Независимо от того, какое полукольцо с проводником (1) или (2) подойдет к нижней щетке, направление ЭДС, снимаемое нижней щеткой, будет одним и тем же. Для внешней цепи плюс будет на нижней щетке, а минус на верхней. При одном витке выпрямленная ЭДС будет иметь большую пульсацию. При увеличении числа витков (коллекторных пластин) пульсация резко уменьшается.
Пульсация ЭДС характеризуется величиной :
, (3.3)
где ,
Пульсация зависит от числа коллекторных пластин на полюс. При одном витке (одной коллекторной пластине на полюс) пульсация составляет 100%, так как , , т. е. если , .
С увеличением числа коллекторных пластин на полюс пульсация ЭДС резко снижается: при двух витках , , а при , .
Из всего сказанного следует, что коллектор является той частью машины, которая преобразует машину переменного тока в машину постоянного тока.