8. 1.3. Принцип действия и устройство коллекторных машин постоянного тока
Коллекторная машина постоянного тока является, по существу, машиной переменного тока, так как в ее перемещающейся относительно поля возбуждения обмотке – обмотке якоря – протекает переменный ток. Однако машина имеет специальное устройство – коллектор, позволяющий преобразовывать переменный ток в постоянный.
Рассмотрим работу коллекторной машины постоянного тока на примере простейшего генератора постоянного тока. Она состоит из полюсов магнита (N–S), создающих постоянный магнитный поток. Между ними с линейной скоростью V вращается рамка 1–2–3–4 с длиной стороны l (рис. 10.5).
При вращении рамки, например, против направления движения часовой стрелки в каждой ее стороне индуцируется ЭДС направление которой определяется правилом правой руки (см. рис. 10.5), а величина - формулой
Поскольку длина рамки l и скорость V - величины постоянные, величина ЭДС зависит только от распределения индукции В под полюсами, которое близко к синусоидальному. Поэтому изменение ЭДС между точками 1-4 рамки (см. рис. 10.5) также близко к синусоидальному (рис. 10.6). Таким образом, если к концам рамки 1 и 4 подключить с помощью скользящих контактов внешнюю нагрузку, в ней потечет переменный ток, имеющий форму ЭДС (см. рис. 10.6).
Чтобы заставить ток протекать по внешней цепи в каком-нибудь одном направлении, т.е. выпрямить его, используется специальное устройство - коллектор. Концы витка 1-2-3-4 присоединяются к двум изолированным медным сегментам (см. рис. 10.5). На пластины наложены неподвижные в пространстве щетки А и Б, к которым присоединяется внешняя цепь.
Нужно поставить щетки так, чтобы при вращении якоря каждая из них соприкасалась только с той коллекторной пластиной и тем из проводников рамки, которые находятся под полюсом данной полярности. Так, щетка А всегда соприкасается только с проводником, находящимся под северным полюсом (см. рис. 10.5). Следовательно, по внешней цепи ток будет протекать только в одном направлении - от щетки А к щетке Б, т.е. происходит выпрямление наводимой в витке ЭДС и тока в пульсирующие ЭДС на щетках и ток во внешней цепи (рис. 10.7).
П
ульсации
тока на рис. 10.7 носят резко выраженный
характер. Однако эти пульсации
сглаживаются, если вместо рамки
использовать обмотку, состоящую из
большого числа проводников, определенным
образом выполненную и соединенную с
коллектором. Система подвижных проводников
в машине постоянного тока вместе с
несущей их механической конструкцией
называется якорем.
В режиме двигателя к щеткам подводится постоянный ток, который коллектором преобразуется в переменный ток обмотки якоря. Этот ток, взаимодействуя с полем возбуждения, создает электромагнитный момент, приводящий якорь в движение и совершающий максимальную работу.
Скорость перемещения проводников обмотки якоря относительно неподвижного поля возбуждения основных полюсов определяется частотой вращения якоря n (об/мин). Поэтому ЭДС обмотки якоря
где СЕ - конструктивный коэффициент, зависящий от геометрии и параметров машины и ее обмотки якоря; Ф - магнитный поток.
Исходя из рассматриваемого принципа действия, машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части - статора, предназначенной в основном для создания магнитного потока, и вращающейся части - якоря, в которой происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую (электрический генератор) или обратно - электрической энергии в механическую (электродвигатель).
Неподвижная и вращающаяся части отделяются друг от друга зазором.
Неподвижная часть машины постоянного тока состоит из основных полюсов, предназначенных для создания основного магнитного потока; добавочных полюсов, устанавливаемых между основным и служащих для достижения безыскровой работы щеток на коллекторе.
Якорь представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся в пространстве между полюсами, и состоит из зубчатого сердечника якоря, уложенной на нем обмотки, коллектора и щеточного аппарата.