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, закрепленном на валу (на рисунке не показан). Предположим, что сердечник выполнен в виде полого цилиндра, на внешней и внутренней поверхностях которого размещаются проводники. С торцевых сторон эти проводники соединяются между собой, образуя замкнутый контур. Сплошные линии показывают соединения проводников с переднего торца сер-дечника, а штрихпунктирные - с заднего.

Изображенные на рис. 1 сердечник и обмотка называются кольцевыми. В настоящее время они не имеют практического применения, но их часто используют при анализе рабочих свойств машины, благодаря чему этот анализ приобретает большую наглядность.

От обмотки якоря выполняются ответвления к пластинам 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, называется 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 индуцируется ЭДС, направление которой определяется по пра-вилу правой руки. В кольцевой обмотке ЭДС будет индуцироваться 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.