Получение постоянного тока при помощи коллектора

Вначале обратимся к кольцевому якорю. Он представляет собой полый цилиндр, собранный из листов электротехнической стали; этот цилиндр укреплен на валу машины, например, при помощи крестовины, имеющей спицы из немагнитного материала. Обмотка якоря обвивает полый цилиндр в виде спирали, поэтому ее называют спиральной или кольцевой обмоткой. Она образует замкнутый контур. Можно считать, что магнитный поток, создаваемый электромагнитами машины, будет проходить только по якорю (рис. 4.7). Если принять, что ЭДС в проводниках наводятся в результате пересечения проводниками индукционных линии потока в воздушном зазоре, то при вращении якоря ЭДС возникнут только в проводниках, лежащих на наружной поверхности якоря.

Рис. 4.7. Направление ЭДС, наведенных в обмотке кольцевого якоря

Направления ЭДС найдем, пользуясь правилом правой руки. В контуре обмотки вследствие симметрии обеих половин машины никакого уравнительного тока возникать не будет, так как в любой момент времени ЭДС в проводниках, лежащих под разноименными полюсами, противоположны по направлению и сумма их равна нулю.

Чтобы использовать ЭДС обмотки, соединим ее с внешней цепью посредством неподвижных щеток. Последние могут скользить непосредственно по освобожденной от изоляции части проводников якоря, как это иногда делалось в машинах, изготовлявшихся в 80-х годах позапрошлого столетия. Для того чтобы полностью использовать ЭДС обмотки, щетки нужно поставить на геометрической нейтрали, т. е. на линии, перпендикулярной оси полюсов. Щетки делят обмотку на две параллельные ветви, причем при указанном на рисунке 4.7 положении щеток ЭДС параллельной ветви будет наибольшей. Если щетки смещать, то ЭДС в параллельной ветви будет уменьшаться и в предельном случае, когда щетки будут совпадать с осью полюсов, она будет равна нулю, так как в этом случае в каждую параллельную ветвь будут входить проводники с ЭДС, сумма которых равна нулю.

Напряжение на щетках, равное ЭДС параллельной ветви обмотки, будет при большом числе витков обмотки практически постоянным по величине. Рассматривая вращающийся якорь (рис. 4.7), мы видим, что витки параллельной ветви, ЭДС которых определяют напряжение на щетках, все время находятся в поле одной и той же полярности и, следовательно, в сумме дадут ЭДС одного направления, несмотря на то, что ЭДС каждого витка при его вращении будет переменной.

Приспосабливать обмотку якоря для непосредственного контакта со щетками нецелесообразно; гораздо лучше и надежнее этот контакт обмотки со щетками осуществить при помощи пластин коллектора; они при этом соединяются проводниками с отдельными витками замкнутой обмотки якоря (рис. 4.8), и, таким образом, щетки посредством коллектора так же делят обмотку якоря на параллельные ветви, как это было при непосредственном их контакте с проводниками якоря.

Рис. 4.8. Коллекторные пластины как замена непосредственного контакта щеток с проводниками якоря

Идея применения коллектора в машинах постоянного тока впервые была осуществлена русским академиком Б.С. Якоби в изобретенном им двигателе постоянного тока (1834 г.).

Чем больше коллекторных пластин приходится на один полюс, тем меньше будут так называемые коллекторные пульсации напряжения на щетках. Они определяются как отношение разности максимального и среднего напряжений к среднему напряжению.