Действие машин постоянного тока основано на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил

e = B l V [B]; F = B l i [Ньютон]

В этих формулах:

В – индукция магнитного поля [T];

l – длина проводника [M];

V – скорость перемещения проводника относительно магнитного

поля перпендикулярно линиям магнитной индукции ;

i – ток в проводнике [A];

F – сила, действующая на проводник с током в магнитном поле

[Ньютон].

Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока.

Если в магнитном поле, созданном полюсами N и S, расположить виток, присоединить его концы к кольцам и вращать по часовой стрелке, как показано на рисунке 10, то в соответствии с правилом правой руки в про-

Рисунок 10.

водниках витка будут индуктироваться ЭДС. Под полюсом N ЭДС направлена от кольца, под полюсом S – к кольцу.

В процессе вращения напряжение на кольцах будет менять направление, поэтому в результате получается модель генератора переменного тока.

Для того, чтобы получить на щетках напряжение неизменного направления, надо присоединить концы витка не к кольцам, а полукольцам, которые расположить как бы по одной окружности. Они должны быть изолированы друг от друга и должны вращаться вместе с витком, поочередно касаясь неподвижных разнополярных щеток. Тогда на щетках будет сохраняться одна и та же полярность, и, следовательно, направление тока во внешней цепи.

Рисунок 11

Это объясняется тем, что, когда в витке направление ЭДС меняется на обратное при переходе проводников под полюс другой полярности, происходит смена полуколец под щетками.

Таким образом, под щеткой А всегда будет находиться полукольцо, соединенное с проводником, проходящим под северным полюсом, а щетка В всегда касается полукольца, соединенного с проводником, проходящим под южным полюсом.

Чтобы во внешней цепи создать не пульсирующий, а действительно постоянный ток, надо иметь не один виток с двумя полукольцами, а большое число витков, сдвинутых относительно друг друга по окружности и соединенных друг с другом и с системой полуколец, а вернее сегментов. Эти сегменты и называют пластинами. Их совокупность – коллектором, а систему витков – обмоткой якоря.

Для лучшего понимания физической сущности действия машины постоянного тока рассмотрим упрощенную модель машины в ином изображении, показанном на рисунке 12. Если при помощи первичного двигателя вращать якорь по часовой стрелке, то в проводниках по правилу правой руки индуктируется ЭДС как показано на рисунке. Если при этом замкнуть на какое-то сопротивление внешнюю цепь, то по проводникам обмотки якоря потечет ток того же направления, что и ЭДС.

Взаимодействие тока i с магнитным потоком, приведет к появлению силы F_эм, направленной в соответствии с правилом левой руки, т.е. навстречу силе, приводящей во вращение якорь машины. Эта сила F_эм создает тормозной электромагнитный момент М_эм, направленный навстречу моменту первичного двигателя. Таким образом, в данном случае машина постоянного тока работает в режиме генератора, преобразуя механическую энергию первичного двигателя в электрическую и отдавая ее во внешнюю цепь. При этом момент М_д первичного двигателя преодолевает тормозной электромагнитный момент М_эм генератора.

В том случае, когда к обмотке неподвижного якоря подвести напряжение и по проводникам обмотки пойдет постоянный ток, то в соответствии с законом электромагнитных сил при взаимодействии тока i и магнитного потока Ф возникнет электромагнитная сила F_эм, приложенная к проводникам обмотки. Направление этой силы соответствует правилу левой руки. Естественно, что возникнет и электромагнитный момент М_эм, который в данном случае будет вращающим.

Под действием этого момента якорь машины начнет вращаться. В данном случае – против часовой стрелки. Машина постоянного тока будет работать в режиме электродвигателя. При этом вращающий электромагнитный момент М_эм будет преодолевать тормозной момент сопротивления М_с, создаваемый силами трения или силами сопротивления исполнительного механизма (рисунок 13).

В установившемся режиме работы вращающий момент М_эм момент сопротивления М_с уравновешиваются.

При вращении якоря проводники его обмотки пересекают линии индукции магнитного поля Ф и в них индуктируется ЭДС, направление которой соответствует правилу правой руки. Нетрудно заметить, что в данном случае ЭДС направлена навстречу току i. При работе машины электродвигателем коллектор выполняет функцию инвертора, то есть инвертирует постоянный ток, поступающий из сети питания, в переменный по направлению ток обмотки якоря.

Это обеспечивает неизменность направления вращающего

момента двигателя.

Генератор и двигатель по устройству совершенно одинаковы. Более того, они обратимы, то есть могут работать как генератор и как двигатель. Это свойство характерно для электрических машин всех типов. Оно широко используется на практике там, где это необходимо.

Каждая машина постоянного тока проектируется и выполняется для работы во вполне определенных условиях при вполне определенных значениях мощности Р_н; частоты вращения n_н; тока якоря I_н и т.д., которые называют номинальными данными машины. Они обозначены на заводской паспортной табличке, закрепленной на корпусе машины, и в техническом паспорте (формуляре). Эти данные позволяют правильно эксплуатировать машину, производить необходимые расчеты при изменении условий эксплуатации, а также выполнять ремонтные работы после аварий и т.п.