Анализ работы щеточного токосъема

Во вращающейся обмотке машины постоянного тока индуктируется переменная ЭДС, и для ее выпрямления необходим коллектор.

Процесс выпрямления ЭДС в машине постоянного тока удобно проследить на простейшем примере генератора постоянного тока (рис. 13.9, а), в котором отсутствует ферромагнитный сердечник якоря, магнитное поле главных полюсов однородное, а обмотка якоря представ­ляет собой два отдельных витка 1 и 2, расположенных во взаимно пер­пендикулярных плоскостях и подключенных к коллектору.

При вращении витков 1 и 2 с угловой скоростью со по часовой стрелке в них индуктируются ЭДС, положительное направление ко­торых определяется правилом буравчика (см. рис. 2.5, б), а значение определяется по (2.15)

e₁ = — = E_mcos t;

e₂ = — = E_msin t

где Ф₁ = — Ф_msin t и Ф₂ = Ф _mcos t — нормальные к плоскостям витков 1 и 2 составляющие главного магнитного потока Ф_т.

Так как виток 1 подключен к пластинам 1 и 3, а виток 2 — к плас­тинам 2и 4 коллектора, то между этими пластинами будут напряжения

u₁₃=e₁ = E_mcos t;

u₂₄=e₂ = E_msina t;

При вращении по часовой стрелке внешняя цепь подключается к виткам 1 и 2 через неподвижные щетки, расположенные в вертикаль­ной плоскости, и коллектор так, что за один оборот коллектора его пластины 3, 4, 1, 2, 3 последовательно контактируют со щеткой а, пластины 1, 2, 3, 4, 1 — со щеткой Ь. Следовательно, напряжение между щетками а и Ь, т. е. напряжение генератора постоянного тока, будет изменяться в соответствии с временной последовательностью их контактирования с пластинами коллектора u_{ab =} u_31, u_ab = u₄₂ u_ab = u₁₃ u_ab = u₂₄ u_ab = u₃₁ (рис. 13.9, б, сплошная линия), где

u₃₁ = - u₁₃ = -E_mcos t

u₄₂ = - u₂₄ = -E_msin t

Если изменить направление вращения витков и коллектора, то, во-первых, изменится знак нормальной составляющей главного маг-

Рис. 13.9.

нитного потока к плоскости витка 1, т.е. Ф₁ = Ф_m sin t, а следовательно, и знак ЭДС, индуктируемой им в этом витке, е_г =— = — Е_т cos t;

во-вторых, за один оборот коллектора со щеткой а будут последователь­но контактировать пластины 3, 2, 1, 4, 3, а со щеткой b — пластины 1, 4, 3, 2, 1. В соответствии с временной последовательностью контак­тирования коллектора со щетками будет изменяться и напряжение генератора постоянного тока: u_{ab =} u_31, u_ab = u₄₂ u_ab = u₁₃ u_ab = u₂₄ u_ab = u₃₁ (рис. 13.9, б, штриховая линия), где

u₁₃= e₁ = — Е_т cos t;

u₃₁= - u₁₃ = Е_т cos t;

u₂₄= e₁ =Е_т sin t;

u₄₂= - u₂₄ =-Е_т sin t;

Использование ферромагнитного якоря и полюсных наконечников позволяет получать равномерное распределение индукции В в воз­душном зазоре б машины (рис. 13.10) и таким образом уменьшать пульсацию напряжения генератора. Если витки 1 и 2 генератора по­стоянного тока по схеме на рис. 13.9, а расположить в пазах якоря,

вращающегося в магнитном поле главных полюсов (р = 1) с полюсными наконечника­ми, то напряжение генератора (рис. 13.9, б) будет иметь меньшую пульсацию, чем при вращении этих витков в однородном магнит­ном поле (рис. 13.9, б).

Если число пар полюсов машины р боль­ше 1, то соответственно должно быть увели­чено и число щеток, чтобы соединять между собой параллельные ветви обмотки якоря. На рис. 13.11, а такое соединение показано для четырехполюсного (р = 2) генератора постоянного тока, в котором две одновитковые обмотки 1 и 2 соединены между собой параллель­но. Индуктируемые в витках 1 и 2 одинаковые переменные ЭДС (e₁₌ e₂) изменяются с угловой частотой 2 и выпрямляются с по­мощью коллектора (рис. 13.11, б).

В генераторе щетки и коллектор необходимы для выпрямления переменной ЭДС витков обмотки якоря. В двигателе коллектор и щетки

Рис. 13.11.

обеспечивают постоянство направления вращения якоря. Во всех проводниках параллельных ветвей обмотки якоря ток один и тот же: I = I_я/2a, где а — число пар параллельных ветвей. Если на все эти проводники действует электромагнитная сила одного и того же направ­ления, то двигатель развивает наибольший вращающий момент. Когда же проводник переходит из области одного полюса в область другого, то одновременно щетки и коллектор производят переключение в нем направления тока. Благодаря этим переключениям сохраняется неизменным направление вращающего момента.