Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока

Характерным признаком коллекторных машин явля­ется наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непре­рывный процесс электромеханического преобразова­ния энергии.

Рассмотрим принцип действия коллекторного ге­нератора постоянного тока. На рис. 24.1 изображе­на упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора — якорь, вал кото­рого посредством шкива и ременной передачи меха­нически связан с приводным двигателем (на рисун­ке не показан) — источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря рас­положена обмотка в виде одного витка abed, концы которого присоединены к двум медным изолирован­ным друг от друга полукольцам, образующим прос­тейший коллектор. На поверхность коллектора на­ложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротив­лением R.

Предположим, что приводной двигатель вращает якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС, мгновенное значение которой е= 2Blv, а направление для по­ложения якоря, изображенного на рисунке, указано стрелками.

В процессе работы генератора якорь вращается и виток abed занимает разное пространственное положение, поэтому в обмотке якоря наводится пе­ременная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи гене­ратора, т.е. ток, неизменный по направлению. При положении витка якоря, показанном на рис. 24.1, ток во внешней цепи (в на­грузке) направлен от щетки А к щетке В; следовательно, щетка А

В d

Рис. 24.1. Упрощенная модель коллекторной машины

является положительной, а щетка В — отрицательной. После поворота якоря на 180° (рис. 24.2, а) направление тока в витке якоря изменится на обратное, однако полярность щеток, а сле­довательно, и направление тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменными (рис. 24.2, б). Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена' коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединен­ная с проводником, расположенным под северным магнит­ным полюсом, а под щеткой В — пластина, соединенная с про­водником, расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пуль­саций тока во внешней цепи, то они намного ослабляются при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответ­ствующем увеличении числа пластин в коллекторе.

В соответствии с принципом обратимости электрических ма­шин упрощенная модель машины постоянного тока может быть использована в качестве двигателя постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора R и подвести к щет­кам машины напряжение от источника постоянного тока. Напри­мер, если к щетке А подключить зажим «плюс», а к щетке В — «минус», то в обмотке якоря появится ток /, направление кото­рого показано на рис. 24.3. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита (полем возбужде­ния) появятся электромагнитные силы F3U, создающие на якоре электромагнитный момент М и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря на 180° электромагнитные силы

Рис. 24.2. К принципу действия генератора постоянного тока:

ЭДС и ток в обмотке якоря; ЭДС и ток во внешней цепи генератора

Рис. 24.3. К принципу действия двигателя по­стоянного тока

не изменят своего направления, так как одновременно с перехо дом каждого проводника обмотки якоря из зоны одного магнит ного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока.

Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока — изменять направление тока в проводни­ках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.

Рассмотренная упрощенная модель машины постоянного тока не обеспечи­вает двигателю устойчивой работы, так как при прохождении проводниками об­мотки якоря геометрической нейтрали tin' (рис. 24.3) электромагнитные силы F3M = 0 (магнитная индукция в середине межпо­люсного пространства равна нулю). Одна-
ко с увеличением числа проводников в обмотке якоря (при равно­мерном их распределении на поверхности якоря) и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным.