Принцип действия и назначение коллектора

Характерной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора. С помощью коллектора и щеток вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней электрической цепью. В гене­раторах коллектор и щетки служат для преобразования изменяющихся по направлению э. д. с. и тока в проводниках обмотки якоря в постоян­ные по величине и направлению э. д. с. напряжение и ток во внешнейцепи. В двигателях с помощью коллектора и щеток осуществляется обратное преобразование. Рассмотрим подробнее процесс преобразова­ния э. д. с. и тока с помощью коллектора и щеток.

Назначение коллектора в генераторе. В простейшем генераторе (рис. 70) при вращении витка в магнитном поле его рабочие (активные) стороны 1 и 2 пересекают магнитные силовые линии и в них индукти­руется переменная э. д. с. е. Если к кольцам, к которым припаяны кон­цы витка, присоединить внешнюю цепь с некоторым приемником элек­трической энергии, то по нему пойдет переменный ток i. Участки 3 и 4 витка являются нерабочими, так как при вращении витка они не пе­ресекают магнитных силовых линий и, следовательно, не участвуют в создании э. д. с. Эти участки витка называют лобовыми частями.

В положении, показанном на рис. 70, а, виток не пересекает силовых линий магнитного поля, э. д. с. в нем не индуктируется и тока нет. При повороте витка по часовой стрелке на 90° (рис. 70, б) обе стороны его будут пересекать магнитное поле; при этом в активных сторонах 1 и 2 индуктируются э. д. с. е и по витку и внешней цепи начинает про­ходить ток i. Применяя правило правой руки, можно установить, что э. д. с. индуктированная в стороне 1 витка, будет направлена от нас, а в стороне 2 — к нам. Следовательно, во внешней цепи ток проходит от щетки А, имеющей положительный потенциал, к щетке Б с отри­цательным потенциалом. В положении, показанном на рис. 70, в. виток снова не пересекает силовые линии поля, поэтому э. д. с. и ток уменьшаются до нуля. При повороте витка на 270° (рис. 70, г) под северный полюс подходит сторона 2 витка, а под южный — сторона 1. Поэтому направление э. д. с. в рабочих сторонах 1 и 2 изменяется на противоположное по сравне­нию с направлением его в положении, показанном нарис. 70, б. В результате изменяются полярность щеток А и Б и направление тока i во внешней цепи.

Как следует из закона электромагнитной индукции, значение индуктированной э. д. с. е пропорционально числу силовых магнитных линий, пересекаемых сторо­нами витка в единицу време­ни. При перемещении рабо­чих сторон витка под полюсами э. д. с. е, напряжение и, действующие между щетками А и Б, и ток будут иметь не­которые постоянные значения (рис. 70, д). При переходе от одного полюса к другому направления е, и и i будут изменяться.

Для получения во внешней цепи постоянных по направлению э. д. с. напря­жения и тока в простейшем генераторе виток присоеди­няют не к двум кольцам, как показано на рис. 70, а к одному кольцу, разрезанному на две изолированные одна от другой части. Начало витка присоединяют к од­ной половине кольца, ко­нец — к другой (рис. 71). Такую конструкцию называют коллектором, а отдельные изолированные части его (в данном случае полукольца) — кол­лекторными пластинами.

Рассмотрим процесс изменения напряжения и тока во внешней цепи, подключенной к простейшему генератору, при наличии кол­лектора.

В положении (рис. 71, а) э. д. с. в витке не индуктируется и то­ка во внешней цепи нет. При повороте витка на 90° (рис. 71, б) в его ра­бочих сторонах 1 и 2 индуктируется э. д. с. е и во внешней цепи будет протекать ток i от щетки Б к щетке А. В положении, показанном на рие. 71, в, э. д. с. в витке не индуктируется и ток во внешней цепи равен нулю. Наконец, при повороте витка на 270° (рис. 71, г) направ­ление э. д. с. е в рабочих сторонах 1 и 2 витка изменяется по сравнению с положением (см. рис. 71, б). Однако направление тока во внешней цепи остается неизменным, так как одновременно с поворотом витка меняются местами и полукольца (пластины) коллектора, вследствие чего к щетке Б подходит полукольцо, связанное со стороной 2 витка, а к щетке А — полукольцо, связанное со стороной 1. Потенциалы щеток, т. е. напряжение и, при этом сохраняются такими же, как и в положе­нии, показанном на рис. 71, б, и ток i во внешней цепи будет протекать в прежнем направлении. Таким образом, при замене двух контактных колец изолированными одно от другого полукольцами происходит выпрямление напряжения и, действующего между щетками А и Б, а следовательно, и тока i во внешней цепи. Характер изменения напря­жения и на щетках и тока i поясняется на рис. 71, д. Напряжение и ток получаются постоянными по направлению, но переменными по значению. Такой ток и напряжение называют пульсирующими.

Пульсирующий ток малопригоден для практических целей. Для сглаживания пульсации в обмотке якоря увеличивают число витков и соответственно число коллекторных пластин.

Для лучшего использования обмотки якоря 1 отдельные витки соединяют между собой последовательно. К каждой пластине коллекто pa 2 присоединяют конец предыдущего и начало следующего витка. В результате получают замкнутую обмотку (рис. 72, а). При вращении
якоря между любыми двумя точками такой обмотки, например между а и b (рис. 72, б), действует переменная э. д. с. е_аb. Однако во внешней цепи между неподвижными щетками А и Б действует постоянная по направлению и значению э. д. с. Е, равная сумме э. д. с. индуктиро­ванных во всех последовательно соединенных витках якоря, располо­женных между этими щетками. Следовательно, коллектор осуществляет преобразование изменяющихся э. д. с. и тока в обмотке якоря в постоянные по величине и направлению э. д. с. и ток, действующие во
внешней цепи, т. е. работает в качестве механического выпрямителя.
Чем больше витков в обмотке якоря и коллекторных пластин, тем меньше пульсируют э. д. с. и ток. Полностью освободиться от пуль­сации невозможно. Для большей части электрических потребителей
эти пульсации не играют никакой роли и совершенно не отражаются на их работе.

Назначение коллектора в электродвигателе. Электродвигатель питается от сети постоянного напряжения и к его якорю подается постоянный ток. По проводникам же обмотки якоря протекает перемен­ный ток (см. рис. 70, д). Следовательно, в электродвигателе коллектор
работает в качестве механического преобразователя постоянного тока в переменный, обеспечивая питание обмотки якоря переменным током от внешнего источника постоянного тока.

Важную роль играет коллектор при распределении тока по про­водникам обмотки якоря. При вращении якоря проводники его об­мотки перемещаются под полюсами машины, переходя от северного полюса к южному, затем снова к северному и т. д. Этот переход дол­жен сопровождаться изменением направления тока в проводниках для того, чтобы электромагнитный момент машины действовал все время в одном и том же направлении. Благодаря коллектору по всем проводникам, расположенным под северным полюсом, ток проходит в одном направлении, а по проводникам, расположенным под южным полюсом, — в другом. Когда же при вращении якоря проводники меняются местами (переходят под полюсы другой полярности), направле­ние тока в них также меняется на противоположное. Например, в поло­жении, показанном на рис. 73, а, ток i проходит по витку 1. Возни­кающий при этом электро­магнитный момент М на­правлен по часовой стрел­ке. Когда виток 1 в про­цессе поворота якоря зай­мет положение, показан­ное на рис. 73, б, коллекторные пластины, к кото­рым присоединен этот ви­ток, выйдут из под щеток, и ток перестанет прохо­дить по витку 1. Однако под щетками окажется вторая пара коллекторных пластин, соединенных с витком 2, и ток i начнет проходить по этому витку. Электромагнитный момент М бу­дет действовать в том же направлении, что и при положении якоря на рис. 73, а. То же самое будет иметь место при повороте каждого витка на 180°, когда их рабочие стороны перейдут под полюсы другой полярности. Подобную же роль в распределении тока по провод­никам обмотки якоря играет коллектор при работе машины в генера­торном режиме: при любом положении якоря электромагнитный тор­мозной момент, созданный всеми проводниками обмотки якоря, дей­ствует в одном и том же направлении.