Принцип действия и устройство машин

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Коллекторная машина постоянного тока является, по существу, машиной переменного тока, так как в ее перемещающейся относительно поля возбуждения обмотке – обмотке якоря – протекает переменный ток. Однако машина имеет специальное устройство – коллектор, позволяющий преобразовывать переменный ток в ток постоянный. Рассмотрим работу коллекторной машины постоянного тока на по рис. 1.

При вращении рамки, например, против направления движения часовой стрелки в каждой ее стороне индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки (рис, 1), а величина – формулой (1).

(10.1)

Поскольку длина рамки и скорость – величины постоянные, величина ЭДС зависит только от распределения индукции под полюсами, которое близко к синусоидальному. Поэтому изменение ЭДС между точками 1– 4 рамки (рис. 1) также близко к сину­соидальному (рис, 2).

Рис. 1. Простейшая модель элек­трической машины постоянного тока	Рис. 2. Индукция под по­люсом или ЭДС в рамке

Таким образом, если к концам рамки 1 и 4подключить с помощью скользящих контактов внешнюю нагрузку, в ней потечет переменный ток, имеющий форму рис. 2. Чтобы заставить ток протекать по внешней цепи в каком-ни­будь одном направлении, т.е. выпрямить его, используется спе­циальное устройство – коллектор. Концы витка присоединяются к двум изолированным медным сегментам (рис. 1). На пластины наложены неподвижные в пространстве щетки А и Б, к которым присоединяется внешняя цепь.

При вращении якоря каж­дая из щеток соприкасается только с той коллекторной пластиной и тем из проводников рамки, которые находятся под полюсом данной полярности. Так, щетка А всегда соприкасается только с проводником, находящимся под северным полюсом (рис. 1). Следовательно, по внешней цепи ток будет протекать только в одном направлении – от щетки А к щетке Б, т.е. происходит выпрямление наводимой в витке ЭДС и тока в пульсирующие ЭДС на щетках и ток во внешней цепи (рис, 3).

Рис. 3. Выпрямленные ЭДС и ток

Пульсации тока на рис. 3 носят резко выраженный характер, однако эти пульсации сглаживаются, если вместо рамки использовать обмотку, состоящую из большого числа проводников, определенным образом выполненную и со­единенную е коллектором. Система подвижных проводников в машине постоянного тока вместе с несущей их механической конструкцией называется якорем.

В режиме двигателя к щеткам подводится постоянный ток, который коллектором преобразуется в переменный ток обмотки якоря. Этот ток, взаимодействуя с полем возбуждения, создает электромагнитный момент, приводящий якорь в движение и со­вершающий максимальную работу.

Скорость перемещения проводников обмотки якоря относи­тельно неподвижного поля возбуждения основных полюсов оп­ределяется частотой вращения якоря (об / мин). Поэтому ЭДС обмотки якоря

(2)

где С_Е – конструктивный коэффициент, зависящий от геометрии и параметров машины и ее обмотки якоря; – магнитный поток.

Исходя из рассматриваемого принципа действия, машина по­стоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части – статора, предназначенной в основном для создания маг­нитного потока, и вращающейся части – якоря. В якоре про­исходит процесс преобразования механической энергии в элек­трическую (электрический генератор) или электриче­ской энергии в механическую (электродвигатель). Неподвижная и вращающаяся части отделяются друг от друга зазором. Неподвижная часть машины постоянного тока состоит из ос­новных полюсов, предназначенных для создания основного маг­нитного потока; добавочных полюсов, устанавливаемых между основным и служащих для достижения безыскровой работы ще­ток на коллекторе.

Якорь представляет собой цилиндрическое тело, вращающее­ся в пространстве между полюсами, и состоит из зубчатого сер­дечника якоря, уложенной на нем обмотки, коллектора и щеточ­ного аппарата.