Устройство и работа двигателя генератора постоянного тока

Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока

Машины, предназначенные для преобразования механической энергии в электрическую называют генераторами. Принцип действия генератора постоянного тока показан на рисунке 8. Здесь N и S — неподвижные полюсы, создающие магнитный поток, который называют потоком возбуждения; Я — якорь, состоящий из одного витка; К — коллектор, служащий для передачи получаемого тока в электрическую цепь. При вращении якоря в указанном стрелкой А направлении в верхней части витка индуктируется ЭДС указанного стрелкой Б направления (по правилу правой руки), в нижней части витка, в соответствии с этим же правилом, будет индуктироваться ЭДС обратного направления. При горизонтальном положении витка ЭДС его будет равна нулю. При дальнейшем движении витка направление ЭДС изменится, так как изменилось направление силовых линий по отношению к витку (верхняя часть витка стала нижней).

а) постоянного тока б) переменного тока

Рис. 8 Принцип действия генератора

Для того, чтобы ток во внешней цепи не изменил своего направления, служит коллектор; Коллектор (рис.8) в соответствии с изменением положения витка переключает концы витка таким образом, чтобы направление тока во внешней цепи не изменилось. Ток с коллектора снимается щетками В и Г. Двигатель постоянного тока устроен так же, как и генератор.

В результате взаимодействия магнитного поля полюсов и магнитного поля, образованного током, протекающим пообмотке якоря, якорь начнет вращаться по правилу левой руки в направлении, показанном стрелкой. В реальных двигателях и генераторах обмотка якоря состоит из большого числа витков провода, уложенных в пазы стального якоря, состоящего из тонких листов электротехнической стали. Введение стального якоря уменьшает сопротивление магнитному потоку, в связи с чем значительно увеличивается магнитная индукция в воздушном зазоре машины.

Якорь изготовляют из изолированных друг от друга тонких стальных листов (шихтованный якорь). Такая конструкция якоря позволяет избежать появления вихревых токов, нагревающих якорь.

В связи с тем, что обмотку якоря машины постоянного тока выполняют многовитковой, с большим числом отдельных секций, коллектор этих машин состоит из большого числа медных пластин (ламелей), к которым припаяны концы секций.

Магнитное поле, в котором вращается якорь, создается в двигателях и генераторах постоянного тока при помощи специальных обмоток, называемых обмотками возбуждения. Эти обмотки расположены на стальных полюсах, укрепленных на станинах двигателей и генераторов.

Для изменения направления вращения двигателя постоянного тока необходимо изменить направление тока или в якоре или в обмотке возбуждения (правило правой руки). Если же изменить направление тока и в якоре и в обмотке возбуждения, то направление вращения двигателя не изменится.

Вихревые токи.

Изменяющийся магнитный поток способен индуктировать ЭДС не только в витках катушки, но и в массивных металлических проводниках. Пронизывая толщу массивного проводника, магнитный поток индуктирует в нем ЭДС, создающую индукционные токи. Эти, так называемые вихревые токи, распространяются по массивному проводнику и накоротко замыкаются в нем, вызывая перегрев и разрушение изоляции аппарата. Сердечники катушек, якорей электродвигателей, трансформаторов, магнитопроводы различных электрических машин и аппаратов представляют собой как раз те массивные проводники, которые нагреваются возникающими в них индукционными токами. Явление это нежелательно, поэтому для уменьшения величины индукционных токов части электрических машин и сердечники якорей и обмоток возбуждения электродвигателей делают не цельнолитыми, а состоящими из тонких пластин, изолированных друг от друга электроизоляционной бумагой или слоем изоляционного лака. Благодаря этому преграждается путь распространения вихревых токов по телу проводника. Вихревые токи также способны вызвать электрическую коррозию (разрушение структуры) металла.

Электродвигатели

• Основные параметры электродвигателя
  • Момент электродвигателя
  • Мощность электродвигателя
  • Коэффициент полезного действия
  • Номинальная частота вращения
  • Момент инерции ротора
  • Номинальное напряжение
  • Электрическая постоянная времени
  • Механическая характеристика
• Сравнение характеристик электродвигателей
• Области применения электродвигателей
• Производители электродвигателей

В некоторых режимах работы электропривода электродвигатель осуществляет обратное преобразование энергии, то есть работает в режиме электрического генератора.

По виду создаваемого механического движения электродвигатели бывают вращающиеся, линейные и др. Под электродвигателем чаще всего подразумевается вращающий электродвигатель, так как он получил наибольшее применение.

Областью науки и техники изучающей электрические машины является — электромеханика. Принято считать, что ее история начинается с 1821 года, когда был создан первый электродвигатель М.Фарадея.

Конструкция электродвигателя

Основными компонентами вращающегося электродвигателя являются статор и ротор. Статор — неподвижная часть, ротор — вращающаяся часть.

У большей части электродвигателей ротор располагается внутри статора. Электродвигатели у которых ротор находится снаружи статора называются электродвигателями обращенного типа.

Принцип работы электродвигателя

Подробное описание принципа работы электродвигателей разных типов:
• Принцип работы однофазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя
• Принцип работы синхронного электродвигателя

Классификация электродвигателей

1. Указанная категория не представляет отдельный класс электродвигателей, так как устройства, входящие в рассматриваемую категорию (БДПТ, ВРД), являются комбинацией бесколлекторного двигателя, электрического преобразователя (инвертора) и, в некоторых случаях, — датчика положения ротора. В данных устройствах электрический преобразователь, в виду его невысокой сложности и небольших габаритов, обычно интегрирован в электродвигатель.
2. Вентильный двигатель может быть определен как электрический двигатель, имеющий датчик положения ротора, управляющий полупроводниковым преобразователем, осуществляющим согласованную коммутацию обмотки якоря [5].
3. Вентильный электродвигатель постоянного тока — электродвигатель постоянного тока, вентильное коммутирующее устройство которого представляет собой инвертор, управляемый либо по положению ротора, либо по фазе напряжения на обмотки якоря, либо по положению магнитного поля [1].
4. Электродвигатели используемые в БДПТ и ВРД являются двигателями переменного тока, при этом за счет наличия в данных устройствах электрического преобразователя они подключаются к сети постоянного тока.
5. Шаговый двигатель не является отдельным классом двигателя. Конструктивно он представляет из себя СДПМ, СРД или гибридный СРД-ПМ.

• КДПТ — коллекторный двигатель постоянного тока
• БДПТ — бесколлекторный двигатель постоянного тока
• ЭП — электрический преобразователь
• ДПР — датчик положения ротора
• ВРД — вентильный реактивный двигатель
• АДКР — асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
• АДФР — асинхронный двигатель с фазным ротором
• СДОВ — синхронный двигатель с обмоткой возбуждения

• СДПМ — синхронный двигатель с постоянными магнитами
• СДПМП — синхронный двигатель c поверхностной установкой постоянных магнитов
• СДПМВ — синхронный двигатель со встроенными постоянными магнитами
• СРД — синхронный реактивный двигатель
• ПМ — постоянные магниты
• ЧП — частотный преобразователь

Типы электродвигателей

Коллекторные электродвигатели

Коллекторная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором [1]. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.

Универсальный электродвигатель

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

• С постоянными магнитами

• С обмоткой возбуждения

Бесколлекторные электродвигатели

У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками, таким образом не надо путать бесколлекторные и бесщеточные электродвигатели.

Бесщеточная машина — вращающаяся электрическая машина, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов [1].

Асинхронный электродвигатель

• Однофазный
• Двухфазный

• Трехфазный

Cинхронный электродвигатель

• С обмоткой возбуждения
• С постоянными магнитами

• Реактивный
• Гистерезисный
• Реактивно-гистерезисный
• Шаговый

Специальные электродвигатели

Серводвигатель

Основные параметры электродвигателя

• Момент электродвигателя
• Мощность электродвигателя
• Коэффициент полезного действия
• Номинальная частота вращения

• Момент инерции ротора
• Номинальное напряжение
• Электрическая постоянная времени
• Механическая характеристика

Момент электродвигателя

Вращающий момент (синонимы: вращательный момент, крутящий момент, момент силы) — векторная физическая величина, равная произведению радиус вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.

,

• где M – вращающий момент, Нм,
• F – сила, Н,
• r – радиус-вектор, м

,

• где P_ном – номинальная мощность двигателя, Вт,
• n_ном — номинальная частота вращения, мин -1 [4]

Начальный пусковой момент — момент электродвигателя при пуске.

1 oz = 1/16 lb = 0,2780139 N (Н)
1 lb = 4,448222 N (Н)

момент измеряется в унция-сила на дюйм (oz∙in) или фунт-сила на дюйм (lb∙in)

1 oz∙in = 0,007062 Nm (Нм)
1 lb∙in = 0,112985 Nm (Нм)

Мощность электродвигателя

Мощность электродвигателя — это полезная механическая мощность на валу электродвигателя.

Механическая мощность

Мощность — физическая величина, показывающая какую работу механизм совершает в единицу времени.

,

• где P – мощность, Вт,
• A – работа, Дж,
• t — время, с

Работа — скалярная физическая величина, равная произведению проекции силы на направление F и пути s, проходимого точкой приложения силы [2].

,

• где s – расстояние, м

Для вращательного движения

,

• где – угол, рад,

,

• где – углавая скорость, рад/с,

Таким образом можно вычислить значение механической мощности на валу вращающегося электродвигателя

Коэффициент полезного действия электродвигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя — характеристика эффективности машины в отношении преобразования электрической энергии в механическую.

,

• где – коэффициент полезного действия электродвигателя,
• P₁ — подведенная мощность (электрическая), Вт,
• P₂ — полезная мощность (механическая), Вт

При этом потери в электродвигатели обусловлены:
• электрическими потерями — в виде тепла в результате нагрева проводников с током;
• магнитными потерями — потери на перемагничивание сердечника: потери на вихревые токи, на гистерезис и на магнитное последействие;
• механическими потерями — потери на трение в подшипниках, на вентиляцию, на щетках (при их наличии);
• дополнительными потерями — потери вызванные высшими гармониками магнитных полей, возникающих из-за зубчатого строения статора, ротора и наличия высших гармоник магнитодвижущей силы обмоток.

КПД электродвигателя может варьироваться от 10 до 99% в зависимости от типа и конструкции.

Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission) определяет требования к эффективности электродвигателей. Согласно стандарту IEC 60034-31:2010 определено четыре класса эффективности для синхронных и асинхронных электродвигателей: IE1, IE2, IE3 и IE4.

Частота вращения

• где n — частота вращения электродвигателя, об/мин

Момент инерции ротора

Момент инерции — скалярная физическая величина, являющаяся мерой инертности тела во вращательном движении вокруг оси, равна сумме произведений масс материальных точек на квадраты их расстояний от оси

,

• где J – момент инерции, кг∙м 2 ,
• m — масса, кг

1 oz∙in∙s 2 = 0,007062 kg∙m 2 (кг∙м 2 )

Момент инерции связан с моментом силы следующим соотношением

,

• где – угловое ускорение, с -2 [2]

,

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение (англ. rated voltage) — напряжение на которое спроектирована сеть или оборудование и к которому относят их рабочие характеристики [3].

Электрическая постоянная времени

Электрическая постоянная времени — это время, отсчитываемое с момента подачи постоянного напряжения на электродвигатель, за которое ток достигает уровня в 63,21% (1-1/e) от своего конечного значения.

,

• где – постоянная времени, с

Механическая характеристика

Механическая характеристика двигателя представляет собой графически выраженную зависимость частоты вращения вала от электромагнитного момента при неизменном напряжении питания.

Сравнение характеристик внешне коммутируемых электрических двигателей

Ниже представлены сравнительные характеристики внешне коммутируемых электродвигателей, в ракурсе применения в качестве тяговых электродвигателей в транспортных средствах.

Электрические машины постоянного тока

1. Устройство электрической машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора ) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой).
На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.
Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.
Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.
Рис. 1
Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

2. Принцип действия машины постоянного тока

Рассмотрим работу машины постоянного тока в режиме генератора на модели рис.2,

где 1 — полюсы индуктора, 2 — якорь, 3 — проводники, 4 — контактные щетки.
Проводники якорной обмотки расположены на поверхности якоря. Внешние поверхности проводников очищены от изоляции, а на эти поверхности проводников наложены неподвижные контактные щетки.
Контактные щетки размещены на линии геометрической нейтрали, проведенной посредине между полюсами.
Приведем якорь машины во вращение в направлении, указанном стрелкой.
Рис. 2
Определим направление ЭДС, индуктированных в проводниках якорной обмотки по правилу правой руки.

На рис.2 крестиком обозначены ЭДС, направленные от нас, точками — ЭДС, направленные к нам. Соединим проводники между собой так, чтобы ЭДС в них складывались. Для этого соединяют последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности (рис. 3)

Два проводника, соединенные последовательно, образуют один виток или одну катушку. ЭДС проводников, расположенных в зоне одного полюса, различны по величине. Наибольшая ЭДС индуктируется в проводнике, расположенном под срединой полюса, ЭДС, равная нулю, — в проводнике, расположенном на линии геометрической нейтрали.
Рис. 3
Если соединить все проводники обмотки по определенному правилу последовательно, то результирующая ЭДС якорной обмотки равна нулю, ток в обмотке отсутствует. Контактные щетки делят якорную обмотку на две параллельные ветви. В верхней параллельной ветви индуктируется ЭДС одного направления, в нижней параллельной ветви — противоположного направления. ЭДС, снимаемая контактными щетками, равна сумме электродвижущих сил проводников, расположенных между щетками.
На рис. 4 представлена схема замещения якорной обмотки.

В параллельных ветвях действуют одинаковые ЭДС, направленные встречно друг другу. При подключении к якорной обмотке сопротивления в параллельных ветвях возникают одинаковые токи , через сопротивление R_H протекает ток I_Я.
Рис. 4
ЭДС якорной обмотки пропорциональна частоте вращения якоря n₂ и магнитному потоку индуктора Ф

(1)

где С_е — константа.
В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство — коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.

3. Работа электрической машины постоянного тока
в режиме генератора

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

где U — напряжение на зажимах генератора;
R_я — сопротивление обмотки якоря.

(2)

Уравнение (2) называется основным уравнением генератора . С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы.
На рис. 5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.

Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент М_эм, препятствующий вращению якоря генератора.
Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент, возникающий по правилу Ленца.

4. Генераторы с независимым возбуждением.
Характеристики генераторов

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов.
Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис. 6.
Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться
от постоянных магнитов (рис. 7).

Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = U_хх = f (I_в) .
Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (I_я) и при постоянной частоте вращения (n₂ = const)
Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 8.
Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю.
При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально.
Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется. Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса.
Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки
U = f (I) при токе возбуждения I_в = const называют внешней характеристикой генератора.

Внешняя характеристика генератора изображена на рис. 9.

С ростом тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается из-за увеличения падения напряжения в якорной обмотке.

5. Генераторы с самовозбуждением.
Принцип самовозбуждения генератора
с параллельным возбуждением

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.
Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис. 10 изображен генератор с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат R_в. Генератор работает в режиме холостого хода.
Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.
Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.
Рис. 10
Вторым условием является согласное включение обмотки возбуждения . Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения I_в = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления R_в в цепи возбуждения.
Третьим условием является то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического . Изобразим на рис. 11 характеристику холостого хода генератора E = f (I_в) (кривая 1) и вольт — амперную характеристику сопротивления цепи возбуждения U_в = R_в·I_в, где U_в — падение напряжения в цепи возбуждения. Эта характеристика представляет собой прямую линию 2, наклоненную к оси абсцисс под углом γ (tg γ

Ток обмотки возбуждения увеличивает магнитный поток полюсов при согласном включении обмотки возбуждения. ЭДС, индуцированная в якоре, возрастает, что приводит к дальнейшему увеличению тока обмотки возбуждения, магнитного потока и ЭДС. Рост ЭДС от тока возбуждения замедляется при насыщении магнитной цепи машины.
Рис. 11

Падение напряжения в цепи возбуждения пропорционально росту тока. В точке пересечения характеристики холостого хода машины 1 с прямой 2 процесс самовозбуждения заканчивается. Машина работает в устойчивом режиме.
Если увеличим сопротивление цепи обмотки возбуждения, угол наклона прямой 2 к оси тока возрастает. Точка пересечения прямой с характеристикой холостого хода смещается к началу координат. При некотором значении сопротивления цепи возбуждения R_кр, когда
γ = γ_кр, самовозбуждение становится невозможным. При критическом сопротивлении вольт — амперная характеристика цепи возбуждения становится касательной к прямолинейной части характеристики холостого хода, а в якоре появляется небольшая ЭДС.

6. Работа электрической машины постоянного тока
в режиме двигателя. Основные уравнения

Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток I_я. При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент

где C_M — коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.
На рис. 12 изображен схематично двигатель постоянного тока, выделен проводник якорной обмотки.

Ток в проводнике направлен от нас. Направление электромагнитного вращающего момента определится по правилу левой руки. Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Эта ЭДС направлена встречно току якоря, ее называют противо-ЭДС.
Рис. 12

В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент М_эм уравновешивается противодействующим тормозным моментом М₂ механизма, приводимого во вращение.

На рис. 13 показана схема замещения якорной обмотки двигателя. ЭДС направлена встречно току якоря. В соответствии со вторым законом Кирхгофа , откуда

. (3)

Рис.13 Уравнение (3) называется основным уравнением двигателя .

Из уравнения (3) можно получить формулы:

(4)
(5)

Магнитный поток Ф зависит от тока возбуждения I_в, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы (5) видно, что частоту вращения двигателя постоянного тока n₂ можно регулировать следующими способами:

1. изменением тока возбуждения с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения;
2. изменением тока якоря с помощью реостата в цепи обмотки якоря;
3. изменением напряжения U на зажимах якорной обмотки.

Чтобы изменить направление вращения двигателя на обратное (реверсировать двигатель), необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или индуктора.

7. Механические характеристики электродвигателей
постоянного тока

Рассмотрим двигатель с параллельным возбуждением в установившемся режиме работы (рис. 14). Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке.

, откуда

(6)

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения якоря n₂ от момента на валу M₂ при U = const и I_в = const.
Уравнение (6) является уравнением механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением.
Рис. 14

Эта характеристика является жесткой. С увеличением нагрузки частота вращения такого двигателя уменьшается в небольшой степени (рис. 15).

где k — коэффициент пропорциональности.
Момент на валу двигателя пропорционален квадрату тока якоря.

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

• Справочник электрика
  • Бытовые электроприборы
  • Библиотека электрика
  • Инструмент электрика
  • Квалификационные характеристики
  • Книги электрика
  • Полезные советы электрику
  • Электричество для чайников
• Справочник электромонтажника
  • КИП и А
  • Полезная информация
  • Полезные советы
  • Пусконаладочные работы
• Основы электротехники
  • Провода и кабели
  • Программа профессионального обучения
  • Ремонт в доме
  • Экономия электроэнергии
  • Учёт электроэнергии
  • Электрика на производстве
• Ремонт электрооборудования
  • Трансформаторы и электрические машины
  • Уроки электротехники
  • Электрические аппараты
  • Эксплуатация электрооборудования
• Электромонтажные работы
  • Электрические схемы
  • Электрические измерения
  • Электрическое освещение
  • Электробезопасность
  • Электроснабжение
  • Электротехнические материалы
  • Электротехнические устройства
  • Электротехнологические установки

Принцип действия генератора постоянного тока

Принцип деяния генератора неизменного тока

На явлениях электрической индукции и электрической силы базирована работа генераторов и движков неизменного то­ка. Руководствуясь тем, что неважно какая электронная машина обра­тима, т. е. может служить в определенных критериях как генера­тором, так и движком, будем рассматривать устройство маши­ны неизменного тока независимо от ее предназначения. Основными частями машины неизменного тока служат якорь и станина, несущая электромагниты. Неподвижная часть — с т а н и н а изготовляется обычно из литой стали. С внутренней стороны на станине укреп­ляются сердечники полюсов; на концах эти сердечники снабжа­ются полюсными наконечниками («полюсными башмаками»); по­следние созданы для более равномерного рассредотачивания магнитной индукции повдоль окружности якоря. На сердечники на­деты катушки, составляющие обмотку возбуждения машины.

Машина неизменного тока 1-подшипниковые щиты, 2-станина, 4-якорь с коллектором, 5-траверса со щеткодержателями

Станина машины является замыкающей частью — ярмом магнитопровода. Не считая главных полюсов возбуждения, на ста­нине посредине меж сердечниками основных полюсов помеща­ются сердечники дополнительных полюсов, катушки которых со­единяются поочередно с якорем. Предназначение дополнитель­ных полюсов — обеспечить безыскровую работу щеток на кол­лекторе—неплохую коммутацию. Якорь (ротор) машины представляет собой цилиндрическое тело, собранное из листовой электротехнической стали, обычно шириной 0,5—1 мм. Якорь является вращающейся

частью машины; в его пазах располагается обмотка соединенная проводниками с укрепленным на валу якоря коллектором. Последний состоит из ряда медных изолированных одна от другой пластинок трапециевидного сечения, образующих цилиндрическую поверхность. Пластинки коллектора изолируются как од­на от другой, так и от вала миканитом.

Необмотанный якорь машины неизменного тока и коллектор

На коллектор опираются недвижные в пространстве комп­лекты угольных либо медных щеток, установленных в щеткодер­жателях. Таким макаром, при вращении якоря щетки сохраняют постоянное положение по отношению к полюсам машины.

В щеткодержателе щетка пружиной прижимается к коллектору. Щеткодержатели укрепляются на щеточных бол­тах и щеточной траверсе, которая связывается или с подшипни­ковым щитом машины, или с ее станиной. Траверсу можно поворачивать и тем

изменять положение всей системы щеток по отно­шению к полюсам маши­ны. Щеточные болты изо­лируются от траверсы. Через коллектор и щетки, якорь машины соеди­няется с наружной цепью.

Щетка и щеткодержатель

В машине имеются две электронные цепи: цепь якоря и цепь воз­буждения. По цепи воз­буждения пропускается неизменный ток, который, проходя через обмотку возбуждения, делает основное магнитное поле машины.

.Чтоб может быть нагляднее разъяснить получение неизменной э. д. с. с помощью машины и роль коллектора, разглядим условия работы простого кольцевого якоря машины по­стоянного тока.

Этот якорь представляет со­бой полый цилиндр, собранный из листовой электротехнической стали. Обмотка якоря обвивает полый цилиндр, образуя замкну­тый контур. Магнитный поток пронизывает сердечник якоря, минуя его внутреннюю полость.

Схема кольцевого якоря

При вращении якоря э. д. с. индуктируется исключительно в провод­никах, лежащих на внешней стороне якоря, части же обмотки, лежащие на внутренней и торцевых сторонах якоря, не участ­вуют в образовании э. д. с. и делают только роль соедини­тельных проводников. Определяя направление э. д. е., мы лицезреем, что э. д. с. в витках обмотки, передвигающихся под северным полю­сом, обратна по направлению э. д. е., индуктируемой в витках, передвигающихся под южным полюсом. Потому что устройство машины симметрично, то эти э. д. с. в замкнутой обмотке якоря взаимно уравновешиваются и никакого внутреннего тока в об­мотке не появляется. Чтоб использовать э. д. с. обмотки, можно соединить ее с наружной нагрузочной цепью средством непо­движных щеток. Место щеток следует избрать так, чтоб стопроцентно использовать э. д. е., индуктируемую обмоткой.

Щетки делят обмотку на две параллельные ветки с одина­ковыми э. д. с. В каждой из параллельных веток обмотки все э. д. с. обязаны иметь однообразное направление, в неприятном слу­чае не будет применена стопроцентно э. д. с. всех витков обмотки (в предельном случае, когда щетки поставлены под серединами полюсов, напряжение меж ними будет равно нулю). Направ­ление э. д. с. в проводниках обмотки определяется и направле­нием магнитного поля и направлением вращения якоря.

Индукция имеет наибольшее значение под серединой полюсов машины, а в точках, находящихся на полосы, перпендикулярной к оси полюсов и проходящей через центр якоря, индукция равна нулю. Рассредотачивание индукции повдоль окружности якоря находится в зависимости от магнитного сопротивления повдоль окружности машины, а это сопротивление в большой мере определяется формой полюсных наконечников.

Рассредотачивание магнитной индукции в доль окружности якоря и положение щеток вчетырехполюсной машине.

Как следует, щетки должны стоять на нейтрали.

Вследствие такового положения щеток меж ними создается неизменное напряжение, хотя э. д .с., индуктируемая в каждом из витков обмотки якоря, является переменной. Напряжение между ветвью обмотки яко­ря; такая ветвь состоит из группы поочередно соединенных, безпрерывно передвигающихся проводников; отдельные проводники один за одним перебегают из области северного полюса в область южного полюса, при всем этом направление э. д. с. в их меняется. Но в то же время положение каждой группы проводников, обра­зующей параллельную ветвь обмотки, остается постоянным по отношению к полюсам машины. Благодаря этому напряжение меж щетками машины повсевременно. Процесс переключения эле­ментов обмотки из одной параллельной ветки в другую называет­ся коммутацией.

Если заместо 2-ух полюсов машина имеет четыре полюса, то для использования ее э. д. с. при рассмат­риваемой нами обмотке кольцевого якоря пригодятся четыре щетки, ко­торые должны быть соединены меж собой попарно. Эти щетки делят обмотку на две пары параллельных веток.

Соединение обмотки якоря с наружной цепью через коллектор и щетки.

Нецелесообразно приспосабливать обмотку якоря для конкретного контакта проводников якоря со щет­ками. Лучше и надежнее, когда щет­ки скользят по специально для этого адаптированным пластинам коллек­тора, а пластинки проводниками сое­диняются с отдельными витками замкнутой обмотки якоря.

С помощью коллектора и этих соединительных проводников щетки делят обмотку якоря на параллельные ветки совсем так же, как и при конкретном контакте щеток с этой обмоткой.

Кольцевой якорь со спиральной обмоткой в текущее время не применяется, потому что при спиральной обмотке более полови­ны длины ее не участвует в образовании э. д. е., а служит только для соединения меж собой активных проводников, лежащих на наружной стороне кольцевого якоря.

Существенно лучше применена медь в обмотках относи­тельно сложного барабанного якоря. Барабанный якорь пред­ставляет собой цилиндр, собранный из листов электротехнической стали, в пазах которого только с наружной стороны барабана располагаются проводники обмотки якоря.

Машина неизменного тока обратима: если машину крутит первичный движок и магнитное поле машины возбуждено, то в якоре наводится э. д. с. и через коллектор и щетки машина отправляет неизменный ток во внешнюю цепь. В якоре этот ток, вза­имодействуя с полем машины, делает тормозящий момент, пре­одолеваемый первичным движком. В таких критериях машина работает генератором. Если же якорь и обмотка возбуждения машины включены под неизменное напряжение, то ток, проходя­щий через обмотку якоря, взаимодействуя с полем машины, со­здает крутящий момент, приводящий якорь во вращение, при всем этом в обмотке якоря наводится противо- э. д. с. В таких усло­виях машина работает в режиме мотора, превращая электри­ческую энергию в механическую.