Устройство и принцип действия машины постоянного тока с кольцевым якорем

Машина постоянного тока с кольцевым якорем, созданная в конце прошлого века Граммом, в настоящее время не применяется, но она чрезвычайно удобна для выяснения устройства и принципа действия современных машин.

Основными частями этой машины являются статор, ротор и коллекторное устройство.

Статор (неподвижная часть машины) имеет вид полого стального цилиндра. На его внутренней поверхности укреплены два полюса с обмотками возбуждения (рис. 7.2.1).

Рис. 7.2.1.

Ротор (вращающаяся часть машины) представляет собой стальное кольцо, плотно обмотанное по спирали изолированным проводом (рис. 7.2.2).

Рис. 7.2.2.

Ротор в машинах постоянного тока обычно называется якорем.

Коллекторное устройство состоит из медных изолированных друг от друга и от вала машины пластин, расположенных по цилиндрической поверхности (рис. 7.2.3).

Рис. 7.2.3.

Пластины коллектора соединяются с обмоткой якоря. На внешнюю поверхность коллектора накладывают медно-графитовые щетки. Коллектор закрепляется на валу якоря и вращается вместе с ним. Полная схема машины с кольцевым якорем показана на рисунке 7.2.4 (для упрощения рисунка щетки наложены непосредственно на проводники якорной обмотки).

Рис. 7.2.4.

Из рисунка видно, что магнитная цепь машины образована корпусом статора, сердечниками полюсов и сердечником якоря. Между сердечником якоря и полюсными наконечниками существует равномерный воздушный зазор.

Линия, перпендикулярная к оси магнитных полюсов, называется геометрической нейтралью. В точках поверхности якоря, через которые проходит геометрическая нейтраль, значение нормальной составляющей магнитной индукции В равно нулю. Распределение магнитной индукции по поверхности якоря для двухполюсной машины представлено на рисунке 7.2.5.

Рис. 7.2.5.

При вращении якоря проводники, расположенные на наружной поверхности сердечника якоря, пересекают линии магнитной индукции и в них индуцируется ЭДС Е. Эти проводники называются активными проводниками в отличие от проводников, расположенных внутри сердечника, которые не пересекают линии магнитной индукции и только обеспечивают последовательное соединение активных проводников обмотки. На рисунке 7.2.5 активные проводники для большей наглядности изображены в виде сечений большого диаметра, что позволяет в каждом сечении отметить направление ЭДС индукции значками © и О.

Применяя правило правой руки, найдем направления действия ЭДС в проводниках, находящихся в зоне северного и южного полюсов возбуждения. Из рисунка видно, что эти направления противоположны. Учитывая, что обмотка якоря симметрична, сумма ЭДС в замкнутом контуре обмотки якоря равна нулю. В проводниках, расположенных на геометрической нейтрали, ЭДС не наводится (в этих местах проводники не пересекают линий магнитной индукции).

Допустим, что мы зачистили изоляцию якорной обмотки и наложили на нее щетки по линии геометрической нейтрали. Тогда замкнутая обмотка якоря относительно щеток распадается на две параллельные ветви. При вращении якоря витки обмотки непрерывно переходят из зоны действия одного полюса в зону действия другого. Направление действия ЭДС в каждом проводнике (витке) меняется на противоположное, но направление действия ЭДС Е всей параллельной ветви сохраняется (рис. 7.2.6).

Рис. 7.2.6.

Сохраняется и ее величина, равная сумме ЭДС витков, соединенных последовательно:

Напряжение на щетках (при отсутствии внешней цепи) будет равно ЭДС одной параллельной ветви. Поскольку обмотка выполняется симметричной, то ЭДС параллельных ветвей равны между собой.

Число параллельных цепей в обмотке якоря зависит от числа полюсов в машине. Например, в четырехполюсной машине обмотка якоря имеет четыре параллельные цепи и две пары щеток. Щетки одинаковой полярности соединяются между собой.

Практически нецелесообразно накладывать щетки на защищенную обмотку якоря, так как будет быстрый износ и щеток, и обмотки. Поэтому каждый виток обмотки, как уже отмечалось, соединяют с коллекторной пластиной, а щетки накладывают на коллектор, который имеет очень гладкую цилиндрическую поверхность, обеспечивающую долговременную работу щеток. Соединение коллекторных пластин схематически показано на рисунке 7.2.7.

Рис. 7.2.7.

Следует обратить внимание на роль коллектора у машины, работающей в режиме генератора. Благодаря коллектору напряжение на зажимах генератора сохраняется по знаку, несмотря на то что ЭДС в каждом витке дважды изменяется за время одного оборота якоря. Таким образом, коллектор является механическим выпрямителем.

При подключении к генератору некоторого сопротивления нагрузки в цепи якоря возникает ток. Обе ЭДС относительно нагрузки будут действовать согласованно, и ток нагрузки равен сумме токов параллельных ветвей. Направления токов в проводниках якорной обмотки при вращении как в зоне северного, так и южного полюсов, сохраняются неизменными. Поэтому и направление действия электромагнитного момента при вращении якоря также сохраняется. У генератора этот момент будет противодействующим.

Если на щетки якоря подать напряжение, то в обмотке якоря возникнет ток и якорь под влиянием электромагнитных сил придет во вращение. При вращении якоря направления токов в проводниках, находящихся как в зоне северного, так и южного полюсов, опять будут сохраняться. Неизменными будут направление электромагнитных сил в зоне каждого полюса и направление действия электромагнитного момента. Но теперь электромагнитный момент становится вращающим и электрическая энергия будет преобразовываться в механическую.