Каков механизм действия генератора постоянного тока?
На явлениях электромагнитной индукции и электромагнитной силы основана работа генераторов и двигателей постоянного тока. Руководствуясь тем, что любая электрическая машина обратима, т. е. может служить в определенных условиях как генератором, так и двигателем, будем рассматривать устройство машины постоянного тока независимо от ее назначения.
Основными частями машины постоянного тока являются якорь и станина, несущая электромагниты. Неподвижная часть, станина, изготавливается обычно из литой стали. С внутренней стороны на станине укрепляются сердечники полюсов. На концах эти сердечники снабжаются полюсными наконечниками («полюсными башмаками»). Последние предназначены для более равномерного распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря. На сердечники надеты катушки, составляющие обмотку возбуждения машины.Станина машины является замыкающей частью — ярмом магнитопровода. Кроме основных полюсов возбуждения, на станине между сердечниками главных полюсов помещаются сердечники дополнительных полюсов, катушки которых соединяются последовательно с якорем. Назначение дополнительных полюсов — обеспечить безыскровую работу щеток на коллекторе, хорошую коммутацию.
Якорь (ротор) машины представляет собой цилиндрическое тело, собранное из листовой электротехнической стали, обычно толщиной 0,5—1 мм. Якорь является вращающейся частью машины, в его пазах размещается обмотка, соединенная проводниками с укрепленным на валу якоря коллектором. Последний состоит из ряда медных изолированных одна от другой пластин трапециевидного сечения, образующих цилиндрическую поверхность. Пластины коллектора изолируются как одна от другой, так и от вала миканитом.
На коллектор опираются неподвижные в пространстве комплекты угольных или медных щеток, установленных в щеткодержателях. Таким образом, при вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение по отношению к полюсам машины. В щеткодержателе щетка пружиной прижимается к коллектору. Щеткодержатели укрепляются на щеточных болтах и щеточной траверсе, которая связывается либо с подшипниковым щитом машины, либо с ее станиной. Траверсу можно поворачивать и тем самым изменять положение всей системы щеток по отношению к полюсам машины. Щеточные болты изолируются от траверсы. Через коллектор и щетки якорь машины соединяется с внешней цепью.
В машине имеются две электрические цепи: цепь якоря и цепь возбуждения. По цепи возбуждения пропускается постоянный ток, который, проходя через обмотку возбуждения, создает основное магнитное поле машины.
Чтобы возможно нагляднее объяснить получение постоянной ЭДС при помощи машины и роль коллектора, рассмотрим условия работы простейшего 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.При вращении якоря ЭДС индуктируется только в проводниках, лежащих на наружной стороне якоря. Части же обмотки, лежащие на внутренней и торцевых сторонах якоря, не участвуют в образовании ЭДС и выполняют лишь роль соединительных проводников. Определяя направление ЭДЕ, мы видим, что ЭДС в витках обмотки, движущихся под северным полюсом, противоположна по направлению ЭДЕ, индуктируемой в витках, движущихся под южным полюсом.
Так как устройство машины симметрично, то эти ЭДС в замкнутой обмотке якоря взаимно уравновешиваются и никакого внутреннего тока в обмотке не возникает. Чтобы использовать ЭДС обмотки, можно соединить ее с внешней нагрузочной цепью посредством неподвижных щеток. Место щеток следует выбрать так, чтобы полностью использовать ЭДЕ, индуктируемую обмоткой.Щетки делят обмотку на две параллельные ветви с одинаковыми ЭДС. В каждой из параллельных ветвей обмотки все ЭДС должны иметь одинаковое направление, в противном случае не будет использована полностью ЭДС всех витков обмотки (в предельном случае, когда щетки поставлены под серединами полюсов, напряжение между ними будет равно нулю). Направление ЭДС 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 линии, перпендикулярной к оси полюсов и проходящей через центр якоря, индукция равна нулю. Распределение индукции вдоль окружности якоря зависит от магнитного сопротивления вдоль окружности машины, а это сопротивление в большой мере определяется формой полюсных наконечников. Следовательно, щетки должны стоять на нейтрали.
Вследствие такого положения щеток между ними создается постоянное напряжение, хотя ЭДС, индуктируемая в каждом из витков обмотки якоря, является переменной. Напряжение между ветвью обмотки якоря; такая ветвь состоит из группы последовательно соединенных, непрерывно движущихся проводников; отдельные проводники один за другим переходят из области северного полюса в область южного полюса, при этом направление ЭДС в них изменяется.
Но в то же время положение каждой группы проводников, образующей параллельную ветвь обмотки, остается неизменным по отношению к полюсам машины. Благодаря этому напряжение между щетками машины постоянно. Процесс переключения элементов обмотки из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией.
Если вместо двух полюсов машина имеет четыре полюса, то для использования ее ЭДС при рассматриваемой нами обмотке кольцевого якоря понадобятся четыре щетки, которые должны быть соединены между собой попарно. Эти щетки разделяют обмотку на две пары параллельных ветвей.
Нецелесообразно приспосабливать обмотку якоря для непосредственного контакта проводников якоря со щетками. Лучше и надежнее, когда щетки скользят по специально для этого приспособленным пластинам коллектора, а пластины проводниками соединяются с отдельными витками замкнутой обмотки якоря.
При помощи коллектора и этих соединительных проводников щетки делят обмотку якоря на параллельные ветви совершенно так же, как и при непосредственном контакте щеток с этой обмоткой.
http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=oU04LwjbsNI
Кольцевой якорь со спиральной обмоткой в настоящее время не применяется, так как при спиральной обмотке более половины длины ее не участвует в образовании ЭДЕ, а служит лишь для соединения между собой активных проводников, лежащих на внешней стороне кольцевого якоря.
Значительно лучше использована медь в обмотках относительно сложного барабанного якоря. Барабанный якорь представляет собой цилиндр, собранный из листов электротехнической стали, в пазах которого только с внешней стороны барабана размещаются проводники обмотки якоря.
Машина постоянного тока обратима: если машину вращает первичный двигатель и магнитное поле машины возбуждено, то в якоре наводится ЭДС и через коллектор и щетки машина посылает постоянный ток во внешнюю цепь. В якоре этот ток, взаимодействуя с полем машины, создает тормозящий момент, преодолеваемый первичным двигателем. В таких условиях машина работает генератором.
http://fazaa.ru/www.youtube.com/watch?v=xAjwFnlxfAE
Если же якорь и обмотка возбуждения машины включены под постоянное напряжение, то ток, проходящий через обмотку якоря, взаимодействуя с полем машины, создает вращающий момент, приводящий якорь во вращение, при этом в обмотке якоря наводится анти ЭДС. В таких условиях машина работает в режиме двигателя, превращая электрическую энергию в механическую.