1. Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного тока обратима.

Машина постоянного тока образуется из синхронной обращённой конструкции, если её якорь снабдить коллектором, который в генераторном режиме играет роль выпрямителя, а в двигательном — преобразователя частоты. Благодаря наличию коллектора по обмотке якоря проходит переменный ток, а во внешней цепи, связанной с якорем, —постоянный.

Электродвигатель

Электродвигатели постоянного тока стоят почти на каждом автомобиле, это стартер, электропривод стеклоочистителя, вентилятор «печки» и др.

В роли индуктора выступает статор, на котором расположена обмотка. На неё подаётся постоянный ток, в результате чего вокруг неё создаётся постоянное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из проводников, запитанных через коллектор. В результате на них действуют пары сил Ампера, которые вызывают вращающий момент. Направление сил определяется по правилу «буравчика». Однако этот вращающий момент способен повернуть ротор только на 180 градусов, после чего он остановится. Чтобы это предотвратить, используется щёточно-коллекторный узел, выполняющий роль переключателя полюсов и датчика положения ротора (ДПР).

Генератор

В генераторе индуктором также является статор, создающий постоянное магнитное поле между соответствующими полюсами. При вращении ротора, в проводниках обмотки якоря, перемещающихся в магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Переменная ЭДС обмотки якоря выпрямляется с помощью коллектора, через неподвижные щетки, посредством которых обмотка соединяется с внешней сетью.

Генератор постоянного тока представляет собой электрическую машину, преобразующую механическую энергию вращающего ее первичного двигателя в электрическую энергию постоянного тока (генератор) или электрическую энергию постоянного тока в механическую (двигатель).

Электромагниты генератора постоянного тока состоят из стальных полюсных сердечников, привернутых болтами к станине. Станина генератора отливается из стали. У машин очень малой мощности станина отливается вместе с полюсными сердечниками. В остальных случаях сердечники полюсов набираются из отдельных листов электротехнической стали. На сердечники надеваются катушки, изготовленные из медной изолированной проволоки. Пропущенный через обмотку возбуждения (электромагнитов) постоянный ток создает магнитный поток полюсов. Для лучшего распределения магнитного потока в воздушном зазоре к ярму прикрепляют полюсы с наконечниками, собранные из отдельных стальных листов. В подавляющем большинстве случаев полюс штампуется вместе с полюсным наконечником.

Якорь имеет форму цилиндра и набирается из отдельных штампованных листов электротехнической стали. Листы изолированы друг от друга слоем лака или тонкой бумаги. Впадины, выштампованные по окружности каждого листа, при сборке якоря и сжатии листов образуют пазы, куда укладываются изолированные проводники обмотки якоря.

Одно целое с якорем составляет коллектор.

Он служит для того, чтобы путем переключения проводов обмотки якоря получать на полюсах генераторов постоянную электродвижущую силу, в то время как в обмотке якоря наводится переменная электродвижущая сила. Показан якорь машины постоянного тока вместе с коллектором.

В пазах якоря размещаются проводники обмотки, концы ко торых припаиваются к вилкообразным выступам (носящим название «петушков»), которыми заканчиваются со стороны об мотки якоря пластины коллектора. Коллектор представляет собой полую втулку, на которой укреплены медные пластины клинообразного сечения, изолированные друг от друга и от втулки коллектора прокладками из миканита (изделие из слюды).

2. Классификация обмоток.

В современных машинах постоянного тока якорная обмотка укладывается в пазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки называются барабанными. Основным элементом обмотки якоря является секция. Секция состоит из одного или нескольких витков и присоединяется своими концами к коллекторным пластинам. Между собой секции соединяются последовательно, образуя замкнутую обмотку.

В зависимости от внешнего очертания схемы соединения секций обмотки якоря подразделяются на петлевые и волновые (рис. 6.2).

Для удобного расположения лобовых частей секции выполняются в двух плоскостях так, что одна сторона секции располагается в верхней части паза, а другая - в нижней, аналогично секциям обмоток машин переменного тока (рис. 3.1). Такие обмотки называются двухслойными.

При построении схемы обмотки якоря используют ее плоское изображение, когда якорь разделен по осевой линии и развернут (рис. 6.3). Стороны секции, расположенной в верхней части паза, обозначаются сплошной линией, а в нижней - пунктирной. Будем предполагать, что такой якорь движется относительно неподвижных полюсов справа налево, а полюсы находятся перед плоскостью чертежа. При этом ЭДС в проводниках будет направлена вниз под северным полюсом и вверх - под южным. Индуцируемая ЭДС секции максимальна, если ширина секции равна полюсному делению , , так как в этом случае секция сцеплена с полным потоком полюса. Шаг секции обычно выражается в зубцовых или пазовых делениях, целое число.

6. Искрение. Коммутация.

Коллектор и щетки машины постоянного тока образуют скользящий контакт, через который осуществляется связь между вращающейся обмоткой якоря и неподвижной внешней электрической цепью машины. При работе электрической машины снятие тока с коллектора или подвод тока к нему из сети обычно сопровождается определенным искрением под щетками и на коллекторе. Причины этого искрения могут быть механическими , которые имеют место из-за вибрации, изменения геометрической формы коллектора (эллиптичности), плохой стяжки пластин, шероховатости его поверхности и из-за выступания слюдяных изолирующих прокладок над пластинами. или коммутационными. Коммутацией в электрических машинах называется вся совокупность явлений при изменении направления тока в секциях обмотки якоря во время замыкания щетками этих секций накоротко. Для токов коммутируемой секции согласно первому закону Кирхгофа можно написать следующие уравнения:

По сравнению с сопротивлением щёточного контакта активное сопротивление провода коммутируемой секции мало, поэтому при анализе им можно пренебречь. Сопротивление щеточного контакта под первой коллекторной пластиной обозначим r₁, под второй — r₂. Согласно второму закону Кирхгофа для короткозамкнутой секции , где

ΣЕ — сумма ЭДС, наведенных в коммутируемой секции. Подставляя (2.14) в (2.15), получаем выражение для тока коммутируемой секции

I = I_Л + I_Д, где I_{Л ­}– линейная составляющая тока коммутации, I_Д – добавочная составляющая, состоящая из суммы ЭДС и сопротивлением контура коммутируемой секции

Причины искрения могут быть механическими и электрическими. Основная механическая причина искрения – это ухудшение контакта между коллектором и щетками.

Электрической причиной является неудовлетворительная коммутация. Коммутацией в электрических машинах называется совокупность явлений происходящих при изменении направления тока в секциях обмотки якоря во время замыкания щетками этой секции накоротко.

Время, в течение которого секция обмотки вращающегося якоря замкнута щеткой накоротко, называется периодом коммутации:

,