Принцип действия и устройство генератора постоянного тока

Простейшим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле полюсов N и S (см. изо). В таком витке индуктируется переменная во времени эдс.
Поэтому при соединении концов витка с контактными кольцами, вращающимися вместе с витком, в нагрузке через неподвижные щетки протекает переменный ток, т. е. такая машина является генератором переменного тока.

Для преобразования переменного тока в постоянный применяют коллектор, принцип действия которого состоит в следующем. Концы витка 1 (изо) присоединены к двум медным полукольцам (сегментам), называемым коллекторными пластинами.
Пластины жестко укреплены на валу машины и изолированы как друг от друга, так и от вала. На пластинах помещены неподвижные щетки 2 и 3, электрически соединенные с приемником энергии.

Генератор постоянного тока: схема устройства 1 - виток, 2, 3 - щетки, 4 - коллекторные пластины	Генератор постоянного тока: общий вид

При вращении витка коллекторные пластины также вращаются, вместе с валом машины и каждая из неподвижных щеток 2 и 3 соприкасается то с одной, то с другой пластиной.
Щетки на коллекторе, установлены так, чтобы они переходили с одной пластины на другую в тот момент, когда эдс, индуктируемая в витке, была равна нулю.
В этом случае при вращении якоря в витке индуктируется переменная эдс, изменяющаяся синусоидально при равномерном распределении магнитного поля, но каждая из щеток соприкасается с той коллекторной пластиной и соответственно с тем из проводников, который в данный момент находится под полюсом определенной полярности.
Следовательно, эдс на щетках 2 и 3 знака не меняет, и ток по внешнему участку замкнутой электрической цепи проходит в одном направлении от щетки 2 через сопротивление R к щетке 3. Однако несмотря на неизменность направления эдс во внешней цепи величина ее меняется во времени, т. е. получена не постоянная, а пульсирующая эдс. Ток во внешней цепи будет также пульсирующим.
Если поместить на якоре два витка под углом 90° один к другому и концы этих витков соединить с четырьмя коллекторными пластинами, то пульсация эдс и тока во внешней цепи значительно уменьшится. При увеличении числа коллекторных пластин пульсация быстро уменьшается и при большом числе коллекторных пластин эдс и ток практически постоянны.

На изо, б показан общий вид машины постоянного тока. Неподвижная часть является индуктирующей, т. е. создающей магнитное поле, а вращающаяся часть - индуктируемой (якорем).
Неподвижная часть машины (изо, а) состоит из главных полюсов 1, дополнительных полюсов 2 и станины 3. Главный полюс представляет собой электромагнит, создающий магнитный поток.

Устройство статора машины постоянного тока: а - схема статора, б - схема главного полюса; 1 - главные полюсы, 2 - дополнительные полюсы, 3 - станина, 4 - сердечиик, 5 - болт, 6 - обмотка возбуждения, 7 - полюсный наконечник

Он состоит из сердечника 4, обмотки возбуждения 6 и полюсного наконечника 7. Полюсы крепятся на станине 3 с помощью болта 5.
Сердечник полюса отливается из стали и имеет поперечное сечение овальной формы. На сердечнике полюса помещена катушка обмотки возбуждения, намотанная из изолированного медного провода. Катушки всех полюсов соединяются последовательно, образуя обмотку возбуждения.

Ток, проходящий по обмотке возбуждения, создает магнитный поток. Полюсный наконечник удерживает обмотку возбуждения на полюсе и обеспечивает равномерное распределение магнитного поля под полюсом.
Полюсному наконечнику придают такую форму, при которой воздушный зазор между полюсами и якорем одинаков по всей длине полюсной дуги.

Добавочные полюсы имеют также сердечник и обмотку. Добавочные полюсы расположены между главными полюсами, и число их может быть либо равным числу главных полюсов, либо вдвое меньшим. Добавочные полюсы устанавливают в машинах больших мощностей; они служат для устранения искрения под щетками.

В машинах малых мощностей добавочных полюсов обычно нет.
Станину отливают из стали; она является остовом машины. На станине крепят главные и добавочные полюсы, а также на торцовых сторонах ее - боковые щиты с подшипниками, удерживающими вал машины.

Якорь машины постоянного тока:
а) - общий вид, б) - щетка и щеткодержатель;
1 - сердечник, 2 - обмотка, 3 - коллектор, 4 - щетка, 5 - пружина

Вращающаяся часть машины (якорь) (изо, а) состоит из сердечника 1, обмотки 2 и коллектора 3. Сердечник якоря представляет собой цилиндр, собранный из листов электротехнической стали. Листы изолируются друг от друга лаком или бумагой для уменьшения потерь на вихревые токи. Стальные листы штампуют на станках по шаблону; они имеют пазы, в которых укладываются проводники обмотки якоря.

В теле якоря делают воздушные каналы для охлаждения обмотки и его сердечника. Обмотка тщательно изолируется от сердечника и закрепляется в пазах деревянными клиньями.
Лобовые соединения укрепляются стальными бандажами. Все секции обмотки, помещенные на якоре, включаются между собой последовательно, образуя замкнутую цепь, и присоединяются к коллекторным пластинам.

Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из отдельных пластин. Коллекторные пластины изготовляют из твердотянутой меди и изолируют между собой и от корпуса прокладками из миканита. Для крепления на втулке коллекторным пластинам придают форму «ласточкина хвоста», который зажимается между выступом на втулке и шайбой, имеющими форму, соответствующую форме пластины. Шайба крепится к втулке болтами.

Коллектор является наиболее сложной в конструктивном отношении и наиболее ответственной в работе частью машины. Поверхность коллектора должна быть строго цилиндрической во избежание биения и искрения щеток.

Для соединения обмотки якоря с внешней цепью на коллекторе помещают неподвижные щетки, которые могут быть графитными, угольно-графитными или бронзо-графитными. В машинах высокого напряжения применяют графитные щетки, имеющие большое переходное сопротивление между щеткой и коллектором, в машинах низкого напряжения — бронзо-графитные щетки.

Щетки помещают в особых щеткодержателях (изо, б). Щетка 4, помещенная в обойме щёткодержателя, прижимается пружиной 5 к коллектору.
На щеткодержателе может находиться несколько щеток, вкл параллельно.
Щеткодержатели помещаются на щеточных болтах-пальцах, которые, в свою очередь, закреплены на траверсе.
Щеточные пальцы изолируются от траверсы изоляционными шайбами и втулками. Число щеткодержателей обычно равно числу полюсов.

Траверса устанавливается на подшипниковом щите в машинах малой и средней мощности или прикрепляется к станине в большой мощности. Траверсу можно поворачивать и этим изменять положение щеток относительно полюсов.

Обычно траверса находится в таком положении, при котором расположение щеток в пространстве совпадает с расположен главных полюсов.