5.1 Принцип роботи машин постійного струму
Машини постійного струму (МПТ) являють собою пристрої, пре-утворюють електричну енергію постійного струму в механічну - і назад. У першому випадку МПТ буде працювати як електродвигун, у другому - як електрогенератор. Принциповим тут є те, що конкретна конструкція МПТ може працювати і до а до д в і г а т е л ь, і до а до г е н е р а т о р. Така властивість МПТ називається принципом оборотності.
На рис.33 представлена найпростіша модель МПТ в режимі генератора. Вона складається з магнітної системи (полюсів), звичайної металевої рамки, вміщеній в межполюсние простір і обертається в ньому навколо горизонтальній осі і двох півкілець, з якими кінці рамки безперервно контактують в процесі обертання. Зі шкільної фізики відомо, що в провіднику, що рухається в магнітному полі, індукується ЕРС, напрямок якої визначається за правилом правої руки. Звертаючи долоню вгору (зустрічно ліній магнітної індукції, В) і орієнтуючи великий палець у напрямку руху горизонтальних сторін рамок, знайдемо, що у верхній стороні ЕРС спрямована до нас, а в нижній - від нас. Це означає, що верхній кінець рамки набуває знак «+», а нижній «-». Так як кінці рамок постійно змінюють положення, то на кожному кінці індукується змінна ЕРС.
Однак при наявності двох н е п о д в і ж н и х півкілець. напруга знімається ними з обертових решт. виявляється одного напрямку, так як, коли. наприклад, верхній кінець рамки змінює знак, він розмикається з верхнім півкільцем. А той кінець, який в цей момент входить з ним контакт, набуває той знак, який мав пішов кінець.
В результаті з кілець буде зніматися. так називемий. п у л ь с і р у ю щ а я ЕРС (рис.34.).
Пульсації ЕРС можна зменшити, якщо перейти до нової моделі МПТ (рис.35), де:
а) замість однієї обертається рамки і двох півкілець. використовується чотири рамки і чотири півкільця, точніше, - 4 напівкруглих пластини;
б) пластини (нерухомі півкільця) зробити рухомими, жорстко фіксованими і оберталися разом з рамками, а напруга з них знімати так званими щ е т до а м і - м'якими (гра-фітовая) контактами, нерухомими в просторі;
При обертанні такої системи провід-ників, в 1-ої і 2-ої рамках ЕРС оказива-ються спрямованими всередину креслення (жирні боку рамок ближче до читача, тонкі - далі) і за годинниковою стрілкою, а в 4-ої і 3-ої рамках- в глиб і проти годинникової стріл-ки. Іншими словами. провідники розбиваю-ться на дві групи, відповідно до їх поло-жениями щодо полюсів - перша і друга рамка знаходяться під північним полю-сом і при обертанні за годинниковою стрілкою мають одінаковонаправленние ЕРС; третя і чет-верть виявляються під південним полюсом і також мають односпрямовані ЕРС. але - протилежні першій парі.
У підсумку, при замиканні щіток на зовн навантаження, струм від щітки Q розділяється на дві частини: одна частина йде до рамки «1» і «2» - інша частина йде в рамку «4» і «3». У щітки Р вони знову зустрічаються і йдуть в зовнішній ланцюг.
Тепер, якщо подивитися які пульсації набуває в такій моделі ЕРС і струм. то виявляється наступне (рис.36):
1) ЕРС, що знімається зі щіток (верхня крива, 3). стає більше, ніж в попередньої моделі завдяки додаванню ЕРС рамок однієї групи;
2) пульсації сумарною ЕРС зменшуються в 2 рази (верхня крива, 3. Відображає пульсації сумарною ЕРС; нижні криві - пульсації ЕРС рамок 1 і 2 - в тому положенні, в якому вони зображені на рис.36
З властивостей четирехрамочні моделі МПТ видно напрямки, в якому можна вдосконалювати конструкцію МПТ:
1) збільшуючи число рамок можна збільшувати величину ЕРС, що знімається зі щіток;
2) збільшуючи число рамок і одночасно зменшуючи розмір пластин, можна як завгодно сильно зменшити пульсації (кутовий розмір пластин повинен відповідати кутовій відстані між сусідніми провідниками)
3) всі рамки повинні бути об'єднані один з одним в єдину самозамкнутая обмотку.
Історичним синтезом таких конструкційних можливостей МПТ стала машина з кільцевих якорем (мал.37, мал.38).
Якорем називається електротехнічний вузол машини, в якій індукується ЕРС. У машинах постійного струму якір є рухомий (що обертається) частиною. В машинах змінного струму ЕРС формується в обмотках нерухомого статора, який можна розглядати як нерухомий якір.
У цій конструкції, активні боку рамок, в яких при обертанні наводиться ЕРС, виходять простий навивкой довгого замкнутого провідника на «бублик» (мал.38), або феромагнітний циліндр (мал.37).
У найпростішому варіанті щітки просто притискаються до зовнішніх сторонам обмотки з протилежних сторін. При всій простоті конструкції. вона повністю відтворює принципи. закладені в попередній 4-х рамкової моделі. При обертанні кільцевого якоря в межполюсние просторі, на зовнішніх сторонах його обмотки наводяться ЕРС паралельного напрямку таким чином, що струм, впадає в лівий ковзний контакт (мал.37), розділяється на дві частини і обтікає обмотку з верхньої та нижньої сторони, знову об'єднуючись на протилежному ковзному контакті.
На внутрішній стороні кільцевого якоря боку обмоток не виробляє ЕРС через непотрапляння всередину якоря магнітного поля (в великих повітряних проміжках його величина різко знижується - магнітне поле «боїться порожнечі»; див. "Магнітні це6пі»). Тому на мал.37 про-водники зображені тільки з зовнішньої сторони, де повітряний зазор між поверхнею якоря і полюсами дуже малий.
Сучасні конструкції МПТ використовують якір б а р о б а н н о г о типу. Такий якір робиться у вигляді суцільного залізного сердечника, обмотка якого повністю лежить на зовнішній стороні. В результаті всі сторони обмотки беруть участь в створенні сумарною ЕРС і ефективність її використання значно підвищується. Приклад найпростішого барабанного якоря дан на рис.39. а схема взаємозв'язку сторін його обмотки - на рис.40.
Якщо бічну обмотку барабанного якоря на рис. 39 і рис.40 розгорнути в площині. то виявиться. що намотування якоря має петлеообразний характер (рис.41). Незважаючи на ускладнений характер взаємозв'язку сторін провідника барабанного якоря (рис.40). всі провідники, як і в попередніх моделях МПТ, розбиваються на дві групи з паралельними ЕРС (ріс.42). Так само як і в більш простих моделях, ЕРС провідників кожної групи взамно складаються один з одним і утворюють дві паралельні гілки.
Подальше вдосконалення обмоток якорів машин постійного струму має технологічний характер. Зокрема, замість зображеної на
рис.41 п е т л е в о й обмотки, застосовують в о л н о в у ю обмотку (ріс.44).
Для підвищення ефективності використання обмоток застосовують різні варіанти укладання. Технологічно, обмотка якоря укладається в пази барабана якоря (рис.45). Якщо в кожен паз укладається тільки одна її сторона, то виходить о д н о с л о м н а я обмотка - такий принцип укладання дано на рис.41. В цьому випадку для N провідників потрібно N пазів і N / 2 колекторних пластин. Однак щільність обмотки на поверхні якоря, а, отже, і величину ЕРС машини, можна збільшити, якщо в кожен паз укладати д в е її боку - один на одного (рис.45). Схема такої, д в у х з л про і зв про і обмотки, наведена на рис.43. а вид якоря - на ріс.46. В цьому випадку для укладання N провідників потрібно N / 2 пазів і N / 2 колекторних пластин - тобто щільність укладання істотно підвищується.
Існують і більш складні обмотки - з 4-ма, 6-ю сторонами в одному пазу; декількома паралельними петльовими обмотками і т.д.