Перш ніж розглядати обмотки якорів, необхідно звернути увагу на наступне. Завдяки полюсним наконечником магнітна індукція в повітряному зазорі розподіляється приблизно по трапецеидальному закону (рис. 9.2, а і б). У поверхні якоря при # 945; = 0 магнітна індукція В = 0; зі збільшенням # 945; магнітна індукція спочатку зростає, під більшою частиною північного полюса має постійне значення, а при # 945; = 180 ° зменшується до нуля. У межах від # 945; = 180 ° до 360 ° магнітна індукція змінюється по такому ж закону, але умовно вважається негативною.
Напрямок ЕРС провідника, що знаходиться в пазу муздрамтеатру якоря, визначається за правилом правої руки, а її значення В - за формулою
де В - магнітна індукція, Тл; l - довжина провідника, м; v - швидкість переміщення провідника, м / с.
Очевидно, при v = const ЕПР
kB і графік В (# 945;) в іншому масштабі являє собою графікeпр (# 945;). Зміна знака ЕРС eпр означає зміну її напрямки в порівнянні з позитивним напрямком, показаним на рис. 9.2, а.
Якщо в пазах, які перебувають під північним полюсом, є кілька провідників, то ЕРС всіх провідників матимуть, очевидно, одне і те ж напрямок; у всіх провідниках якоря біля південного полюса ЕРС будуть спрямовані в протилежну сторону.
Пристрій обмоток якорів. Обмотки якорів машин постійного струму складаються з окремих секцій, що мають однакові числа витків. Кожна секція розміщується в двох пазах магнітопроводу якоря, що знаходяться під різними полюсами. Частина секції, розташована в одному пазу, називається секційної стороною. Висновки кожної секції приєднуються до двох колекторним пластин, до кожної з яких приєднується ще по одному висновку від інших секцій.
Мал. 9 2. До питання розподілу магнітної індукції в повітряному зазорі і характер зміни ЕРС провідника
Мал. 9.3. Секція петлевий обмотки якоря
Мал. 9 4. Секція хвильової обмотки якоря
Залежно від номінальних значень потужності, напруги і частоти обертання знаходять застосування різні типи обмоток якорів. Найпростішими з них є петлевая і хвильова обмотки. Двохвитковий секції зазначених обмоток показані відповідно на рис. 9.3 і 9.4. Петльова і хвильова обмотки відрізняються порядком з'єднання з колекторними пластинами і один з одним.
На рис. 9.5 приведений ескіз спрощеної машини постійного струму, що має найпростішу обмотку якоря, що складається всього з чотирьох секцій, кожна з яких має по одному витку; секції розміщені в пазах 1-4 муздрамтеатру якоря.
Для зручності виготовлення і монтажу обмотки в кожному пазу розміщують зазвичай в два шари секційні боку, що належать двом секціях. Секційні сторони, що перебувають у верхньому шарі, позначені на рис. 9.5 тими ж цифрами 1-4, що і пази; що знаходяться в нижньому шарі - цифрами 1 '- 4'.
Рис 9.5. Ескіз спрощеної машини постійного струму
Мал. 9.6. Розгорнута схема обмотки якоря
Мал. 9.7. Спрощена схема обмотки якоря
На рис. 9.6 дана розгорнута на площину схема розглянутої обмотки, а на рис. 9.7 - більш просте її зображення, на якому секції обмотки замінені котушками.
Як неважко встановити за наведеними малюнків, розглянута обмотка виявляється замкнутою, що є характерним і для інших обмоток якорів машин постійного струму.
При зазначеному на рис. 9.5 - 9.7 положенні обмотки і колектора щітки ділять обмотку на дві паралельні гілки:
1) щітка Щ2, колекторна пластина I. секція 1-3 ', колекторна пластина II. секція 2-4 ', колекторна пластина III, щітка Щ1;
2) щітка Щ2, колекторна пластина I, секція 2'4, колекторна пластина IV, секція 1 '- 3, колекторна пластина III, щітка Щ1.
Як видно, кожна паралельно з'єднана гілка містить по дві секції з однаковим напрямком ЕРС. Очевидно, ЕРС між щітками дорівнює ЕРС будь-якої паралельної гілки, т. Е.
В даному положенні якоря е = епар = 2ес.
При цьому щітка Щ2 має менший потенціал, ніж щітка Щ1, ЕРС е спрямована від Щ2 до Щ1.
За допомогою наведених малюнків можна встановити, що при обертанні якоря відбувається наступне: секції по черзі переходять з однієї паралельної гілки в іншу, що супроводжується зміною напрямку ЕРС в секціях на протилежне; в процесі переходу в іншу паралельну гілку секції на короткий час замикаються щітками накоротко, однак ЕРС в цьому випадку в секцію не индуктируется, так як секції знаходяться при цьому на лінії ab (див. рис. 9.5), де магнітна індукція B = 0; число секцій в паралельних гілках в розглянутій машині змінюється від 1 до 2. внаслідок чого змінюється і значення ЕРС між щітками; напрямок ЕРС між щітками залишається постійним.
Наприклад, коли із зазначеного на рис. 9.5 - 9.7 положення повернути якір на 45 °, то в першій паралельної гілки осту-нется секція 1-3 ', в другій - секція 1' - 3; секції 2 - 4 'і 2' - 4 будуть замкнуті щітками накоротко; ЕРС між щітками буде е '= е'пар = ес.
У більшості випадків якір машин постійного струму має не чотири паза, в які закладається обмотка якоря, не чотири секції і колекторні пластини, а значно більше їх число; крім того, секції складаються зазвичай з декількох витків. Внаслідок цього виявляється можливим отримати набагато більшу ЕРС між щітками, а значення ЕРС при обертанні якоря залишається практично незмінним.
Слід зауважити, що значення ЕРС між щітками залежить від місця розташування останніх. Для отримання найбільшої ЕРС щітки слід встановлювати таким чином, щоб ЕРС всіх секцій в межах однієї паралельної гілки були спрямовані в одну і ту ж сторону (див. Рис. 9.7). Цій умові задовольняє установка щіток на геометричної нейтрали, під якою розуміють лінію, що проходить через вісь машини і ті точки поверхні якоря, де магнітна індукція поля головних полюсів дорівнює нулю. Геометрична нейтраль двополюсної машини розташована перпендикулярно осі головних полюсів. На рис. 9.5 це лінія ab. Слід врахувати, що вираз «установка щіток на геометричної нейтрали» є умовним і насправді означає, що щітки повинні розташовуватися в такому місці, щоб вони замикали накоротко секції, що знаходяться на геометричної нейтрали.
При зсуві щіток з геометричної нейтрали ЕРС між щітками зменшується, так як в паралельно з'єднаних гілках з'являються секції з протилежними напрямками ЕРС. Наприклад, якщо щітки машини, обмотка якій зображена на рис. 9.7, встановити на колекторні пластини II і IV. то ЕРС між щітками буде дорівнює нулю.
Принцип дії генератора. Припустимо, що якір машини (див. Рис. 9.5) обертається за допомогою якогось двигуна в напрямку стрілки. Якщо щітки генератора з'єднати з будь-яким приймачем r. то під дією ЕРС генератора в обмотці якоря і приймача з'явиться струм, приймач почне споживати електричну енергію, а машина буде її віддавати, т. е. буде працювати як генератор. Природно, що електрична енергія, що виробляється генератором, перетвориться з механічної енергії двигуна, що обертає якір генератора.
Напрямок струму в провідниках обмотки якоря генератора збігається, звичайно, з напрямком ЕРС провідників і при обертанні якоря змінюється. Однак за допомогою колектора змінюється по напрямку ток провідників перетвориться в незмінні у напрямку струми паралельних гілок iпар і ток зовнішньої ланцюга I я. званий струмом якоря. Відповідно до першого закону Кірхгофа для розглянутого генератора I я = 2iпар. Машини постійного струму можуть мати число паралельних гілок більше двох. Позначивши в загальному випадку число паралельних гілок 2а, отримаємо
Якщо скористатися правилом лівої руки, неважко встановити, що генератор розвиває електромагнітний момент, спрямований проти напрямку обертання, т. Е. Є гальмівним.
Зміна полярності щіток і, отже, направ-лений ЕРС, напруги та струму в зовнішньому ланцюзі генератора можливо зробити одним з двох способів:
1) зміною напрямку магнітного поля головних полюсів, що здійснюється зміною напрямку струму обмотки збудження, що розташовується на головних полюсах;
2) зміною напрямку обертання якоря генератора за допомогою приводного двигуна.
Зазвичай використовується перший спосіб.
Принцип дії двигуна. Припустимо, що якір тієї ж машини (див. Рис. 9.5) нерухомий. Якщо від джерела постійного струму підвести до якоря двигуна напруга, наприклад зазначеної на рис. 9.5 полярності, то у зовнішній ланцюга і в обмотці якоря виникнуть струми, напрямок яких буде протилежним зазначеним на малюнку. За допомогою правила лівої руки можна встановити, що на якір буде діяти обертовий електромагнітний момент і якір почне обертатися проти годинникової стрілки. При обертанні в обмотці якоря виникне ЕРС, яка згідно з правилом правої руки буде спрямована, як зазначено на рис. 9.5, т. Е. Проти струму двигуна. Протилежні напрямки струму і ЕРС говорять про те, що в машині відбувається перетворення електричної енергії в механічну. Двигун розженеться до такої частоти обертання, при якій його момент стане рівним моменту, зумовленого навантаженням.
Говорячи про принцип дії двигуна, не можна не зупинитися на призначення колектора в цьому випадку. Колектор необхідний для того, щоб незмінний у напрямку струм зовнішньої ланцюга перетворювати в змінюється у напрямку струм в провідниках обмотки якоря при його обертанні. Тільки завдяки колектору ток всіх провідників, що знаходяться під одним полюсом, має один і той же напрямок. Внаслідок цього залишається незмінним і напрямок крутного моменту, що розвивається двигуном.
Для зміни напрямку обертання двигуна необхідно змінити напрямок розвиває їм крутного моменту. Це можна зробити одним з двох способів:
1. зміною полярності напруги, що підводиться до якоря двигуна і, отже, напрямку струму якоря;
2. зміною напрямку магнітного потоку головних полюсів.
Зазвичай використовується перший спосіб.
Розглянувши принципи дії генератора і двигуна, можна зробити висновок про те, що машини постійного струму оборотні. Це означає, що за певних умов генератори можуть працювати в якості двигунів і навпаки. Можливість двигунів працювати як генератори і. отже, розвивати гальмуючий момент широко використовується на практиці (див. § 9.19).