§ 124. Назначение коллектора в генераторах постоянного тока. Устройство коллектора
При вращении якоря в магнитном поле полюсов в проводниках его обмотки индуктируется э.д.с., переменная по величине и направлению. Если концы одного витка припаять к двум медным кольцам, ка кольца наложить щетки, соединенные с внешней сетью, то при вращении витка в магнитном поле, как показано на рис. 293, в замкнутой цепи потечет переменный электрический ток.
Рис. 293. Получение и использование переменного тока
Если же концы витка присоединить к двум медным полукольцам а и б, изолированным друг от друга и называемым пластинами коллектора, и наложить на них щетки, то при вращении витка в магнитном поле, как показано на рис. 294, в витке будет по-прежнему индуктироваться переменная э.д.с. Однако во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине ток постоянного направления (пульсирующий ток). Для уяснения этого обратимся к рис. 294. Начало витка Н припаяно к коллекторной пластине а, конец витка К к пластине б. К коллекторным пластинам прижаты две неподвижные щетки, соединенные с внешней сетью.
Рис. 294. Применение коллектора для выпрямления тока
Учитывая направление вращения якоря, определяем направление э.д.с. в витке по правилу «правой руки».
Ток в данном положении направлен от начала витка к концу его. Через правую щетку ток пойдет во внешнюю цепь. Поэтому эту щетку можно назвать положительной. Пройдя сопротивление внешней цепи, ток притекает к левой щетке генератора, которую можно назвать отрицательной.
На рис. 294, б показано положение вращающегося витка, повернутого на 180° относительно его положения на рис. 294, а.
Определяя направление э. д. с, индуктированной в витке, находим, что ток теперь направлен от конца витка к его началу. Если бы коллекторная пластина а по-прежнему соприкасалась с левой щеткой, а пластина б — с правой щеткой, то изменение направления тока в витке вызвало бы перемену тока во внешней цепи. Но этого теперь не случится, так как изменение направления тока в витке после перехода его через нейтральную линию совпадает с таким моментом, когда под правую щетку подошла пластина а и под левую щетку — пластина б.
Сравнивая первое и второе положения, легко убедиться, что в обоих случаях ток витка во внешнюю сеть притекает от правой, положительной щетки и возвращается из сети к левой, отрицательной щетке. Во внешней сети направление тока не меняется. Однако так как виток занимает различные положения в магнитном поле, то э.д.с., наводимая в витке, а вместе с ней и ток во внешней сети будут меняться по величине.
Такой ток постоянного направления и переменной величины называется пульсирующим.
Для увеличения э.д.с. генератора и получения на зажимах напряжения, постоянного не только по направлению, но и по величине, якорную обмотку выполняют из нескольких катушек, каждая из которых состоит из большого числа витков.
Коллектор в машинах постоянного тока также состоит из нескольких изолированных друг от друга медных пластин, соединенных с отдельными частями якоря.
Как указывалось выше, коллектор в генераторах постоянного тока служит для выпрямления переменной э.д.с., индуктируемой в обмотке якоря, в постоянное напряжение на щетках генератора.
Коллектор, показанный на рис. 295, состоит из пластин твердо-тянутой меди. Между пластинами коллектора прокладываются листочки из миканита (слюды) толщиной 0,5-1 мм. Пластины коллектора имеют выступ, напоминающий форму ласточкина хвоста. На вал со стороны якоря надевают изолирующую втулку, которая своим коническим выступом входит в прорезь ласточкина хвоста. С другой стороны коллекторные пластины удерживаются нажимным изолирующим диском, выступы которого также заходят в прорези ласточкина хвоста. Чтобы коллекторные пластины не рассыпались, втулка и нажимной диск стягиваются болтами.
Рис. 295. Разрез коллектора: 1 — корпус, 2 — стяжной болт, 3 — нажимное кольцо, 4 — изоляция (миканит), 5 — «петушки», 6 — пластины, 7 — миканит, 8 — медь
Для припаивания (оловом) проводников обмотки якоря к коллекторным пластинам служат специальные медные выступы, называемые петушками.
Коллектор — это система медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. К пластинам припаяны отводы от обмотки якоря. Для соединения коллектора с зажимами машины и внешней цепью служат скользящие контакты (щетки).
Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).
Когда магнитное поле пересекается только двумя проводниками, образующими рамку, коллектор будет представлять собой одно кольцо, разрезанное на две части, изолированные одна от другой. В общем случае каждое полукольцо носит название коллекторной пластины .
Начало и конец рамки присоединяются каждый к своей коллекторной пластине. Щетки располагаются таким образом, чтобы одна из них была всегда соединена с проводником, который будет двигаться у северного полюса, а другая — с проводником, который будет двигаться у южного полюса. На рис. 1. показан общий вид коллектора электрической машины .
Для рассмотрения работы коллектора обратимся к рис. 2, на котором рамка с проводниками А и В показана в разрезе. Для большей наглядности проводник А показан толстым кружком, а проводник В двумя тонкими кружками.
Щетки замкнуты на внешнее сопротивление тогда э. д. с., индуктируемая в проводниках, будет вызывать в замкнутой цепи электрический ток. Поэтому при рассмотрении работы коллектора можно говорить не об индуктированной э. д. с., а об индуктированном электрическом токе.
Рис. 1. Коллектор электрической машины
Рис. 2. Упрощенное изображения коллектора
Рис. 3. Выпрямление переменного тока с помощью коллектора
Сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда вращающаяся рамка займет положение, изображенное на рис. 3, А, в ее проводниках будет индуктироваться наибольший по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.
Индуктированный ток из проводника В, соединенного с коллекторной пластиной 2, поступит на щетку 4 и, пройдя внешнюю цепь, через щетку 3 возвратится в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.
Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к индуктированию тока в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.
Отсюда следует, что, несмотря на изменение направления тока в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, произведенному коллектором, направление тока во внешней цепи не изменилось .
В следующий момент (положение Г), когда рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, следовательно, во внешней цепи тока опять не будет.
В последующие моменты времени рассмотренный цикл движений будет повторяться в том же порядке. Таким образом, направление индуктированного направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться одним и тем же, а вместе с этим сохранится и полярность щеток.
Рис. 4. Коллектор двигателя постоянного тока
Представление о характере изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки, снабженной коллектором, дает кривая рис. 5. Из кривой видно, что наибольших значений ток достигает в точках, соответствующих 90° и 270°, т. е. когда проводники пересекают силовые линии непосредственно под полюсами. В точках 0° (360°) и 180° ток во внешней цепи равен нулю, так как проводники, проходя нейтральную линию, силовых линий не пересекают.
Рис. 5. Кривая изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки после выпрямления коллектором
Из кривой нетрудно заключить, что хотя направление тока во внешней цепи и остается неизменным, но величина его все время меняется в пределах от нуля до максимума.
Электрический ток, постоянный по направлению, но переменный по величине, носит название пульсирующего тока. Для практических целей пульсирующий ток очень неудобен. Поэтому в генераторах стремятся сгладить пульсации и сделать ток более ровным.
В отличие от генераторов, в двигателях постоянного тока коллектор выполняет роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря. Если в генераторе коллектор служит для выпрямления переменного тока в постоянный, то в электродвигателе роль коллектора сводится к распределению тока в обмотках якоря таким образом, чтобы в течение всего времени работы электродвигателя в проводниках, находящихся в данный момент под северным полюсом, ток проходил постоянно в каком-либо одном направлении, а в проводниках, находящихся под южным полюсом, — в противоположном направлении.
В генераторах также одновременно выполняет две функции: является датчиком углового положения ротора со скользящими контактами и переключателем направления тока со скользящими контактами на токосъёмах (щётках) в зависимости от углового положения ротора, т. е. является механическим выпрямителем.
Часть щёточно-коллекторного узла щётка получила своё название от ранних конструкций, в которых действительно была похожа на щётку из множества гибких проволочек. В настоящее время изготавливается в виде бруска из графита или другого токопроводящего материала с малым удельным сопротивлением и малым коэффициентом трения.
«>
