Упрощенняа модель двигателя постоянного токаЕсли перейти от элементарного двигателя в реальному, можно заметить несколько особенностей:
В элементарном двигателе проводник перемещался между полюсами плоского магнита. В реальном двигателе это недопустимо (Вы можете представить себе такой двигатель? Хотя, как однажды заметил Нильс Бор: "Ваша идея безумна. Вопрос лишь в том, тостаточно ли она безумна, чтобы быть правильной!" Позже мы рассмотрим т.н. линейные двигатели, где проводником является, например, электропоезд на магнитной или воздушной подушке. Длина такого двигателя практически неограничена.)
Проводник должен вращаться между двумя магнитами, чтобы двигатель был компактным. Но если проводник вращается, то он поочередно проходит то под северным, то под южным полюсом, а это значит, что ЭДС, которая наводится в проводнике будет меняться по знаку. Точно так же и направление силы, действующей на проводник, будет зависеть от того, под каким полюсом проходит проводник с током.
Эта проблема была в свое время решена довольно оригинальным способом - с помощью т.н. механического коммутатора, который сейчас называют коллектором.
Рассмотрим принцип действия коллекторного генератора постоянного тока. Изображена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора - якорь, вал которого посредством шкива и ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан) - источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка abed, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением R. Предположим, что приводной двигатель вращает якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС, мгновенное значение которой е = 2Blv, а направление для положения якоря, изображенного на рис 3.1, указано стрелками.
В процессе работы генератора якорь вращается и виток abed занимает разное пространственное положение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т. е. ток, неизменный по направлению. При положении витка якоря, ток во внешней цепи (в нагрузке) направлен от щетки А к щетке В; следовательно, щетка А является положительной, а щетка В - отрицательной. После поворота якоря на 180° направление тока в витке якоря изменится на обратное, однако полярность щеток, а, следовательно, и направление тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменным. Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками.
Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В - пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи, то они намного ослабляются при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.
В соответствии с принципом обратимости электрических машин упрощенная модель машины постоянного тока может быть использована в качестве двигателя постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора R и подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока.
В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита (полем возбуждения) появятся электромагнитные силы Рэм, создающие на якоре электромагнитный момент М и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря на пол-оборота электромагнитные силы не изменят своего направления, так как одновременно с переходом каждого проводника обмотки якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока.
Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока - изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.
Рассмотренная упрощенная модель машины постоянного тока не обеспечивает двигателю устойчивой работы, так как при прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали nn' электромагнитные силы Fэм=0 (магнитная индукция в середине межполюсного пространства равна нулю).
Однако с увеличением числа проводников в обмотке якоря (при равномерном их распределении на поверхности якоря) и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным.