По роду тока все современные электрические машины делятся на машины постоянного и переменного тока. Несмотря на большое разнообразие конструкций, общие принципы работы электрических машин одинаковы. Все современные электрические машины работают на основе явлений электромагнитной индукции.
Постоянным называется ток, протекающий по проводнику только в одном направлении. Получение постоянного тока может быть двояким: от генераторов постоянного тока или из переменного тока путем его выпрямления при помощи специальных устройств-выпрямителей, преобразующих переменный ток в постоянный.
Простейший генератор постоянного тока (рис. 168, а и б) имеет полюсы электромагнита N и S, между которыми вращается виток проволоки в виде рамки, концы которой припаяны к полукольцам А и Б, вращающимся вместе с витком.
Полукольца А и Б изолированы между собой и от вала и представляют из себя в простейшем виде коллектор, служащий для выпрямления тока во внешней цепи. На полукольца опираются неподвижные щетки I и II, по которым ток с полуколец А и Б направляется во внешнюю цепь. При вращении в магнитном поле в рамке будет индуктироваться переменная по величине и направлению электродвижущая сила. Как было рассмотрено ранее, эта э. д. с. изменяется по синусоиде и зависит от положения, занимаемого проводниками а и б в магнитном поле. При этом направление э. д. с., индуктируемой в каждый данный момент в витке, определяется по правилу правой руки.
В те моменты, когда ток в витке меняет свое направление, полукольца меняют щетки (рис. 168, а и б), поэтому во внешней цепи ток будет иметь все время одно и то же направление, но будет меняться по величине. График изменения э.д.с. в витке можно изобразить кривой, показанной на схеме в (рис. 168), а график изменения тока во внешней цепи, соединенной с генератором, будет иметь вид, изображенный на схеме г. Как видно из последнего графика, э.д.с. во внешней цепи за полный оборот рамки не меняется по направлению, а меняется по величине от нуля до максимума, снова до нуля и т. д. Поэтому э.д.с. в таком виде имеет большую пульсацию, и ток, протекающий по замкнутому контуру, носит название пульсирующего. Чтобы «сгладить» пульсацию и получить ток во внешней цепи, близкий к постоянному по величине, в генераторах устанавливают не один виток с двумя полукольцами, а очень много витков, концы которых припаивают к коллекторным пластинам. При этом витки оказываются сдвинутыми относительно друг друга на небольшой угол и при вращении всех витков пульсация значительно уменьшается.
В этом случае ток, вырабатываемый генератором, будет практически постоянным как по направлению, так и по величине. На практике в генераторах берется такое количество витков обмоток и коллекторных пластин, что получаемая на щетках э.д.с. имеет совершенно незначительную пульсацию (порядка 1% от среднего значения э.д.с.) и ее величина поэтому считается постоянной.
Конструкции основных элементов генераторов и двигателей постоянного тока, вследствие общности их принципов и обратимости работы, одни и те же.
На рис. 169 показаны основные части и компоновка генератора постоянного тока. Генератор состоит из следующих основных частей: станины с закрепленными в ней полюсами — электромагнитами, якоря с обмоткой и коллектором, токоснимающего устройства (щеткодержатели, щетки, траверсы), переднего и заднего подшипниковых щитов.
Станиныу современных электрических машин отливаются из стали и в зависимости от типа электрической машины выполняются различной формы (прямоугольные, квадратные, восьмигранные, круглые и т. д.).
К станине крепится магнитная система (создает магнитный поток), состоящая из полюсных сердечников (рис. 170).
Вследствие общности принципов работы основные элементы конструкции генераторов и дви¬гателей постоянного тока одни и те же.
Полюсные сердечники с полюсными наконечниками образуют полюсы электромагнита, служащие для создания магнитного поля. Полюс генератора, как и всякий электромагнит, состоит из сердечника и надетой на него катушки, по которой проходит электрический ток, называемый током возбуждения. Этот ток создает магнитный поток. Катушки возбуждения составляют обмотку возбуждения машины, названную так потому, что при прохождении по ней тока она создает (возбуждает) магнитное поле генератора. Количество полюсов у генератора, как правило, четное (2, 4, 6 и более). При этом северные и южные полюсы чередуются между собой. Полюсные сердечники, как и полюсные наконечники, собираются из отдельных листов (пластин) электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Сердечники полюсов изготовляются отдельно от станины и крепятся к ней, как это показано на рис. 170.
Якорь — вращающаяся часть машины — служит для несения обмотки, в которой индуктируется переменная э.д.с.; он состоит из сердечника и обмотки. В современных машинах сердечник якоря собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, изолированных друг от друга специальной тонкой бумагой или покрытых изолирующим лаком. Отдельные листы сердечника якоря штампуются такой формы, чтобы после сборки их на наружной поверхности якоря образовались пазы, в которые затем укладываются секции обмоток якоря из изолированной медной проволоки. Секции обмоток соединяются между собой в определенной последовательности.
Набранный таким образом якорь надевается на стальной вал машины, на котором он закрепляется при помощи шпонки.
На одном валу с якорем насажен коллектор и вентилятор. Коллектор представляет собой полый барабан, собранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала машины. Количество пластин равно количеству секций якоря, так как к каждой коллекторной пластине припаивается начало одной и конец другой секции. Пластины изготовляются из твердотянутой меди соответствующего профиля и изолируются друг от друга прокладками из миканита (склеенные под давлением листочки слюды). Для соединения коллекторных пластин с концами обмотки в углу каждой пластины вырезается углубление, в которое вводят (вбивают) концы секций, произведя их пайку.
Коллектор является одной из наиболее ответственных частей электрической машины.
Над коллектором укрепляется траверса со щеткодержателями. Щетки вставляются в гнезда щеткодержателей и прижимаются к коллектору пружинами, натяжение которых можно регулировать. Щетки должны обеспечивать хороший контакт, чтобы при работе не вызывать искрения, повышения сопротивления и нагрева.
В современных электрических машинах применяют угольные, меднографитные и графитные щетки.
Якорь с коллектором вращается в подшипниках, находящихся в подшипниковых щитах. Последние крепятся с боков болтами к станине. Между якорем и башмаками полюсных сердечников имеется небольшой зазор, называемый междужелезным пространством.
На корпусе машины обычно устанавливается клеммная коробка, в которой имеются изолированные друг от друга и от корпуса машины болтовые зажимы — клеммы, служащие для соединения машины с сетью. Основные неподвижные части электрической машины образуют статор, вращающиеся — ротор. В машинах постоянного тока якорь является ротором, а магнитная система (иногда называется индуктором)—статором.
