Генераторы постоянного тока вырабатывают по сути дела переменное напряжение, которое выпрямляется особым устройством — коллектором. Рассмотрим работу простейшего генератора переменного тока (рис. 3.1), который приводится во вращение каким-либо механическим двигателем и преобразует механическую энергию в электрическую.

Рис. 3.1. Схематическое устройство простейшего генератора переменного тока

Будем считать, что якорь вращается с постоянной скоростью в направлении против часовой стрелки. Так как проводники аЬ и ей находятся в одинаковых условиях относительно полюсов С и Ю, то достаточно рассмотреть процесс создания ЭДС только в одном проводнике, например в проводнике аЪ.
Направление наводимой ЭДС определяется по правилу правой руки. Ладонь правой руки надо расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные силовые линии были направлены в ладонь, а большой палец был отведен на 90° в плоскости ладони и направлен в сторону движения проводника. Тогда остальные пальцы руки покажут направление наведенной в проводнике ЭДС (рис. 3.2). Напомним, что принято считать магнитные силовые линии исходящими из северного полюса.

Рис. 3.2. Правило правой руки

Из рис. 3.3 видно, что каждая щетка соединена через кольцо только с одним проводником: щетка А — с проводником ab, а щетка В — с проводником cd. Значит, на зажимах внешней цепи имеется переменное во времени напряжение и по ней течет переменный ток частотой /. Итак, внутри машины получается переменный ток, но во внешнюю цепь можно выдавать постоянный или выпрямленный ток. Для этого применяют специальное устройство — коллектор, по сути дела являющийся механическим выпрямителем.

Принцип действия его состоит в следующем. Концы витка ab-cd присоединяются не к двум кольцам, как было сделано вначале, а к одному кольцу, разрезанному по диаметру, обе половинки которого изолированы друг от друга и от вала, на который они насажены. На эти полукольца или пластины коллектора наложены щетки А и В, к которым присоединяется внешняя цепь. Только теперь положение щеток на пластинках не безразлично, как на рис. 3.1, а имеет существенное значение.

С целью выпрямить переменный ток надо поставить щетки так, чтобы наводимая в витке ЭДС была равна нулю в момент перехода щетки с одной пластины на другую (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Схема простейшего генератора постоянного тока

Тогда ток во внешней цепи будет протекать только в одном направлении — от щетки А к щетке В. Здесь происходит выпрямление наводимой в витке ab-cd переменной ЭДС в пульсирующую ЭДС, и ток во внешней цепи будет также пульсирующим, т. е. меняющимся по величине в течение периода в соответствии с изменением ЭДС, но направление его остается неизменным. Щетка А, от которой отводится ток во внешнюю цепь, является положительной и обозначается знаком плюс, а щетка В, через которую ток возвращается в машину — отрицательной и обозначается знаком минус. Чтобы пульсирующий ток стал постоянным током, необходимо сделать не две коллекторные пластины, а значительно больше, а также следует уложить на якорь обмотку, состоящую из большого числа проводников. Витки обмотки соединены с коллекторными пластинами по определенному закону.

Итак, мы ознакомились с устройством машины постоянного тока, являющейся генератором или источником электрической энергии. Но генератор может быть легко обращен в электрический двигатель. Для этого необходимо дать такое же напряжение постоянного тока на зажимы машины, какое она вырабатывала в качестве генератора. Это свойство электрических машин носит название обратимости. При работе такой машины в качестве двигателя коллектор попеременно посылает в секции обмотки якоря ток определенного направления.

Каждая машина постоянного тока состоит из следующих основных частей: неподвижной части станины, т. е. статора, предназначенного для создания магнитного потока; вращающейся части, или якоря; двух подшипниковых щитов. На статоре укреплены основные полюсы, служащие для создания основного магнитного потока, и добавочные полюсы, выравнивающие магнитный поток при работе машины, что необходимо для подавления искрения на коллекторе.

Рис. 3.4. Основной полюс

Якорь представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся в пространстве между полюсами. Якорь имеет пазы, в которые уложены проводники обмотки. На одном валу с якорем насажен коллектор, к пластинам которого припаяны выводы от обмотки якоря. Зазор между якорем и неподвижной частью машины колеблется в пределах 0,7—3 мм для машин мощностью до 50 кВт, а в машинах большей мощности может достигать 10 мм. Сердечник 1 основного полюса (рис. 3.4) выполнен из листовой электротехнической стали толщиной 1 мм. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник имеет полюсный наконечник 2, служащий для равномерного распределения магнитного потока через воздушный зазор. На сердечник полюса надета катушка обмотки возбуждения 3, по которой проходит постоянный ток. Катушка наматывается на каркас 4, выполняемый из листовой стали толщиной 1—2 мм, пластмассы или картона. Полюсы крепятся к статору 6 при помощи болтов 5.

Добавочные полюсы, так же как и основные, состоят из сердечника, оканчивающегося полюсным наконечником, и надетой на сердечник катушки. Добавочные полюсы устанавливают строго посередине между основными полюсами и крепят к станине болтами.

Станиной или статором называют неподвижную часть машины, к которой крепятся основные и добавочные полюсы и при помощи которой машина крепится к фундаменту или другому основанию. Станину делают из чугуна или стали с разъемом или без него в зависимости от типа и мощности машины. К станине крепятся подшипниковые щиты, поддерживающие подшипники, в которых вращается якорь.

Якорь машин постоянного тока представляет собой барабан с пазами, выполненный из листовой стали толщиной 0,5 мм. Частота перемагничивания якоря составляет 20—60 Гц. Листы набираются в осевом направлении и для уменьшения потерь от вихревых токов изолируются друг от друга лаком или бумагой толщиной 0,03— 0,05 мм. Листы якоря спрессовывают с обеих сторон нажимными приспособлениями, которые крепят на валу или стягивают болтами. Для улучшения охлаждения на вал якоря насаживают вентилятор.

Секции обмотки якоря изготовляют на шаблонах и укладывают в пазы якоря. Обмотку якоря присоединяют к коллектору, который выполняют из медных пластин трапецеидальной формы, изолированных друг от друга и от корпуса посредством слюды или миканитовых прокладок. Коллекторные пластины закрепляют на ласточкиных хвостах. После запрессовки коллектор обтачивают на станке, чтобы его поверхность имела правильную цилиндрическую форму. Концы секций якоря впаиваются в пластины коллектора.