Генераторы постоянного тока вырабатывают, по сути дела, переменное напряжение, которое выпрямляется особым устройством, называемым коллектором.

Рассмотрим работу простейшего генератора переменного тока, который приводится во вращение каким-либо механическим двигателем и преобразует механическую энергию в электрическую.

Магнитная система этой машины состоит из двух неподвижных в пространстве полюсов С—Ю, создающих постоянный по величине магнитный поток. Между магнитными полюсами вращается якорь, на поверхности которого уложен в диаметральной плоскости виток ab—cd, концы витка присоединены к двум кольцам, плотно насаженным на вал, а на кольца наложены щетки А—В, к которым присоединена внешняя цепь.

Будем считать, что якорь вращается с постоянной скоростью в направлении против часовой стрелки.

Рис. 1. Схематическое устройство простейшего генератора переменного тока

Направление наводимой э. д. с. определяется по правилу правой ладони: надо ладонь правой руки 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 э. д. с.

Напомним, что принято считать магнитные силовые линии исходящими из северного полюса. Применяя это правило к проводнику ab, мы видим, что когда он проходит под северным полюсом, то в нем наводится э. д. е., направленная к нам из-за плоскости чертежа, а когда он проходит под южным полюсом, то в обратном направлении — от нас за плоскость чертежа. Следовательно, в проводнике ab наводится переменная во времени э. д. е., изменяющая свое направление два раза за один оборот якоря. Как указывалось выше, время Т, за которое происходит одно полное изменение э. д. е., называется периодом э. д. е., а число периодов в одну секунду называется частотой, единица частоты — герц (гц).

Рис. 2. Правило правой ладони

Значит, на зажимах внешней цепи имеется переменное во времени напряжение и по ней течет переменный ток частоты.

Итак, внутри машины получается переменный ток, но во внешнюю цепь можно давать постоянный или выпрямленный ток. Для этого применяют специальное устройство, называемое коллектором, по сути дела являющимся механическим выпрямителем.

Принцип действия его состоит в следующем. Концы витка ab—cd присоединяются не к двум кольцам, как мы сделали 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 пластинах не безразлично, как на рис. 1, а имеет существенное значение.

Рис. 3. Схема простейшего генера тора постоянного тока

Чтобы выпрямить переменный ток, надо поставить щетки так, как это показано на рис. 56, а именно, чтобы наводимая в витке э. д. с. была равна нулю в момент перехода щетки с одной пластины на другую. Тогда при вращении якоря в витке ab— cd будет по-прежнему наводиться переменная э. д. е., но каждая из щеток будет касаться только той коллекторной пластины и соответственно только того проводника, который находится под данным полюсом.

Например, щетка А всегда в контакте только с той коллекторной пластиной, которая находится под северным полюсом, а щетка В в контакте только с тем проводником, который находится под южным полюсом.

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 э. д. с. в пульсирующую э. д. е.- и ток во внешней цепи будет также пульсирующим, т. е. он будет меняться по величине в течение периода в соответствии с изменением величины э. д. е., но направление его будет неизменным. Щетка А, от которой отводится ток во внешнюю цепь, называется положительной и обозначается знаком плюс, а щетка В, через которую ток возвращается в машину, называется отрицательной и обозначается знаком минус.

Пульсирующий ток еще не постоянный и для получения постоянного тока необходимо сделать не две коллекторные пластины, а значительно больше и также уложить на якорь обмотку, состоящую из большого числа проводников. Витки обмотки соединены с коллекторными пластинами по определенному закону.

Итак, мы познакомились 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, и тогда машина обратится в двигатель постоянного тока. Это свойство электрических машин носит название обратимости. При работе такой машины в качестве двигателя коллектор служит для попеременной посылки в секции обмотки якоря тока определенного направления.

Каждая машина постоянного тока состоит из следующих основных частей:
1) неподвижной части — станины или статора, предназначенной для создания магнитного потока;
2) вращающейся части, или якоря;
3) двух подшипниковых щитов.

На статоре укреплены основные полюсы, служащие для создания основного магнитного потока и добавочные полюсы, служащие для выравнивания магнитного потока при работе машины, что необходимо для подавления искрения на коллекторе.

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 от 0,7 до 3 мм для машин мощностью до 50 кет, в машинах большей мощности зазор может достигать 10 мм.

Основной полюс показан на рис. 57. Он состоит из сердечника, набранного 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, по которой проходит постоянный ток. Катушка наматывается на каркас 4, выполняемый из листовой стали толщиной 1—2 мм, пластмассы или из картона. Крепление полюсов к статору 6 производится при помощи болтов.

Добавочные полюсы, так же как и основные, состоят из сердечника, оканчивающегося полюсным наконечником, и надетой на сердечник катушки. Добавочные полюсы устанавливаются строго посередине между основными полюсами и крепятся 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.

Станина делается 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.

Современные машины постоянного тока имеют зубчатый якорь барабанного типа, выполненный из листовой стали толщиной 0,5 мм, при нормальной для машин постоянного тока частоте перемагничивания якоря (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 спрессовываются с обеих сторон нажимными приспособлениями, которые крепятся на валу или стягиваются болтами. Для улучшения охлаждения на вал якоря насаживается вентилятор. Обмотка якоря состоит из секций, изготовляемых на шаблонах и укладываемых в пазы якоря.

Обмотка якоря присоединяется к коллектору, который выполняется из медных пластин трапецеидальной формы, изолированных друг от друга и от корпуса посредством слюдяных или миканитовых прокладок.

Рис. 4. Основной полюс

Рис. 5. Крепление щеточной траверсы на подшипниковом щите

Для подвода тока к вращающемуся коллектору и отвода от него тока применяется щеточный аппарат, состоящий из щеткодержателей, укрепленных на щеточных пальцах, и щеток, установленных в щеткодержателях.