Часть 1. При чем здесь Фарадей?
Чтобы понять... да-да, именно понять, а не зазубрить устройство электрической машины постоянного тока, необходимо вернуться в курс физики, как бы вам не стало тоскливо от этого предложения... Но постараюсь не злоупотреблять вашим терпением и донести мысль как можно проще.
Итак, если проводник перемещать между северным и южным полюсами магнита, то в проводнике появится сила, которая заставит перемещаться свободные электроны металла проводника в одну или в другую сторону в зависимости от направления движения проводника.
Есть условие! Перемещать проводник необходимо перпендикулярно линиям магнитной индукции, проходящим от одного полюса магнита к другому. Если ваш проводник будет скользить между полюсами параллельно линиям магнитной индукции, эффект будет нулевым. Логика подсказывает, что угол наклона движения проводника будет влиять на величину этой силы.
Майкл Фарадей в 1821 году в результате опытов обнаружил эту закономерность и разработал теоретические основы принципов работы электрических машин. Сила, обнаруженная в результате движения проводника в магнитном поле, была названа электродвижущей и часто встречалась всем нам в учебных пособиях под аббревиатурой ЭДС.
Если к концам движущегося проводника (образно выражаясь) подключить лампочку, она начнет светиться, потому что создана замкнутая цепь и под действием электродвижущей силы по цепи потечет ток (выражаясь проще, эта сила гонит электроны по всей созданной схеме). Величина ЭДС будет зависеть от магнитной индукции, которую может создавать данный магнит, длины проводника, помещенного в магнитное поле, и скорости движения проводника в магнитном поле (мы договорились, что перемещаем перпендикулярно линиям магнитной индукции, а то придется еще учитывать величину угла наклона движения проводника).
Часть 2. Генератор постоянного тока.
Строим простейшую машину постоянного тока.
Приходим к выводу, что проводник, движущийся в магнитном поле с подключенным к нему потребителем, — модель самого простейшего генератора электрического тока. Но, согласитесь, добывать электричество, водя рукой с проводником в магнитном поле, смахивает на добычу огня с помощью палочки и пучка соломы. Усовершенствуем нашу модель.
В магнитное поле поместим рамку из медного провода, закрепленную на оси, и начнем ее вращать. При вращении боковые стороны рамки представляют из себя два проводника, пересекающие линии магнитной индукции, в которых, в соответствии с законом электромагнитной индукции, наводятся две равные по величине, но разные по направлению электродвижущие силы. Почему разные по направлению? Потому что боковые стороны рамки (давайте называть ее секцией) пересекают линии магнитной индукции в разные стороны, верхняя движется на нас, а нижняя в противоположную сторону. В итоге две ЭДС суммируются, и наша задача — снять с вращающейся секции ток, для чего на концы рамки нужно повесить потребитель.
Был переменный, стал постоянный. Понятие о простейшем коллекторе
Постоянный ток всегда идет в одном направлении: от плюса источника через потребитель, возвращаясь к минусу источника. Чтобы вращающаяся в магнитном поле секция генерировала постоянный ток, на ее концы подсоединим два полукольца (изображены на рисунке), с которых ток будут снимать электрографитовые щетки. Электрографит прекрасно проводит ток и быстро притирается к скользящей поверхности.
В боковой стороне секции, находящейся под северным полюсом, ток идет по направлению к верхнему полукольцу (правило правой руки), через щетку на подключенный потребитель, выходит на минусовую щетку и возвращается через нижнее полукольцо в секцию. Стороны скользят перпендикулярно линиям магнитной индукции, и величина ЭДС максимальная.
Секция поворачивается, ее боковые стороны уже скользят параллельно линиям магнитной индукции, величина ЭДС падает до нуля, а вращение секции продолжается. Сторона секции, находившаяся под северным полюсом, оказалась под южным и пересекает линии магнитной индукции, двигаясь уже не от, а на нас, направление ЭДС в данной стороне изменилось, но и подсоединенное к этой стороне полукольцо также перемещалось и ушло из-под плюсовой щетки под минусовую.
Благодаря разрезным полукольцам, меняющая свое направление ЭДС всё время оказывается под соответствующей щеткой, и ток в цепи всё время идет в одну сторону, от плюса к минусу. В данном случае благодаря разрезным полукольцам происходит механическое выпрямление переменного тока в постоянный. Полукольца принято называть коллектором (в переводе с латинского «собиратель»).
Всё, что вращается, — ротор.
Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: всё, что будет вращаться, относится к ротору (перевод с латинского «вращать», «вращатель»), все неподвижные детали относятся к статору (перевод с латинского «неподвижный»).
Какие же детали электрической машины относятся к ротору? Помните ось, на которую насаживалась секция модели простейшего генератора? Теперь вместо неё стальной вал, который располагается на двух подшипниках качения.
На вал набираем сердечник для крепления якорной обмотки, состоящей из элементарных секций, которых теперь будет много, и их мы равномерно расположим по всей окружности сердечника (при использовании одной секции мы получим низкокачественный пульсирующий ток, непригодный для работы).
Первая проблема: в любой стальной детали, помещенной в переменное магнитное поле, по закону Фарадея наводится ЭДС, и под ее влиянием начинают циркулировать токи, которые могут раскалить сталь даже до температуры плавления. Такие токи получили название «вихревые».
Но если эту самую деталь выполнить не цельную, а набранную из множества стальных листов (в технической литературе называют «шихтованная»), она нагревается на порядок меньше. Так как величина вихревого тока пропорциональна площади контура, то такое разбиение площадей дает эффект. В сталь, из которой будет выполнен сердечник, добавляют 4% кремния, умышленно ухудшая проводимость. Такая сталь называется «электротехнической». Пластины, из которых набирается сердечник, с двух сторон покрываются лаком. Всё это меры по борьбе с вихревыми токами.
Пазы устилают изоляционным материалом и укладывают секции будущей якорной обмотки. Чтобы предупредить выпадание секций из пазов при вращении, сверху пазы забивают пластиковыми клиньями. Лобовые части обмотки стягивают стеклолентой, называемой бандажом.
Коллектор
Функцию полуколец, преобразующих переменную ЭДС в постоянную, в промышленной электрической машине выполняет коллектор. Коллектор набирается из медных пластин. Начало и конец каждой секции припаивают к своей коллекторной пластине. Для этого на коллекторной пластине предусмотрена выступающая часть, называемая «петушок».
Нижняя часть пластины напоминает хвост птицы и в литературе получила название «ласточкин хвост». Этой частью пластина будет зажиматься между коллекторной втулкой и нажимным конусом.
Между коллекторными пластинами обязательно ставится изоляция. Это такая же по форме пластина, но выполнена из изоляционного материала — миканита.
Статор — неподвижный.
Все неподвижные детали и узлы электрической машины относятся к статору. Прежде всего это корпус, состоящий из средней части — станины, переднего и заднего подшипниковых щитов. Корпус необходим для крепления узлов электрической машины и защиты узлов от любого воздействия извне.
Но есть и еще одна очень важная функция. Корпус будет проводить через себя линии магнитного потока от закрепленных на станине с внутренней стороны электромагнитов. Станина и подшипниковые щиты будут являться частью магнитопровода, а значит, изготавливать их необходимо из стали с повышенной магнитной проводимостью.
Подшипниковые щиты закрывают станину с торцов и выполняют функцию опоры для вращающегося вала. Для этого в подшипниковые щиты запрессовывают подшипники качения.
Что такое главный полюс?
В промышленной электрической машине секции якорных обмоток необходимо вращать в магнитном поле, однако мощности постоянных магнитов будет крайне недостаточно. Или увеличиваем габариты электрической машины для соответствующих магнитов, что крайне неприемлемо, или внутри станины крепим электромагниты. Они компактны, а величина магнитного потока будет зависеть от силы тока, подаваемого в обмотку возбуждения, и числа её витков.
Простейший электромагнит можно собрать в домашних условиях, достаточно изолированный провод накрутить на гвоздь и к концам получившейся катушки подключить батарейку.
Ток, устремившись по виткам обмотки, обязательно наведет магнитное поле вокруг витков, а чтобы магнитное поле не рассеивалось, мы потому и намотали витки катушки именно на гвоздь, ведь он металлический, а металл проводит магнитное поле на порядок лучше, чем воздух. Гвоздь в данном случае будет выполнять роль сердечника, а намотанная на него катушка в литературе зовется «обмоткой возбуждения».
В электрической машине электромагниты выглядят намного серьезней. Это изолирующая бобина и намотанный на нее изолированный медный провод, выполняющий роль обмотки возбуждения.
Обмотка возбуждения с изолирующей бобиной надеваются на сердечник. Сердечник набран из листов электротехнической стали... Опять вихревые токи... Количество главных полюсов может быть разным. Это зависит от области применения данной электрической машины и ее габаритов. Главные полюса в станине крепятся изнутри полюсными болтами.
Между главными полюсами могут стоять еще и дополнительные полюса. Они менее мощные, магнитный поток от них требуется незначительный, и вполне возможно, что сердечники дополнительных полюсов могут быть цельными. Чтобы расписать назначение дополнительных полюсов, материала еще на одну статью. Так что напишу обобщенно и кратко: дополнительные полюса улучшают процессы, происходящие в работающей электрической машине, и уменьшают искрение между щетками и поверхностью коллектора.
Щеточный аппарат
Пока наша машина работает в режиме генератора, необходимо снять ток, наводимый в якорной обмотке и подаваемый на вращающийся коллектор. Для этого необходим скользящий по поверхности контакт, плотный и не повреждающий поверхность коллекторных пластин. Нам поможет электрографит. Щетки из этого материала прекрасно проводят ток и быстро притираются к контактной поверхности коллектора, принимая её форму.
Щетки вставляются в обоймы щеткодержателей и прижимаются к коллектору подпружиненными прижимными пальцами. Щеткодержатели крепятся посредством изолирующих кронштейнов к траверсе, а траверса — к станине.
Часть 3. Электродвигатель постоянного тока
И снова Фарадей.
Второй опыт, выполненный М. Фарадеем, доказал возможность создания электродвигателя. Для этого проводник поместили в магнитное поле и подали в него ток. Линии магнитного поля, возникшие вокруг проводника при подаче в него тока, начали взаимодействовать с линиями магнитной индукции магнита. Так как линии магнитного поля вращаются вокруг проводника по часовой стрелке (со стороны подаваемого в проводник тока, правило «буравчика»), с набегающей стороны на линии магнитной индукции они сталкиваются и взаимно ослабляют друг друга, а со сбегающей стороны их направления совпадают, усиливая друг друга.
Под действием такого «электромагнитного» давления возникает выталкивающая сила, выбрасывающая проводник из магнитного поля магнита. Её величина зависит от магнитной индукции, которую способен создавать магнит, длины проводника, помещенного в магнитное поле, и силы тока, поданного в проводник.
Строим простейший электродвигатель постоянного тока
В знакомую нам рамку с полукольцами и щетками подаем постоянный ток. Ток устремляется от плюса постоянного источника через плюсовое полукольцо, проходит через секцию из медного провода и уходит на минус. Вокруг верхней и нижней сторон секции силовые линии магнитного потока вращаются в разные стороны относительно линий магнитной индукции магнита. Создаются две разнонаправленные выталкивающие силы. В технической механике такое явление называется «момент». А раз его наводит электромагнитная индукция, то момент электромагнитный.
Под действием возникшего электромагнитного момента секция повернется на 90 градусов... Ииии... Всё... Она остановится. Так что совсем неплохо поставить под углом 90 градусов еще пару главных полюсов, которые толкнут секцию повторно, и ротор начнет вращение.
Эпилог. Ротор, или якорь?
Мы разобрались с вами в назначении всех узлов электрической машины постоянного тока. Рассмотрели работу электрической машины постоянного тока в режимах «генератора» и «электродвигателя», сделали себе отметочку, что электрическая машина постоянного тока обладает свойством «обратимости»,
т. е. может работать в двух режимах.
Необходимо понимать, что в работе электрические машины испытывают большие нагрузки: растет величина тока в обмотках, присутствуют вихревые токи, нагревающие сердечник, машина нуждается в охлаждении. Для этого под позицией 10 на рисунке мы видим вентилятор. При вращении он забирает воздух с «улицы» через вентиляционные отверстия в переднем подшипниковом щите, прогоняет вдоль ротора и уже горячий выбрасывает с противоположной стороны. Варианты охлаждения могут быть разными. В мощных тяговых электрических машинах* охлаждение ни в коем случае не должно зависеть от скорости вращения ротора, поэтому оно принудительное. Постоянный поток гонит независимый вентилятор по вентиляционным каналам.
И еще один важный момент! Якорем называется часть электрической машины, в которой наводится ЭДС. Например, в машине переменного тока* ЭДС наводится в неподвижной части — статорной обмотке, и она является якорем. Так что не все роторы — якоря))). В машине постоянного уже самой конструкцией заложено, что ЭДС наводится в роторе, поэтому ротор и якорь мало того, что стали синонимами, но вдобавок многие преподаватели начинают упрекать ответчика, обвиняя его в безграмотности, хотя это не совсем верно.
В заключение обращу внимание читателей на наличие терминов, отмеченных снежинкой*, описание назначения которых можно будет встретить в следующих статьях, или информацию о них можно почерпнуть в наших коротких развивающих фильмах на нашем телеграм-канале https://t.me/mihailsilko24. Приглашаем посмотреть более 50-ти коротких обучающих фильмов, посвященных назначению, устройству и принципу работы различных узлов и агрегатов тепловозов и электровозов. Отписаться никогда не поздно, так что заходите на наш канал))). До скорых встреч!
