3.2 Режим генератора.
Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора. Предположим, что якорь машины (рис. 1-1 и 1-2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с, направление которой может быть определено по правилу правой руки (рис. 1-3, а) и показано на рис. 1-1 и 1-2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения. Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря э. д. с.
Рис. 1-3. Правила правой (а) и левой (б) руки
enp = Blv,
где В
— величина
магнитной индукции в воздушном зазоре
между полюсом и якорем в месте расположения
проводника; l
— активная длина проводника, т. е. та
длина, на протяжении которой он расположен
в магнитном поле;
v
— линейная
скорость движения проводника.
В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины
Если якорь диаметром D, содержит w-витков и вращается с угловой скоростью ω, то
.
Приняв во внимание, что
— потокосцепление якоря с магнитным
полем полюсов, уравнение (1-1) можно
переписать
(1-1а).
Э. д. с. Еа является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции В вдоль воздушного зазора (рис. 1-4, а).
Частота э. д. с. в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря п, выраженной в оборотах в секунду:
f = n,
Если число пар полюсов равно р, то
Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток 1а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. (рис. 1-4, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рис. 1-1) на 90° и изменении направления э. д. с. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой — пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.
Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.
Изменив знак второго полупериода кривой на рис. 1-4, а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рис. 1-4, б).
Рис. 1-4. Кривые э. д. с. и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)
Образуемый во внешней цепи пульсирующий по величине ток малопригоден для практических целей, Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор. Однако основные свойства машины постоянного тока могут быть установлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины. Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше Еа на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря га:
Ua = Ea-lara. (1-3)
Проводники обмотки якоря с током 1а находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рис. 1-2, а)
Fnp = BlIa, (1-4)
направление которых определяется по правилу левой руки (рис. 1-3, б). Эти силы создают механический вращающий момент Мd, который называется электромагнитным моментом и на рис. 1-2, а равен
Md = FapDa = BlDaIa, (1-5)
где Da — диаметр якоря. Как видно из рис. 1-2, а, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.
Приняв во внимание, что lDa — площадь витка, а В — индукция, то для w-витков уравнение (1-5) примет вид:
M=aIa, (1-5)
где
a=wBlDa=wBS — потокосцепление
Ia — ток якоря.