§ 2.9. Генератор постоянного тока. Электродвигатели

Определения и обозначения

Генератор постоянного тока — устройство, преобразующее механическую энергию вращения в электрическую энергию. Его используют, чтобы получать ток, например, вращая рамку в магнитном поле. Название не означает, что величина тока неизменна: ток на выходе может пульсировать, сохраняя одно направление.

Коллектор — система изолированных друг от друга полуколец, соединённых с концами рамки и соприкасающихся со щётками. Полукольца вращаются вместе с рамкой, а при её повороте меняют подключение её сторон к внешней цепи. Благодаря этому в генераторе ток во внешней цепи не меняет направления, а в двигателе сохраняется вращающий момент.

Электродвигатель постоянного тока — устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую энергию вращения рамки или ротора. Ротором называют вращающуюся часть машины с обмоткой. Такое преобразование нужно, когда ток должен приводить в движение механизм.

Противо-ЭДС — ЭДС индукции, возникающая при вращении двигателя и направленная против напряжения источника. Она уменьшает результирующее напряжение, действующее на обмотку, и ограничивает ток. Поэтому её нужно учитывать при объяснении работы двигателя, особенно во время запуска и разгона.

Как это устроено

Когда рамка вращается в магнитном поле, меняется угол между её поверхностью и магнитным полем, а значит, меняется магнитный поток через рамку. По закону электромагнитной индукции изменение потока вызывает ЭДС. Если цепь замкнута, под действием этой ЭДС в ней возникает ток. Так механическое вращение становится причиной появления электрического тока.

Без коллектора направление ЭДС в рамке менялось бы каждые пол-оборота: стороны рамки менялись бы местами относительно магнитных полюсов. Коллектор в тот же момент меняет подключение концов рамки к щёткам. Поэтому перемена направления тока внутри рамки компенсируется переключением контактов, и во внешней цепи ток остаётся направленным одинаково.

Щётки прижаты к поверхности коллектора, но не вращаются вместе с ним. Благодаря скольжению электрический контакт сохраняется, хотя коллектор и рамка движутся. Коллектор не создаёт ЭДС: её вызывает изменение магнитного потока. Форма выходной ЭДС и заметность её пульсаций зависят от конструкции машины и числа обмоток.

В двигателе ток от источника проходит через рамку, помещённую в магнитное поле. На проводники с током действуют силы Ампера; на противоположных сторонах рамки они направлены так, что образуют вращающий момент. Когда рамка проходит пол-оборота, стороны меняются местами, и без переключения токов момент стал бы направлен в обратную сторону. Коллектор меняет направление тока в рамке, поэтому момент продолжает вращать её в прежнем направлении.

При вращении обмотка двигателя сама движется в магнитном поле и пересекает его линии, поэтому в ней возникает ЭДС индукции. По правилу Ленца она противодействует причине, которая её вызвала, то есть приложенному напряжению источника. Для простой модели цепи U = εпр + IR, где U — напряжение источника, εпр — противо-ЭДС, I — ток, R — сопротивление обмотки. При увеличении скорости растёт εпр и уменьшается ток; при неподвижном роторе противо-ЭДС почти нет, поэтому пусковой ток может быть особенно большим.

Сравнение генератора и электродвигателя постоянного тока

Сравнивайте машины по тому, что подводится к ним и что получается на выходе. Магнитное поле и рамка участвуют в работе обеих машин, но причина движения и причина появления тока у них различны. Коллектор нужен в обоих случаях, хотя выполняет связанные с этим преобразованием задачи.

Разбор задач

Задача 1. Рамка равномерно вращается в магнитном поле. Почему во внешней цепи генератора ток не меняет направления после каждого пол-оборота?

1. При повороте рамки меняется магнитный поток, поэтому в ней возникает ЭДС.
2. Через пол-оборота стороны рамки меняются местами относительно полюсов, и направление ЭДС в рамке меняется.
3. Одновременно коллектор переключает полукольца относительно щёток. Поэтому полярность контактов во внешней цепи сохраняется.

Ответ: ток в рамке меняет направление, но переключение коллектора сохраняет одно направление тока во внешней цепи.

Задача 2. На рамку двигателя подали постоянное напряжение. Как направлен вращающий момент до и после прохождения рамкой половины оборота?

1. До пол-оборота определите направления тока в сторонах рамки и магнитного поля. По правилу для силы Ампера установите, куда направлена сила на каждой стороне.
2. Силы на противоположных сторонах образуют пару и создают момент, поворачивающий рамку.
3. После пол-оборота коллектор меняет направление тока в рамке. Направления сил на её сторонах меняются так, что момент снова поворачивает рамку туда же.

Ответ: до и после пол-оборота вращающий момент направлен в одну сторону. Без переключения тока момент после пол-оборота развернулся бы.

Задача 3. Двигатель подключили к источнику, затем ротор разогнался. Как изменятся противо-ЭДС и ток в обмотке, и почему при запуске нужно учитывать большой ток?

1. При неподвижном роторе обмотка почти не движется в магнитном поле, поэтому противо-ЭДС близка к нулю.
2. Сначала почти всё напряжение источника приходится на сопротивление обмотки: U ≈ IR. Поэтому ток может быть большим.
3. При разгоне возрастает скорость вращения, а вместе с ней и противо-ЭДС. Из соотношения U = εпр + IR следует, что при неизменном U падение IR и ток уменьшаются.

Ответ: при разгоне противо-ЭДС растёт, ток снижается; пусковой ток велик, поэтому его учитывают при выборе источника и защиты.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что генератор сразу создаёт строго постоянную по величине ЭДС. Коллектор обеспечивает одно направление тока во внешней цепи, но не обязательно выравнивает его величину; это упрощают, принимая постоянное направление за постоянный ток. Проверьте себя: разделяйте направление тока и его силу — выходной ток может пульсировать.

Ошибка: приписывать коллектору создание ЭДС. Такое объяснение возникает, если смешать появление тока с переключением контактов. ЭДС появляется из-за изменения магнитного потока, а коллектор меняет соединение рамки с внешней цепью; проверьте, можете ли объяснить возникновение ЭДС без упоминания коллектора.

Ошибка: полагать, что ток в рамке двигателя не меняет направления. Тогда остаётся без объяснения, почему после пол-оборота силы продолжали бы создавать момент в прежнюю сторону. Проверьте себя: проследите положение сторон рамки относительно поля и учтите переключение коллектора.

Ошибка: считать пусковой ток таким же, как ток работающего двигателя, и не учитывать противо-ЭДС. При запуске ротор неподвижен, поэтому противо-ЭДС почти отсутствует; после разгона она ограничивает ток. Сверьте рассуждение с U = εпр + IR: при малой εпр ток может быть большим.

Связь с другими темами

Для понимания генератора нужны закон электромагнитной индукции и представление о магнитном потоке: изменение потока вызывает ЭДС. Направление индукционного тока связывает тему с правилом Ленца, а работа двигателя — с действием магнитного поля на проводник с током. Эти знания помогают объяснить не только устройство, но и причины переключения тока и вращения.

Генераторы и двигатели относятся к электрическим машинам и показывают, как энергия переходит из механической в электрическую и обратно. С этой темой связаны получение, использование и передача электрической энергии. Понимание противо-ЭДС также помогает разбираться в поведении реальных электрических цепей при запуске и работе двигателя.

Что запомнить

• В генераторе механическая энергия превращается в электрическую.
• Изменение магнитного потока через рамку вызывает ЭДС индукции.
• Коллектор генератора обеспечивает одно направление тока во внешней цепи.
• В электродвигателе силы Ампера создают вращающий момент.
• Коллектор двигателя поддерживает вращение в одном направлении.
• При вращении двигателя возникает противо-ЭДС, направленная против напряжения источника.
• При запуске двигателя ток может быть особенно большим.