Постоянного тока машина

Постоянного тока машина, электрическая машина, в которой происходит преобразование механической энергии в электрическую энергию постоянного тока (генератор) или обратное преобразование (двигатель). П. т. м. обратима, т. е. одна и та же машина может работать и как генератор, и как двигатель; так, например, работают тяговые двигатели подвижного состава и исполнительные двигатели мощных электроприводов постоянного тока. Действие генератора основано на явлении индукции электромагнитной. При вращении витка из электропроводящего материала в постоянном магнитном поле (рис. 1) в витке возникает переменная эдс с частотой , где р - число пар полюсов магнитной системы, W - угловая скорость. Для преобразования переменной эдс в постоянное напряжение служит коллектор электромашинный. К пластинам коллектора подсоединяются концы витка (в реальной машине имеется большое число витков и коллекторных пластин). Для подключения внешней цепи служат угольные или графитные щётки, соприкасающиеся с пластинами коллектора. Работа двигателя основана на взаимодействии проводников с током и магнитного поля (см. Ампера закон), что приводит к появлению электромагнитного вращающего момента.

Активными частями П. т. м. являются магнитные сердечники, обмотки статора и ротора (якоря) и коллектор (рис. 2). Магнитный сердечник статора состоит из стальной станины, шихтованных (набранных из стальных пластин) главных и массивных дополнительных полюсов. На главных полюсах расположена обмотка возбуждения, на дополнительных - обмотка, соединённая последовательно с обмоткой якоря. Магнитопровод (сердечник) якоря также шихтованный; в его пазах расположена рабочая обмотка. Конструктивные элементы П. т. м. - вал, подшипники, подшипниковые щиты, токосъёмное устройство, вентилятор. Обмотка возбуждения создаёт основное магнитное поле. При подключении обмотки якоря к внешней цепи по ней проходит ток, создающий магнитное поле якоря. Результирующий поток в зазоре между статором и ротором благодаря влиянию магнитного поля якоря меньше, чем поле при холостом ходе (когда цепь отключена). Размагничивающее действие магнитного поля якоря обусловлено насыщением и увеличением магнитного сопротивления полюсных наконечников.

При работе П. т. м. может появляться искрение под щётками в процессе коммутации тока. При прохождении секции обмотки якоря из зоны одной полярности (например, N) в зону др. полярности (S) направление тока в ней меняется на обратное. Вследствие этого в секции, замкнутой накоротко щёткой, индуктируется т. н. реактивная эдс. Она представляет собой сумму эдс самоиндукции, обусловленной изменением тока, и эдс взаимоиндукции (если коммутируются одновременно несколько секций). Помимо этого, в коммутируемой секции возникает т. н. эдс вращения, обусловленная перемещением секции в поле якоря, которое в зоне коммутации имеет наибольшую величину. Эти эдс вызывают замедление изменения тока, увеличение плотности тока под сбегающим краем щётки и искрение под щётками. Для компенсации реактивной эдс в коммутируемой секции применяют дополнительные полюса, изменяющие направление поля якоря в зоне коммутации. Наличие коллектора и щёточного устройства усложняет конструкцию, обусловливает высокую стоимость и сравнительно низкую надёжность П. т. м.

Первый двигатель постоянного тока, пригодный для практических целей, был построен Б. С. Якоби в 1838. Двигатель получал питание от гальванических батарей и использовался для привода гребного вала лодки. Первый генератор постоянного тока создан также Якоби в 1842. Вначале в П. т. м. использовались постоянные магниты. Существенным шагом вперёд явилось применение электромагнитов. В 1859 А. Пачинотти изобрёл электродвигатель с кольцевым якорем, который был усовершенствован З. Т. Граммом в 1869. Начало широкого промышленного применения П. т. м. относят к 70-м гг. 19 в., когда Ф. Хефнер-Альтенек заменил кольцевой якорь барабанным, упростив тем самым конструкцию П. т. м. и увеличив вдвое её мощность. В таком виде П. т. м. сохранилась практически без изменений, усовершенствования касались главным образом применения лучших изоляционных и конструкционных материалов, более прогрессивной технологии, разработки точных методов расчёта и оптимизации габаритов. П. т. м. были созданы и получили промышленное применение ранее машин переменного тока, но утратили доминирующее положение после изобретения М. О. Доливо-Добровольским системы трёхфазного тока (1889). П. т. м. использовались лишь в отдельных областях, где необходимо регулирование частоты вращения в широком диапазоне: генераторы - как возбудители синхронных машин, сварочные генераторы, в системах генератор-двигатель; двигатели - в электроприводах на транспорте, в металлургии (на мощных прокатных станах) и т.п. Однако с 50-х гг. 20 в. сфера применения П. т. м. вновь расширилась: П. т. м. средней мощности стали применять как электромашинные усилители (ЭМУ), а микроэлектромашины - в системах автоматического регулирования и в бытовых электрических устройствах. Микродвигатели постоянного тока имеют лучшие характеристики, больший диапазон регулирования по частоте вращения и более высокую точность регулирования, чем микродвигатели переменного тока. В то же время П. т. м. утрачивают своё значение как возбудители синхронных машин, на смену им приходят ионные и полупроводниковые системы возбуждения.
В СССР созданы серии П. т. м., которые полностью удовлетворяют потребность в такого рода электрических машинах. В 70-х гг. разработанная ранее серия П (диапазон мощностей 0,3-1400 квт, напряжение 110/220/440 в) заменяется новой серией 2П, показатели которой соответствуют современным требованиям энергетики. Помимо серийных, существует большое разнообразие специальных П. т. м.: электромашинные усилители, сварочные генераторы, генераторы для гальванических процессов и электролиза, униполярные П. т. м. Применяемые в бытовой технике микромашины также различны как по конструкции, так и по режимам работы.
Лит.: Рихтер Р., Электрические машины, пер. с нем., т. 1, М. - Л., 1935; Петров Г. Н., Электрические машины, 2 изд., ч, 3, М. - Л., 1968; Брускин Д. Э., 3орохович А. Е., Хвостов B. C., Электрические машины и микромашины, М., 1971; Электротехнический справочник, 4 изд., т. 1, кн. 1, М., 1971.
? Л. М. Петрова.