Электрические машины – это устройства для преобразования электрической энергии в энергию механическую (и наоборот). Работа машины постоянного тока основана на законе электромагнитной индукции.
Как правило, эти агрегаты используются в промышленности для тяговых механизмов, таких как подъёмные краны и лебёдки. Существенным недостатком двигателя является образование на коллекторе нагара от щёток. Чтобы избежать чрезмерного искрения, необходимо периодически делать осмотр и проводить профилактические работы. Устройство машин постоянного тока отличается от асинхронных и синхронных двигателей.
Между полюсами, создающими постоянный магнитный поток, располагается якорь, выполненный в виде стального цилиндра. В его пазы уложены витки медного проводника, а концы проводника соединяются с полукольцами, которые изолируются от других деталей машины – это и есть коллектор, по которому скользят щётки. Они соединяются с внешней цепью.
Так как в витках возникает электродвижущая сила, то якорь машины постоянного тока начинает вращаться при пересечении полем его витков.
В силу того, что магнитная индукция распределяется по стальному цилиндру неравномерно, скорость создаваемой ЭДС зависит от плотности тока в зазорах между витками. Таким образом, под полюсами магнитная индукция максимальна, а в центре якоря (на продольной оси) – равна нулю.
При вращении якоря машины постоянного тока каждые пол-оборота проводники меняют полярность, так как попадают под влияние противоположных полюсов, следовательно, и направление электродвижущей силы меняется на противоположное, а если ЭДС изменяется по времени и направлению, то её следует отнести к переменной величине. Чтобы во внешнюю цепь поступала постоянная составляющая, в устройство машины постоянного тока включен коллектор. Это - своего рода переключатель. Неподвижные щётки, которые соединены с внешней цепью, скользят по полукольцам, жёстко закреплённым на якоре.
Вращаясь, якорь соприкасается лишь с той щёткой, которая находится под конкретной полярностью. В то время, когда направление электродвижущей силы меняется, происходит переключение колец, то есть для внешней цепи изменений в направлении ЭДС не происходит. Таким образом, коллектор – это некий выпрямитель, который не даёт измениться генерируемому току.
Чтобы исключить пульсацию электродвижущей силы, на якоре имеются витки, которые присоединяют к парам коллекторных пластин. Витки сдвинуты друг от друга на незначительный угол, это позволяет компенсировать искажения в гармониках и ток поступает в цепь без пульсаций.
Если машины постоянного тока работают в режиме двигателя, тогда, наоборот, к щёткам прикладывается напряжение. Таким образом, проходя через коллектор, в витках появляется ток, который создаёт своё магнитное поле. Взаимодействуя с полем полюсов, якорь начинает вращаться, однако, в то время, когда направление вращения при переходе проводников через противоположный полюс должно бы было измениться, коллектор по-прежнему переключает полярность. Таким образом, изменяется направление тока и, соответственно, его магнитного поля. В этом случае коллектор – это инвертор, преобразователь постоянного тока в переменный.
