Принцип действия генератора

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной ин­дукции, со­гласно которого при движении проводника в магнитном поле при пересечении про­водником магнитных силовых линий в проводнике индуци­руется ЭДС, пропорцио­нальная величине электромагнитной индукции, ско­рости движения проводника, длине проводника в магнитном поле:

Е=BlV ×sinά,где ά– угол между направлением движения проводника и направлением магнитных силовых линий. Таким образом, мак­симальное значение ЭДС получается, когда угол ά = 90°, то есть движение происходит под прямым углом.

При ά = 0° проводник скользит вдоль магнитных силовых линий и ЭДС при этом не индуцируется. Направление тока в проводнике при замкнутой цепи можно опреде­лить по правилу правой руки: Если правую руку по­местить между полюсами магнита так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а отведённый в сто­рону большой палец совпадал с направлением движения проводника, то остальные пальцы по­кажут направление тока.

Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике в виде рамки, вра­щающейся принудительно в поле постоянного магнита (рис.3.1. и 3.2.).

Если рамка изначально располагается в горизонтальной плоскости, угол между силовыми ли­ниями и направлением движения проводников рамки ά = 0°, соответст­венно и ЭДС = 0. По мере поворота рамки появля­ется составляющая вектора дви­жения про­водников, перпендикулярная по от­ношению к магнитным силовым линиям.

 

Рис.3.1. Вращение рамки в поле постоянного магнита.

Появляется и ЭДС, которая по мере поворота рамки растёт по закону синусоиды, так как по закону синуса возрастает составляющая движения проводников, перпенди­кулярная к магнитным силовым линиям. При пово­роте рамки на угол 90° угол между направлением движения и магнитными силовыми линиями составляет 90°. При этом ЭДС достигает максимального значения. При дальнейшем повороте рамки составляющая вектора движения проводников, пераендику-

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.2. Изменение направления движения ветвей рамки при её враще­нии

 

лярная по отноше­нию к магнитным силовым ли­ниям снова начинает убывать, уменьшается значение sinά, что приводит к уменьшению ЭДС. При ά =180° sinά = 0. Таким образом при повороте рамки на угол от 0° до 180° ЭДС сначала растёт, достигая максимума при угле 90°, а затем уменьшается до нуля.

Затем процесс повторяется. Но ввиду того, что составляющая вектора движения, перпендикулярная к магнитным силовым линиям, направлена в противоположную сторону, скорость теперь имеет знак « - » (минус). График изменения ЭДС в зависимости от угла поворота рамки представляет собой синусоиду (рис.3.3,).

Таким образом на выходе устройства получен переменный ток, час­тота которого прямо пропорциональна частоте вращения рамки.

Для получения постоянного тока необходимо использовать устройство, переключающее проводники рамки при достижении нулевого значения ЭДС.

 

Рис. 3.3. Зависимость E от угла поворота рамки.

Такое устройство в генераторах и электродвигателях постоянного тока получило название коллектор. Для рамки простейшим коллектором являются два полукольца 3, которые соединены с концами проводников рамки (рис.3.4.).С полукольцами контактируют щётки 4, которые с определённым усилием прижимаются к поверхности полуколец (поверхности коллектора), образуя скользящий контакт. Щётки, в свою очередь, соединены с внешней электрической цепью.

 

Рис. 3.4. Принцип построения генератора постоянного тока

Как было рассмотрено ранее, при нахождении рамки в горизонтальной плоскости ЭДС равна нулю. При вращении рамки ЭДС начинает расти и дос­тигает максимума при повороте на угол 90°, после чего начинает убывать и при повороте на угол 180° становится равной нулю.

При этом рамка занимает такое же положение, как в начальный момент времени. Разница только в том, что ветви рамки поменялись местами. По­этому при продолжении вращения рамки ЭДС снова начнёт расти, что обес­печивает коммутация с помощью коллектора. При этом график зависимости ЭДС от угла поворота будет состоять только из положительных полуволн. Таким образом из переменного тока получен пульсирующий.

 

Рис. 3.5. Зависимость Е от угла поворота рамки при использовании двух полуколец

Если взять две рамки, расположенных по отношению друг к другу под углом 90°, а коллектор представить в виде кольца, разрезанного на четыре части, то график зависимости ЭДС от угла поворота рамки будет выглядеть, как огибающая для двух одинаковых графиков, построенных для одной рамки (рис.3.5), со сдвигом 90°. Таким образом, зависимость ЭДС от угла по­ворота будет выглядеть, как относительно небольшая пульсация относи­тельно среднего уровня.

 

Рис. 3.6. Зависимость Е от угла поворота при использовании двух ра­мок, расположенных под углом 90° друг к другу

 

Увеличивая количество рамок (количество витков якорной обмотки ге­нератора) и количество контактных элементов коллектора, можно получить практически постоянное значение ЭДС.

Реальный генератор состоит укрупнено из трёх функциональных узлов:

- статор;

- ротор (якорь);

- коллекторно-щёточный узел.

Статор (рис.3.7.) представляет собой неподвижную часть генератора с выполненными в нём катушками обмотки возбуждения, полюсами и щётко­держателем. С торцевой части статора находится подшипниковый щит. На одной из торцевых частей для подвода охлаждающего воздуха крепится пат­рубок, соединённый со специальным воздухозаборником на мотогондоле. С противоположной стороны нагретый воздух выходит через жалюзи.

 

Рис.3.7. Устройство генератора постоянного тока

1 – коллектор; 2 – щётки; 3 сердечник якоря; 4 – главный полюс; 5 – катушка обмотки возбуждения; 6 – корпус; 7 –подшипниковый щит; 8 вентилятор; 9 – об­мотка якоря.

Якорь (ротор) находится внутри статора. Его вал вращается на шари­коподшипниках. На якоре выполнена рабочая обмотка генератора, в витках которой аналогично рассмотренному индуцируется ЭДС. Для снятия элек­троэнергии на валу якоря установлен коллектор (1), который выполняют в виде цилиндра с расположенными на нём пластинами из твёрдотянутой меди. На противоположном конце вала расположена крыльчатка вентилятора (8), благодаря которой обеспечивается принудительное охлаждение генератора на земле, при неподвижном самолёте.

Коллекторно-щёточный узелвключает в себя коллектор и щётко­держатель с расположенными в нём щётками (2). Щётки (рис.3.8) изготавли­вают из материалов, содержащих углерод, обеспечивающих низкое электри­ческое сопротивление и высокую износостойкость. Щётки свободно переме­щаются внутри щёткодержателей и с помощью тарированных пружин с за­данным усилием прижимаются к поверхности коллектора. Коллекторно-щё­точный узелявляется слабым местом генератора постоянного тока. В про­цессе эксплуатации необходим контроль высоты щёток и состояния коллек­тора с целью определения степени их износа. При повышенной

Рис.3.8. Щётки малой (а) и большой (б) мощности.

 

степени износа щёток возможно их зависание, что может привести в полёте к отказу генератора.

Наличие коллекторно-щёточного узла является основным недостатком генераторов постоянного тока. При передаче через скользящий контакт большой мощности происходит интенсивное искрение и выгорание как щё­ток, так и коллектора. В мировой практике для самолётных генераторов по­стоянного тока принято ограничение по мощности 18 кВт.