Устройство, назначение и области применения машин постоянного тока
Машина постоянного тока (рис. 6.1) представляет собой электрическую машину с механическим преобразователем частоты в цепи якоря и поэтому имеет обращенное исполнение. Обмотка возбуждения 3 располагается на статоре, а обмотка якоря 5 - на роторе. Преобразователь частоты выполняется в виде коллектора 7, пластины которого электрически связаны с обмоткой якоря. Система неподвижных щеток 6 обеспечивает связь вращающейся обмотки якоря с внешней сетью.
Статор обычно выполняется в виде массивной станины 1, на которой укрепляются полюсы 2 с обмоткой возбуждения. Сердечники полюсов собираются из листов конструкционной стали толщиной 
.
Магнитопровод якоря 4 набирается из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. В пазы магнитопровода укладываются изолированные секции двухслойной обмотки якоря. Выводы секции припаиваются к коллекторным пластинам, закрепленным на валу. Число коллекторных пластин равно числу секций. Коллекторные пластины изготавливаются из меди и изолируются друг от друга и от вала с помощью миканитовых прокладок. На внешней поверхности коллектора устанавливаются угольные щетки, закрепленные в щеткодержателях неподвижно относительно статора. Число щеток равно числу полюсов.
Положение щеток относительно полюсов может меняться, но, как правило, щетки устанавливаются на геометрической нейтрали - линии, перпендикулярной оси магнитного поля полюса (рис. 1.12). В этом случае процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока аналогичны процессам преобразования в синхронных машинах при чисто активной нагрузке. Машины постоянного тока применяются как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов.
Двигатели постоянного тока, в отличие от двигателей переменного тока, обладают хорошими регулировочными свойствами и могут иметь механические характеристики 
, удовлетворяющие требованиям большинства рабочих механизмов. Поэтому двигатели постоянного тока широко используются на транспорте (магистральные электровозы, тепловозы, пригородные электропоезда, метрополитен, трамваи, троллейбусы и др.), в станках, прокатных станах, кранах, судовых установках. В подавляющем большинстве автомобилей, тракторов, самолетов и других летательных аппаратов двигатели постоянного тока приводят во вращение все вспомогательное оборудование.
Постоянный ток для питания двигателей получают либо с помощью полупроводниковых выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный, либо с помощью генераторов постоянного тока. Генераторы постоянного тока используют также в технологических процессах для питания электролизных и гальванических установок. Широкое распространение получили генераторы постоянного тока специального назначения (сварочные генераторы, генераторы для освещения поездов, электромашинные усилители постоянного тока, возбудители синхронных машин и др.).
Недостатком машин постоянного тока является их относительно высокая стоимость, а также наличие скользящего контакта между щетками и коллектором. В последние годы в связи с развитием полупроводниковой техники ведутся работы по замене механического коллектора полупроводниковым преобразователем. Однако, несмотря на большие усилия, направленные на создание полупроводниковых преобразователей частоты, электроприводы с такими преобразователями оказываются в 
раза тяжелее и дороже электроприводов с двигателями постоянного тока. Поэтому выпуск машин постоянного тока не сокращается, и они находят все новые области применения.
Обмотки якоря машины постоянного тока
В современных машинах постоянного тока якорная обмотка укладывается в пазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки называются барабанными. Основным элементом обмотки якоря является секция. Секция состоит из одного или нескольких витков и присоединяется своими концами к коллекторным пластинам. Между собой секции соединяются последовательно, образуя замкнутую обмотку.
В зависимости от внешнего очертания схемы соединения секций обмотки якоря подразделяются на петлевые и волновые (рис. 6.2).
Для удобного расположения лобовых частей секции выполняются в двух плоскостях так, что одна сторона секции располагается в верхней части паза, а другая - в нижней, аналогично секциям обмоток машин переменного тока (рис. 3.1). Такие обмотки называются двухслойными.
При построении схемы обмотки якоря используют ее плоское изображение, когда якорь разделен по осевой линии и развернут (рис. 6.3). Стороны секции, расположенной в верхней части паза, обозначаются сплошной линией, а в нижней - пунктирной. Будем предполагать, что такой якорь движется относительно неподвижных полюсов справа налево, а полюсы находятся перед плоскостью чертежа. При этом ЭДС в проводниках будет направлена вниз под северным полюсом и вверх - под южным. Индуцируемая ЭДС секции максимальна, если ширина секции 
равна полюсному делению t,
,
так как в этом случае секция сцеплена с полным потоком полюса. Шаг секции 
обычно выражается в зубцовых или пазовых делениях,
целое число.
Рассмотрим схему петлевой обмотки со следующими данными: число полюсов 
; число пазов 
; полюсное деление 
; шаг секции 
.
Петлевая обмотка образуется путем последовательного соединения секций, расположенных в соседних пазах (рис. 6.4).
Номера секционных сторон и связанных с ними коллекторных пластин соответствуют номерам пазов, в верхней части которых расположены эти стороны секций. При последовательном соединении всех секций якоря образуется короткозамкнутая обмотка. Поскольку направления ЭДС под северным и южным полюсами противоположны, то сумма ЭДС в обмотке равна нулю.
При симметричных секциях щетки должны быть расположены под серединами полюсов. Полярность щетки определяется знаком ЭДС секций, связанных с этой щеткой. Щетки одной полярности замыкаются между собой, поэтому по отношению к внешней сети обмотка якоря распадается на 
параллельных ветвей. Параллельную ветвь образуют секции, находящиеся под одним полюсом.
Расположение параллельных ветвей в пространстве относительно полюсов не меняется при фиксированном положении щеток. При вращении якоря каждая секция переходит из одной параллельной ветви в другую. Во время такого перехода секция замыкается щеткой накоротко, и при нагрузке в ней происходит изменение направления тока на противоположное. Это явление называется коммутацией.
Свойства волновых обмоток рассмотрим на примере обмотки со следующими данными: 
; 
; 
; 
. Расстояние между соседними секциями волновой обмотки y (рис. 6.2, б) выбирают таким образом, чтобы при полном обходе якоря обмотка не замыкалась сама на себя, а начинался новый обход из соседнего паза. Это условие выполняется, если 
. В соответствии с таким шагом последовательно соединяются секции, расположенные в пазах 1, 9, 17, 8, 16, 7 и т.д. (рис. 6.5).
Для наглядности схему волновой обмотки удобно представить в виде электрической цепи (рис. 6.6), из которой следует, что все секции, находящиеся под северными полюсами, образуют одну параллельную ветвь, а все секции, расположенные под южными полюсами, - другую. Таким образом, число параллельных ветвей волновой обмотки равно 
и не зависит от числа полюсов. Поэтому можно было бы ограничиться наложением на коллектор только двух щеток, например 
и 
. Но обычно устанавливают полное число щеток, равное числу полюсов. Это делается, главным образом, для того, чтобы обеспечить симметрию параллельных ветвей. При полном комплекте щеток каждая параллельная ветвь содержит по 6 секций. При установке только двух щеток 
и 
секция 9 будет входить в верхнюю параллельную ветвь, увеличивая число ее секций до 7. При этом возникнет несимметрия ЭДС параллельных ветвей, под действием которой внутри короткозамкнутой обмотки потечет уравнительный ток. Кроме того, при одной щетке 
секции 1 и 10 соединяются последовательно, а при полном комплекте щеток - параллельно. Последовательное соединение обуславливает больший ток при замыкании этих секций щеткой 
и, следовательно, ухудшаются условия токосъема с коллектора.
Волновые обмотки применяются в высоковольтных (
) машинах постоянного тока с относительно малыми токами якоря (до 
). В низковольтных машинах постоянного тока при больших токах в якоре используются петлевые обмотки.
