Електрична машина служить для перетворення механічної енергії в електричну, або, навпаки, електричної енергії в механічну, або ж для перетворення електричної енергії одного виду в електричну енергію іншого виду. Відповідно до цього електрична машина працює: у першому випадку - генератором, у другому - електродвигуном і в третьому - перетворювачем.
Принцип дії цієї машини базується на двох основних законах електрики й магнетизму, які діють у ній одночасно: законі електромагнітної індукції й законі електромагнітної взаємодії струму й магнітного поля. Закон електромагнітної індукції визначає величину і напрямок електрорушійної сили в контурі із провідників, які рухаються в магнітному полі. Закон електромагнітної взаємодії струму в провіднику і магнітного поля є основним для пояснення рухової дії електричної машини.
В електричній машині провідники рухаються перпендикулярно відносно магнітних ліній поля.
Для визначення напрямку електрорушійної сили (е.р.с.), яка індукується у провіднику і механічної дії струму в ньому служать мнемонічні правила: правило правої руки - для визначення напрямку е.р.с. при нерухомому в просторі магнітному полі і провіднику, який рухається, і правило лівої руки - для визначення напрямку механічної дії струму при тій же умові.
При такім розташуванні провідника перпендикулярно силовим лініям магнітного поля й при русі вправо або вліво він перетинає їх. У цьому випадку в ньому за законом електромагнітної індукції індукується е.р.с. відповідного напрямку. Якщо, наприклад, (на рис. 1.1, а) до провідника ab прикласти зовнішню механічну силу f і переміщати його вправо зі швидкістю v, то при перетині ним силових ліній магнітного поля полюсів у провіднику індукується е.р.с., напрямок якої можна визначити за правилом правої руки. Для цього потрібно долоню правої руки помістити перпендикулярно силовим лініям поля і повернути до північного полюса N, а великий палець руки направити за рухом (в напрямку руху) провідника, тоді інші пальці руки покажуть напрямок е.р.с. у провіднику. У цьому випадку вона спрямована в ньому від кінця а до b. За законом електромагнітної індукції величина цієї е.р.с. (В)
е = Blv,
де В — індукція в повітряному просторі між полюсами, Т; l — довжина провідника, м; v — швидкість руху провідника, м/с.
Якщо тепер до кінців провідника ab підключити за допомогою з’єднувальних провідників вимірювальний прилад — вольтметр V, то в замкнутому колі, яке утворилося, із провідників і вольтметра під впливом е.р.с. виникне і потече електричний струм i, який збігається по напрямку з е.р.с. (див. рис 1.1, а). У результаті цього в замкнутому колі утвориться електрична енергія, рівна добутку ei і отримана з підведеної до провідника ab механічної енергії поступального руху при прикладанні до нього зовнішньої механічної сили f. На рис. 1.1, а представлена в принципі елементарна електрична машина, яка у цьому випадку працює в генераторному режимі, перетворюючи підведену до неї механічну енергію в електричну. При протіканні в провіднику ab струму i останній взаємодіє з магнітним полем полюсів за законом електромагнітної взаємодії струму і поля і створює електромеханічну силу f', спрямовану у зворотну сторону до дії зовнішньої сили f. Напрямок дії сили f' визначається правилом лівої руки. Для цього долоню лівої руки потрібно розмістити перпендикулярно силовим лініям поля і повернути до північного полюса N, а пальці розташувати в напрямку протікання струму i у провіднику ab, тоді відігнутий великий палець руки покаже напрямок дії електромеханічної сили f'. Ця сила є гальмуючою, вона забезпечує необхідну рівновагу між підведеною до провідника зовнішньою механічною енергією і одержуваною від нього електричною енергією.
Якщо тепер пропустити струм i через провідник ab у тому ж напрямку, як і на рис. 1.1,а, від стороннього джерела, наприклад від акумуляторної батареї (рис. 1.1,б), то взаємодія цього струму i з магнітним полем полюсів викличе електромеханічну силу f' того ж напрямку, що і у генераторному режимі (див. рис. 1.1, а). Під впливом цієї сили f' провідник ab переміщується вліво зі швидкістю v' і перетинає силові лінії поля. За законом електромагнітної індукції в ньому індукується відповідна е.р.с. е, спрямована проти зовнішнього струму батареї і. Напрямок цієї е.р.с. визначається правилом правої руки. У цьому випадку електрична енергія, яка підводиться до провідника ab від акумуляторної батареї перетворюється в механічну енергію руху під впливом електромеханічної сили f'. Отже, розглянута елементарна електрична машина при цій умові працює в руховому режимі, перетворюючи підведену до неї електричну енергію в механічну.
Таким чином, перетворення в електричній машині підведеної до неї механічної енергії в електричну або навпаки відбувається на основі двох основних законів природи, які діють у ній одночасно: закон електромагнітної індукції й закон електромагнітної взаємодії струму і магнітного поля.
Зі згаданого закону електромагнітної індукції треба, що для виникнення в замкнутому контурі, що складається із провідників, е.р.с. і струму необхідно, щоб провідники при русі перетинали магнітні силові лінії. Зазвичай в електричних машинах для переміщення провідників у магнітному полі використовують не поступальний рух, як представлено на рис. 1.1, а круговий, або обертальний. Тому для здійснення можливості перетворення в електричній машині підведеної до неї механічної енергії в електричну або назад машина повинна мати конструктивно дві основні частини: частина, що створювала б магнітне поле, і частина, що несла б на собі контури із провідників. При цьому одна з основних частин машини повинна переміщатися або, точніше, обертатися відносно іншої.
Та частина електричної машини, яка створює магнітне поле, носить назву полюсів. Полюси разом зі станиною утворюють магнітну систему машини. Вона зазвичай виконується нерухомою. Та ж частина машини, на якій розташована обмотка, носить назву якоря. Вал якоря обертається у двох підшипниках у щитах, прикріплених до нерухомої станини. Між нерухомою і обертальною частинами машини конструкційно передбачається повітряний прошарок.
За способом одержання постійної напруги на затискачах машини існує два принципово різних типи машин постійного струму: уніполярна і колекторна (багатополярна).
Уніполярна машина постійного струму. За способом одержання постійної напруги уніполярна машина є власне кажучи машиною постійного струму, тому що індукована в ній е.р.с. при незмінній швидкості обертання має постійну величину і напрямок. На рис. 1.2 показаний принцип будови уніполярної машини з металевим диском (1), який обертається. Цей диск із радіусом ab = l розташований своєю площиною між полюсами магніту перпендикулярно силовим лініям його поля. На вал і обід диска накладені щітки М1 і M2 для зняття індукованої в радіальних волокнах диска е.р.с. (е) постійного напрямку (рис. 1.2). При обертанні, наприклад, диска за допомогою ручки за годинниковою стрілкою радіальні волокна його безупинно підходять до щітки М2, перетинаючи магнітні силові лінії поля. У них за законом електромагнітної індукції індукується е.р.с. (е) постійної величини і напрямку, обумовленого правилом правої руки. При зазначених на рис. 1.2 полярності полюсів і напрямку обертання диска ця е.р.с. спрямована по його радіусу від периферії b до центру а. Такий процес індукування е.р.с. у радіальних волокнах диска, при якому вони перетинають постійне поле між полюсами одного напрямку, одержав назву уніполярної (однополярної) індукції. Електрична ж машина, яка працює за цим принципом, одержала назву уніполярної машини.
Якщо тепер підключити до щіток машини М1 і М2, за допомогою з’єднувальних провідників електричну лампу відповідної напруги, то в замкнутому колі, що утворилося, потече постійний струм i у напрямку від щітки М1 через лампу до щітки М2.
Поряд з уніполярними машинами з обертальним диском і радіальним розташуванням щіток М1 і М2 розроблялися також конструкції уніполярних машин з обертальним металевим циліндром, у яких щітки встановлювалися на твірній по краях циліндра. Недоліки уніполярних машин: низька вихідна напруга машини, не перевищуючого порядку 10 - 12 В; недостатній коефіцієнт корисної дії її через значні механічні втрати на тертя щіток об обертові частини машини й швидке зношування щіток при більших кутових швидкостях обертання.
Колекторна машина постійного струму. У колекторній машині постійного струму індукування е.р.с. у провідниках основане на використанні так званої багатополярної електромагнітної індукції, яка має місце, коли провідник при своєму обертанні за один оберт кілька разів перетинає поперемінно магнітні лінії протилежного напрямку. Якщо, наприклад, обертати виток abсd навколо вісі якоря (рис. 1.3,а), то провідник ab (або cd) за один оберт перетне магнітне поле полюсів два рази — під північним полюсом і південним, де напрямки магнітних ліній щодо провідника будуть різними. У результаті такого обертання витка із двома активними провідниками ab і cd у ньому індукується е.р.с. змінного напрямку, рівна подвоєній величині е.р.с. одного провідника. Як показано далі, для одержання постійної напруги на щітках машини ця змінна е.р.с. «випрямляється» за допомогою механічного пристрою, називаного колектором (рис. 1.3,б і 1.5).
Для ілюстрації одержання в електричній машині змінної е.р.с. на основі багатополярної електромагнітної індукції (на рис. 1.3, а) схематично представлена машина змінного струму. Тут на поверхню циліндра з магнітного матеріалу, поміщеного між полюсами магніту, накладений виток abсd. Кінці його приєднані до двох металевих контактних кілець, які ізольовані один від одного і вала. При обертанні в магнітному полі полюсів у цьому витку індукується змінна е.р.с, зміна якої за один оберт якоря представлена штриховою синусоїдальною кривою 2 (рис. 1.4). Найбільше значення цієї е.р.с. одержується при горизонтальному положенні 1—3 витка і рівне нулю — у вертикальному положенні 2—4 його. Цифри 1, 2, 3 і т.д. на рис. 1.4 відповідають положенням 1, 2, 3, і т.д. провідника ab по колу на рис. 1.3, б при його обертанні. За допомогою двох накладених на контактні кільця щіток М1 і М2 можна одержати від цієї машини змінний струм для живлення, наприклад, лампи накалювання.
При одержанні постійної за напрямком напруги на щітках М1 і M2 потрібно два кільця замінити двома ізольованими один від одного і вала металевими півкільцями І і ІІ і до них приєднати кінці витка abсd (див. рис. 1.3,б). Середини цих півкілець повинні збігатися із площиною витка, для того щоб при обертанні його щітки М1 і М2, які розташовані горизонтально, торкалися одночасно двох півкілець при вертикальному положенні, коли е.р.с. у витку дорівнює нулю. Така перебудова дозволяє випрямити змінну е.р.с., яка на щітках М1 і М2 діє в зовнішньому ланцюзі як напруга постійного напрямку. Справді, у положенні 1—3 площини витка abсd (див. рис. 1.3,б) щітка М2 — позитивна, а щітка М1 — негативна. Через півоберт витка сторони його ab і cd поміняються місцями і е.р.с. у кожній з них змінить свій напрямок на протилежний. Отже, щітка М2 як і раніше буде позитивною, а щітка М1 — негативною. Зміна напрямку е.р.с. у сторонах ab і cd витка відбувається в момент проходження його площини через вертикальне положення 2—4, коли щітки взаємно обміняються півкільцями. Внаслідок цього кожна з них зберігає свою колишню полярність і напруга між ними за один оберт графічно представиться суцільною кривою 1 (див. рис. 1.4).. Ця крива напруги на щітках уже не має негативних ординат. Напруга залишиться постійною по напрямку, хоча і змінною по величині. Зображені на рис. 1.3,б півкільця, з'єднані з кінцями витка, утворять так званий колектор електричної машини постійного струму.
Як показує крива 1, зображена на рис. 1.4, при двох півкільцях колектора напруга на щітках змінюється від U=0 до U=Uмакс, тобто носить пульсуючий характер.
З метою зменшення пульсації напруги на щітках колектора машини і підвищення її величини на барабан якоря накладається рівномірно по окружності кілька витків або секцій (котушок) обмотки, які з’єднують послідовно, і відповідно береться необхідне число колекторних пластин.