колекторний і щітковий апарат машини постійного струму складають вузол, що викликає труднощі при проектуванні, виготовленні та експлуатації машини. Звідси випливає бажання замінити цей вузол безконтактним комутатором струму, що можливо здійснити за допомогою керованих електричних вентилів, особливо напівпровідникових.

Побудувати електромашинний джерело постійного струму без механічного колектора неважко. Для цієї мети можна використовувати синхронний генератор в поєднанні з напівпровідниковим випрямлячем постійного струму. Тому основним завданням є створення двигунів постійного струму з напівпровідниковими комутаторами. Можливі два різновиди таких двигунів. В обох різновидах обмотка якоря разом з напівпровідниковим комутатором розташовується на нерухомої частини машини (статорі), а індуктором є ротор машини. При цьому на роторі розміщуються полюси в вигляді постійних магнітів або порушувані постійним струмом через контактні кільця. У першому випадку двигун повністю позбавлений ковзних електричних контактів (безконтактний двигун).

На малюнку 1 схематично зображено двигун, в якому застосовується така ж замкнута обмотка якоря 1, як і у звичайних машин постійного струму. Для простоти на малюнку 1 представлений двополюсний двигун з малим числом секцій в обмотці якоря. Роль колекторних пластин і щіток тут грають керовані напівпровідникові вентилі - тиристори 1 ', 1' ', 2', 2 '' і так далі, що з'єднують обмотку якоря 1 зі збірними шинами 2. Шини 2 в свою чергу приєднуються до мережі постійного струму.

Малюнок 1. Схема двигуна постійного струму з напівпровідниковим комутатором і з обмоткою якоря типу обмотки постійного струму

У положенні ротора 3, зображеному на малюнку 1, струм повинні проводити тиристори груп 2 '- 2' 'і 6' - 6 ''. Припустимо, що струм проводять тиристори 2 'і 6' '. Тоді струм I a = 2 × i a розподілиться по обмотці якоря так, як показано на малюнку 1. Нехай при цьому створюється потік якоря Ф a, напрямок якого також показано на малюнку 1. Тоді виникає електромагнітний момент M, під впливом якого ротор буде повертатися за годинниковою стрілкою. Після повороту ротора на 1/8 обороту необхідно відключити тиристори 2 ', 6' 'і включити тиристори 3', 7 '', потім після повороту ротора на 1/8 обороту - включити тиристори 4 ', 8' 'і так далі. В результаті такого узгодженого з обертанням ротора перемикання тиристорів розглянута машина працює подібно нормальній машині постійного струму і має такі ж характеристики.

Включення і відключення тиристорів виробляються за допомогою подачі на їх керуючі електроди імпульсів електричної напруги з відповідною тривалістю. Ці імпульси виробляються спеціальним пристроєм, що реагує на положення ротора (на малюнку 1 не показано). У найпростішому випадку такий пристрій складається з допоміжного постійного магніту, укріпленого на роторі двигуна, і розташованих на статорі, за його кола, котушок, число яких дорівнює числу секцій якоря. Постійний магніт при обертанні ротора індукує черзі в котушках електрорушійні сили, які подаються на керуючі електроди.
При великому числі секцій двигун розглянутого типу володіє хорошими властивостями, однак при цьому потрібна велика кількість тиристорів і складний пристрій управління ними. Тому в даний час переважно застосовуються двигуни зі схемою, зображеної на малюнку 2.

У верхній частині малюнка 2 зображена схема напівпровідникового комутатора, а в нижній частині - схематичний пристрій двигуна з числом пар полюсів 2 p = 2. На статорі цього двигуна є три обмотки ( "фази") А, В, С, зсунуті по колу на 120 °. Пристрій цих обмоток аналогічно пристрою обмоток якоря машин змінного струму. Кожна з обмоток при харчуванні її струмом створює магнітний потік , Що діє за її осі, і тому потоки окремих обмоток також зрушені на 120 °.

Одночасно харчуються струмом все три обмотки, до того ж напрямку струмів в них по черзі змінюються в такій послідовності, як показано на малюнку 3, а. З цього ж малюнка стає зрозумілим, як при цьому повертається в просторі магнітне поле обмотки якоря. В результаті взаємодії магнітного поля і індуктора останній буде повертатися слідом за полем якоря. Управління напівпровідникових комутатором здійснюється за таким же принципом, як і у двигуна, розглянутого вище.

Малюнок 3. Послідовність напрямків струмів в "фазах" обмотки якоря двигуна за схемою малюнка 2 (а) і ідеалізовані форми кривих струму в "фазах" обмотки якоря (б)

Відзначимо, що комутатор, який ви бачите на малюнку 2, по суті, є напівпровідниковим інвертором, перетворювати постійний струм в трифазний змінний струм.

На малюнку 3, б представлені ідеалізовані криві струму в "фазах" обмотки. Цифрами 1 - 6 на цьому малюнку вказані інтервали часу, які відповідають позиціям 1 - 6 на малюнку 3, а. Насправді завдяки впливу, що згладжує индуктивностей обмотки форма кривих струму наближається до синусоїдальної.

На підставі викладеного представлена ​​на малюнку 2 машина є, по суті, трифазної синхронної машиною, яка харчується через трифазний інвертор струму. Однак вона має всі властивості звичайної колекторної машини постійного струму з тієї причини, що харчування її обмотки якоря струмом проводиться в функції кута повороту ротора так само, як у звичайній машині постійного струму.

Більш докладні відомості про машини постійного струму з напівпровідниковими комутаторами містяться в книзі І.І Овчинникова і Н.І. Лебедєва, "Безконтактні двигуни постійного струму автоматичних пристроїв", 1966 рік.

Джерело: Вольдек А. І., "Електричні машини. Підручник для технічних навчальних закладів" - 3-е видання, перероблене - Ленінград: Енергія, 1978 - 832с.