При продолжительном процессе э. д. с. должна быть переменной, так как потокосцепление не может возрастать неограниченно, а при убывании э. д. с. меняется знак производной. Поэтому во вращающейся обмотке машины индуктируется переменная э. д. с., для выпрямления которой необходим коллектор.
Выпрямление этой э. д. с. можно проследить на примере устройства кольцевого якоря.
Сердечник кольцевого якоря выполнен в виде полого цилиндра, который собран из пластин электротехнической стали. Обмотка кольцевого якоря обвивает цилиндр и образует замкнутый контур из большого числа витков. Главные полюсы образуют магнитный поток, который проходит по сердечнику якоря, не проходя во внутреннюю полость цилиндра якоря.
Поэтому при вращении якоря магнитное поле воздействует только на проводники обмотки, которые лежат на внешней поверхности якоря, и э. д. с. индуктируется только в них. По правилу правой руки определяем, что э. д. с., которые индуктируются в проводниках, лежат под разноименными полюсами, поэтому имеют противоположное направление. Вследствие симметричного построения машины э. д. с. не создают внутреннего уравнительного тока.
Для использования э. д. с. двух половин обмотки при рассмотрении двухполюсной машины можно наложить на якорь две неподвижные щетки, при этом освободив от изоляции ту часть поверхности проводников якоря, которая касается щеток при вращении якоря. Ставить щетки необходимо посредине между главными полюсами. Таким образом, обмотка разделяется на две параллельные ветви, которые являются двумя источниками э. д. с. Эти э. д. с. способны совместно посылать токи во внешнюю цепь.
Э. д. с., образовывающиеся в витках параллельных ветвей обмотки, должны иметь одинаковые направления, которые зависят от направлений магнитного поля и вращения якоря. Щетки стоят между главными полюсами машины в области, где магнитная индукция является практически равной нулю.
Данное пространство называется нейтральной зоной машины. По окружности якоря магнитная индукция будут распределяться в зависимости от магнитного сопротивления. Для равномерности распре- деления применяются полюсные наконечники. Когда щетки сдвинуты из нейтральной зоны, в одной и той же параллельной ветви помещаются секции с противоположным направлением э. д. с., поэтому напряжение между щетками уменьшается. Оно станет равным нулю при помещении щеток под срединами полюсов.
За счет щеток напряжение на зажимах машины является постоянным, несмотря на то что в каждом из проводников обмотки ее якоря индуктируется переменная э. д. с. Проводники, которые движутся непрерывно, переходят от северного к южному полюсу, поэтому направление индуктируемой в них э. д. с. изменяется.
При этом по отношению к полюсам машины положение группы проводников остается постоянным. Одни проводники из этой группы уходят, но то же количество проводников в нее поступает. Когда число пар полюсов машины больше 1, спиральная обмотка кольцевого якоря должна иметь увеличенное число щеток, чтобы соединять параллельно все ветви обмотки.
Щетки с одинаковой полярностью соединены между собой так, чтобы образовались положительный и отрицательный полюсы обмотки якоря. В случае более сложных обмоток число параллельных ветвей 2а не обязательно должно соответствовать числу полюсов 2р. Рассмотренная схема машины не имела коллектора, так как его роль выполняла сама обмотка якоря. Однако при контакте щеток с обмоткой якоря условия работы контактов неблагоприятны вследствие высокой скорости на поверхности якоря. Такие контакты можно сделать надежнее, если перенести щетки на пластины коллектора. Пластины необходимо соединить проводниками (петушками) с соответствующими секциями якоря. Щетки соединяют параллельно ветви обмотки так же, как при прямом контакте с якорем. Так как диаметр коллектора намного меньше диаметра якоря, его окружная скорость значительно уменьшается. При этом пластины коллектора механически значительно прочнее проводников обмотки якоря.
В генераторах щетки и коллектор применяют для выпрямления переменной э. д. с. витков обмотки. В двигателях коллектор и щетки призваны обеспечивать непрерывность вращения. Через все проводники параллельной ветви обмотки якоря протекают одинаковые токи. Когда на все эти проводники действует электромагнитная сила одинакового направления, двигатель развивает максимальный вращающий момент. Если проводник переходит от одного полюса к другому полюсу, то и щетки, и коллектор производят переключение направления тока, проходящего по проводнику. За счет этих переключений направление вращающего момента сохраняется постоянным.