Все |0-9 |А |Б |В |Г |Д |Е |Ж |З |И |К |Л |М |Н |О |П |Р |С |Т |У |Ф |Х |Ц |Ч |Ш |Щ |Э |Ю |Я

Каталог статей Принципы действия устройств Электрические машины

Поиск по тегам : электродвигатель, асинхронные, синхронные, с фазным ротором, с короткозамкнутым ротором, постоянного тока


Машины постоянного тока

Рейтинг 2.3/5 (49 голосов)

 

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАШИНАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Использование в промышленности машин постоянного тока, несмотря на то что стоимость их выше, чем машин переменного тока, продиктовано их лучшими эксплуатационными характеристиками в отношении регулирования частоты вращения, пуска, изменения направления вращения, а также более высокой степенью перегрузки. Несмотря на то, что поиск в разработке двигателей переменного тока с характеристиками близкими к машинам постоянного тока ведётся, тем не менее, век машин постоянного тока ещё  далеко не закончен.

Широкое применение машин постоянного тока требует большого разнообразия их номинальных данных (мощности, частоты вращения, напряжения) и различных конструктивных исполнений соответственно условиям их установки и эксплуатации.

Машины постоянного тока изготовляются на мощности от долей ватта до 12 000 кВт. Номинальное напряжение их обычно не превышает 1500 В и только иногда для мощных машин доходит до 3000 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах - от нескольких оборотов в минуту до нескольких тысяч.

Наиболее широкое применение нашли машины постоянного тока с механическим коммутатором - коллектором. Коллектор осложняет условия работы машины, но опыт эксплуатации в самых тяжелых условиях работы показал, что правильно спроектированная и качественно изготовленная машина постоянного тока является не менее надежной, чем более простые по конструкции   машины   переменного тока.

 

 

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

На рис. 1. схематично изображен поперечный разрез машины постоянного тока. На неподвижной части машины (статоре)   размещаются   стальные полюсы П с надетыми на них катушками обмотки возбуждения В. Катушки соединяются между собой так, чтобы при прохождении по об­мотке постоянного тока полюсы приобретали чередующуюся полярность (N, S, N, S и т.д.). Поток Ф, создаваемый обмоткой возбуждения, неизменен во времени и замыкается, как показано на рис. 1. штриховыми линиями.

На вращающейся части машины располагается обмотка О, в которой индуктируется основная

ЭДС, поэтому в машинах постоянного тока вращающуюся часть называют якорем.

Обмотка укладывается на стальном сердечнике М, закрепленном на валу (на рисунке не показан). Предположим, что сердечник выполнен в виде полого цилиндра, на внешней и внутренней поверхностях которого размещаются проводники. С торцевых сторон эти проводники соединя­ются между собой, образуя замкнутый контур. Сплошные линии на рисунке показывают соединения проводников с переднего торца, а штрихпунктирные - с заднего.

Изображенный на рисунке якорь называется кольцевым. В настоящее время кольцевой якорь не имеет широкого практического применения. Однако в дальнейшем при изложении некоторых физических процессов, происходящих в машине, будем рассматривать такой якорь, чтобы получить более наглядную картину.

От обмотки якоря выполняются ответвления к пластинам коллектора (К). Коллектор располагается на валу якоря и представляет собой цилиндрическое тело, состоящее из электрически изолированных между собой медных пластин. Часть обмотки, заключенная между следующими друг за другом ответвлениями к коллекторным пластинам, называется секцией. Обмотка имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких вит­ков. Число коллекторных пластин равно числу секций. Показанная на рисунке обмотка состоит из 12 одновитковых секций, а коллектор имеет 12 пластин.

При вращении якоря в проводниках его обмотки индуктируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. На рис. 1. стрелкой показано направление вращения якоря. Там же показаны и направления ЭДС в проводниках обмотки якоря. В кольцевой обмотке ЭДС будет индуктироваться только в проводниках, расположенных на внешней поверхности сердечника якоря, В проводниках, лежащих на внутренней поверхности, ЭДС не наводится, так как эти проводники не пересекают индукционных линий магнитного поля. Поэтому проводники, расположенные на внешней поверхности сердечника якоря, являются активными, а на внутренней - неактивными.

В обмотке якоря машины постоянного тока наводится переменная ЭДС, так как каждый проводник поочередно проходит полюсы разной полярности, вследствие чего ЭДС в них меняет свое направление. Если машина работает генератором, то переменная ЭДС обмотки должна быть выпрямлена. Достигается это с помощью коллектора. С коллектором соприкасаются неподвижные щетки Щ, посредством которых обмотка якоря соединяется с внешней сетью. Для того чтобы ЭДС на выводах машины имела максимальное значение, щетки следует установить в тех местах, где ЭДС, наводимая в проводниках, меняет направление. Это происходит под серединой межполюсного промежутка. Воображаемая линия, проведенная через середину межполюсного промежутка, называется геометрической нейтралью ГН. Следовательно, в машинах постоянного тока щетки должны быть установлены на геометрической нейтрали. Поскольку число нейтралей равно числу полюсов, то и число мест, где устанавливаются щетки, выбирается равным числу полюсов.

Для момента времени, к которому относится картина, изображенная на рисунке, между каждой парой соседних щеток включены проводники обмотки якоря с одинаковым направлением ЭДС. Поэтому щетки, соприкасающиеся с определенными коллекторными пластинами, будут иметь указанную на  рисунке полярность.

При вращении якоря расположение секций в пространстве будет меняться. При этом будет изменяться направление ЭДС, индуктируемой в проводниках соответствующих секций. Но всегда между коллекторными пластинами, с которыми соприкасаются неподвижные щетки, будут распо­лагаться проводники с одинаковым направлением ЭДС и щетки будут иметь определенную полярность. Полярность соседних щеток, как и полярность полюсов, будет чередующейся. Щетки одноименной полярности соединяются между собой, а к их общим выводам подключается внешняя сеть. При наличии коллектора во внешней сети генератора будет протекать постоянный ток, в то время как в обмотке якоря ЭДС и ток будут переменными. Направление тока в проводниках будет совпадать с направлением ЭДС.

В двигателях постоянного тока к щеткам подводится постоянный ток. Роль коллектора в этом случае состоит в том, чтобы в любой момент времени обеспечить такое распределение тока по обмотке якоря, при котором под полюсами разной полярности располагались бы проводники с противоположным направлением тока.

Например, для определенного момента времени такому распределению тока по проводникам обмотки якоря может соответствовать картина, показанная на рис. 1. При показанном на рисунке распределении тока электромагнитные силы всех проводников имеют одинаковые направления, в чем можно убедиться, применяя правило левой руки. В результате этого при прочих равных условиях двигатель создает наибольший вращающий момент, под действием которого якорь придет во вращение в направлении, противоположном указанному на рис. 1. для генераторного ре­жима.

По отношению к выводам сети обмотка якоря разбивается на параллельные ветви. Параллельной ветвью называют группу последовательно соединенных проводников, включенных между щетками разной полярности. В данной машине обмотка имеет четыре параллельные ветви. Ее развертка по отношению к выводам сети показана на рис. 2. Электродвижущая сила на выводах машины при холостом ходе (без нагрузки) будет равна ЭДС одной параллельной ветви, а ток в сети при нагрузке будет равен сумме токов параллельных ветвей.

В замкнутом контуре самой обмотки якоря машины постоянного тока сумма ЭДС равна нулю (рис. 1.), поэтому при разомкнутой внешней цепи ток в обмотке возникать не будет.

 

 

 

КОНСТРУКЦИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

На рис. 3 дан чертеж современной машины постоянного тока с продольным и поперечным разрезами. Статор состоит из станины 1 и прикрепленных к ней главных 2 и дополнительных 3 полюсов. Станину машин относительно небольшой мощности изготовляют из отрезков цельнотянутых стальных труб, а у мощных машин выполняют сварной из толстолистового стального проката. Для закрепления машины на фундаменте или исполнительном механизме к нижней части станины приваривают лапы 4, а для транспортировки в станину ввертывают рым-болты 5.

 

 

На сердечниках главных полюсов размещают обмотку возбуждения 6, которую изготовляют в виде катушек из медных изолированных проводников круглого или прямоугольного сечения. Катушки изолируют лентой и после пропитки и сушки насаживают на сердечник полюса и закреп­ляют стальными пружинящими рамками. Иногда для увеличения поверхности охлаждения катушку делят на две части. Полюс с надетой на него катушкой прикрепляют к станине болтами.

Дополнительные полюсы располагают между главными полюсами и вместе с катушками 14 их обмотки возбуждения также болтами прикрепляют к станине.

Якорь состоит из сердечника 7, обмотки 8 и коллектора 9.

Сердечник собирают из отдельных листов толщиной 0,5 мм, которые штампуют из электротехнической стали. В листах якоря вырубают пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Укладка обмотки в пазы обеспечивает надежное ее закрепление на вращающемся якоре и умень­шает воздушный зазор между полюсом и якорем. Обмотку в пазу закрепляют клином из стеклотекстолита или бандажами, располагаемыми в кольцевых канавках сердечника якоря 13. Вне пазов, в лобовых частях, обмотку закрепляют бандажами 12 из проволоки или стеклоленты.

Собранный сердечник якоря спрессовывают между двумя нажимными шайбами и закрепляют на валу втулкой либо пружинным разрезным кольцом.

Станина, сердечники полюса и якоря являются участками магнитопровода, по которым замыкается магнитный поток, созданный обмотками возбуждения. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути этого потока все указанные участки выполняют из стали. Для этой же цели воздушный зазор между якорем и полюсами стараются принимать меньшим. Обычно он составляет доли миллиметра у небольших машин и несколько миллиметров у более мощных.

При вращении якоря сталь его сердечника будет перемагничиваться, в ней будут индуктироваться переменные токи - вихревые, которые будут вызывать потери. Для снижения потерь от вихревых токов сердечник, как уже указывалось, собирается из отдельных изолированных друг от друга листов. Для изоляции листы после штамповки покрывают лаком. Из-за зубчатого строения якоря в зазоре будет происходить пульсация потока, в результате чего в полюсном наконечнике также будут наводиться вихревые токи, для уменьшения которых наконечник и весь полюс собирают из отдельных листов.

По коллектору скользят неподвижные щетки, которые размещаются в щеткодержателях. Щеткодержатели закрепляют на цилиндрических или призматических пальцах 10, которые в свою очередь закрепляют на траверсе 11. Пальцы выполняют из гетинакса либо из стали, опрессо-ванной пластмассой в месте сочленения его с траверсой. Обычно число пальцев выбирают равным числу полюсов.

Якорь вращается в подшипниках 15, которые размещены в торцевых щитах, называемых подшипниковыми щитами 16.

Некоторые конструктивные элементы машины рассмотрим подробнее.

Главные полюсы (рис. 4) собирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1 мм. Листы спрессовывают в пакет и скрепляют стальными заклепками, число которых принимают не менее четырех. Крайние листы полюса выполняют из более толстой стали (4 - 10 мм) во избежание распушения листов.

 

 

Для того чтобы получить необходимый характер распределения магнитного поля в воздушном зазоре, полюс заканчивают полюсным наконечником определенной формы.

Воздушный зазор между полюсами и якорем или выполняют одинаковым по всей ширине полюсного наконечника, или под краями наконечника вследствие его скоса делают больше. Иногда делают эксцентричный воздушный зазор, при котором центры радиусов якоря и наконечника полюса не совпадают. Зазор при этом постепенно увели­чивается от середины полюса к его краю (рис. 5).

В полюсе имеется отверстие с резьбой, в которое вворачивается болт, с помощью которого полюс прикрепляют к станине. Для более надежного крепления полюса у крупных машин и машин, работающих в условиях тряски, болты вворачивают в специальный стержень, вставленный в полюс (см. рис.4).
Сердечник якоря может состоять из одного или нескольких пакетов. При длине сердечника менее 25 см он выполнен из одного пакета (рис. 6) и при большей длине - из нескольких (рис. 7). Между пакетами с помощью специальных распорок создают вентиляционные каналы, предназначенные для лучшего охлаждения якоря.

 

 

 

 

 

Форму пазов, вырубаемых в сердечнике якоря, выбирают овальной полузакрытой для машин небольшой мощности и прямоугольной открытой для машин средней и большой мощности (рис. 8). Между стенками паза и проводниками обмотки укладывают изоляцию (пазовая изоляция). На рис. 8 показано крепление обмотки в пазу с помощью клина.

Коллектор состоит из большого числа электрически изолированных друг от друга пластин, которые штампуют из профильной меди (рис. 9). Изоляцию осуществляют тонкими прокладками, вырубленными из миканита (прессованная слюда), которые закладывают между медными пластинами. Прокладки имеют форму пластин. Набор коллекторных пластин с прокладками должен быть прочно закреплен и должен иметь строго цилиндрическую форму.
По способу крепления пластин существует большое многообразие конструкций коллекторов, две из которых показаны на рис. 10. На рис. 10, а коллекторные пластины зажимаются между корпусом и нажимным фланцем. Корпус и нажимной фланец выполняют из стали, а для изоляции на них надевают миканитовые манжеты. На рис. 10,б показано крепление пластин с помощью пластмассы. В настоящее время для машин небольшой и средней мощности наибольшее применение находят коллекторы с пластмассовым корпусом.
 
 

Собранный коллектор насаживают на вал и закрепляют от проворачивания шпонкой. К каждой коллекторной пластине подсоединяют проводники от секций, из которых состоит обмотка якоря. Для подсоединения проводников у коллекторных пластин со стороны, обращенной к якорю, выполняют выступы, называемые петушками, в которых фрезеруют шлицы. В эти шлицы закладывают и затем запаивают проводники обмоток.

Щеткодержатели (рис. 11) в машинах постоянного тока выполняют с радиальным или с наклонным по отношению к поверхности коллектора перемещением щетки. Наиболее распространенными являются щеткодержатели с радиальным перемещением щетки. Наклонные щеткодержатели - реактивные щеткодержатели - применяют для машин с односторонним направлением вращения. Щетки прижимают к коллектору пружинами.

Дополнительные полюсы предназначены для улучшения работы щеточного контакта (уменьшения искрения). Сердечники дополнительных полюсов могут быть выполнены цельными из полосовой стали или собранными из отдельных листов электротехнической стали толщиной 1 мм.

 

 

 
 
 

В последнее время наметилась тенденция собирать статор двигателей постоянного тока из отдельных листов электротехнической стали. Штамп в листе одновременно вырубает ярмо, главные и дополнительные полюсы (рис. 12).

 

 

 



Related items

 
Эл. двигатели (введение)