5-1. Устройство и основные элементы конструкции

Машины постоянного тока — генераторы и двигатели — находят себе широкое применение в современных электроустановках. Они выполняются с неподвижными полюсами и вращающимся якорем. На рис. 5-1 представлен схематически разрез четырехполюсной машины. Здесь же приведены названия ее основных частей.

Рис. 5-1. Основные части машины постоянного тока.

 Характерной частью машин постоянного  тока является коллектор. Он состоит из медных пластин, разделенных изоляционными прослойками и собранных в виде цилиндра (рис. 5-2,а).

Рис. 5-2. Коллектор (а) и лист якоря (б)

 Якорь машины постоянного тока при его вращении перемагничивается, поэтому он собирается из листов электротехнической стали обычно толщиной 0,5 мм (рис. 5-2,б). Листы перед сборкой покрываются с обеих сторон лаком; таким образом, предотвращается образование в стали якоря больших вихревых токов. На внешней поверхности якоря после сборки листов получаются пазы и зубцы. В пазы закладываются проводники обмотки якоря, которые по особым правилам соединяются между собой и с коллекторными пластинами. На рис. 5-3 показаны пазы якоря. Они обычно делаются открытыми, что в большой степени облегчает укладку обмотки и позволяет хорошо ее изолировать. Для небольших машин делаются полузакрытые пазы, так же как для статоров асинхронных машин. У машин небольшой и средней мощности якорь помещается непосредственно на валу, для больших машин — на втулке, выполняемой в виде крестовины. Главные полюсы служат для создания основного поля в машине. Они имеют сердечники, на которых помещается обмотка возбуждения, и полюсные наконечники. Последние удерживают катушки возбуждения и способствуют наиболее благоприятному распределению индукции в воздушном зазоре машины вдоль окружности якоря. Полюсы в современных машинах собираются из стальных листов толщиной 0,5÷1 мм для уменьшения потерь от вихревых токов в поверхностном слое полюсных наконечников, обращенном к якорю. Вихревые токи возникают вследствие пульсации индукции, вызванной зубчатостью якоря: под отдельными частями полюсного наконечника проходит то зубец, то паз якоря, что вызывает в этих частях то сгущение, то разрежение магнитных линий Пульсации индукции проникают в сравнительно неглубокий слой, поэтому можно было бы делать слоистыми только полюсные наконечники. Однако технологически обычно выгоднее весь полюс собирать из листов.

Рис. 5-3. Пазы якоря

Ярмо статора или станина для современных машин большой и средней мощности выполняется из прокатанной листовой стали, согнутой в цилиндр и сваренной по шву, или из литой стали; для машин небольшой мощности — из цельнотянутой стальной трубы. Дополнительные полюсы выполняются обычно из кованой стали или собираются из листов. Они, так же как главные полюсы, прикрепляются к станине при помощи болтов. Их назначение — создать условия для безыскровой работы щеток на коллекторе (улучшить коммутацию, см. § 5-7).

На рис. 5-4 показана машина в разобранном виде. Здесь в нижней части показан якорь, имеющий слева вентилятор и справа коллектор.

Рис. 5-4. Машина постоянного тока в разобранном виде. а — станина, б — якорь, в — подшипниковые щиты, г — траверса со щеткодержателями, д—коробка, прикрывающая зажимы.

 Коллектор состоит из клинообразных пластин твердотянутой меди, которые изолируются друг от друга и от корпуса коллектора миканитом (с малым содержанием связующих веществ). Его конструкция показана на рис. 5-5.

Рис. 5-5. Конструкция коллектора.

 Для малых машин в последние годы часто применяются коллекторы на пластмассе. В этом случае коллекторные пластины вместе с миканитовыми прокладками между ними запрессовываются в пластмассу при соответствующей термической обработке

На коллектор опираются угольные, графитные или металлографитные щетки, помещенные в щеткодержателях. При вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение по отношению к полюсам машины. Щетка 2 (рис. 5-6), помещенная в обойме щеткодержателя, прижимается пружиной к коллектору. Щеткодержатели укрепляются на щеточных болтах, которые в свою очередь укрепляются на траверсе (рис. 5-4,г).

Рис. 5-6. Щетка и щеткодержатель со щеткой. 1 — отверстие для щеточного болта; 2 — щетка; 3 — пружина.

Траверса связывается либо с подшипниковым щитом, либо со станиной; ее можно поворачивать и тем самым изменять положение всей системы щеток по отношению к полюсам машины.

Щеточные болты изолируются от траверсы при помощи изоляционных шайб и втулок.

5-2. Получение постоянного тока при помощи коллектора

Вначале обратимся к кольцевому якорю. Он представляет собой полый цилиндр, собранный из листов электротехнической стали; этот цилиндр укреплен на валу машины, например, при помощи крестовины, имеющей спицы из немагнитного материала. Обмотка якоря обвивает полый цилиндр в виде спирали, поэтому ее называют спиральной или кольцевой обмоткой. Она образует замкнутый контур. Можно считать, что магнитный поток, создаваемый электромагнитами машины, будет проходить только по якорю (рис. 5-7). Если принять, что э.д.с. в проводниках наводятся в результате пересечения проводниками индукционных линии потока в воздушном зазоре, то при вращении якоря э.д.с. возникнут только в проводниках, лежащих на наружной поверхности якоря.

Рис. 5-7. Направление э.д.с., наведенных в обмотке кольцевого якоря.

Направления э.д.с. найдем, пользуясь правилом правой руки. В контуре обмотки вследствие симметрии обеих половин машины никакого уравнительного тока возникать не будет, так как в любой момент времени э.д.с. в проводниках, лежащих под разноименными полюсами, противоположны по. направлению и сумма их равна нулю.

Чтобы использовать э.д.с. обмотки, соединим ее с внешней цепью посредством неподвижных щеток. Последние могут скользить непосредственно по освобожденной от изоляции части проводников якоря, как это иногда делалось в машинах, изготовлявшихся в 80-х годах прошлого столетия. Для того чтобы полностью использовать э.д.с. обмотки, щетки нужно поставить на геометрической нейтрали, т. е. на линии, перпендикулярной оси полюсов. Щетки делят обмотку на две параллельные ветви, причем при указанном на рис. 5-7 положении щеток э.д.с. параллельной ветви будет наибольшей. Если щетки смещать, то э.д.с. в параллельной ветви будет уменьшаться и в предельном случае, когда щетки будут совпадать с осью полюсов, она будет равна нулю, так как в этом случае в каждую параллельную ветвь будут входить проводники с э.д.с., сумма которых равна нулю.

Напряжение на щетках, равное э.д.с. параллельной ветви обмотки, будет при большом числе витков обмотки практически постоянным по величине. Рассматривая вращающийся якорь (рис. 5-7), мы видим, что витки параллельной ветви, э.д.с. которых определяют напряжение на щетках, все время находятся в поле одной и той же полярности и, следовательно, в сумме дадут э.д.с. одного направления, несмотря на то, что э.д.с. каждого витка при его вращении будет переменной.

Приспосабливать обмотку якоря для непосредственного контакта со щетками нецелесообразно; гораздо лучше и надежнее этот контакт обмотки со щетками осуществить при помощи пластин коллектора; они при этом соединяются проводниками с отдельными витками замкнутой обмотки якоря (рис. 5-8), и, таким образом, щетки посредством коллектора так же делят обмотку якоря на параллельные ветви, как это было при непосредственном их контакте с проводниками якоря.

Рис. 5-8. Коллекторные пластины как замена непосредственного контакта щеток с проводниками якоря.

 Идея применения коллектора в машинах постоянного тока впервые была осуществлена русским академиком Б. С. Якоби в изобретенном им двигателе постоянного тока (1834 г.).

Чем больше коллекторных пластин приходится на один полюс, тем меньше будут так называемые коллекторные пульсации напряжения на щетках. Они определяются как отношение разности максимального и среднего напряжений к среднему напряжению.

5-3. Якорные обмотки машин постоянного тока

А) Общие определения.

Кольцевой якорь со спиральной обмоткой в настоящее время не применяется, так как более выгодным и надежным является барабанный якорь с обмоткой, все проводники которой укладываются на его внешней поверхности.

При барабанном якоре обмотка состоит из витков, имеющих ширину, равную (или почти равную) полюсному делению. Здесь виток охватывает весь поток Ф, вступающий в якорь, и э.д.с. в нем получается в 2 раза больше, чем в витке спиральной обмотки, где максимальный поток, охватываемый витком, равен половине потока, вступающего в якорь. Поэтому для получения одной и той же э.д.с. при барабанной обмотке требуется витков в 2 раза меньше, чем при кольцевой. К тому же изготовление кольцевой обмотки гораздо сложнее и условия ее охлаждения хуже, чем барабанной обмотки.

Проводники барабанной обмотки укладываются в пазы. Они называются активными проводниками. Два активных проводника, соединенных друг с другом, образуют виток. Витки соединяются между собой и с коллекторными пластинами и образуют замкнутый контур.

Часть обмотки, находящаяся при ее обходе между следующими друг за другом коллекторными пластинами, называется секцией. Секция может состоять из одного или нескольких витков (рис. 5-9). Ширину секции следует выбирать или равной полюсному делению (расстояние по окружности якоря между осями соседних полюсов), или близкой к нему. Секционные стороны в пазах обычно размещают в два слоя. На рис. 5-10 показаны пазы якоря с размещенными в них секционными сторонами. Здесь прямоугольниками изображены секционные стороны, которые могут состоять из одного или нескольких активных проводников.

Рис. 5-9. Одновитковая секция, заложенная в пазы (а), и трехвитковая секция (б).

 Для того чтобы правильно соединить секции обмотки между собой и с коллекторными пластинами, нужно найти шаги обмотки. Их целесообразно измерять числом элементарных пазов, причем под последними понимаются условные пазы с двумя секционными сторонами, расположенными одна над другой. На рис. 5-10,а показаны реальные пазы, которые в то же время являются и элементарными. На рис. 5-10,6 и в показаны пазы, из которых каждый состоит соответственно из двух и трех элементарных пазов. Нумерация элементарных пазов производится так, как показано на рис. 5-10.

Рис. 5-10. Пазы якоря

 Секция обмотки укладывается в пазы таким образом, чтобы одна ее сторона находилась в верхнем слое паза, а другая сторона в нижнем слое. На рис. 5-11 изображены секции обмоток. Здесь часть секции, находящаяся в верхнем слое, изображена сплошной линией, а часть секции, находящаяся в нижнем слое, — пунктирной линией.

Рис. 5-11. Секции якорных обмоток.

Барабанные обмотки делятся на петлевые и волновые. Секции петлевой обмотки показаны на рис. 5-11,а и волновой обмотки — на рис. 5-11,б.

Различают следующие шаги обмоток (рис. 5-11): у₁ — первый шаг, равный ширине секции или расстоянию между начальной и конечной сторонами секции; у₂ — второй шаг, равный расстоянию между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции; у — результирующий шаг, равный расстоянию между начальными сторонами следующих друг за другом секций; у_к — шаг по коллектору, равный расстоянию между началом и кон­ом секции по окружности коллектора (измеряется числом коллекторных делений, т. е. расстояний между серединами соседних коллекторных пластин).

Если у измеряется числом делений элементарных пазов, то у и у_к выражаются одним и тем же числом, т. е.

y = y_к.          (5-1)

Если обозначить: S — число секций, K — число коллекторных пластин, Z_э— число элементарных пазов, то

S = K = Z_э.          (5-2)

Минимальное число параллельных ветвей 2а замкнутой обмотки равно двум, т. е.

2a ≥2.          (5-3)

Для обеспечения симметрии обмотки общее число секций выбирается таким образом, чтобы на каждую пару параллельных ветвей приходилось целое число секций. В этом случае имеем:

целому числу.          (5-4)