Машины постоянного тока

Конструктивно машина постоянного тока состоит из неподвижного статора (индуктора) с полюсами и вращающегося ротора (якоря) с коллектором. Статор является источником магнитного поля и механическим остовом машины, якорь- часть машины, в обмотке которой индуцируется э. д. с.

На одном валу с якорем жестко закрепляется коллектор, электрически соединенный с его обмоткой. Коллектор - характерная деталь машины постоянного тока. Его медных пластин касаются неподвижные угольно-графитовые щетки, размещенные в щеткодержателях на траверсе и электрически соединенные с внешней цепью. Во избежание искрения щетки тщательно притираются к коллектору, а их умеренный нажим должен быть отрегулирован.

Принцип действия машин постоянного тока основан на законе электромагнитной индукции и законе Ампера. Магнитное поле машины создается постоянным током (током возбуждения) в обмотке полюсов или постоянными магнитами в машинах малой мощности. Его силовые линии замыкаются через стальные станину, сердечники полюсов и сердечник якоря, дважды преодолевая на своем пути воздушный зазор между ними. Магнитная цепь четырехполюсной машины постоянного тока разветвленная, симметричная. Плоскость, проходящую через ось машины под углом а, при котором она перпендикулярна к силовым линиям, называют геометрической нейтралью (при а. = 0 и 772).

Существует два режима работы эл. двигателей

а: режим генератора б: режим двигателя

В режиме генератора машина преобразует механическую энергию в электрическую: к обмотке возбуждения статора подводится постоянный ток возбуждения, а якорь вращается каким-либо первичным двигателем. При этом провода обмотки якоря пересекают магнитные силовые линии полюсов и в них индуцируются э. д. с. С помощью коллектора и щеток, которые являются механическим выпрямителем, эти переменные пульсирующие э. д. с. суммируются в постоянную по значению и направлению э. д. с. машины Е. Если к щеткам подключить приемник, то в нем установится постоянный ток I.

В режиме двигателя машина преобразует электрическую энергию в механическую: к якорю и к обмотке возбуждения машины одновременно подводится постоянный ток от источника. Взаимодействие магнитного поля полюсов статора с током обмотки якоря создает вращающий электромагнитный момент, который и приводит в движение якорь (ротор).

4.Генераторные установки постоянного тока

До 60-х годов основным источником электрической энергии на автомобилях являлись генераторы постоянного тока.

Схема электроснабжения автомобиля показана на рис. 4.1.

Генератор постоянного тока состоит из статора — неподвижно­го корпуса, вращающегося якоря с обмотками и коллектора со ще­точным узлом. Вращающийся якорь, снабженный обмотками, пере­секающими магнитное поле статора, индуцирует в обмотках ЭДС. В каждой секции обмотки якоря ЭДС меняется и по величине и по направлению в зависимости от ее положения относительно магнит­ного поля.

Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока, где подводимая механическая энергия преобразуется в электрическую энергию постоянного тока. Для этого воспользуемся упрощенной схемой генератора постоянного тока (рис. 4.2). В магнитном поле постоянного магнита вращается стальной сердечник, в продольных пазах которого расположен диаметральный виток abcd Начало d конец а этого витка присоединены к двум взаимно изолиро­ванным медным полукольцам. Образующим коллектор, который вращается вместе со стальным цилиндром. По коллектору сколь­зят неподвижные контактные щетки А и В, от которых отходят провода к потребителю энергии R. Стальной сердечник с витком (обмоткой) и коллектором обра­зует вращающуюся часть машины постоянного тока — якорь.

Рис. 4.1. Структурная схема системы электроснабжения автомобиля

Если с помощью какой-либо внешней силы вращать якорь, то стороны витка будут пересекать магнитное поле и в обмотке якоря будет возникать ЭДС:

e = 2Blu

гдеВ — индукция; l — длина стороны витка; u — скорость переме­щения пазовых сторон витка.

Рис. 4.2. Упрощенная схема генератора постоянного тока.

Так как длина и скорость перемещения пазовых сторон обмотки якоря неизменны, то е обмотки якоря прямо пропорциональна В, а форма графика ЭДС определяется законом распределения магнит­ной индукции S, размещенной в воздушном зазоре между поверх­ностью якоря и полюсом самого магнита. Так, например, магнитная индукция в точках зазора, лежащих на оси полюсов, имеет макси­мальные значения (рис. 4.3, а): под северным магнитным полюсом (N) — положительное значение и под южным магнитным полюсом (S) — отрицательное. В точках n и n’ лежащих на линии, проходя­щей через середину межполисного пространства, магнитная индук­ция равна нулю.

Допустим, что магнитная индукция в воздушном зазоре рас­сматриваемой схемы распределяется синусоидально:B=B_maxsin£. Тогда ЭДС витка при вращении якоря будет также изменяться по синусоидальному закону. Угол а определяет изменение положения якоря относительно исходного положения. На рис. 4.3, а показан ряд положений витка abcd (обмотки) в различные моменты времени за один оборот якоря. При а, равном 360°, ЭДС якоря равна нулю, а при а, равном 270°, имеет максимальное значение, причем отрица­тельное. Таким образом, в обмотке якоря генератора постоянного тока наводится переменная ЭДС, и, следовательно, при подключении нагрузки в обмотке будет переменный ток (рис. 4.3, б, линия 7). За время второго полуоборота якоря, когда ЭДС и ток в обмотке якоря отрицательны, ЭДС и ток во внешней цепи генератора (в на­грузке) не меняют своего направления, т. е. остаются положитель­ными, как и в течение первой половины оборота якоря.

Рис. 4.3. Принцип действия генератора постоянного тока: а — различные поло­жения витка обмотки; б — преобразование переменного тока якоря в постоян­ный ток внешней цепи; 1 — ток в обмотке якоря; 2 — ток во внешней цепи

Действительно, при a = 90° щетка А соприкасается с коллектор­ной пластиной проводника d, расположенного под полюсом N, и имеет положительный потенциал, а щетка В — отрицательный, так как она соприкасается с пластиной коллектора, соединенной со стороной а витка, находящейся под полюсом S. При a = 270°, когда стороны а и d поменялись местами, щетки А и В сохраняют неиз­менной свою полярность, так как полукольца коллектора также по­менялись местами и щетка А по-прежнему имеет контакт с коллек­торной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полю­сом N₉ а щетка В — с коллекторной пластиной, связанной со стороной, находящейся под полюсом 5. В результате ток во внеш­ней цепи не изменяет своего направления (рис. 4.3, б, линия 2), т. е. переменный ток обмотки якоря с помощью коллектора и щеток преобразуется в постоянный. Ток во внешней цепи постоянен лишь по па-правлению, а его величина изменяется, т. е. ток пульсирует.

Рис. 4.4. Генератор с двумя витками в обмотке якоря: a — схема генератора; б — пульса­ция тока; 1,2 — ток в обмот­ках якоря; 3 — ток во внеш­ней цепи

 

Пульсации тока и ЭДС значительно ослабляются, если обмотку якоря вы­полнить из большого числа равномерно распределенных по поверхности сер­дечника витков и увеличить соответст­венно число коллекторных пластин. Например, при двух витках на сердеч­нике якоря (четырех пазовых сторо­нах), оси которых смещены относи­тельно друг друга на угол 90°, и четырех пластинах в коллекторе (рис. 4.4, а). В этом случае ток во внешней цепи ге­нератора пульсирует с удвоенной часто­той, но глубина пульсации значительно меньше (рис. 4.4, б). Если витков в об­мотке якоря от 12 до 16, то ток на выхо­де генератора практически постоянен.

На рис. 4.5 представлена конструк­ция генератора постоянного тока.

 

Рис. 4.5. Генератор постоянного тока: 1 и 16 — крышки; 2 и 12 — шариковые подшипники; 3 и 10 —масленки; 4 — корпус; 5 — соединительный провод; 6 — защитная лента; 7 и 11 — стяжные болты; 8 — щеткодержатель положительной щетки; 9 и 25— уплотнительные манжеты; 13 — защитный колпачок; 14— отра­жательная шайба; 15— отрицательная щетка; 17 — щеткодержатель отрицатель­ной щетки; 18— коллектор; 19 — обмотка якоря; 20— конец обмотки возбужде­ния; 21 — сердечник якоря; 22 — вал якоря; 23 — полюсный сердечник; 24 — ка­тушка обмотки возбуждения; 26— крыльчатка шкива; 27— шкив.