Машины постоянного тока

1-2. Устройство, принцип действия и области применения

Машин постоянного тока

Машина постоянного тока имеет неподвижную часть - статор и подвижную - ротор.

Статор включает в себя корпус 6, к корпусу крепятся полюсы 4, подшипниковые щиты 7 и лапы для крепления машины к фундаменту.

Корпус, являющийся частью магнитопровода (по нему идет магнитный поток), называется станиной. Так как магнитный поток постоянный, станина изготовляется из цельнометаллической трубы.

Сердечники полюсов выполняются из пластин электротехнической стали, изолированных между собой, так как, при вращении якоря, в наконечниках полюсов возникает пульсация магнитного потока, и появляются дополнительные потери на вихревые токи и перемагничивание. Полюсы делятся на главные и дополнительные. Главные — предназначены для создания основного магнитного потока. Для этого на полюс устанавливается катушка из обмоточного провода, называемая обмоткой возбуждения. Дополнительные полюсы предназначены для улучшения коммутации.

Ротор машины постоянного тока является якорем и состоит из вала, сердечника с обмоткой 9, коллектора 1 и вентилятора 8.

Сердечник якоря набирают из пластин электротехнической стали и напрессовывают на вал. В сердечнике якоря выштампованы пазы, в которых укладывается обмотка якоря. Она изготавливается из обмоточного провода. Концы секции обмоток электрически соединены с коллекторными пластинами. Коллектор выполняют в виде цилиндра, собранного из клинообразных пластин твердотянутой меди, изолированных между собой и валом. Крепление пластин осуществляется корпусными шайбами с изоляционными миканитовыми прокладками или с помощью пластмассы.

Электрический контакт коллектора с внешней цепью осуществляется щетками, располагаемыми в щеткодержателях, которые крепятся на поворотной траверсе. Поворотная траверса необходима для установки щеток на нейтраль. Щетки изготавливаются из материалов на основе графита. Плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором осуществляется при помощи пружин, прижимающих щетки к коллектору. Давление на щетку должно быть отрегулировано, так как чрезмерный нажим может вызвать преждевременный износ щетки, а недостаточный — искрение на коллекторе.

Вал машины устанавливается в подшипниках.

Для охлаждения используется система вентиляции. В машинах малой и средней мощности обычно используют вентилятор, который крепится на валу машины и закрывается кожухом из металла.

Выводы обмоток идут в клеммную коробку, которая закреплена на станине.

Принцип действия рассмотрим на простейшем примере.

В озьмем два магнитных полюса, разместим их как показано на рис. 2.1 Между ними равномерное магнитное поле с индукцией . Поместим между полюсами рамку из проводникового материала шириной , м, длиной , м, концы которой припаяны к полукольцам. Электрический контакт внешней сети с полукольцами осуществляется щетками. Получили простейшую машину постоянного тока. Причем она, как и любая другая электрическая машина, может работать как генератором, так и двигателем.

Для работы генератором необходимо вращать рамку. Проводники рамки будут пересекать линии магнитного поля, и, по закону электромагнитной индукции (Максвелл), в них будет наводиться ЭДС , B

(2.1)

где Ф — магнитный поток, проходящий через рамку, Вб;

— время, с.

Эта ЭДС может сниматься с полуколец щетками. Направление ЭДС можно определить по правилу правой руки. За один оборот в рамке будет создаваться переменная ЭДС, и если бы вместо полуколец концы рамки были бы припаяны к кольцам, получился бы генератор переменного напряжения. Для выпрямления ЭДС в простейшем случае служат полукольца, а в реальной машине — коллектор.

Для того, чтобы машина работала в качестве двигателя, необходимо к рамке подвести напряжение. Напряжение вызывает ток , A. Этот ток будет взаимодействовать с магнитным потоком, т.е. на него будет действовать сила , Н:

(2.2)

Эта сила создаст вращающий момент. Направление вращения, т.е. вектор приложения силы f, определится по правилу левой руки, и если бы вместо полуколец концы рамки были бы припаяны к кольцам, при переходе рамки с одного полюса на другой создавался бы встречный вращающий момент, и рамка не вращалась.

Согласно правилу левой руки, чтобы изменить направление силы необходимо изменить или направление тока в рамке, или направление магнитного потока. Направление магнитного потока не изменяется, а меняется направление тока в рамке с помощью полуколец, а в реальной машине — с помощью коллектора.

Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Эти двигатели предназначены для регулируемых электроприводов и рассчитаны на питание от полупроводниковых преобразователей. Их применяют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы), на морских и речных судах и в других приводах мощностью до нескольких тысяч киловатт. Двигатели небольшой мощности применяют в системах автоматики.

Генераторы постоянного тока ранее использовались для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, в автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и т.д. В последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте — синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.