Лекции / Лекция 27 Конструкция и принцип работы МПТ

Конструкция и принцип работы МПТ

Конструкция МПТ. На рис. 1.1 представлены продольный и поперечный разрезы машины постоянного тока. Неподвижная часть машины, называемая статором (рис. 1.1.), состоит из массивного стального корпуса 1, к которому прикреплены главные полюсы 2 и дополнительные полюсы 3. Исходя из технологических и других соображений, главные полюсы изготовляют из отдельных стальных листов.

Рис. 1.1 Общий вид машины постоянного тока

Рис. 1.2. Якорь машины постоянного тока

Дополнительные полюсы изготовляют из отдельных стальных листов либо из стальных болванок.

Перечисленные детали статора являются также и деталями его магнитопровода. На главных полюсах размещают катушки одной или

нескольких обмоток возбуждения 6, на дополнительных полюсах катушки 14 обмотки дополнительных полюсов.

Вподшипниковых щитах 16, прикрепленных с торцевых сторон

ккорпусу, расположены подшипники 15, несущие вал 4 вращающейся части машины, называемой якорем (рис. 1.2.). На валу закреплен цилиндрический сердечник якоря 5, который для уменьшения потерь мощности от перемагничивания и вихревых токов набирают из стальных листов. В пазах, расположенных по поверхности якоря, уложена обмотка якоря 8. Обмотку в пазу закрепляют клином из стеклотекстолита или бандажами, располагаемыми в канавках 13 сердечника якоря. В лобовых частях обмотку закрепляют бандажами 12 из проволоки или из стеклоленты. Так же, как обмотку возбуждения и обмотку дополнительных полюсов, ее изготовляют из медного изолированного провода. Выводы от обмотки якоря присоединяют к расположенному на валу коллектору 5. Последний представляет собой цилиндр, состоящий из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала.

Обмотка возбуждения машины питается постоянным током и служит для создания основного магнитного поля.

Главные полюсы имеют полюсные наконечники, служащие для получения по большей части окружности якоря одного и того же воздушного зазора между сердечником якоря и главными полюсами. Это необходимо для получения на большей части окружности якоря одной и той же магнитной индукции, а в проводниках обмотки якоря постоянной по значению ЭДС. Главный полюс с надетой на него катушкой прикрепляют к станине болтами (рис 1.1.). Болты ввёртывают в полюс, в котором предусмотрены отверстия с резьбой.

Дополнительные полюсы предназначены для уменьшения искрения под щетками.

Крепление машины к фундаменту, специальным салазкам или металлоконструкции осуществляется с помощью лап 4, а для транспортировки в станину ввёртывают рым-болты 5.

Коллектор состоит из большого числа пластин, которые штампуют из профильной меди (рис. 1.3). Коллекторные пластины изолируются друг от друга прокладками, вырубленными из миканита. На рис.1.3, а коллекторные пластины зажимают между корпусом и нажимным фланцем. Корпус и нажимной фланец выполняют из стали, а для изоляции на них надевают миканитовые манжеты. На рис. 1.3, б показано крепление пластин с помощью пластмассы. В настоящее время для машин небольшой и средней мощности наибольшее применение находят коллекторы на пластмассе.

Рис. 1.4. Щеткодержатели радиальные (а) и наклонные (6):

1 – обойма щеткодержателя; 2 – щетка; 3 – нажимная пружина; 4 – гибкий канатик; 5 – колодки для закрепления щеткодержателя на пальцах

Собранный коллектор насаживают на вал и закрепляют от проворачивания шпонкой. К каждой коллекторной пластине подсоединяют проводники от секций, из которых состоит обмотка якоря. Для возможности 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.

По коллектору скользят щетки, которые размещаются в щеткодержателях (рис. 1.4). Щеткодержатели выполнены с радиальным или наклонным по отношению к поверхности коллектора перемещением щетки. Наиболее распространенными являются щеткодержатели с радиальным перемещением щетки. Наклонные (реактивные) щеткодержатели применяют для машин с односторонним направлением вращения. Щетки прижимаются к коллектору пружинами.

Щеткодержатель закрепляют на щёточном пальцах, который в свою очередь закрепляют с помощью колодки 5.

Принцип работы МПТ. В настоящее время наиболее широкое применение имеют машины постоянного тока с механическим коммутатором – коллектором. Коллек-

роторе – часть переменного тока (якорь).

На рис. 1.5 схематично изображен поперечный разрез машины постоянного тока. На неподвижной части машины (статоре) размещаются полюса (П) с обмотками возбуждения (В). Обмотки соединяются между собой так, чтобы при прохождении по ним постоянного тока полюсы приобретали чередующуюся полярность N, S, N, S и т.д.). Поток , создаваемый обмотками возбуждения, неизменен во времени и замыкается по контурам, показанным на рис. 1.5 штриховыми линиями. Так же как в синхронных машинах индуктор имеет две оси симметрии: продольную ось d и поперечную ось q .

На вращающейся части машины располагается обмотка якоря (0), в которой индуктируется основная ЭДС. Эта обмотка наматывается вокруг полого шихтованного сердечника (М), закреплённом на валу машины (на рисунке не показан). Такая обмотка называется тороидальной, а все витки этой обмотки соединены последовательно. Принципиальным отличием якорных обмоток машин постоянного тока является то, что они замкнуты сами на себя. То есть конец последнего витка обмотки соединен с началом первого и, таким образом, обмотка не имеет ни начала, ни конца. Обмотка якоря имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких витков.

Изображенный на рис. 1.5 якорь называется кольцевым. В настоящее время такая конструкция якоря практически не применяется, так как ЭДС индуктируется только в проводниках, расположенных на внешней поверхности сердечника якоря. В проводниках, лежащих на внутренней поверхности якоря, ЭДС не наводится, так как эти проводники не сцеплены с магнитным полем возбуждения. Однако в дальнейшем при изложении ряда физических процессов, происходящих в машине, мы будем для большей наглядности рассматривать именно такой якорь.

От обмотки якоря выполняются ответвления к пластинам коллектора (K ). Коллектор располагается на валу якоря и представляет собой полый цилиндр, состоящий из электрически изолированных между собой медных пластин. Число коллекторных пластин равно числу секций обмотки якоря. Обмотка, показанная на рис. 1.5, состоит из 12 одновитковых секций, а коллектор соответственно – из 12 пластин.

При вращении ротора (направление вращения показано на рис. 1.5 стрелкой) в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки и показано на рис. 1.5 точками и крестиками. В обмотке якоря наводится переменная ЭДС, так как каждый проводник поочередно проходит полюсы разной полярности, что приводит к изменению знака (направления) ЭДС.

Если машина работает в режиме генератора, то переменная ЭДС обмотки выпрямляется с помощью коллектора, т.е. коллектор является выпрямителем. С коллектором соприкасаются неподвижные щетки (Щ), посредством которых обмотка якоря соединяется с внешней сетью.

Рассмотрим электрическую схему якорной цепи (рис. 1.6), соответствующую принципиальной схеме машины рис. 1.5. Из рис. 1.6 видно, что щетки (Щ) делят обмотку якоря на параллельные ветви.

Рис. 1.6. Электрическая схема якорной цепи, соответствующая рис. 1.5

Поэтому ЭДС между щетками разной полярности равна не разности ЭДС между проводниками, с которыми щетки соединены электрически через коллекторные пластины ( E1...4 , E7....10 ) а равна ЭДС параллельной ветви обмотки якоря, т.е. сумме ЭДС секций, находящихся в паралелльной ветви E1 E2 E3 или E7 E8 E9 .

Поэтому для получения максимальной ЭДС на выводах машины щетки следует установить в тех местах, где ЭДС, наводимая в проводниках, меняет свое направление. Это происходит под серединой межполюсного промежутка, т.е. на поперечной оси q . Воображаемая ли-

ния, проведенная через середину межполюсного промежутка и совпадающая с поперечной осью машины, называется геометрической нейтралью (ГН). Следовательно, в машинах постоянного тока щетки должны быть установлены на геометрической нейтрали или на поперечной оси. Поскольку число нейтралей равно числу пар полюсов, то число мест установки щеток равно числу полюсов.

При такой схеме установки щеток (см. рис.1.5, 1.6) 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 и направление ЭДС в них будет меняться. Но между коллекторными пластинами, с которыми соприкасаются неподвижные щетки, всегда будут располагаться проводники с одинаковым направлением ЭДС и щетки будут иметь определенную полярность. 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.

Внутри обмотки якоря, замкнутой самой на себя, сумма ЭДС равна нулю (см. рис. 1.5), поэтому при разомкнутой внешней цепи ток внутри обмотки якоря также будет равен нулю.

Если машина работает в режиме двигателя, то к щеткам подводится постоянный ток. Коллектор в этом случае преобразует постоянный ток внешней сети в переменный ток, протекающий по обмотке якоря, т.е. является инвертором. Пусть направление тока в проводниках обмотки якоря соответствует показанному на рис. 1.5. Направление электромагнитных сил определяется по правилу левой руки. Для всех проводников эти силы имеют одинаковое направление (против часовой стрелки) и создают суммарный вращающий момент. Наибольший вращающий момент получается при установке щеток на геометрической нейтрали (на оси q ). Под действием этого момента ротор

двигателя придет во вращение в направлении, противоположном указанному на рис. 1.5, которое соответствует генераторному режиму.

Классификация обмоток якоря. В современных машинах по-

стоянного тока применяются барабанные обмотки. Обмотки состоят из одноили многовитковых секций, которые укладываются в пазы якоря в два слоя: одна сторона секции укладывается в верхнем слое паза, другая – в нижнем. Если в каждом слое паза располагается по одной стороне секции, то такой паз называется элементарным (рис. 1.7, а). В реальных машинах в каждом слое чаще всего располагается не одна, а несколько секционных сторон Uп .

Считается, что такой реальный паз состоит из Uп элементарных пазов (на рис. 1.7, б реальный паз состоит из трех элементарных). Перед укладкой в паз Uп . секций покрываются общей изоляцией, обра-

зуя катушку якорной обмотки.

По геометрической форме секций и способу их соединения между собой обмотки машин постоянного тока подразделяются на петлевые, волновые и комбинированные. Петлевые и волновые обмотки в свою очередь подразделяются на простые и сложные (многоходовые).

Последовательность соединения секций между собой и с коллекторными пластинами задается обмоточными шагами, как показано на рис. 1.8.

а б Рис. 1.8. Петлевые обмотки с неперекрещивающимися (а)

и перекрещивающимися (б) секциями

Здесь y1 – первый частичный шаг, равный расстоянию между

сторонами секции. Этот шаг определяет ширину секции. Сторону секции, лежащую в верхней части паза (сплошная линия), будем называть начальной стороной, а другую сторону, лежащую внизу соответствующего паза (штриховая линия), – конечной;

y2 – второй частичный шаг, равный расстоянию между конеч-

ной стороной данной секции и начальной стороной последующей секции, с которой она должна быть соединена;

y – результирующий шаг, равный расстоянию между началами следующих друг за другом согласно схеме соединения секций;

yк – шаг по коллектору, равный расстоянию между точками

подсоединения выводов секции к коллектору.

Шаги обмотки измеряются в элементарных пазах, а шаг по коллектору – в коллекторных делениях. Шаг y1 выбирается таким обра-

зом, чтобы начало и конец секции располагались под полюсами разной полярности, т.е. чтобы ширина секции равнялась полюсному делению, выраженному в элементарных пазах (зубцах), приходящихся на один полюс. Тогда при вращении якоря ЭДС, наводимые в сторонах секции, будут иметь противоположные направления, а внутри секции они будут суммироваться. Шаг y1 должен быть равен целому числу, он определяется по формуле

является целым числом, то шаг обмотки называется полным или диаметральным. При

y1 Zэ

2p

обмотка будет иметь укороченный шаг. Для всех применяемых в машинах постоянного тока обмоток шаг y1 определяется по (1.1). Величины других шагов зависят от типа обмотки.

Число элементарных пазов Zэ , число секций S и число коллек-

торных пластин K в машинах постоянного тока связаны между собой определенными соотношениями. Так как каждая секция имеет две стороны, в элементарном пазу также размещаются две секционные стороны и к коллекторной пластине подходят проводники от двух секционных сторон, то

Поскольку к каждой коллекторной пластине подсоединяются выводы от конца данной секции и от начала следующей, можно считать, что yк является расстоянием в коллекторных делениях между началами следующих друг за другом секций. Тогда можем считать, что yк y . Для упрощения вычерчивания схемы обычно принимают, что все секции обмотки одновитковые ws 1 .

Петлевые обмотки. Простая петлевая обмотка получается, если последовательно соединять между собой рядом лежащие секции (рис. 1.8).

б

Рис. 1.9. Последовательность соединения проводников (a) и схема развёртка (б) простой петлевой обмотки с Zэ S K 18 и 2p 4

Это cоединение можно производить двояко: продвигаясь вправо от исходной (рис. 1.8, а) и влево от исходной (рис. 1.8, б). В первом случае y2 y1, а во втором y2 y1 . При y2 y1обмотки называются

неперекрещивающимися, а при y2 y1 – перекрещивающимися. В

электромагнитном отношении эти обмотки равноценны, однако во втором случае расход провода на обмотку будет несколько больше. Поэтому в машинах постоянного тока применяются неперекрещивающиеся петлевые обмотки (рис. 1.8, а), для которых справедливы следующие соотношения:

2p 4. Шаги обмотки будут иметь следующие значения: