Лекция 24

Глава 14. Машины постоянного тока

14.1. Общие сведения о машинах постоянного тока и их устройство

Основным недостатком более простых в изготовлении и обслужи­вании двигателей переменного тока являются трудности регулирования их частоты вращения. Поэтому если в процессе эксплуатации требуется плавно регулировать частоту вращения двигателей в широких пределах, то применяют электродвигатели постоянного тока. Наряду с двигате­лями находят широкое применение и генераторы постоянного тока. Машины постоянного тока, как двигатели, так и генераторы, используют на транспорте, судах, самолетах, в схемах автоматики (в виде микродвигателей) и т. д. Генераторы постоянного тока применяют для питания двигателей постоянного тока, электролитических ванн, а также в качестве сварочных генераторов, в схемах автоматического управления в качестве усилителей электрических сигналов управления и тахогенераторов (датчиков частоты вращения) и др.

Основной недостаток машин постоянного тока — это более сложная, дорогая и менее надежная конструкция по сравнению с бесколлектор­ными машинами переменного тока. Коэффициент полезного действия машин постоянного тока зависит от их номинальной мощности, и с ее возрастанием к. п. д. увеличивается. Для микромашин обычно к. п. д. ~60%, для машин мощностью свыше 100 кВт к. п. д. превышает 90%.

Машины постоянного тока, как двигатели, так и генераторы, устроены одинаково (рис. 14.1). Их основными частями являются статор с магнит­ными полюсами (главными 2 и добавочными 5) и ротор. На главных полюсах статора расположена обмотка возбуждения 3, через которую проходит постоянный ток I_в, создающий магнитное поле возбуждения Ф_в. На роторе расположена обмотка, в которой при его вращении наводится э. д. с., поэтому ротор машины постоянного тока является якорем. Детали машины крепятся на станине 1.

На добавочные полюсы насажены обмотки 6. Главные полюсы изготовляют шихтованными, т. е. набирают из штампованных листов электротехнической стали, что позволяет уменьшить потери, возникаю­щие от вихревых токов. Поверхность основного полюса, обращенная к якорю, расширяется и образует наконечник 4, форма которого подбирается таким образом, чтобы по большей части окружности якоря получался один и тот же воздушный зазор между основными полюсами и сердечником якоря, в результате чего полу­чается одинаковая магнитная индукция по окружности якоря, а в про­водниках якоря наводится постоянная э. д. с. Дополнительные полюсы уста­навливают в машинах мощностью свыше 1 кВт. Их располагают между основными полюсами по линии гео­метрической нейтрали. С помощью добавочных полюсов уменьшают иск­рение под щетками. Дополнительные полюсы выполняются массивными, т. е. из монолитного куска кованой стали, или шихтованными. Так как об­мотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, то они имеют, как правило, неболь­шое число витков относительно большого сечения, что необходимо для уменьшения активного сопротивления. Между полюсами на валу машины 7 вращается барабанный якорь 8, представляющий собой цилиндр, обычно набранный из листов электротехнической стали (для уменьшения потерь мощности от гистерезиса и вихревых токов). Вдоль внешней поверхности цилиндра якоря имеются пазы, в которые укладываются проводники обмотки якоря 9. Выводы обмотки якоря соединены с коллектором 11, который закреплен на валу. К коллектору с помощью пружин прижимаются щетки 10, которые расположены в щеткодержателях, способных смещать щетки на некоторый угол по окружности относительно основных полюсов. Щетки, применяемые в машинах постоянного тока, бывают графитными, угольно-графитными или медно-графитными.

С помощью коллектора и щеток вращающаяся обмотка якоря машины соединяется с внешней электрической цепью. Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе с щетками, скользящими по его поверхности, представляют собой механический выпрямитель, т. е. они служат для преобразования переменного тока проводников обмотки якоря генератора в постоянный. В двигатель­ном режиме с помощью коллектора и щеток осуществляется обратное преобразование, т. е. коллектор с щетками можно рассматривать в качестве преобразователя частоты, связывающего сеть постоянного тока с обмоткой якоря, через которую проходит переменный ток.

Коллектор (рис. 14.2) собирают из отдельных медных пластин 8 трапецеидального сечения (ламелей), изолированных друг от друга прокладками из твердого миканита. После сборки с помощью нажимного фланца 6, «ласточкина хвоста» 7 и шпильки 5 пластины коллектора закрепляются на стальной втулке 3, от которой они изолируются специальными манжетами 2 из формовочного миканита. Стальная втулка насаживается на вал 4. Коллектор должен иметь строго цилиндри­ческую форму, причем миканитовые прокладки между его пластинами при срабатывании коллектора не должны выступать над пластинами, так как это будет вызывать вибрацию щетки. Поэтому прокладки между пластинами, коллектора профрезеровывают на 0,8—1,5 мм ниже поверхности коллектора.

Секции обмотки якоря впаиваются в прорези, имеющиеся в выступающей части коллекторных пластин 1 и называе­мые «петушками». Щетки изготовляют в виде прямоугольных брусков 4 (рис. 14.3), помещенных в обойму 3 щеткодержателя. Для соединения коллектора с внешней цепью щетки прижимаются к поверхности коллектора пружинами 2 и имеют щеточные канатики 1. При вращении якоря щетки не меняют своего положения по отношению к полюсам машины за счет неизменного положения щеткодержателей. Щетко­держатели крепят к траверсе, которая, в свою очередь, связана со станиной или подшипниковым щитом. Траверсу можно поворачивать и, следовательно, изменять положение щеток по отношению к полюсам машины.