3. 1. Электрические машины постоянного тока.

3.1.1. Устройство машины постоянного тока.

Машина состоит из неподвижной части статора и вращающейся части – якоря (ротора) (риc.3.1). Статор – кольцевой сплошной магнитопровод (станина), на внутренней стороне которого расположена одна или несколько пар магнитных полюсов из стальных пластин и намотанные на них обмотки возбуждения. В машинах малой мощности иногда обмотки возбуждения отсутствуют, а статор представляет собой постоянный магнит с полюсами. В машинах большой мощности для уменьшения искрения на коллекторе якоря между главными полюсами устанавливают дополнительные полюса.

Рис.3.1. Устройство электрической машины постоянного тока.

l-коллектор: 2-щетки; 3-сердечиик якоря; 4 -сердечник главного полюса; 5 - полюсная катушка; 6 - станина; 7 – подшипниковый щит; 8 - вентилятор; 9- обмотка якоря.

Якорь сердечника состоит из сердечника с пазами, в которых уложена обмотка коллектора, и вала. Сердечник набирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5мм, покрытых изолирующим лаком.

Обмотка якоря состоит из секций в виде многовитковой рамки с током. Концы секций прикрепляются к медным пластинам коллектора, укрепленных на изоляторе, сидящем на валу, как и сердечник якоря. К коллектору подсоединяется внешняя цепь с помощью неподвижных меднографитовых щеток, укрепленных в щеткодержателях и прижимаемых к коллектору с помощью пружин.

Вал коллектора закрепляется в боковых крышках статора с помощью подшипников, так что между полюсами статора и вращающимся сердечником якоря имеется равномерный зазор порядка или меньше 1 мм.

3.1.2. Режим – генератора.

Рассмотрим односекционную обмотку якоря при работе в режиме генератора. Якорь вращается внешним устройством (двигатель внутреннего сгорания, паровая, газовая, гидравлическая или ветряная турбина) так что проводники имеют тангенциальную скорость (рис.3.2). В результате на отпайке секции на паре коллекторных пластин возникает ЭДС, где- общая длина продольной части обмотки секции. Эта ЭДС снимается с помощью щеток и подается в внешнюю цепь с нагрузкойR_H.

Рис. 3.2. Односекционная обмотка якоря при работе в режиме генератора.

При замыкании внешней цепи в нагрузке протекает ток , гдеR_i – внутреннее сопротивление обмотки секции. Как только в обмотке возникает ток, т.е. движение электронов, на обмотку начинает действовать тормозящая сила . Для преодоления этой силы от механического приводного двигателя требуется мощность, т.е. равная вырабатываемой электрической мощности.

Реальная мощность двигателя за счет трения должна быть больше. За счет этих механических потерь, электрических потерь в обмотках и магнитных потерь в сердечнике якоря на гистерезис и вихревые токи КПД генератора снижается до 80-95%, причем более высокий КПД соответствует машинам большей мощности.

Кроме тормозящей силы ток в якоре создает дополнительное магнитное поле перпендикулярное магнитному полю обмотки возбуждения, что сдвигает результирующее поле для генераторов по ходу вращения, для двигателей – против вращения. Это явление называют реакцией якоря и требует сдвига плоскости щеток на коллекторе, что при изменении нагрузки невозможно. Кроме того, под полюсным наконечником магнитное поле становится неоднородным, усиливающимся в сторону вращения и ослабляющим с другой стороны. Это также приводит к дополнительному искрению на коллекторе.

Для борьбы с реакцией якоря в мощных машинах в продольные пазы полюсов укладывают проводники, последовательно соединенные с якорем, создающие магнитное поле, противоположное магнитному полю якоря.