эльмаш

Одним из элементов конструкции рассматриваемых машин постоянного тока, а в частности двигателей постоянного тока, является щеточно-коллекторный аппарат. Щеточно-коллекторный аппарат требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность машины. Из-за наличия щеточно-коллекторного аппарата конструкция двигателей постоянного тока сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей.

Однако в сравнении с асинхронными двигателями электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Поэтому их широко используют для привода различных механизмов:

–в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры);

–на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили);

–в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы);

–на морских и речных судах;

–в металлообрабатывающей, бумажной, текстильной промышленности.

Генераторы и двигатели постоянного тока небольшой мощности широко применяют во многих системах автоматики.

4.1.2.Основные законы электротехники применительно к электрическим машинам постоянного тока

Принцип действия электрических машин основан на физических законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Согласно указанным законам, а также законам Ома и Джоуля – Ленца можно получить основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс машины. Рассмотрим рис. 4.1. Если замкнутый контур (рамку) перемещать в магнитном поле, например, слева направо, то в контуре согласно закону электромагнитной индукции наводится ЭДС.

Величина наведенной ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур:

81

e = −ddtΦ . Приведенное выражение сфор-

мулировано Максвеллом. Для электрических машин часто удобнее пользоваться другой формулировкой закона электромагнитной индукции, сформулированной Фарадеем:

e = B l v ,

где В – индукция в точке, где на-

Рис. 4.1. Наведение ЭДС в контуре ходится проводник; l – активная длина проводника, т. е. та его часть, которая находится в магнитном поле; v – скорость перемеще-

ния проводника относительно поля.

Эту формулировку можно использовать для одного элементарного проводника. Направление ЭДС определяется по правилу правой руки, причем следует иметь в виду, что это правило дается для определения направления ЭДС в проводнике, перемещающемся относительно магнитного поля (рис. 4.3). При определении направления ЭДС по правилу правой руки ладонь правой руки располагают в магнитном поле

82

так, чтобы линии поля были направлены в ладонь, а большой палец, отогнутый в плоскости ладони на 90°, располагают в направлении движения проводника; тогда остальные пальцы руки, вытянутые в плоскости ладони, покажут направление наведенной ЭДС.

Если концы проводников контура (рис. 4.1.) замкнуть на внешнее сопротивление, то по контуру потечет ток, имеющий такое же направление, как и ЭДС. В результате взаимодействия тока в проводнике I и магнитного поля возникает электромагнитная сила

Fэм=B I l,

направление которой определяется по правилу левой руки (рис. 4.2). Ладонь левой руки располагают в магнитном поле так, чтобы линии поля были направлены в ладонь, а четыре пальца руки, вытянутые в плоскости ладони, располагаются в направлении тока; тогда большой палец, отогнутый в плоскости ладони на 90°, покажет направление электромагнитной силы.

8 9

6 7

5

2 3 4

1

10

11

13 12

Рис. 4.4. Машина постоянного тока

1 – вал якоря, 2 – передний подшипниковый щит, 3 – коллектор, 4 – щеточный аппарат, 5 – якорь, 6 – главный полюс, 7 – катушка возбуждения, 8 – станица, 9 – задний подшипниковый щит, 10 – вентилятор, 11 – бандажи, 12 – лапы, 13 – подшипник

83

4.1.3. Основные элементы конструкции машин постоянного тока

Машина постоянного тока, главный вид и вид сбоку, изображены на рис. 4.4. Машина постоянного тока состоит из двух основных частей:

1)неподвижной части, предназначенной в основном для создания магнитного потока,

2)вращающейся части, называемой якорем, в которой происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую (электрический генератор) или наоборот – электрической энергии в механическую (электродвигатель).

Якорь представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся

впространстве между полюсами, и состоит:

–из зубчатого сердечника якоря;

–обмотки, уложенной в пазы сердечника якоря;

–коллектора.

Неподвижная и вращающаяся части отделяются друг от друга зазором.

Неподвижная часть машины постоянного тока состоит:

а) из основных полюсов, предназначенных для создания основного магнитного потока;

постоянного тока

Рис. 4.5. Основной полюс:

84

товой электротехнической стали толщиной 1 мм. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник имеет полюсный наконечник 2, служащий для облегчения проведения магнитного потока через воздушный зазор. На сердечник полюса надевают катушки обмоток независимого (или параллельного) 3 и последовательного возбуждения 3а, по которым протекает постоянный ток. Катушки наматываются на каркас 4, выполняемый либо из листовой стали толщиной 1–2 мм с оклейкой электротехническим картоном на толщину 2–3 мм, либо из пластмассы или бакелизированной бумаги. В машинах малой и средней мощности в настоящее время нередко выполняют бескаркасные катушки основных полюсов. С целью уменьшения гигроскопичности и увеличения теплопроводности катушки компаундируют или подвергают многократной пропитке в горячих лаках с последующей сушкой в печах. Для лучшего охлаждения катушку делят по высоте на две или несколько частей, между которыми оставляют достаточной ширины вентиляционные каналы. Крепление полюсов к станине 5 производится при помощи специальных болтов.

Б. Добавочные полюсы

Добавочный полюс (рис. 4.6.), так же как и основной, состоит:

–из сердечника 1, оканчивающегося полюсным наконечником той или иной формы,

–катушки 2, надетой на сер-

Добавочные полюсы устанавливаются строго посередине между основными полюсами и крепятся к станине болтами. Обычно добавочные полюсы делаются массивными, но в машинах, работающих при резко переменной нагрузке, они выполняются из листовой стали.

В. Станина

Станиной называют неподвижную часть машины, к которой крепятся основные и добавочные полюсы и при помощи которой ма-

шина крепится к фундаменту. Часть станины, служащая для проведения потока основных и добавочных полюсов, называется ярмом.

85

Станина изготавливается из чугуна или стали с разъемом или без него в зависимости от типа и мощности машины. Если диаметр якоря не превосходит 35–45 см, то кроме полюсов к станине крепятся еще подшипниковые щиты, поддерживающие щитовые подшипники. Если диаметр щита превышает 1 м, то обычно переходят на стояковые подшипники, устанавливаемые отдельно от станины на фундаментной плите машины. В машинах с большим диаметром якоря к станине часто крепится щеточная траверза.

Г. Сердечник якоря

В настоящее время применяются исключительно зубчатые сердечники якоря барабанного типа. При нормальной для машин постоянного тока частоте перемагничивания якоря (20–60 Гц) сердечники выполняют из листовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы стали набирают в осевом направлении машины и для уменьшения потерь от вихревых токов изолируют друг от дру-

га лаком или оксидной пленкой. Машины постоянного тока малой

мощности выполняются обычно с осевой системой вентиляции (рис. 4.7.), машины относительно большой мощности имеют радиальную систему вентиляции.

В последнем случае сердечник якоря состоит из двух или нескольких пакетов, размер каждого из которых в осевом направлении составляет 4–10 см; ширина вентиляционного канала между пакетами – 8–10 мм. Сердечник якоря спрессовывается с обеих сторон посредством нажимных приспособлений, которые особым образом крепятся на валу или стягиваются болтами. Для улучшения охлаждения машины малой мощности снабжаются крылышками; в машинах большей мощности на вал насаживают вентилятор.

86

Д. Обмотка якоря

Так же, как и другие части машины, обмотка якоря машины постоянного тока претерпела­ ряд изменений. Применяемые в настоящее время обмотки якоря барабанного типа состоят из секций (рис. 4.8), изготовляемых чаще всего на особых шаблонах и укладываемых в пазах сердечника якоря. На рис. 4.9, а представлен якорь машины постоянного тока небольшой мощности без обмотки, а на рис. 4.9, б – тот же якорь в готовом виде.

Рис. 4.9. Якорь машины постоянного тока:

а − без обмотки; б − в готовом виде

Е. Коллектор

Обмотка якоря присоединяется к коллектору, который имеет различное исполнение в зависимости от мощности машины и ее быстроходности. На рис. 4.10. показан коллектор простого цилиндрического типа. Обычно коллектор выполняется из медных пластин трапецеидальной формы, изолированных друг от друга и от корпуса посредством миканитовых прокладок и манжет. Пластины закрепляются на ласточкиных хвостах, и после ряда запрессовок в горячем состоянии коллектор обтачивается, чтобы его поверхность была строго цилиндрической. Соединение обмотки якоря с коллектором можно производить различным образом. Если разница между диаметрами якоря и коллектора невелика, то концы секций якорной обмотки непосредственно впаиваются в пластины коллектора. При значительной разнице между этими диаметрами требуемое соединение производится с помощью соединительных звеньев (петушков), одна из возможных форм которых показана на рис. 4.10.

87

тическую форму, закрепляются в щеточной траверзе и изолируются от последней изоляционными втулками.

88

Один из способов крепления щеточных пальцев к траверзе показан на рис. 4.12. Траверза устанавливается на подшипниковых щитах в машинах малой и средней мощности (рис. 4.13).

Все щетки одной полярности соединяются между собой сборными шинами, от которых затем идут отводы к зажимам машины.

4.1.4. Принцип действия генератора постоянного тока

Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока на примере простейшей машины, изображенной на рис. 4.14. Магнитная система этой машины состоит из двух неподвижных полюсов N–S, создающих постоянный по величине магнитный поток. Основной магнитный поток создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. По общему правилу линии магнитного потока в пространстве между полюсами N–S направлены от северного полюса N к южному полюсу S.

В пространстве между полюсами находится якорь, на поверхности которого в диаметральной плоскости уложен виток обмотки якоря ab–cd. Концы витка присоединяются к двум медным сегментам – пластинам коллектора, изолированным как друг от друга, так и от

89

вала, на который они посажены вглухую. На пластины наложены неподвижные в пространстве щетки A и B, к которым присоединяется внешняя цепь, состоящая из каких-либо приемников электрической энергии. Расположение щеток не произвольно, а имеет существенное значение.

Рис. 4.14. Простейшая машина постоянного тока

Приведем якорь во вращение с постоянной скоростью в заданном направлении, например против вращения часовой стрелки. Так как проводники ab и cd находятся в совершенно одинаковых условиях один относительно полюса N, другой относительно полюса S, то достаточно рассмотреть процесс наведения ЭДС только в какомнибудь одном проводнике, например в проводнике ab. Предположим, что по всей длине активной части проводника, т. е. той части его, которая пересекает линии магнитного поля, индукция В имеет одно и то же значение. Если V − скорость перемещения проводника относительно магнитного поля, то по закону электромагнитной индукции в формулировке Фарадея мгновенное значение ЭДС, наводимой в проводнике при вращении якоря, определяется по формуле e = B l V. Величины l и V неизменны в данных условиях, следовательно, ЭДС пропорциональна индукции

e B.

90