60. Принцип действия и устройство машин постоянного тока. Основные характеристики и режимов работы.

Принцип действия.

В основе принципа действия электрических машин лежит закон электромагнитной индукции. Согласно этому закону, в проводнике, перемещающемся относительно магнитного поля в плоскости, перпендикулярной к направлению магнитных силовых линий, индуктируется электродвижущая сила — э. д. с. (рис. 1), величину которой определяют из формулы: e=vlB

Между двумя полюсами поместим виток, намотанный на стальной цилиндр. Силовые линии направлены радикально по отношению к стальному цилиндру, причем полюса имеют такую форму, что магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсами и стальным цилиндром распределена синусоидально. Зазор между полюсами и цилиндром неодинаков: между серединой полюса и цилиндром зазор меньше, чем между краями полюсов и цилиндром. При такой конструкции направление движения проводника везде перпендикулярно к направлению магнитных силовых линий.

При вращении витка в нем индуктируется э. д. с, синусоидальная по форме кривой, так как магнитная индукция в зазоре синусоидальна. Когда виток абвг расположен горизонтально, индуктируемая в нем э.д.с. равна нулю, так как стороны витка движутся в пространстве, где магнитная индукция равна нулю. При вертикальном положении витка его стороны движутся в поле с макси­мальной магнитной индукцией, поэтому и э. д. с. имеет максимальное значение. Когда провод аб проходит под северным полюсом, э. д. с. в этом проводе направлена от нас; если провод аб проходит под южным полюсом, то э. д. с. в проводе изменяет свое направление, таким образом, в витке индуктируется переменный ток.

Для выпрямления тока применяют коллектор. Простейший коллектор — это два изолированных полукольца, к которым присоединяют концы витка (рис. 8). Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы они переходили с одного полукольца на другое, когда индуктируемая э.д.с. в витке равна нулю.

Щетка А соприкасается всегда с тем по­лукольцом, провод от которого проходит под северным полюсом, а щетка Б с полуколь­цом, провод от которо­го проходит под южным полюсом. Поэтому во внешней цепи ток тянет в одном направлении от щетки Б к щетке А. Щетка, с которой

ток стекает в сеть, имеет знак плюс (+), а к которой ток притекает, — знак минус (—).

Выпрямленный ток пульсирует. При одном витке величины э. д. с. и тока изменяются от нуля до макси­мума. Для уменьшения пульсации на барабан наматывают большое число витков» Рассмотрим простейший генератор с двумя витками, намотанными на стальное кольцо, каждый виток присоединяют к паре коллекторных пластин так, чтобы цепь обмотки была замкнутой. Оба витка как источники э. д. с. оказываются включен­ными параллельно, и э. д. с. на щетках определяется величиной э. д. с. одного витка, ток же в цепи нагрузки может быть в 2 раза больше, чем при одном витке. Кривая выпрямленного тока и э. д. с. имеет такой же вид, как и при одном витке (рис. 8),

Двигатель постоянного тока

Принцип действия электрических двигателей основан на взаимодействии магнитных полей полюсов машины и проводников обмотки якоря, по которым проходит ток.

Опытами установлено, что в электродвигателях механические усилия приложены не к проводникам обмотки якоря, а к зубцам стали якоря, так как именно в стали сосредоточены почти все силовые линии магнитных пото­ков полюсов и якоря. Обмотка намотана на якорь таким образом, что если одна сторона витка находится под се­верным полюсом, то вторая — под южным, поэтому, чтобы якорь вращался все время в одну сторону, при переходе провода из-под северного полюса под южный направление тока в проводе должно меняться на противоположное.

Коллектор предназначен для изменения направления тока в проводах обмотки при переходе проводов через геометрическую нейтраль (рис. 71). Виток 1—2 помещен в магнитное поле. Концы витка припаяны к коллекторным пластинам а—б. Пользуясь правилом левой руки, можно определить, что виток будет вращаться против направле­ния движения часовой стрелки. В положении // виток проходит геометрическую нейтраль или по инерции, если он один, или под действием других витков, не находя­щихся в данный момент на нейтрали, если обмотка со­стоит из нескольких витков. В положении III, когда сторона витка 1 перешла в зону действия южного полюса, а сторона витка 2 в зону действия северною полюса, на­правление тока в витке изменилось на противоположное вследствие действия коллектора. Теперь под положитель­ной щеткой оказалась коллекторная пластина б, а под отрицательной щеткой — пластина а. Пользуясь правилом левой руки, можно определить, что виток будет продол­жать вращаться в ту же сторону.

Так как силы, приложенные к якорю, имеют одно на­правление, то, складываясь, они создают вращающий момент двигателя.

^{Устройство машины постоянного тока}

Машина постоянного тока состоит из следующих основных частей; станины, полюсов, якоря с коллектором, подшипниковых щитов с подшипниками, щеткодержателей со щетками (рис. 12).

^{Рис. 12, Машина постоянного тока в разобранном виде}

1 — подшипниковый щит левый, 2 — станина с полюсами, 3 — подшипниковый щиг правый, 4 — якорь, 5 — траверса

^{с щеткодержателями}

Станина машины — это замкнутый магнитопровод, обычно выполненный из стали. К внутренней части станины прикрепляют главные и дополнительные полюса. В нижней наружной части станина имеет лапы, при по­мощи которых машину крепят на фундаменте. К бокам станины прикреплены подшипниковые щиты, в которых установлены подшипники скольжения или качения. В современных быстроходных машинах ставят подшипники качения (роликовые или шариковые).

К станине двигателя болтами крепятся главные и добавочные полюсы. На валу двигателя находится магнитопровод якоря с обмоткой якоря. Секции обмотки якоря присоединены к коллектору. На вал двигателя напрессованы вентилятор и балансировочное кольцо. Якорь машины соединяют со статором подшипниковые щиты, в которых находятся подшипники, закрепленные крышками. К одному из подшипниковых щитов крепится траверса, на которой расположены щеточные пальцы со щеткодержателями. В щеткодержателях находятся щетки, обеспечивающие при вращении скользящий контакт с коллектором. Охлаждение двигателя осуществляется вентилятором, который прогоняет воздух через машину от подшипникового щита, на котором крепится траверса со щетками, через промежутки между обмотками главных и добавочных полюсов к другому щиту машины. Воздух в машину засасывается через отверстия в защитной ленте, расположенные у щита со щетками, и выбрасывается через отверстия в станине, закрытые лентой у другого щита. Направление потока воздуха обеспечивается диффузором. На станине машины находится также коробка выводов Обмотки возбуждения расположены на главных полюсах Полюсы собираются из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5—2 мм и крепятся шпильками. Иногда полюсы выполняются литыми. В полюсах имеются отверстия с резьбой для крепления полюсов к станине. Катушки обмотки независимого или параллельного возбуждения выполняются из относительно тонкого провода, а катушки обмотки последовательного возбуждения— из проводов большого сечения, так как по ним протекает ток якоря. Катушки возбуждения укрепляются на полюсах с помощью изоляционных прокладок и клиньев. Катушки отделены друг от друга каналами, которые обеспечивают лучшее охлаждение обмоток возбуждения. Для намотки катушек обмоток возбуждения применяются провода круглого и прямоугольного сечения. Добавочные полюсы расположены между главными полюсами и предназначены для обеспечения удовлетворительной коммутации, что является необходимым условием для надежной работы машины постоянного тока. В машинах постоянного тока станина является одновременно ярмом статора и в ней замыкается поток возбуждения. Ярмо выполняется из стального литья, проката, а в машинах небольшой мощности — из труб. В некоторых случаях для обеспечения быстродействия ярмо выполняется шихтованным. Сердечник якоря набирается из таких же штампованных дисков электротехнической стали толщиной 0,5 мм, как и в машинах переменного тока. В листах сердечника имеются пазы, отверстия для вала и вентиляционные каналы. В зависимости от мощности пазы выполняются открытыми или полузакрытыми. Закрытые пазы в машинах постоянного тока не применяются. Форма паза зависит от мощности машины и используемого провода. Провода обмотки якоря, как правило, медные. В машинах постоянного тока большой мощности, имеющих диаметр ротора больше 990 мм, сердечник якоря набирают из сегментов, которые прикрепляют к ребрам крестовины якоря. Размеры сегментов выбирают, исходя из лучшего раскроя листа.