ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Электропривод и АПУ»
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МАШИНЫ
Методические указания для студентов заочной формы обучения
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Часть 1
Могилев 2007
УДК 621.313 ББК 31.261 Э 62
Рекомендовано к опубликованию учебно-методическим управлением
ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»
Одобрено кафедрой «Электропривод и АПУ» «11» ноября 2007 г., протокол № 4
Составитель канд. техн. наук, доц. С. В. Кольцов
Рецензент канд. техн. наук, доц. С. К. Крутолевич
Методические указания предназначены для студентов заочной формы обучения.
Учебное издание
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Часть 1
Ответственный за выпуск |
Г. С. Леневский |
Технический редактор |
А. Т. Червинская |
Компьютерная верстка |
В. Э. Ковалевский |
Подписано в печать 21.12.2007 г. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать трафаретная. Усл.-печ. л. 2,79 . Уч.-изд. л. 2,6 .Тираж 115 экз. Заказ № 959
Издатель и полиграфическое исполнение Государственное учреждение высшего профессионального образования
«Белорусско-Российский университет» ЛИ № 02330/375 от 29.06.2004 г. 212005, г. Могилев, пр.Мира, 43
© ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет», 2007
3
1 Назначение, конструкция и принцип действия машин постоянного тока
1.1 Назначение
Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность. Их широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили). Кроме того, электропромышленность выпускает ряд двигателей постоянного тока специального исполнения — для электротяги, экскаваторов, металлургического оборудования, шахтных подъемников, буровых установок, морских и речных судов и других приводов мощностью от нескольких сотен до нескольких тысяч киловатт. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики. Генераторы постоянного тока используются для питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения различных электрических потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.
Недостатком машин постоянного тока является наличие щеточноколлекторного аппарата, который требует тщательного ухода при эксплуатации и снижает надежность работы машины. Поэтому в последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте — синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.
1 – обмотка возбуждения; 2 – главные полюсы; 3 – якорь; 4 – обмотка якоря; 5 – щетки; 6 – корпус (станина)
Рисунок 1 – Электромагнитная схема двухполюсной машины постоянного тока (а) и эквивалентная схема ее обмотки якоря (б)
1.2 Принцип действия
Машина постоянного тока (рисунок 1) имеет обмотку возбужде-
ния 1, расположенную на полюсах статора 2. По этой обмотке проходит постоянный ток IВ возбуждения, который создает магнитное поле возбуж-
4
дения ΦВ. На якоре 3 расположена обмотка якоря 4, в которой при вращении якоря индуцируется ЭДС. При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление ЭДС одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. При вращении якоря в секции наво-
дится переменная ЭДС. Коллектор служит для выпрямления наведенной
ЭДС, поэтому на щетках 5 получается ЭДС одного направления. Так, в положении якоря, указанном на рисунке 1, щетка А примыкает к стороне секции, в которой ЭДС направлена к коллекторной пластине, поэтому полярность щетки А будет положительной (+). Полярность щетки Б будет отрицательной (-). Пульсации тока во внешней цепи уменьшаются при увеличении числа пластин коллектора.
1.3Устройство коллекторной машины постоянного тока
Внастоящее время электромашиностроительные заводы изготовляют электрические машины постоянного тока, предназначенные для работы в самых различных отраслях промышленности, поэтому отдельные узлы этих машин могут иметь разную конструкцию, но общая конструктивная схема машин оди-
накова. Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором, вращающаяся часть – якорем (рисунок 2).
1 – коллектор; 2 – щетки; 3 – сердечник якоря; 4 – сердечник полюса; 5 – катушка возбуждения; 6 – станина; 7, 12 – подшипниковые щиты; 8 – вентилятор; 9 – обмотка якоря; 10 – вал; 11 – лапы
Рисунок 2 – Устройство машины постоянного тока
5
Статор. Состоит из станины 6 и главных полюсов 4. Станина 6
служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов 7 и 12 и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы 11 для крепления машины к фундаментной плите, а по окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов 4. Обычно станину делают цельной из стальной трубы либо сварной из листовой стали, за исключением машин с весьма большим наружным диаметром, у которых станину делают разъемной, что облегчает транспортировку и монтаж машины.
Главные полюсы (рисунок 3) предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения.
а) |
б) |
1 – станина; 2 – сердечник полюса; 3 – полюсная катушка
Рисунок 3 – Устройство главных полюсов с бескаркасной (а) и каркасной (б) полюсными катушками
Главный полюс состоит из сердечника 2, на который надевается полюсная катушка 3. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет полюсный наконечник, который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 1—2 мм или из тонколистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали, например марки 3411. Полюсы крепят к станине болтами; резьбу для болтов нарезают непосредственно в шихтованном сердечнике.
Полюсные катушки в машинах постоянного тока небольшой мощности делают бескаркасными — намоткой медного обмоточного провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку (рисунок 4).
6
1 – главный полюс; 2 – катушка обмотки возбуждения; 3 – опорный угольник; 4 – добавочный полюс; 5 – катушка обмотки добавочных полюсов
Рисунок 4 – Устройство катушек главных (а) и добавочных (б) полюсов
В большинстве машин (мощностью 1 кВт и более) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник полюса. В некоторых конструкциях машин полюсную катушку для более интенсивного охлаждения разделяют по высоте на части, между которыми оставляют вентиляционные каналы.
Якорь. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали (рисунок 5). Листы покрывают изоляционным лаком, оксидируют или фосфатируют и собирают в пакет. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.
1, 3 – нажимные шайбы; 2 – выточки для наложения бандажа; 4 – место на валу для запрессовки коллектора; 5 – изоляционная пленка; 6 – стальной лист
Рисунок 5 – Устройство сердечника якоря (а) и его сборка (б)
Обмотку якоря изготовляют из провода круглого или прямоугольного сечения; обычно она состоит из отдельных, заранее намотанных, якорных катушек (рисунок 6), которые обматывают изоляционными лентами и укладывают в
7
пазы. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями(текстолитовыми, гетинаксовыми или стеклотекстолитовыми).
1 – якорныекатушки; 2 – сердечникякоря; 3 – коллектор; 4, 5 – верхняяинижняястороныякорнойкатушки
Рисунок 6 – Устройство якорных катушек (а) и расположение их в пазах (б)
Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы которых припаивают к соответствующим коллекторным пластинам; секции могут быть одно- и многовитковыми.
Коллектор. Обычно коллектор выполняют в виде цилиндра (рисунок 7), собранного из клинообразных медных пластин.
Нижняя часть коллекторных пластин 6 имеет форму «ласточкиного хвоста». После сборки коллектора эти части пластин оказываются зажатыми между стальными шайбами 1 и 3.
а) |
б) |
в) |
1, 3 – стальные шайбы; 2 - винт; 4 – изолирующие прокладки (миканитовые манжеты); 5 - петушки; 6 - коллекторные пластины; 7 – пластмасса; 8 – стальные кольца
Рисунок 7 – Устройство коллектора с конусными шайбами:
Между коллекторными пластинами располагают изоляционные про-
8
кладки 4 (рисунок 7, б) из слюды или миканита. Секции обмотки якоря впаивают в прорези, имеющиеся в выступающей части коллекторных пластин (в петушках). Чтобы миканитовые прокладки при срабатывании коллектора не выступали над пластинами и не вызывали вибрации щеток, их профрезеровывают на 0,8 – 1,5 мм ниже поверхности коллектора (рисунок 7, б).
В машинах малой и средней мощности широко применяют коллекторы, в которых медные пластины и миканитовые прокладки запрессованы в пластмассу (рисунок 7, в). Такие коллекторы отличаются простотой в изготовлении. На-
бор медных и миканитовых пластин удерживается пластмассой 7, которая армирована стальными кольцами 8. Поверхность собранного коллектора обтачивается и тщательно шлифуется.
Щеточный аппарат. По цилиндрической части коллектора скользят щетки, установленные в щеткодержателях. Щетки представляют собой прямоугольные бруски, изготовленные путем прессовки и термической обработки из порошков графита, кокса и других компонентов. Они предназначены для соединения коллектора с внешней цепью и прижимаются к поверхности коллектора пружинами 3 (рисунок 8, а).
При вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение относительно полюсов машины. Щеткодержатели укрепляют на щеточных пальцах и изолируют от них. Щеточные пальцы, в свою очередь, крепят либо к подшипниковому щиту, либо к траверсе, которая позволяет при необходимости поворачивать всю систему щеток относительно полюсов машины. В машинах малой мощности часто применяют трубчатые щеткодержатели (рисунок 8, б), устанавливаемые непосредственно в подшипниковом щите.
1 – щетка; 2 – обойма; 3 – пружина; 4 – зажимы для крепления к щеточному пальцу; 5 – щеточный канатик; 6 – нажимный палец; 7 – колпак; 8 – изоляционная втулка; 9 – подшипниковый щит; 10 – зажим для выводного проводника
Рисунок 8 – Устройство щеткодержателей машин средней (а) и малой (б) мощностей