Принцип действия и конструкция машин постоянного тока

На рис. 8 представлена простейшая машина постоянного тока (МПТ).

Рис. 8. Простейшая машина постоянного тока

Неподвижная часть машины, называемая и н д у к т о р о м, состоит из п о л ю с о в и круглого стального я р м а, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор, изображенный на рис. 1 простейшей машины, имеет два полюса 1.

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического я к о р я 2 и к о л л е к т о р а 3. Якорь состоит из с е р д е ч н и к а, набранного из листов электротехнической стали, и о б м о т к и, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рис. 8 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор налегают две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в МПТ создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготавливаются из ферромагнитных материалов.

На рис. 9 изображен полюс машины. Сердечники полюсов набираются из листов, выштампованных из электротехнической стали толщиной 0,5-1 мм, а иногда также из листов конструкционной стали толщиной до 2 мм. Так как магнитный поток полюсов в стационарных режимах не изменяется, то листы друг от друга обычно не изолируются.

Сердечник полюса стягивается шпильками, концы которых расклепываются. Нижняя, уширенная часть сердечника называется п о л ю с н ы м н а к о н е ч н и к о м или б а ш м а к о м. Расположенная на полюсе обмотка часто разбивается на 2-4 катушки для лучшего ее охлаждения.

Ч исло главных полюсов всегда четное, причем северные и южные полюсы чередуются, что достигается соответствующим соединением катушек возбуждения отдельных полюсов (последовательное соединение). Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет около 0,5-3 % от номинальной мощности машины.

Рис. 9. Главный полюс МПТ

Для улучшения условий токосъема с коллектора в машинах мощностью более 0,5 кВт между главными полюсами устанавливаются также дополнительные полюсы, которые меньше главных по своим размерам. Сердечники дополнительных полюсов обычно изготавливаются из конструкционной стали.

Как главные, так и дополнительные полюсы крепятся к ярму с помощью болтов. Ярмо в современных машинах обычно выполняется из стали (из стальных труб в машинах малой мощности, из стального листового проката, а также из стального литья). Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяется.

В МПТ массивное ярмо является одновременно также станиной, т.е. той частью, к которой крепятся другие неподвижные части машины и с помощью которой машина обычно крепится к фундаменту или другому основанию.

Сердечник якоря набирается из выштампованных дисков (рис. 10) электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Диски насаживаются либо непосредственно на вал (при см), либо набираются на якорную втулку ( см), которая надевается на вал. Сердечники якоря диаметром 100 см и выше составляются из штампованных сегментов электротехнической стали. Сегменты набираются на корпус якоря, который изготавливается обычно из листового стального проката и с помощью втулки соединяется с валом.

Рис. 10. Диск (а) и сегмент (б) стали якоря МПТ

В сердечнике якоря в зависимости от выбранной системы венти­ляции могут быть а к с и а л ь н ы е или р а д и а л ь н ы е к а н а л ы. Аксиаль­ные каналы образуются выштампованными в дисках сердечника отверстиями. Радиальные каналы создаются с помощью дистан­ционных распорок или ветрениц, посредством которых сердечник якоря подразделяется на отдельные пакеты 1 шириной 40-70 мм и каналы 2 между ними шириной около 5-10 мм (рис. 11).

В пазы на внешней поверхности якоря укладываются катушки обмотки якоря. Выступающие с каждой стороны из сер­дечника якоря (рис. 11) лобовые части обмотки 3 имеют вид ци­линдрического кольца и своими внутренними поверхностями опи­раются на обмоткодержатели 5, а по внешней поверхности крепятся проволочными бандажами 7. Обмотка соединяется с коллектором 4.

Рис. 11. Сердечник якоря с обмоткой МПТ

Величина воздушного зазора между полюсами и якорем в малых машинах менее 1 мм, а в крупных – до 1 см.

Устройство коллектора машины небольшой мощности показано на рис. 12. Он состоит из медных пластин 1 толщиной 3-15 мм, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками толщиной около 1 мм. Пластины имеют трапецеидальное сечение и вместе с прокладками составляют кольцо, которое скрепляется с помощью нажимных фланцев 4, стянутых стяжными болтами 7. От нажимных фланцев пластины коллектора изолируются миканитовыми коллекторными манжетами 2. Собранный коллектор крепится на валу 6 с помощью шпонки 5. К каждой пластине коллектора присоединяются соединительные проводники – «петушки» 3 – от обмотки якоря.

Рис. 12. Устройство коллектора МПТ

Для отвода тока от вращающегося коллектора и подвода к нему тока применяется щ е т о ч н ы й а п п а р а т, который состоит из щеток, щеткодержателей, щеточных пальцев, щеточной траверсы и токособирающих шин.

Щеткодержатели укрепляются на щеточных пальцах. На каждом щеточном пальце обычно помещают несколько или целый ряд щеткодержателей со щетками, которые работают параллельно. Щеточные пальцы, число которых обычно равно числу главных полюсов, крепятся в щеточной траверсе и электрически изолируются от нее. Траверса крепится к неподвижной части машины: в машинах малой и средней мощности – к втулке подшипникового щита, а в крупных машинах – к станине. Обычно предусматривается возможность поворота траверсы для установки щеток в правильное положение. Полярности щеточных пальцев чередуются, и все пальцы одной полярности соединяются между собой сборными шинами. Шины с помощью отводов соединяются с выводными зажимами или с другими обмотками машины.

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

Рассмотрим работу машины в р е ж и м е г е н е р а т о р а [1] (рис. 13 (а)). Предположим, что якорь машины приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется электродвижущая сила (ЭДС), направление которой может быть определено по правилу правой руки. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта ЭДС индуктируется только вследствие вращения якоря и называется ЭДС в р а щ е н и я. Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС вычисляется по формуле:

, В, (1)

где: – величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника, Тл;

– активная длина проводника, т.е. та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле, м;

– линейная скорость движения проводника, м/с.

Рис. 13. Работа простейшей МПТ в режиме генератора (а) и двигателя (б)

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины равна:

, В. (2)

Эта ЭДС является переменной, т.к. проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направления ЭДС в проводниках меняется. По форме кривая ЭДС проводника в зависимости от времени повторяет кривую распределения индукции вдоль воздушного зазора.

Частота ЭДС в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря:

, об/мин. (3)

В общем случае, когда машина имеет пар полюсов с чередующейся полярностью, то частота ЭДС вычисляется по формуле:

, об/мин. (4)

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток . В обмотке якоря этот ток будет переменным. Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора на 90^º С и изменении направления ЭДС в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

Таким образом, в генераторе коллектор является м е х а н и ч е с к и м в ы п р я м и т е л е м, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря:

, В. (5)

Проводники обмотки якоря с током находятся в магнитном поле, поэтому на них будут действовать электромагнитные силы, вычисляемые по формуле 6, направление которых определяется по правилу левой руки:

, А. (6)

Эти силы создают механический вращающий момент , который называется э л е к т р о м а г н и т н ы м м о м е н т о м и равен:

, Н·м, (7)

где: – диаметр якоря, м.

Рассматриваемая простейшая машина может работать также д в и г а т е л е м, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника (рис. 13 (б)). При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы и возникает электромагнитный момент . Величины и , как и для генератора, определяются равенствами (6) и (7). При достаточной величине якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора и двигателя были одинаковы, то направление действия , а следовательно, и тока у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором.

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает в качестве м е х а н и ч е с к о г о и н в е р т о р а тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется ЭДС, величина которой определяется равенством (2). Направление этой ЭДС в двигателе такое же, как и в генераторе. Таким образом, в двигателе ЭДС якоря направлена против тока и приложенного к зажимам якоря напряжения . Поэтому ЭДС якоря двигателя называется п р о т и в о э л е к т р о д в и ж у щ е й с и л о й.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС и падением напряжения в обмотке якоря:

, В. (8)

Из изложенного выше следует, что каждая МПТ может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся ЭМ и называется о б р а т и м о с т ь ю.

Для перехода МПТ из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря. Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Лабораторная работа № 3