Устройство и принцип действия коллекторной машины постоянного тока (мпт).
Коллекторные машины постоянного тока выполняются по обращенной (вывернутой) схеме: якорь на роторе, индуктор на статоре (рис.5). Обмотка индуктора 1 расположена на полюсах 2, закрепленных на корпусе 3, являющемся одновременно магнитопроводом. Магнитный поток возбуждения 4 пересекает двухслойную обмотку якоря 5, расположенную на ? шихтованного магнитопровода ротора 6. Каждая секция обмотки якоря соединена на концах с двумя коллекторными пластинами7, вследствие чего секции обмотки якоря МПТ замкнуты последовательно. Пластины 7 объединены в коллектор 8 и электрически изолированы друг от друга и от корпуса. Щетки 9 одновременно контактируют с несколькими соседними пластинами.
При вращении ротора возникает относительное перемещение магнитного поля, созданного обмоткой статора (индуктора), и обмотки якоря, благодаря чему в ней наводится ЭДС переменного знака аналогично ЭДС в обмотке якоря СГ. Щетки закреплены на статоре, поэтому при вращении ротора они поочередно вступают в контакт с коллекторными пластинами, осуществляя подключение к внешней сети секций обмотки якоря таким образом, что в образовавшейся ветви (из частей секций обмотки якоря), ЭДС направлена в одну сторону.
Коллектор в двигателе постоянного тока выполняет функции инвертора, в генераторе - выпрямителя, поэтому в обмотке якоря МПТ, (как и в обмотке якоря СГ) протекает переменный ток, а в щетках и токоподводящих проводах МПТ - постоянный ток.
Материалы
Для авиационных ЭМ используют высококачественные материалы, относительно высокая стоимость, которых ограничивает их применение в других отраслях промышленности.
В общем случае при выборе материала подлежат рассмотрению следующие его характеристики:
-механические (предел прочности, предел текучести, твердость, относительное удлинение и сужение, ударная вязкость);
-физические (плотность, модуль упругости, температурный коэффициент линейного расширения, коэффициент теплопроводности, удельная теплоемкость, нагревостойкость);
-технологические (допускаемые виды обработки, стойкость к коррозии, адгезионные свойства поверхности).
Эти характеристики можно найти в соответствующих справочниках.
Металлы.
Углеродистые стали в зависимости от содержания углерода подразделяются на малоуглеродистые (до 0,2%), среднеуглеродистые (от 0,3 до 0,5%) и высокоуглеродистые (более 0,5%). Малоуглеродистые стали (10864, 08кп и др.) применяются для магнитопроводов и малонагруженных деталей, изготовление которых требует значительной пластической деформации. Для магнитопроводов обязателен отжиг в защитной среде, который улучшает их магнитные свойства. У среднеуглеродистых сталей механические свойства улучшают термообработкой; высокоуглеродистые стали (65Г) применяются редко и только для пружинящих деталей.
Легированные стали применяются для высоконагруженных деталей и там, где необходима термическая и термохимическая обработка.
Нержавеющие стали упрощают защиту от коррозии, позволяют вести обработку посадочных мест после сборки узла. Диамагнитность некоторых нержавеющих сталей используется в конструкциях роторов ЭМ с осевым магнитным потоком. Недостатками сталей с высоким содержанием никеля являются их низкая твердость и износоустойчивость.
Литейные стали применяются для отливок корпусов и полюсов машин постоянного тока (марка 1ОЛ), а также для щитов, втулок коллекторов и других нагруженных деталей (марка 35ХГСЛ). Их механические свойства аналогичны сталям марок 1О и 30ХГС.
Электротехнические кремниевые стали используются для магнитопроводов. Марки наиболее часто применяемых тонколистовых сталей приведены ниже:
новое обозначение……………………..1212 1311 1412 1521
старое обозначение……………..…………Э12 Э21 Э32 Э44
Из этих сталей изготавливаются листы и ленты толщиной 0,1; 0,2; 0,35; 0,5 и 1мм. Механические свойства электротехнических сталей зависят от степени легирования их кремнием. Чем выше содержание кремния, тем выше прочность стали на разрыв, но одновременно снижается пластичность и ударная вязкость, что делает сталь чувствительной к местным концентрациям напряжений.
В ЭМ последних разработок применяются железокобальтовые стали марок 27КХ и 49К2Ф.
Алюминиевые сплавы как деформируемые, так и литейные широко применяются в конструкциях авиационных ЭМ. Прочность этих сплавов, как правило, повышается термообработкой. Большинство сплавов сваривается всеми видами сварки. Отливка из конструкционных сплавов марок АЛ5, АЛ9, АЛ19 (корпуса, щиты, ступицы) могут использоваться до рабочих температур +200°С; сплавов марки АЛ2 пригоден для отливок мелких деталей под давлением.
Магниевые сплавы при всех их положительных качествах не находят широкого применения из-за повышенной пожароопасности.
Титановые сплавы находят все более широкое применение для таких высоконагруженных деталей, как бандажи, клинья роторов, валы, ступицы, корпуса и щиты. Коррозионная стойкость сплавов очень высока, по этому они не требуют никаких видов защиты. Сплавы хорошо свариваются электронно-лучевой, аргонно-дуговой и контактной сваркой. Нагревостойкость сплавов высокая, они могут применяться до рабочих температур +400°С.
Медь и медные сплавы применяются для проводов и токоведущих деталей (выводов, демпферных обмоток и т.д.). Пластины коллекторов изготавливают из меди марки М1, кадмиевой меди (от 0,9 до 1,2% кадмия) и из хромистой бронзы марки БрХ0,5, причем последняя используется только в коллекторах крупных машин.
Изоляционные материалы.
По химическому составу все электроизоляционные материалы делятся на органические и неорганические (органические в своем составе содержат углерод). Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические изоляционные материалы: керамика, слюда, и т.д. По способу получения изоляционные материалы делятся на природные (азбест, слюда) и получаемые искусственно, синтезированные. Последние имеют наиболее широкое применение, т.к. они могут создаваться с заданным комплексом электроизоляционных и физических свойств. В зависимости от состава, назначения и технологических свойств они делятся на ряд групп, к которым относятся: пластические массы, слоистые и пленочные материалы, компаунды, лаки, керамики и др.
По нагревостойкости изоляционные материалы разбиты на 7 классов:
Класс………………………….Y А E B F H C
Нагревостойкость, °С……….90 105 120 130 155 180 >180
5. Конфигурация листов шихтованных магнитопроводов ЭМ меняется в зависимости от вида обмоточного провода (круглый или прямоугольный типа активной зоны (гладкая или зубчатая), конструкции межполюсного клина, типа охлаждения и ряда других причин. На рис.6 приведены наиболее типичные конфигурации листов стали рассматриваемых ЭМ.
6. Корпуса и щиты являются неподвижными частями ЭМ. В коллекторных МПТ корпуса выполняют одновременно функцию магнитопровода и поэтому изготавливаются из стали. В остальных случаях корпуса служат для размещения в них пакетов электротехнической стали статора с обмотками, они выполняются из легких сплавов.
Щиты предназначены для размещения в них узлов подшипников, на которые опирается вал ротора. В щеточных машинах постоянного и переменного тока на щитах размещаются щеткодержатели; в бесщеточных машинах постоянного тока на щетах крепятся блоки статических выпрямителей и их радиаторы.
Применяющиеся схемы стыковки корпусов и щитов показаны на рис.7. Двухщитовая конструкция (рис.7, а) используется для машин средней и большой мощности. Это конструкция требует точной обработки посадочных мест в корпусе и на обоих щитах, т.к. она определяет как соостность ротора и статора, так и взаимное расположение посадочных мест под подшипники.
Однощитовая конструкция (рис.7, б) наиболее широко используется для авиационных ЭМ различных типов. В ней щит со стороны стыковки соединен с корпусом. Число обрабатываемых стыковочных мест становится вдвое меньше, что снижает стоимость и увеличивает точность.
Конструкция с неотъемлимым щитом (рис.7, в) нашла применение для некоторых высокоскоростных ЭМ. Щит укрепляется на корпусе до окончательной обработки как обоих посадочных мест под подшипники, так и внутреннего диаметра статора и в дальнейшем уже не снимается. Обязательным условием при использовании этой схемы является совпадение размеров посадочных гнезд под подшипники с внутренними размерами стали статора, т.к. эти поверхности обрабатываются одновременно. Этим достигается высокая точность соостности ротора, статора и обоих подшипников, необходимые для высокоскоростных ЭМ.
Бесщитовая конструкция (рис.7, г) применяется для гидравлических интегральных приводов-генераторов (ИПГ). Здесь второй подшипник для вала ротора встраивается в привод.
На рис.8 приведены эскизы корпусов и щитов АД, СГ и МПТ.
Валы.
Вал ЭМ является основным силовым элементом ротора, на котором располагаются все остальные его узлы и детали.
Правильно сконструированный вал должен отвечать следующим требованиям:
-жесткость вала должна быть такой, чтобы максимальные нагрузки, возможные при эксплуатации не приводили к большим прогибам, которые могут вызвать касание ротора о статор или появление значительных сил одностороннего магнитного притяжения;
-критические частоты вращения вала должны быть выше рабочих частот вращения;
-напряжение в валу при всех режимах работы не должны превышать допустимых для примененного материала;
-элемент стыковки с приводом или исполнительным механизмом (если он входит в конструкцию вала) должен обеспечивать «мягкое» сочленение, исключающее передачу на подшипнике нагрузок вследствие несоостности машин и привода.
Для двигателей постоянного и переменного тока применяются сплошные цилиндрические валы (рис.9). Для генераторов и некоторых двигателей больших мощностей применяются полые валы с гибкими валами (торсионами), которые служат для демпфирования ударных нагрузок и компенсации несоостностей между приводом и валом ЭМ (рис.10). Такие валы обязательны для привода генератора от поршневых двигателей в связи с необходимостью демпфирования неравномерности частоты вращения. В газовых турбинах такой неравномерности нет, поэтому для стыковки генераторов применяются короткие шлицевые переходные валики (рис.11). Они компенсируют только несоостность между валами.
