7.3. Машини постійного струму.

Одна й та сама машина постійного струму в принципі може працювати і як генератор, і як двигун. Ця властивість машини постійного струму називається оборотністю. Проте кожну електричну машину виробник випускає з певним призначен­ням – працювати тільки як генератор або тільки як двигун. Дуже рідко використовують машини постійного струму, при­значені для роботи як генератором, так і двигуном.

Генератори постійного струму застосовують тоді, коли по­трібно мати самостійне джерело постійного струму, наприклад для жив­лення деяких видів електромагнітів, електромагнітних муфт, електродвигунів, зварювальних установок, знаходять застосування в установках для зарядки акумуляторних батарей; в синхронних машинах змінного струму для живлення обмотки ротора; в електромашинних агрегатах, які використовуються в промисловості для широкого і плавного регулювання швидкості робочих машин, наприклад у тролей­бусах, електровозах, деяких типах підйомних кранів, у при­строях автоматики.

Двигун постійного струму з електромагнітним збудженням був створений в Росії акад. Б.С.Якобі в 1834 р., який назвав його магнітною машиною. У 1838 р. ним був побудований більш потужний електродвигун, який використовувався для приводу гребного гвинта річкового катера. Принцип оборотності електричних машин був також вперше сформульований російським фізиком акад. Е.X.Ленцем.

7.3.1. Устрій машини постійного струму

Основними частинами машини постійного струму є:

• статор (або ін. назва – індуктор), нерухома магнітна система якого створює основне магнітне поле машини. На статорі машини розташовуються, в залежності від конструкції, або постійні магніти (в мікродвигунах), або електромагніти з обмотками збудження (котушки, що наводять незмінний в часі магнітний потік збудження). У найпростішому випадку, статор має два полюси, тобто один магніт з однією парою полюсів. Але частіше машини мають дві і більше пари полюсів. Крім основних полюсів, на статорі (індукторі) можуть встановлюватися додаткові полюси, які призначені для поліпшення комутації;

• ротор (або ін. назва – якір). Ротор двигуна складається з електромагнітів з полярністю, що перемикається, давача (датчика_рус) положення ротора і перемикача (у звичайних машинах це функції колектора). У найпростішому випадку двигуна, ротор складається з одного електромагніта з двома полюсами, тобто має одну пару полюсів, при цьому є дві «мертві точки», з яких неможливий самозапуск двигуна. Ротор з трьома полюсами (умовно півтори пари), має найменше число полюсів ротора, при яких самозапуск можливий з будь-якого положення ротора. Насправді, один полюс весь час знаходиться в зоні комутації, тобто ротор має неявні дві пари полюсів. Ротор будь-якого двигуна складається з багатьох котушок, на частину яких подається живлення, в залежності від кута повороту ротора, відносно статора. Застосування великого числа (кілька десятків) котушок, необхідно для зменшення нерівномірності обертового моменту, для зменшення комутованого струму, і для забезпечення оптимальної взаємодії між магнітними полями ротора і статора (тобто для створення максимального моменту на роторі). У випадку генератора в обмотці котушок ротора, що приводиться до обертання зовнішніми силами, індукується електрорушійна сила;

• колектор – (щітково-колекторний вузол) виконує одночасно дві функції: є давачем кутового положення ротора і перемикачем струму в котушках ротора з ковзаючими контактами. В генераторі колектор є механічним пристроєм, який перетворює змінний струм обмотки якоря в постійний струм у зовнішньому колі. У режимі двигуна колектор перетворює споживаний з зовнішнього кола постійний струм у змінний струм в обмотці якоря і працює, таким чином, як механічний інвертор струму. Конструкції колекторів мають безліч різновидів. Виводи всіх котушок ротора об’єднуються в колекторному вузлі. Колекторний вузол звичайно являє собою кільце, з ізольованих один від одного пластин-контактів (ламелей), розташованих по осі (вздовж осі) ротора. Існують і інші конструкції колекторного вузла. Щітковий вузол необхідний для підведення (в двигуні) або відведення (в генераторі) електроенергії до або від котушок при обертанні ротора. Щітка – нерухомий контакт. Як щітки використовується спресована суміш графіту з мідним або бронзовим порошком. Щітки з великою частотою розмикають і замикають пластини-контакти колектора ротора. Як наслідок, при роботі машини виникають перехідні процеси, в обмотках ротора. Ці процеси призводять до іскріння на колекторі, що значно знижує надійність машини. Для зменшення іскріння застосовуються різні способи, основним з яких є установка додаткових полюсів. При великих струмах в роторі перехідні процеси досягають великої потужності, в результаті чого, іскріння може постійно охоплювати всі пластини колектора, незалежно від положення щіток. Таке явище називається кільцевим іскрінням колектора або «круговий вогонь». Кільцеве іскріння небезпечне тим, що одночасно вигоряють всі пластини колектора і термін його служби значно скорочується. Візуально кільцеве іскріння проявляється у вигляді кільця, що світиться близько колектора. Ефект кільцевого іскріння колектора недопустимий. При проектуванні двигунів і генераторів встановлюються відповідні обмеження на максимальні струми в роторі.

Конструктивні елементи машини постійного струму показані на рис. 7.43, де: 1 – вал машини; 2 – колектор; 3 – щіткоутримувач; 4 – осердя якоря із обмоткою; 5 – осердя головного полюса; 6 – полюсна котушка; 7 – станина; 8 – вентилятор.

Статор машини постійного струму складається зі станини і осердя. Станину виготовляють з маловуглецевої литої сталі, яка має значну магнітну проникність. Тому станина є також і магнітопроводом. Одночасно це основна деталь, що об’єднує інші деталі й складальні одиниці машини в єдине ціле. Так, до станини із середини прикріплюють болтами полюси, котрі складаються з осердя, полюсного наконечника і котушки.

Рис. 7.43.

Розрізняють основні й додаткові полюси. Основні полюси збуджують магнітне поле; тому обмотки їх котушок називають обмотками збудження. Додаткові полюси встановлюють у ма­шинах підвищеної потужності (понад 1 кВт) для поліпшення роботи ма­шини; обмотку додаткових полюсів з’єднують послідовно з обмоткою ротора.

Р отор (якір) машини постійного струму складається з таких елементів (див. рис. 7.44): 1 – осердя якоря; 2 – вал машини; 3 – пази для витків обмотки якоря; 4 –колектор; 5 – мідні пластини колектора.

Осердя якоря наби­рають з тонких листів електротехніч­ної сталі (0,35 – 0,5 мм), ізольованих один від одного лаковим покриттям або тонким папером, що зменшує втра­ти на вихрові струми. У пази осердя укладаються ізольовані провідники (стержні). Стержні з’єднуються між собою по торцях і утворюють замкнену обмотку якоря. В осерді якоря роблять вентиляційні канали. Щоб струм від обмотки якоря в зовнішнє коло (у генераторі) або із зо­внішнього кола до обмотки якоря (у двигуні) проходив в одному й тому самому напрямі, у машині постійного струму встановлюють колектор. Набирають його з мідних пластин, ізольованих одна від одної і від вала машини міканітовими прокладками. Кожна з пластин колектора приєднується до певної точки обмотки якоря (про принцип з’єднання буде далі). Осердя якоря і колектор закріплюють на одному валу. Отже, колектор – це пристрій, який кон­структивно об’єднаний з якорем (ротором) електричної машини і є механічним перетворювачем частоти. По ізольованих один від одного і приєднаних до витків обмотки якоря пластинах, що становлять колектор, ковзають струмоз’ємні щітки. Через ці щітки й колектор обмотка якоря приєднується до зовнішнього електричного кола. Щітки вставляють в обойми щіткотримача і притискують до колектора пружинами.