§ 27. Основные части электрических машин и их назначение

Конструктивное выполнение машины. Основными частями ма­шины постоянного тока являются: остов (станина), полюсы, якорь, щеточный аппарат и некоторые вспомогательные детали, служащие для конструктивного оформления машины. Электрические машины общего применения (рис. 74) обычно имеют цилиндрическую форму и снабжены приливами для установки на фундамент или фланцами для крепления.

Тяговые электрические машины имеют те же основные части, но их конструкция приспособлена к особенностям установки этих машин на локомотивах. Например, тяговые двигатели электровозов (рис. 75), тепловозов и электропоездов устанавливают на тележках экипажной части локомотива, поэтому в их конструкции предусма­тривают специальные элементы для монтажа двигателя на тележке и передачи его вращающего момента на движущую колесную пару. В тяговых генераторах тепловозов (рис. 76) вал якоря имеет

только один подшипник; второй опорой якоря является подшипник дизеля, вал которого жестко соединен с валом якоря генератора фланцем.

Остов. В современных электрических машинах остов отлива­ют из стали. Он составляет часть магнитной системы машины и слу­жит для укрепления полюсов с катушками и выводных зажимов, а также для поддержания боковых щитов, несущих подшипники якоря.

Остовы тяговых генераторов тепловозов имеют цилиндрическую форму и снабжены двумя приливами для установки генератора на общую с дизелем раму. Остовы тяговых двигателей (рис. 77) обыч­но выполняют восьмигранными или цилиндрическими. В них имеют­ся приспособления для монтажа двигателя на тележке, люки для осмотра коллектора и щеток, отверстия для подвода и выхода наружу охлаждающего воздуха и пр. Внутри остова предусмотрены обра­ботанные приливы для установки полюсов, обеспечивающие строго симметричное расположение их на машине. В торцовых стенках остова имеются горловины для установки и крепления подшипни­ковых щитов.

Полюсы. В современных стационарных и тяговых машинах по­стоянного тока устанавливают главные и добавочные полюсы.

Главные полюсы (рис. 78, а), на которых расположены катушки обмотки возбуждения, служат для создания в машине магнитного потока возбуждения. Часть сердечника главного полюса со стороны, обращенной к якорю, выполнена более широкой и называется по­люсным наконечником. Эта часть служит для поддержания катушки, а также для лучшего распределения магнитного потока по поверх­ности якоря.

Сердечники главных полюсов для уменьшения вихревых токов изготовляют шихтованными — из отдельных стальных листов тол­щиной 0,5—1,5 мм. По краям полюсов устанавливают более толстые торцовые боковины, которые посредством заклепок удерживают по­люсные листы в спрессованном состоянии.

Возникновение вихревых токов в сердечниках главных полюсов объясняется изменением (пульсацией) магнитного поля в полюсных наконечниках, прилегающих к якорю при его вращении. Вследствие

зубчатости якоря магнитное поле в местах, расположенных против зубов, усиливается (индукция возрастает), а в местах, расположен­ных против пазов, ослабляется (индукция уменьшается). При враще­нии якоря против каждой точки поверхности полюсного наконечни­ка оказывается попеременно то зубец, то паз, вследствие чего индук­ция магнитного поля в отдельных точках наконечника непрерывно изменяется. Это и вызывает появление вихревых токов в стали на­конечника.

Электрические машины могут иметь два, четыре, шесть и в общем случае 2р главных полюсов. Главные полюсы укрепляют на остове болтами. В машинах небольшой и средней мощности резьбу под бол­ты нарезают непосредственно в сердечнике полюса (рис. 79, а). В более мощных машинах (тяговых двигателях и тяговых генера­торах) болты ввертывают в специальные установочные стержни (один или два на полюс), закладываемые в сердечник при его сборке (рис. 79, б).

Остов, полюсы и якорь составляют магнитную систему машины, через которую замыкается магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения. Воздушный зазор между якорем и полюсами явля­ется также одним из участков магнитной цепи.

Расположение главных полюсов и распределение магнитного по­тока в четырехполюсной машине поясняются рис. 80, а и б. Сосед­ние (разноименные) полюсы в четырехполюсной машине располо­жены под углом 90°, а двухполюсной — под углом 180°. Линия, делящая эти углы пополам, называется геометрической нейтралью. Магнитный поток Ф, проходящий через полюсы и поступающий в якорь и остов, разделяется по оси симметрии полюсов на две симметричные и равные части. У всех современных машин с сим­метричными магнитными системами число полюсов 2р всегда четное, все полюсы совершенно одинаковы и углы между осями соседних полюсов равны.

Добавочные полюсы (см. рис. 78, б) обеспечивают уменьшение искрения, возникающего при работе машины (см. § 30). По своим размерам они меньше главных. Число добавочных полюсов обычно равно числу главных. В машинах постоянного тока сердечники до-

бавочных полюсов изготовляют из стали. Они имеют монолитную конструкцию, так как значение индукции под добавочными полюса­ми выбирается обычно небольшим и при вращении якоря индуциро­вания вихревых токов в их наконечниках практически не происходит. Однако в тяговых двигателях электровозов переменного тока, работающих при пульсирующем напряжении, сердечники добавоч­ных полюсов выполняют шихтованными — из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Этим обеспечивается существенное уменьшение вихревых токов, возникающих при про­хождении по обмотке добавочных полюсов пульсирующего тока.

Катушки полюсов изготовляют из изолированного медного про­вода круглого или прямоугольного сечения или из шинной меди.

Площадь поперечного сечения проводников и число витков кату­шек зависят от типа, мощности и напряжения машины. Отдельные витки катушек изолируют друг от друга (межвитковая изоляция), кроме того, на катушку еще накладывают общую корпусную изоля­цию 3 (см. рис. 78). Катушки всех главных полюсов обычно соеди­няются последовательно и составляют обмотку возбуждения ма­шины. Катушки добавочных полюсов также соединяют последова­тельно.

В современных тяговых электрических машинах постоянного и пульсирующего тока часто применяют компенсационную обмотку, улучшающую условия работы коллектора и щеток (см. § 29). Ее рас­полагают в пазах, проштампованных в полюсных наконечниках, и выполняют в виде отдельных катушек из прямоугольной меди (рис. 81). Катушки крепят в пазах текстолитовыми клиньями.

Якорь. Машина постоянного тока имеет якорь, состоящий из сердечника, обмотки, коллектора и вала. Сердечник якоря (рис. 82) собран из штампованных листов электротехнической стали толщи­ной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникаю­щих при пересечении якорем магнитного поля, листы изолируют один от другого. Листы собирают в общий пакет, который насажи­вают на вал якоря. Пакет удерживается в сжатом состоянии нажим­ными шайбами. В теле якоря делают вентиляционные каналы для прохода охлаждающего воздуха. В машинах постоянного тока боль-

шой мощности с якорями большого диаметра листы, из которых собирают сердечник якоря, имеют форму сегментов 8. Сегменты собирают на шпильках, образуя полную окружность якоря, и сжима­ют нажимными шайбами; при сборке пакета якоря стыки между сегментами одного слоя располагаются против середины сегментов предыдущего слоя, благодаря чему уменьшается магнитное сопро­тивление сердечника якоря.

Якорные листы имеют зубчатую форму, поэтому при сборке их в пакеты образуются пазы (впадины), в которые укладывают обмот­ку якоря. Пазы бывают открытые и полузакрытые. Тяговые электри­ческие машины имеют открытые пазы. Для улучшения коммутации и снижения магнитного шума в некоторых машинах применяют яко­ря со скошенными пазами, т. е. пазы по длине сердечника смещаются на одно зубцовое деление.

В тяговых двигателях сердечник якоря, нажимные шайбы и коллектор обычно насаживают не на вал, а на промежуточную втулку, которую затем запрессовывают под давлением на вал. При­менение промежуточной втулки дает возможность сменить неисправ­ный вал без полной разборки якоря.

Обмотку якоря (рис. 83) выполняют из медной изолированной проволоки, в машинах большой мощности — из медных стержней. Обычно обмотка якоря состоит из отдельных якорных катушек, которые обматывают изоляционными лентами из миканита, асбеста, стеклоткани или хлопчатобумажной ткани и укладывают в пазы яко­ря. В каждом пазу укладывают обычно две стороны различных якорных катушек, одна поверх другой. Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы которых припаивают к соответствующим коллекторным пластинам.

Различают следующие виды изоляции катушек: витковая — изоляция каждого из проводников; корпусная — изоляция всей ка­тушки относительно сердечника якоря и покровная — наружная изоляция, защищающая корпусную изоляцию от механических повреждений. После наложения обмотки якорь пропитывают изо­ляционными лаками (асфальтовым, бакелитовым и др.), благодаря чему повышается качество изоляции машины. В тяговых электри­ческих машинах для изоляции обмотки якоря применяют монолит­ную изоляцию из материалов высокой нагревостойкости (стекло-слюдинистовое полотно), залитых эпоксидным компаундом горячего отвердения. Такая изоляция повышает надежность и долговеч­ность электрических машин.

При вращении якоря обмотка может выпасть из пазов под дей­ствием возникающих центробежных сил. Чтобы предупредить выпа­дание обмотки, ее закрепляют изоляционными клиньями, а также проволочными бандажами или бандажами из стеклоленты (стекло-бандажами) (рис. 84). Якорные катушки изоготовляют на специаль­ных приспособлениях, позволяющих придавать им правильную и одинаковую форму (рис. 85).

Коллектор (рис. 86, а) выполнен из отдельных пластин 2 толщи­ной до 5—8 мм, изготовленных из твердотянутой меди или кадмиевой

бронзы клинообразного сечения. Пластины изолируют одну от другой миканитовыми прокладками 4. К выступающей части коллекторной пластины припаивают провода от обмотки якоря. Для этого в ней имеется соответствующая прорезь. Узкие края пластины имеют форму ласточкина хвоста, после сборки коллектора эти края зажимаются между двумя нажимными шайбами. Пластины изолируют от нажим­ных шайб 3 и вала якоря миканитовыми манжетами / и цилиндрами. Когда коллектор окончательно собран, его поверхность обтачивают на токарном станке и тщательно шлифуют. Чтобы миканитовые прокладки при износе коллектора не выступали над пластинами и не вызывали вибрации щеток, их профрезеровывают на 0,8—1,5 мм ниже поверхности коллектора (рис. 86, б). Эту операцию называют продороживанием коллектора.

В машинах с большим диаметром якоря (в тяговых генераторах тепловозов) для соединения проводников обмотки якоря с пласти­нами коллектора предусматривают промежуточные звенья — гибкие медные пластины, называемые петушками. Петушки нижними кон­цами прикрепляют к коллекторным пластинам, а в верхние их части впаивают проводники обмотки якоря.

Вращаясь, коллектор соприкасается со щетками и постепенно изнашивается. Кроме того, при работе коллектор нагревается, и возникающие при этом механические напряжения могут вызвать его деформацию, следствием которой будет вибрация щеток, плохой их контакт с коллектором и значительное искрение. Поэтому в экс­плуатации периодически выполняют обточку коллекторов.

В машинах малой и средней мощности, например в тяговых двигателях электропоездов и во вспомогательных машинах, широко применяют коллекторы с пластмассовым корпусом (рис. 86, в). В этих коллекторах медные пластины 2 и миканитовые прокладки опрессованы пластмассой 5, обладающей большой механической и электрической прочностью. Для посадки коллектора на вал служит стальная втулка 6, которую вставляют в пресс-форму перед запрес­совкой пластин в пластмассу.

Щеточный аппарат. Щетки предназначены для соедине­ния коллектора с внешней цепью. Они представляют собой прямо­угольные призмы шириной 4—32 мм (рис. 87, а). Рабочую поверх-

ность щеток пришлифовывают к коллектору, чтобы обеспечить надежный контакт. Каждая щетка имеет определенную марку. Щет­ки различных марок различаются составом, способом изготовления и физическими свойствами.

Щетки, применяемые для электрических машин, подразделяются на четыре основные группы: угольно-графитные, графитные, электро-графитированные и металлографитные. Для каждой машины, рабо­тающей в определенных условиях, нужно применять щетки только соответствующих марок. Эти марки подбираются заводом — изгото­вителем машин; при замене изношенных щеток нужно брать щетки той же марки. В тяговых электрических машинах применяют исклю­чительно электрографитированные щетки, которые обладают хоро­шими коммутирующими свойствами, значительной механической прочностью и способностью выдерживать большие перегрузки.

Щетки устанавливают в специальные обоймы, называемые щеткодержателями (рис. 88, а). Для отвода тока от щетки к ней прикрепляют медный гибкий проводник (щеточный канатик), кото­рый присоединяют к щеткодержателю. Одним из основных условий хорошей работы щеток является плотный, надежный контакт меж­ду щеткой и коллектором. Он достигается при помощи нажимного устройства, смонтированного на щеткодержателе. Нажим на щетку осуществляется пружиной (спиральной, цилиндрической или пластинчатой), упирающейся одним концом в щетку, а другим — в щеткодержатель. В тяговых двигателях нажимная пружина воздей­ствует на специальный палец, прижимаемый к верхней торцовой поверхности щетки (рис. 88,6). Нажатие на щетку должно быть отрегулировано в строго определенных пределах, так как чрезмерный нажим вызывает быстрый износ щетки и нагрев коллектора, а недо­статочный нажим не дает надежного контакта между щеткой и кол­лектором, вследствие чего возникает искрение под щеткой. Нажатие принимают из расчета 1,5—3,5 Н на 1 см² опорной поверхности щетки. Для улучшения щеточного контакта и предотвращения искре­ния щеток в некоторых случаях применяют разрезные щетки (рис. 87,6). Такая щетка состоит из двух частей, установленных

в общую обойму. Равномерное нажатие на отдельные части щетки обеспечивается резиновым гасителем 4.

Щеткодержатели укрепляют на кронштейнах и щеточных паль­цах непосредственно к остову машины (в четырехполюсных тяговых двигателях) или к боковым подшипниковым щитам и изолируют от них специальными изоляторами / (см. рис. 88). В некоторых тяговых и стационарных машинах щеткодержатели устанавливают на поворотных траверсах (рис. 89, а и б), прикрепляемых к боковым щитам. Поворотом траверсы обеспечивается возможность некоторого перемещения щеток по окружности коллектора. Благодаря этому можно подобрать наивыгоднейшее положение щеток, при котором искрение под щетками при данном режиме работы будет минималь­ным. Применение поворотной траверсы облегчает также осмотр щеткодержателей и замену в них щеток.

Кроме описанных выше частей, в электрических машинах имеется ряд конструктивных деталей: подшипники, подшипниковые щиты (крышки), смазочные и маслозащитные устройства и т. п.

Подшипники. В тяговых двигателях, тепловозных генерато­рах и вспомогательных машинах обычно устанавливают шариковые и роликовые подшипники (рис. 90), очень надежные и требующие небольшого ухода. Подшипники помещают в специальных подшип­никовых щитах, которые прикрепляют к обеим сторонам остова.

Для смазки подшипников применяют в большинстве случаев густую консистентную смазку. Эта смазка не требует большого объема смазочных камер, и запас ее, закладываемый в подшипник, при периодических ревизиях двигателя оказывается вполне доста­точным для работы машины без замены смазки до следующей реви­зии. Для предотвращения выхода смазки из смазочных камер в тя­говых машинах применяют гидравлические (лабиринтовые) уплот­нения. Действие этих уплотнений основано на вязкости смазки, по­павшей в небольшой зазор между вращающейся и неподвижной де-

талями, а также на создании самой смазкой гидравлических пере­городок вследствие отбрасывания ее к стенкам лабиринта под дей­ствием центробежной силы, возникающей при вращении якоря.

Устройство для охлаждения электрических машин. В большин­стве электрических машин для охлаждения нагретых частей (сер­дечника и обмотки якоря, коллектора и полюсов) на валу якоря устанавливают вентилятор. Такой способ охлаждения электрических машин называется самовентиляцией, а машины этого типа — маши­нами с самовентиляцией. Тяговые двигатели электропоездов и вспо­могательные машины, установленные на электровозах и тепловозах, являются машинами с самовентиляцией. В этих машинах засасы­ваемый воздух поступает внутрь машины обычно со стороны коллек­тора и распределяется на два параллельных потока (рис. 91, а). Один из таких потоков омывает поверхность коллектора, катушки полюсов и пространство между полюсами и якорем. Другой поток проходит под коллектором и по вентиляционным каналам внутри сердечника якоря. Нагретый воздух выбрасывается через отверстия, имеющиеся в остове и подшипниковом щите со стороны, противопо­ложной коллектору, или же через специальный патрубок, прикреп­ленный к остову машины. висимой вентиляцией. При такой вентиляции воздух распределяется внутрь машины двумя параллельными потоками, как и при само­вентиляции.

Охлаждение оказывает большое влияние на работу электрических машин. Мощность, которую можно получить от электрической ма­шины, ограничена предельной температурой, которую может выдер­жать изоляция ее обмоток. Поэтому при интенсивном охлаждении значительно снижается нагрев обмотки, что позволяет повысить мощность, которую может отдать машина.