Машины постоянного тока и переменного тока: Машина постоянного тока — Википедия – устройство и принцип действия, виды и схемы — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

§ 6.7. Краткая теория и примеры

1. Электрические машины

Электрические машины представляют собой электромеханические устройства, в которых происходят преобразования энергии. В генераторах механическая энергия преобразуется в электрическую, в двигателях – электрическая энергия в механическую. Каждая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в качестве двигателя и генератора. По роду тока электрические машины подразделяются на машины переменного тока и машины постоянного тока.

Электрические машины постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока (рис.6.10) состоит из неподвижной части – статора (1), подвижной части – якоря (2) и щеточно-коллекторного узла (3). В соответствии с законом электромагнитной индукции, при вращении якоря в магнитном поле полюсов в обмотке якоря наводятся переменные ЭДС, т.е. ЭДС индукции наводится в витках, движущихся в неподвижном магнитном поле.

Статорявляется механическим остовом машины. Станина изготавливается из литой стали. На станине укрепляются основные магнитные полюса, которые служат для создания магнитного потока, и вспомогательные — для улучшения коммутации в машине.

Главный полюс состоит из сердечника, укрепленного на станине болтами, и обмотки возбуждения, т. е. представляет собой электромагнит. Сердечник полюса изготавливается из листовой стали и на свободном конце снабжается полюсным наконечником, для создания требуемого распределения магнитного поля в воздушном зазоре машины.

Электромагниты (полюсы) создают в машине постоянное по величине и неподвижное в пространстве магнитное поле.

Путь магнитных линий в генераторе постоянного тока показан на рис.6.10. Верхний полюс является южным, нижний — северным. Показанная магнитная система имеет одну пару полюсов.

Рис. 6.10. Машина постоянного тока

Существуют и более сложные магнитные системы, содержащие два северных и два южных полюса. В этом случае направление токов в обмотках возбуждения выбирается с таким расчетом, чтобы соседние полюсы были разноименными, т.е. чтобы рядом с северным находился южный полюс и т.д. Такая магнитная система имеет две пары полюсов. Существуют машины и с большим числом полюсов, но их число будет непременно четным.

В современных электрических машинах малой мощности возбуждение осуществляется постоянными магнитами. При этом габариты машины уменьшаются, исключаются потери на нагрев обмотки возбуждения и возрастает КПД. Электрические машины с постоянными магнитами более технологичны, их производство легко автоматизировать.

Якорьмашины постоянного тока представляет собой стальной зубчатый сердечник, в пазах которого расположены витки обмотки. Эти витки соединены между собой последовательно и образуют замкнутую цепь.

При вращении якоря магнитный потокосцепление будет меняться. В результате в каждом из витков будет возникать переменная ЭДС. Во всех витках, расположенных по одну сторону нейтральной линии, ЭДС будут иметь один и тот же знак. Нулевое значение напряжения будет наступать в одном и том же месте, а именно, на нейтральной линии, расположенной симметрично относительно северного и южного полюсов.

Обмотка якоря является замкнутым контуром, но тока в нем не возникает, т. к. сумма мгновенных значений ЭДС всех последовательно соединенных витков обмотки равна нулю (машина симметрична). Если на геометрическую нейтраль установить неподвижные щетки и создать скользящий контакт между щетками и обмоткой, то обмотка будет представлять собой две параллельные ветви, в каждой из которой будут проводники с одинаково направленными ЭДС. Иначе говоря, получаем два параллельных источника ЭДС, состоящих из группы проводников, в каждый момент времени оказывающихся под южным и северным полюсом соответственно. При этом в каждой из обмоток индуктируется переменная ЭДС, а напряжение на зажимах машины постоянно. Если обмотку якоря через щетки замкнуть на сопротивление нагрузки, то в цепи возникнет ток, складывающийся из токов ветвей.

Осуществление скользящего контакта между щетками и обмоткой якоря возможно при удалении изоляции на узкой полосе наружной поверхности обмотки, когда щетки касаются оголенных проводов. В действительности же (в современных конструкциях) щетки касаются медных клинообразных пластин, собранных в цилиндр – коллектор, установленный на валу машины.

Пластины коллектора изолированы друг от друга и от вала и соединяются с обмоткой якоря проводниками. Отвод тока от коллектора осуществляется гибким кабелем через щетки, установленные в щеткодержателях.

Электрическая машина постоянного тока, как и другие машины, представляют собой два электромагнитно связанных контура, причем намагничивающая сила (НС) одного из этих контуров поддерживает основное магнитное поле. Этим контуром в машине постоянного тока является обмотка возбуждения машины, а вторичным контуром — обмотка якоря. Пока во вторичном контуре нет тока, этот контур не оказывает влияния на магнитное поле, создаваемое первичным контуром. Но как только в якоре появляется ток, то в магнитной цепи машины возникает дополнительная НС, искажающая и магнитный поток машины. Это явление получило название реакции якоря. Из-за реакции якоря происходит снижение ЭДС машины, некоторое снижение главного магнитного потока, а также ухудшаются условия коммутации машины. Для компенсации реакции якоря между основными полюсами устанавливают дополнительные полюсы, токи обмоток которых создают магнитный поток, противоположный магнитному потоку якоря. Обмотки дополнительных полюсов последовательно соединяют с обмоткой якоря, с тем, чтобы с увеличением тока якоря увеличивалось их компенсирующее действие.

Потери мощности в электрических машинах невелики и составляет 5 – 15% преобразуемой мощности. В целях увеличения магнитного потока и уменьшения потерь на перемагничивание, при изготовлении машин используют специальные сорта стали. Машины постоянного тока изготавливаются на мощности от долей ватт до 12 МВт. Номинальное напряжение их не превышает 1500 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах – от нескольких оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Все электрические машины постоянного тока обратимы: могут работать в режимах генератора и электродвигателя. Цепь возбуждения и цепь якоря в машинах постоянного тока по отношению к сети могут быть включены различными способами.

По способу возбуждения генераторы постоянного тока подразделяют на генераторы с независимым возбуждением и на генераторы с самовозбуждением. У генераторов с независимым возбуждением, например, рис.6.11,а) цепь возбуждения питается от независимого постороннего источника, которым может служить другая машина постоянного тока или аккумулятор. У генераторов с самовозбуждением цепь возбуждения питается непосредственно от самого генератора. Генераторы постоянного тока с самовозбуждением делятся в свою очередь на генераторы с параллельным возбуждением, генераторы с последовательным возбуждением и генераторы со смешанным возбуждением. Для регулирования ЭДС машины достаточно менять ток в цепи возбуждения с помощью регулировочного реостата, который включается последовательно с обмоткой возбуждения.

У генераторов с параллельным возбуждением

рис.6.11,б) цепь возбуждения подключается к щеткам якоря генератора параллельно внешней цепи:

где: – ток якоря,

– ток нагрузки,

– ток возбуждения.

У генераторов с последовательным возбуждениемобмотка возбуждения соединяется последовательно с цепью якоря и с цепью внешней нагрузки.

У генераторов со смешанным возбуждениемрис.6.11 в) имеются две обмотки возбуждения: одна включается параллельно, а другая последовательно с внешней цепью.

ЭДС якоря машины постоянного тока пропорциональна скорости вращения якоря и магнитному потоку полюса машины:

где:– постоянная, зависящая от конструктивных данных машины,

– частота вращения якоря,

– результирующий магнитный поток,

– число пар полюсов статора,

– число активных проводников обмотки якоря,

– число пар параллельных ветвей обмотки.

Из этого выражения видно, от чего зависит в машине постоянного тока величина ЭДС и каким путем можно ее регулировать. В машине, работающей в режиме генератора, скорость вращения остается при работе постоянной, поэтому регулирование ЭДС генераторов осуществляется изменением магнитного потока путем изменения тока возбуждения. При работе машины в режиме двигателя скорость вращения изменяется при изменениях механической нагрузки. Кроме того, регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока производится путем изменения тока возбуждения.

Рис.6.11. Генераторы постоянного тока с:

а) независимым возбуждением, б) параллельным возбуждением, в) смешанным возбуждением.

В генераторах постоянного тока происходит преобразование механической мощности вращения ротора:

где:

– вращающий момент на валу ротора с якорной обмоткой,

– частота вращения ротора.

в электрическую мощность:

где:

– ЭДС якорной обмотки,

– ток в якорной обмотке.

В нагрузке, подключаемой к якорной обмотке через коллектор, выделяется мощность

КПД генератора находится как:

Где – суммарная мощность потерь.

Напряжение на выводах генератора:

где:

– сопротивление цепи якоря, приведенное к рабочей температуре обмотокt=+75⁰С.

К основным характеристикам генераторов постоянного тока относятся:

Все двигатели постоянного тока могут быть отнесены к группе машин постоянного тока с независимым возбуждением. Различают двигатели с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. Пуск в ход двигателей при питании от источника постоянного напряжения осуществляется с помощью реостата , включаемого в цепь якоря, при этом происходит ограничение пускового тока до предельно допустимого.

В двигателях постоянного тока происходит преобразование электрической мощности в электромагнитную , а затем в механическую мощность вращения якоря.

Вращающий (электромагнитный) момент двигателя и частота вращения определяются выражениями:

где: .

Независимо от способа возбуждения уравнение электрического состояния цепи якоря имеет следующий вид:

Учитывая, что получим уравнение частотной характеристики двигателя.

К основным характеристикам двигателей относятся: рабочие ,,,или и механическаяприU = соnstи I_в = соnst.

Наиболее важные режимы работы двигателей: пуск в ход, регулирование частоты вращения, торможение и реверсирование.

Пуск в ход двигателей при питании от источника постоянного напряжения осуществляется с помощью реостата R_n, включаемого в цепь якоря (рис.6.12.). При этом происходит ограничение пускового тока до предельно допустимого значения.

Рис.6.12. Двигатели постоянного тока с:

а) параллельным возбуждением, б) последовательным возбуждением, в) смешанным возбуждением.

Частота вращения двигателя регулируется тремя способами:

изменением напряжения цепи якоря,
изменением тока возбуждения, т.е. Ф = f(I_в),
введением добавочного сопротивления в цепь якоря.

Существует три способа электромагнитного торможения двигателей постоянного тока:

рекуперативное (с возвратом энергии в сеть),
динамическое,
противовключение.

Пример.Для двигателя постоянного тока независимого возбуждения заданы следующие номинальные параметры:кВт;В;об/мин;%;Ом;. Определить номинальный ток якоря, ЭДС и вращающий момент двигателя, магнитный поток одного полюса и электромагнитную мощность.

Решение. Так как в паспорте на двигателе указывается номинальная механическая мощность, то потребляемаякВт.Ток якоря находим (при параллельном возбуждении) из соотношенийА.

ЭДС определяем по формуле:

;

В.

Электромагнитная мощность:

кВт.

Вращающий момент двигателя:

а магнитный поток:

Окончательно:

Вб и.

Пример.Для двигателя параллельного возбуждения заданы следующие номинальные параметры:В,Ом,об/мин,А. Определить вращающий момент двигателя при токеА и постоянном напряженииВ. Построить рабочую характеристикув пределах от 0 до.

Решение.Рабочую характеристикуможно рассчитать, по формуле:

Частота вращения также зависит от тока якоря

Окончательно получаем:

Подставляем исходные данные, находим расчетное уравнение:

График зависимости в диапазоне изменения тока от 0 доприведен на рисунке 6.13.

Рис.6.13. График зависимости M=f(Iя).

При заданном в условии токе А момент равен.

Пример. Определить номинальный момент на валу, номинальные суммарные потери мощностии номинальный КПДэлектродвигателя постоянного тока типа П62 с параллельным возбуждением при номинальном режиме работы, если номинальные данные, указанные на его щитке: полезная мощность на валукВт, напряжениеВ, частота вращенияоб/мин, ток, потребляемый из сети,А.

Решение.Номинальный момент на валу электродвигателя:

Номинальная мощность, подведенная к электродвигателю из сети:

Вт.

Номинальные суммарные потери мощности в электродвигателе:

кВт.

Номинальный КПД электродвигателя:

или.

Пример.Генератор параллельного возбуждения имеет следующие данные:В,А,А иОм. Построить внешнюю характеристику генератора в режимах холостого хода и короткого замыкания.

Решение.На основании выражений:

можно найти исходную расчетную зависимость, учитывая, что ЭДС является функцией тока возбуждения , а ток возбуждения зависит от напряжения генератора. Таким образом, ток нагрузки в данном случае определяется из соотношения:

или.

Для того чтобы воспользоваться универсальной магнитной характеристикой, необходимо знать, что ее аргумент и функция находятся по соотношениям:

С их помощью расчет сводится к линейным преобразованиям

где номинальное значение ЭДС:

и проводимость якорной цепи Ом^-1.

В соответствии с полученными выражениями ток якоря равен нулю при:

По универсальной магнитной характеристике это соответствует значению аргумента или напряжениюВ.

При коротком замыкании, т.е. при напряжении, равном нулю, ток

А.

График внешней характеристики генератора приведен на рисунке.

Рис.6.14. График внешней характеристики генератора.

назначение, конструкция, устройство и принцип действия :: SYL.ru

Машины постоянного тока (МПТ) – это общий термин, объединяющий генераторы (ГПТ) и двигатели (ДПТ). Как правило, говоря об МПТ, имеют в виду биполярные машины, у которых имеются чередующиеся «северные» и «южные» магнитные полюсы возбуждения и механический или электронный коммутатор тока вращающейся обмотки якоря с одним единственным кольцевым полюсом (в отличие от униполярных машин). Мы также будем придерживаться этого принципа.

Классификация МПТ

В электромашиностроении и теории электромашин принято разделять МПТ на устройства с явно и с неявно выраженными полюсами возбуждения, с цилиндрической или многогранной станиной, с возбуждением постоянным током или постоянными магнитами, с механическим коммутатором-коллектором на якоре или бесконтактные. Назначение машин постоянного тока разделяет их на общепромышленные и специализированные. Среди последних можно назвать, например, тяговые ДПТ, используемые в рельсовом транспорте. Выделяются также металлургические ДПТ, в особенности двигатели для прокатных станов и т. д.

Как известно, обмотки машин постоянного тока разделяются на обмотки возбуждения (ОВ) и якоря (ОЯ). Первые служат для возбуждения магнитного поля устройства, а вторые — для отбора мощности от питающей электросети в режиме двигателя или для питания электрической нагрузки в режиме генератора. Существуют еще и обмотки дополнительных полюсов, используемые для облегчения процесса коммутации.

Электрические машины постоянного тока независимо от того, являются ли они генераторами или двигателями, могут быть классифицированы на основе схем соединения их обмоток возбуждения и якоря. Они могут составлять единую электрическую цепь или же вообще не иметь электрической связи (независимое возбуждение). Этот принцип классификации делит МПТ на два основных типа. Вы поймете дальнейшую их классификацию из представленной ниже схемы.

Устройство машины постоянного тока

ГПТ может использоваться как ДПТ без каких-либо конструктивных изменений. Конечно, промышленностью выпускаются машины, предназначенные для работы в качестве двигателей, и машины, являющиеся генераторами. Однако отличия между ними состоят в конструкции отдельных частей, и на этапе общего ознакомления могут быть проигнорированы. Следовательно, далее будем рассматривать устройство машины постоянного тока в общем, без привязки к режиму ее работы.

Ниже на рисунке показан поперечный разрез простой МПТ с двумя парами явно выраженных полюсов. Конструкция ее содержит две основные части: статор и якорь. Рассмотрим, из каких деталей они состоят.

Статор содержит станину, а также главные и находящиеся между ними дополнительные полюсы (на рисунке не показаны).

Станина – это внешняя конструктивная оболочка МПТ. Она бывает литой из чугуна (у машин старых конструкций) или сварной из толстого листа стали. Станина механически прочно скрепляет всю сборку МПТ. Кроме того, она служит магнитопроводом для магнитного потока, производимого главными полюсами.

Последние прикреплены к станине с помощью винтов или сварки. Основное их назначение – нести катушки обмотки возбуждения, намотанные на них и соединенные последовательно между собой таким образом, чтобы магнитная полярность полюсов чередовалась, т. е. после «северного» полюса следовал бы «южный» и т. д.

Полюсные наконечники (башмаки), являющиеся расширением главных полюсов, служат двум целям: для предотвращения соскальзывания катушек и для равномерного распределения поля возбуждения на большей части окружности воздушного зазора.

Якорь машины постоянного тока состоит из сердечника с обмоткой, втулки и вала. Сердечник – это стальной каркас цилиндрической формы, сложенный из тонких электрических листов стали, покрытых с обеих сторон электроизоляционным лаком. Это делается для предотвращения появления вихревых токов, стремящихся замкнуться в толще сердечника. В пазах его уложены секции петлевой или волновой обмотки якоря, коллектор машины постоянного тока и щетки. Обмотку якоря нужно присоединить к внешней электросети постоянного тока. Но нельзя непосредственно соединить выводы обмотки с сетевым вводом, потому что она вращается. Поэтому между сетью и обмоткой якоря установлен коммутатор-коллектор, представляющий собой множество изолированных друг от друга пластин из меди, образующих внешнюю цилиндрическую поверхность, разделенную изоляционными дорожками. Неподвижные контактные щетки скользят по ней, когда якорь с коллектором вращаются. Таким образом неподвижные щетки физически соприкасаются с вращающейся обмоткой якоря, а с их помощью уже можно выполнить подключение к внешней сети машины постоянного тока.

Развитие конструкций МПТ

Первые промышленные образцы МПТ появились в 70-х гг. 19 в. Поначалу они имели кольцевой якорь с тороидальной (граммовской) обмоткой. После изобретения барабанного якоря они приобрели законченный вид, примерно соответствующий вышеприведенному рисунку. Однако конструкция машин постоянного тока во второй половине 20 в. претерпела довольно сильные изменения. Прежде всего они коснулись статора. Вместо явно выраженных главных полюсов стали применять неявнополюсную конструкцию. В ней сосредоточенную катушку возбуждения каждого главного полюса заменили несколько меньшие по размерам катушки, расположенные в пазах шихтованного статора, который имеет прямоугольную или многогранную форму, как на рисунке ниже. В тех же пазах статора размещают и компенсационную обмотку, о которой будет сказано далее. В результате конструкция машин постоянного тока стала намного легче.

В связи с развитием управляемого асинхронного электропривода некоторые специалисты высказывают мнение о скором вытеснении асинхронными двигателями ДПТ из традиционных для них областей применения, таких как тяговый электропривод или привод металлургических механизмов. Однако пока еще рано говорить об этом как о свершившемся факте.

Общий принцип образования обмотки якоря

Любая из обмоток якоря является замкнутой сама на себя непрерывной электрической цепью, состоящей из последовательно соединенных секций (катушек). В простейшем случае секция может представлять просто один виток с двумя пазовыми проводниками или же быть многовитковой. Пазовые стороны секции всегда разнесены на расстояние, чуть меньшее полюсного деления – части окружности якоря, приходящейся на один главный полюс. Поэтому они в каждой из секций всегда находятся под главными полюсами противоположной полярности. В единую замкнутую цепь секции соединяются на пластинах коллектора. Способ же этого соединения и определяет тип обмотки. Рисунок ниже поясняет принцип образования обмотки якоря машины постоянного тока из шести многовитковых секций, соединяемых на пластинах коллектора.

машины постоянного тока устройство и принцип действия

В положении, показанном на рисунке, щетки разделяют обмотку якоря на две параллельные ветви: верхнюю, в которую входят секции L_1,L₂, L₃, и нижнюю, состоящую из секций L₄_,L₅, L₆. Число таких ветвей зависит от типа обмотки якоря, но оно всегда четное и не может быть меньше двух.

Петлевые и волновые обмотки якоря

Это два основных типа обмоток, каждый из которых имеет несколько разновидностей. Мы рассмотрим их простейшие варианты. Слева на рисунке ниже показана форма секций, из которых состоит простая петлевая обмотка якоря машин постоянного тока. Как можно увидеть, такая же форма секций характерна для волновой обмотки.

В первом варианте один (начальный, стартовый) вывод каждой двухвитковой секции подключен к i-й пластине коллектора, а второй (конечный, завершающий) вывод соединен на соседней (i+1)-й пластине коллектора с начальным выводом следующей секции (см. рисунок выше). Таким образом, выводы каждой секции присоединены к двум рядом расположенным пластинам, а сама секция, состоящая из двух пазовых сторон и двух лобовых частей по форме напоминает петлю (отсюда и название обмотки).

Секция волновой обмотки имеет выводы, присоединенные не к соседним пластинам коллектора, а к разнесенным на определенный шаг, называемый шагом обмотки по коллектору у_к. Для простой петлевой обмотки у_к=1, а для простой волновой — у_к=(К±1)/р, где К – число пластин коллектора, р- число пар главных полюсов. Как видно из рисунка, вследствие такого способа соединения секции приобретают форму, похожую на полуволну синусоиды, что и обусловило название обмотки.

Принцип действия в режиме генератора

Согласно первоначальной трактовке явления электромагнитной индукции в движущемся проводнике, данной еще Фарадеем, когда он пересекает при движении силовые линии магнитного поля, в нем наводится ЭДС. Следуя этому принципу, можно объяснить причину наведения ЭДС в активных проводниках (тех, что уложены в пазы) обмотки якоря МПТ. Действительно, они движутся под главными полюсами, пересекая при этом линии поля. Поскольку последние непрерывны, каждый проводник якоря независимо от того, расположен ли он на его поверхности (так было в первых конструкциях МПТ) или в пазах, пройдя под полюсом, пересечет все исходящие из его наконечника линии поля. Направление действия индуцированной в проводнике ЭДС можно определить, применяя правило правой руки, которое иллюстрирует рисунок ниже.

Пазовые проводники якоря попарно входят в состав витков катушек его обмотки. Сумма ЭДС витков дает ЭДС катушки. Неподвижные щетки делят всю обмотку якоря на несколько (минимум две) параллельных ветвей. Сумма ЭДС всех катушек, входящих в параллельную ветвь, дает ЭДС всей обмотки якоря МПТ. Таким образом, принцип действия машин постоянного тока при работе генератором можно сформулировать так: якорь возбужденной машины вращается приводным двигателем, в его обмотке наводится ЭДС, которая вызывает протекание постоянного тока якоря в замкнутой электроцепи, включающей обмотку, коллектор, щетки и внешнюю сеть с нагрузкой.

При наличии тока якоря на него начинает действовать тормозящий электромагнитный момент. Он создает нагрузку для приводного двигателя. Чем больше электрическая мощность нагрузки генератора, тем сильнее тормозится его якорь и тем выше нагрузка приводного двигателя. При этом согласно закона сохранения энергии в последнем расходуется столько топлива на приведение якоря генератора во вращение, чтобы высвобожденная при его сгорании химическая энергия за вычетом энергетических потерь в двигателе и генераторе равнялась бы энергии, отбираемой электрической нагрузкой от машины постоянного тока.

Устройство и принцип действия в режиме двигателя

В этом режиме ток якоря подается в его обмотку от питающей электросети при пуске. На пазовые проводники якоря с током, находящиеся под главными полюсами, действуют силы Ампера. Направление их определяется по правилу левой руки, которое иллюстрирует рисунок ниже. Их сумма создает вращающий электромагнитный момент якоря (в отличие от тормозящего в режиме генератора), и он приходит во вращение.

Но во вращающихся пазовых проводниках, как и в генераторном режиме, наводятся ЭДС, которые дают суммарную ЭДС обмотки якоря. Она действует встречно напряжению питающей сети, частично уравновешивая его. Так выглядит принцип действия машин постоянного тока при работе двигателя. При этом согласно закона сохранения энергии от питающей электросети двигателем отбирается столько электроэнергии, сколько требуется механической энергии для приведения в движение присоединенного механизма с учетом энергетических потерь (электрических и механических). Иначе говоря, чем сильнее нагружен двигатель механически, т. е. чем больше вес и момент инерции приводимых им в движение механизмов или чем больше момент сопротивления среды, препятствующий их движению, тем большее количество электроэнергии потребляется двигателем от сети.

О физическом механизме наведения ЭДС в проводниках обмотки якоря МПТ

Следует отметить, что физикам-теоретикам не нравится вышеприведенный (и популярный в технической литературе) физический механизм наведения ЭДС, т. к. силовые линии магнитного поля – это всего лишь умозрительный образ, придуманный Фарадеем для его описания. Никаких подтверждений действительного существования их как реальных физических объектов не существует.

Альтернативным механизмом наведения ЭДС в движущемся пазовом проводнике обмотки якоря МПТ является воздействие на электроны внутри него силы Лоренца, пропорциональной магнитной индукции в месте расположения проводника. Однако и здесь имеется противоречие, заключающееся в том, что внутри пазов якоря магнитная индукция исчезающе мала, а на величине ЭДС проводников это не сказывается. Поэтому вместо индукции в пазе в формулу подставляют индукцию в воздушном зазоре, что, конечно же, неправильно, но дает результат, близкий к наблюдаемому на практике.

Выходом из данной коллизии является переход к описанию магнитного поля не посредством вектора магнитной индукции, а при помощи векторного магнитного потенциала. Активным сторонником такого подхода был выдающийся русский электротехник К. М. Поливанов. Более подробно с этой проблемой можно познакомиться в работах автора.

Магнитное поле МПТ при нагрузке

В нагруженной МПТ имеется два вида магнитных потоков: поток ОВ и поток ОЯ, создаваемые токами этих обмоток. Силовые линии первого из них направлены вдоль осей пары полюсов, через которые он замыкается, как это показано на фигуре 1 на рисунке ниже. Такой поток возбуждения называется продольным. Если полюсов в МПТ больше двух, то в воздушном зазоре под наконечником каждого из них это поле также является продольным.

Силовые линии потока ОЯ замыкаются поперек оси полюсов, поэтому применительно к МПТ говорят о поперечном поле якоря, которое показано на фигуре 2 на том же рисунке.

Поток якоря суммируется с потоком возбуждения, образуя результирующий поток. В этом проявляется реакция якоря машины постоянного тока, заключающаяся в воздействии поперечного поля на продольное поле возбуждения, силовые линии которого при этом искажаются, сгущаясь возле одного края полюса и разреживаясь возле другого. В ГПТ сгущение силовых линий поля, т. е. его усиление относительно поля возбуждения, происходит под набегающим на якорь краем полюса, а в ДПТ — под сбегающим, как показано на фигуре 3.

Побочные следствия реакции якоря

Вследствие явления магнитного насыщения стали результирующее поле под краем полюса, где оно усиливается, не может увеличиться в той же степени, в которой ослабляется под противоположным краем. Поэтому результатом данного эффекта является общее снижение магнитного поля нагруженной машины. В случае генератора ослабление поля уменьшает генерируемое напряжение.

Реакция якоря машины постоянного тока искажает пространственную картину силовых линий поля, следовательно, изменяется положение магнитной нейтрали (МН) — в двухполюсной МПТ она перпендикулярна силовым линиям потока возбуждения и совпадает с геометрической нейтралью ГН. Щетки должны быть размещены на МН, в противном случае это приведет к искрению под ними. Таким образом, в связи с реакцией якоря трудно определить точное положение МН. Впрочем, для этого существуют апробированные на практике способы.

Вторым негативным следствием данного эффекта, которое существенно ухудшает эксплуатационные характеристики машины постоянного тока, является повышение максимального напряжения между рядом расположенными пластинами. Посмотрите еще раз на схему простой петлевой обмотки. Если стороны некоторой ее секции находятся одновременно под краями двух соседних разноименных главных полюсов с увеличенным из-за реакции якоря полем, то индуктируемое в этой секции напряжение, а следовательно, и напряжение между парой соседних пластин коллектора может существенно превысить его величину, когда реакция якоря отсутствует, т. е. при холостом ходе. Причем такое превышение наступает обычно сразу на нескольких участках коллектора, расположенных в зонах увеличенного поля. В результате может возникнуть такое явление, как круговой огонь на коллекторе, которое может его полностью разрушить. Поэтому без специальных конструктивных способов подавления реакции якоря работа машины постоянного тока, имеющей среднюю и большую мощность, практически невозможна.

Способы борьбы с реакцией якоря

Наиболее простым и первым из появившихся способов стало увеличение воздушного зазора от середины к краям наконечников полюсов, т. е. выполнение расходящегося зазора. При этом увеличивалось магнитное сопротивление потоку реакции якоря, и воздействие его на поле возбуждения уменьшалось. Но сопротивление росло и для потока возбуждения, что вынуждало увеличивать габариты катушек на главных полюсах.

Для ослабления потока якоря при изготовлении главных полюсов используется электротехническая сталь с магнитной анизотропией ее свойств (магнитной проницаемости) вдоль и поперек оси полюсов. Полюсы из такой стали хорошо проводят продольный поток возбуждения и плохо — поперечный поток якоря. Однако такая сталь очень дорога, а ее свойства сильно зависят от температуры и изменяются с течением времени.

Наконец был найден радикальный способ борьбы с реакцией якоря машины постоянного тока. Устройство и принцип действия ее при этом почти не изменились, но добавилась еще одна обмотка – компенсационная. Она размещается в пазах, выполняемых в наконечниках главных полюсов (или в пазах статора вместе с обмоткой возбуждения при неявнополюсной конструкции), как показано на рисунке ниже, и присоединяется последовательно к обмотке якоря, т. е. по ним проходит одинаковый ток.

Однако направление обтекания им витков компенсационной обмотки выбрано таким образом, что возбуждаемый ею магнитный поток направлен навстречу потоку реакции якоря и компенсирует его.

Все современные электрические машины постоянного тока, имеющие среднюю и большую мощность, оснащаются такой обмоткой.

Электрические машины переменного тока: устройство, классификация, назначение

Применение электричества состоит в превращении его в иные виды энергии — световую, тепловую, магнитную, химическую и механическую.

В последнем случае преобразователями чаще всего выступают электрические машины переменного тока.

Устройство

Машина, работающая и на постоянном, и на переменном токе, состоит из двух частей:

неподвижной — индуктора или статора;
вращающейся внутри нее — якоря или ротора.

Каждый узел состоит из сердечника и обмотки, размещенной в его пазах. Отличие машин I_пост и I_пер. состоит в порядке подачи тока: в первом случае – на обмотку вращающейся части, во втором – неподвижной.

Еще одна особенность: статорные и роторные сердечники набирают из отдельных изолированных листов электротехнической стали, что препятствует возникновению в них вихревых токов.

Принцип работы

Электрические машины могут выступать в роли:

генератора. Установка производит ток, обусловленный явлением электромагнитной индукции: изменения магнитного потока, пересекающего проводник, приводит к возникновению в нем ЭДС;
двигателя. Электромагнитное воздействие со стороны статора заставляет подвижную составляющую вращаться.

Важное отличие от устройств I_пост: в режиме двигателя вращается магнитное поле, создаваемое статором. Это обусловлено характером I_пер. (периодическое изменение величины и направления) и расположением катушек обмотки.

По типу питания электрические машины делятся на два вида:

однофазные. Статорные катушки разнесены на угол в 180⁰, вследствие чего при протекании в них I_пер. формируется пульсирующее магнитное поле. Его можно представить как сумму двух полей, вращающихся в противоположном направлении. Наличия пульсирующего поля для обращения ротора недостаточно, но если тому придать такое движение извне, он продолжит вращение в ту же сторону. Это обусловлено тем, что за счет электромагнитного взаимодействия подвижный элемент гасит ту составляющую пульсирующего магнитного поля, что направлена против его вращения. В результате действующим остается только одно вращающееся магнитное поле, оно и увлекает ротор за собой. На ранних этапах ротор раскручивали вручную, сегодня для этого применяют пусковую обмотку, шунтирование или запуск через конденсатор;
трехфазные. Обмотки фаз А, В и С разносят на треть периода (в однополюсной машине это 120 градусов), вследствие чего из-за разности токов в фазах результирующее магнитное поле как бы вращается в одну сторону. Очевидно, что за период оно совершит один оборот, то есть при частоте тока 50 Гц поле вращается со скоростью 3000 об/мин. Если на роторе установить электромагнит с двумя парами полюсов, а на статоре — 6 равноудаленных катушек, подключенных к фазам в последовательности А – В – С – А – В – С, то скорость вращения поля сократится вдвое: до 1500 об/мин. Она равна W = (60*f)/n, где f — частота электрического тока, n — число пар полюсов и катушек, подключенных к одной фазе.

Сказанное относится как к двигателю, так и к генератору. То есть для создания 3-фазного тока частотой 50 Гц при наличии 30 пар полюсов ротор требуется вращать со скоростью всего 100 об/мин вместо 3000, что важно для роторов гидроэлектростанций.

Сколько бы ни было катушек, все они объединены в 3 однофазные группы, поэтому статор 3-фазной электрической машины всегда имеет 6 выводных клемм. В группах катушки подключаются параллельно или последовательно.
Особенности
По способу взаимодействия ротора и вращающегося магнитного поля, устройства делятся на два вида – синхронные и асинхронные. В первом случае скорости вращения поля и ротора совпадают, во втором – отличаются.
Синхронная электрическая
Установки данного типа одинаково широко применяются в роли двигателей и генераторов. Подобные машины используются на всех электростанциях. Ротор имеет собственные магнитные полюсы.
Ротор представляет собой электромагнит на I_пост от стороннего источника, реже — постоянный магнит. Сторонним источником I_пост. обычно выступает генератор, смонтированный на валу машины. Но в некоторых случаях используют и аккумулятор.
Вращение обусловлено взаимодействием вращающегося магнитного поля статора и собственного поля ротора. Первое увлекает за собой второе, заставляя подвижный элемент вращаться с той же скоростью (режим двигателя). Если же вращать ротор сторонней механической силой, на выводах обмотки статора получится 3-фазное напряжение (режим генератора).
Асинхронная электрическая
Данное устройство в основном используется как двигатель. В сравнении с синхронной имеет более простую конструкцию, чем и объясняется широкое распространение. Ротор собственных магнитных полюсов не имеет, поскольку его магнитное поле является наведенным (у синхронных — собственное).
Асинхронные машины делятся на два вида:
коллекторные;
бесколлекторные.
Первые более разнообразны по характеристикам, но из-за наличия такого дорогого и малонадежного узла, коим является коллектор, сфера их использования ограничена.
Бесколлекторные устройства наиболее распространены, они делятся на два вида:
с короткозамкнутым ротором;
с фазным ротором.
Обмотка первого представляет собой обойму из медных или алюминиевых стержней в форме беличьего колеса, тогда как тело самого элемента изготовлено из ферромагнитной стали и представляет собой сердечник.
Вместе сердечники ротора и статора образуют магнитопровод, а имеющиеся на них обмотки работают подобно трансформаторным:
в обмотках статора при подключении его клемм к 3-фазному напряжению формируется вращающееся магнитное поле, как было описано выше;
для ротора движущееся относительно него вращающееся магнитное поле является переменным, отчего в его обмотке, согласно закону электромагнитной индукции, наводится ЭДС и возникает ток;
он создает в обмотке ротора магнитное поле, которое взаимодействует с полем статора. Иными словами, возникает действующая на стержни ротора амперова сила. Он начинает вращаться вслед за полем статора.
Очевидно, что скорость вращения ротора V не может быть равна аналогичному параметру поля статора V0, поскольку при таких условиях последнее уже не будет переменным для роторной обмотки.
Потому данный двигатель и называют асинхронным. Если при вращении ротор обгоняет поле статора, машина переходит в режим генератора. Разность V и V0 характеризуется коэффициентом скольжения S = (V0 – V) / V0.

Короткозамкнутый ротор
У двигателей с короткозамкнутым ротором есть три недостатка, ограничивающих сферу применения:
небольшой пусковой момент: при активации полюсы наведенного в роторе магнитного поля находятся под полюсами вращающегося поля статора;
высокий пусковой ток: в 5-15 раз выше рабочего;
в случае приложения нагрузки на вал более максимального момента двигатель останавливается.
Обмотка фазного ротора устроена подобно статорной. В момент пуска к ней подключается внешнее сопротивление, отчего взаимное расположение магнитных полей подвижного и неподвижного элементов меняется — полюса одного выводятся из-под полюсов другого. Возникает высокий момент трогания (или пусковой).
Назначение
По эксплуатационным характеристикам машины I_пер. превосходят аналоги на I_пост, потому им отдают предпочтение, их преимущества:
технологичная конструкция;
надежность;
высокая энергетическая отдача.
В то же время они уступают устройствам I_пост. в точности регулирования рабочих параметров. Потому двигатели электротранспорта, сложных измерительных приборов и некоторых обрабатывающих станков работают на I_пост. В большинстве же случаев применяются машины I_пер.. Асинхронные двигатели отличаются простотой и используются чаще всего и в самых разных областях.
При этом наиболее распространена разновидность с короткозамкнутым ротором — опять же в силу простоты конструкции. Такими двигателями оснащают насосы, компрессоры, центрифуги, ручной электроинструмент, станки и пр. Аналогичные установки с фазным ротором устроены сложнее и потому применяются реже.
Их преимущество — хорошие пусковые и регулировочные характеристики, благодаря чему эти двигатели используют в качестве привода подъемных устройств, конвейеров, цементных, угольных и прочих мельниц, систем вентиляции и конструкций, предназначенных для непрерывной работы в течение длительного времени.
Видео по теме
О машинах переменного тока в видео:
Полная классификация машин переменного тока более разнообразна, чем приведенная в данной статье. Так, существуют устройства с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением, а также многие другие виды. Они отличаются пусковыми и рабочими характеристиками, но принцип действия у всех один и тот же.
В чем разница между ЕС электродвигателями и обычными машинами переменного и постоянного тока?
Инженеры в своих системах могут применять различные типы электродвигателей на выбор. Как правило, выбор происходит между машиной переменного или постоянного тока. Но последнее время на рынке начали появляться электрические машины способные контролировать выходную скорость и мощность, позволяя тем самым повысить энергоэффективность.
Это электродвигатели с электронным управлением (англ. electronically communicated (EC)), которые последнее время начали очень активно вытеснять с рынка традиционные машины переменного и постоянного напряжения, и особенно в области энергоэффективности.
Основные отличия между электрическими машинами постоянного и переменного тока
Электродвигатели постоянного тока используют графитовые щетки и коллекторный узел для смены направления тока и, соответственно, полярности магнитного поля во вращающемся роторе. Именно это взаимодействие между вращающимся ротором и неподвижным постоянным магнитным полем статора и приводит машину в движение.
По данным от maxon motors, электрические машины постоянного тока имеют ограничения по времени эксплуатации коллекторно-щеточного, срок службы которого составляет в среднем 1000 – 1500 часов. При перегрузке срок службы составляет менее 100 часов, а при нормальных (номинальных) условиях эксплуатации может достигать и 15 000 часов. Скорость вращения таких машин ограничена процессами коммутации в коллекторно-щеточном узле и не превышает 10 000 об/мин.
Электрические машины постоянного напряжения имеют хорошую надежность и легкую управляемость, но страдают довольно приличными потерями. КПД снижается из-за сопротивления в обмотках, вихревых токов, потерь в щеточно-коллекторном узле.
Асинхронные электродвигатели используют другой принцип – на катушки статора подается переменное напряжение, которое создает вращающееся магнитное поле, а магнитное поле ротора индуцируется магнитным полем статора. Таким образом получается, что ротор как – бы пытается «догнать статор» . Еще одним видом машин переменного напряжения являются синхронные электродвигатели. Они используют немного другой принцип работы – катушки статора все так же запитываются переменным напряжением, а в ротор через контактные кольца подается постоянный ток (или используют постоянные магниты). Таким образом, магнитные поля статора и ротора сцепляются и машина вращается. Синхронный электродвигатель имеет жесткую механическую характеристику и скорость вращения ротора соответствующую скорости вращения магнитного поля статора в отличии от асинхронных машин, в которых присутствует скольжение (разница между скоростью вращения магнитного поля статора и реальной скоростью ротора).
Электродвигатели переменного тока предназначены для работы с определенной точкой на механической характеристике. Эта точка соответствует максимальной производительности двигателя. При работе в другой точке механической характеристики КПД машины резко снизится. Асинхронные электродвигатели переменного тока потребляют дополнительную энергию для создания магнитного поля путем индукции тока в роторе. Следовательно, двигатели переменного тока менее эффективны, чем двигатели постоянного тока. Фактически, машина постоянного тока на 30% эффективнее машины переменного тока из-за того.
Эффективность электронных коммутируемых электродвигателей
Электродвигатели с электронным управлением ЕС — бесщеточные двигатели постоянного тока, управляемые внешней электроникой — либо электронная плата, либо преобразователь частоты. Ротор содержит постоянные магниты, а статор имеет набор неподвижных обмоток. Коммутация выполняется с помощью электронных схем. «Плата» переключает фазы в неподвижных обмотках, чтобы поддерживать вращение двигателя. Это позволяет поддерживать тока якоря. Когда подключается напряжение правильной полярности и в нужное время возрастает точность электрической машины. Поскольку скорость двигателя контролируется внешней электроникой, двигатели EC не имеют ограниченной синхронной скорости.
Двигатели EC имеют несколько преимуществ. Поскольку они не имеют щеток, они не искрят и срок их службы больше из-за отсутствия щеток, имеют меньше потери из-за «смарт управления» статором. Они обеспечивают лучшую производительность и управляемость, чем асинхронные двигатели. С точки зрения размеров — небольшие электродвигатели могут достигать таких же габаритов, что и традиционные электрические машины постоянного или переменного тока.
Распределение мощности намного лучше у машин с электронным управлением. Бесщеточные электродвигатели постоянного тока (BLDC) зависят от источника питания постоянного напряжения. При использовании машин переменного тока появляются дополнительные затраты и сложность системы в случае необходимости регулирования. ЕС электродвигатели могут напрямую подключаться к источникам переменного тока благодаря наличию электронной системы управления. Более того, они слабо подвержены влиянию изменений частоты и напряжения сети, из чего можно сделать вывод что небольшие просадки напряжения сети не окажут существенного влияния на мощность машины, в отличии от асинхронных электродвигателей.
Если сравнить эффективность ЕС машины с машиной переменного тока с расщепленным полюсом или с конденсаторным электродвигателем, то можно увидеть, что машина с расщепленным полюсом имеет КПД порядка 15% — 25%, конденсаторные электродвигатели 30% — 50%, а ЕС машины имеют КПД в пределах 60% — 75% и являются наиболее эффективными и энергосберегающими.
Диапазон изменения КПД для конденсаторных асинхронных машин довольно велик и лежит в пределах 30% — 50%, что особенно сильно ощутимо при неполной их загрузке, например при работе в системах вентиляции и кондиционирования. ЕС электродвигатели имеют меньший диапазон изменения КПД при работе на различных скоростях и с различной нагрузкой. Как правило, у таких машин КПД не ниже 70%, а в машинах, работающих с номинальными параметрами, он может превышать 80%.
Машины с электронным управлением имеют регулятор скорости в качестве встроенной опции. Электродвигатели переменного тока могут иметь данную опцию только с внешним контролером (преобразователь частоты). Преобразователь частоты изменяют амплитуду и частоту напряжения, поступающего на электродвигатель, генерируя тем самым высшие гармоники, которые отрицательно сказываются на электрической машине, способствуя ее перегреву, и, как следствие, снижению срока службы.
Коммутационные схемы принимают входы с широтно-импульсной модуляцией от 4 до 20 мА и от 0 до 10 В. Это позволяет управлять скоростью в диапазоне от 10% до 100%. Мониторинг двигателей EC с помощью интегральной схемы прост, и может быть легко доступен разработчику для обеспечения обратной связи. Наконец, двигатели EC обеспечивают плавный пуск, снижение шума и более низкую температуру двигателя.
Электрические машины с электронным управлением обычно используются для приложений малой мощности, таких как небольшие вентиляторы, сервомоторы и системы управления движением. Однако, благодаря последним достижениям в области электроники и химии, двигатели EC находят свой путь в более крупные производственных приложениях, до 12 кВт и выше.
Устройство машин постоянного тока: принцип действия
Машина постоянного тока представляет собой достаточно сложный механизм, который четко должен выполнять свои функции. Для того чтобы она всегда работала стабильно, необходимо, чтобы каждая мелкая деталь идеально выполняла своё предназначение. В этом случае всё вместе будет представлять единый целостный механизм, спокойно выполняющий главную задачу.

Содержание:
Устройство всей машины
В зависимости от видов машин постоянного тока схема может немного меняться, но в целом она универсальна. В устройстве обязательно находятся:
Коллектор. Он необходим для того, чтобы выпрямлять переменный ток в постоянный. Фактически, это сердцевина подобной машины, ее главный действующий элемент.

Щетки. Они необходимы для лучшего контакта и коммутации. Если щётки работают правильно, то искрения не будет.

Сердечник якоря. Он необходим для того, чтобы стать основой для обмотки.

Главный полюс. Это основа для создания магнитного поля.

Катушки. Эти устройства представляют собой разнополярное устройство, необходимое для возникновения постоянного тока.

Корпус или станина. Представляет собой неподвижную часть, необходимую для подключения полюсов и создания стабильного магнитного поля.

Подшипниковый щит. Он соединяет статор и ротор. Чем он прочнее, тем больше срок эксплуатации всей машины. К счастью, данная деталь может чиниться.

Вентилятор. Это устройство необходимо для предотвращения перегрева всей машины.

Обмотка якоря. Именно в ее волокнах образуется и индуцируется ЭДС.

Обязательно нужно четко понимать устройство машин постоянного тока, чтобы правильно их эксплуатировать, а также в случае необходимости произвести ремонт.
Устройство главных полюсов↑
Главный полюс представляет собой сердечник, состоящий из листов специальной электротехнической стали. На него в определенном порядке насаживаются катушки с последовательной и параллельной обмоткой. Основной функцией данной детали становится образование магнитного поля. Также, имеются такие детали, как наконечник для выравнивания поля.
Детали
обмотка главного полюса

сердечник

наконечник

болт крепления

станина

якорь

Если все эти детали хорошо работают, то в результате образуется магнитное поле. Принцип действия машин постоянного тока не обходится без него.
Для создания магнитного поля и его надежности также используются дополнительные полюса. Они изготавливаются по тому же принципу, но немного проще.
Устройство катушек↑
Катушки, про которые постоянно упоминают при устройстве машины постоянного тока, на самом деле представляют собой классические устройства. Они могут предназначаться для главных и побочных полюсов. Катушкой подобное устройство называется за то, что это обмотка определенным образом добавленная на основу. На одной её стороне находится плюс, а на другой — минус. За счет этого можно «играть» с полярностью, добиваясь возникновения поля и настраивая его.
Устройство сердечника и якоря↑
Якорь представляет собой центральную вращающую часть, которая задаёт движение всему агрегату. Сердечник также является центром всего якоря, на котором в дальнейшем будет находиться обмотка и крепится другие детали.
Внешне он напоминает цилиндр, но вовсе не является простой цельной фигурой, скорее – это наборной элемент. На центральную ось набираются кольца или сегменты листовой стали, которые чередуются между собой в определенной направленности. Основным отличием является тот факт, что на внешней их части присутствует огромное количество специальных пазов, которые обеспечивают дальнейшее крепление. В конце они фиксируются с коллектором и становятся единым целым с ним, образуя замкнутую обмотку.
Инженерный центр «ПрофЭнергия» имеет все необходимые инструменты для качественного проведения испытания машин постоянного тока, слаженный коллектив профессионалов и лицензии, которые дают право осуществлять все необходимые испытания и замеры. Оставив выбор на электролаборатории «ПрофЭнергия» вы выбираете надежную и качествунную работу своего оборудования!
Если хотите заказать испытание машин постоянного тока или задать вопрос, звоните по телефону: +7 (495) 181-50-34.
Устройство якорных катушек↑
Якорные катушки иными словами называют полукатушками. Обусловлено это небольшим количеством витков (от двух до шести). Также, они имеют маленькую толщину. Основное предназначение и принцип работы их схож с обычными катушками, однако есть и некоторые отличия.
В первую очередь – это двойная головка, на которой отсутствуют выводные концы. В якоре они соединяются с коллекторными пластинами, поэтому конструкция устройства довольно необычная. Катушки могут состоять из нескольких секций, каждая из которых соединяется с коллектором при помощи припаивания.
Устройство коллектора↑
Коллектор по внешнему виду напоминает небольшой цилиндр. Он сделан из меди. Между слоями металла располагается слюда или миканит. В зависимости от необходимой мощности машины может меняться и сам состав материалов коллектора.
К этому цилиндру в дальнейшем крепятся щетки, а также обмотка различной полярности. Основная сложность в его конструкции заключается в том, что это не цельный цилиндр, а собранное особым образом устройство. Данную деталь формируют огромное количество клиновидных медных пластин. Между собой они не должны соприкасаться, поэтому обязательно имеются прослойки и прокладки из другого материала.
Готовый цилиндр надежно крепится на валу якоря при помощи специального болта и становится центром всей машины, преобразующей переменный ток в постоянный. Он может быть практически любого размера, но от этого будет изменяться мощность всего устройства.
Устройство щеткодержателей↑
Держатели для щеток обеспечивают их плотное прижатие и идеальное движение. Именно они делают так, чтобы контакты не тёрлись с коллектором. Обязательно просчитывается так, чтобы относительно полюсов машины щетки не меняли свое положение. Они максимально прочно соприкасаются с коллектором, благодаря пружинам, имеющимся в держателях. Также, обеспечивается вращение для идеальной работы.
В зависимости от конкретной машины, держатели могут быть разными по форме и материалам. Однако принцип действия их остается неизменным в любом случае.
Устройство щеток↑
Сами щетки представляют собой прямоугольные бруски. Они находятся на внешней стороне устройства и их легко можно увидеть, не разбирая машину. Иногда, в случае возникновения неисправности, именно тут возникает само искрение, символизирующее о необходимости принимать меры. Основными материалами, из которых изготавливаются щётки, являются графит, кокс, а также некоторые другие компоненты.
Принцип действия↑
Принцип действия машин постоянного тока непосредственно соединен с понятием назначения. Подобные технологии применяются, как в электродвигателях, так и в генераторах. В зависимости от мощности и характеристик их можно использовать в любых отраслях, от промышленности до различных автоматических систем.
Подобные двигатели достаточно дороги и сложны, поэтому они пока не вошли в широкое обращение и используются только лишь при необходимости. Особую популярность такие машины обрели в натуральном хозяйстве, в любых передвижных установках, а также выступают в качестве источника энергии, если её тяжело получить другим способом.
История
У подобного устройства достаточно богатая история. Еще в 19 веке, в 1821 году подобная идея появилась у Фарадея, который и начал ее продвигать. Первый же двигатель был создан русским ученым Якоби. Он же и старался его развивать.
В начале 20 века огромное количество ученый пробовали усовершенствовать данную машину и увеличивать её мощность. Это получалось все лучше и лучше с каждым годом. Единственной проблемой оставалось искрение и ненадежность, но затем и она снялась с улучшением коммутации.
Принцип
Работу двигателя можно объяснить достаточно легко. В обмотке возбуждения, которая надежно соединяется с полюсами, начинает образовываться ток. За счёт стабильного вращения и одного направления ЭДС он становится постоянным. Когда постепенно проводники перемещаются от одного полюса к другому, ЭДС меняет знак своей полярности. Но количество проводников неизменно, а значит, и сила тока остается постоянной по своей величине и характеристикам.
Сердцевиной для выполнения подобных работ становится коллектор. Машиной постоянного тока фактически можно назвать абсолютно любую технику, которая имеет коллектор, якорь с обмоткой, а также внешнюю электрическую цепь. В результате всё это даёт возможность преобразовывать переменный ток в постоянный. В нынешнее время присутствует огромное количество разнообразных машин, которые различаются по мощности, размерам и материалам, однако основа у них одна, начиная с 19 века, которая была открыта Фарадеем.
Конструкция машин постоянного тока
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Несмотря на преимущественное распространение электроэнергии переменного тока в ряде отраслей промышленности широко используется и постоянный ток. В связи с этим находят широкое применение электрические машины постоянного тока.
Двигатели постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую энергию, которая передается через вал рабочему органу приводного механизма.
Двигатели постоянного тока обладают важными преимуществом перед другими электродвигателями: они позволяют плавно и в широких пределах регулировать скорость вращения и обладают большим пусковым и перегрузочными моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении.
Двигатели постоянного тока применяются:
— в электроприводах главного движения и подач металлорежущих станков, штамповочных машин, роботов и манипуляторов, прокатных станов металлургического производства, некоторых типов грузоподъемных механизмов;
— в тяговых электроприводах транспортных средств мощных тягачей различного назначения, трамваев, троллейбусов, тепловозов;
— в электроприводах роторов мощных снегоочистителей;
— как исполнительные элементы автоматических систем управления технологическими процессами и производственными установками.
Машины постоянного тока – обратимые. Они могут работать и как генератор и как двигатель. Конструктивно генераторы и двигатели постоянного тока устроены одинаково. На рис. 5.1 показан продольный разрез двигателя постоянного тока.
Рис. 5.1 -Общий вид двигателя постоянного тока:
1-коллектор, 2 — щеточный аппарат, 3 – якорь, 4 – главные полюса, 5 – катушка обмотки возбуждения, 6 – станина, 7 и 12 подшипниковые щиты, 8 — вентилятор, 9 – лобовые части обмотки статора, 10 — вал, 11-лапы
Машины постоянного тока состоит из двух основных частей: статора – неподвижной части и подвижной части – ротора. В машинах постоянного тока ротор называется якорем.
Основными конструктивными элементами машин постоянного тока (рис. 5.1) являются станина 6 с закрепленными на ней главными 4 и добавочными полюсами, вращающийся якорь 3 с обмоткой возбуждения 5 и коллектором 1 и щеточный аппарат 2. В машинах малой и средней мощностей станина одновременно служит и корпусом, к которому крепятся лапы 11 для установки машины, и частью магнитопровода. По ней замыкается магнитный поток. В большинстве машин станина выполнена массивной, из стальных труб, либо сварной из листов конструкционной стали. В ряде машин станину выполняют шихтованной.
К внутренней поверхности станины крепят главные и добавочные полюсы. Сердечники главных полюсов массивные либо набраны из листов стали толщиной 1 — 2 мм. Сердечники добавочных полюсов, как правило, массивные. На главных полюсах располагаются обмотки возбуждения; их МДС создают рабочий поток машины. Обмотки добавочных полюсов, расположенных по поперечным осям машины, служат для обеспечения нормальной коммутации. Магнитопровод якоря шихтуется из листов электротехнической стали. В машинах малой мощности сердечник якоря насаживается непосредственно на вал со шпонкой и фиксируется в осевом направлении буртиком вала и кольцевой шпонкой. С торцов якоря для предотвращения распушения листов во время работы установлены нажимные шайбы, совмещенные с обмоткодержателями.
На валу 10 двигателя расположен якорь двигателя. Сердечник якоря представляет собой цилиндрический магнитопровод 6, в пазах которого расположена обмотка якоря 7.
Якорь машины постоянного тока в настоящее время выполняется, как правило, барабанного типа. Он состоит из: сердечника якоря 4, набираемого из листовой электротехнической стали толщиной 0,35–0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов листы изолируются друг от друга лаковой или оксидной пленкой. На наружной поверхности сердечника якоря имеются пазы, равномерно распределенные по окружности, в которые укладывается обмотка якоря 5. Обмотка выполняется из специальных медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения. Элементы обмотки тщательно изолируются между собой и от сердечника и закрепляются в пазах при помощи клиньев или бандажей из стальной проволоки. Части обмотки, выступающие с торцов сердечника (лобовые соединения) крепятся бандажами.
Секции обмотки якоря присоединены к коллектору 1. К нему же прижимаются пружинами неподвижные щетки 2. Закрепленный на валу двигателя коллектор состоит из ряда изолированных от него и друг от друга медных пластин. С помощью коллектора, и щеток осуществляется соединение обмотки якоря с внешней электрической цепью. У двигателей они, кроме того, служат для преобразования постоянного по направлению тока внешней цепи в изменяющийся по направлению ток в проводниках обмотки якоря.
Обмотки якорей двухслойные. В машинах мощностью до 15 — 20 кВт они выполнены из круглого провода и уложены в полузакрытые пазы. В пазовых частях обмотка крепится пазовыми клиньями, в лобовых — бандажами из стеклоленты или немагнитной стальной проволоки, которые прижимают их к обмоткодержателям. В машинах большой мощности катушки обмотки якоря наматывают из прямоугольного провода и укладывают в открытые пазы. Крепление обмотки либо такое же, как и в машинах малой мощности, т. е. клиньями в пазовой и бандажами в лобовой части, либо бандажами и в пазовой, и в лобовой части. Обмотка якоря присоединяется к коллектору, закрепленному на валу машины. Обычно коллектор выполняется цилиндрического типа, реже торцевого. Продольный разрез цилиндрического коллектора приведен на рис. 5.2.

Рис. 5.2
1 — передний нажимной конус; 2 — пластины коллектора ; 3 — втулка коллектора; 4 — изоляционная манжета; 5 —задний нажимной конус
Коллектор состоит из коллекторных пластин (ламелей) 2, изолированных друг от друга и от элементов крепления миканитовыми прокладками и манжетами 4. С торцов пластины стягиваются нажимными конусами (фланцами) 5. Благодаря специальному выступу (ласточкину хвосту) пластины сжимаются между собой, образуя жесткую конструкцию. Затем коллектор обтачивается, чтобы его рабочая поверхность была строго цилиндрической.
Для соединения обмотки якоря с внешней цепью служит щеточный аппарат. Обычно он состоит из щеточной траверсы с пальцами и щеткодержателей со щетками. Щеткодержатель состоит из обоймы, в которой располагается щетка, и нажимной пружины, прижимающей щетку к коллектору. Все одноименные щетки соединяются между собой сборными шинами, которые выводятся на зажимы машины, как концы обмотки якоря. Обмотка якоря впаивается непосредственно в выступающие части коллекторных пластин или при помощи специальных соединительных проводников (петушков), если разница в диаметрах коллектора и якоря велика.
Дополнительные полюса с расположенной на них обмоткой уменьшают искрение между щетками и коллектором машины. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и на электрических схемах часто не изображают.
Кроме двигателей, имеющих два главных полюса, существуют машины постоянного тока с четырьмя и бόльшим количеством главных полюсов. При этом соответственно увеличивается количество дополнительных полюсов и комплектов щеток.
На корпусе также расположены табличка с паспортными данными и клеммная коробка.
Клеммы на щитке коробки маркируются: начало и конец обмотки якоря А₁ и А₂; параллельной обмотки возбуждения – Е₁ и Е₂ , обмотки дополнительных полюсов – В₁ и В₂ .
Машины постоянного тока устройство и принцип действия
Дата публикации: 26 ноября 2011.
Категория: Машины постоянного тока.
В статье рассмотрено устройство простейшей машины постоянного тока, описан ее принцип действия. Дано определение принципа обратимости электрических машин и электромагнитной мощности.
Устройство простейшей машины
На рисунке 1 представлена простейшая машина постоянного тока, а на рисунке 2 дано схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального ярма, к которому прикрепляются полюсы. Назначением индуктора является создание в машине основного магнитного потока. Индуктор изображенной на рисунке 1 простейшей машины имеет два полюса 1 (ярмо индуктора на рисунке 1 не показано).
Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рисунке 1 и рисунке 2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.
Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока 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 изготовляются из ферромагнитных материалов.
Видео 1. Устройство и принцип действия простейшей машины постоянного тока в режиме двигателя
Режим генератора
Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора.
Рисунок 1. Простейшая машина постоянного тока
Рисунок 2. Работа простейшей машины постоянного тока в режиме генератора (а) и двигателя (б)
Предположим, что якорь машины (рисунки 1 и 2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с., направление которой может быть определено по правилу правой руки (рисунок 3, а) и показано на рисунках 1 и 2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения.
Рисунок 3. Правила правой (а) и левой (б) руки
Значения индуктируемой в проводнике обмотки якоря э. д. с.
e_пр = B × l × v,
где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, то есть та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v – линейная скорость движения проводника.
В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с., которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины
E_а = 2 × e_пр = 2 × B × l × v. (1)
Э. д. с. E_а является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции B вдоль воздушного зазора (рисунок 4, а).
Частота э. д. с. f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду:
f = n,
а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью,
Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток I_а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. (рисунок 4, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рисунок 1) на 90° и изменении направления э. д. с. 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.
Рисунок 4. Кривые э. д. с. и тока простейшей машины в якоре (а) и во внешней цепи (б)
Таким образом, в генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.
Изменив знак второго полупериода кривой на рисунке 4, а, получим форму кривой тока и напряжения внешней цепи (рисунок 4, б). Образуемый во внешней цепи пульсирующий по значению ток малопригоден для практических целей. Для получения практически свободных от пульсаций тока и напряжения применяют более сложные по устройству обмотку якоря и коллектор. Однако основные свойства машины постоянного тока могут быть установлены на примере рассматриваемой здесь простейшей машины.
Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше E_а на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря r_а:
U_а = E_а – I_а × r_а. (3)
Проводники обмотки якоря I_а с током находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рисунок 2, а)
F_пр = B × l × I_а, (4)
направление которых определяется по правилу левой руки (рисунок 3, б). Эти силы создают механический момент , который называется электромагнитным моментом и на рисунке 2, а равен
M_эм = F_пр × D_а = B × l × D_а × I_а, (5)
где D_а – диаметр якоря. Как видно из рисунка 2, а, в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.
Режим двигателя
Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы F_пр и возникнет электромагнитный момент M_эм. Величины F_пр и M_эм, как и для генератора, определяются равенствами (4) и (5). При достаточном значении M_эм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент M_эм при этом является движущим и действует в направлении вращения.
Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направление вращения генератора (рисунок 2, а) и двигателя (рисунок 2, б) были одинаковы, то направление действия , а следовательно, и направление тока I_а у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рисунок 2, б).
В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве инвертора тока.
Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется э. д. с. E_а, значение которой определяется равенством (1).
Направление этой э. д. с. в двигателе (рисунок 2, б) такое же, как и в генераторе (рисунок 2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с. якоря E_а направлена против тока I_а и приложенного к зажимам якоря напряжения U_а. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.
Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. E_а и падением напряжения в обмотке якоря:
U_а = E_а + I_а × r_а. (6)
Из сравнения равенств (3) и (6) видно, что в генераторе U_а < E_а , а в двигателе U_а > E_а.
Принцип обратимости
Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью.
Для перехода машины постоянного тока 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.
Аналогичным образом может происходить изменение режима работы также в машинах переменного тока.
Преобразование энергии
На рисунке 5 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.
Рисунок 5. Направление э. д. с., тока и моментов в генераторе (а) и двигателе (б) постоянного тока
Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозные вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент
M_эм = M_в — M_тр — M_с, (7а)
где M_в – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, M_тр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, M_с – тормозной момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.
В двигателе при установившемся режиме работы
M_эм = M_в + M_тр + M_с, (7б)
где M_в – тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).
В генераторе M_эм является тормозным, а в двигателе – вращающим моментом, причем в обоих случаях M_в и M_эм противоположны по направлению.
Развиваемая электромагнитным моментом M_эм мощность P_эм называется электромагнитной мощностью и равна
где
представляет собой угловую скорость вращения.
Подставим в выражение (8) значение M_эм и Ω из равенств (5) и (9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря

Тогда получим
P_эм = 2 × B × l × D_а × I_а × π × n = 2 × B × l × v × I_а

или на основании выражения (1)
В обмотке якоря под действием э. д. с. E_а и тока I_а развивается внутренняя электрическая мощность якоря
Согласно равенствам (10) и (11), P_эм = P_а, т. е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.
Умножим соотношения (3) и (6) на I_а. Тогда для генератора будем иметь
U_а × I_а = E_а × I_а – I_а² × r_а (12)
и для двигателя
U_а × I_а = E_а × I_а + I_а² × r_а. (13)
Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.
Хотя приведенные соотношения получены для простейшей машины постоянного тока (рисунок 1), они действительны и в общем случае при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются выражением закона сохранения энергии и отражают процесс преобразования энергии в машине постоянного тока.
Согласно им, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь, превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть этой мощности превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.
Установленные выше применимо к машине постоянного тока общие закономерности превращения энергии в равной степени относятся также к машинам переменного тока.
Источник: Вольдек А. И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.