Устройство машин постоянного тока

Устройство статора.

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора, называемого в машинах постоянного тока якорем. Эскиз машины постоянного тока показан на рис. 1.1, а общий вид с разрезом — на рис.

1.2. Статор состоит из станины 1, главных полюсов 2, дополнительных полюсов 3, подшипниковых щитов 4 и щеточной траверсы со щетками 6.

Станина имеет кольцевую форму и изготовляется из стального литья или стального листового проката. Она составляет основу всей машины и, кроме того, выполняет функцию магнитопровода.

Главные полюсы служат для создания постоянного во времени и неподвижного в пространстве магнитного поля. С этой целью по обмотке полюсов пропускается постоянный ток, называемый током возбуждения (в машинах малой мощности в качестве полюсов могут использоваться постоянные магниты).

Дополнительные полюсы устанавливаются между главными и служат для улучшения условий коммутации.

Подшипниковые  щиты закрывают  статор с торцов. В них впрессовываются подшипники и укрепляется щеточная траверса, которая с целью регулирования может поворачиваться. На щеточной траверсе закреплены пальцы, которые электрически изолированы от траверсы. На пальцах установлены щеткодержатели со щетками, изготовленными из графита или смеси графита с медью.

Устройство якоря.

Вращающаяся часть машин – якорь 9 (рис. 1.1, 1.2, а,

б) состоит из сердечника 7, обмотки 8 и коллектора 5.

Сердечник  имеет цилиндрическую форму. Он набирается из колец или сегментов  листовой электротехнической стали, на внешней  поверхности  которых выштампованы пазы. В пазы сердечника укладываются секции из медного провода. Концы секций, которые выводятся на коллектор и припаиваются к его пластинам, образуют замкнутую обмотку якоря.

Коллектор (рис. 1.3) набран из медных пластин клинообразной формы, изолированных друг от друга, и корпуса 3миканитовыми прокладками 2, образующими в сборе цилиндр, который крепится на валу якоря.

Рис. 1.3

Устройство электрических машин постоянного тока

Страница 5 из 14

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА И КОНСТРУКЦИИ ИХ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ И ДЕТАЛЕЙ
Электротехническая промышленность выпускает электрические машины постоянного тока большой номенклатуры по мощности и конструктивному исполнению, поэтому несмотря на некоторые различия в конструкции отдельных сборочных единиц и деталей, их устройство одинаково. Основным типом машины постоянного тока является коллекторная, отличительным признаком которой служит наличие коллектора на валу якоря машины. На статоре машины помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения имеются добавочные полюса.

Электрическая машина постоянного тока (рис. 100) состоит из статора, якоря, коллектора, щеточного аппарата и подшипниковых щитов.
Статор состоит из станины б, главных полюсов 4 и добавочных полюсов (на рисунке не показаны) с соответствующими катушками. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является часть о магнитной цепи, поскольку через нее замыкается магнитный поток машины. Поэтому станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. По окружности станины расположены отверстия для крепления полюсов.    
Главные полюса (рис. 101) выполняют шихтованными из стальных штампованных листов стали толщиной 1 или 2 мм, а добавочные — массивными или также шихторанными. Стальные листы сердечника 2 полюсов спрессованы и скреплены заклепками 4, головки которых утоплены в нажимные щеки 5, установленные на торцах каждого полюса.

Рис. 100. Устройство электрической машины постоянного тока:
1 — коллектор, 2 — щетки, 3 и 9 — сердечник и обмотка якоря, 4 — главный полюс, 5 — катушка обмотки возбуждения, б — станина (корпус) 7 — подшипниковый щит, 8 — вентилятор, 10 — вал —

Рис. 101. Главные полюса электрической машины постоянного тока и способы их крепления:
а — болтом, б — стержнем; 1 — полюсный наконечник, 2 — сердечник полюса, 3 — болт крепления сердечника, 4 — заклепка, 5 — нажимные щеки, б — установочный стержень

. Рис. 102. Катушки полюсов

а — главного, б — добавочного; 1 — катушка обмотки, 2 и 4 — главный и  добавочный полюса» 3 — опорный угольник, 5 — обмотка

Шихтованными могут изготовляться только наконечники главных полюсов, так как при вращении зубчатого якоря из-за пульсации магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и потери мощности. Однако исходя из технологического добавочного полюса  удобства изготовления полюсов их обычно делают шихтованными.
Полюса крепят к станине болтами: нарезку резьбы для болтов выполняют непосредственно в шихтованном сердечнике 2 полюса (рис. 10 1, а) либо в массивных стальных стержнях б» (рис. 101,6), вставленных в выштампованные отверстия в полюсах.

Магнитное поле в машине создается намагничивающей силой обмотки возбуждения, выполняемой в виде полюсных катушек, надетых на сердечники главных полюсов. Для уменьшения искрения под щетками и предупреждения таким образом подгара пластин коллектора и  образования на его  поверхности «кругового огня» машина снабжена добавочными полюсами с катушками, установленными на их сердечниках. Добавочные полюса размещают между главными полюсами и крепят к станине болтами.
Катушки главных и добавочных полюсов (рис 102, а, б) изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения.

Рис. 103. Сердечник якоря машины постоянного тока:
1 — вал, 2 — обмоткодержатель, 3 — выточки для наложения, бандажа, 4 — место посадки коллектора на валу
Катушки добавочных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря, поэтому сечение их проводов рассчитано на рабочий ток машины. В некоторых мощных машинах постоянного тока обмотку полюса выполняют из нескольких секций с установкой между ними дистанционных шайб из изоляционных материалов, образующих вентиляционные каналы.
Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник, якоря (рис. 103) собран из штампованных листов электротехнической стали (рис. 104) с выштампованными в них вырезами определенной формы, образующими в собранном сердечнике пазы для укладки в них обмотки якоря. Листы сердечника обычно изолированы  с двух сторон тонкой пленкой лака, но могут быть и оксидированы. Собранные в общий пакет листы образуют сердечник, насаженный на вал якоря и закрепленный на нем с помощью нажимных шайб. Такая конструкция позволяет уменьшить потери энергии в сердечнике от действия вихревых токов, возникающих в результате его перемагничивания при вращении якоря в магнитном поле. Для лучшего охлаждения машины в сердечниках якоря обычно имеются вентиляционные каналы для охлаждающего воздуха. Сердечник, в пазы которого уложена секция обмотки якоря, показан на рис. 105.  
Обмотка якоря выполняется из медных проводов круглого или прямоугольного сечения и состоит из заранее заготовленных секций, концы которых припаивают к петушкам пластин коллектору. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны различных якорных катушек,— одну поверх другой. Для прочного закрепления проводов обмотки якоря в пазах используют деревянные, гетинаксовые или текстолитовые клинья. Деревянные клинья, широко применявшиеся в электродвигателях старых конструкций, не обеспечивают надежного крепления обмотки в пазах сердечника, поскольку при высыхании настолько уменьшаются в объеме, что могут выпасть из паза. В некоторых Конструкциях машин пазы не расклинивают, а обмотку крепят бандажом.

Рис. 105. Расположение секций обмотки якоря в пазах сердечника

Рис. 104. Стальной лист сердечника якоря:
1 — зубец листа, 2 — изоляция, 3 — паз
Бандаж выполняют из немагнитной стальной проволоки, наматываемой с предварительным натяжением. Лобовые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателю также при помощи бандажа. В современных машинах для бандажирования якорей используют стеклоленту.

Коллектор машины постоянного тока собран из клинообразных пластин холоднокатаной меди, изолированных друг от друга прокладками из коллекторного миканита. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в форме «ласточкина хвоста», служащие для закрепления медных пластин и миканитовой изоляции.
По способу закрепления комплекта медных и миканитовых пластин различают коллекторы на пластмассе (рис. 106,а) и со Стальными нажимными конусами  и втулкой (рис. 106,5). Коллекторы крепятся нажимными конусами двумя способами: при одном их них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность «ласточкина хвоста», а при другом — на «ласточкин хвост» и конец пластины, при этом пластины закрепляются враспор.
Коллекторы  первым способом крепления называют арочными, а вторым способом — клиновыми. Чаще всего применяют арочные коллекторы, поскольку при ослаблении давления между их пластинами из-за усадки межпластинной миканитовой изоляций эти коллекторы можно предпрессовывать, восстанавливая таким образом необходимое сжатие пластин и прочность коллекторов.

Рис. 106. Коллекторы электрических машин:
а — на пластмассе, б — с нажимными конусами; / и 7 — пластины коллектора, 2  — пластмасса, 3 и 11 — втулки, 4 — нажимной конус, 5 — гайка, 6 и 10 — манжеты, 8 — изолирующий цилиндр, 9 — шнур, /2—  балансировочный груз
Щеточный аппарат (рис. 107) состоит из траверсы, щеточных пальцев и щеткодержателей. Траверса (рис. 107, а) служит для крепления на ее щеточных пальцах щеткодержателей (рис. 107, б, в, г), создающих необходимую электрическую цепь. Щеткодержатель состоит из обоймы и нажимного устройства, обеспечивающего прилегание щетки к коллектору с необходимым усилием. Давление (0,02 — 0,04 МПа) на щетку должно быть отрегулировано так, чтобы был  плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором.
В машинах постоянного тока применяют щеткодержатели двух типов: радиальные, у которых  ось щетки совпадает с продолжением радиуса коллектора, (см. рис. 107,5, в), и реактивные, у которых ось щетки расположена под углом к продолжению радиуса коллектора в сторону его вращения (см. рис. 107, г).
Щетка (рис. 108) представляет собой прямоугольный брусок из композиций, выполненных на основе графита. Она снабжена гибким медным канатиком 7, один конец которого заармирован в щетку, а другой свободный — снабжен наконечником 2 для присоединения к щеточному аппарату. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами, подключенными к выводам машины.

Рис. 107. Щеточный аппарат электрических машин постоянного тока:
а — траверса, б и в — радиальные щеткодержатели, г — реактивный щеткодержатель; 1 — пальцы (бракеты), 2 — рычаг, 5, 8 и 15 — пружины, 4 — корпус, 5 и 11 — щетки, б — обойма, 7 — фарфоровый наконечник, 9 — хомутик, 10 — штифт, 12 — стенка обоймы, 13 — храповик, 14 — колечко пружины
Применяемые в машинах постоянного тока щетки имеют маркировку, характеризующую их состав и физические свойства. Щетки, используемые в машинах общепромышленного назначения, подразделяются на три основные группы: графитные, угольно-графитные и медно-графитные. В целях нормальной работы и продления срока службы коллектора следует применять для каждой машины щетки только той марки, которая определена заводом-изготовителем с учетом мощности, конструкции, условий работы и электрической характеристики машины.
Подшипниковые щиты электрических машин служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также — опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.

Рис. 108. Щетки:
а — машин малой и средней мощности, б — машин большой мощности; 1 — щеточный канатик, 2 — наконечник
В электрических машинах постоянного тока применяют различные подшипниковые щиты, отличающиеся друг от друга формой, размером и материалом, из которого они изготовлены. Однако несмотря на большое разнообразие конструкций подшипников щиты можно разделить по назначению на два основных вида: обычные и фланцевые для установки и крепления непосредственно на исполнительном механизме.
В ряде случаев электрические машины постоянного тока могут иметь комбинированную систему крепления (рис. 109), т. е. станину с лапами для установки и крепления на Опорной конструкции и одновременно фланцевый подшипниковый щит для крепления на исполнительном механизме.

Рис. 109. Электрическая машина со станиной для крепления на опорной конструкции и подшипниковым щитом для крепления на исполнительном механизме:
1 — возбудитель, 2 и 4 г- передний и задний подшипниковые щиты, 3 — станина, 5 — зубчатая шестеренка

Подшипниковые щиты электрических машин постоянного тока изготовляют методом литья (преимущественно из стали, реже из чугуна и сплавов алюминия), а также сварки или штамповки. В центре щита имеется расточка под подшипник, в которой устанавливают шариковый или роликовый подшипник качения. В мощных машинах постоянного тока в ряде случаев используют подшипники скольжения.

Рассмотренные вопросы

Какими основными показателями характеризуются электрические машины?
Какие исполнения электрических машин вы знаете?
Каково устройство синхронной машины?
Чем отличается короткозамкнутый ротор от фазного?
Названы основные части машины постоянного тока и укажите их назначение:
Перечислены механические причины искрения щеток машины постоянного тока.
Расскажите об устройстве коллектора машины постоянного тока и его роли.

Принцип действия машин постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока.

Принцип действия генератора. Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e₁ и e₂, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются,  результирующая  ЭДС е = е₁ – е₂.

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет  ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Рис.1.5

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе машины в режиме генератора по замкнутой внешней цепи и витку обмотки якоря протекает ток, направление которого совпадает с направлением ЭДС (рис. 1.4,6), взаимодействие тока с магнитным полем полюсов  создает момент М, направленный в рассматриваемом случае против часовой стрелки. Так как приложенный к витку вращающий момент приводного двигателя Мвр направлен по часовой стрелке, то возникающий при работе генератора момент называется противодействующим моментом Мnp. По существу возникновение Мпр — это реакция машины на воздействие внешнего момента Мвр, а физическая природа противодействующего момента та же, что и вращающего момента у двигателя. В установившемся режиме работы генератора между Мвр и Мпр устанавливается равновесие  и  Мвр=Мпр.

При работе машины в режиме двигателя проводники якоря пересекают магнитное поле и в них наводится ЭДС (рис. 1.5,б). Ее направление определяется по правилу правой руки. В рассматриваемом случае она направлена против тока и, следовательно, навстречу приложенному напряжению сети U и поэтому называется противо-ЭДС Enp. Физическая природа противо-ЭДС та же, что и ЭДС генератора. В установившемся режиме работы двигателя между Enp и U устанавливается равновесие и можно считать, что Enp ≈ U .

Таким образом, при работе машины постоянного тока в любом режиме во вращающихся проводниках наводится ЭДС Е и возникает момент М, но роль их в разных режимах различная.

39.Устройство электрических машин постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой).

На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток. Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине. Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.

Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

40.Режим работы электрических машин постоянного тока — генератор и двигатель

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

Е=U+IR где U — напряжение на зажимах генератора; Rя — сопротивление обмотки якоря.

U=E-IR .Это равнение называется основным уравнением генератора. С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы. Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент.

Двигатель.Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток Iя. При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент где CM — коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.

Ток в проводнике направлен от нас. Направление электромагнитного вращающего момента определится по правилу левой руки. Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Эта ЭДС направлена встречно току якоря, ее называют противо-ЭДС.

-основное уравнение двигателя

41. Энергетические соотношения и кпд машин постоянного тока

КПД машины. КПД машины можно рассчитать по формуле η = P ₂ / P₁. При экспериментальном определении КПД проще и, главное, точнее измерять не механическую мощность, а электрическую, и рассчитывать потери. Поэтому для определения КПД генератора пользуютя формулой.

η = P₂ / (P₂ + ∆Р)

и КПД двигателя

η = (P₁ —  ∆Р) / Р₁.

КПД машин постоянного тока растет с увеличением мощности машин. Так, у микромашин мощностью до 0,1 кВт он составляет всего 30 – 40 %, у машин мощностью 10 кВт – 83 % и у машин 1000 кВт  —  96 %.

КПД меняется также в зависимости от нагрузки (рис. 1.15). Из графика следует, что при малых нагрузках КПД резко падает, поэтому недогруженную машину невыгодно эксплуатировать.

42. Способы возбуждения машин постоянного тока

Электрическая машина постоянного тока может работать в режиме генератора, двигателя и электромагнитного тормоза.

Если к зажимам обмотки вращающегося якоря присоединить нагрузку, то под действием ЭДС якоря в цепи возникает ток. Машина будет работать в режиме генератора. Напряжение на его зажимах меньше ЭДС якоря на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря

U = Е_а – R_а·I_а.

В результате взаимодействия тока якоря и поля возбуждения в машине создается электромагнитный момент. Этот момент будет тормозным по отношению к моменту первичного двигателя, вращающего якорь (ротор).

Если подать напряжение (от какого-нибудь источника) на зажимы обмотки неподвижного якоря, то в цепи якоря начнет протекать ток. Взаимодействие этого тока с полем возбуждения приведет к появлению вращающего момента. Если этот момент больше тормозного момента на валу (вызванного трением в подшипниках, вентиляцией, нагрузкой), то ротор начнет раскручиваться и достигнет установившейся скорости. Машина будет работать в двигательном режиме. Приложенное к якорю напряжение будет больше ЭДС, индуцированной в обмотке якоря, на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении

U = Е_а + R_а·I_а.