Устройство машины постоянного тока
Электрическая машина постоянного тока — машина, в которой при установившемся режиме ее работы электрическая энергия, участвующая в ее энергопреобразовательном процессе, является энергией практически постоянного тока.
Любая электрическая машина состоит, как правило, из двух составных частей: неподвижной части — статора, располагаемой обычно снаружи, и вращающейся внутренней части — ротора. Ротор современной машины постоянного тока малой и средней мощности состоит из вала и насаженных на него якоря, коллектора и вентилятора для охлаждения машины.
В тихоходных больших машинах постоянного тока охлаждение достигается независимым вентилятором, в больших быстроходных машинах постоянного тока открытого исполнения достаточное охлаждение достигается вентилирующим действием вращения якоря. При закрытом исполнении машин применяют наружную вентиляцию.
Не практике термин ротор в применении к машинам постоянного тока не используется. Всю вышеперечисленную совокупность вращающихся деталей называют по имени главной из них якорем. Таким образом, на практике термин якорь имеет двоякое значение: во-первых, совокупность вращающихся частей машины постоянного тока, во-вторых, собственно якорь.
Статор современной машины постоянного тока состоит из: ярма, главных, или основных, магнитных полюсов с намагничивающими их катушками из изолированного или голого медного провода круглого или прямоугольного сечения и из добавочных, или коммутационных, магнитных полюсов с намагничивающими их катушками из изолированного или из голого (с изоляционными прокладками) медного провода круглого или прямоугольного сечения.
Термин статор в применении к машинам постоянного тока на практике не используется, вместо него пользуются термином магнитная система или индуктор. Термин ярмо также заменяют на практике термином машины постоянного тока, так как в качестве конструктивной части машины ярмо выполняет эту роль.
Коллекторный скользящий контакт
Электромашинный коллектор, являющийся вращающейся частью коллекторного скользящего электрического контакта, состоит из токопроводящих медных сегментообразных пластин, собранных на валу в цилиндр и изолированных друг от друга и от вала, на котором они укрепляются неподвижно. Каждая коллекторная пластина соединяется электрически неравномерно распределенными по обмотке точками. Неподвижная часть коллекторного контакта состоит из таких же неподвижных электромашинных щеток. Число щеток берется по числу нужных ответвлений от обмотки.
Особенности машин постоянного тока
Являясь одноякорной электрической машиной, коллекторная машина постоянного тока может быть с параллельным, с последовательным, а также с последовательно-параллельным, или смешанным, возбуждением.
В машине со смешанным возбуждением на индукторе имеется либо основная индукторная обмотка, соединяемая параллельно с якорной обмоткой, и вспомогательная возбуждающая обмотка, соединяемая последовательно с якорной обмоткой, либо основная индукторная обмотка, соединяемая с якорной обмоткой последовательно, и вспомогательная возбуждающая обмотка, соединенная параллельно с якорной обмоткой.
Возможно также устройство машины постоянного тока с независимым возбуждением. Она получается если в ней индукторную, возбуждающую обмотку отсоединить от якоря и присоединить к независимому источнику постоянного тока неизменного напряжения.
Генераторы постоянного тока делают или с независимым возбуждением или с самовозбуждением. При независимом возбуждении цепь возбуждающей обмотки питается от независимого источника постоянного тока, т. е. либо от сети постоянного тока, питаемой другим генератором постоянного тока, либо от аккумуляторной батареи, либо от генератора постоянного тока, специально предназначенного для питания возбуждающей обмотки данного генератора.
Мощность такого вспомогательного генератора, называемого возбудителем, составляет всего несколько процентов от мощности того генератора, обмотку возбуждения которого он питает. Если возбудитель жестко соединяется с возбуждаемым генератором, то его называют пристроенным возбудителем.
Если цепь возбуждающей обмотки присоединена к зажимам генератора, то имеем генератор с параллельным возбуждением (или генератор параллельного возбуждения), или параллельный генератор. Обычно его называют шунтовым генератором постоянного тока.
Если цепь возбуждающей обмотки соединяется с цепью якоря последовательно, то имеем генератор с последовательным возбуждением (или генератор последовательного возбуждения), или последовательный генератор. Иногда его называют сериесным генератором постоянного тока.
Главные детали машины
Собственно якорь представляет собой цилиндрической формы, состоящее из большого числа дисков специальной тонкой листовой электротехнической стали, плотно спрессованных.
По наружной окружности якоря равномерно располагаются полученные путем штамповки пазы или впадины, в которых укладывается и укрепляется составленная по определенным правилам электрическая цепь из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, называемая обмоткой якоря. Обмотка якоря является той частью машины постоянного тока, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток.
Коллектор имеет цилиндрическую форму и состоит из медных пластин, изолированных друг от друга и от крепящих их частей. Пластины коллектора электрически соединяются с определенными точками якорной обмотки равномерно распределенными по окружности якоря.
Главные, или основные, магнитные полюсы состоят из сердечников полюсов и уширенной в сторону якоря торцевой части полюса, называемой полюсным наконечником, или полюсным башмаком.
Сердечник и башмак штампуют совместно из листовой электротехнической стали в виде пластин соответствующей формы, которые затем спрессовывают и скрепляют в монолитное тело. Главные магнитные полюсы создают основной магнитный поток машины, от перерезывания которого вращающейся якорной обмоткой в ней индуктируется э д. с. машины.
Добавочные магнитные полюса, имеющие узкую форму и располагаемые в промежутках между главными магнитными полюсами, делают из катаной стали, иногда их штампуют из тонких листов электротехнической стали, как и главные полюсы. С торца, обращенного к якорю, их снабжают иногда полюсным башмаком прямоугольной формы, со скосами или без них. Добавочные магнитные полюса служат для обеспечения безискровой работы коллектора.
В больших машинах постоянного тока, предназначаемых для тяжелых условий работы, в полюсных башмаках главных магнитных полюсов, которым в этом случае придают особо развитую форму, проштамповывают ряд пазов для укладки в них компенсационной обмотки. Она предназначается для воспрепятствования искажению формы распределения индукции основного магнитного потока в пространстве, отделяющем полюсный башмак от якоря. Это пространство называется междужелезным пространством, или главным электромашинным зазором.
Компенсационная обмотка выполняется, как и прочие обмотки машины, из меди и изолируется. Обмотки добавочных полюсов и компенсационная обмотка соединяются с обмоткой якоря последовательно.
На коллектор опираются щетки, как правило, угольные, имеющие прямоугольную форму сечения. Их устанавливают по образующим цилиндрической поверхности коллектора, называемым коммутационными зонами. Обычно число коммутационных зон равно числу полюсов машины.
Щетки вставляют в обоймы щеткодержателей с пружинами, прижимающими щетки к поверхности коллектора. Щетки одного и того же зонного комплекта электрически соединяют друг с другом, а зонные комплекты одной и той же полярности (т. е. через зону) соединяют электрически друг с другом и присоединяют к соответствующему внешнему зажиму машины.
Внешние зажимы машины укрепляют на доске зажимов, которую скрепляют к ярму машины и прикрывают предохранительной крышкой с отверстием внизу для соединения к зажимам проводов от электрической сети. Зажимы с крышкой образуют так называемую коробку зажимов.
Часто вместо «зонный комплект щеток» обычно говорят «щетка», подразумевая под этим совокупность всех щеток одной коммутационной зоны. Совокупность всех зонных комплектов щеток данной машины образует ее полный комплект щеток, который обычно называют сокращенно комплектом щеток.
Щетки, щеткодержатели, пальцы (или бракеты) и траверса (или суппорт) составляют так называемый токособирательный аппарат машины постоянного тока. В него входят также соединения между собой зонных комплектов щеток одной и той же полярности.
Концы вала якоря машины, называемые шейками вала, вставляют в подшипники. В небольших и средних машинах подшипники укрепляют в подшипниковых щитах, которые в то же время выполняют роль защиты машины от внешних воздействий, а также служат для полного закрытия машины, если она выполняется закрытой.
Малые машины постоянного тока с подшипниковыми щитами не имеют, как правило, фундаментной плиты, их устанавливают на болтах, которые крепят к бетонному или кирпичному фундаменту, или к полу, или на особых балочках, называемых салазками.
Иногда генераторы, а также двигатели, имеют всего один подшипник. Другой конец вала имеет фланец или обрабатывается под насадку полумуфты для соединений со свободным концом вала приводного двигателя (в случае генератора) или механизма (в случае двигателя).
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
Машины постоянного тока устройство и принцип действия
Дата публикации: 26 ноября 2011 .
Категория: Статьи.
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.
Режим генератора
Рассмотрим сначала работу машины в режиме генератора.
| Рисунок 1. Простейшая машина постоянного тока |
| Eа = 2 × eпр = 2 × B × l × v. | (1) |
Э. д. с. Eа 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:
а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью,
| f = p × n | (2) |
Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток Iа. 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 Eа на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря rа:
| Uа = Eа – Iа × rа. | (3) |
Проводники обмотки якоря Iа с током находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы (рисунок 2, а)
| Fпр = B × l × Iа, | (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
| Mэм = Fпр × Dа = B × l × Dа × Iа, | (5) |
где Dа – 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 Fпр и возникнет электромагнитный момент Mэм. Величины Fпр и Mэм, как и для генератора, определяются равенствами (4) и (5). При достаточном значении Mэм якорь машины придет во вращение и будет развивать механическую мощность. Момент Mэм 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 Iа 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. Eа, 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 Eа направлена против тока Iа и приложенного к зажимам якоря напряжения Uа. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой.
Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается э. д. с. Eа и падением напряжения в обмотке якоря:
| Uа = Eа + Iа × rа. | (6) |
Из сравнения равенств (3) и (6) видно, что в генераторе Uа Eа.
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
| Mэм = Mв — Mтр — Mс, | (7а) |
где Mв – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, Mтр – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе электрической машины, Mс – 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
| Mэм = Mв + Mтр + Mс, | (7б) |
где Mв – тормозной момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т. п.).
В генераторе Mэм является тормозным, а в двигателе – вращающим моментом, причем в обоих случаях Mв и Mэм противоположны по направлению.
Развиваемая электромагнитным моментом Mэм мощность Pэм называется электромагнитной мощностью и равна
| Pэм = Pэм × Ω, | (8) |
| Ω = 2 × π × n, | (9) |
представляет собой угловую скорость вращения.
Подставим в выражение (8) значение Mэм и Ω из равенств (5) и (9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря
| Pэм = 2 × B × l × Dа × Iа × π × n = 2 × B × l × v × Iа |
| Pэм = Eа × Iа. | (10) |
В обмотке якоря под действием э. д. с. Eа и тока Iа развивается внутренняя электрическая мощность якоря
| Pа= Eа × Iа. | (11) |
Согласно равенствам (10) и (11), Pэм = Pа, 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 Iа. Тогда для генератора будем иметь
| Uа × Iа = Eа × Iа – Iа 2 × rа | (12) |
и для двигателя
| Uа × Iа = Eа × Iа + Iа 2 × rа. | (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.
