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 машин постоянного тока назначение элементов

Машины постоянного тока. Устройство машин постоянного тока. Принцип работы машин постоянного тока

В системах автоматического регулирования, дистанционного управления, в следящих системах широко используют электропривод, работающий на постоянном токе. Основным его достоинством является возможность плавного регулирования в широком диапазоне скоростей. Двигатели постоянного тока хорошо работают при толчкообразной и ударной нагрузках, обеспечивают высокие пусковые моменты.

Рабочие характеристики машин постоянного тока и их эксплуатационные показатели удовлетворяют основным требованиям, предъявляемым к элементам систем автоматики и привода, энергетические показатели их достаточно высокие. Благодаря этим качествам системы постоянного тока получили распространение в установках различных мощностей – от долей ватта до тысяч киловатт. В таких системах в качестве регулируемого элемента используются электрические двигатели постоянного тока различных типов. Широко применяются и генераторы постоянного тока, являющиеся регулируемыми или нерегулируемыми источниками электрической энергии постоянного тока, усилителями электрических сигналов (электромашинные усилители), датчиками электрических сигналов, пропорциональных скорости вращения (тахогенераторы) и т. п.

Принцип их действия, основные конструктивные элементы – магнитная система, обмотка и коллектор, – а также основные зависимости являются общими.

Устройство машин постоянного тока

Основные узлы электрической машины постоянного тока показаны на рис. 1, где представлен разрез исполнительного двигателя постоянного тока.

Магнитное поле в машине создается электромагнитами, расположенными на неподвижной части (статоре) машины. Для создания большего магнитного потока в машине магнитопровод выполняют из материалов, имеющих высокую магнитную проницаемость.

Рис. 1. Разрез машины постоянного тока:

1 – подшипник; 2 – бандаж; 3 – передний щит; 4 – станина; 5 – сердечник полюса; 6 – вал; 7 – паз якоря с обмоткой; 8 – пакет якоря; 9 – лобовая часть обмотки; 10 – обмотка возбуждения; 11 – изоляционная прокладка; 12 – коллекторная пластина; 13 – коллекторное кольцо; 14 – траверса; 15 – задний щит.

Катушки электромагнитов (обмотки возбуждения) 10 расположены на сердечниках полюсов 5, которые набраны из штампованных листов стали толщиной 0,5 – 1 мм. Между собой листы скрепляются стяжными шпильками или клеем. Сердечники полюсов прикреплены к станине 4, выполненной в виде литой или сварной конструкции.

В микродвигателях, тахогенераторах и других микромашинах постоянного тока для создания магнитного потока часто применяют постоянные магниты.

Вращающаяся часть (ротор) 8 набирается из отдельных изолированных листов электротехнической стали марок Э11, Э12, толщиной 0,2 – 0,5 мм. Поскольку ротор вращается в магнитном поле, то в материале ротора имеют место потери на перемагничивание и вихревые токи. Потери на вихревые токи могут быть снижены за счет увеличения электрического сопротивления материала и уменьшения толщины листов. Для увеличения электрического сопротивления в состав электротехнической стали вводят кремний, это способствует также уменьшению потерь на гистерезис (первая цифра марки стали соответствует процентному содержанию кремния). Друг от друга листы изолированы лаковой или оксидной пленкой, препятствующей замыканию вихревых токов между листами.

Часть машины, на которой расположена основная рабочая обмотка, называют якорем. В машинах постоянного тока рабочая обмотка обычно расположена по окружности ротора в пазах 7; применительно к таким машинам ротор является якорем.

Пазы 7 овальной или круглой формы выштамповывают при заготовке листов. Проводники обмотки укладывают в пазы и закрепляют специальными клиньями или бандажами 2.

Принцип работы машин постоянного тока

При вращении якоря в магнитном поле каждый проводник последовательно проходит под всеми магнитными полюсами, полярность которых чередуется. Картина магнитного поля (распределение индукции) под парой полюсов графически представлена на рис. 2, а. При движении проводника C в нем наводится э.д.с., определяемая в любой момент времени законом электромагнитной индукции. Величина наведенной э.д.с. пропорциональна индукции в точке, где в данный момент находится проводник, и скорости движения проводника v. При равномерном движении закон изменения э.д.с. во времени будет повторять закон изменения индукции вдоль окружности якоря (рис. 2, б). Направление наведенной э.д.с. можно определить с помощью правила правой руки, а ее величину – по формуле

Поскольку проводник пересекает поле под прямым углом (α = 90°), то sinα = 1.

Рис. 2. Графики изменения индукции вдоль окружности якоря (а) и э.д.с. в движущемся проводнике (б).

Таким образом, в каждом проводнике обмотки наводится переменная по величине и направлению э.д.с.

Для получения во внешней цепи постоянной по направлению э.д.с. (генератор) или для работы машины от цепи постоянного тока (двигатель) необходимо установить промежуточный преобразователь.

В генераторном режиме такой преобразователь должен выполнять роль выпрямителя, в двигательном – роль инвертора.

В машинах постоянного тока обычно применяют электромеханический преобразователь, который состоит из коллектора 12 (рис. 1) и щеточного аппарата 14. Принцип работы простейшего коллектора в выпрямительном режиме (для генератора) представлен на рис. 3.

Как видно из рисунка, стороны витка подключены к двум изолированным сегментам, которые скользят по неподвижным контактам (щеткам). Вследствие этого направление тока и полярность напряжения во внешней цепи будут оставаться постоянными. Коллектор работает как двухполупериодный выпрямитель и обеспечивает на выходе пульсирующее напряжение.

Рис. 3 Принцип действия машины постоянного тока

Для уменьшения пульсаций в генераторном режиме, а также для обеспечения условий надежной работы и пуска в двигательном режиме, коллектор выполняют с большим числом контактных сегментов. Минимально возможное число коллекторных пластин по условиям надежной работы – три.

Коллектор изготовляют из пластин твердотянутой меди трапецеидального сечения, которые изолируют друг от друга миканитом – слоистым слюдяным материалом с малым содержанием клеящих веществ. Вся конструкция стягивается металлическими фигурными шайбами или заливается пластмассой (рис. 4).

Рис. 4 Конструкция коллектора машины постоянного тока

По пластинам коллектора скользят щетки (неподвижные контакты), выполняемые из прессованного угля или графита, иногда с добавлением порошка металлов. Щетки крепят в щеткодержателях с нажимным устройством, обеспечивающим надежный контакт с коллектором.

Через щетки и скользящий контакт (систему щетки – коллектор) осуществляется передача электрической энергии, потребляемой или вырабатываемой машиной. Надежность работы машин постоянного тока ограничена возможностями щеточного контакта, что является наиболее существенным недостатком машин постоянного тока. Величина падения напряжения в щеточном контакте должна быть по возможности минимальной.

Вал якоря 6 (рис. 1) опирается на подшипники 1, закрепленные в щитах (торцевых крышках) 3 машины. В машинах обычно применяют подшипники качения, для уменьшения шума применяют также подшипники скольжения. Щиты крепятся к станине (ярму), чем достигается жесткость конструкции и обеспечивается соосность статора и ротора.

Основные данные, характеризующие машину, приведены на заводском щитке или в паспорте машины. К ним относятся: тип, заводской номер, номинальные данные – мощность, напряжение, ток и скорость вращения, тип возбуждения и масса машины. Более подробные данные можно получить из каталога или справочника.

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Назначение. Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Поэтому их широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы), на морских и речных судах, в металлообрабатывающей, бумажной, текстильной, полиграфической промышленности и др. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, а также как источники Электрической энергии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения различных электрических потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.

Недостатком машин постоянного тока является наличие щеточноколлекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины. Поэтому в последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте — синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

Принципиальная возможность создания электродвигателя постоянного тока была впервые показана М. Фарадеем в 1821 г.; в созданном им приборе проводник, по которому пропускали постоянный ток, вращался вокруг магнита.

Двигатель постоянного тока с электромагнитным возбуждением был создан в России акад. Б. С. Якоби в 1834 г., который назвал его магнитной машиной. В 1838 г. им был построен более мощный электродвигатель, который использовался для привода гребного винта речного катера. Принцип обратимости электрических машин был также впервые сформулирован русским физиком акад. Э. X. Ленцем. В дальнейшем ряд коллекторных машин постоянного тока был созданГ. Феррарисом, В. Сименсом и др. Значительное развитие теория электрических машин постоянного тока получила в трудах Д. А. Лачинова. В 1880 г. он опубликовал труд «Электромеханическая работа», в котором рассмотрел вопросы, создания вращающего момента электродвигателя, КПД электрических машин, условия питания электродвигателя от генератора и дал классификацию машин постоянного тока по способу возбуждения.

В XX столетии продолжалось развитие теории и совершенствование конструкции машин постоянного тока. Большое внимание обращалось на повышение надежности этих машин путем устранения причин, вызывающих возникновения искрения под щетками (улучшения коммутации) и образования кругового огня на коллекторе.

Важное значение в решении всех теоретических и практических вопросов работы машин постоянного тока имели в трудах советских ученых: А. Е. Алексеева, Д. А. Завалишина, Г. А. Люста, А. Б. Иоффе, В. Т. Касьянова, М. П. Костенко, В. С. Кулебакина, С. И. Курбатова, Л. М. Пиотровского, Е. М. Синельникова, В. А. Толвинского, К. И. Шенфера, венгер-ского электротехника О. В. Бенедикта и др.

В настоящее время в рамках Интерэлектро разработана серия электродвигателей постоянного тока типа ПИ мощностью от 0,25 до 750 кВт, которая выпускается электропромышленностью всех стран — членов СЭВ. Эти двигатели Предназначены для регулируемых электроприводов и рассчитаны на питание от полупроводниковых преобразователей. Кроме того, электропромышленность выпускает ряд двигателей постоянного тока специального исполнения — для электротяги, экскаваторов, металлургического оборудования, шахтных подъемников, буровых установок, морских и речных судов и других приводов мощностью от нескольких сотен до нескольких тысяч кВт.

Рис. 8.1. Электромагнитная схема двухполюсной машины постоянного тока (а) и эквивалентная схема ее обмотки якоря (б): 1 — обмотка возбуждения; 2 — главные полюсы; 3 — якорь; 4 — обмотка якоря; 5 — щетки; 6 — корпус (станина)

Принцип действия. Машина постоянного тока (рис. 8.1, а) имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По этой обмотке проходит постоянный ток I_в , который создает магнитное поле возбуждения Ф_в . На роторе расположена двухслойная обмотка, в которой при вращении ротора индуцируется ЭДС. Таким образом, ротор машины постоянного тока является якорем, а конструкция машины сходна с конструкцией обращенной синхронной машины.

При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление ЭДС одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. Иными словами, характер, отображающий направление ЭДС на рис. 8.1, а, неподвижен во времени: в проводниках, расположенных выше горизонтальной оси симметрии, которая разделяет полюсы (геометрическая нейтраль), ЭДС всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, ЭДС направлена в противоположную сторону.

При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; ЭДС, индуцируемая в них, изменяет знак, т. е. в каждом проводнике наводится переменная ЭДС. Однако количество проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная ЭДС, индуцируемая в проводниках, находящихся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта ЭДС снимается с обмотки якоря с помощью скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.

Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной (рис. 8.1,б). При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как ЭДС, индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.

Если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам прикладывается напряжение U, равное ЭДС Е, индуцированной в каждой из половин обмоток. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. При большом количестве проводников пульсации напряжения весьма незначительны.

При подключении к щеткам сопротивления нагрузки R_н через обмотку якоря проходит постоянный ток I_а , направление которого определяется направлением ЭДС Е. В обмотке якоря ток I_а разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (токи i_a ).

Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было вначале развития электромашиностроения), а по коллектору, выполняемому в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков; эту часть называют секцией обмотки якоря.

Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является выпрямителем. В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока и он преобразует электрическую энергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток.

Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.