Все части машины постоянного тока

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.

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

Электрические машины постоянного тока: устройство и принцип действия

Устройство машины постоянного тока при первом знакомстве кажется сложным. Но если понять происходящие внутри процессы, ситуация существенно прояснится.

Машины постоянного тока: что это?

Применение электрического тока в основном заключается в превращении его в иные виды энергии, в частности, механическую. Также и механическая энергия может быть превращена в электрическую.

Этими преобразованиями занимаются машины постоянного и переменного тока. У первых в обмотку возбуждения подается постоянный ток.

Машины постоянного тока (МПТ), преобразующие механическую энергию в электричество, называются генераторами. Выполняющие обратное преобразование — двигателями.

Устройство

МПТ состоят из двух частей:

1. индуктор: неподвижная часть;
2. якорь: вращается внутри индуктора.

В машинах переменного тока индуктор и якорь принято называть, соответственно, статором и ротором. Индуктор создает первичное магнитное поле, воздействующее на якорь с целью навести в нем ЭДС (генератор) либо заставить его вращаться (двигатель).

В маломощных МПТ индуктором иногда выступает постоянный магнит, но чаще с целью добиться однородного магнитного потока применяют электромагнит, то есть систему катушек, создающих при протекании через них постоянного тока магнитное поле обмотка возбуждения (ОВ).

Устройство машины постоянного тока

Каждая катушка намотана на сердечник, вместе они образуют магнитный полюс. Для надлежащего распределения магнитного потока сердечник снабжен специальным наконечником. Основных полюсов может быть несколько. Помимо них применяются добавочные, обеспечивающие безыскровую работу коллектора. Последний представляет собой важный элемент МПТ, его функция будет рассмотрена ниже.

Ярмо индуктора одновременно является станиной МПТ, потому его так обычно и называют. К нему крепятся магнитные полюсы и подшипниковые щиты (вращается вал якоря). В сущности, ярмо — это лишь часть станины, по которой замыкаются магнитные потоки основных и добавочных полюсов.

Якорь представляет собой сердечник с пазами, содержащими уложенный в определенном порядке провод — обмотку. Сердечник закреплен на валу, вращающемся в подшипниках. Здесь же закреплен коллектор.

Коллектор обеспечивает возможность подачи питания на обмотку вращающегося якоря. Он является подвижной частью так называемого скользящего коллекторного контакта, и состоит из нескольких изолированных друг от друга сегментообразных медных пластин, закрепленных в виде цилиндра на валу якоря. Неподвижная часть контакта представлена графитовыми или медно-графитовыми щетками, закрепленными в щеткодержателях. Пружинами они придавливаются к пластинам коллектора.

Принцип действия

Особенности функционирования МПТ зависит от того, в каком режиме она работает — генератора или двигателя. Далее подробно рассматриваются оба варианта.

Генератор

Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Состоит оно в том, что при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем наводится ЭДС.

Принцип действия генератора постоянного тока

Чтобы добиться изменения магнитного потока, меняют параметры поля либо двигают в постоянном поле проводник. По второму варианту и работает генератор постоянного тока: обмотка якоря приводится во вращение внешней механической силой.

Очевидно, что после поворота витков обмотки на 180 градусов ЭДС окажется направленной противоположно. Сохранить ток в подключенной к генератору цепи постоянным, то есть однонаправленным, помогает коллектор: в нужный момент он переподключает концы обмотки якоря к противоположным контактам цепи (щеткам). То есть в этой машине коллектор играет роль механического выпрямителя.

Двигатель

Работа МПТ в режиме двигателя обусловлена возникновением так называемой амперовой силы. Она действует на помещенный в магнитное поле проводник при протекании по нему тока. Направление амперовой силы определяется по правилу левой руки.

Сила Ампера появляется благодаря следующему механизму:

1. при протекании тока вокруг проводника возникает магнитное поле с силовыми линиями, концентрически окружающими проводник (круговое поле);
2. вектор его индукции по одну сторону от проводника сонаправлен с вектором индукции первичного магнитного поля, в которое проводник помещен. С этой стороны первичное поле усиливается;
3. по другую сторону вектор наведенного электротоком поля направлен противоположно вектору индукции первичного поля, соответственно, здесь оно гасится;
4. разница в индукции поля по обе стороны проводника активирует к возникновению данной силы. Определяется она по формуле: F = B * I * L, где: B — магнитная индукция первичного поля, I — сила тока в проводнике, L — длина проводника.

Как и в случае с генератором, после поворота витка обмотки якоря в определенное положение, требуется переключение контактов для изменения в ней направления тока либо полярности индуктора. Поэтому в режиме двигателя коллектор также необходим.

У коллекторных двигателей есть преимущества:

• простота и широкий диапазон регулировки;
• жесткая механическая характеристика (вращающий момент остается стабильным).

Недостаток — низкая надежность коллектора и его сложность, негативно отражающаяся на стоимости двигателя.

Вот какими нежелательными явлениями сопровождается работа узла:

• искрение;
• засорение токопроводящей графитовой пылью (щетки выполнены из этого материала);
• появление помех в сети;
• при значительной нагрузке — кольцевое искрение («круговой огонь»), приводящее к выгоранию коллекторных пластин.

В целях борьбы с недостатками в некоторых современных двигателях постоянного тока (ДПТ) применены следующие решения:

1. обмотки якоря и индуктора меняются местами: первую размещают на неподвижной части (статоре), вторую — на вращающейся (роторе). Скользящий контакт при этом остается, но из-за низкой нагрузки в обмотке возбуждения, он намного проще и надежнее коллекторно-щеточного;
2. переключение между обмотками якоря, теперь расположенного в неподвижной части, осуществляется при помощи полупроводниковых ключей, срабатывающих по сигналу датчика положения ротора. То есть механический переключатель (коллектор) заменен электронным.

Такие двигатели называют бесколлекторными, за рубежом — BLDC-двигателями.

Классификация МПТ по способу питания обмоток индуктора и якоря

По данному признаку МПТ делятся на 4 вида.

С независимым возбуждением

Обмотки индуктора и якоря не имеют электрического соединения. У генераторов этого типа обмотку возбуждения питает сеть постоянного тока, аккумулятор или специально предназначенный для этого генератор — возбудитель. Мощность последнего — несколько сотых мощности основного генератора.

Область применения генераторов с независимым возбуждением:

1. системы значительной мощности, где напряжение на обмотке возбуждения существенно отличается от генерируемого;
2. системы регулирования скорости вращения двигателей, запитанных от генераторов.

У двигателей с независимым возбуждением запитана и якорная обмотка. В основном это также агрегаты большой мощности.

Независимость обмотки индуктора позволяет удобнее и экономичнее регулировать ток возбуждения. Еще одна особенность таких моторов — постоянство магнитного потока возбуждения при любой нагрузке на валу.

С параллельным возбуждением

Обмотки индуктора и якоря соединены в одну цепь параллельно друг другу. Генераторы этого типа обычно применяются для средних мощностей. При параллельном соединении генерируемое устройством напряжение подается на обмотку возбуждения. При соединении в одну цепь обмоток индуктора и якоря говорят о генераторе с самовозбуждением.

По своим характеристикам они идентичны моторам с независимым возбуждением и обладают следующими особенностями:

• при изменении нагрузки частота вращения практически не трансформируется: замедление составляет не более 8% при переводе от холостого хода к номинальной нагрузке;
• можно с минимальными потерями регулировать частоту вращения, причем в широких пределах — 2-кратно, а у специально сконструированных моторов и 6-кратно.

Индуктор вращающегося двигателя с параллельным возбуждением нельзя отсоединять от цепи якоря, даже если он уже отключен. Это приведет к наведению значительной ЭДС в обмотке возбуждения с последующим выходом мотора из строя. Находящийся рядом персонал может получить травму.

С последовательным возбуждением

Обмотки соединены в цепь последовательно друг другу. Через обмотку возбуждения течет ток якоря. Генераторы этого типа почти не применяются, поскольку процесс самовозбуждения происходит достаточно бурно и устройство не способно обеспечить необходимое большинству потребителей постоянство напряжения. Их используют только в специальных установках.

Схема последовательного возбуждения

Двигатели этого типа широко применяют в качестве тяговых (электровозы, троллейбусы, краны и пр.): по сравнению с аналогами параллельного возбуждения, при нагрузке они дают более высокий момент с одновременным уменьшением скорости вращения. Пусковой момент также высок.

С параллельно-последовательным (смешанным) возбуждением

Существует два вида схемы:

1. основная обмотка индуктора включена параллельно с якорной, вспомогательная — последовательно;
2. основная обмотка индуктора включена последовательно с якорной, вспомогательная — параллельно.

Схемы систем возбуждения МПТ

Подключение параллельной обмотки до последовательной называют «коротким шунтом», за последовательной — «длинным шунтом». Генераторы этого типа применяются крайне редко.

Двигатели сочетают в себе достоинства аналогов с параллельным и последовательным возбуждением: способны работать на холостом ходу и при этом развивают значительное тяговое усилие. Но и они сегодня почти не применяются.

Видео по теме

Об устройстве и принципе работы двигателя постоянного тока в видео:

Несмотря на преобладание тока переменного, машины постоянного тока остаются востребованными. Это объясняется их экономичностью, простотой регулировки и рядом прочих достоинств. Коллекторные двигатели, в сущности, универсальны, поскольку могут работать и на переменном токе (направление тока в обмотках все время совпадает).