Конструкция машин постоянного тока

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАШИНАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Роль и значение машин постоянного тока

В настоящее время преимущественное распространение имеют сети переменного тока, поэтому в промышленности находят применение главным образом машины переменного тока. Вместе с тем широко используются и машины постоянного тока, несмотря на то, что стоимость их выше, чем машин переменного тока. Это объясняется тем, что обладают лучшими эксплуатационными характеристиками в отношении регулирования частоты вращения, пуска, реверса и допускают более высокие перегрузки по сравнению с машинами переменного тока.

В настоящее время машины постоянного тока изготавливаются на мощности от долей ватт до 12 МВт. Номинальное напряжение их не превышает 1500 В и только для крупных машин доходит до 3000 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах — от нескольких оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Наиболее широкое применение нашли машины постоянного тока с механическим коммутатором — коллектором. Коллектор осложняет условия работы машины, но опыт эксплуатации в самых тяжелых условиях работы показал, что правильно спроектированная и качественно изготовленная машина постоянного тока является не менее надёжной, чем более простые по конструкции машины переменного тока.

Принцип работы машин постоянного тока

На рис. 1.1 схематично изображен поперечный разрез машины постоянного тока. На неподвижной части машины (статоре)размещаются стальные полюсы П с надетыми на них катушками обмотки возбуждения В.

Рис. 1.1. Поперечный разрез машины постоянного тока с кольцевой обмоткой якоря

Катушки соединяются между собой так, чтобы при прохождении по обмотке постоянного тока полюсы приобретали чередующуюся полярность N, S, N, S и т.д.). Магнитный поток Ф, создаваемый обмоткой возбуждения, неизменен во времени и замыкается так, как показано на рис. 1.1 штриховыми линиями.

На вращающейся части машины располагается обмотка О, в которой индуцируется основная ЭДС, поэтому в машинах постоянного тока вращающуюся часть называют якорем.

Обмотка располагается на стальном сердечнике, закреплённом на валу. Предположим, что сердечник выполнен в виде полого цилиндра, на внешней и внутренней поверхностях которого размещаются проводники. С торцевых сторон эти проводники соединяются между собой, образуя замкнутый контур. Сплошные линии показывают соединения проводников с переднего торца сердечника, а штрихпунктирные — с заднего.

Изображенные на рис. 1.1 сердечник и обмотка называются кольцевыми. В настоящее время они не имеют практического применения, но их часто используют при анализе рабочих свойств машины, благодаря чему этот анализ приобретает большую наглядность.

От обмотки якоря выполняются ответвления к пластинам коллектора. Коллектор К располагается на валу якоря и представляет собой цилиндрическое тело, состоящее из электрически изолированных между собой медных пластин. Часть обмотки, заключенная между следующими друг за другом ответвлениями к коллекторным пластинам, называется секцией. Обмотка имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких витков. Число коллекторных пластин равно числу секций. На рис. 1.1 обмотка состоит из 12 одновитковых секций, а коллектор имеет 12 пластин.

При вращении якоря в проводниках его обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. В кольцевой обмотке ЭДС будет индуцироваться только в проводниках, расположенных на внешней поверхности сердечника. В проводниках, лежащих на внутренней поверхности, ЭДС не наводится, так как эти проводники не пересекают индукционных линий магнитного поля.

В обмотке якоря машины постоянного тока наводится переменная ЭДС, так как каждый проводник проходит полюсы разной полярности, вследствие чего ЭДС в них меняет свое направление. Если машина работает генератором, то переменная ЭДС обмотки должна выпрямлена. Достигается это с помощью коллектора. С коллектором соприкасаются неподвижные щетки Щ,посредством которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью. Для того чтобы ЭДС на выводах машины была максимальна, щетки следует установить в тех местах, где ЭДС, наводимая в проводниках, меняет направление. Это происходит под серединой междуполюсного промежутка. Воображаемая линия, проведенная через середину межполюсного промежутка, называется геометрической нейтралью ГН. Следовательно, в машинах постоянного тока щетки должны быть установленына геометрической нейтрали. Поскольку число нейтралей равно числу полюсов, то и число мест, где устанавливаются щетки, выбирается равным числу полюсов.

Для момента времени, изображенного на рис. 1.1, между парой соседних щеток включены проводники обмотки якоря с одинаковым направлением ЭДС. Поэтому щётки, соприкасающиеся с определенными коллекторными пластинами, будут иметь указанную полярность.

При вращении якоря расположение проводников и коллекторных пластин в пространстве будет меняться, при этом будет изменяться направление ЭДС, индуцируемой в проводниках.Но всегда между коллекторными пластинами, с которыми соприкасаются неподвижные щетки, будут располагаться проводники с одинаковым направлением ЭДС, и щётки всегда будут иметь определенную полярность. Полярность соседних щеток, как и полярность полюсов, будет чередующейся. Щетки одноименной полярности соединяются между собой, а к их общим точкам подключается внешняя сеть. При наличии коллектора во внешней сети генератора будет протекать постоянный ток, в то время как в обмотке якоря ЭДС и ток будут переменными.

В двигателях постоянного тока к щеткам подводится постоянный ток. Роль коллектора в этом случае состоит в том, чтобы в любой момент времени обеспечить такое распределение тока по обмотке якоря, при котором под полюсами разной полярности располагались бы проводники с противоположным направлением тока. Для определенного момента времени такому распределению тока в якоре соответствует рис. 1.1, если принять на нем, что крестиками и точками обозначены направления тока. При таком распределении тока электромагнитные силы всех проводников направлены в одну сторону, в чем можно убедиться, применив правило левой руки. В результате этого при прочих равных условиях двигатель будет создавать наибольший вращающий момент.

По отношению к выводам сети обмотка якоря разбивается на параллельные ветви. Параллельной ветвью называют группу последовательно соединенных проводников, включённых между щетками разной полярности. В данной машине обмотка имеет четыре параллельные ветви. Ее развёртка по отношению к выводам сети показана на рис. 1.2. ЭДС на выводах машины будет равна ЭДС одной параллельной ветви, а ток в сети равен сумме токов параллельных ветвей.

Рис. 1.2. Параллельные ветви обмотки якоря

В замкнутом контуре самой обмотки якоря машины постоянного тока сумма ЭДС равна нулю (см. рис. 1.1) поэтому при разомкнутой внешней цепи ток в обмотке возникать не будет.

Конструкция машин постоянного тока

Рассмотрим конструктивную схему машин постоянного тока. Неподвижную часть машины постоянного тока называют статором, вращающуюся часть — якорем (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Устройство машины постоянного тока:

Коллектор; 2 – щётки; 3 – сердечник якоря; 4 – сердечник полюса; 5 – катушка возбуждения; 6 – станина; 7,12 – подшипниковые щиты; 8 – вентилятор; 9 – обмотка якоря; 10 – вал; 11 – лапы

Статор состоит из станины 6 и главных полюсов 4. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы 11 для крепления машины к фундаментной плите, а по окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов 4. Обычно станину делают цельной из стальной трубы либо сварной из листовой стали.

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердечника 4 и полюсной катушки 5. Со стороны, обращенной к якорю сердечник полюса имеет полюсный наконечник, который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными излистовой электротехнической стали толщиной 1 — 2 мм.

Рис. 1.4. Главные полюсы с полюсными катушками:

1 — станина; 2 - сердечник полюса; 3 — полюсная катушка

Якорь машины постоянного тока (см. рис. 1.3) состоит из вала 10, сердечника 3 с обмоткой и коллектора 1. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Листы покрывают изоляционным лаком и собирают в пакет. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Укладка обмотки в пазы обеспечивает надежное ее закрепление на вращающемся якоре и уменьшает воздушный зазор. Форму пазов выбирают овальной полузакрытой для машин небольшой мощности и прямоугольной открытой для машин средней и большой мощности. Обмотку выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Между стенками паза и проводниками обмотки укладывают изоляцию (пазовая изоляция) (рис. 1.5).

Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клиньями, накладывают на поверхность якоря бандаж из проволоки или стеклоленты с предварительным натягом. Лобовые части 9 обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом.

Рис. 1.5. Пазы машин постоянного тока:

а – овальный; б – прямоугольный; 1 – проводники; 2 – изоляция;

Клин

Коллектор 1 состоит из большого числа электрически изолированных друг от друга пластин, которые штампуют из меди. Пластины собраны таким образом, что коллектор приобретает цилиндрическую форму. На рис. 1.6показана конструкция коллектора с конусными шайбами. Нижняя часть коллекторных пластин 6 имеет форму «ласточкина хвоста». После сборки коллектора эти части пластин оказываются зажатыми между стальными шайбами 1 и 3, изолированными от медных пластин миканитовыми (прессованная слюда) манжетами 4. Конусные шайбы стянуты винтами 2. Между медными пластинами расположены миканитовые изоляционные прокладки. Верхняя часть 5 коллекторных пластин (см. рис. 1.6), называемая петушком, имеет узкий продольный паз, в который закладывают проводники обмотки якоря и тщательно припаивают.