Устройство и принцип действия машины постоянного тока

Основные части.Статор с магнитными полюсами, ротор с обмоткой и коллектором, называемый якорем, и щеточно – коллекторное устройство.

Статор является механическим остовоммашины и одновременно служит для созданияосновного магнитного поля. Магнитное поле неподвижно. Оно возбуждается электромагнитами постоянного тока (реже постоянными магнитами), которые укрепляются на статоре и называются основными полюсами возбуждения.

Катушки электромагнитов соединяют последовательно так, чтобы полюсы N-Sна статоре чередовались. Соединенные таким образом катушки полюсов образуют обмотку возбуждения.

Магнитная цепь машины (рисунок 52) разветвленная, симметричная. Поток каждого полюса из полюсного наконечника через воздушный зазор входит в цилиндрический («барабанный») якорь по нормали к его поверхности, пронизывая зону проводников. Далее поток разветвляется на две равные части, каждая из которых идет по якорю в зону смежного полюса, где, пронизывая проводники, выходит из якоря. Через зазор поток входит в наконечник полюса противоположной полярности. Далее поток снова разветвляется, и каждая его половина по статору входит в исходный полюс.

Рисунок 52 - Магнитная цепь четырехполюсной машины

В машине используется индукция магнитного поля, нормальная к поверхности якоря.Под полюсами эта индукция наибольшая, посередине между полюсами она равна нулю. Линии, проходящие через середины полюсов и центр якоря, называют продольными магнитными осями машины, а линии, проходящие по середине между смежными полюсами, -геометрическими нейтралями (г.н.) или поперечными магнитными осями. Часть окружности якоря, заключенную между геометрическими нейтралями и принадлежащую зоне одного полюса, называют полюсным делениеми обозначают τ.

Щеточно-коллекторный узел. Щеточно - коллекторный узел состоит из электро-графитовых щеток, прижимающихся к коллектору - цилиндру, набранному из медных изолированных пластин, соединенных с проводниками обмотки якоря. Коллектор насажен на вал якоря. Щетки установлены в щеткодержателях и соединены с двумя зажимами якоря, к которым может быть присоединена внешняя цепь. Щеточно – коллекторное устройство осуществляет скользящий контакт с вращающейся обмоткой якоря и обеспечивает получение на зажимах машины постоянного по направлению напряжения (и токов в проводниках якоря под полюсами).

В машинах постоянного тока при работе по обмоткам якоря проходит ток, который создаёт своё магнитное поле. Поле якоря накладывается на поле главных полюсов и искажает его, магнитная индукция у краёв полюсов становится неодинаковой. Из-за различной э.д.с. в секциях обмотки якоря ухудшается коммутация машины и увеличивается напряжение между некоторыми коллекторными пластинами, что может привести к пробою изоляции пластин. Для компенсации реакции якоря в машинах постоянного тока значительной мощности применяют компенсационную обмотку. Её располагают в пазах наконечников основных полюсов и соединяют последовательно с обмоткой якоря. Компенсационную обмотку рассчитывают и включают таким образом, чтобы её магнитное поле было равно и направлено встречно полю якоря. Компенсационная обмотка усложняет изготовление и ремонт машины, поэтому её применяют обычно в крупных машинах постоянного тока.

Основные элементы машины постоянного тока показаны на рисунок 53.

Рисунок 53 - Конструкция машины постоянного тока

1 - цилиндрическая стальная станина (статор); 2 - основные полюсы с катушками (образующие обмотку возбуждения); 3 - добавочные полюсы со своими катушками; 4 - подшипниковый щит; 5 - вал якоря;6 - щеткодержатели со щетками.

В машинах постоянного тока выведенные наружу концы обмоток маркируют буквами:

Я - обмотка якоря; К - компенсационная обмотка; Д - обмотка добавочных полюсов; С - последовательная обмотка возбуждения; Ш - параллельная обмотка возбуждения.

К буквенным обозначениям добавляются цифры: 1 - начало обмотки; 2 - конец обмотки.

В малых коллекторных машинах постоянного и переменного тока выводы (начала обмоток) маркируют следующими цветами: белым - обмотка якоря, красным - обмотка последовательного возбуждения, зелёным - обмотка параллельного возбуждения. На концах обмоток добавляется чёрный цвет.

Принцип действия(рисунок 54). Постоянное магнитное поле ненагруженной машины

(I_я = 0) создается только н. с. обмотки возбуждения, обтекаемой постоянным током Iв. При вращении якоря со скоростью n в его обмотке индуктируется э. д. с. частоты f.

Рисунок 54 - Картина магнитного поля машины при нагрузке

При помощи коллектора и щеток эта э. д. с. выпрямляется и на щетках появляется постоянная по величине и направлению э. д. с.

Если к щеткам машины присоединена сеть постоянного тока или омическое сопротивление, то в обмотке якоря появляется ток, величина и направление которого зависят от соотношения между э. д. с. и напряжением сети. При работе в генераторном режиме (вращение по стрелке Г на рисунок 54) э. д. с. больше, чем напряжение сети (E > U).Ток якоря совпадает по направлению с э. д. с. и механическая энергия, подводимая через вал машины, преобразуется в электрическую энергию, поступающую в сеть.

При работе в режиме двигателя (вращение по стрелке Д) э. д. с. меньше, чем напряжение сети (E < U), ток якоря совпадает по направлению с напряжением сети, а электрическая энергия, поступающая из сети, преобразуется в механическую энергию, передаваемую через вал сопряженной машине.

Когда машина нагружена и работает в режиме двигателя или генератора (I_я ≠0), магнитное поле в ней создается совместным действием н. с. тока возбуждения Iв и н. с. тока якоря.

Картина магнитного поля машины при нагрузке показана на рисунок 54, из которого видно, что линия 2 - 2',проходящая через точки на поверхности якоря, в которых индукция равна нулю (физическая нейтраль), смещаются на угол β по отношению поперечной оси машины.