Машины постоянного тока. Основные узлы

К ним относятся генераторы постоянного тока (ГПТ) и двигатели постоянного тока (ДПТ). Электрические машины постоянного тока – машины обратимые, т.е. им присущ принцип обратимости, смысл которого заключается в том, что любая из этих машин может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. В основе принципа их действия лежит явление электромагнитной индукции и явление возникновения электромагнитных сил, действующих на проводники с током, помещенные в магнитное поле.

Любая машина постоянного тока содержит:

· устройство для создания магнитного поля;

· обмотку, в которой наводится ЭДС и на которую действует момент электромагнитных сил (электромагнитный момент);

· устройство для изменения направления тока.

В соответствии с вышесказанным, любая машина постоянного тока, независимо от того двигатель это или генератор, имеет три основные конструктивные части: статор, ротор и щеточно-коллекторный узел.

Устройство электрической машины постоянного тока:

1. – корпус (литой из чугуна или стали);2. – полюса магнитов;3. – обмотка полюсов (обмотка возбуждения);4. – ротор;

5. – проводники обмотки ротора;6. – коллектор;7. – щетки.

Неподвижная часть машины, образованная корпусом и полюсами, прикручиваемыми к корпусу, называется статором. На полюсах находится обмотка, по которой протекает постоянный ток; тем самым система корпус-полюса-обмотка образует электромагнит, служащий для создания магнитного поля в этой системе. Силовые линии магнитного поля схематически указаны на рисунке. Таким образом, статор служит для создания постоянного магнитного поля, в котором будет находиться вращающаяся часть машины – ротор.

В отличие от статора, у которого все части литые, т.е. сплошные, ротор представляет собой цилиндрический сердечник, набранный из отдельных листов электротехнической стали. Это делают для того, чтобы уменьшить потери на вихревые токи (токи Фуко). На боковой поверхности цилиндрического ротора образуются пазы, в которые вложены проводники обмотки.

Обмотка представляет собой большое число прямоугольных рамок, лежащих в разных плоскостях, и замыкаются они на пластины коллектора.

Коллектор представляет собой медный цилиндр, разрезанный на отдельные части, которые через прокладку из изолятора одеваются на вал машины, на котором находится и ротор. Эти отдельные части образуют пластины, между собой они проложены изолятором, и на каждые две диаметрально противоположные пластины выводятся проводники от одной или нескольких рамок, уложенных на роторе, т.е. рамки могут соединяться как последовательно, так и параллельно.

Щетки в электрических машинах выполняют из графита или угля, и с помощью специальных щеткодержателей они прижимаются ко вращающемуся коллектору и обеспечивают либо снятие напряжения с машины, если это генератор, либо подведение его от внешнего источника, если это двигатель. Т.к. контакт щеток и коллектора не прочный, а скользящий, то при переходе щетки с одной пластины коллектора на другую возникает нестационарный режим, сопровождающийся резким возрастанием ЭДС, и в этот момент между щетками и коллектором проскакивает искра. Это искрение происходит в постоянном режиме, что приводит к достаточно быстрому выгоранию щеток. Это явление называется коммутацией в машинах постоянного тока. В результате чего щеточно-колекторный узел является наиболее слабым местом электрических машин постоянного тока.

Назначение щеточно-коллекторного узла состоит в том, что в режиме генератора он представляет собой выпрямитель механического типа: в обмотке якоря ток переменный, а на выходе он выпрямленный. А в режиме двигателя, где питание осуществляется постоянным током, щеточно-коллекторный узел преобразует его в переменный ток, протекающий по обмотке якоря. Если этого не сделать, то не будет происходить непрерывное вращение.

Понятия статор и ротор – чисто механические. В литературе можно встретить понятия индуктор и якорь. Это чисто электротехнические понятия, и очень часто считают, что, например, якорь и ротор – это слова-синонимы. Статор – это то, что неподвижно, а ротор – то, что вращается. Под электротехническими понятиями «индуктор» и «якорь» понимают следующее: «индуктор» — это устройство, которое создает магнитное поле, а в якоре под действием этого электромагнитного поля наводится ЭДС, на которую со стороны магнитного поля действуют силы.

Дата добавления: 2015-01-30 ; просмотров: 26 | Нарушение авторских прав

Назначение основных узлов 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.

Основные узлы электрических машин

Классификация электрических машин

Электрические машины постоянного тока

По выполняемым функциям электрические машины (ЭМ) можно разделить на машины общего и специального назначения (рис. 2.1).

В свою очередь, ЭМ общего назначения можно классифицировать следующим образом (рис. 2.2).

Промышленность выпускает ЭМ различной мощности и на разные напряжения. Условно по мощности их можно разделить на следующие группы:

– микромашины (мощность P от долей ватта до 500 Вт);

– машины малой мощности (Р= 0,510 кВт);

– машины средней мощности (Р=101000 кВт);

– машины большой мощности (P свыше 1000 кВт).

Напряжение питания ЭМ изменяется от 612 В у машин постоянного тока до 30 кВ в машинах радиотехнических устройств.

Номинальная частота вращения электрических машин изменяется в пределах от нескольких оборотов в минуту до 30000 об/мин. Известно, что

, (2.1)

где M — вращающий момент на валу машины; w — угловая скорость вала.

Поэтому увеличение угловой скорости w при Р = const позволяет уменьшить вращающий момент М и получить ЭМ с меньшей массой и габаритами.

Электрические машины переменного тока по сравнению с ЭМ постоянного тока являются менее скоростными при частоте питающей сети 50 Гц, так как частота вращения двигателя не может превышать 3000 об/мин.

Конструктивно ЭМ содержат следующие основные узлы:

– неподвижный узел – статор;

– вращающийся узел – ротор (якорь);

– в машинах постоянного тока – щеточно-коллекторный узел, который в генераторах служит для выпрямления переменного напряжения, наводимого в секциях обмотки якоря.

На статоре машины постоянного тока (МПТ) всегда имеются явно выраженные полюса в отличие от машин переменного тока, где полюса выражены неявно. Статор и ротор являются элементами магнитопровода, по которым замыкается магнитный поток.

Конструктивно статор представляет собой металлический корпус цилиндрической формы, на внутренней поверхности которого крепятся магнитные полюса и другие детали. На магнитных полюсах МПТ помещается обмотка возбуждения(ОВ), секции которой располагаются таким образом, чтобы магнитные полюса чередовались (N–S–N–S…N–S).

Якорь набирают в виде пакета цилиндрических по форме листов электротехнической стали, имеющих на внешней поверхности пазы для обмотки. Пакет якоря стягивают изолированными от листов болтами и закрепляют на стальном валу, который вращается, опираясь на шарикоподшипники переднего и заднего щитов машины.

Коллектор представляет собой набор медных, изолированных друг от друга и вала машины пластин, набранных в виде боковой поверхности цилиндра. Коллектор крепится вместе с якорем на валу. По касательной к его боковой поверхности скользят неподвижные щетки(графитовые или медно-графитовые).

ЭМ постоянного тока делятся на две основные группы:

— электрические генераторы — преобразуют механическую энергию в электрическую;

— электрические двигатели — преобразуют электрическую энергию в механическую.

МПТ обладает свойством обратимости, т.е. без изменения конструкции она может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя.