Устройство коллекторной машины постоянного тока

В настоящее время электромашиностроительные заводы изго­товляют электрические машины постоянного тока, предназначен­ные для работы в самых различных отраслях промышленности, поэтому отдельные узлы этих машин могут иметь разную конст­рукцию, но общая конструктивная схема машин одинакова. Не­подвижная часть машины постоянного тока называется статором,

Рис. 24.4. Устройство машины постоянного тока

вращающаяся часть — якорем (рис. 24.4).

Статор. Состоит из станины 6 и главных полюсов 4. Ста­нина 6 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, за исключе­нием машин с весьма большим наружным диаметром, у которых станину делают разъемной, что облегчает транспортировку и мон­таж машины.

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердеч­ника 6 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 из листовой конструкционной стали толщиной 1—2 мм или из тон­колистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали, например марки 3411. Штампованные пластины главных полюсов специально не изолируют, так как тонкая пленка окисла на их поверхности достаточна для значительного ослабления вих­ревых токов, наведенных в полюсных наконечниках пульсациями магнитного потока, вызванного зубчатостью сердечника якоря. Анизотропная сталь обладает повышенной магнитной проницае­мостью вдоль проката, что должно учитываться при штамповке пластин и их сборке в пакет. Пониженная магнитная проницае­мость поперек проката способствует ослаблению реакции якоря (см. § 26.2) и уменьшению потока рассеяния главных и добавоч­ных полюсов (см. § 26.1).

В машинах постоянного тока небольшой мощности полюсные катушки делают бескаркасными — намоткой медного обмоточно­го провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку (рис. 24.5, а). В боль­шинстве машин (мощностью 1 кВт и более) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник полюса (рис. 24.5, б). В некоторых конструкциях машин полюсную ка­тушку для более интенсивного охлаждения разделяют по высоте на части, между которыми оставляют вентиляционные каналы.

Якорь. Якорь машины постоянного тока (рис. 24.4) состоит из вала 10, сердечника 3 с обмоткой и коллектора 7. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штам­пованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Лис­ты покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. 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.

Обмотку выполняют медным проводом круглого или пря­моугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клиньями, а накладывают на поверхность якоря бандаж. Бандаж делают из проволоки или стеклоленты с предварительным натягом. Лобовые части 9 обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом.

Рис. 24.5. Главные полюсы с бескаркасной (а) и каркасной (б) по­люсными катушками:

1 — станина, 2 — сердечник полюса, 3 — полюсная катушка

Коллектор 1 является одним из сложных узлов машины постоянного тока. Основными элементами коллектора являются пластины трапецеидального сечения из твердотянутой меди, соб­ранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндриче­скую форму. В зависимости от способа закрепления коллекторных пластин различают два основных типа коллекторов: со стальными конусными шайбами и на пластмассе. На рис. 24.6, а показано устройство коллектора со стальными 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 манжетами 4. Конусные шайбы стянуты винтами 2. Между медными пластинами расположены миканитовые изоляционные прокладки. В процессе работы машины рабочая поверхность коллектора постепенно истирается щет­ками. Чтобы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью коллектора, что вызвало бы вибрацию щеток и нарушение работы машины, между коллекторными пласти­нами фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рис. 24.6, б). Верхняя часть 5 коллекторных пластин (см. рис. 24.6, а), называе­мая петушком, имеет узкий продольный паз, в который заклады­вают проводники обмотки якоря и тщательно припаивают.

Рис. 24.6 Устройство коллектора с конусными шайбами

В машинах постоянного тока малой мощности часто приме­няют коллекторы на пластмассе, отличающиеся простотой в из­готовлении. Набор медных и миканитовых пластин в таком кол­лекторе удерживается пластмассой, запрессованной в пространст­во между набором пластин и стальной втулкой 4 и образующей корпус коллектора. Иногда с целью увеличения прочности коллек­тора эту пластмассу 2 армируют стальными кольцами 3 (рис. 24.7). В этом случае миканитовые прокладки должны иметь размеры большие, чем у медных пластин 1, что исключит замыкание пла­стин стальными (армирующими) кольцами 3.

Электрический контакт с коллектором осуществляется по­средством щеток, располагаемых в щеткодержателях 4 (см. рис. 24.4).

Щеткодержатель (рис. 24.8) состоит из обоймы 4, в которую помещают щетку 3, курка 1, представляющего собой откидную деталь, передающую давление пружины 2 на щетку. Щеткодержа­тель крепят на пальце зажимом 5. Щетка снабжается гибким тро­сиком 6 для включения ее в электрическую цепь машины. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сбор­ными шинами, подключенными к выводам машины. Одно из ос­новных условий бесперебойной работы машины — плотный и на­дежный контакт между щеткой и коллектором. Давление на щетку должно быть отрегулировано, так как чрезмерный нажим может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный нажим — искрение на коллекторе.

Рис. 24.7. Устройство коллектора на пластмассе

Рис. 24.8. Щеткодержатель (сдвоенный)

машины постоянного тока

Помимо указанных частей машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний 12 (со стороны коллектора) и задний 7 (см. рис. 24.4). В центральной части щита имеется рас­точка под подшипник. На переднем подшипниковом щите име­ется смотровое окно (люк) с крышкой, через которое можно осмотреть коллектор и щетки, не разбирая машины. Концы обмоток выведены на зажимы коробки выводов. Вентилятор 8 служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.

Из рассмотрения принципа действия и устройства коллектор­ной машины постоянного тока следует, что непременным элемен­том этой машины, включенным между обмоткой якоря и внешней сетью, является щеточно-коллекторный узел — механический преобразователь рода тока. Таким образом, коллекторные машины сложнее бесколлекторных машин переменного тока (асинхронной и синхронной) и, следовательно, уступают им (особенно асин­хронной машине) в надежности и имеют более высокую стои­мость.

1. Каково назначение коллектора в генераторе и двигателе?

2. Почему станину машины делают из стали?

3. Каково назначение конусных шайб в коллекторе?

4. Зачем в коллекторе на пластмассе применяют армирующие кольца?

Устройство коллекторной машины постоянного тока

В настоящее время электромашиностроительные заводы изго­товляют электрические машины постоянного тока, предназначен­ные для работы в самых различных отраслях промышленности. Поэтому отдельные узлы этих машин могут иметь разную конструк­цию, но общая конструктивная схема машин одинакова.

Неподвижная часть машины постоянного тока называется ста­тором, вращающаяся часть — якорем (рис. 24.4).

Статор. Состоит из станины 1, главных 3 и добавочных 2 полю­сов. Станина 1 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 для крепления машины к фундаментной плите, а по ок­ружности станины расположены отверстия для крепления главных 3 и добавочных 2 полюсов. Обычно станину делают либо цельной из стальной трубы, либо сварной из листовой стали, за исключени­ем машин с весьма большим наружным диаметром, у которых ста­нину делают разъемной, что облегчает транспортировку и монтаж машины.

Главные полюса предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердеч­ника 3 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 из листовой конструкционной стали толщиной 1—2 мм или из тонко­листовой электротехнической анизотропной (холоднокатаной) ста­ли, например марки 3411. Штампованные пластины главных полю­сов специально не изолируют, так как тонкая пленка окисла на их поверхности достаточна для значительного ослабления вихревых токов, наведенных в полюсных наконечниках пульсациями магнит­ного потока, вызванного зубчатостью сердечника якоря. Анизо­тропная сталь обладает повышенной магнитной проницаемостью вдоль проката, что должно учитываться при штамповке пластин и их сборке в пакет. Пониженная магнитная проницаемость поперек проката способствует ослаблению реакции якоря (см. § 26.2) и уменьшению потока рассеяния главных и добавочных полюсов (см. §26.1).

Полюса крепят к станине болтами. Полюсные катушки выполня­ют обычно из медного провода, намотанного на каркас из изоли­рующего материала. Иногда катушку (для более интенсивного охлаждения) делят по высоте на части, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Рис. 24.4 Устройство машины постоянного тока типа П92 (75 кВт,220 В,1500 об/мин).

Добавочные полюса 2 применяют в машинах мощностью свыше 1 кВт с целью уменьшения искрения на коллекторе (см. § 27.5). Добавочный полюс состоит из сердечника и катушки, вы­полненной медным проводом, сечение которого рассчитано на рабо­чий ток машины, так как катушки добавочных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря. Добавочные полюса располага­ют между главными полюсами и крепят к станине болтами.

Якорь. Якорь машины постоянного тока состоит из вала 11, сердечника 4, обмотки 6 и коллектора 17. Сердечник яко­ря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампован­ных пластин тонколистовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы покрывают с двух сторон изоляционным лаком, сушат, а затем собирают в пакет, который насаживают на вал яко­ря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его пе-ремагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверх­ности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые ук­ладывают обмотку якоря. Для лучшего охлаждения машины в сер­дечнике якоря делают аксиальные или радиальные вентиляционные каналы.

Обмотку якоря 6 выполняют медным проводом круглого или прямоугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их про­водами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клинь­ями, а накладывают на поверхность якоря бандаж. Бандаж делают из проволоки или стеклоленты с предварительным натягом. Лобо­вые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом.

Коллектор является одним из сложных узлов машины по­стоянного тока. Основными элементами коллектора являются плас­тины трапецеидального сечения из твердотянутой меди, собранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндрическую форму. В зависимости от способа закрепления коллекторных пластин раз­личают следующие основные типы коллекторов: со стальными кор­пусами, на пластмассе и со стальными кольцами. Последний тип коллектора применяют лишь в быстроходных машинах, когда кол­лекторные пластины при вращении якоря испытывают весьма боль­шие центробежные силы.

В рассматриваемой машине постоянного тока применен коллек­тор 17 со стальным корпусом. Такие коллекторы получили наи­большее применение в машинах постоянного тока общепромышлен­ного применения. Более подробно устройство коллектора со сталь­ным корпусом показано на рис. 24.5. Коллектор состоит из пластин твердотянутой меди 4, разделенных прокладками 8 из специального коллекторного миканита. Набор коллекторных пластин изолирован от стального корпуса двумя миканитовыми манжетами 3 и миканитовым цилиндром 5, надетым на стальную втулку 6. Конусные кольца 1 и 7 стянуты гайкой 2 таким образом, что они, упираясь в нижнюю часть пластин («ласточкин хвост»), сжимают их. При этом пластины прижимаются друг к другу и между ними создается боко­вое давление, называемое арочным распором. Поэтому кол­лекторы со стальным корпусом называют коллекторами арочного типа. Для предотвращения самоотвинчивания гайки 2 ее снабжают стопорным винтом 9.

Рис. 24.5. Коллектор со стальным корпусом

Следует обратить внимание, что коллекторные пластины не ка­саются миканитового цилиндра 5, а удерживаются в стальном кор­пусе исключительно силами арочного распора. Верхняя часть плас­тины, называемая петушком, имеет узкий продольный паз, в кото­рый закладывают проводники обмотки якоря и тщательно припаи­вают.

Чтобы миканитовые прокладки 8 при срабатывании медных пластин не выступали над рабочей поверхностью этих пластин, что вызвало бы разрушение щеток и нарушение работы машины, меж­ду пластинами 4 коллектора фрезеруют пазы (дорожки) на глуби­ну до 1,5 мм.

В машинах постоянного тока малой мощности часто применяют коллекторы на пластмассе, отличающиеся простотой в изготовле­нии. Набор медных и миканитовых пластин в таком коллекторе удерживается пластмассой, запрессованной в пространство между набором пластин и стальной втулкой и образующей корпус коллек­тора. Иногда с целью увеличения прочности коллектора эту пласт­массу 2 армируют стальными кольцами 3 (рис. 24.6). В этом случае миканитовые прокладки должны иметь размеры большие, чем у медных пластин 1, что исключит замыкание пластин стальными (ар­мирующими) кольцами 3 (4 — стальная втулка).

Щеточное устройство машины. Состоит из щеточной траверсы 14 (см. рис. 24.4), пальцев (бракетов) 15 и щеткодержателей. Ще­точную траверсу обычно крепят к подшипниковому щиту. Пальцы, число которых равно числу главных полюсов, изолированы от тра­версы. На каждый палец устанавливают комплект щеткодержате­лей. Щеткодержатель (рис. 24.7) состоит из обоймы 4, в которую помещают щетку 3, курка 1, представляющего собой откидную де­таль, передающую давление пружины 2 на щетку. Щеткодержатель крепят на пальце зажимом 5. Щетка снабжается гибким тросиком 6 для включения ее в электрическую цепь машины. Все щеткодер­жатели одной полярности соединены между собой сборными ши­нами, подключенными к выводам машины. Одно из основных усло­вий бесперебойной работы машины — плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором. Давление на щетку должно быть отрегулировано, так как чрезмерный нажим может

вызвать прежде­временный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный нажим — искрение на коллекторе.

Помимо указанных частей машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний 16 (со стороны коллектора) и зад­ний 8 (см. рис. 24.4). В центральной части щита имеется расточка под подшипник 9. На переднем подшипниковом щите имеется смотровое окно (люк) с крышкой 12, через которое можно осмот­реть коллектор и щетки, не разбирая машины. Концы обмоток вы­ведены на клеммы коробки выводов 13. Вентилятор 7 служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку 10.