Электрические машины: машины постоянного тока

Подождите немного. Документ загружается.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра «Электропривод и АПУ»

Краткий курс для студентов

заочной формы обучения

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Могилев 2008

1 Назначение, конструкция и принцип действия машин

постоянного тока

1.1 Назначение

Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и

генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировоч-

ные свойства, значительную перегрузочную способность. Их широко исполь-

зуют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные

станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, те-

пловозы, электропоезда, электромобили). Кроме того, электропромышленность

выпускает ряд двигателей постоянного тока

специального исполнения — для

электротяги, экскаваторов, металлургического оборудования, шахтных подъ-

емников, буровых установок, морских и речных судов и других приводов мощ-

ностью от нескольких сотен до нескольких тысяч киловатт. Двигатели неболь-

шой мощности применяют во многих системах автоматики. Генераторы посто-

янного тока используются для питания электролизных и гальванических ванн,

для электроснабжения

различных электрических потребителей на автомобилях,

самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.

Недостатком машин постоянного тока является наличие щеточно-

коллекторного аппарата, который требует тщательного ухода при эксплуатации

и снижает надежность работы машины. Поэтому в последнее время генераторы

постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводнико-

выми преобразователями, а на транспорте — синхронными генераторами

, рабо-

тающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

1 – обмотка возбуждения; 2 – главные полюсы; 3 – якорь; 4 – обмотка якоря; 5 – щетки; 6 – корпус

(станина)

Рисунок 1 – Электромагнитная схема двухполюсной машины постоянного тока (а) и

эквивалентная схема ее обмотки якоря (б)

1.2 Принцип действия

Машина постоянного тока (рисунок 1) имеет обмотку возбужде-

ния 1

, расположенную на полюсах статора 2. По этой обмотке проходит

постоянный ток

возбуждения, который создает магнитное поле возбуж-

дения Φ

. На якоре 3 расположена обмотка якоря 4, в которой при враще-

нии якоря

индуцируется ЭДС. При заданном направлении вращения якоря

направление

ЭДС, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того,

под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, рас-

положенных под одним

полюсом, направление ЭДС одинаковое и сохраняется

таким независимо от частоты

вращения. При вращении якоря в секции наво-

дится переменная

ЭДС.

Коллектор служит для выпрямления наведенной

ЭДС, поэтому на

щетках 5 получается ЭДС одного направления. Так, в по-

ложении

якоря, указанном на рисунке 1, щетка А примыкает к стороне секции,

в которой ЭДС направлена к коллекторной

пластине, поэтому полярность щет-

ки А будет

положительной (

+). Полярность щетки Б будет отрицательной (-).

Пульсации тока во внешней цепи уменьшаются при увеличении числа пластин

коллектора.

1.3 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 оди

накова. Неподвижная часть машины постоянного тока называется

статором,

вращающаяся

часть –

якорем (рисунок 2).

1 – коллектор; 2 – щетки; 3 – сердечник якоря; 4 – сердечник полюса; 5 – катушка возбуждения;

6 – станина; 7, 12 – подшипниковые щиты; 8 – вентилятор; 9 – обмотка якоря; 10 – вал; 11 – лапы

Рисунок 2 – Устройство машины постоянного тока

Статор. Состоит из станины 6 и главных полюсов 4. Станина 6

служит для крепления полюсов и

подшипниковых щитов 7 и 12 и является

частью

магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток маши-

ны. Станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной ме-

ханической прочностью и большой магнитной

проницаемостью. В нижней час-

ти 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 наруж-

ным

диаметром, у которых станину делают разъемной, что облегчает транспор-

тировку и монтаж

машины.

Главные полюсы (рисунок 3) предназначены для создания в машине

магнитного поля

возбуждения.

а) б)

1 – станина; 2 – сердечник полюса; 3 – полюсная катушка

Рисунок 3 – Устройство главных полюсов с бескаркасной (а) и каркасной (б) полюс-

ными катушками

Главный полюс состоит из сердечника 2, на который надевается по-

люсная катушка

3. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса

имеет полюсный

наконечник, который обеспечивает необходимое распределе-

ние магнитной индукции в зазоре

машины. Сердечники главных полюсов де-

лают шихтованными из листовой конструкционной стали

толщиной 1—2 мм

или из тонколистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной

ста-

ли, например марки 3411. Полюсы крепят к станине болтами; резьбу для болтов

нарезают непосредственно в шихтованном

сердечнике.

Полюсные катушки в машинах постоянного тока небольшой мощно-

сти делают

бескаркасными — намоткой медного обмоточного провода непо-

средственно на сердечник

полюса, предварительно наложив на него изоляци-

онную

прокладку (рисунок 4).

1 – главный полюс; 2 – катушка обмотки возбуждения; 3 – опорный угольник; 4 – добавочный полюс;

5 – катушка обмотки добавочных полюсов

Рисунок 4 – Устройство катушек главных (а) и добавочных (б) полюсов

В большинстве машин (мощностью 1 кВт и более) полюсную катушку

делают

каркасной: обмоточный провод наматывают на

каркас (обычно пласт-

массовый), а затем надевают на сердечник полюса. В некоторых конструкциях

машин полюсную катушку для более интенсивного охлаждения разделяют по

высоте на

части, между которыми оставляют

вентиляционные каналы.

Якорь. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается

из штампованных пластин тонколистовой электротехнической

стали (рису-

нок 5). Листы покрывают изоляционным лаком, оксидируют или фосфатируют

и собирают в

пакет. Готовый сердечник напрессовывают на

вал якоря. На по-

верхности сердечника якоря имеются продольные

пазы, в которые укладывают

обмотку

якоря.

1, 3 – нажимные шайбы; 2 – выточки для наложения бандажа; 4 – место на валу для запрессовки

коллектора; 5 – изоляционная пленка; 6 – стальной лист

Рисунок 5 – Устройство сердечника якоря (а) и его сборка (б)

Обмотку якоря изготовляют из провода круглого или прямоугольного сече-

ния; обычно она состоит из отдельных, заранее намотанных,

якорных катушек

(рисунок 6), которые обматывают

изоляционными лентами и укладывают в

пазы. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают

клиньями (текстолитовыми, гетинаксовыми или стеклотекстолитовыми).

1 – якорные катушки; 2 – сердечник якоря; 3 – коллектор; 4, 5 – верхняя и нижняя стороны якорной катушки

Рисунок 6 – Устройство якорных катушек (а) и расположение их в пазах (б)

Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы кото-

рых припаивают к соответствующим коллекторным

пластинам; секции могут

быть

одно- и многовитковыми.

Коллектор. Обычно коллектор выполняют в виде цилиндра (рисунок 7),

собранного из клинообразных

медных пластин.

Нижняя часть коллекторных пластин

6 имеет форму «ласточкиного хво-

ста». После сборки коллектора эти части пластин оказываются зажатыми меж-

ду стальными шайбами

1 и 3.

а) б) в)

1, 3 – стальные шайбы; 2 - винт; 4 – изолирующие прокладки (миканитовые манжеты); 5 - петушки;

6 - коллекторные пластины; 7 – пластмасса; 8 – стальные кольца

Рисунок 7 – Устройство коллектора с конусными шайбами:

Между коллекторными пластинами располагают

изоляционные про-

кладки 4 (рисунок 7, б) из слюды или миканита. Секции обмотки якоря впаи-

вают в

прорези, имеющиеся в выступающей части коллекторных пластин (в пе-

тушках). Чтобы миканитовые прокладки при срабатывании коллектора не вы-

ступали над пластинами и не вызывали вибрации

щеток, их профрезеровывают

на 0,8 – 1,5 мм ниже поверхности коллектора (рисунок 7, б).

В машинах малой и средней мощности широко применяют

коллекторы, в

которых медные пластины и миканитовые прокладки запрессованы в

пластмас-

су (рисунок 7, в). Такие коллекторы отличаются простотой в изготовлении. На-

бор медных и миканитовых пластин удерживается пластмассой

7, которая ар-

мирована стальными кольцами

8. Поверхность собранного коллектора обтачи-

вается и тщательно

шлифуется.

Щеточный аппарат. По цилиндрической части коллектора скользят

щетки, установленные в щеткодержателях. Щетки представляют собой

прямоугольные

бруски, изготовленные путем прессовки и термической обра-

ботки из порошков

графита, кокса и других компонентов. Они предназначены

для соединения коллектора с внешней цепью и прижимаются к поверхности

коллектора

пружинами 3 (рисунок 8, а).

При вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение относи-

тельно полюсов

машины. Щеткодержатели укрепляют на щеточных пальцах и

изолируют от

них.

Щеточные пальцы, в свою очередь, крепят либо к под-

шипниковому

щиту, либо к

траверсе, которая позволяет при необходимости

поворачивать всю систему щеток относительно полюсов

машины. В машинах

малой мощности часто применяют трубчатые

щеткодержатели (рисунок 8, б),

устанавливаемые непосредственно в подшипниковом

щите.

1 – щетка; 2 – обойма; 3 – пружина; 4 – зажимы для крепления к щеточному пальцу; 5 – щеточный ка-

натик; 6 – нажимный палец; 7 – колпак; 8 – изоляционная втулка; 9 – подшипниковый щит; 10 – зажим для вы-

водного проводника

Рисунок 8 – Устройство щеткодержателей машин средней (а) и малой (б) мощностей

1 – щетка; 2 – щеточный канатик; 3 – кабельный наконечник

Рисунок 9 – Устройство щеток машин малой (а) и большой (б) мощностей

В зависимости от состава, способа изготовления и физических свойств

щетки делят на шесть основных

групп: угольно-графитовые, графитовые, элек-

трографитированные, медно-графитовые, бронзографитовые и серебряно-

графитовые. Для каждой машины следует применять щетки только установлен-

ной

марки, которая выбирается заводом-изготовителем исходя из условий ра-

боты

машины.

Таблица 1 – Рекомендации по выбору щеток

Группа щеток, обозначение

Переходное падение

напряжения на пару

щеток при

номиналь-

ном

токе, В

Номинальная плотность

тока, А/мм

Область применения

Графитовые Г.611М

Электрографитированные ЭГ

Угольно-графитовые УГ; Т

Медно-графитовые М, МГ

1,9–2,0

2,0–2,7

2,0

0,2–1,5

0,11–0,12

0,10–0,15

0,06–0,07

0,15–0,20

Для машин с облег-

ченными

условия-

ми коммутации

То

же, со средними

и затрудненными

условиями

комму-

тации и для

кон-

тактных колец

То

же, со средними

условиями

комму-

тации

Для низковольтных

(до 48 В) машин и

контактных колец

2 ЭДС и электромагнитный момент

2.1 ЭДС машины постоянного тока

Рассмотрим процесс индуцирования электродвижущей силы (ЭДС) в об-

мотке

якоря, выполненной в виде многофазной обмотки (рисунок 10, б). Об-

мотка состоит из большого числа витков, подключенных к пластинам коллек-

тора

так, что между каждой парой смежных коллекторных пластин включен

один или несколько

витков. При вращении якоря в проводниках, лежащих под

полюсами

N и S, индуцируются ЭДС противоположного направления. В про-

водниках, расположенных на геометрической нейтрали

О – О (оси симметрии,

разделяющей

полюсы), ЭДС не наводится. Чтобы подать от обмотки якоря во

внешнюю цепь максимальное

напряжение, эту цепь нужно присоединить к

двум точкам обмотки

якоря, между которыми имеется наибольшая разность по-

тенциалов. Такими точками при холостом ходе машины являются точки

А и Б

(рисунок 10, б), расположенные на геометрической нейтрали, где и следует ус-

танавливать щетки

А и Б.

1 – обмотка якоря; 2 – коллектор

Рисунок 10 – Схема машины постоянного тока (а) и упрощенная схема ее обмотки

якоря (б)

При вращении якоря с постоянной скоростью между щетками

А и Б дей-

ствует постоянная по величине ЭДС

Е, равная сумме ЭДС, индуцированных во

всех последовательно соединенных витках обмотки

якоря, которые включены

между

щетками. При вращении якоря секции обмотки якоря меняются, к щет-

кам подходят новые выводы

обмотки, между которыми будет действовать ЭДС

Е, поэтому ЭДС во внешней цепи неизменна по величине и направлению.

Уменьшения пульсаций ЭДС

Е при переходе щеток с одной коллекторной пла-

стины на другую достигают путем установки большого числа коллекторных

пластин; число коллекторных пластин, приходящихся на одну параллельную

ветвь обмотки

якоря, должно быть не менее восьми.

Щетки

А и Б разделяют рассматриваемую обмотку на две параллельные

ветви, в каждой из которых индуцируется ЭДС

Е и проходят токи i

. При ра-

зомкнутой внешней цепи ток по обмотке не

проходит, так как ЭДС, индуциро-

ванные в двух ее

ветвях, направлены встречно и взаимно компенсируются.

Полная

компенсация, очевидно, происходит при строго симметричном выпол-

нении обмотки и равенстве магнитных потоков

полюсов; условие симметрии в

случае двухполюсной обмотки сводится к равномерному распределению про-

водников на внешней поверхности

якоря.

Мгновенное значение

ЭДС, индуцируемой в каждом активном проводнике,

e = Bx⋅vа⋅la, (1)

где

Вх – индукция в рассматриваемой точке воздушного зазора;

va – окружная скорость якоря;

la – длина проводника в магнитном поле.

Следовательно,

E =

∑

60a

nΦ = Ce⋅n⋅Φ, (2)

где

N – общее число активных проводников обмотки якоря; 2а – число

параллельных ветвей обмотки статора,

2а = 2;

– число активных проводни-

ков, входящих в одну параллельную ветвь;

p – число пар полюсов машины;

n – частота вращения якоря, об/мин; Се – конструктивная постоянная машины,

Се =

60a

; Φ – магнитный поток.

Формулу для ЭДС

Е можно представить в ином виде, если правую часть

выражения умножить и разделить на

2π, тогда

E = C⋅ω⋅Φ, (3)

2πn

где

ω – угловая скорость якоря, ω =

;

С – коэффициент, определяемый конструктивными параметрами ма-

шины и не зависящий от режима ее работы,

С =

2πa

Формулы

(2) и (3) определяют среднее значение ЭДС Е. Мгновенное ее

значение

находится (пульсирует) между величинами

mах

и Е

min

. На ЭДС ма-

шины также влияет положение

щеток: при нахождении щеток на геометриче-

ской нейтрали ЭДС

наибольшая; если же щетки сместить с нейтрали, то в па-

раллельных ветвях окажутся секции с противоположным направлением

ЭДС, в

результате ЭДС обмотки якоря будет

меньше.