Электрические машины постоянного тока

-это машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного тока обратима.

Если приложить к проводнику, помещенному в магнитное поле движущую силу F, то он начнет перемещаться перпендикулярно силовым линиям поля. В результате этого в нем будет индуцироваться (наводиться) ЭДС Е, направление которой определяется по правилу правой руки. Величина ЭДС определяется по формуле: Е=В·V·l, где В- магнитная индукция(Тл); V- скорость перемещения проводника L-активная длина проводника. Рассмотрим закон электромагнитной индукции для генератора

Если к проводнику, помещенному в магнитное поле, подвести напряжение от источника постоянного тока, то по нему потечет электрический ток и в результате взаимодействия тока с магнитным полем на проводнике появится электромагнитная сила Fэм, Под действием этой силы проводник начнет перемещаться в магнитном поле и в нем будет индуцироваться ЭДС, направление которой будет противоположно приложенному к проводнику напряжению. Рассмотрим закон электромагнитной индукции для двигателя.двигателя

Упрощенная модель генератора постоянного тока В двух продольных пазах сердечника якоря расположена обмотка в виде одного витка, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением R. Между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть машины – якорь, вал которого вращается приводным двигателем.

При вращении якоря в витке будет наводиться переменная ЭДС. E=B·V·l·cos a, где a - угол поворота витка относительно геометрической нейтрали (линии разделяющей зоны полюсов разной полярности) Если бы не было коллектора и щеток, то ток во внешней цепи тоже был бы переменным, но посредством коллектора он преобразуется в пульсирующий, так как в момент, когда ток в пазовых сторонах витка меняет свое направление, при переходе их из зоны полюса одной полярности в зону полюса другой полярности, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Для получения постоянного тока во внешней цепи необходимо увеличить количество витков в обмотке якоря и равномерно распределить их по поверхности сердечника и соответственно увеличить количество коллекторных пластин. Следовательно, назначение коллектора в генераторе – преобразовывать переменную ЭДС, индуцированную в обмотке якоря, в постоянную на выводах генератора.

Рассмотрим принцип действия коллекторного двигателя постоянного тока на той же упрощенной модели. Если подвести к щеткам машины напряжение U от источника постоянного тока, то по обмотке якоря потечет ток I. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем на пазовых сторонах витка появятся электромагнитные силы Fэм, которые создадут на якоре электромагнитный момент М, под действием которого якорь начнет вращаться. Коллектор и щетки в двигателе изменяют направление тока в витке обмотки якоря при переходе его пазовых сторон из зоны полюса одной полярности в зону полюса другой полярности. Это необходимо, чтобы направление электромагнитных сил не менялось. Одновитковая модель не обеспечивает равномерного вращения. Для обеспечения устойчивого вращения якоря необходимо увеличить количество витков в обмотке якоря и равномерно распределить их по поверхности сердечника и соответственно увеличить количество коллекторных пластин.

Рассмотрим устройство коллекторной машины постоянного тока 1 – вал якоря; 2 – передний подшипниковый щит; 3 – коллектор; 4 – щеточный аппарат; 5 – якорь; 6 – главный полюс; 7 – катушка возбуждения; 8 – станина; 9 – задний подшипниковый щит; 10 – вентилятор; 11 – бандажи; 12 – лапы; 13 – подшипник. Машина постоянного тока состоит следующих основных частей: неподвижной части – статора; вращающейся части – якоря; двух подшипниковых щитов, на которые опирается вал якоря и щеточного аппарата.

Рассмотрим строение статора. Главные полюса предназначены для создания основного магнитного потока и состоят из шихтованного сердечника (2) и катушки возбуждения (3). Шихтованный сердечник необходим для ослабления вихревых токов. Нижнюю, более широкую, часть сердечника полюса называют полюсным наконечником. На машинах постоянного тока полюсные катушки делают бескаркасными – намоткой медного провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку.

Якорь состоит из: - коллектора - сердечника якоря - обмотки якоря - предназначен для преобразования переменной ЭДС в постоянную - в генераторе и постоянный ток в переменный - в двигателе. Основными элементами коллектора являются медные коллекторные пластины, собранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндрическую форму. Нижняя часть коллекторных пластин (6) имеет форму «ласточкина хвоста». После сборки коллектора эти части пластин оказываются зажатыми между стальными шайбами (1) и (3). Конусные шайбы стянуты винтами (2). Коллекторные пластины изолированы друг от друга и от стальных шайб миканитовыми прокладками (4). Верхняя часть коллекторных пластин (5), называемая петушком, имеет узкий продольный паз, в который закладывают проводники обмотки якоря и припаивают.

В машинах малой мощности часто применяют коллекторы на пластмассе, отличающиеся простотой в изготовлении. Набор медных и миканитовых пластин в таком коллекторе удерживается пластмассой (2), запрессованной в пространство между набором пластин (1) и стальной втулкой (4). Для увеличения прочности коллектора пластмассу (2) армируют стальными кольцами (3).

Сердечник якоря Сердечник якоря является частью магнитной цепи и выполняется из отдельных листов электротехнической стали. Листы покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Такая конструкция сердечника позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Пазы закрывают клиньями из текстолита или гетинакса.

Обмотка якоря Обмотка якоря состоит из секций (катушек), намотанных из медного провода круглого или прямоугольного сечения, и специальным образом уложенных в пазы сердечника якоря. Пазы затем закрывают текстолитовыми или гетинаксовыми клиньями. Концы секций припаяны к петушкам коллектора. Лобовые части секций крепятся бандажами 11 к сердечнику якоря. Бандажи делают из стальной проволоки, стальных полос или стеклоленты.

Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток, установленных в щеткодержателях. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой медными шинами, подключенными к выводам машины. Количество щеточных комплектов соответствует числу главных полюсов. Щетки располагают на коллекторе по оси главных полюсов.

При работе МПТ в режиме х.х. ток в обмотке якоря практически отсутствует, в машине действует только магнитодвижущая сила обмотки возбуждения. Магнитное поле при этом симметрично относительно оси главных полюсов. Если машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток, который создаст в магнитной системе машины магнитодвижущая сила якоря Fа. Магнитное поле, созданное этой МДС, будет направлено перпендикулярно оси главных полюсов. Реакция якоря МПТ

При работе машины под нагрузкой в ней одновременно действуют две МДС(магнитодвижущие силы): - МДС обмотки возбуждения Fв 0, - МДС обмотки якоря Fа. Влияние МДС обмотки якоря на основное магнитное поле машины называется реакцией якоря.МДС Реакция якоря искажает м.п. машины, делая его несимметричным относительно оси полюсов. С увеличением нагрузки на машину ток в якоре растет, следовательно растет магнитное поле, создаваемое обмоткой якоря и растет влияние реакции якоря на работу машины. Реакция якоря МПТ

Устранение вредного влияния реакции якоря Таким образом, обеспечивается автоматичность компенсации реакции якоря при любой нагрузке. Компенсационные обмотки применяют в машинах средней и большой мощности, работающих при U>440 В и в машинах, работающих с резкими колебаниями нагрузки, так как эта обмотка усложняет и удорожает машину. а) Компенсационная обмотка Ее укладывают в пазы полюсных наконечников главных полюсов и включают последовательно с обмоткой якоря, так чтобы МДС компенсационной обмотки Fк была такой же по величине, как МДС обмотки якоря, но противоположной по направлению.МДС

б) Увеличение воздушного зазора Применяют для машин малой и средней мощности. Увеличение зазора между сердечниками главных полюсов и сердечником якоря ведет к необходимости увеличения МДС обмотки возбуждения за счет увеличения числа витков полюсных катушек. В результате габариты машины увеличиваются. Кроме того, этот способ только уменьшает вредное влияние реакции якоря, полностью его не компенсируя.МДС в) Применение анизотропной стали Сердечники главных полюсов делают из анизотропной электротехнической стали, которая вдоль проката обладает низким магнитным сопротивлением, а поперек проката – высоким магнитным сопротивлением. Пластины полюсов штампуют так, чтобы направление проката совпадало с осью полюсов. Это приводит к уменьшению МДС обмотки якоря Fа за счет повышенного магнитного сопротивления на пути ее действия.МДС Этот способ только ослабляет реакцию якоря, но полностью ее не устраняет.

Способы возбуждения машины постоянного тока Цепь возбуждения и цепь якоря по отношению к сети могут быть включены независимо одна от другой, параллельно и последовательно. В соответствии с этим различают генераторы и двигатели независимого, параллельного, последовательного, смешанного и возбуждения постоянными магнитами. В машинах независимого возбуждения цепь возбуждения включают на напряжение постороннего источника. В машинах малой мощности (до 500 Вт) поток возбуждения может создаваться постоянными магнитами.

В машинах параллельного возбуждения обмотку возбуждения включают параллельно цепи обмотки якоря. В этом случае обмотка возбуждения выполняется из большого числа витков тонкого провода. Ток возбуждения составляет (1…5)% от номинального тока якоря. Параллельное возбуждение

В машинах последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединена с якорем последовательно, поэтому она рассчитана на полный ток якоря. Число витков катушек возбуждения невелико, их выполняют из провода большого сечения. Последовательное возбуждение

В машинах смешанного возбуждения на основных полюсах имеется по две катушки: одна принадлежит параллельной обмотке возбуждения, другая - последовательной. Схема возбуждения магнитного поля машины определяет особенности ее работы. Машины смешанного возбуждения