Конструкция машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока широко применяются в различных отраслях промышленности.

Значительное распространение электродвигателей постоянного тока объясняется их ценными качествами: высокими пусковым, тормозным и перегрузочным моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно при реверсировании и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования частоты вращения.

Электродвигатели постоянного тока используют для регулируемых приводов, например, для приводов различных станков и механизмов. Мощности этих электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи с автоматизацией управления производственными процессами и механизмами расширяется область применения маломощных двигателей постоянного тока общего применения мощностью от единиц до сотен ватт.

Генераторы постоянного тока общего применения в настоящее время используются реже, чем электродвигатели, поскольку значительное распространение получают ионные и полупроводниковые преобразователи.

Электродвигатели и генераторы постоянного тока составляют значительную часть электрооборудования летательных аппаратов, Генераторы постоянного тока применяют в качестве источников питания; максимальная мощность их достигает 30 КВт. Электродвигатели летательных аппаратов используют для привода различных механизмов; мощность их имеет значительный диапазон — от долей до десятков киловатт. На самолетах, например, устанавливается более 200 различных электродвигателей постоянного тока. Двигатели постоянного тока широко используются в электрической тяге, в приводе подъемных устройств, для привода металлорежущих станков. Мощные двигатели постоянного тока применяются для привода прокатных станов и на судах для вращения гребных винтов. Постоянный ток для питания двигателей получается с помощью генераторов постоянного тока или выпрямительных установок, преобразующих переменный ток в постоянный.

Генераторы постоянного тока являются источником питания для промышленных установок, потребляющих постоянный ток низкого напряжения (электролизные и гальванические установки).

Питание обмоток возбуждения мощных синхронных генераторов осуществляется во многих случаях от генераторов постоянного тока (возбудителей).

В зависимости от схемы питания обмотки возбуждения машины постоянного тока разделяются на несколько типов (с независимым, параллельным, последовательным и смешанным возбуждением).

10 стр., 4575 слов

Двигатель постоянного тока

... установившегося режима. Потери и КПД. дипломная работа [336,8 K], добавлен 04.07.2014 Источник [Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/diplomnaya/dvigateli-postoyannogo-toka-2/ Двигатели постоянного тока Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока. Особенность применения электродвигателей электрического стрежня. Анализ крупных моторов ...

Выпуск машин постоянного тока значительно меньше выпуска машин переменного тока, что обусловлено дороговизной двигателей постоянного тока.

Основные элементы конструкции МПТ

В машинах постоянного тока насажанный на вал роторный сердечник вместе с заложенной в его пазах якорной обмоткой обычно называется якорем. Якорь машины постоянного тока вращается в магнитном поле, создаваемом обмотками возбуждения 1, надетыми на неподвижные полюсы 2 (рис 1).

По проводникам 6 нагруженной якорной обмотки проходит ток. В результате взаимодействия полей обмоток возбуждения и якорной создается электромагнитный момент, возникновение которого можно также объяснить взаимодействием тока якорной обмотки с магнитным потоком машины.

Рис. 1 — Устройство машины постоянного тока: 1 — обмотка возбуждения; 2 — полюсы; 3 — ярмо; 4 — полюсный наконечник; 5 — якорь; 6 — проводники якорной обмотки; 7 — зубец якорного сердечника; 8 — воздушный зазор машины

Главные полюса

Из технологических соображений сердечник полюсов обычно набирается на шпильках из листов электротехнической стали толщиной 0,5-1 мм (рис. 2).

Одна сторона полюса прикрепляется к станине, часто при помощи болтов, другая — располагается вблизи якоря. Зазор между полюсом и якорным сердечником является рабочим воздушным зазором машины.

Рис. 2 — Полюс машины постоянного тока: 1 — полюсный сердечник; 2 — воздушный зазор; 3 — полюсный наконечник; 4 — обмотка возбуждения 5 — болт для крепления полюса; 6 — ярмо

Со стороны, обращенной к якорю, полюс заканчивается так называемым полюсным наконечником, форма и размер которого выбираются таким образом, чтобы способствовать лучшему распределению потока в воздушном зазоре. На полюсе размещается катушка обмотки возбуждения. Иногда в малых машинах полюсы не имеют обмотки возбуждения и выполняются из постоянных магнитов. Часть станины, по которой проходит постоянный магнитный поток, называется ярмом.

Основная часть потока Ф (см. рис. 1), создаваемого обмоткой возбуждения, идет через сердечник 2 северного полюса N, воздушный зазор 8, зубцы 7 и спинку якоря 5, после чего поток проходит аналогичный путь в обратной последовательности к южному соседнему полюсу S и через ярмо 3 возвращается к северному полюсу N. Поток Ф проходит замкнутый путь, который показан на рис. 1 линиями магнитной индукции. Полярность полюсов чередуется (северный, южный, северный и т.д.).

Рис. 3 — Кривые изменения магнитной индукции в пространстве и э.д.с. проводника якорной обмотки во времени: а — пространственное распределение индукции под полюсом; б — изменение э.д.с. проводника во времени; в — выпрямленное при помощи коллектора напряжение на щетках

На рис. 3, а представлено распределение магнитной индукции в воздушном зазоре двухполюсной машины в функции геометрического угла б. Начало координат и выбрано посередине между полюсами. В этой точке значение индукции равно нулю. По мере приближения к полюсному наконечнику индукция возрастает, сначала медленно (до точки а) у края полюсного наконечника, а затем резко. Под серединой полюсного наконечника в точке b индукция имеет наибольшее значение. Кривая распределения индукции располагается симметрично относительно оси полюса и в точке с, находящейся посередине между полюсами, проходит через нуль, затем индукция меняет знак. Кривая cde является зеркальным отображением относительно оси абсцисс кривой oabc. Области, в которых индукция имеет положительное и отрицательное значение, чередуются. В общем случае машина может иметь р пар полюсов. Тогда при полном обходе всего воздушного зазора разместится пространственных периодов изменения индукции, так как каждый период соответствует длине поверхности сердечника якоря, расположенной под двумя полюсами. Например, в четырехполюсной машине (р=2) имеются два пространственных периода (рис. 4).

7 стр., 3154 слов

Испытания электрических машин и трансформаторов

... термопары, термометры сопротивления или терморезисторы) устанавливают в электрическую машину только на время испытаний. Место установки - лобовые части обмотки или между отдельными листами активной стали на глубину ... для измерения температуры тех частей машины, где имеются переменные магнитные поля. Это связано с тем, что переменные магнитные поля наводят в ртути вихревые токи, которые нагревают ее и ...

В теории электрических машин, кроме угла бг, измеряемого в геометрических градусах, пользуются также понятием угла бэ, измеряемого в электрических градусах. Принимают, что каждому пространственному периоду изменения кривой распределения индукции соответствует электрический угол бэ=360 эл. град или 2р эл. рад. Поэтому

бэ=сбг(1)

например, на рис. 3 видно, что при числе пар полюсов р==2 имеем бэ=2бг.

Рис. 4 — Распределение потока в четырехполюсной машине: а — чередование полюсов; б — распределение индукции в воздушном зазоре

Якорь МПТ

При вращении ротора в проводниках якорной обмотки индуктируется э.д.с. Согласно закону электромагнитной индукции э.д.с. проводника

e=Bбlн,(2)

где Ва — нормальная составляющая индукции в точке, определяемой углом а, в которой в данный момент времени находится проводник, тл;

  • I — активная длина проводника, т.е. длина, в которой индуктируется э. д. с., м;
  • v — скорость перемещения проводника относительно потока, м/сек.

При работе машины длина l активного проводника сохраняется неизменной. Поэтому в случае равномерного вращения (v=const) имеем

e?Bб.(3)

Из выражения (3) следует, что при равномерном вращении якорной обмотки изменение э.д.с е проводника во времени (см. рис. 3, б) в соответствующем масштабе повторяет кривую распределения индукции в воздушном зазоре Вб, (см. рис. 3, а).

Анализируя кривую изменения э.д.с. во времени, видим, что в проводниках якорной обмотки индуктируется переменная э.д.с.

В двухполюсной машине за один оборот вращения в проводниках якорной обмотки индуктируется э.д.с., частота которой f=n/60 гц, где n- скорость вращения потока относительно проводника, вычисляемая в оборотах в минуту. Если машина имеет р пар полюсов, то за один оборот ротора под проводником пройдет р пространственных волн магнитного поля. Они наведут э.д.с., частота которой в р раз больше, т. е.

(4)

Выражение (4) определяет частоту э.д.с. многополюсной машины. Оно показывает, что частота э.д.с. пропорциональна числу полюсов машины и скорости ее вращения.

В системе единиц СИ скорость вращения w имеет размерность электрический радиан в секунду. Подставляя в (4) значение w, выраженное через механическую скорость вращения

(5)

Дополнительные (добавочные) полюса

Применение дополнительных или добавочных полюсов является главным средством улучшения коммутации машин постоянного тока, которые в зоне коммутации создают внешнее поле, компенсирующее реактивную ЭДС.

4 стр., 1817 слов

Принцип работы машин постоянного тока конструкция машин постоянного тока

... Рис. 1. Поперечный разрез машины постоянного тока с кольцевой обмоткой якоря Конструкция машин постоянного тока Ста-тор машины по-стоянного тока состоит из станины и прикрепленных к ней главных и дополнительных полюсов. Станину машин относительно небольшой мощности ...

Добавочные полюсы устанавливаются в зоне коммутации между главными полюсами. Обмотки добавочных полюсов соединяются последовательно с обмоткой якоря, поэтому МДС обмоток добавочных полюсов следит за изменением тока в якоре в установившихся и переходных процессах.

Чтобы скомпенсировать ер, необходимо в зоне коммутации скомпенсировать поле реакции якоря и создать поле, при вращении в котором в коммутируемой секции наведется ЭДС вращения, равная и противоположно направленная ер (тогда еВ + ер = 0), или получить еВ несколько большую ер. При этих условиях в машине будет прямолинейная или ускоренная коммутация.

Электродвижущая сила вращения определяется из формулы:

где ВК-индукция в зоне коммутации.

ВК ~ IЯ. Тогда .Индукция под добавочными полюсами меньше, чем под главными, и равна 0,50,25 Тл. Благодаря тому что ВК небольшая, магнитная цепь добавочных полюсов не насыщена, что обеспечивает линейную зависимость между еВ и током нагрузки. Следует иметь в виду, что и ер линейно зависит от тока нагрузки. Поэтому обеспечивается компенсация ер во всех режимах работы машины постоянного тока.

Добавочные полюсы должны иметь определенный порядок следования по отношению к главным полюсам. На рис. 5 показано расположение главных и добавочных полюсов в генераторном Г и двигательном Д режимах.

Рисунок 5 — Расположение добавочных полюсов

Все машины постоянного тока мощностью выше 1 кВт для обеспечения удовлетворительной коммутации выпускаются с добавочными полюсами.

В машинах небольшой мощности скомпенсировать реактивную ЭДС можно путем смещения щеток с геометрической нейтрали. Поперечная реакция якоря искажает поле в машине (рис. 5), и в зоне коммутации на геометрической нейтрали появляется поле. Если щетки оставить на геометрической нейтрали, то ЭДС вращения, наводимая от этого поля, будет совпадать с ер и в машине будет замедленная коммутация с неблагоприятными условиями, когда в коммутируемой секции реактивная ЭДС и ЭДС вращения складываются. Для того чтобы ер и еВ вычитались, надо щетки сдвинуть за физическую нейтраль, где поле меняет свой знак. В генераторном режиме щетки смещаются на одну-две коллекторные пластины по направлению вращения, а в двигательном режиме — против направления вращения. Этот способ улучшения коммутации имеет недостаток, связанный с тем, что ер компенсируется в одном режиме. Автоматической настройки при изменении нагрузки, которая есть в машинах с добавочными полюсами, при сдвиге щеток с нейтрали нет.

Коллектор

В машинах постоянного тока для выпрямления э.д.с. применяется коллектор, представляющий собой механический преобразователь, выпрямляющий переменный ток якорной обмотки в постоянный ток, проходящий через щетки во внешнюю цепь. Коллектор состоит из соединенных с витками обмотки якоря изолированных между собой пластин, которые, вращаясь вместе с обмоткой якоря, поочередно соприкасаются с неподвижными щетками, соединенными с внешней цепью. Одна из щеток всегда является положительной, другая — отрицательной.

Рис. 6 — Выпрямление э.д.с. при помощи коллектора: 1- медные пластины; 2 — виток обмотки якоря; 3 — щетки; 4 — внешняя электрическая цепь

9 стр., 4078 слов

Двигатели постоянного тока: пуск, регулирование скорости, тормозные режимы

... Если к щеткам подключить приемник, то в нем установится постоянный ток I. В режиме двигателя машина преобразует электрическую энергию в механическую: к якорю и к обмотке возбуждения машины одновременно подводится постоянный ток от источника. ...

Простейший коллектор имеет две изолированные между собой медные пластины, выполненные в форме полуколец (рис. 6), к которым присоединены концы витка якорной обмотки. Пластины коллектора соприкасаются с неподвижными контактными щетками, связанными с внешней электрической цепью. При работе машины пластины коллектора вращаются вместе с витками якорной обмотки. Щетки устанавливаются таким образом, чтобы в то же время, когда э.д.с. витка меняет знак на обратный, коллекторная пластина перемещалась от щетки одной полярности к щетке другой полярности. В результате этого на щетках возникает пульсирующее напряжение, постоянное по направлению (см. сплошную кривую 1 на рис. 3, в).

Рис. 7 — Устройство коллектора: 1 — корпус; 2 — стяжной болт, 3 — нажимное кольцо; 4 — изоляционная прокладка; 5 — «петушок» — часть коллекторной пластины, к которой припаивается конец секции обмотки; 6 — «ласточкин хвост» — часть коллекторной пластины, служащая для ее крепления; 7 — коллекторная пластина

Якорная обмотка состоит из большого числа секций, представляющих собой один или несколько последовательно соединенных витков. Конец каждой секции присоединяется к одной из изолированных коллекторных пластин, образующих коллектор (рис. 7).

По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация напряжения на щетках (рис. 8).

При двадцати коллекторных пластинах разница между максимальной и минимальной величиной напряжения, отнесенная к среднему значению, не превышает 0,65%.

Коллектор является сложным и дорогим устройством, требующим тщательного ухода. Его повреждения нередко служат причиной серьезных аварий. Предпринимались многочисленные попытки создать бесколлекторную машину постоянного тока, однако построить ее принципиально невозможно, так как в многовитковой якорной обмотке, активные стороны которой последовательно проходят под полюсами разной полярности, в любом случае наводится переменная э.д.с., для выпрямления которой необходимо особое устройство.

Рис. 8 — Пульсация напряжения на щетках генератора постоянного тока: а — при двух витках на полюс; б — при большом количестве витков

Поэтому машинами постоянного тока называются электрические машины, у которых преобразование энергии происходит вследствие вращения якорной обмотки относительно неподвижного потока полюсов, а выпрямление тока в постоянный осуществляется коллектором (или иным выпрямителем, вращающимся вместе с якорем).

Вначале создавались машины постоянного тока. В дальнейшем они в значительной степени были вытеснены машинами переменного тока. Благодаря возможности плавного и экономичного регулирования скорости вращения двигатели постоянного тока сохраняют свое доминирующее значение на транспорте, для привода металлургических станов, в крановых и подъемно-транспортных механизмах. В системах автоматики машины постоянного тока широко используются в качестве исполнительных двигателей, двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве тахогенераторов и электромашинных усилителей. Генераторы постоянного тока применяются главным образом для питания радиостанций, двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторных батарей, сварки и электрохимических низковольтных установок.

Паспорт МПТ

постоянный ток машина коллектор

15 стр., 7277 слов

Техническая эксплуатация и ремонт двигателей постоянного тока

... коллектором, скользящий контакт является источником радиопомех. 1. Принцип действия и область применения 1.1 Общие сведения Двигатель постоянного тока -- электрическая машина, машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. Двигатели постоянного тока ... пуска и работы двигателей постоянного тока. Из уравнения электрического состояния двигателя ...

Пример паспорта машины постоянного тока приведён на рисунке 9:

— Рисунок 9 — Паспорт МПТ: 1 — режим работы (генераторный); 2-5 — тип машины: 2 — машина постоянного тока; 3 — высота оси вращения; 4 — климатическое исполнение; 5 — число полюсов; 6 — электрическая мощность; 7-8 — номинальные напряжения и ток якоря

Литература

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/konstruktsiya-mashinyi-postoyannogo-toka/

1. Кулик Ю.А. Электрические машины. М.,«Высшая школа», 1971.

2. Вольдек А.И. Электрические машины. Л., «Энергия», 1974.

3. Копылов И.П. Электрические машины. М.,«Высшая школа», 2004.