Основные элементы конструкции МПТ - Электрические машины постоянного тока

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.

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.

устройство машины постоянного тока

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

полюс машины постоянного тока

Рис. 2. Полюс машины постоянного тока:

2 -- 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.).

На рис. 3, а представлено распределение магнитной индукции в воздушном зазоре двухполюсной машины в функции геометрического угла ?. 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.

кривые изменения магнитной индукции в пространстве и э.д.с. проводника якорной обмотки во времени

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 щетка

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

?Э=??Г ) (1)

Например, на рис. 3 видно, что при числе пар полюсов Р==2 имеем ?Э=2ссг.

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

E=B?L?, (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.

распределение потока в четырехполюсной машине

Рис. 4. Распределение потока в четырехполюсной машине:

А -- чередование полюсов; Б -- распределение индукции в воздушном зазоре

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

E?B?. (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 В?, (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

Имеем

(5)

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.

выпрямление э.д.с. при помощи коллектора

Рис. 5. Выпрямление э. д.с. при помощи коллектора:

1-- медные пластины; 2 -- виток обмотки якоря; 3 -- щетки; 4 -- внешняя электрическая цепь

Простейший коллектор имеет две изолированные между собой медные пластины, выполненные в форме полуколец (рис. 5), 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).

устройство коллектора

Рис. 6. 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. 6). По мере увеличения числа секций уменьшается пульсация напряжения на щетках (рис. 7). 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.

пульсация напряжения на щетках генератора постоянного тока

Рис. 7. 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.

Похожие статьи




Основные элементы конструкции МПТ - Электрические машины постоянного тока

Предыдущая | Следующая