Машины постоянного тока, конструкция

Содержание

Введение
1 Общие сведения о машинах постоянного тока
2 Принцип действия машин постоянного тока
3 Устройство машины постоянного тока
Заключение
Литература

Машины постоянного тока, конструкция

Широкое применение машин постоянного тока требует большого разнообразия их номинальных данных (мощности, частоты вращения, напряжения) и различных конструктивных исполнений соответственно условиям их установки и эксплуатации.
Машины постоянного тока изготовляются на мощности от долей ватта до 12 000 кВт. Номинальное напряжение их обычно не превышает 1500 В и только иногда для мощных машин доходит до 3000 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах – от нескольких оборотов в минуту до нескольких тысяч.
Наиболее широкое применение нашли машины постоянного тока с механическим коммутатором – коллектором. Коллектор осложняет условия работы машины, но опыт эксплуатации в самых тяжелых условиях работы показал, что правильно спроектированная и качественно изготовленная машина постоянного тока является не менее надежной, чем более простые по конструкции машины переменного тока.
Недостаток машин постоянного тока – наличие щеточно-коллекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины. Поэтому в последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте – синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.
2 Принцип действия машин постоянного тока
Машина постоянного тока (рис. 1, а) имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По этой обмотке проходит постоянный ток Iв, создающий магнитное поле возбуждения Фв. На роторе расположена двухслойная обмотка, в которой при вращении ротора индуцируется ЭДС. Таким образом, ротор машины постоянного тока является якорем, а конструкция машины сходна с конструкцией обращенной синхронной машины.
При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление ЭДС одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. Иными словами, характер кривой, отображающей направление ЭДС на рис. 1, а, неподвижен во времени: в проводниках, расположенных выше горизонтальной оси симметрии, которая разделяет полюсы (геометрическая нейтраль), ЭДС всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, – в противоположную сторону.
При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; ЭДС, индуцируемая в них, изменяет знак, т. е. в каждом проводнике наводится переменная ЭДС. Однако количество проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная ЭДС, индуцируемая в проводниках, находящихся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта ЭДС снимается с обмотки якоря с помощью скользящего контакта, включенного между обмотками и внешней цепью.
Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной (рис. 1, б). При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как ЭДС, индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.
Если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам прикладывается напряжение U, равное ЭДС Е, индуцированной в каждой из половин обмоток. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. При большом количестве проводников пульсации напряжения весьма незначительны.
При подключении к щеткам сопротивления нагрузки Rн через обмотку якоря проходит постоянный ток Iа, направление которого определяется направление ЭДС Е. В обмотке якоря ток Iа разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (токи ia).
Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было в начале развития электромашиностроения), а по коллектору, выполняемому в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков; эту часть называют секцией обмотки якоря.
Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является выпрямителем. В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока, и он преобразует электрическую энергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток.
Таким образом, главная особенность машины постоянного тока – наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.
3 Устройство машины постоянного тока
По конструктивному выполнению машина постоянного тока (рис. 2) подобна обращенной синхронной машине, у которой обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения – на статоре. Основное отличие заключается в том, что машина постоянного тока имеет на якоре коллектор, а на статоре кроме главных полюсов с обмоткой возбуждения добавочные полюсы, которые служат для уменьшения искрения под щетками.
Статор. На статоре расположены главные полюсы с катушками обмотки возбуждения и добавочные полюсы (на рис. 2 не показаны) с соответствующими катушками. Полюсы крепят болтами к стальному корпусу, который является частью магнитной цепи машины. Главные полюсы (рис. 3) выполняют шихтованными (из стальных штампованных листов), а добавочные – массивными или также шихтованными.
По станине и полюсам замыкается постоянный магнитный поток, поэтому выполнение полюсов массивными или из листов определяется в основном удобствами технологии. Стальные листы спрессовывают под давлением и скрепляют заклепками и нажимными щеками, установленными по краям каждого полюса. Шихтованными должны быть только наконечники главных полюсов, так как при вращении зубчатого якоря из-за пульсации магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и потери мощности. Однако по условиям технологии обычно выполняют шихтованным весь полюс. Полюсы крепят к станине болтами; резьбу для болтов нарезают непосредственно в шихтованном сердечнике полюса (рис. 3, а) либо в массивных стальных стержнях, которые вставляют в выштампованные отверстия в полюсах (рис. 3, б).
Катушки главных и добавочных полюсов изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Катушки машин малой мощности выполняют из тонкой проволоки; последовательные катушки обмоток возбуждения и добавочных полюсов – из полосовой меди (рис. 4). Расположенную на полюсе обмотку иногда разбивают на несколько катушек (секций) для лучшего ее охлаждения. При секционном выполнении катушек между отдельными секциями устанавливают дистанционные шайбы из изоляционного материала, посредством которых образуются вентиляционные каналы.
Якорь. Сердечник якоря собирают из отдельных листов толщиной 0,5 мм, которые штампуют из электротехнической стали (рис. 5). Обмотку якоря изготовляют из провода круглого или прямоугольного сечения; обычно она состоит из отдельных, заранее намотанных якорных катушек (рис. 6). В листах якоря вырубают пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Форму пазов, вырубаемых в сердечнике якоря, выбирают овальной полузакрытой для машин небольшой мощности и прямоугольной открытой для машин средней и большой мощности (рис. 7). Укладка обмотки в пазы обеспечивает надежное ее закрепление на вращающемся якоре и уменьшает воздушный зазор между полюсом и якорем. Обмотку в пазу закрепляют клином из стеклотекстолита или бандажами, располагаемыми в кольцевых канавках сердечника якоря. Обмотку выполняют двухслойной; в каждом пазу укладывают две стороны различных якорных катушек – одну поверх другой. Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы которых припаивают к соответствующим коллекторным пластинам; секции могут быть одно- и многовитковыми.
Собранный сердечник якоря спрессовывают между двумя нажимными шайбами и закрепляют на валу втулкой либо пружинным разрезным кольцом.
Станина, сердечники полюса и якоря являются участками магнитопровода, по которым замыкается магнитный поток, созданный обмотками возбуждения. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути этого потока все указанные участки выполняют из стали. Для этой же цели воздушный зазор между якорем и полюсами стараются принимать меньшим. Обычно он составляет доли миллиметра у небольших машин и несколько миллиметров у более мощных.
При вращении якоря сталь его сердечника будет перемагничиваться, в ней будут индуктироваться переменные токи - вихревые, которые будут вызывать потери. Для снижения потерь от вихревых токов сердечник, как уже указывалось, собирается из отдельных изолированных друг от друга листов. Для изоляции листы после штамповки покрывают лаком. Из-за зубчатого строения якоря в зазоре будет происходить пульсация потока, в результате чего в полюсном наконечнике также будут наводиться вихревые токи, для уменьшения которых наконечник и весь полюс собирают из отдельных листов.
Коллектор. Обычно коллектор выполняют в виде цилиндра (рис. 8), собранного из клинообразных пластин твердотянутой меди; между пластинами располагают изоляционные прокладки из слюды или миканита. Узкие края коллекторных пластин имеют форму ласточкина хвоста; после сборки коллектора их зажимают между корпусом и нажимным фланцем (рис. 8, а) и изолируют манжетами из миканита. Секции обмотки якоря впаивают в прорези, имеющиеся в выступающей части коллекторных пластин.
В машинах малой и средней мощности широко применяют коллекторы, в которых медные пластины и миканитовые прокладки запрессованы в пластмассу (рис. 8, б). Поверхность собранного коллектора обтачивают на токарном станке и тщательно шлифуют. Чтобы миканитовые прокладки при срабатывании коллектора не выступали над пластинами и не вызывали вибрации щеток, их профрезеровывают на 0,8...1,5 мм ниже поверхности коллектора.
Собранный коллектор насаживают на вал и закрепляют от проворачивания шпонкой. К каждой коллекторной пластине подсоединяют проводники от секций, из которых состоит обмотка якоря. Для подсоединения проводников у коллекторных пластин со стороны, обращенной к якорю, выполняют выступы, называемые петушками, в которых фрезеруют шлицы. В эти шлицы закладывают и затем запаивают проводники обмоток.
По коллектору скользят неподвижные щетки, которые размещаются в щеткодержателях. Щеткодержатели закрепляют на цилиндрических или призматических пальцах, которые в свою очередь закрепляют на траверсе. Пальцы выполняют из гетинакса либо из стали, опрессованной пластмассой в месте сочленения его с траверсой. Обычно число пальцев выбирают равным числу полюсов.