Из каких частей состоит машина постоянного тока. Основные элементы конструкции машины постоянного тока

Электромашины > Теория

Электрические машины постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии как в механическую, так и обратно. В этом проявляется принцип обратимости электрических машин: если на зажимы подать напряжение от постороннего источника тока, то машина работает как двигатель; если же ее якорь привести во вращение от постороннего механического первичного двигателя, то с зажимов машины снимается напряжение, т. е. она работает как генератор. Поэтому в первом случае они называются двигателем, а во втором - генератором. По своей конструкции генератор постоянного тока ничем не отличается от двигателя.

Принцип работы генератора

В рамке, вращающейся в постоянном магнитном поле, возбуждается переменный ток; следовательно, переменный ток возбуждается и в обмотке якоря. Его преобразуют в постоянный ток с помощью коллектора. Принципиальная схема этого процесса показана на рисунке. Как видно, при повороте рамки на 180° э. д. с. индукции внутри рамки изменит знак. Но при этом и полукольца повернутся на 180°, вследствие чего полярность щеток не изменится. В цепи возникает пульсирующий ток одного направления i(t) . Если на якоре разместить еще одну обмотку, как показано на рисунке пунктиром, то пульсации напряжения во внешней цепи сгладятся и ток будет почти постоянным. В реальном генераторе обмотка якоря содержит несколько десятков витков, присоединенных по определенной схеме к многопластинчатому коллектору, состоящему из такого же числа пластин. В этом случае пульсации тока совершенно ничтожны и во внешней цепи течет постоянный ток.

Принцип работы электродвигателя

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, которую называют силой Ампера. , из-за наличия силы Ампера вращающий момент, действующий на рамку, пропорционален силе тока в рамке, ее размерам, индукции магнитного поля, в котором она вращается, и зависит от угла поворота рамки.
Это свойство рамки используют в электродвигателях, преобразующих энергию электрического тока в механическую. В технических машинах постоянного тока рамки укладывают в пазах цилиндра, набранного из пластин листовой стали, называемого якорем 3 машины. Начала и концы рамок припаивают к изолированным друг от друга пластинам разрезанного на части широкого медного кольца, названного коллектором 1 . Коллектор укрепляют на общей оси с якорем. С помощью угольных стержней - "щеток" 2 , которые касаются коллекторных пластин, концы рамок соединяются с внешней цепью. Магнитное поле, в котором вращается якорь, создается током, протекающим по обмотке возбуждения индуктора, состоящего из сердечника 4 и обмотки возбуждения 5 . Индуктор закреплен на станине машины 6 .

Режимы работы генератора

У генератора различают три режима работы: при независимом возбуждении (обмотка возбуждения питается от отдельного источника напряжения); самовозбуждение (обмотка возбуждения включается параллельно якорю); смешанное возбуждение (при наличии двух обмоток возбуждения - последовательной и параллельной). На рисунке приведены характеристики зависимостей напряжения якоря от тока, соответствующие этим режимам работы генератора.

Регулирование частоты вращения двигателя может осуществляться тремя способами: изменением напряжения; магнитного потока (применимо только к двигателям параллельного и смешанного возбуждения) и добавочного сопротивления в цепи якоря.
Наиболее экономичный способ - регулирование напряжения на зажимах якоря.
В момент пуска ЭДС якоря равна нулю I п = U я / R я , что в 10-30 раз больше номинального тока. Поэтому для ограничения тока на время пуска в цепь якоря включают добавочное сопротивление, называемое пусковым. Так как с ростом скорости ток снижается, то в качестве пускового сопротивления используется регулировочный реостат, имеющий ряд ступеней.
Направление вращения двигателя можно поменять переключением полярности якоря или обмотки возбуждения.
Повысить обороты двигателя выше номинальных можно ослаблением магнитного потока, зона регулирования ограничивается возрастанием тока возбуждения.

Реостатный пуск двигателя

Системы возбуждения

Свойства и характеристики двигателей постоянного тока существенно зависят от того, как меняется магнитный поток при изменении механической нагрузки двигателей. Характер магнитного потока определяется способом возбуждения.
В машинах постоянного тока различают четыре системы возбуждения:

параллельное или шунтовое;
последовательное или сериесное;
смешанное или компаундное;
независимое.

Двигатели с последовательным возбуждением обладают большим пусковым моментом, т. е. вращающим моментом в момент пуска, когда скорость вращения якоря равна нулю. Это делает их незаменимыми во всех видах электротранспорта, где необходимо большое тяговое усилие при трогании с места. Однако частота вращения якоря двигателя с последовательным возбуждением резко меняется при изменении нагрузки, что в ряде случаев нежелательно.
У двигателей с параллельным возбуждением скорость вращения якоря в широких пределах не зависит от нагрузки и может плавно регулироваться за счёт изменения силы тока в обмотке возбуждения, что достигается регулирующим реостатом. Это свойство двигателей с параллельным возбуждением определяет область их применения в качестве электропривода всевозможных станков и агрегатов, где требуется плавная регулировка скорости вращения и не нужен большой пусковой момент.

На рисунке 1 изображен полюс машины. Сердечники полюсов набираются из листов, выштампованных из электротехнической толщиной 0,5 - 1 мм, а иногда также из листов конструкционной стали толщиной до 2 мм. Так как полюсов в стационарных режимах не изменяется, то листы друг от друга обычно не изолируются. Сердечник полюса стягивается шпильками, концы которых расклепываются. Нижняя, уширенная, часть сердечника называется или . Расположенная на полюсе обмотка часто разбивается на 2 - 4 катушки для лучшего ее охлаждения.

Рисунок 1. Главный полюс машины постоянного тока

Число главных полюсов всегда четное, причем северные и южные плюсы чередуются, что достигается соответствующим соединением катушек возбуждения отдельных полюсов. Катушки всех полюсов соединяются обычно последовательно. Мощность, затрачиваемая на возбуждение, составляет около 0,5 - 3% от номинальной мощности машины. Первая цифра относится к машинам мощностью в тысячи киловатт, а вторая - к машинам мощностью около 5 кВт.

Для улучшения условий токосъема с коллектора в машинах мощностью более 0,5 кВт между главными полюсами устанавливаются также дополнительные полюсы, которые меньше главных по своим размерам. Сердечники дополнительных полюсов обычно изготавливаются из конструкционной стали.

Как главные, так и дополнительные полюсы крепятся к ярму с помощью болтов. Ярмо в современных машинах обычно выполняется из стали (из стальных труб в машинах малой мощности, из стального листового проката, а также из стального литья). Чугун вследствие относительно малой магнитной проницаемости не применяется.

В машинах постоянного тока массивное ярмо является одновременно также станиной, т. е. той частью, к которой крепятся другие неподвижные части машины и с помощью которой машина обычно крепится к фундаменту или другому основанию.

Конструкция якоря

Рисунок 2. Диск (а ) и сегмент (б ) стали якоря

Сердечник якоря набирается из штампованных дисков (рисунок 2, а ) электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Диски насаживаются либо непосредственно на вал (при D а ≤ 75 см), либо набираются на якорную втулку (D а ≥ 40 см), которая надевается на вал. Сердечники якоря диаметром 100 см и выше составляют из штампованных сегментов (рисунок 2, б) электротехнической стали. Сегменты набираются на корпус якоря, который изготовляется обычно из листового стального проката и с помощью втулки соединяется с валом. Для крепления к корпусу якоря сегменты отштамповываются с гнездами для ласточкиных хвостов либо с выступающими ласточкиными хвостами (рисунок 3).

Рисунок 3. Крепление сегментов стали якоря с помощью ласточкиных хвостов

1 - вентиляционные распорки; 2 - лист стали якоря; 3 - стяжной болт; 4 - ребро ступицы якоря; 5 - лист ступицы якоря

В в зависимости от выбранной системы вентиляции могут быть аксиальные или радиальные каналы. Аксиальные каналы образуются выштампованными в дисках сердечника отверстиями. Радиальные каналы создаются с помощью вентиляционных распорок или ветрениц, посредством которых сердечник якоря (рисунок 4) подразделяется на отдельные пакеты 1 шириной 40 - 70 мм и каналы 2 между ними шириной около 5 - 10 мм. Ветреницы приклепываются или привариваются к крайним листам пакетов. Сердечник якоря крепится с помощью нажимных плит или фланцев 6 .

Рисунок 4. Сердечник якоря с обмоткой

В пазы на внешней поверхности якоря укладываются катушки обмотки якоря. Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря (рисунок 4) лобовые части обмотки 3 имеют вид цилиндрического кольца и своими внутренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 5 , а по внешней поверхности крепятся проволочными бандажами 7 . Обмотка соединяется с коллектором 4 .

Воздушный зазор между полюсами и якорем в малых машинах менее 1 мм, а в крупных - до 1 см.

Конструкция коллектора

Рисунок 5. Коллектор

Устройство коллектора машины небольшой мощности показано на рисунке 5. Он состоит из пластин 1 толщиной 3 - 15 мм, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками толщиной около 1 мм. Пластины имеют трапецеидальное сечение и вместе с прокладками составляют кольцо, которое скрепляется с помощью нажимных фланцев 4 , стянутых стяжными болтами 7 . От нажимных фланцев пластины коллектора изолируются миканитовыми коллекторными манжетами 2 . Собранный коллектор крепится на валу 6 с помощью шпонки 5 . К каждой пластине коллектора присоединяются соединительные проводники - "петушки" 3 - от обмотки якоря.

Подобное в принципе устройство имеют коллекторы подавляющего большинства машин. В последнее время в малых машинах коллекторные пластины с миканитовыми прокладками часто запрессовывают на пластмассу.

Конструкция щеточного аппарата

Для отвода тока от вращающегося коллектора и подвода к нему тока применяется щеточный аппарат, который состоит из щеток, щеткодержателей, щеточной траверсы и токособирающих шин.

Одна из типичных конструкций щеткодержателя показана на рисунке 5. Щеткодержатели укрепляются на щеточных пальцах. На каждом щеточном пальце обычно помещают несколько или целый ряд щеткодержателей со щетками, которые работают параллельно. Щеточные пальцы, число которых обычно равно числу главных полюсов, крепятся к щеточной траверсе (рисунок 7)

и электрически изолируются от нее. Траверса крепится к неподвижной части машины: в машинах малой и средней мощности - к втулке подшипникового щита, а в крупных машинах - к станине. Обычно предусматривается возможность поворота траверсы для установки щеток в правильное положение. Полярности щеточных пальцев чередуются, и все пальцы одной полярности соединяются между собой сборными шинами. Шины с помощью отводов соединяются с выводными зажимами или с другими обмотками машины.

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответственными узлами машины, от конструкции и качества изготовления которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины и надежность электрического контакта между коллектором и щетками.

Общий вид машины постоянного тока

На рисунке 8 приведен чертеж, а на рисунке 9 - фотография машины постоянного тока в разобранном виде.

Рисунок 8. Общий вид электродвигателя постоянного тока 14 кВт, 220В, 1500 об/мин
1 - люковая крышка; 2 - коллекторная пластина; 3 - крепление коллектора пластмассой; 4 - кольцо для размещения корректирующих масс; 5 - траверса; 6 - передний подшипниковый щит; 7 - вал; 8 - обмоткодержатель; 9 - бандаж лобовых частей якоря; 10 - катушка добавочного полюса; 11 - сердечник добавочного полюса; 12 - станина; 13 - рым; 14 - сердечник якоря; 15 - сердечник главного полюса; 16 - катушка главного полюса; 17 - вентилятор; 18 - задний подшипниковый щит; 19 - задняя крышка подшипника; 20 - шариковый подшипник; 21 - передняя крышка подшипника; 22 - свободный конец вала; 23 - паз якоря; 24 - соединительные провода (выводы) от обмоток к доске выводов; 25 - коробка выводов

Видео 1. Устройство машины постоянного тока

Рисунок 9. Электродвигатель постоянного тока типа П52, 8 кВт, 220 В, 43 А, 1500 об/мин

Одноякорные машины постоянного тока строятся мощностью до 10 МВт и напряжением преимущественно до 1000 В. Для электрифицированных железных дорог выпускаются также машины напряжением до 1500 В. На напряжения свыше 1500 В машины постоянного тока изготавливаются редко, так как с увеличением напряжения условия токосъема с коллектора ухудшаются.

В отдельных случаях (мощные ледоколы, приводы аэродинамических труб и пр.) требуются двигатели постоянного тока мощностью 15 - 30 МВт. В машинах с одним якорем получение таких мощностей не возможно, и поэтому строятся двух-, трех- и четырехъякорные машины, которые представляют собой многомашинные агрегаты с общим валом.

Машина постоянного тока (рисунок 1, а ) состоит из двух основных частей:

1) неподвижной части, предназначенной в основном для создания магнитного потока;

2) вращающейся части, которая называется якорем и в которой происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую (электрический генератор) или обратно – электрической энергии в механическую (электродвигатель). Неподвижная и вращающаяся части отделяются друг от друга зазором.

Неподвижная часть машины постоянного тока состоит из основных полюсов 3 (рисунок 2), предназначенных для создания основного магнитного потока; добавочных полюсов 4 , устанавливаемых между основными и служащих для достижения безыскровой работы щеток 6 на коллекторе (рисунок 1, б ); станины 1 .

Якорь 7 представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся в пространстве между полюсами, и состоит из зубчатого сердечника якоря ; уложенной на нем обмотки ; коллектора и щеточного аппарата . В щеткодержателях 5 находятся щетки 6 , обеспечивающие при вращении скользящий контакт с коллектором. На вал 2 двигателя напрессованы вентилятор и балансировочное кольцо.

Рисунок 1 – Конструкция машины постоянного тока а и коллектора б .

Коллектор набирают из медных пластин, изолированных друг от друга и от корпуса 3. На нажимные фланцы 4 надевают прессованные миканитовые манжеты 5. Нажимные фланцы изолированы друг от друга миканитовыми прокладками 2, которые стягивают кольцевой гайкой 6. Секции обмотки якоря припаивают к петушкам 7. Коллектор подвергают термообработке таким образом, что он образует монолитную конструкцию, исключающую биения и вибрации.

Рисунок 2 – Основной полюс.

Основной полюс состоит из набираемого на шпильках сердечника (5) из листовой электротехнической стали толщиной 1 мм. Со стороны обращенной к якорю, сердечник имеет полюсный наконечник 6, служащий для облегчения проведения магнитного потока через воздушный зазор. На сердечник полюса надевают катушку обмотки возбуждения 1, по которой проходит постоянный ток. Катушка наматывается на каркас 2. Крепление полюсов к станине 4 производится при помощи специальных болтов 3.

Классификация обмоток якорей машин постоянного тока

Независимо от типа якоря (кольцевой или барабанный) мы имеем следующие типы обмоток якоря машин постоянного тока:
а) простая петлевая; б) простая волновая; в) сложная петлевая;
г) сложная волновая.

Простые обмотки образуют всегда только одну замкнутую на себя систему проводников, тогда как сложные обмотки могут образовать и одну и несколько таких систем. В первом случае будем называть сложную обмотку однократнозамкнутой , во втором – многократнозамкнутой .

Режим генератора.

Предположим, что якорь машины (рисунок 3, а ) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется ЭДС, направление которой может быть определено по правилу правой руки и показано на рисунке 3, а . Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта ЭДС индуктируется только вследствие вращения якоря и называется ЭДС вращения .

Величина индуктируемой в проводнике обмотки якоря ЭДС.

, (1)

Рисунок 3 – Работа простейшей

машины постоянного тока в режиме

генератора (а ) и двигателя (б )

где – величина магнитной индукции в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; – активная длина проводника между полюсом и якорем в месте расположения проводника, т.е. та длина, на протяжениикоторой он расположен в магнитном поле; – линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые ЭДС, которые по контуру витка складываются, и поэтому полная ЭДС якоря рассматриваемой машины

. (2)

ЭДС является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление ЭДС в проводниках меняется.

Частота ЭДС в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря , выраженной в оборотах в секунду:

а в общем случае, когда машина имеет пар полюсов с чередующейся полярностью,

В генераторе коллектор является механическим выпрямителем, который преобразовывает переменный ток обмотки якоря в постоянный ток во внешней цепи.

Напряжение постоянного тока на зажимах якоря генератора будет меньше на величину падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря :

Проводники обмотки якоря с током находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы:

направление которых определяется по правилу левой руки.

Эти силы создают механический вращающий момент , который называется электромагнитным моментом и на рисунке 3 а , равен

, (7)

где – диаметр якоря. Как видно из рисунка 3 а , в режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

Режим двигателя.

Рассматриваемая простейшая машина может работать также двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника. При этом на проводники обмотки якоря будут действовать электромагнитные силы и возникнет электромагнитный момент . Величины и , как и для генератора, определяются равенствами (3.6) и (3.7). При достаточной величине якорь машины придет во вращение, и будет развивать механическую мощность. Момент при этом является движущим и действует в направлении вращения.

Если мы желаем, чтобы при той же полярности полюсов направления вращения генератора (рисунок 3, а ) и двигателя (рисунок 3, б ) были одинаковы, то направление действия , а следовательно и направление тока у двигателя должны быть обратными по сравнению с генератором (рисунок 3, б ).

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный ток в обмотке якоря и работает, таким образом, в качестве механического инвертора тока.

Проводники обмотки якоря двигателя также вращаются в магнитном поле, и поэтому в обмотке якоря двигателя тоже индуктируется ЭДС , величина которой определяется равенством (3.2). Направление этой ЭДС в двигателе (рисунок 3, б ) такое же, как и в генераторе (рисунок3, а ). Таким образом, в двигателе ЭДС якоря направлена против тока и приложенного к зажимам якоря напряжения . Поэтому ЭДС якоря двигателя называется также противоэлектродвижущей силой .

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается ЭДС и падением напряжения в обмотке якоря:

Принцип обратимости:

Из изложенного выше следует, что каждая машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических машин и называется обратимостью .

Для перехода машины постоянного тока из режима генератора в режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменение направления тока в обмотке якоря.

Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и в определенных условиях даже автоматически.

Преобразование энергии.

На рис.4 показаны направления действия механических и электрических величин в якоре генератора и двигателя постоянного тока.

Рисунок 4 – Направления ЭДС тока и моментов в генераторе (а ) и двигателе (б ) постоянного тока.

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращающемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозящие вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генераторе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

, (9)

где – момент на валу генератора, развиваемый первичным двигателем, – момент сил трения в подшипниках, о воздух и на коллекторе машины, – тормозящий момент, вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике якоря.

Эти потери мощности появляются в результате вращения сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возникающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

, (10)

где – тормозящий момент на валу двигателя, развиваемый рабочей машиной (станок, насос и т.п.).

В генераторе является движущим, а в двигателе тормозящим моментом, причем в обоих случаях и противоположны по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом мощность называется электромагнитной мощностью и равна

представляет собой угловую скорость вращения.

В обмотке якоря под действием ЭДС и тока развивается внутренняя электрическая мощность якоря

Согласно равенствам (4.5) и (4.6), , т.е. внутренняя электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности, развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и обратный процесс в двигателе.

Для генератора

(15)

и для двигателя

. (16)

Левые части этих выражений представляют собой электрические мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей – электромагнитную мощность якоря и последние члены – электрические потери мощности в якоре.

Согласно этим выражениям, механическая мощность, развиваемая на валу генератора первичным двигателем, за вычетом механических и магнитных потерь превращается в электрическую мощность в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе электрическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи, частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная часть превращается в мощность электромагнитного поля и последняя – в механическую мощность, которая за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается рабочей машине.

Потери.

Общие положения. При работе электрической машины часть потребляемой ею энергии теряется бесполезно и рассеивается в виде тепла. Мощность потерянной энергии называют потерями мощности или просто потерями.

Потери в электрических машинах подразделяются на основные и добавочные. Основные потери возникают в результате происходящих в машине основных электромагнитных и механических процессов, а добавочные потери обусловлены различными вторичными явлениями. Во вращающихся электрических машинах основные потери подразделяются на 1) механические потери, 2) магнитные потери (потери в стали) и 3) электрические потери.

К электрическим потерям относятся потери в обмотках, которые называются также потерями в меди, хотя обмотки и не всегда изготовляются из меди, потери в регулировочных реостатах и потери в переходном сопротивлении щеточных контактов.

Механические потери состоят из 1) потерь в подшипниках, 2) потерь на трение щеток о коллектор или контактные кольца и 3) вентиляционных потерь, которые включают в себя потери на трение частей машины о воздух и другие потери, связанные с вентиляцией машины.

Потери в подшипниках зависят от типа подшипников (качения или скольжения), от состояния трущихся поверхностей, вида смазки и т. д.

Потери на трение щеток могут быть вычислены по формуле

, (17)

где – коэффициент трения щеток о коллектор или контактные кольца (); – удельное (на единицу площади) давление на щетку; – контактная поверхность всех щеток; – окружная скорость коллектора или контактных колец.

Потери на вентиляцию зависят от конструкции машины и рода вентиляции. В самовентилируемых машинах со встроенным центробежным вентилятором потери на вентиляцию вычисляются приближенно по формуле:

где – количество воздуха, прогоняемого через машину, ;
– окружная скорость вентиляционных крыльев по их внешнему диаметру, .

Общие механические потери

Как следует из изложенного, в каждой данной машине потери зависят только от скорости вращения и не зависят от нагрузки. В машинах постоянного тока мощностью 10 - 500 кВт потери составляют около 2 - 0,5% от номинальной мощности машины.

Магнитные потери включают в себя потери на гистерезис и вихревые токи, вызванные перемагничиванием сердечников активной стали. Для вычисления этих потерь сердечник подразделяется на части, в каждой из которых магнитная индукция постоянна. Например, в машинах постоянного тока вычисляются отдельно потери в сердечнике якоря и в зубцах якоря .

К магнитным потерям относят также такие добавочные потери, которые зависят от величины основного потока машины (потока полюсов) и вызваны зубчатым строением сердечников. Эти потери называют также добавочными потерями холостого хода, так как они существуют в возбужденной машине уже при холостом ходе. К указанным потерям в машинах постоянного тока относятся, прежде всего поверхностные потери в полюсных наконечниках, обусловленные зубчатостью якоря.

Если пазы имеются также в полюсных наконечниках машины постоянного тока (при наличии компенсационной обмотки), то в зубцах якоря и полюсах в результате их взаимного перемещения возникают пульсации магнитного потока. Потоки в зубцах максимальны, когда зубец якоря расположен против зубца полюса, и минимальны, когда против зубца расположен паз. Частота этих пульсаций также велика. При этом возникают пульсационные потери в зубцах и поверхностные потери также на внешней поверхности якоря.

. (21)

К электрическим потерям относят также потери в регулировочных реостатах и потери в переходных сопротивлениях щеточных контактов. Величина потерь в переходных сопротивлениях щеточных контактов для щеток одной полярности вычисляется по формуле

где – падение напряжения на один щеточный контакт.

Добавочные потери . К этой группе относят потери, вызванные различными вторичными явлениями при нагрузке машины.

В машинах постоянного тока одна часть рассматриваемых потерь возникает вследствие искажения кривой магнитного поля в воздушном зазоре при нагрузке под влиянием поперечной реакции якоря. В результате этого магнитный поток распределяется по зубцам и сечению спинки якоря неравномерно: с одного края полюсного наконечника индукция в зубцах и спинке якоря уменьшается, а с другого края увеличивается. Такое неравномерное распределение потока вызывает увеличение магнитных потерь, подобно тому, как неравномерное распределение тока в проводнике вызывает увеличение электрических потерь. Вследствие такого неравномерного распределения потока увеличиваются также поверхностные потери в полюсных наконечниках. При наличии компенсационной обмотки рассмотренная часть добавочных потерь практически отсутствует.

Другая часть добавочных потерь в машинах постоянного тока связана с коммутацией. При изменении во времени потоков рассеяния коммутируемых секций в проводниках обмотки индуктируются вихревые токи. Добавочный ток коммутации также вызывает дополнительные потери.

На практике добавочные потери оценивают на основе опытных данных в виде определенного процента от номинальной мощности. Согласно ГОСТ 11828 – 66, эти потери для машин постоянного тока при номинальной нагрузке принимаются: при отсутствии компенсационной обмотки равными 1,0% и при наличии компенсационной обмотки равными 0,5% от отдаваемой мощности для генератора и проводимой мощности для двигателя. Для других нагрузок эти потери пересчитываются пропорционально квадрату тока нагрузки.

Все виды добавочных потерь, не связанные непосредственно с электрическими процессами в цепях обмоток машины, покрываются за счет механической мощности на валу машины.

Суммарные, или полные, потери представляют собой сумму всех потерь.

Страница 3 из 3

КОНСТРУКЦИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

На рис. 3 дан чертеж современной машины постоянного тока с продольным и поперечным разрезами. Статор состоит из станины 1 и прикрепленных к ней главных 2 и дополнительных 3 полюсов. Станину машин относительно небольшой мощности изготовляют из отрезков цельнотянутых стальных труб, а у мощных машин выполняют сварной из толстолистового стального проката. Для закрепления машины на фундаменте или исполнительном механизме к нижней части станины приваривают лапы 4, а для транспортировки в станину ввертывают рым-болты 5.

На сердечниках главных полюсов размещают обмотку возбуждения 6, которую изготовляют в виде катушек из медных изолированных проводников круглого или прямоугольного сечения. Катушки изолируют лентой и после пропитки и сушки насаживают на сердечник полюса и закреп-ляют стальными пружинящими рамками. Иногда для увеличения поверхности охлаждения катушку делят на две части. Полюс с надетой на него катушкой прикрепляют к станине болтами.

Дополнительные полюсы располагают между главными полюсами и вместе с катушками 14 их обмотки возбуждения также болтами прикрепляют к станине.

Якорь состоит из сердечника 7, обмотки 8 и коллектора 9.

Сердечник собирают из отдельных листов толщиной 0,5 мм, которые штампуют из электротехнической стали. В листах якоря вырубают пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Укладка обмотки в пазы обеспечивает надежное ее закрепление на вращающемся якоре и умень-шает воздушный зазор между полюсом и якорем. Обмотку в пазу закрепляют клином из стеклотекстолита или бандажами, располагаемыми в кольцевых канавках сердечника якоря 13. Вне пазов, в лобовых частях, обмотку закрепляют бандажами 12 из проволоки или стеклоленты.

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.

По коллектору скользят неподвижные щетки, которые размещаются в щеткодержателях. Щеткодержатели закрепляют на цилиндрических или призматических пальцах 10, которые в свою очередь закрепляют на траверсе 11. Пальцы выполняют из гетинакса либо из стали, опрессо-ванной пластмассой в месте сочленения его с траверсой. Обычно число пальцев выбирают равным числу полюсов.

Якорь вращается в подшипниках 15, которые размещены в торцевых щитах, называемых подшипниковыми щитами 16.

Некоторые конструктивные элементы машины рассмотрим подробнее.

Главные полюсы (рис. 4) собирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1 мм. Листы спрессовывают в пакет и скрепляют стальными заклепками, число которых принимают не менее четырех. Крайние листы полюса выполняют из более толстой стали (4 - 10 мм) во избежание распушения листов.

Для того чтобы получить необходимый характер распределения магнитного поля в воздушном зазоре, полюс заканчивают полюсным наконечником определенной формы.

Воздушный зазор между полюсами и якорем или выполняют одинаковым по всей ширине полюсного наконечника, или под краями наконечника вследствие его скоса делают больше. Иногда делают эксцентричный воздушный зазор, при котором центры радиусов якоря и наконечника полюса не совпадают. Зазор при этом постепенно увели-чивается от середины полюса к его краю (рис. 5).

В полюсе имеется отверстие с резьбой, в которое вворачивается болт, с помощью которого полюс прикрепляют к станине. Для более надежного крепления полюса у крупных машин и машин, работающих в условиях тряски, болты вворачивают в специальный стержень, вставленный в полюс (см. рис.4).
Сердечник якоря может состоять из одного или нескольких пакетов. При длине сердечника менее 25 см он выполнен из одного пакета (рис. 6) и при большей длине - из нескольких (рис. 7). Между пакетами с помощью специальных распорок создают вентиляционные каналы, предназначенные для лучшего охлаждения якоря.

Форму пазов, вырубаемых в сердечнике якоря, выбирают овальной полузакрытой для машин небольшой мощности и прямоугольной открытой для машин средней и большой мощности (рис. 8). Между стенками паза и проводниками обмотки укладывают изоляцию (пазовая изоляция). На рис. 8 показано крепление обмотки в пазу с помощью клина.

Коллектор состоит из большого числа электрически изолированных друг от друга пластин, которые штампуют из профильной меди (рис. 9). Изоляцию осуществляют тонкими прокладками, вырубленными из миканита (прессованная слюда), которые закладывают между медными пластинами. Прокладки имеют форму пластин. Набор коллекторных пластин с прокладками должен быть прочно закреплен и должен иметь строго цилиндрическую форму.
По способу крепления пластин существует большое многообразие конструкций коллекторов, две из которых показаны на рис. 10. На рис. 10, а коллекторные пластины зажимаются между корпусом и нажимным фланцем. Корпус и нажимной фланец выполняют из стали, а для изоляции на них надевают миканитовые манжеты. На рис. 10,б показано крепление пластин с помощью пластмассы. В настоящее время для машин небольшой и средней мощности наибольшее применение находят коллекторы с пластмассовым корпусом.

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.