Для чего служат лапы мпт

Конструкция машин постоянного тока

Машины постоянного тока – обратимые. Они могут работать и как генератор и как двигатель. Конструктивно генераторы и двигатели постоянного тока устроены одинаково. На рис. 5.1 показан продольный разрез двигателя постоянного тока.

Рис. 5.1 -Общий вид двигателя постоянного тока:

1-коллектор, 2 — щеточный аппарат, 3 – якорь, 4 – главные полюса, 5 – катушка обмотки возбуждения, 6 – станина, 7 и 12 подшипниковые щиты, 8 — вентилятор, 9 – лобовые части обмотки статора, 10 — вал, 11-лапы

Машины постоянного тока состоит из двух основных частей: статора – неподвижной части и подвижной части – ротора. В машинах постоянного тока ротор называется якорем.

Основными конструктивными элементами машин постоянного тока (рис. 5.1) являются станина 6 с закрепленными на ней главными 4 и добавочными полюсами, вращающийся якорь 3 с обмоткой возбуждения 5 и коллектором 1 и щеточный аппарат 2. В машинах малой и средней мощностей станина одновременно служит и корпусом, к которому крепятся лапы 11 для установки машины, и частью магнитопровода. По ней замыкается магнитный поток. В большинстве машин станина выполнена массивной, из стальных труб, либо сварной из листов конструкционной стали. В ряде машин станину выполняют шихтованной.

К внутренней поверхности станины крепят главные и добавочные полюсы. Сердечники главных полюсов массивные либо набраны из листов стали толщиной 1 — 2 мм. Сердечники добавочных полюсов, как правило, массивные. На главных полюсах располагаются обмотки возбуждения; их МДС создают рабочий поток машины. Обмотки добавочных полюсов, расположенных по поперечным осям машины, служат для обеспечения нормальной коммутации. Магнитопровод якоря шихтуется из листов электротехнической стали. В машинах малой мощности сердечник якоря насаживается непосредственно на вал со шпонкой и фиксируется в осевом направлении буртиком вала и кольцевой шпонкой. С торцов якоря для предотвращения распушения листов во время работы установлены нажимные шайбы, совмещенные с обмоткодержателями.

На валу 10 двигателя расположен якорь двигателя. Сердечник якоря представляет собой цилиндрический магнитопровод 6, в пазах которого расположена обмотка якоря 7.

Якорь машины постоянного тока в настоящее время выполняется, как правило, барабанного типа. Он состоит из: сердечника якоря 4, набираемого из листовой электротехнической стали толщиной 0,35–0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов листы изолируются друг от друга лаковой или оксидной пленкой. На наружной поверхности сердечника якоря имеются пазы, равномерно распределенные по окружности, в которые укладывается обмотка якоря 5. Обмотка выполняется из специальных медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения. Элементы обмотки тщательно изолируются между собой и от сердечника и закрепляются в пазах при помощи клиньев или бандажей из стальной проволоки. Части обмотки, выступающие с торцов сердечника (лобовые соединения) крепятся бандажами.

Секции обмотки якоря присоединены к коллектору 1. К нему же прижимаются пружинами неподвижные щетки 2. Закрепленный на валу двигателя коллектор состоит из ряда изолированных от него и друг от друга медных пластин. С помощью коллектора, и щеток осуществляется соединение обмотки якоря с внешней электрической цепью. У двигателей они, кроме того, служат для преобразования постоянного по направлению тока внешней цепи в изменяющийся по направлению ток в проводниках обмотки якоря.

Обмотки якорей двухслойные. В машинах мощностью до 15 — 20 кВт они выполнены из круглого провода и уложены в полузакрытые пазы. В пазовых частях обмотка крепится пазовыми клиньями, в лобовых — бандажами из стеклоленты или немагнитной стальной проволоки, которые прижимают их к обмоткодержателям. В машинах большой мощности катушки обмотки якоря наматывают из прямоугольного провода и укладывают в открытые пазы. Крепление обмотки либо такое же, как и в машинах малой мощности, т. е. клиньями в пазовой и бандажами в лобовой части, либо бандажами и в пазовой, и в лобовой части. Обмотка якоря присоединяется к коллектору, закрепленному на валу машины. Обычно коллектор выполняется цилиндрического типа, реже торцевого. Продольный разрез цилиндрического коллектора приведен на рис. 5.2.

1 — передний нажимной конус; 2 — пластины коллектора ; 3 — втулка коллектора; 4 — изоляционная манжета; 5 —задний нажимной конус

Коллектор состоит из коллекторных пластин (ламелей) 2, изолированных друг от друга и от элементов крепления миканитовыми прокладками и манжетами 4. С торцов пластины стягиваются нажимными конусами (фланцами) 5. Благодаря специальному выступу (ласточкину хвосту) пластины сжимаются между собой, образуя жесткую конструкцию. Затем коллектор обтачивается, чтобы его рабочая поверхность была строго цилиндрической.

Для соединения обмотки якоря с внешней цепью служит щеточный аппарат. Обычно он состоит из щеточной траверсы с пальцами и щеткодержателей со щетками. Щеткодержатель состоит из обоймы, в которой располагается щетка, и нажимной пружины, прижимающей щетку к коллектору. Все одноименные щетки соединяются между собой сборными шинами, которые выводятся на зажимы машины, как концы обмотки якоря. Обмотка якоря впаивается непосредственно в выступающие части коллекторных пластин или при помощи специальных соединительных проводников (петушков), если разница в диаметрах коллектора и якоря велика.

Дополнительные полюса с расположенной на них обмоткой уменьшают искрение между щетками и коллектором машины. Обмотку дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря и на электрических схемах часто не изображают.

Кроме двигателей, имеющих два главных полюса, существуют машины постоянного тока с четырьмя и бόльшим количеством главных полюсов. При этом соответственно увеличивается количество дополнительных полюсов и комплектов щеток.

На корпусе также расположены табличка с паспортными данными и клеммная коробка.

Клеммы на щитке коробки маркируются: начало и конец обмотки якоря А₁ и А₂; параллельной обмотки возбуждения – Е₁ и Е₂ , обмотки дополнительных полюсов – В₁ и В₂ .

Конструкция машин постоянного тока

Машина постоянного тока состоит из двух систем: из неподвижной части — статора и подвижной — якоря. Статор состоит из корпуса, в котором укрепляются 2 вида полюсов: главные полюса, на которых располагается обмотка возбуждения и добавочные полюса, которые служат для улучшения работы машины.

Главные полюса собирают из листочков электротехнической стали (рис. 1), добавочные полюса также собирают из листочков электротехнической стали (рис. 2).

Главные полюса имеют башмак, который служит для растягивания магнитного поля вдоль окружности расточки якоря.

Главный полюс машины постоянного тока.

На главные и добавочные полюса надевается обмотка, которая изготавливается двумя способами: либо на каркасе, либо на гильзе.

Собранное по длине машины железо полюсов с одетыми на них обмотками пропитывается лаком и сушится в печах, в результате чего полюса представляют собой монолит, который с помощью болтов крепится в корпус.

Вращающаяся часть машины постоянного тока называется якорь и состоит из двух частей: обмотки якоря и коллектора.

Обмотка якоря укладывается в электротехническое железо круглой формы. На наружной части железа штампуются пазы. Железо круглой формы набирается из отдельных листочков электротехнической стали, набирается по длине, равной длине полюса и сажается на вал горячей посадкой.

В зависимости от мощности машины в железе якоря вырезаются пазы разной формы.

Для машин мощностью до 50 кВт пазы якоря делают грушевидной формы.

В пазы грушевидной формы укладывается обмотка круглого сечения, которая называется всыпной.

В электрических машинах мощностью более 50 кВт делаются пазы прямоугольного сечения с параллельными стенками.

И в эти пазы укладывается обмотка из проводов прямоугольного сечения.

Все провода круглого сечения поступают на электромашиностроительные заводы покрытые эмалевой изоляцией.

В пазы укладывается изоляция, которая называется корпусной.

Полузакрытый паз грушевидной формы с обмоткой и изоляцией: 1 — Гетинаксовый клин; 2 — Изолированные проводники; 3 — Прокладка из стеклоткани толщиной 0,18 мм; 4 — Прокладка из электрокартона толщиной 0,2 мм; 5 — Стеклолакоткань эскапоновая толщиной 0,18 мм; 6 — Электрокартон толщиной 0,2 мм.

Все обмотки якорей машин постоянного тока изготавливаются двухслойными, при этом кладут прокладку.

В отличие от всыпной, секции жесткой обмотки изготавливаются отдельно, и готовые секции укладываются в паз.

Все провода прямоугольного сечения поступают без изоляции, поэтому сначала их изолируют на специальных станках хлопчатобумажными, шелковыми или виниловыми нитками. Изолированные провода прямоугольного сечения собираются в секции.

Укладка обмотки в пазу: 1 — Сторона секции верхнего слоя; 2 — Сторона секции нижнего слоя.

Открытый паз прямоугольной формы с обмоткой и изоляцией: 1 — Деревянный клин; 2 — Прокладка из электрокартона; 3 — Проводник изолированный; 4 — Синтетическая лента или микалента толщиной 0,13 мм; 5 — Синтетическая пленка или микафолий толщиной 0,15 мм; 6 — Телефонная бумага; 7 — Электрокартон толщиной 0,2 мм; 8 — Прокладка из электроепртона.

Уложенную в пазы обмотку соединяют с коллектором.

Коллектор состоит из фигурной шайбы, напрессованной на вал якоря. В эту фигурную шайбу вставляют коллекторные пластины.

На коллекторной пластине имеются петушок, в который запаиваются концы обмотки якоря и ласточкин хвост, который служит для закрепления коллекторной пластины в фигурной шайбе.

Коллектор машины постоянного тока.

Ширина коллекторной пластины колеблется от 3 до 7 мм в зависимости от мощности машины.

Для придания машине постоянного тока формы и жесткости с корпусом статора соединяются крышки. В крышки запрессовываются подшипники, а сама крышка вставляется в вал.

Крышки бывают двух видов. Со стороны выходного вала крышка бывает закрытая и, как правило, с упорными подшипниками. Крышка со стороны коллектора имеет специальную конструкцию.

Крепление щеточного пальца к траверсе: 1 — Палец; 2 — Траверса; 3 — Изоляция; 4 — Шина токособирательная.

В крышке укрепляется траверса — это стальной круг с прорезями, которые служат для того, чтобы круг можно было двигать относительно геометрической нейтрали. К траверсе жестко крепятся щеткодержатели.

Щеткодержатель состоит из кармана для щеток, удерживающих пружин и изолированной прокладки, на которую крепится вывод от щетки.

Щеткодержатель со щеткой: 1 — Обойма щеткодержателя; 2 — Щетка; 3 — Пружина нажимная; 4 — Кабель токоведущий; 5 — Колодки для крепления к пальцу.

Устройство электрических машин постоянного тока

Статор в машине постоянного тока состоит из станины 12 (рис. 1), главных 24 и добавочных 26 полюсов с обмотками. В машинах малой мощности добавочные полюса могут отсутствовать. Ротор (якорь) состоит из вала 22, сердечника 14 с обмоткой 10 и коллектора 9.
Станина 12 является корпусом машины и в то же время частью магнитной системы, проводящей магнитные потоки главных и добавочных полюсов. Она имеет цилиндрическую форму и изготовляется из стальной трубы, к нижней части которой приваривают лапы 29.

Рис. 1. Машина постоянного тока серии 2П

В верхней части корпуса ввинчивается рым-болт или привариваются проушины 25 для транспортировки машины, с торцов выполнены центрирующие заточки для подшипниковых щитов 4 и 19, которые крепятся винтами 20.
Добавочные полюса 26 предназначены для улучшения коммутации (уменьшения искрения под щетками) и изготовляются цельными или шихтованными из листов. Катушки обмотки полюсов выполняют из проводов круглого или прямоугольного сечения. Главные и добавочные полюса крепят к станине болтами 13.
Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм на вал. Нажимные шайбы 15 служат одновременно опорами для лобовых частей обмотки 10, на которые наложен бандаж. Концы секций обмотки присоединены к коллекторным пластинам. Коллектор 9 состоит из медных пластин, изолированных друг от друга прокладками из миканита. Подшипники с обеих сторон закрыты крышками.
На переднем щите 4 закреплена щеточная траверса 3 с бракетами 6, на которых установлены щеткодержатели 28 со щетками 8. Для осмотра коллектора и доступа к щеткам в машине имеются люки, которые закрываются крышками или защитными лентами 5, 17 с отверстиями. Концы лент обертываются вокруг валиков и стягиваются на корпусе винтами 27.
В верхней части отверстия выполнены в виде жалюзи 23 для защиты машины от падающих сверху и под углом к вертикали капель.
Выводы от якорной обмотки и обмотки возбуждения главных полюсов пропущены через отверстия в станине и подсоединены к колодке зажимов, расположенной в коробке 11.
Подшипниковые опоры машины постоянного тока аналогичны опорам асинхронных машин. У двигателей постоянного тока с высотами оси вращения 80—200 мм обычно со стороны привода и с противоположной стороны устанавливают шариковые подшипники 1, у двигателей с высотами 225—315 мм со стороны привода — роликовые, а с противоположной — шариковые подшипники. Подшипниковые крышки 2 крепятся болтами 21, которые проходят через сквозные отверстия в щитах и ввинчиваются в резьбовые отверстия во внутренних крышках. Болты контрятся пружинными шайбами.
Токосъемное устройство машин постоянного тока включает в себя щетки 8, щеткодержатели 28, бракеты 6. к которым крепятся щеткодержатели, и траверсу 5, несущую на себе бракеты. У двигателей с высотами оси вращения 355—500 мм траверса может отсутствовать. Бракеты в таких машинах крепятся непосредственно к подшипниковому щиту. Щетки прижимаются к коллектору 9 пружинами.
Машина имеет защищенное исполнение и аксиальную систему вентиляции. Охлаждающий воздух засасывается в машину вентилятором 18 через окна в ленте 5 со стороны коллектора и выбрасывается через окна ленты 17 со стороны привода. Установкой диффузора 16 достигают рационального распределения воздушных потоков При его отсутствии большая часть воздуха проходила бы между полюсами вблизи станины. Диффузор направляет поток к поверхности якоря машины.
Балансировка ротора производится установкой грузиков в виде ласточкина хвоста в кольцо 7 со стороны коллектора и в канавку на вентиляторе 18. У малых машин балансировка может осуществляться удалением металла путем сверления отверстий в вентиляторе и коллекторе.
В машинах постоянного тока при работе по обмотке якоря проходит ток, который создает свое магнитное поле. Поле якоря накладывается на поле главных полюсов и искажает его, магнитная индукция у краев полюсов становится неодинаковой. Из-за различной ЭДС в секциях обмотки якоря ухудшается коммутация машины и увеличивается напряжение между некоторыми коллекторными пластинами, что может привести к пробою изоляции пластин.

Рис. 20. Машина постоянного тока с компенсационной обмоткой
Для компенсации реакции якоря в машинах постоянного тока значительной мощности применяют компенсационную обмотку 5 (рис. 20). Ее располагают в пазах наконечников главных полюсов 8 и соединяют последовательно с обмоткой якоря 4. Компенсационную обмотку рассчитывают и включают таким образом, чтобы ее магнитное поле было равно и направлено встречно полю якоря. Компенсационная обмотка усложняет изготовление и ремонт машины, поэтому ее применяют обычно в крупных машинах и постоянного тока.
Бракеты 13 в машинах большой мощности выполняют в виде плоских пластин с приливами, через отверстия в которых они винтами крепятся к траверсе 14. Винты изолируют гетинаксовыми трубками и прокладками, так как к траверсе крепятся бракеты разной полярности. Траверса согнута из полосовой стали в виде кольца и закреплена на подшипниковом щите.
Обмотка возбуждения 7 разделена на каждом полюсе на две катушки, между которыми образован вентиляционный канал.
Сердечник 10 якоря выполнен с аксиальными вентиляционными каналами 9. Каналы для охлаждающего воздуха предусмотрены также между коллектором 12 и валом 1. Вентилятор 3 установлен со стороны привода. Щиты 2 и 15 центрируются в заточках корпуса 6. Лобовые части обмотки якоря 4 опираются на изолированный обмоткодержатель 11.

В машинах постоянного тока выведенные наружу концы обмоток маркируют буквами: Я — обмотка якоря, К — компенсационная обмотка, Д — обмотка добавочных полюсов, С — последовательная обмотка возбуждения, Ш — параллельная обмотка возбуждения, П -— пусковая обмотка, У — уравнительный провод и уравнительная обмотка. К буквенным обозначениям добавляются цифру: 1 — начало обмотки, 2 — конец обмотки; например, Я1— начало обмотки якоря, Я2 — конец.
В малых коллекторных машинах постоянного и переменного тока выводы (начала обмоток) маркируют следующими цветами: белым — обмотка якоря, красным — обмотка последовательного возбуждения, зеленым — обмотка параллельного возбуждения. На концах обмоток добавляется черный цвет.

Электрические машины постоянного тока: назначение, конструкция, устройство и принцип действия

Электродвигатель постоянного тока

Несмотря на то, что переменный ток активно применяется человеком в быту и на различных производствах, машины постоянного тока, несмотря на некоторую ограниченность, до сих пор активно применяются в различных сферах деятельности человека. Суть работы данных агрегатов одна – преобразование механической энергии в электрическую, и наоборот.

Сегодня мы расскажем вам много интересного про эти уже давно изобретенные агрегаты, которые до сих пор практически ни в чем не изменились.

• Особенности двигателей постоянного тока Как устроены машины, работающие на постоянном токе
• Классификация машин постоянного тока
• Принцип работы на примере двигателя постоянного тока

Пуск и режим реверса

Классификация МПТ

В электромашиностроении и теории электромашин принято разделять МПТ на устройства с явно и с неявно выраженными полюсами возбуждения, с цилиндрической или многогранной станиной, с возбуждением постоянным током или постоянными магнитами, с механическим коммутатором-коллектором на якоре или бесконтактные. Назначение машин постоянного тока разделяет их на общепромышленные и специализированные. Среди последних можно назвать, например, тяговые ДПТ, используемые в рельсовом транспорте. Выделяются также металлургические ДПТ, в особенности двигатели для прокатных станов и т. д.

Как известно, обмотки машин постоянного тока разделяются на обмотки возбуждения (ОВ) и якоря (ОЯ). Первые служат для возбуждения магнитного поля устройства, а вторые — для отбора мощности от питающей электросети в режиме двигателя или для питания электрической нагрузки в режиме генератора. Существуют еще и обмотки дополнительных полюсов, используемые для облегчения процесса коммутации.

Электрические машины постоянного тока независимо от того, являются ли они генераторами или двигателями, могут быть классифицированы на основе схем соединения их обмоток возбуждения и якоря. Они могут составлять единую электрическую цепь или же вообще не иметь электрической связи (независимое возбуждение). Этот принцип классификации делит МПТ на два основных типа. Вы поймете дальнейшую их классификацию из представленной ниже схемы.

Устройство машины постоянного тока

ГПТ может использоваться как ДПТ без каких-либо конструктивных изменений. Конечно, промышленностью выпускаются машины, предназначенные для работы в качестве двигателей, и машины, являющиеся генераторами. Однако отличия между ними состоят в конструкции отдельных частей, и на этапе общего ознакомления могут быть проигнорированы. Следовательно, далее будем рассматривать устройство машины постоянного тока в общем, без привязки к режиму ее работы.

Ниже на рисунке показан поперечный разрез простой МПТ с двумя парами явно выраженных полюсов. Конструкция ее содержит две основные части: статор и якорь. Рассмотрим, из каких деталей они состоят.

Статор содержит станину, а также главные и находящиеся между ними дополнительные полюсы (на рисунке не показаны).

Станина – это внешняя конструктивная оболочка МПТ. Она бывает литой из чугуна (у машин старых конструкций) или сварной из толстого листа стали. Станина механически прочно скрепляет всю сборку МПТ. Кроме того, она служит магнитопроводом для магнитного потока, производимого главными полюсами.

Последние прикреплены к станине с помощью винтов или сварки. Основное их назначение – нести катушки обмотки возбуждения, намотанные на них и соединенные последовательно между собой таким образом, чтобы магнитная полярность полюсов чередовалась, т. е. после «северного» полюса следовал бы «южный» и т. д.

Полюсные наконечники (башмаки), являющиеся расширением главных полюсов, служат двум целям: для предотвращения соскальзывания катушек и для равномерного распределения поля возбуждения на большей части окружности воздушного зазора.

Якорь машины постоянного тока состоит из сердечника с обмоткой, втулки и вала. Сердечник – это стальной каркас цилиндрической формы, сложенный из тонких электрических листов стали, покрытых с обеих сторон электроизоляционным лаком. Это делается для предотвращения появления вихревых токов, стремящихся замкнуться в толще сердечника. В пазах его уложены секции петлевой или волновой обмотки якоря, коллектор машины постоянного тока и щетки. Обмотку якоря нужно присоединить к внешней электросети постоянного тока. Но нельзя непосредственно соединить выводы обмотки с сетевым вводом, потому что она вращается. Поэтому между сетью и обмоткой якоря установлен коммутатор-коллектор, представляющий собой множество изолированных друг от друга пластин из меди, образующих внешнюю цилиндрическую поверхность, разделенную изоляционными дорожками. Неподвижные контактные щетки скользят по ней, когда якорь с коллектором вращаются. Таким образом неподвижные щетки физически соприкасаются с вращающейся обмоткой якоря, а с их помощью уже можно выполнить подключение к внешней сети машины постоянного тока.

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 Dа ≤ 75 см), либо набираются на якорную втулку (Dа ≥ 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 сердечнике якоря 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.

Развитие конструкций МПТ

Первые промышленные образцы МПТ появились в 70-х гг. 19 в. Поначалу они имели кольцевой якорь с тороидальной (граммовской) обмоткой. После изобретения барабанного якоря они приобрели законченный вид, примерно соответствующий вышеприведенному рисунку. Однако конструкция машин постоянного тока во второй половине 20 в. претерпела довольно сильные изменения. Прежде всего они коснулись статора. Вместо явно выраженных главных полюсов стали применять неявнополюсную конструкцию. В ней сосредоточенную катушку возбуждения каждого главного полюса заменили несколько меньшие по размерам катушки, расположенные в пазах шихтованного статора, который имеет прямоугольную или многогранную форму, как на рисунке ниже. В тех же пазах статора размещают и компенсационную обмотку, о которой будет сказано далее. В результате конструкция машин постоянного тока стала намного легче.

В связи с развитием управляемого асинхронного электропривода некоторые специалисты высказывают мнение о скором вытеснении асинхронными двигателями ДПТ из традиционных для них областей применения, таких как тяговый электропривод или привод металлургических механизмов. Однако пока еще рано говорить об этом как о свершившемся факте.

Общий принцип образования обмотки якоря

Любая из обмоток якоря является замкнутой сама на себя непрерывной электрической цепью, состоящей из последовательно соединенных секций (катушек). В простейшем случае секция может представлять просто один виток с двумя пазовыми проводниками или же быть многовитковой. Пазовые стороны секции всегда разнесены на расстояние, чуть меньшее полюсного деления – части окружности якоря, приходящейся на один главный полюс. Поэтому они в каждой из секций всегда находятся под главными полюсами противоположной полярности. В единую замкнутую цепь секции соединяются на пластинах коллектора. Способ же этого соединения и определяет тип обмотки. Рисунок ниже поясняет принцип образования обмотки якоря машины постоянного тока из шести многовитковых секций, соединяемых на пластинах коллектора.

В положении, показанном на рисунке, щетки разделяют обмотку якоря на две параллельные ветви: верхнюю, в которую входят секции L1, L2, L3, и нижнюю, состоящую из секций L4, L5, L6. Число таких ветвей зависит от типа обмотки якоря, но оно всегда четное и не может быть меньше двух.

Конструкция коллектора

Рисунок 5. Коллектор

Устройство коллектора машины небольшой мощности показано на рисунке 5. Он состоит из медных 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.

Петлевые и волновые обмотки якоря

Это два основных типа обмоток, каждый из которых имеет несколько разновидностей. Мы рассмотрим их простейшие варианты. Слева на рисунке ниже показана форма секций, из которых состоит простая петлевая обмотка якоря машин постоянного тока. Как можно увидеть, такая же форма секций характерна для волновой обмотки.

В первом варианте один (начальный, стартовый) вывод каждой двухвитковой секции подключен к i-й пластине коллектора, а второй (конечный, завершающий) вывод соединен на соседней (i+1)-й пластине коллектора с начальным выводом следующей секции (см. рисунок выше). Таким образом, выводы каждой секции присоединены к двум рядом расположенным пластинам, а сама секция, состоящая из двух пазовых сторон и двух лобовых частей по форме напоминает петлю (отсюда и название обмотки).

Секция волновой обмотки имеет выводы, присоединенные не к соседним пластинам коллектора, а к разнесенным на определенный шаг, называемый шагом обмотки по коллектору ук. Для простой петлевой обмотки ук=1, а для простой волновой — ук=(К±1)/р, где К – число пластин коллектора, р- число пар главных полюсов. Как видно из рисунка, вследствие такого способа соединения секции приобретают форму, похожую на полуволну синусоиды, что и обусловило название обмотки.

Конструкция щеточного аппарата

Для отвода тока от вращающегося коллектора и подвода к нему тока применяется щеточный аппарат, который состоит из щеток, щеткодержателей, щеточных пальцев, 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)

Рисунок 6. Щеткодержатель со щеткой 1 – обойма щеткодержателя; 2 – щетка; 3 – нажимная пружина; 4 – токоведущий кабель; 5 – колодки для крепления к пальцу

Рисунок 7. Крепление щеточного пальца к траверсе 1 – палец; 2 – траверса; 3 – изоляция; 4 – токособирательная шина

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.

Принцип действия в режиме генератора

Согласно первоначальной трактовке явления электромагнитной индукции в движущемся проводнике, данной еще Фарадеем, когда он пересекает при движении силовые линии магнитного поля, в нем наводится ЭДС. Следуя этому принципу, можно объяснить причину наведения ЭДС в активных проводниках (тех, что уложены в пазы) обмотки якоря МПТ. Действительно, они движутся под главными полюсами, пересекая при этом линии поля. Поскольку последние непрерывны, каждый проводник якоря независимо от того, расположен ли он на его поверхности (так было в первых конструкциях МПТ) или в пазах, пройдя под полюсом, пересечет все исходящие из его наконечника линии поля. Направление действия индуцированной в проводнике ЭДС можно определить, применяя правило правой руки, которое иллюстрирует рисунок ниже.

Пазовые проводники якоря попарно входят в состав витков катушек его обмотки. Сумма ЭДС витков дает ЭДС катушки. Неподвижные щетки делят всю обмотку якоря на несколько (минимум две) параллельных ветвей. Сумма ЭДС всех катушек, входящих в параллельную ветвь, дает ЭДС всей обмотки якоря МПТ. Таким образом, принцип действия машин постоянного тока при работе генератором можно сформулировать так: якорь возбужденной машины вращается приводным двигателем, в его обмотке наводится ЭДС, которая вызывает протекание постоянного тока якоря в замкнутой электроцепи, включающей обмотку, коллектор, щетки и внешнюю сеть с нагрузкой.

При наличии тока якоря на него начинает действовать тормозящий электромагнитный момент. Он создает нагрузку для приводного двигателя. Чем больше электрическая мощность нагрузки генератора, тем сильнее тормозится его якорь и тем выше нагрузка приводного двигателя. При этом согласно закона сохранения энергии в последнем расходуется столько топлива на приведение якоря генератора во вращение, чтобы высвобожденная при его сгорании химическая энергия за вычетом энергетических потерь в двигателе и генераторе равнялась бы энергии, отбираемой электрической нагрузкой от машины постоянного тока.

Электромагнитный момент и электромагнитная мощность

При тех же предположениях, что и при определении Eа, электромагнитный момент машины

Если выразить сумму в этом выражении, как и выше, через Bср и Фδ, то в окончательной форме получим

причем постоянный для каждой данной машины коэффициент cм определяется равенством (7).

Сделанные выше замечания о влиянии формы кривой поля, шага обмотки, скоса пазов и сдвига щеток с нейтрали действительны и для данного случая. Момент в системе СИ получается в ньютон-метрах (Н × м). При необходимости выразить момент в килограмм-метрах (кгс × м) надо результат разделить на 9,81.

Отметим, что выражение (8) с учетом равенства (7) можно представить также в виде

откуда следует, что момент пропорционален потоку всех полюсов (2p × Фδ) и току всех проводников якоря

Из соотношений (6) и (8) вытекают также два равноценных выражения для электромагнитной мощности:

При выводе формул э. д. с. и момента предполагалось, что проводники обмотки расположены на гладкой поверхности якоря. В действительности проводники находятся в пазах, где магнитная индукция ослаблена. Однако полученные формулы справедливы и в этом случае, так как э. д. с. и момент определяются значением потока, сцепляющегося с секциями обмотки. При расположении проводников в пазах механические усилия действуют главным образом не на проводники обмотки, а на зубцы якоря.

Источник: Вольдек А.И., «Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений» – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Устройство и принцип действия в режиме двигателя

В этом режиме ток якоря подается в его обмотку от питающей электросети при пуске. На пазовые проводники якоря с током, находящиеся под главными полюсами, действуют силы Ампера. Направление их определяется по правилу левой руки, которое иллюстрирует рисунок ниже. Их сумма создает вращающий электромагнитный момент якоря (в отличие от тормозящего в режиме генератора), и он приходит во вращение.

Но во вращающихся пазовых проводниках, как и в генераторном режиме, наводятся ЭДС, которые дают суммарную ЭДС обмотки якоря. Она действует встречно напряжению питающей сети, частично уравновешивая его. Так выглядит принцип действия машин постоянного тока при работе двигателя. При этом согласно закона сохранения энергии от питающей электросети двигателем отбирается столько электроэнергии, сколько требуется механической энергии для приведения в движение присоединенного механизма с учетом энергетических потерь (электрических и механических). Иначе говоря, чем сильнее нагружен двигатель механически, т. е. чем больше вес и момент инерции приводимых им в движение механизмов или чем больше момент сопротивления среды, препятствующий их движению, тем большее количество электроэнергии потребляется двигателем от сети.

Рабочие моменты

Давайте разберем некоторые характеристики и особенности машин постоянного тока.

Пуск и режим реверса

К электрическому двигателю подключен регулятор оборотов

В момент, когда двигатель запускается, якорь имеет неподвижное положение, а значит, ЭДС в нем равна нулю. Из-за того, что сопротивление якорной обмотки очень маленькое, пусковой тока якоря намного превышает номинальный. Если представить себе такой пуск двигателя, то он однозначно бы вышел из строя.

• Чтобы такого не происходило, пусковой ток в двигателях постоянного тока с параллельным возбуждением ограничивается за счет включенного в цепь пускового реостата.
• Пуск при этом необходимо производить при номинальном значении магнитного потока, благодаря чему увеличивается пусковой момент и быстро растет ЭДС в обмотке якоря. В результате двигатель разгоняется быстрее, а время, когда проходит большой пусковой ток по обмотке сокращается.
• Когда разгон двигателя завершается, реостат выводится из цепи – делается это либо плавно, либо ступенчато.
• Для того чтобы остановить двигатель, достаточно отключить подачу питания к нему.
• Для любого электрического двигателя доступен режим вращения в обратном направлении – реверс. Для этого нужно всего лишь изменить направление тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке статора.

Интересно знать! Одновременное изменение направления токов ни к чему не приведет, двигатель продолжит вращаться в том же направлении.

Потери мощности и КПД

Даже самый технически совершенный двигатель постоянного тока не может работать без потерь мощности

Любой двигатель или генератор постоянного тока работает с потерями мощности. Их делят на два типа: основные и добавочные.

• К первым относят магнитные, электрические и механические.
• Магнитные потери, происходящие в стали обозначают ΔРс. Происходят они из-за того, что во время вращения сердечник на якоре постоянно перемагничивается, поэтому возникают потери на гистерезис и вихревые токи.
• Электрические потери (ΔРэл) происходят из-за активного сопротивления обмоток, а также сопротивления щеточного контакта, то есть данное значение представляется в виде суммы указанных потерь.
• Механические (ΔРмех) включают потери на трение подшипников, трение щеток о коллектор, трение вращающегося якоря о воздух (и такое есть) и вентиляционные потери.
• Все остальные потери называются добавочными и связаны они в основном с взаимодействием различных частей агрегата с магнитным полем.

Потери незначительны при отсутствующей нагрузке

Интересно знать! Потери мощности при работе в холостом режиме, то есть без нагрузки, крайне малы.

Для расчета каждого типа потерь применяются специальные формулы. Мы не будем так глубоко вдаваться в суть, а скажем лишь, что КПД машины постоянного тока определяется отношением отдаваемой мощности, к потребляемой. Выражают данное значение обычно в процентах.

Современные машины постоянного тока стали очень эффективными. КПД у них обычно варьируется в пределах 75-90%.

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики ДПТ

Рабочие характеристики представляют собой следующие зависимости:

• Скорости вращения, потребляемого тока и мощности двигателя;
• КПД от полезной мощности при условии, что напряжение питания неизменно.
• Тока обмотки возбуждения и отсутствия добавочного сопротивления в цепи якоря.

Все эти параметры позволяют говорить о свойствах двигателей в режиме эксплуатации, а также находить оптимальные и экономичные режимы их работы.

Регулировка скорости вращения двигателя

Принципиальная схема регулятора оборотов вращения

Регулировать скорость вращения машины постоянного тока можно тремя способами: изменение напряжения сети, реостатное регулирование, изменение магнитного потока. Давайте обо всем по порядку.

• Изменение напряжения осуществляется за счет устройств, которые могут, собственно, менять величину напряжения.
• Реостатное регулирование, как мы уже упоминали по ходу статьи, нуждается во введении в цепь якоря дополнительных резисторов активного типа, то есть меняющих свои характеристики при определенных условиях.
• Регулирование магнитного потока происходит за счет уменьшения тока возбуждения.

Конечно, мы назвали не все характеристики машин постоянного тока, а лишь основные, но для ознакомления с этими агрегатами этого вполне достаточно.

Видео в этой статье продемонстрирует, как работают данные устройства.

О физическом механизме наведения ЭДС в проводниках обмотки якоря МПТ

Следует отметить, что физикам-теоретикам не нравится вышеприведенный (и популярный в технической литературе) физический механизм наведения ЭДС, т. к. силовые линии магнитного поля – это всего лишь умозрительный образ, придуманный Фарадеем для его описания. Никаких подтверждений действительного существования их как реальных физических объектов не существует.

Альтернативным механизмом наведения ЭДС в движущемся пазовом проводнике обмотки якоря МПТ является воздействие на электроны внутри него силы Лоренца, пропорциональной магнитной индукции в месте расположения проводника. Однако и здесь имеется противоречие, заключающееся в том, что внутри пазов якоря магнитная индукция исчезающе мала, а на величине ЭДС проводников это не сказывается. Поэтому вместо индукции в пазе в формулу подставляют индукцию в воздушном зазоре, что, конечно же, неправильно, но дает результат, близкий к наблюдаемому на практике.

Выходом из данной коллизии является переход к описанию магнитного поля не посредством вектора магнитной индукции, а при помощи векторного магнитного потенциала. Активным сторонником такого подхода был выдающийся русский электротехник К. М. Поливанов. Более подробно с этой проблемой можно познакомиться в работах автора.

Магнитное поле МПТ при нагрузке

В нагруженной МПТ имеется два вида магнитных потоков: поток ОВ и поток ОЯ, создаваемые токами этих обмоток. Силовые линии первого из них направлены вдоль осей пары полюсов, через которые он замыкается, как это показано на фигуре 1 на рисунке ниже. Такой поток возбуждения называется продольным. Если полюсов в МПТ больше двух, то в воздушном зазоре под наконечником каждого из них это поле также является продольным.

Силовые линии потока ОЯ замыкаются поперек оси полюсов, поэтому применительно к МПТ говорят о поперечном поле якоря, которое показано на фигуре 2 на том же рисунке.

Поток якоря суммируется с потоком возбуждения, образуя результирующий поток. В этом проявляется реакция якоря машины постоянного тока, заключающаяся в воздействии поперечного поля на продольное поле возбуждения, силовые линии которого при этом искажаются, сгущаясь возле одного края полюса и разреживаясь возле другого. В ГПТ сгущение силовых линий поля, т. е. его усиление относительно поля возбуждения, происходит под набегающим на якорь краем полюса, а в ДПТ — под сбегающим, как показано на фигуре 3.

Конструкция полюсов

На рисунке 1 изображен полюс машины. Сердечники полюсов набираются из листов, выштампованных из электротехнической стали толщиной 0,5 – 1 мм, а иногда также из листов конструкционной стали толщиной до 2 мм. Так как магнитный поток 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 полюсным наконечником или башмаком. 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.

Побочные следствия реакции якоря

Вследствие явления магнитного насыщения стали результирующее поле под краем полюса, где оно усиливается, не может увеличиться в той же степени, в которой ослабляется под противоположным краем. Поэтому результатом данного эффекта является общее снижение магнитного поля нагруженной машины. В случае генератора ослабление поля уменьшает генерируемое напряжение.

Реакция якоря машины постоянного тока искажает пространственную картину силовых линий поля, следовательно, изменяется положение магнитной нейтрали (МН) — в двухполюсной МПТ она перпендикулярна силовым линиям потока возбуждения и совпадает с геометрической нейтралью ГН. Щетки должны быть размещены на МН, в противном случае это приведет к искрению под ними. Таким образом, в связи с реакцией якоря трудно определить точное положение МН. Впрочем, для этого существуют апробированные на практике способы.

Вторым негативным следствием данного эффекта, которое существенно ухудшает эксплуатационные характеристики машины постоянного тока, является повышение максимального напряжения между рядом расположенными пластинами. Посмотрите еще раз на схему простой петлевой обмотки. Если стороны некоторой ее секции находятся одновременно под краями двух соседних разноименных главных полюсов с увеличенным из-за реакции якоря полем, то индуктируемое в этой секции напряжение, а следовательно, и напряжение между парой соседних пластин коллектора может существенно превысить его величину, когда реакция якоря отсутствует, т. е. при холостом ходе. Причем такое превышение наступает обычно сразу на нескольких участках коллектора, расположенных в зонах увеличенного поля. В результате может возникнуть такое явление, как круговой огонь на коллекторе, которое может его полностью разрушить. Поэтому без специальных конструктивных способов подавления реакции якоря работа машины постоянного тока, имеющей среднюю и большую мощность, практически невозможна.

Способы борьбы с реакцией якоря

Наиболее простым и первым из появившихся способов стало увеличение воздушного зазора от середины к краям наконечников полюсов, т. е. выполнение расходящегося зазора. При этом увеличивалось магнитное сопротивление потоку реакции якоря, и воздействие его на поле возбуждения уменьшалось. Но сопротивление росло и для потока возбуждения, что вынуждало увеличивать габариты катушек на главных полюсах.

Для ослабления потока якоря при изготовлении главных полюсов используется электротехническая сталь с магнитной анизотропией ее свойств (магнитной проницаемости) вдоль и поперек оси полюсов. Полюсы из такой стали хорошо проводят продольный поток возбуждения и плохо — поперечный поток якоря. Однако такая сталь очень дорога, а ее свойства сильно зависят от температуры и изменяются с течением времени.

Наконец был найден радикальный способ борьбы с реакцией якоря машины постоянного тока. Устройство и принцип действия ее при этом почти не изменились, но добавилась еще одна обмотка – компенсационная. Она размещается в пазах, выполняемых в наконечниках главных полюсов (или в пазах статора вместе с обмоткой возбуждения при неявнополюсной конструкции), как показано на рисунке ниже, и присоединяется последовательно к обмотке якоря, т. е. по ним проходит одинаковый ток.

Однако направление обтекания им витков компенсационной обмотки выбрано таким образом, что возбуждаемый ею магнитный поток направлен навстречу потоку реакции якоря и компенсирует его.

Все современные электрические машины постоянного тока, имеющие среднюю и большую мощность, оснащаются такой обмоткой.

Содержание Предыдущий § Следующий

РАЗДЕЛ 10 МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

10.1. Общие сведения

10.1.1. Особенности коллекторных машин постоянного тока

Коллекторные машины — это в основном машины постоянного тока. Они выпускаются мощностью от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Коллекторные машины переменного тока находят применение в качестве приводных двигателей лишь для узкого круга специальных механизмов небольшой мощности, например как приводы некоторых бытовых приборов, электрифицированного ручного инструмента, медицинского оборудования, т. е. в тех случаях, когда для питания двигателей используется однофазный и реже трехфазный переменный ток, а характеристики асинхронных машин не удовлетворяют требованиям приводного механизма.

Коллекторные машины постоянного тока используются как двигатели и как генераторы. В промышленности более распространены двигатели, что объясняется все возрастающим применением различных статических выпрямителей, обеспечивающих промышленные установки энергией постоянного тока.

Широкое распространение двигателей постоянного тока несмотря на их более высокую стоимость и сложность эксплуатации по сравнению с асинхронными объясняется в первую очередь простыми и надежными способами регулирования частоты вращения, большими пусковыми моментами и перегрузочной способностью, чем у двигателей переменного тока. Наибольшее распространение двигатели постоянного тока получили в приводах, требующих глубокого регулирования частоты вращения (металлургическая промышленность, транспорт и т. п.).

10.1.2. Основные элементы конструкции машин постоянного тока

Основными конструктивными элементами машин постоянного тока (рис. 10.1) являются станина с закрепленными на ней главными и добавочными полюсами, вращающийся якорь с обмоткой и коллектором и щеточный аппарат. В машинах малой и средней мощностей станина одновременно служит и корпусом, к которому крепятся лапы для установки машины, и частью маг-нитопровода. По ней замыкается магнитный поток. В большинстве машин станина выполнена массивной, из стальных труб, либо

Рис. 10.1. Двигатель постоянного тока серии 2П:

/ — тахогенератор; 2 —

траверса;
3 —
коллектор;
4 —
станина; 5 — якорь;
6
— главный полюс; 7 — добавочный полюс;

Рис. 10.1. Продолжение

сварной из листов конструкционной стали. В ряде машин станину выполняют шихтованной.

К внутренней поверхности станины крепят главные и добавочные полюсы. Сердечники главных полюсов массивные либо набраны из листов стали толщиной 1 — 2 мм. Сердечники добавочных полюсов, как правило, массивные. На главных полюсах располагаются обмотки возбуждения (см. § 4.10); их МДС создают рабочий поток машины. Обмотки добавочных полюсов, расположенных по поперечным осям машины, служат для обеспечения нормальной коммутации.

Магнитопровод якоря шихтуется из листов электротехнической стали. В машинах малой мощности сердечник якоря насаживается непосредственно на вал со шпонкой и фиксируется в осевом направлении буртиком вала и кольцевой шпонкой. С торцов якоря для предотвращения распушения листов во время работы установлены нажимные шайбы, совмещенные с обмоткодержате-лями.

Обмотки якорей (см. § 4.7) двухслойные. В машинах мощностью до 15 — 20 кВт они выполнены из круглого провода и уложены в полузакрытые пазы. В пазовых частях обмотка крепится пазовыми клиньями, в лобовых — бандажами из стеклоленты или немагнитной стальной проволоки, которые прижимают их к обмоткодержателям. В машинах большой мощности катушки обмотки якоря наматывают из прямоугольного провода и укладывают в открытые пазы. Крепление обмотки либо такое же, как и в машинах малой мощности, т. е. клиньями в пазовой и бандажами в лобовой части, либо бандажами и в пазовой, и в лобовой части. Выводные концы каждой секции обмотки впаиваются в прорези коллекторных пластин.

Коллекторы в большинстве машин общего назначения цилиндрические. Торцевые коллекторы применяют лишь в некоторых машинах малой мощности специального назначения. Во всех цилиндрических коллекторах пластины имеют клиновидную форму с углом наклона, при котором пластины, собранные в кольцо, плотно прилегают друг к другу боковыми поверхностями и зажимают миканитовую изоляцию (рис. 10.2). Наибольшее распространение получили коллекторы, в которых пластины удерживаются в сжатом состоянии металлическими нажимными конусами (рис. 10.3) либо опрессовкой в пластмассу (рис. 10.4). В коллекторах с нажимными конусами пластины закрепляются передвижением переднего нажимного ко-

Рис. 10.2. Положение коллекторных пластин в цилиндрических коллекторах:

/ — пластины коллектора; 2 — изоляция между пластинами; Р

— сила давления нажимных конусов;
Р,
— сила арочного распора

Рис. 10.3. Коллектор с нажимными конусами:

передний нажимной конус;
2 —
пластины коллектора ;
3
— втулка коллектора;
4
— изоляционная манжета; 5 —задний нажимной конус

нуса по втулке коллектора. При этом создается давление на нижнюю часть ласточкина хвоста пластин и возникает арочный распор (см. рис. 10.2). Такие коллекторы называют арочными. Пластины коллектора с расположенными между ними изоляционными прокладками образуют монолитное кольцо. Нажимные конусы изолируют от пластин миканитовыми фигурными прокладками — манжетами, имеющими большую механическую прочность.

Коллекторы на пластмассе более просты в изготовлении, но в силу меньшей механи-

Рис. 10.4. Коллектор на пластмассе:

— общий вид;
б —
варианты пластин коллектора;
1 —
пластины коллектора;
2 —
пластмассовый корпус;
J —
втулка коллектора;
4 —
армировочное кольцо

Рис. 10.5. Принципиальная конструкция коллектора с бандажными кольцами:

/ — изоляция под бандажными кольцами; 2

— бандажные кольца;
3
— пластины коллектора;
4 —
втулка коллектора

ческой прочности и надежности не применяются в машинах большой мощности.

В некоторых быстроходных машинах, например в возбудителях турбогенераторов, из-за больших центробежных сил, действующих на пластины коллектора, прочность их крепления с помощью ласточкиных хвостов оказывается недостаточной и коллекторные пластины крепят на втулку с помощью внешних бандажных колец (рис. 10.5).

Щетки коллекторных машин устанавливают в щеткодержатели, закрепленные на щеточных пальцах, причем на каждом щеточном пальце может быть установлено по нескольку щеткодержателей и щеток, соединенных между собой параллельно. Число щеток и их размеры определяются номинальным током машины. Число щеточных пальцев должно быть равно числу полюсов машины. Двигатели с волновой обмоткой на

якоре при отсутствии места для установки полного комплекта щеточных пальцев допускают установку неполного числа щеточных пальцев, что используется в некоторых конструкциях тяговых двигателей. Щеточные пальцы укреплены на траверсе, которая допускает поворот на некоторый угол вокруг оси машины для регулирования положения щеток на коллекторе.

В последние годы получают распространение бесколлекторные двигатели постоянного тока, в которых механический преобразователь тока — коллектор со щеточным аппаратом — заменен вентильным коммутатором. Вентильные двигатели имеют широкий диапазон регулирования частоты вращения и • не имеют недостатков, связанных с работой скользящих контактов коллектор—щетки, характерных для коллекторных машин постоянного тока.

10.1.3. Характеристики машин постоянного тока

Характеристики машин постоянного тока определяются системой возбуждения: независимой, параллельной, последовательной или смешанной (рис. 10.6, а —г).

При независимой системе возбуждения обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока и ток возбуждения не зависит от режима работы и нагрузки машины. Генераторы с независимой системой возбуждения допускают регулирование напряжения практически от нуля до номинального. Изменение напряжения при увеличении нагрузки определяется только размагничивающим действием реакции якоря и увеличением падения напряжения на сопротивлении якорной цепи.

Ток параллельной обмотки возбуждения генераторов с самовозбуждением меняется в зависимости от напряжения на выводах генератора и уменьшается с ростом нагрузки из-за размагничивающего действия реакции якоря, что в свою очередь приводит к добавочному увеличению падения напряжения. За счет этого номинальное падение напряжения генераторов с параллельным возбуждением больше, чем генераторов с независимым возбуждением.

В генераторах со смешанной системой возбуждения при согласном включении параллельной и последовательной обмоток поток стабилизируется, так как размагничивающее действие реакции якоря компенсируется изменением МДС последовательной обмотки, пропорциональным току нагрузки. Последовательную обмотку таких машин

Рис. 10.6. Системы возбуждения машин постоянного тока: а

— независимая;
б
— параллельная;
в
— последовательная;
г —
смешанная

называют стабилизирующей. Номинальное падение напряжения генераторов со стабилизирующей обмоткой мало. Некоторые генераторы выполнены со стабилизирующей обмоткой, при которой обеспечивается равенство !7НОМ = (7Х|Х (где 1/Х]Х — напряжение холостого хода).

При встречном включении параллельной и последовательной обмоток возбуждения напряжение на выводах генератора резко падает с увеличением тока нагрузки. Такие системы возбуждения находят применение в сварочных генераторах постоянного тока.

В двигателях параллельного возбуждения размагничивающее действие реакции якоря может вызвать неустойчивую работу, так как уменьшение потока с ростом нагрузки из-за действия реакции якоря при малом суммарном сопротивлении якорной цепи приводит к увеличению частоты вращения двигателя. Поэтому в большинстве двигателей средней и во всех двигателях большой мощности помимо параллельной устанавливается последовательная обмотка возбуждения, стабилизирующая магнитный поток и придающая устойчивость механической характеристике (рис. 10.7, а).

Механические характеристики двигателей с последовательным возбуждением (рис. 10.7,6) имеют специфический «падающий» характер. Двигатели с последовательным возбуждением используются в приводах, требующих больших пусковых моментов и устойчивой работы при -малых частотах вращения.

Рис. 10.7. Механические характеристики двигателей постоянного тока:

смешанного возбуждения;
б —
последовательного возбуждения

10.1.4. Регулирование частоты вращения машин постоянного тока

общем случае частота вращения двигателей постоянного тока определяется выражением

— напряжение, подводимое к якорю двигателя;
1а
— ток якоря; £Да — сумма сопротивлений якоря и всех последовательно

включенных обмоток; СЕ

— коэффициент, зависящий от обмоточных данных двигателя; Ф — магнитный поток машины.

Из приведенного выражения следует, что частота вращения двигателя при неизменной нагрузке может быть изменена регулированием питающего напряжения U,

включением последовательно с якорем дополнительного регулировочного резистора (изменение £.Ra) и изменением магнитного потока машины (изменением тока возбуждения). В практике применяются все три способа регулирования.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения встречает трудности, связанные со сложностью пре-обра’зования напряжения постоянного тока. Для этой цели либо применяют статические преобразователи напряжения, либо питают двигатель от отдельного генератора постоянного тока, допускающего плавное регулирование напряжения (система генератор — двигатель). Такие системы применяют лишь для отдельных специальных приводов, требующих регулирования частоты вращения по сложной программе, например для главных двигателей прокатных станов.

Регулирование частоты вращения потоком является наиболее экономичным способом, так как потери в регулировочных резисторах, включаемых для этой цели последовательно с обмоткой возбуждения, невелики из-за малого тока возбуждения.

Однако этот способ позволяет лишь увеличивать частоту вращения двигателей по сравнению с номинальной. Такой способ регулирования предусмотрен для всех серийных двигателей постоянного тока.

Включение добавочного резистора в цепь якоря дает возможность плавно регулировать частоту вращения, но сопряжено с большими потерями в регулировочном реостате, по которому проходит полный ток нагрузки. Этот способ используется, например, для регулирования частоты вращения тяговых двигателей.

В современных системах регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока применяются тиристорные схемы, позволяющие осуществить регулирование частоты вращения в широких пределах по заданной программе. Датчиками частоты вращения для осуществления обратной связи при регулировании могут быть тахогенера-торы, размещенные на валу якоря двигателя (см. рис. 10.1).

10.1.5. Коммутация машин постоянного тока

Коммутация машин постоянного тока, т. е. изменение направления тока в секциях обмотки якоря при переходе секций от одного полюсного деления к другому, происходит при кратковременном замыкании их щетками на пластинах коллектора. При коммутации в короткозамкнутых секциях возни-

Таблица 10.1. Оценка степени искрения под сбегающим краем щеток по ГОСТ 183-74

Характеристика степени искрения	Состояние коллектора и щеток
1	Отсутствие искрения	Отсутствие почернения на коллекторе и следов нагара на щетках
ll 4	Слабое искрение под небольшой частью края щетки
‘i	Слабое искрение под большей частью края щетки	Появление следов почернения на кол-[ лекторе и следов нагара на щетках, легко устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином
2	Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки	Появление следов почернения на коллекторе и следов нагара на щетках, не устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином
3	Значительное искрение под всем краем щетки с появлением крупных и вылетающих искр. Допускается только при прямом включении или реверсировании машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы	Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и частичное разрушение щеток

кают реактивная ЭДС и ЭДС вращения, наводимая потоком реакции якоря, магнитные силовые линии которого пронизывают замкнутые при коммутации секции. При движении коллектора в момент отхода пластины коллектора от замыкающей данную секцию щетки происходит разрыв цепи (замкнутой секции), имеющей индуктивное сопротивление, и возникает искрение между сбегающим краем щетки и коллекторной пластиной. При неудовлетворительной коммутации искрение может быть значительным и может привести к местному повреждению коллектора, что в свою очередь ухудшает переходный контакт щетка—коллектор и усиливает искрение. Качество коммутации машины постоянного тока оценивается по интенсивности искрения на коллекторе (табл. 10.1).

Для улучшения коммутации во всех машинах постоянного тока, кроме машин малой мощности, устанавливают добавочные полюсы, МДС которых компенсирует МДС реакции якоря по поперечной оси машины, т. е. в зоне расположения коммутируемых секций. Кроме того, поток, создаваемый обмоткой добавочных полюсов, наводит в замкнутых при коммутации секциях ЭДС, несколько превышающую реактивную ЭДС секций и направленную ей навстречу. Коммутация машины при этих условиях становится прямолинейной или даже ускоренной. Напряжение под сбегающим краем щеток уменьшается до весьма малых значений и искрение под щетками становится не опасным для работы машины.

В крупных машинах постоянного тока кроме добавочных полюсов в пазах на наконечниках главных полюсов располагают компенсационную обмотку (см. § 4.8). Компенсационная обмотка предназначена для компенсации воздействия реакции якоря на поток возбуждения по продольной оси. Уменьшение влияния реакции якоря позволяет выполнять машины с уменьшенным воздушным зазором и улучшить их коммутацию.