Elektrotehnika_i_elektronika_2008
.pdf151 Глава 2. Электромагнитные устройства u электрические машины
объем машины, оседая на изоляционных материалах и деталях. Яв-
ляясь электропроводящей средой, такая пыль может нарушить режим работы изоляции. Во-вторых, .при ; определенных неблагопри-
ятных условиях под щетками может .возникать различной .
интенсивности искрение.; переходящее.в критических случаях в круговой огонь по коллектору. УказанньУе факторы снижают надеж=
ность работы и требуют. постоянного надзора и ухода за машиной..
И, наконец, машины постоянного то%а ' по стоимости в несколько
раз дороже машин переменного тока такой же мощности.
2.2.2. Устройство машин постоянного тока
Машина постоянного тока, как, впрочем, и всякая другая злек- . трическая машина, состоит из двух основных частей:
1) неподвижной части, которая называется статором, и предназначенной в основном для создания постоянного магнитного потока; 2) вращающейся части, которая называется якорем и. в которой происходит процесс преобразования механической энергии в злек- .
трическую(генератор)или'обратно—электрическойэнергиивме-
ханическую (двигатель). .
Неподвижная и вращающаяся. части отделяются друг 'от друга воздушным зазором.
Неподвижная часть машины постоянного тока состоит из главныхполюсов, предназначенных для создaния постоянного во времени и неподвижного в пространстве магнитного ' поля, добавочных
полюсов, устанавливаемых между основными и служащих для достижения безы скуовой работы 'щеток на коллекторе, и. станины.
Якорь представляет собой цилиндрическое тело, имеющее Вал и вращающееся в пространствё между полюсами статора, и состоит из
зубчатого сердечника якоря, имеющего пазы на внешней поверхности, в которые укладываются проводники обмотки якоря, коллекто
ра и прижимаемых к нему щеток. .
На рис. 2.31 приведено схематическое изображение машины
постоянного тока. .
Приведем краткое описание главных конструктивных элементов машины постоянного тока.
Главный полюс состоит из сердечника, набираемого из листов электротехнической стали толщиной 0,5 - 1,о мм. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник имеет полюсный наконечник, служащий для
облегчения проведения магнитного потока через воздушный зазор. Катушка обмотки возбуждения выполняется из изолированной проводниковой меди и закрепляется на специальном. каркасе, надетом. на сердечник. Крепление главного полюса к: станине производится
прй помощи специальных болтов. = .
Электротехника и электроника |
. '152 |
|
Станина |
|
Обмотка возбуждения |
|
Главный полюс |
|
Витки обмотки якоря |
|
Дополнительный полюс |
|
Гpафитовая щетка |
|
Коллектор |
|
Якорь |
|
Магнитный паток |
Рис.. 2.31. Схематическое изображение машины постоянного тока
Добавочные полюсы состоят из сердечника, оканчивающегося
полюсным наконечником той или иной формы, и надетой на сердечник катушки. Сердечники добавочных полюсов в отлйчйе от главных полюсов часто делаются сплошными из кованой стали или литыми. Катушки добавочных полюсов ' обычно имеют небольшое число витков и выполняются из изолированной медной проволоки или шин большого сечения, так как они включаются последовательно c обмоткой якоря. добавочные полюсы устанавливаются строго по середине между главными полюсами и крепятся к станине болтами.
Станиной называют. неподвижную, часть машины; к которой крепятся главные и добавочные полюсы и при помощи которой машина крепится к фундаменту. Часть станины , служащая для проведения магнитного потока главных й добавочных полюсов, называется ярмом. Станина делается из литой стали или чугуна c разъемом или без него в зависимости от типа или моцХности машины. K станине машины c обоих ее торцoв крепятся болтами подшипниковые щиты,
предназначенные для опоры вала якоря. Щ'еточная траверса, в ко-
торой'устанавливаютсящеткодержатели,крепитсяиликстанине,
или к подшипниковым Щитам. .
Сер дёчник якоря выполняет двоякую роль:, во-первых, он является одним из звеньев магнитной цепи машины, a во-вторых, несет на себе обмотку якоря.
Сердечник якоря имеет следующие конструктивные особенности: он набирается из отдельных изолированных круглых листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, а его внешняя поверх
ность имеет зубчатое строение.
153 Глава 2. Электромагнитные устройства u электрические машины
Зубчатыми якоря делаются по следующим соображениям. Вопервых,. это позволяет значительно удобнее и надежнее крепить обмотку, уложенную в пазы такого якоря. Во-вторых, это существенно уменьшает величину воздушного зазора между поверхностью полюсного башмака .и стальным телом сердечника якоря, что резко снижает сопротивление магнитной цепи машины и позволяет иметь
катушки главных' полюсов с меньшим числом витков для создания
необходимой намагничивающей силы: Для улучшения охлаждения
в сердечнике якоря предусматриваются вентиляционные каналы.
Наштампованные круглые листьУ собираются на направляющей
шпонке на валу машины и спрессовы ваются при помощи нажимных шайб. Таким образом, ли.стованный сердечник оказывается
насаженным на вал. .
Обмотка якоря изготавливается из отдельных секций, выполнен-
ных из .проводниковой изолированной медной проволоки. Секции
обмотки изготавливаются на специaльных шаблонах, a затем изоли-
руются от сердечника пазовой изоляцией и укладываются в пазы сердечника якоря. Активные стороны секций, составляющих обмотку якоря, находятся в пазах и закрепляются при помощи бандажей или клиньев. Концы секций. обмотки якоря впаиваются в прорези
(шлицы) медных пластин коллектора.
Коллектор является характерной частью машин постоянного
тока: Конструктивно коллектор представляет собой цилиндрическое тело, собранное из отдельных клинообразных медных пластин, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. Пластины коллектора имеют нижнюю часть в. форме ласточкиного хвоста, который используется для . крепления. Пластины коллектора собираются через изоляционные. миканитовые манжеты., прессуются и зажимаются в стальных конусах, стягиваемых .болтами. Собранный таким образом коллектор насаживается на вал рядом c сердечником якоря. B прорези (шлицы) коллекторных пластин впаиваются концы секций обмотки якоря. _Если разница между диаметрами якоря и коллектора велика, то соединение производится c помощью со-
единительных звеньев — петушков.
щетки имеют c коллектором скользящий контакт и осуществ-
ляют соединение обмотки якоря с внешней сетью. Щетки бывают
угольнографитовые или металлоугольньУё и имеют форму. прямо-
угольных брусков, в которые заделаны .соединительные гибкие мед-
-ные провода. _
Щетки помещаются в специальном щеткодержателе и прижимаются к пластинам коллектора нажимными пальцами при помощи пружин .для создания хорошего контакта между Щетками и поверхностью коллектора. . .
Концы обмоток электрической машины выводятся к зажимам коробки выводов, служащей для присоединения проводов электри-
Электротехника и электроника |
154 |
ческой сети. Коробка выводов располаТается на внешней поверхности станины.
2.2.3. Принцип действия электрических машин
постоянного тока
Принциидействия генератора. Напомним, что генератором называется электричёская машина, преобразующая подводимую к ней механическую мощность в электрическую мощность.
Простейший генератор можно представить в виде медного. витка, равномерно вращающегося 'в постоянном магнитном поле (рис. 2 .32) . Заметим, что виток представляет собой одну секцию обмотки якоря, а магнитное поле создается главными полюсами.
Концы такого витка выведены на две пластины (полукольца) коллектора. К этим коллекторным пластинам прижимаются две неподвиж-'
ные щетки,: к которым подключается внешняя цепь c потребителем электроэнергии сопротивлением R H. .
Пусть виток приводится в равномерное вращение co скоростью п от внешнего источника механической мощности, например како- го-либо приводного двигателя ПД. Активные стороны витка пере секают силовые линии постоянного магнитного поля и в них по акоиу электромагнитной индукции наводятся ЭДС е 1 и е2; направ-
ление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в его верхней активной стороне, находящейся под северным 'магнитным
Рис. 2.32. Работа машины постоянного тока генератором
155 Глава 2. Электромагнитные устройства и электрические машины .
полюсом N, наведенная ЭДС направлена. от нас, а в нижней активной стороне витка, находящейся под южным _ магнитным .полюсом
S, — к нам. По коду витка -. эти . ЭДС схладываются, и результирую щая ЭДС всего витка Е е1 + е2. Если внешняя цепь замкнута, то ,в
•ней потечет ток I, направленный .от нижней щетки к потребителю и от него — к верхней щетке: Нижняя щетка оказывается положи
тельным выводом генератора, а верхняя -- отрицательным. При по-
вороте витка на 180 0 его активные стороны из зоны одного магнитного полюса переходят в зону другого магнитного полюса и
направления ЭДС в них. изменяется на обратное. Однако одновременно c этим верхняя коллекторная пластина выходит из контакта c верхней щеткой и входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя коллекторная пластина. входит в контакт с верхней щеткой.' Такая синхронная смена зон магнитных полюсов активными сторонами рамки и щеток коллекторными пластинами не изменяет направление тока во внешней цепи. Таким образам, вращающиеся c витком
коллекторные пластины и неподвижные щетки e только обеспе-
чивают электрическое соединение витка c внеiйней. цепью, ' но и являются специальным переключающим устройством, выполняю-
• им роль механического выпрямителя тока.
. Будучи постоянными по направлению', ток и 'ЭДС на щетках и
во внешней цепи оказываются переменными по величине, т. е. .пуль сирующими. Это связано c изменением положения витка в магнитном поле при его вращении и, как следствие, изменение угла меж ду векторами мгновенной скорости и магнитной индукции. Отмеченную пульсацию тока и ЭДС можно сгладить путем увеличения числа витков, вращающихся в магнитном поле, и соответствующего увеличения числа коллекторных пластин, что' и имеет место в реальных машинах (рис. 2.. 33) .
Рис. 2.33. Сглaживание пульсаций ЭДС на щетках
Электротехника и электроника |
156 |
Рассмотренный нами виток представлял собой, как было отмечено, ' одну секцию обмотки якоря. В реальных же машинах обмотка якоря состоит из большого количества таких секций, в которьтх происходят те же самые процессы, лишь сдвинутыё по времени. Причем каждая секция может состоять не из одного, a из . нескольких витков. Активные стороны .секций укладываются в пазы сердечника якоря таким образом, чтобы одна сторона располагалась под магнитным полюсом одной полярности, а другая — . под полюсом
другой полярности (рис. 2.34).. Лишь при соблюдении этого условия
наводимые в сторонах витка ЭДС будут cкладываться. Все секции
обмотки якоря соединяются между собой. через коллекторные пласти.ньт.
• 1
.)1
Рис. 2.34: Разновидности секций якорных обмоток
Рассмотрим явления, сопутствующие описанному режиму рабо-
тымашиныпостоянноготокагенератором.Во-первых,приподклю- чении к щеткам генератора внешней нагрузки RH по этой нагрузке. и по обмотке якоря, имеющей сопротивление Ая, потечет ток I. C появлением тока в обмотке якоря, находящейся в магнитном поле, на активные стороны ее витков (секций) начнут действовать электромагнитные силы Р3 Поскольку токи в сторонах витков якоря будут направлены в ту же, сторону, что и' вызвавшие их ЭДС, то найденные по правилу левой руки; направления этих сил создают момент Мп Р, противодействующий вращению якоря. Если скорость вращения якоря п постоянна, . то вращающий момёнт М приводного двигателя ПД должен быть равен противодействующему электромагнитному моменту М- генератора: М ВР = МпР _ М..Таким 'образом, для вращения якоря и производства электрической энергии необходимо подводить к генератору и затрачивать механическую энергию и тем большую, чем большe ток якоря. Во-вторых, 'в соответствии co схемой замещения цепи якоря генератора постоянного тока" (рис. 2.35) можно записать по 2-му закону Кирxгофа уравнение ее электрического состояния:
Е = I RH + IRя. |
(1) |
157 Глава 2. Электромагнитные устройства и электрические машины
N0
U
Рис. 2.35. Схема замещения цепи якоря генератора.
Но I RH = U, т. e. напряжению на нагрузке или на выходных зажимах генератора. Тогда уравнение (1) можно переписать в окончательном виде относительно напряжения на зажимах генератора: .
U = Е -- I Ая. |
(2) |
. Это выражение (2), называемое уравнением напряжений генератора, устанавливает, что напряжение на зажимах генератора U мень- ше ЭДС E, индуцированной (наведенной) в обмотке якоря маши- ны, на величину внутреннего падения напряжения в ней I Ая.
От . уравнения напряжений легкоперейти к уравнению баланса мощностей цепи якоря, умножив для этого обе части уравнения .(2)
на одно .и то же значение тока I: .
UI= EI-- I'2Rя. |
(3) |
Это уравнение говорит o том, что электрическая мощность на зажимах генератора и отдаваемая потребителю P =- U I равняется- элек- тромагнитной мощности преобразования эм = E I, развиваемой генератором из получаемой от приводного двигателя такой же по
величине механической мощности Рм'в-х = МВР Q =- МВР 2тсп, минус
мощность электрических потерь на активном сопротивлении обмот-
ки якоря Рэл = 1 2 Ая • Принцип действия двигателя. Наломнйм, что двигателем называ-
ется машина, преобразующая подводимую к ней электрическую энергию- в механическую. Поскольку машины постоянного тока
обладают свойством обратимости, то рассмотрим работу того же устройства в режиме электрического двигателя. Если к щеткам 'такого. устройства (рис. 2.36) подвести постоянное напряжение U, то через коллекторные пластины й виток, имеющий сопротивление R,
потечет ток- I. Активные стороны витка c током находятся в посто-
янном магнитном поле, поэтому, в соответствии c законом электро-
магнитной силы . (закон Ампера) на эти стороны витка будут действовать эти силы PЭM. Направление электромагнитных сил
. Электротеxника и электроника |
158 |
`'Э М
. Рис. 2.36. Работа машины постоянного тока двигателем
определяется по правилу левой руки: на верхнюю сторону витка сила действует вправо, на нижнюю -- влево. Эта пара сил создает вращающий момент М 1 , который заставляет виток поворачивать-
ся по часовой стрелке. |
' |
. |
V |
|
При переходе верхней стороны витка из зоны северного полюса N в . зону южного полюса S, a нижней стороны -- наоборот, ' концы витка и соединенные c ними коллекторные пластины вступают ,в контакт с неподвижными щетками другой полярности. При этом изменяется направление тока в . активных сторонах витка, a I-гаправ-
ление электромагнитных сил эм' момента М1 и тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, виток с :. током I непрерывно будет вращаться в постоянном магнитном поле co скоростью n и может приводить во вращение вал рабочего механизма РМ.
Отметим, что вращающийся коллектор и неподвижные щетки в режиме двигателя обеспечивают не толькр контакт внешней цепи с витком, но и выполняют функцию механического инвертора, т. е. преобразуют постоянный ток во внешней цепи в переменный ток во вращающемся витке.
Следует обратить 'внимание также на следующее. Как только виток под действием электромагнитных сил придет во вращение, в его активных. сторонах, перемещающихся в магнитном поле, возникают индуктированные ЭДС е1 и е2 , направление которых определяется по правилу правой руки. Из рис: 2.36 видно, что эти ЭДС в сторонах витка направлены против направления тока i и, следовательно, навстречу приложенному напряжению U. Поскольку ЭДС
е1 и е2 действуют согласованно, то результирующая ЭДС витка равняется Е = е 1 + е2 и носит название противo-ЭДС
159 Глава 2. Элехтромагнитные устройства и электрические машины
в соответствии. c изложенным ; схема замещения цепи якоря дви-
гателя будет иметь. вид, представлённый на рис. 2.37. |
. |
|
Ток .в якоре машины; 'работающей электрическим двигателем, . |
||
определяется по закону Ома следующим выражением |
` |
|
I =..(U-- E)'Г Rя, |
( 4 ) |
|
Рис. 2.37. Схема замещения цепи. якоря двигателя |
|
которое можно переписать в виде |
(5) |
U"=- Е + I Ая. |
Это последнее выражение носит название уравнения напряже-
ний двигателя и говорит o том, что приложенное к, зажимам двига-
теля напряжение U уравновешивает п _отйво -ЭДС E и покрывает
падение напряжения на обмотке якоря. двигателя I R.
От уравнения напряжений легко пврё_йти к уравнению мощностей двiггателя. Для этого, умножив обе' части уравнения (5) на ве-
личину 'тока |
получим ' : |
|
|
} |
U I _ |
ЕI,+, .I^2Ая. |
(б) ' |
Из этого выражения следует, что электрическая мощность Р = 'UI, потрeбляемая якорем' двигателя от источника электрической энергии,
тратится на покрытие тепловых потерь в обмотке якоря РЯ = 1 2Ая и на . электромагнитную мощность Р. = E I, которая прeобразовывается в механическую мощность на' валу якоря Рмвх = М р. Q = Мер 2тнп.
2 4.^ Магнитная и электрическая цели машин
Магнитная' цепь машины постоянного тока предназначена для создание и; распределения магнитного поля в воздушном зазоре и
состоит из главных полюсов с катyшкaми обмотки возбуждения,
сердечника якоря, воздушного зазора. между полюсами и якорем и
ярма (станины}. Магнитное поле создается -токами обмотки воз-
Электротехника и электроника |
160 |
|
|
буждения, усиливается железом по- |
|
|
люсов, якоря и ярма, по которым про- |
|
|
ходит магнитный поток (рис. 2.38). |
|
|
магнитная индукция B в рабо- |
|
|
чем воздушном зазоре (в зоне маг- |
|
|
нитных полюсов) имеет почти по- |
|
|
стоянное значение, что необхoдимо |
|
|
для получения примерно постояi- |
|
|
ных ЭДС в сторонах секций, нахо- |
|
|
дящихся под полюсами. Такое рас- |
|
|
пределeние магнитной индукции |
|
|
обеспечивается специальной фор- |
|
|
мой полюсных наконечников. |
|
Рис. 2.38. Пути магнитного |
Линии симметрии, делящие про- |
|
странство между магнитными полю- |
||
потека четырехполюсной |
||
сами пополам, называются геомет- |
||
машины |
||
|
рическими нейтральными линиями |
или нейтралями, a линии,. 'проходящие через точки, в которых индукция В = о. (строго между: полюсами), -- физическими нейтральными линиями машины. Дуга или расстояние между соседними нейтральными линиями называется полюсным делением .и обозначается бу, квой т.
Электрическая главная цепь машины состоит из обмотки якоря, коллектора и щеток. Все элементы этой цепи рассчитаны на боль-
шие токи, и именно в якоре происходит преобразование .энер.гий.
K вспомогательной электрической цепи может быть отнесена обмотка возбуждения, которая, как правило, рассчитана на меньшие токи, но имеет значительнqе число витков.
Как указывалось выше, секции обмотки якоря, соединясь через коллекторные пластины, образуют замкнутую цепь обмотки. При вращении якоря в постоянном магнитном поле в активных сторонах секций возникают ЭДС (1). Причем направления этих ЭДC за висят от полярности магнитного полюса; под которым находятся стороны секций. Естественно, что 'в сторонах., находящихся по севеpным и южным полюсами, направления ЭДС противоположны. В сторонах секций, проходящих геометрические нейтрали, ,ЭДС не наводятся, так как здесь магнитная индукция B = О. Таким образом, при вращении якоря в сторонах его секций, перемещающихся из зоны одного полюса в зону другого полюса, наводятся переменные ЭДС. .
Если установить неподвижные щетки для осуществления скользящего контакта с активными сторонами секций, проходящими геометрические нейтрали (рис: 2.39), то между щетками всегда будут находится активные стороны с одинаково направленными ЭДС, сумма которых мат^симальна и постоянна. В действительности щет-
ки касаются не проводников на поверхности якоря, а соединенных c ними соответствующих пластин коллектора.