Sherstnyakov_Yu_G_Osnovy_elektromekhaniki

Рис. 2.4. Статоры двигателя постоянного тока:

а — сборный статор (1 — корпус; 2 — cердечник с полюсным наконечником; 3 — полюсная катушка; 4 — магнитопровод статора); б — шихтованный статор

Статор 5 (см. рис. 2.3) состоит из станины (корпуса) 4 и главных полюсов 9. Станина сборного статора служит для крепления подшипниковых щитов 1, 6 и полюсов и является частью магнитопровода, поэтому ее выполняют из магнитомягкого материала. Полюс статора (рис. 2.4, а) крепится к корпусу 1 и состоит из сердечника 2 с полюсным наконечником и полюсной катушки 3. Сердечники главных полюсов могут быть выполнены монолитными или шихтованными как единое целое с полюсными наконечниками или отдельно. Полюсные наконечники обеспечивают необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины, их выполняют шихтованными для снижения потерь в них от зубцовых пульсаций потока под полюсами. Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Полюсные катушки соединяются последовательно, согласно и образуют обмотку возбуждения. При подключении обмотки к источнику постоянного тока в магнитной системе машины создается магнитное поле, неизменное во времени и неподвижное в пространстве.

В исполнительных микродвигателях магнитопровод статора с полюсами обычно выполняют шихтованными как единое целое для упрощения технологии изготовления (рис. 2.4, б) и запрессовывают в немагнитный корпус из сплава алюминия.

Иногда вместо электромагнитов для возбуждения применяют постоянные магниты. В настоящее время широко используют высококоэрцитивные постоянные магниты на базе редкоземельных

20

металлов типа самарий — кобальт. Этот материал очень устойчив к размагничивающему воздействию внешних магнитных полей. Обладая большой энергией, такие магниты позволяют строить ЭМ небольших размеров и массы. Однако редкоземельные магниты имеют высокую стоимость.

В электродвигателях мощностью более 1 кВт между главными полюсами устанавливают добавочные полюсы с обмоткой, включенной последовательно с обмоткой якоря для улучшения коммутации.

Якорь (см. рис. 2.3) состоит из вала 7, сердечника 8 и коллектора 11. Сердечник якоря шихтованный, что позволяет значительно ослабить в нем потери от вихревых токов, возникающих в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Часто пазы делают со скосом для уменьшения пульсаций магнитного сопротивления от зубцовой поверхности якоря и, как следствие, для ослабления вызванных пульсаций магнитного потока в воздушном зазоре. Это уменьшает потери, вибрации и шум при работе двигателя, но усложняет технологию выполнения сердечника.

Обмотку якоря 10 (см. рис. 2.3) укладывают («всыпают») в изолированные пазы сердечника якоря и закрепляют ее в пазах с помощью гетинаксовых клиньев, а на лобовые части обмотки накладывают бандажи. В машинах большой мощности обмотку в пазах крепят также бандажами, располагаемыми в кольцевых канавках сердечника якоря. Концы обмотки якоря присоединяют к пластинам коллектора 11.

Коллектор (рис. 2.3, 2.5, а) имеет цилиндрическую форму и состоит из клинообразных пластин из твердой меди 1, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками и запрессованных в пластмассовую втулку 2. Для большей прочности пластмассовая втулка усилена армирующими кольцами 3 и посажена на основание коллектора — стальную втулку 4, которая напрессована на вал двигателя.

Щетки 2 (см. рис. 2.3) расположены в щеткодержателях, вмонтированных в подшипниковый щит. В двигателях малой мощности применяют трубчатые щеткодержатели (рис. 2.5, б), состоящие из

21

Рис. 2.5. Коллектор и щеткодержатель:

а — устройство коллектора (1 — медные пластины; 2 — пластмассовый колпачок; 3 — армирующие стальные кольца; 4 — стальная втулка); б — устройство трубчатого щеткодержателя (1 — металлическая втулка; 2 — пластмассовый колпачок; 3 — пружина; 4 — стальная втулка; 5 — зажим электрического провода; 6 — щетка; 7 — пластмассовая втулка)

металлической втулки 1, пружины 3 и пластмассового колпачка 2. Металлическая втулка, изолированная от щита 4 пластмассовой втулкой 7, электрически связана со щеткой 6 и электрическим проводом (зажимом 5) с клеммой коробки выводов. Щетки в исполнительных двигателях, как правило, устанавливают на геометрической нейтрали.

Обмотку якоря, обычно двухслойную для удобства расположения лобовых частей обмотки, укладывают в пазы в виде секций. Секция, состоящая из нескольких последовательно соединенных витков, является основным элементом обмотки якоря. Для выполнения условий симметрии одну сторону секции укладывают в нижнюю часть паза, а другую — в верхнюю. На схемах обмоток секцию для простоты изображают одновитковой. На рис. 2.6, а, где на поверхности сечения цилиндра показано 8 пазов, в каждом из них уложено по две секции.

Концы секций пронумерованы с обозначением их начала (н) и конца (к). По технологии изготовления обмотки вначале укладывают («всыпают») в нижний слой пазов проводники всех секций, обозначенных, например, буквой «н», а затем — в верхний слой последовательно проводники с буквой «к». Секции обмотки соединя-

22

Рис. 2.6. Обмотка якоря:

а — схема распределения активных проводников секций в пазах якоря; б — схема соединения секций (1 — медная пластина коллектора; 2 — щетка; 3 — секция)

ют друг с другом в последовательную цепь таким образом, что начало (н) последующей секции присоединяется вместе с концом (к) предыдущей секции к общей коллекторной пластине (рис. 2.6, б). В результате получают замкнутый на себя контур так называемой простой волновой обмотки с диаметральным шагом. Щетки, установленные на геометрической нейтрали, где в режиме холостого хода в обмотке существует наибольшая разность потенциалов, разделяют обмотку на две параллельные ветви. В каждой ветви действует постоянная ЭДС, равная сумме ЭДС, индуцируемых во всех последовательно соединенных витках параллельной ветви, и проходят токи i. В целом электрическая схема замещения обмотки может быть сведена к схеме, представленной на рис. 2.7, где Rпa — резистивное сопро-

тивление проводников параллельной ветви. Уменьшения пульсаций ЭДС Eп при переходе щеток с одной коллек-

тин. Число секций, приходящихся на одну параллельную ветвь, должно быть не менее восьми. При разомкнутой внешней цепи ток в обмотке отсутствует, так как ЭДС ветвей направлены встречно и взаимно компенсируются.

Вобщем случае простая петлевая обмотка содержит 2a = 2p

параллельных ветвей. Ток якоря Ia тоже распределяется по 2a ветвям, i = Ia/(2a). При вращении якоря секции переходят попеременно из одной ветви в другую, причем во время такого перехода секция накоротко замыкается щеткой и направление тока в ней изменяется от значения +i до значения −i. Это явление называется коммутацией секции. На рис. 2.6, б коммутация тока происходит в секциях 1 и 5. Более подробно вопросы коммутации будут рассмотрены ниже.

2.3.Магнитное поле МПТ. Реакция якоря

Вмашине имеются две обмотки: возбуждения и якоря. При работе каждая обмотка создает свое магнитное поле. Результирующее поле можно рассматривать как сумму двух полей. При холостом ходе машины, когда ток в обмотке отсутствует, в машине действует только поле возбуждения, симметрично распределенное относительно оси полюсов — геометрической нейтрали (рис. 2.8, а). Физическая нейтраль — линия, на которой индукция равна нулю, совпадает с геометрической нейтралью. График распределения индукции в зазоре представляет собой трапецеидальную кривую (рис. 2.9, а).

При появлении нагрузки на валу двигателя в обмотке якоря

потечет ток. МДС якоря создает магнитное поле якоря Na −Sa, неподвижное в пространстве, с осью, направленной по линии щеток (рис. 2.8, б). Если щетки расположены на геометрической нейтрали, то поток Φa совпадает с этой нейтралью. Следовательно, магнитные оси поля возбуждения и поля якоря взаимно перпендикулярны.

При работе машины под нагрузкой в ней создается результирующее магнитное поле (рис. 2.8, в). Воздействие поля якоря на поле возбуждения называется реакцией якоря. Реакция якоря искажает поле возбуждения машины (рис. 2.9, б). Искажение результирующего поля машины неблагоприятно сказывается на ее рабочих

24

Рис. 2.8. Магнитное поле машины постоянного тока:

а — режим холостого хода; б — магнитное поле якоря; в — режим нагрузки

Рис. 2.9. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре:

а — режим холостого хода; б — режим нагрузки

свойствах. Смещение физической нейтрали о —о относительно геометрической нейтрали о—о на угол α приводит к усилению искрения под щетками на коллекторе. Искажение влечет за собой неравномерное распределение магнитной индукции в зазоре машины: под одними краями полюсных наконечников поле усиливается, а под другими — ослабляется. В результате в ненасыщенной машине результирующий поток остается неизменным, а в насыщенной происходит некоторое его уменьшение. При сдвиге щеток с нейтрали помимо поперечной составляющей потока возникает и продольная составляющая потока реакции якоря, уменьшающая поток возбуждения.

25

2.4. Коммутация в МПТ

Под коммутацией в МПТ понимают процесс изменения направления тока в проводниках секции обмотки якоря при их переходе от одного полюса к другому (см. рис. 2.6, б). При вращении якоря коллекторные пластины поочередно вступают в контакт со щетками. Переход щетки с одной коллекторной пластины на другую сопровождается переключением секции обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и изменением тока в этой секции. При этом коммутирующая секция во время коммутации оказывается замкнутой накоротко. Под действием ЭДС самоиндукции, взаимоиндукции и вращения (щетки находятся на геометрической нейтрали) в секции возникает ток коммутации iк . В момент окончания коммутации, когда щетка принудительно теряет контакт с одной из пластин коллектора, размыкается цепь тока iк , между расходящимися краями пластины коллектора и щетки возникает искра. Этот процесс повторяется с каждой пластиной. Искрение повреждает поверхность коллектора и приводит к вибрации щеток. Кроме того, искрение вызывает излучение электромагнитных волн, создающих помехи радиоприему. Для подавления помех применяют фильтры.

Говорят, что у машины хорошая коммутация, если нет искрения под щетками. Наиболее эффективным способом улучшения коммутации является создание в зоне коммутации магнитного потока, наводящего ЭДС такой величины и направления, чтобы компенсировать ток iк. Это достигается или установкой добавочных полюсов между главными полюсами (по технологическим причинам применяется только для машин мощностью более 1 кВт), или смещением щеток за физическую нейтраль (для реверсивных машин это недопустимо, а для машин с переменной нагрузкой — нецелесообразно). Включение обмотки добавочных полюсов последовательно с обмоткой якоря обеспечивает удовлетворительную коммутацию в широком диапазоне нагрузок. Для улучшения коммутации целесообразно применять щетки с большим удельным электрическим сопротивлением.

Под коммутацией в широком смысле понимают все явления, возникающие под щетками при работе машины. Искрение под щетками вызывается также различными механическими причинами:

26

эллиптичностью коллектора, шероховатостью поверхности, изнашиванием коллектора и щеток, слабым прижатием щеток к коллектору, применением неправильно подобранных и плохо притертых щеток.

2.5. Способы возбуждения МПТ

Свойства машины в значительной степени зависят от схемы включения обмотки возбуждения (ОВ) относительно обмотки якоря (рис. 2.10). Магнитное поле машины создается катушкой возбуждения. Такой способ возбуждения называется электромагнитным. Способ создания поля с помощью постоянных магнитов называется магнитным. Различают:

Рис. 2.10. Способы возбуждения машин постоянного тока:

а — независимое возбуждение; б — параллельное возбуждение; в — последовательное возбуждение; г — смешанное возбуждение

•машины независимого возбуждения — ОВ питается от автономного (независимого) источника, электрически не связанного с обмоткой якоря (рис. 2.10, а);

•машины параллельного возбуждения — ОВ и обмотка якоря

включены параллельно (рис. 2.10, б);

•машины последовательного возбуждения — ОВ и обмотка якоря соединены последовательно, при этом ток якоря является также током возбуждения (рис. 2.10, в);

•машины смешанного возбуждения — ОВ1 и обмотка яко-

ря включены последовательно, а ОВ2 — с ними параллельно (рис. 2.10, г);

• машины с возбуждением постоянными магнитами.

27

2.6. ЭДС якоря и электромагнитный момент

При вращении якоря в его обмотке наводится ЭДС. В режиме генератора эта ЭДС является источником электрической энергии, а в режиме двигателя она играет роль противоЭДС, уравновешивающей основную часть приложенного напряжения. Эта ЭДС осуществляет связь между электрической и механической системами, т. е. между отдачей машины и ее потреблением.

Мгновенное значение ЭДС, индуцируемое в каждом активном проводнике по закону электромагнитной индукции, ek = lvВk. Если обмотка состоит из N проводников и содержит 2a параллельных ветвей, то ЭДС якоря

Np

E = 2πaΦω = CeΦω,

где Ce = pN/(2πa).

Электромагнитный момент определяют на основе закона электромагнитного взаимодействия магнитного поля и проводника с током. Для одного проводника, лежащего на поверхности яко-

ря, Fпр = liВср, Mпр = FпрD/2 = liВсрD/2. В создании электромагнитного момента участвуют все проводники обмотки якоря:

28

Mэм = NMпр = NliВсрD/2. Если поток на полюс Φ = Всрlτ, ток в проводнике i = I/(2a), число полюсов 2p, диаметр якоря

D = 2pτ/π, то суммарный электромагнитный момент

где CM = pN/(2πa). Конструктивные коэффициенты СM и Ce равны между собой только в том случае, когда применяется система единиц СИ и скорость вращения выражается в радианах в секунду.

Электромагнитный момент для двигателя является вращающим, а для генератора — тормозным.

3. ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Двигатель постоянного тока (ДПТ) представляет собой коллекторную электрическую машину, преобразующую электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию. По сравнению с двигателями переменного тока ДПТ обладают хорошими пусковыми и регулировочными свойствами. Их недостатки обусловлены наличием щеточно-коллекторного узла: пониженная надежность, высокая стоимость, невозможность эксплуатации в пожаро- и взрывоопасных зонах, радиопомехи. Эти недостатки влияют на их широкое применение.

3.1. Уравнения ДПТ

Эквивалентная схема ДПТ независимого возбуждения приведена на рис. 3.1, а. По своим свойствам двигатели независимого и параллельного возбуждения почти одинаковы, поэтому их можно рассматривать совместно. Отличительным признаком ДПТ независимого (параллельного) возбуждения, существенно влияющим на их свойства, является независимость цепи обмотки возбуждения от цепи якоря. Изменение тока якоря непосредственно не влияет на ток возбуждения. Имеет место лишь влияние тока якоря на магнитное поле возбуждения, обусловленное реакцией якоря. Но это влияние невелико, и с некоторым допущением им можно пренебречь.

29