Двигатель с гладким якорем

У таких двигателей на якоре отсутствуют зубцы и пазы (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 - Поперечный разрез двигателя с гладким якорем

Проводники 1 обмотки укладывают на гладкую предварительно изолированную цилиндрическую поверхность сердечника 3 якоря. После этого на обмотку сверху накладывают бандаж 2 из стеклоленты и пропитывают ее в эпоксидных компаундах. В результате этого обмотка надежно закрепляется на якоре и приобретает монолитную конструкцию.

Машины постоянного тока с гладким якорем в некоторых случаях имеют определенные преимущества по сравнению с машинами с зубчатым якорем. Эти машины могут иметь меньший момент инерции, за счет чего повышается их быстродействие. Снижение момента инерции происходит из-за уменьшения объема якоря вследствие возможности повышения индукции в воздушном зазоре В, что невозможно в машинах с зубчатым якорем, в которых увеличение индукции ограничивается насыщением зубцов

Двигатели с гладким якорем применяют также в тех случаях, когда ожидаются тяжелые условия коммутации (например, в качестве тяговых двигателей). Улучшение коммутации в таких машинах происходит вследствие того, что у них из-за отсутствия стальных зубцов реактивная ЭДС коммутируемых секций будет в 2—4 раза меньше, чем в машинах с зубчатым якорем.

В двигателях с гладким якорем по пути магнитного потока из полюса 4 в якорь появляется большой немагнитный промежуток, размер которого равен сумме радиального размера обмотки якоря и воздушного зазора между якорем и статором. Этот немагнитный промежуток в несколько раз превышает воздушный зазор в машинах с зубчатым якорем.

Наличие такого немагнитного промежутка в двигателях с гладким якорем имеет свои положительные и отрицательные стороны. Положительное проявление сказывается в уменьшении влияния поперечной реакции якоря на магнитное поле машины. В результате этого уменьшается размагничивающее действие реакции якоря, благодаря чему повышается перегрузочная способность машины. Отрицательной стороной является значительное (в 1,5—3 раза) увеличение размеров обмотки возбуждения, так как для проведения магнитного потока через больший немагнитный промежуток требуется увеличение ее МДС, что приводит к возрастанию потерь в ней. Кроме того, у этих двигателей возрастают добавочные потери от вихревых токов в обмотке якоря. Возрастание этих потерь происходит вследствие того, что проводники, лежащие на поверхности якоря, будут вращаться в сильном магнитном поле полюсов. В машинах с зубчатым якорем поле в пазу, где лежат проводники обмотки, мало и поэтому добавочные потери невелики. Наряду с этим у двигателей с гладким якорем полностью исчезают магнитные потери в зубцах якоря. При рациональном проектировании таких машин полные потери и КПД их могут иметь примерно такие же значения, как и у машины с зубчатым якорем.

3. Тахогенераторы постоянного тока

В некоторых случаях требуется преобразовать скорость какого-либо механизма в электрический сигнал—напряжение. Для этой цели применяют специальные электрические машины, называемые тахогенераторами. Тахогенератор постоянного тока является генератором постоянного тока небольшой мощности и имеет обычную для этих машин конструкцию. Он может иметь электромагнитное или магнитоэлектрическое возбуждение. Вал тахогенератора сочленяют с валом механизма, скорость которого необходимо измерить.

Основной характеристикой тахогенератора является зависимость напряжения на выводах его якоря от скорости: . Требуется, чтобы эта зависимость имела линейный характер.

Аналитическое выражение характеристики можно получить из равенства, аналогичного

Учитывая, что и , после преобразования получим. Если принять переходное падение напряжения в щеточном контуре =0, то будем иметь

Здесь коэффициент определяет крутизну выходной характеристики тахогенератора

Крутизна выходной характеристики обычно находится в пределах от 3 до 100 мВ/(об/мин). Крутизна характеристики зависит от сопротивления нагрузки. Для уменьшения влияния нагрузки выбирают Sr_a/R„_r«l.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Принцип работы и устройство вентильного двигателя.

2. Принцип работы и устройство двигателя с гладким якорем

3. Принцип работы и устройство тахогенератора постоянного тока

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работ: изучить принцип действия электрических машин постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока

Простейшим генератором постоянного тока может служить виток из проводника в виде рамки, вращающейся в магнитном поле между двумяпостоянными магнитами и (рисунок 4.1). Концы витка abed

Рисунок 4.1 - Схема работы машины постоянного тока

присоединяются к двум медным пластинам коллектора, изолированным друг от друга и от вала, на котором они помещены. На пластинах помещены неподвижные щетки и , к которым присоединена внешняя цепь, состоящая из каких-либо приемников электроэнергии.

При вращении витка с постоянной частотой проводники и пересекают магнитные линии, при этом в проводниках индуктируется э.д.с. При равномерном распределении магнитного поля в пространстве э.д.с. проводника

где - угловая частота; - частота э.д.с.

Таким образом, при условии равномерного распределения магнитного поля в витке индуктируется переменная синусоидальная э. д. с. (рисунок 4.2, а).

а)

б)

Рисунок 4.2 - Э.д.с., индуктируемая в витке (а) и на внешнем участке цепи (б)

Направление индуктируемой в проводнике э.д.с. определяется правилом правой руки.

При перемещении проводника под северным полюсом, в нем наводится э.д.с. направленная из-за плоскости чертежа.

Когда он проходит под южным полюсом, - за плоскость чертежа. Таким образом, в проводнике наводится переменная во времени э.д.с., изменяющая свое направление 2 раза за один оборот витка.

Для нормальной работы генератора нужно установить щетки так, чтобы наводимая в витке э.д.с. была равна нулю в момент перехода щетки с одной пластины на другую. Каждая из щеток будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно только с тем из проводников, которые находят под полюсом данной полярности. Например, в момент времени, показанный на рисунке 4.1. щетка А соприкасается с пластиной 1 и имеет положительный потенциал, так как к ней подводится э. д. с. от проводника ah, находящеюся под северным полюсом. При повороте якоря на 90 виток будет расположен так, что его проводники перемещаются вдоль магнитных линий поля, не пересекая их. Поэтому э.д.с., наведенная в витке, равна нулю.

Щетки соединяют коллекторные пластины между собой и тем самым замыкают виток накоротко. При повороте витка на 180° щетка А соприкасается с пластиной 2, но по-прежнему она имеет положительный потенциал, так как к ней подводится э.д.с. от проводника , заменившего проводник под северным полюсом.

Аналогично можно видеть, что щетка В имеет всегда только отрицательный потенциал. Таким образом, по витку abed по-прежнему протекает переменный ток; при этом по внешнему участку цепи ток проходит только в одном направлении, а именно от положительной щетки Л к отрицательной щетке В, т.е. происходит выпрямление переменной э.д.с., наведенной в витке, в пульсирующую на внешнем участке цепи (рисунок 2, б).

Как видно из рисунка, кривая э. д. с., помимо постоянной, содержит большую переменную составляющую, называемую пульсацией э.д.с. (Для ее уменьшения следует увеличить число коллекторных пластин. Если, например, в магнитном поле полюсов поместить два витка, оси которых сдвинуты на 90° в пространстве, и концы этих витков соединить с четырьмя коллекторными пластинами, то при вращении витков индуктируемые в них э.д.с. окажутся сдвинутыми по фазе на угол . Щетки в такой машине надо поместить так, чтобы они соприкасались с пластинами того витка, в котором в данный момент э. д. с. имеет наибольшее значение и на щетках будет э.д.с., пульсация которой много меньше, чем при двух коллекторных пластинах. При дальнейшем увеличении числа коллекторных пластин пульсация уменьшается и при 16 пластинах на пару полюсов становится менее 1%.

В действительности распределение магнитного поля в пространстве неравномерно (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 - Диаграмма распределения магнитной индукции под полюсом

Для увеличения э. д. с. (напряжения) на щетках электрические машины выполняют с многовитковыми обмотками якоря. На рисунке 4.4, а показаны

б)

в)

а)
Рисунок 4.4 – Генератор постоянного тока с обмоткой якоря

схема двухполюсного генератора постоянного тока, обмотка якоря которого состоит из четырех витков, и схема токопрохождения в проводах обмотки. Коллектор генератора имеет четыре пластины и на нем располагают две неподвижные щетки, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

К этим щеткам параллельно приложены две суммарные э.д.с.: одна от проводов 7, 8, 1. 2 и другая от проводов 6, 5, 4, 3. Причем э.д.с. проводов 7, 8 и п роводов 1, 2 сдвинуты относительно друг другу па угол 90°. Также сдвинуты на 90° э.д.с. проводов 6, 5 и э.д.с. проводов 4, 3.

На рисунке 4.4, б и в представлены графики изменения э.д.с. в параллельных цепях обмотки якоря в зависимости от времени. Если увеличить число коллекторных пластин и число проводов (витков) обмотки якоря, то результирующая кривая э.д.с. становится близкой к прямой линии с незначительной по величине пульсацией. Таким образом, коллектор в генераторах постоянного тока выполняет роль преобразователя переменной

э.д.с., индуктируемой в обмотке якоря, в постоянную на щетках, то есть осуществляет выпрямление э.д.с.

Электрические машины чаще изготовляют многополюсными. На рисунке 4.5 изображена схема четырехполюсного генератора постоянного тока.

Рисунок 4.5 - Схема четырехполюсного генератора

Линию, перпендикулярную оси полюсов и проходящую между разноименными полюсами, называют геометрической нейтралью, а часть окружности якоря, соответствующую одному полюсу, - полюсным делением. Рассматриваемая простейшая машина может работать двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. При каких условиях в проводнике индуктируется э.д.с.?

2. Как можно определить направление э.д.с.?

3. При каких условиях э.д.с., индуктируемая в проводнике, будет

синусоидальной?

4. Как должны быть установлены щетки у генератора постоянного тока

5. Как уменьшить пульсации э.д.с.?

6. Какова природа пульсаций э.д.с. в машине постоянного тока?

7. Роль коллектора в генераторе постоянного тока?

8. Что называют геометрической нейтралью в машине постоянного тока

9.Что называют полюсным делением.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ЯКОРНЫЕ ОБМОТКИ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы: изучить конструкцию якорных обмоток электрических машин постоянного тока

Устройство обмоток

Обмотка якоря — важнейший элемент машины, удовлетворяющий следующим требованиям:

1) обмотка должна быть рассчитана на заданные величины напряжения и тока нагрузки, соответствующие номинальной мощности, и иметь необходимую электрическую, механическую и термическую прочности, обеспечивающие достаточно продолжительный срок службы машины (до 20 лет);

2) конструкция обмотки должна обеспечить удовлетворительные условия токосъема с коллектора без вредного искрения;

3) расход материала при заданных эксплуатационных показателях (к.п.д. и др.) должен быть минимальным;

4) технология изготовления обмотки должна быть по возможности простой.

В современных машинах постоянного тока обмотку якоря укладывают в пазы на внешней поверхности якоря (рисунок 5.1), что упрощает технологию изготовления, повышает использование провода и делает обмотку более надежной.

Контрольные вопросы.

Рисунок 5.1 - Расположение активных сторон секции на сердечнике якоря

Обмотка состоит из ряда последовательно соединенных секций, каждая из которых имеет две активные стороны, размещаемые в пазах якоря. На торцевых сторонах сердечника якоря активные стороны соединяют лобовыми проводами. Для того чтобы не было пересечения лобовых соединений, то есть чтобы они не лежали в одной плоскости, обмотки выполняют двухслойными (рисунок 5.2).

Рисунок 5.2 - Двухслойное расположение секций обмотки якоря

Активные стороны располагают в пазах 1,находящихся между зубцами 2, ас торцевых сторон скрепляют лобовыми соединениями 3. При этом одна активная сторона каждой секции лежит в верхнем слое паза, а другая в нижнем (рисунок 5.3). Каждую активную сторону секции 2 изолируют и укладывают в

Рисунок 5.3 – Поперечный разрез паза с обмоткой

паз предварительно изолированный.

После укладки всех активных сторон паз заклинивают немагнитным клином 1. Для придания якорю больше механической прочности лобовые соединения обмотки стягивают стальными бандажами.

Секции обмоток машин постоянного тока могут быть одновитковыми (рисунок 5.4.а),состоящими из двух активных проводов, и многовитковыми (рисунок 5.4, б).

а)

б)

Рисунок 5.4 – Секции обмоток якоря

На рисунке 5.5, а показана секция (катушка) многовитковой волновой обмотки. Полукатушка из двух одинаковых полусекций волновой обмотки изображена на рисунке 5. 5, б, а петлевой - на рисунке 5.5, в.

а)

б)

в)

Рисунок 5.5 - Катушка (а), полукатушка волновой обмотки (б), полукатушка секции петлевой обмотки (в)

На развернутых схемах обмоток стороны секций, находящиеся в верхнем слое, изображают сплошными линиями, а стороны, расположенные в нижнем слое, прерывистыми линиями (рисунок 5.6). Секции обмотки

Рисунок 5.6 - Изображение секции на развернутой схем

обмотки соединяют друг с другом в последовательную цепь таким образом, что начало последующей секции присоединяют вместе с концом предыдущей секции к обшей коллекторной пластине. Поскольку каждая секция имеет два конца и к каждой коллекторной пластине присоединены также концы двух секций, то общее число пластин коллектора равно числу секций обмотки ; то есть

где - число активных проводов обмотки якоря;

- число витков в секции

В простейшем случае в пазу находятся две секционные стороны; одна в верхнем и другая в нижнем слое. При этом число пазов якоря .

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения, а также во избежание чрезмерно большого напряжения между соседними коллекторными пластинами число пазов должно быть достаточно большим. Однако изготовление якорей с большим числом пазов нецелесообразно, так как при этом пазы будут узкими, значительная часть их площади занята изоляцией секций от корпуса, и для проводников останется мало места, получается проигрыш в мощности машины. По этим причинам обычно в каждом слое паза располагают рядом несколько ( = 2, 3, 4, 5) секционных сторон (рисунок 5.7). При этом . В данном случае говорят, что в

Рисунок 5.7 - Подразделение реального паза на элементарные

каждом реальном пазу имеется и„ элементарных пазов, поэтому в каждом слое элементарного паза - одна секционная сторона. Очевидно, что общее число элементарных пазов якоря . В одном полюсном делении содержится элементарных пазов. Но часто , не делится без остатка на , тогда вводят дробную величину с помощью которой величина шага округляется до целого числа: