Конструкция машины постоянного тока

В машинах постоянного тока цилиндрический ротор с расположенной на нем обмоткой называется якорем. Якорь вращается в магнитном поле полюсов статора. То есть в машине постоянного тока якорь является ротором, а индуктор – статором.

Магнитная система состоит из полюсов 1 (рис. 2.2) с полюсными наконечниками. Полюсы закреплены на станине 2. На полюсах размещаются обмотки возбуждения (намагничивания) W_Н. Полюсные наконечники имеют такую форму, чтобы придать распределению магнитных силовых линий потока возбуждения необходимый характер. Станина генератора изготавливается из мягкой литой стали с высокой магнитной проницаемостью. Станина имеет лапы или фланец для установки и крепления машины. К станине крепятся подшипниковые щиты с шариковыми или роликовыми подшипниками, в которых вращается вал якоря.

Якорь генератора 3 представляет собой цилиндр, набранный из пластин электротехнической стали. Обмотка якоря W_Я укладывается в специальных пазах, вырезанных по его поверхности.

Рисунок 2.2 - Конструкция двухполюсной машины постоянного тока

Для подвода тока к обмотке вращающегося якоря, при работе машины в режиме двигателя, или снятия энергии, вырабатываемой в якоре генератора, используется коллектор, состоящий из медных изолированных друг от друга пластин, образующих цилиндр, вращающийся вместе с якорем, и неподвижные щетки, скользящие по коллектору. К пластинам коллектора присоединяются концы секций обмотки якоря. Щетки помещены в обоймы щеткодержателей и поджаты пружинами к пластинам коллектора.

К станине крепятся также дополнительные полюсы 5, устанавливаемые между основными полюсами 1. С помощью этих полюсов, с соответствующей обмоткой W_ДП, достигается безыскровая работа щеток на коллекторе. В машинах малой мощности добавочные полюсы иногда не устанавливаются.

Магнитный поток создаваемый обмоткой возбуждения определяется током в обмотке

, (2.4)

где I_Н – ток в обмотке намагничивания; W_Н – число витков обмотки намагничивания; R_МН – сопротивление магнитной цепи, по которой замыкается поток.

Для обеспечения требуемого магнитного потока возбуждения при сравнительно небольшой намагничивающей силе обмотки возбуждения I_НW_Н зазор между полюсными наконечниками и якорем выполняется минимальным (от долей миллиметра в машинах малой мощности до нескольких миллиметров в мощных машинах), чтобы обеспечить малое сопротивление магнитной цепи.

Простейшей машиной постоянного тока является виток, вращающийся в магнитном поле полюсов N и S (рис.2.3). На рис.2.3б стороны витка, расположенные за плоскостью рисунка, условно показаны штриховыми линиями.

В положении, показанном на рис.2.3, в активных проводниках витка 1 и 2 индуктируется максимальная ЭДС так как они пересекают магнитные линии перпендикулярно. При дальнейшем повороте эта ЭДС уменьшается и после поворота на 90⁰ становится равной 0, а затем изменяет знак, так как направление движения проводников 1и 2 относительно магнитного поля меняется на противоположное.

а б

Рисунок 2.3 – Простейшая машина постоянного тока

Таким образом, в соответствии с (2.2) в витке индуктируется переменная ЭДС (рис.2.4а), изменяющаяся по закону близкому к синусоидальному

Для преобразования переменного тока в постоянный, концы витка присоединяются к двум медным полукольцам коллектора 1и 2. Щетки a и b установлены на коллекторе так, что они переходят с одной пластины коллектора на другую в тот момент, когда ЭДС, индуктируемая в витке равна нулю. При этом каждая щетка всегда контактирует с полукольцом коллектора соединенным с активным проводником витка, который в данный момент находится под определенным магнитным полюсом. Таким образом ЭДС е_в на щетках коллектора a и b не изменяет знака, а ток I во внешней цепи протекает в одном направлении. Однако по величине ЭДС е_в является пульсирующей (рис.2.4б),

а б

Рисунок 2.4 – ЭДС в витке и на щетках генератора

Пульсации ЭДС можно значительно уменьшить, разместив на якоре два витка под углом 90⁰ один от другого и соединив их концы с четырьмя пластинами коллектора (рис. 2.5). При этом ЭДС в витках 1-3 и 2-4 сдвинуты по фазе на 90⁰ (рис. 2.6а), а щетки a и b контактируют с пластинами коллектора 1-3 либо 2-4 в те интервалы периода вращения якоря, когда соответствующий виток пересекают магнитные линии под углом от -45⁰ до +45⁰. В результате на щетках генератора получаем пульсирующую ЭДС, показанную на рис.2.6б.

а б

Рисунок 2.5 –Генератор с двумя витками и четырьмя пластинами коллектора

а б

Рисунок 2.6 – ЭДС в двухвитковом генераторе

В положении, показанном на рис. 2.5а максимальной будет е_1-3, так как активные проводники витка 1-3 пересекают магнитные линии перпендикулярно. При дальнейшем вращении эта ЭДС будет убывать. После поворота якоря на 45⁰ (рис.2.5б) щетки перейдут с пластин коллектора 1-3 на пластины 2-4 и подключатся к следующему витку. ЭДС в нем будет сначала возрастать до максимума, а затем начнет уменьшаться, пока щетки снова не перейдут на пластины 3-1 и т. д.

При увеличении числа витков, в которых индуктируется ЭДС, и числа коллекторных пластин пульсации быстро уменьшаются и при большом их количестве пульсации практически отсутствуют. Секции обмотки якоря соединяются последовательно и таким образом, чтобы индуктируемые в них ЭДС суммировались.

Двухполюсными (с одной парой полюсов) выполняются машины малой мощности. Машины средней и большой мощности выполняют многополюсными, с двумя или большим количеством пар полюсов. Направление токов в обмотках возбуждения, размещенных на полюсах, выбирается таким, чтобы соседние полюсы были разноименными, т.е. чтобы рядом с северным полюсом был южный т.д. На рис. 2.7 показана конструкция четырехполюсной машины. Здесь 1 – станина, 2 – главный полюс, 3 – обмотка возбуждения,

4 – дополнительный (добавочный) полюс, 5 – обмотка добавочного полюса,

6 – щетка, 7 – магнитопровод якоря, 8 – активные проводники обмотки якоря,

9 – коллектор, τ – полюсное деление.

Рисунок 2.7 - Конструкция четырехполюсной машины постоянного тока

На главных полюсах может размещаться одна или несколько обмоток возбуждения. Обмотка возбуждения с большим числом витков тонкого провода имеют выводы с обозначениями Ш1 и Ш2, а обмотки с малым числом витков толстого провода имеют выводы с обозначениями С1 и С2. Выводы обмотки добавочных полюсов обозначаются Д1 и Д2. Щетки, соединяющие внешнюю цепь с обмоткой якоря подключены к выводам с обозначениями Я1 и Я2. Число пар щеток в многополюсных машинах обычно равно числу пар полюсов. Щетки одинаковых полярностей соединяются между собой и подключаются к выводам Я1 и Я2.