Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Электрические аппараты | Электрические машины
Автоматизация | Робототехника | Возобновляемая энергетика | Тренды, актуальные вопросы | Научно-популярные статьи | Контакты



 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Справочник электрика / Трансформаторы и электрические машины / Устройство электрических машин постоянного тока


 Школа для электрика в Telegram

Устройство электрических машин постоянного тока


Электрическая машина постоянного тока - машина, в которой при установившемся режиме ее работы электрическая энергия, участвующая в ее энергопреобразовательном процессе, является энергией практически постоянного тока.

Закон электромагнитной индукции количественно описывает ЭДС, индуктируемые (наводимые) изменяющимися во времени магнитными полями. Электромеханическое преобразование энергии имеет место, когда эти изменения магнитного поля обусловлены механическим движением.

В электрических машинах ЭДС в проводниках или катушках обмоток наводятся либо вследствие их механического вращения в магнитном поле, либо потому, что магнитное сопротивление магнитопровода машины изменяется при вращении ротора.

В любом случае магнитный поток, сцепленный с каждым проводником или катушкой, циклично изменяется и наводится ЭДС. Совокупность проводников или катушек, соединенных между собой так, что их ЭДС суммируются, называется обмоткой якоря.

Якорь машины постоянного тока является вращающейся частью или ротором. Так как якорь подвергается действию переменного магнитного потока, в его ферромагнитном сердечнике (магнитопроводе) наводятся вихревые токи. Имеет место также магнитный гистерезис.

Для уменьшения потерь энергии от них сердечник якоря выполняется шихтованным, набранным из листов электротехнической стали.

Вращающаяся (ротор) и неподвижная (статор) части электрической машины отделены друг от друга воздушным зазором.

На части, противоположной якорю, обычно помещается обмотка возбуждения, служащая для создания первичного магнитного потока. В машинах малой мощности для этого иногда используют постоянные магниты.

Устройство машин постоянного тока

Любая электрическая машина состоит, как правило, из двух составных частей: неподвижной части — статора, располагаемой обычно снаружи, и вращающейся внутренней части — ротора. Ротор современной машины постоянного тока малой и средней мощности состоит из вала и насаженных на него якоря, коллектора и вентилятора для охлаждения машины.

Машина постоянного тока

В тихоходных больших машинах постоянного тока охлаждение достигается независимым вентилятором, в больших быстроходных машинах постоянного тока открытого исполнения достаточное охлаждение достигается вентилирующим действием вращения якоря. При закрытом исполнении машин применяют наружную вентиляцию.

Не практике термин ротор в применении к машинам постоянного тока не используется. Всю вышеперечисленную совокупность вращающихся деталей называют по имени главной из них якорем. Таким образом, на практике термин якорь имеет двоякое значение: во-первых, совокупность вращающихся частей машины постоянного тока, во-вторых, собственно якорь.

Статор современной машины постоянного тока состоит из: ярма, главных, или основных, магнитных полюсов с намагничивающими их катушками из изолированного или голого медного провода круглого или прямоугольного сечения и из добавочных, или коммутационных, магнитных полюсов с намагничивающими их катушками из изолированного или из голого (с изоляционными прокладками) медного провода круглого или прямоугольного сечения.

Термин статор в применении к машинам постоянного тока на практике не используется, вместо него пользуются термином магнитная система или индуктор. Термин ярмо также заменяют на практике термином машины постоянного тока, так как в качестве конструктивной части машины ярмо выполняет эту роль.

Устройство машины постоянного тока

Коллекторный скользящий контакт

Электромашинный коллектор, являющийся вращающейся частью коллекторного скользящего электрического контакта, состоит из токопроводящих медных сегментообразных пластин, собранных на валу в цилиндр и изолированных друг от друга и от вала, на котором они укрепляются неподвижно. Каждая коллекторная пластина соединяется электрически неравномерно распределенными по обмотке точками. Неподвижная часть коллекторного контакта состоит из таких же неподвижных электромашинных щеток. Число щеток берется по числу нужных ответвлений от обмотки.

Якорь и коллектор

Особенности машин постоянного тока

Являясь одноякорной электрической машиной, коллекторная машина постоянного тока может быть с параллельным, с последовательным, а также с последовательно-параллельным, или смешанным, возбуждением.

В машине со смешанным возбуждением на индукторе имеется либо основная индукторная обмотка, соединяемая параллельно с якорной обмоткой, и вспомогательная возбуждающая обмотка, соединяемая последовательно с якорной обмоткой, либо основная индукторная обмотка, соединяемая с якорной обмоткой последовательно, и вспомогательная возбуждающая обмотка, соединенная параллельно с якорной обмоткой.

Возможно также устройство машины постоянного тока с независимым возбуждением. Она получается если в ней индукторную, возбуждающую обмотку отсоединить от якоря и присоединить к независимому источнику постоянного тока неизменного напряжения.

Генераторы постоянного тока делают или с независимым возбуждением или с самовозбуждением. При независимом возбуждении цепь возбуждающей обмотки питается от независимого источника постоянного тока, т. е. либо от сети постоянного тока, питаемой другим генератором постоянного тока, либо от аккумуляторной батареи, либо от генератора постоянного тока, специально предназначенного для питания возбуждающей обмотки данного генератора.

Мощность такого вспомогательного генератора, называемого возбудителем, составляет всего несколько процентов от мощности того генератора, обмотку возбуждения которого он питает. Если возбудитель жестко соединяется с возбуждаемым генератором, то его называют пристроенным возбудителем.

Если цепь возбуждающей обмотки присоединена к зажимам генератора, то имеем генератор с параллельным возбуждением (или генератор параллельного возбуждения), или параллельный генератор. Обычно его называют шунтовым генератором постоянного тока.

Если цепь возбуждающей обмотки соединяется с цепью якоря последовательно, то имеем генератор с последовательным возбуждением (или генератор последовательного возбуждения), или последовательный генератор. Иногда его называют сериесным генератором постоянного тока.


Главные детали машины

Собственно якорь представляет собой цилиндрической формы, состоящее из большого числа дисков специальной тонкой листовой электротехнической стали, плотно спрессованных.

По наружной окружности якоря равномерно располагаются полученные путем штамповки пазы или впадины, в которых укладывается и укрепляется составленная по определенным правилам электрическая цепь из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, называемая обмоткой якоря. Обмотка якоря является той частью машины постоянного тока, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток.

Коллектор имеет цилиндрическую форму и состоит из медных пластин, изолированных друг от друга и от крепящих их частей. Пластины коллектора электрически соединяются с определенными точками якорной обмотки равномерно распределенными по окружности якоря.

Главные, или основные, магнитные полюсы состоят из сердечников полюсов и уширенной в сторону якоря торцевой части полюса, называемой полюсным наконечником, или полюсным башмаком.

Сердечник и башмак штампуют совместно из листовой электротехнической стали в виде пластин соответствующей формы, которые затем спрессовывают и скрепляют в монолитное тело. Главные магнитные полюсы создают основной магнитный поток машины, от перерезывания которого вращающейся якорной обмоткой в ней индуктируется э д. с. машины.

Добавочные магнитные полюса, имеющие узкую форму и располагаемые в промежутках между главными магнитными полюсами, делают из катаной стали, иногда их штампуют из тонких листов электротехнической стали, как и главные полюсы. С торца, обращенного к якорю, их снабжают иногда полюсным башмаком прямоугольной формы, со скосами или без них. Добавочные магнитные полюса служат для обеспечения безискровой работы коллектора.

В больших машинах постоянного тока, предназначаемых для тяжелых условий работы, в полюсных башмаках главных магнитных полюсов, которым в этом случае придают особо развитую форму, проштамповывают ряд пазов для укладки в них компенсационной обмотки. Она предназначается для воспрепятствования искажению формы распределения индукции основного магнитного потока в пространстве, отделяющем полюсный башмак от якоря. Это пространство называется междужелезным пространством, или главным электромашинным зазором.

Компенсационная обмотка выполняется, как и прочие обмотки машины, из меди и изолируется. Обмотки добавочных полюсов и компенсационная обмотка соединяются с обмоткой якоря последовательно.

На коллектор опираются щетки, как правило, угольные, имеющие прямоугольную форму сечения. Их устанавливают по образующим цилиндрической поверхности коллектора, называемым коммутационными зонами. Обычно число коммутационных зон равно числу полюсов машины.

Щетка ДПТ

Щетки вставляют в обоймы щеткодержателей с пружинами, прижимающими щетки к поверхности коллектора. Щетки одного и того же зонного комплекта электрически соединяют друг с другом, а зонные комплекты одной и той же полярности (т. е. через зону) соединяют электрически друг с другом и присоединяют к соответствующему внешнему зажиму машины.

Внешние зажимы машины укрепляют на доске зажимов, которую скрепляют к ярму машины и прикрывают предохранительной крышкой с отверстием внизу для соединения к зажимам проводов от электрической сети. Зажимы с крышкой образуют так называемую коробку зажимов.

Часто вместо "зонный комплект щеток" обычно говорят "щетка", подразумевая под этим совокупность всех щеток одной коммутационной зоны. Совокупность всех зонных комплектов щеток данной машины образует ее полный комплект щеток, который обычно называют сокращенно комплектом щеток.

Щеточно-коллекторный узел

Щетки, щеткодержатели, пальцы (или бракеты) и траверса (или суппорт) составляют так называемый токособирательный аппарат машины постоянного тока. В него входят также соединения между собой зонных комплектов щеток одной и той же полярности.

Концы вала якоря машины, называемые шейками вала, вставляют в подшипники. В небольших и средних машинах подшипники укрепляют в подшипниковых щитах, которые в то же время выполняют роль защиты машины от внешних воздействий, а также служат для полного закрытия машины, если она выполняется закрытой.

Малые машины постоянного тока с подшипниковыми щитами не имеют, как правило, фундаментной плиты, их устанавливают на болтах, которые крепят к бетонному или кирпичному фундаменту, или к полу, или на особых балочках, называемых салазками.

Иногда генераторы, а также двигатели, имеют всего один подшипник. Другой конец вала имеет фланец или обрабатывается под насадку полумуфты для соединений со свободным концом вала приводного двигателя (в случае генератора) или механизма (в случае двигателя).

Машина постоянного тока

Магнитная система машины постоянного тока

Якорь машины постяонного тока

Обмотка якоряТокосъемное устройство

Мощность машин постоянного тока

Один из наиболее важных и общих вопросов, возникающих при использовании машин, таков: «Какую наибольшую выходную мощность может обеспечить машина?»

Ответ зависит от многих факторов, но общее требование таково, что срок службы машины не должен уменьшаться из-за чрезмерных перегревов. Поэтому при определении номинальной мощности учитывают увеличение температуры, обусловленное потерями. Рабочая температура машины связана с ожидаемым сроком службы, поскольку старение изоляции обмоток есть функция времени и температуры.

На практике можно пользоваться приближенным правилом, согласно которому время разрушения органической изоляции уменьшается вдвое при каждом увеличении температуры на 8 - 10°С. Соотношения «долговечность—температура», получаемые опытным путем, позволяют классифицировать изоляцию по допустимым превышениям температур (над температурой окружающей среды).

Установлены следующие превышения температур при температуре окружающей среды +35 °С: класс изоляции А — 65 °С, класс Е — 75 °С, класс В — 85 °С, класс F - 105 °С, класс Н - 130 °С.

Номинальная мощность машины устанавливается из условия, что рабочая температура обмотки не превышает допустимую для данного класса изоляции.

Наиболее часто применяется номинальная продолжительная мощность, определяющая выходную мощность (в кВт для генераторов постоянного тока и двигателей, в кВА при заданном коэффициенте мощности для машин переменного тока), которую может обеспечить машина в течение сколь угодно продолжительного времени без превышения допустимой температуры изоляции.

Преимущества электродвигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока более пригодны для работы с изменяющейся скоростью, чем двигатели переменного тока, механическая скорость вращения которых более или менее жестко связана с постоянной скоростью вращающегося магнитного поля в воздушном зазоре.

В этом одна из главных причин высокой конкурентоспособности машин постоянного тока, которые до недавнего времени использовались практически всюду, где необходимо плавное регулирование скорости в широком диапазоне.

Генераторы постоянного тока

Скорость генератора обычно задастся первичным двигателем и считается постоянной. Анализ заключается в определении напряжения на зажимах, соответствующего данной нагрузке и току возбуждения, или нахождению тока возбуждения, требуемого при данных нагрузке и напряжении на зажимах.

Подробно про устройство и принцип действия генераторов постоянного тока смотрите здесь: Генераторы постоянного тока и здесь: Как устроены генераторы постоянного и переменного тока