Машины постоянного тока

Устройство и общие вопросы функционирования

Рассмотрим принципы функционирования генератора и двигателя постоянного тока, закладываемые в их конструкцию.

Генератор. Пусть токопроводящая проволочная рамка, показанная на рис. 3.9, а, вращается внешним двигателем по часовой стрелке в постоянном магнитном поле Ф. Концы этой рамки прикреплены к токопроводящим коллекторным полукольцам, которые вращаются вместе с рамкой. В рамке при вращении будет наводиться ЭДС, которая фиксируется вольтметром (или осциллографом), подключаемым к щеткам, которые, в свою очередь, прижимаются к вращающемуся коллектору. Знаки ЭДС на концах рамки (па щетках) определяются с использованием правила правой руки. На рис. 3.9, б показана форма ЭДС на концах рамки (па щетках). Коллектор в данном случае играет роль выпрямителя.

Двигатель. Пусть та же токопроводящая проволочная рамка в постоянном магнитном поле Ф, показанная па рис. 3.9, а, подключена через щеточные контакты к внешнему источнику постоянного тока U. В этом случае, но рамке протекает ток I. В соответствии с законом Ампера на стороны рамки, находящиеся в магнитном поле, будут действовать силы F, направление которых определяется по правилу левой руки. За счет действия такой пары.

Рис. 3.9. Принцип работы генератора постоянного тока сил создается механический момент, график изменения которого во времени подобен графику изменения ЭДС на рис. 3.9, б, и рамка будет вращаться в одном направлении.

Фактически по принципу действия одно и то же устройство в зависимости от внешних условий может выполнять функции как генератора, так и двигателя. Именно подобный принцип и лежит в конструкции машин постоянного тока.

Конструкция машин постоянного тока. На рис. 3.10 представлена микромашина постоянного тока и отдельные ее составляющие: 1 — статор, 2 — ротор с коллектором и подшипниками, 3 — торцевые щиты (крышки), один из которых имеет щеточный механизм, 4 — щетка, 5 — резьбовая пробка и контргайка для фиксации щетки снаружи двигателя.

Рис. 3.10. Двигатель постоянного тока и составляющие его элементы.

Рассмотрим эти составляющие подробнее.

Статор — цилиндр, который собран из металлических пластин (электротехническая сталь). Пластины специальным образом спекаются, и после дополнительной механической обработки статор приобретет нужную форму, что обеспечивает минимизацию потерь от вихревых токов при изменении магнитного поля. Внутри статора располагаются полюсные наконечники, на которых располагается обмотка, создающая внутри статора магнитное поле возбуждения. В ряде микромашии вместо полюсных наконечников для создания поля возбуждения наклеивают постоянные магниты. Тем самым машина освобождается от необходимости иметь источник тока для запитки обмотки возбуждения. Число пар полюсов на статоре в дальнейшем будем обозначать буквой р.

На рис. 3.10 представлена машина с одной парой полюсов (р = 1). Число пар полюсов для разных машин может иметь разные значения: р = 1, р = 2, р = 3 и т. д. В генераторах увеличение числа пар полюсов приводит к увеличению частоты пульсаций выходного напряжения, что упрощает их сглаживание, а в двигателях — меняет скорость вращения ротора, о чем речь пойдет далее.

Важной характеристикой статора является полюсное деление, которое nD

определяется как т = —— — длина дуги, соединяющей одноименные точки.

2Р

соседних полюсов (например, середины); D — диаметр окружности, касающейся внутренних поверхностей полюсов.

Ротор вместе с подшипниками, насаженными на общий вал, также показан на рис. 3.10. В машинах постоянного тока ротор часто называют якорем. Как и статор, сердечник ротора состоит из тонких пластин электротехнической стали, которые спекаются в единый пакет, а потом этот пакет проходит дополнительную механическую обработку с фрезерованием пазов, в которые укладывают обмотку. Для увеличения плавности хода двигателей пазы направлены не, но образующим сердечника ротора, а скошены. На принципе работы машины это никак не сказывается. На рисунке показан коллектор с пластинами, к каждой из которых прикрепляются по два конца обмоток, укладываемых в определенные пазы. По способу укладки проводов обмотки в пазы различают два основных типа обмоток — петлевую и волновую.

Для ротора микромашины характерно отсутствие на валу крыльчатки вентилятора, способствующей более интенсивному отводу тепла из внутреннего объема машины.

Петлевая обмотка используется для машин, рассчитанных на относительно большие токи и относительно небольшие напряжения. На рис. 3.11, а показан фрагмент развертки, так называемой простой петлевой обмотки ротора. На рисунке показаны также полюса статора. Обмотка состоит из последовательно соединенных секций, концы которых подсоединяются к соседним пластинам коллектора. Каждая секция может содержать от одного до нескольких витков обмотки. Активные части секции располагаются в пазах, отстоящих друг от друга на величину полюсного деления т. Количество щеток в машинах с петлевой обмоткой ротора всегда равно числу полюсов машины (2р). Если машина имеет четыре полюса, то и щеток у такой машины должно быть четыре. Щетки равномерно распределены по окружности коллектора и через одну соединены электрически друг с другом, образуя в схеме замещения параллельные группы ветвей обмотки ротора. Каждая пара таких ветвей обозначается буквой а. Каждая ветвь обмотки содержит определенное число последовательно соединенных секций. Для такой обмотки характерным является условие равенства числа полюсов статора (2р) и числа параллельно соединенных ветвей обмоток (2а). Очевидно, что вся обмотка ротора, состоящая из N проводников во всех пазах ротора, представляет собой параллельное соединение из 2а ветвей общей.

N

обмотки. В свою очередь, каждая из этих ветвей содержит — проводников.

Рис. 3.11. Фрагменты разверток обмоток ротора:

а — простая петлевая; б — волновая.

Волновая обмотка. Фрагмент такой обмотки в упрощенном виде показан на рис. 3.11, б. Подобный тип обмотки используется для машин, рассчитанных на относительно небольшие токи и относительно большие напряжения. Для нее характерно равенство 2а = 2, т. е. при любом числе полюсов число параллельных ветвей в схеме замещения всегда равно двум.

Щеточный механизм. На одном из торцевых щитов машины, помимо подшипника вала ротора, закрепляются прямоугольные колодцы из изоляционного материала, в которые погружаются угольно-графитовые щетки 4> показанные на рис. 3.10. Одной стороной они прижимаются к коллектору за счет сжатой пружины на другом конце щетки. Сжатие этой пружины регулируется специальной пробкой с резьбой, которая вворачивается в корпус направляющего колодца 5 (см. рис. 3.10). С этой же стороны к щетке прикрепляют гибкие токонодводы, противоположные концы которых электрически связаны с наружными зажимами на щите для внешнего подключения.