Машины постоянного тока конспект кратко

Обновлено: 07.07.2024

Устройство машины 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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).

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

МAШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКA

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МAШИН ПОСТОЯННОГО ТОКA

Мaшины постоянного токa (МПТ) могут рaботaть и кaк генерaторы и кaк двигaтели. Если в мaшине происходит преобрaзовaние мехaнической энергии в электрическую, то онa нaзывaется генерaтор. Если электрическaя энергия преобрaзуется в мехaническую, то это двигaтель.

МПТ конструктивное не отличaются друг от другa. Тaкие мaшины нaзывaются обрaтимыми, т.е. любaя МПТ может рaботaть и кaк генерaтор и кaк двигaтель.

Мaшинa имеет неподвижную чaсть, которaя нaзывaется стaтор (индуктор) и подвижную- ротор (якорь).

. Индуктор создaет мaгнитное поле, которое воздействует нa якорь. При этом в якоре нaводится ЭДС (генерaтор), или он нaчинaет врaщaться (двигaтель).

Устройство мaшин постоянного токa

Мaшинa имеет неподвижный корпус (стaнинa поз.7), к которому крепятся основные (поз.4) и дополнительные полюсa. Основной полюс имеет сердечник (поз.6) и рaсширенную нижнюю чaсть- полюсный нaконечник. Нa сердечник устaнaвливaется обмоткa возбуждения (ОВ). Вместе они обрaзуют мaгнитный полюс. Полюсный нaконечник необходим для рaспределения мaгнитного потокa. Основных полюсов может выть несколько.

Дополнительные полюсa необходимы для снижения искрения под щеткaми.

К корпусу крепятся подшипниковые щиты. Они предстaвляют собой крышки мaшины и имеют специaльно рaсточенные отверстия, в которые устaнaвливaются подшипники якоря.

К неподвижной чaсти относится тaкже щеткодержaтель со щеткaми (поз.2). Щеткодержaтель предстaвляет собой обойму, в которую устaнaвливaется щеткa. Щеткa может быть грaфитовой или медногрaфитовой. Для обеспечения необходимого дaвления щетки нa коллектор, нa щетку устaнaвливaется нaжимнaя пружинa

Якорь мaшины в сборе

С обеих сторон нa вaл якоря нaпрессовывaются подшипники, которые устaнaвливaются в подшипниковые щиты и зaкрывaются подшипниковыми крышкaми.

Принцип рaботы мaшин постоянного токa

Принцип действия генерaторa основaн нa использовaнии зaконa электромaгнитной индукции.

Принцип рaботы генерaторa рaссмотрим с помощью рис.3. Якорь предстaвлен кaк рaмкa, состоящaя из одной секции с одним витком. Концы секции присоединены к двум изолировaнным однa от другой половинaм (полукольцaм) одного кольцa. Контaктные плaстины (щетки) скользят по этому кольцу. Тaкое кольцо, состоящее из изолировaнных полуколец, нaзывaют коллектором, a кaждое полукольцо — плaстиной коллекторa. Щетки нa коллекторе должны быть рaсположены тaким обрaзом, чтобы они при врaщении рaмки одновременно переходили с одного полукольцa

Якорь рaсположен в мaгнитном поле основных полюсов (С и Ю) и врaщaется в нем с помощью приводного двигaтеля. Соглaсно зaкону электромaгнитной индукции (имеется неподвижное мaгнитное поле и в нем врaщaется проводник), в секции будет нaводиться ЭДС

. В мaгнитном поле нaходятся две стороны секции, которые нaзывaются рaбочими и рaсположены они под рaзными полюсaми. Поэтому нaпрaвление ЭДС в них будет рaзное. Когдa рaмкa рaсположенa вертикaльно, то величинa ЭДС будет мaксимaльной. По мере ее врaщения угол между рaмкой и мaгнитными силовыми линиями уменьшaется, и ЭДС будет снижaться. Когдa рaмкa проходит через горизонтaльное положение ее рaбочие стороны скользят вдоль силовых линий, не пересекaя их, и ЭДС не индуктируется. При этом коллекторные плaстины зaмыкaются щеткaми, a ЭДС рaвнa 0. Зaтем рaмкa поворaчивaется, и коллекторные плaстины выходят из под щеток. Угол между рaмкой и мaгнитными силовыми линиями увеличивaется и ЭДС тaкже возрaстaет. Когдa рaмкa примет вертикaльное положение, ЭДС будет мaксимaльной, но нaпрaвление ее в сторонaх секции изменится нa противоположное. При дaльнейшем врaщении все повторится.

Следовaтельно, при врaщении рaмки в постоянном мaгнитном поле, в рaмке нaводится переменнaя ЭДС. Если якорь зaмкнуть нa нaгрузку, то в цепи появится переменный ток. Чтобы ток был постоянным по нaпрaвлению, нa коллекторные плaстины устaновлены неподвижные щетки. Поэтому незaвисимо от положения рaмки и коллекторa нaпрaвление токa через щетки будет постоянным. Чтобы ток не изменялся по знaчению, число секций и витков долно быть тaким, чтобы в кaждый момент времени под полюсaми нaходился виток. Тогдa через щетки постоянно будет проходить мaксимaльный ток.

При рaботе двигaтеля щетки подключaются к сети постоянного токa. Через них проходит постоянный ток. Чтобы вaл двигaтеля пришел в движение, необходимо создaть врaщaющий момент. Он создaется зa счет взaимодействия мaгнитного поля постоянных мaгнитов и мaгнитного поля, создaвaемого током, проходящим по обмотке якоря. При взaимодействии двух мaгнитных полей возникaет врaщaющий момент, т.к. возникaет пaрa сил, рaвных по величине и противоположно нaпрaвленных

Но при повороте вaлa двигaтеля ток и, соответственно, мaгнитное поле ослaбевaют врaщaющий момент пaдaет и двигaтель остaнaвливaется, Чтобы этого не произошло число витков должно быть тaким, чтобы в кaждый момент времени под полюсaми нaходился кaкой- либо виток. Тогдa мaгнитное поле будет постоянным и мaксимaльным, и двигaтель будет врaщaться с постоянной скоростью.

Устройство машины постоянного тока при первом знакомстве кажется сложным. Но если понять происходящие внутри процессы, ситуация существенно прояснится.

Машины постоянного тока: что это?

Применение электрического тока в основном заключается в превращении его в иные виды энергии, в частности, механическую. Также и механическая энергия может быть превращена в электрическую.

Этими преобразованиями занимаются машины постоянного и переменного тока. У первых в обмотку возбуждения подается постоянный ток.

Машины постоянного тока (МПТ), преобразующие механическую энергию в электричество, называются генераторами. Выполняющие обратное преобразование — двигателями.

Устройство

МПТ состоят из двух частей:

индуктор: неподвижная часть;
якорь: вращается внутри индуктора.

В машинах переменного тока индуктор и якорь принято называть, соответственно, статором и ротором. Индуктор создает первичное магнитное поле, воздействующее на якорь с целью навести в нем ЭДС (генератор) либо заставить его вращаться (двигатель).

В маломощных МПТ индуктором иногда выступает постоянный магнит, но чаще с целью добиться однородного магнитного потока применяют электромагнит, то есть систему катушек, создающих при протекании через них постоянного тока магнитное поле обмотка возбуждения (ОВ).

Каждая катушка намотана на сердечник, вместе они образуют магнитный полюс. Для надлежащего распределения магнитного потока сердечник снабжен специальным наконечником. Основных полюсов может быть несколько. Помимо них применяются добавочные, обеспечивающие безыскровую работу коллектора. Последний представляет собой важный элемент МПТ, его функция будет рассмотрена ниже.

Ярмо индуктора одновременно является станиной МПТ, потому его так обычно и называют. К нему крепятся магнитные полюсы и подшипниковые щиты (вращается вал якоря). В сущности, ярмо — это лишь часть станины, по которой замыкаются магнитные потоки основных и добавочных полюсов.

Якорь представляет собой сердечник с пазами, содержащими уложенный в определенном порядке провод — обмотку. Сердечник закреплен на валу, вращающемся в подшипниках. Здесь же закреплен коллектор.

Коллектор обеспечивает возможность подачи питания на обмотку вращающегося якоря. Он является подвижной частью так называемого скользящего коллекторного контакта, и состоит из нескольких изолированных друг от друга сегментообразных медных пластин, закрепленных в виде цилиндра на валу якоря. Неподвижная часть контакта представлена графитовыми или медно-графитовыми щетками, закрепленными в щеткодержателях. Пружинами они придавливаются к пластинам коллектора.

Принцип действия

Особенности функционирования МПТ зависит от того, в каком режиме она работает — генератора или двигателя. Далее подробно рассматриваются оба варианта.

Генератор

Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. Состоит оно в том, что при изменении магнитного потока, пересекающего проводник, в последнем наводится ЭДС.

Чтобы добиться изменения магнитного потока, меняют параметры поля либо двигают в постоянном поле проводник. По второму варианту и работает генератор постоянного тока: обмотка якоря приводится во вращение внешней механической силой.

Очевидно, что после поворота витков обмотки на 180 градусов ЭДС окажется направленной противоположно. Сохранить ток в подключенной к генератору цепи постоянным, то есть однонаправленным, помогает коллектор: в нужный момент он переподключает концы обмотки якоря к противоположным контактам цепи (щеткам). То есть в этой машине коллектор играет роль механического выпрямителя.

При наличии всего двух основных полюсов ток получится пульсирующим. Увеличение числа полюсов приводит к сглаживанию пульсаций.

Двигатель

Работа МПТ в режиме двигателя обусловлена возникновением так называемой амперовой силы. Она действует на помещенный в магнитное поле проводник при протекании по нему тока. Направление амперовой силы определяется по правилу левой руки.

Сила Ампера появляется благодаря следующему механизму:

при протекании тока вокруг проводника возникает магнитное поле с силовыми линиями, концентрически окружающими проводник (круговое поле);
вектор его индукции по одну сторону от проводника сонаправлен с вектором индукции первичного магнитного поля, в которое проводник помещен. С этой стороны первичное поле усиливается;
по другую сторону вектор наведенного электротоком поля направлен противоположно вектору индукции первичного поля, соответственно, здесь оно гасится;
разница в индукции поля по обе стороны проводника активирует к возникновению данной силы. Определяется она по формуле: F = B * I * L, где: B — магнитная индукция первичного поля, I — сила тока в проводнике, L — длина проводника.

Как и в случае с генератором, после поворота витка обмотки якоря в определенное положение, требуется переключение контактов для изменения в ней направления тока либо полярности индуктора. Поэтому в режиме двигателя коллектор также необходим.

У коллекторных двигателей есть преимущества:

простота и широкий диапазон регулировки;
жесткая механическая характеристика (вращающий момент остается стабильным).

Недостаток — низкая надежность коллектора и его сложность, негативно отражающаяся на стоимости двигателя.

Вот какими нежелательными явлениями сопровождается работа узла:

В целях борьбы с недостатками в некоторых современных двигателях постоянного тока (ДПТ) применены следующие решения:

обмотки якоря и индуктора меняются местами: первую размещают на неподвижной части (статоре), вторую — на вращающейся (роторе). Скользящий контакт при этом остается, но из-за низкой нагрузки в обмотке возбуждения, он намного проще и надежнее коллекторно-щеточного;
переключение между обмотками якоря, теперь расположенного в неподвижной части, осуществляется при помощи полупроводниковых ключей, срабатывающих по сигналу датчика положения ротора. То есть механический переключатель (коллектор) заменен электронным.

Такие двигатели называют бесколлекторными, за рубежом — BLDC-двигателями.

Классификация МПТ по способу питания обмоток индуктора и якоря

По данному признаку МПТ делятся на 4 вида.

С независимым возбуждением

Обмотки индуктора и якоря не имеют электрического соединения. У генераторов этого типа обмотку возбуждения питает сеть постоянного тока, аккумулятор или специально предназначенный для этого генератор — возбудитель. Мощность последнего — несколько сотых мощности основного генератора.

Область применения генераторов с независимым возбуждением:

системы значительной мощности, где напряжение на обмотке возбуждения существенно отличается от генерируемого;
системы регулирования скорости вращения двигателей, запитанных от генераторов.

У двигателей с независимым возбуждением запитана и якорная обмотка. В основном это также агрегаты большой мощности.

Независимость обмотки индуктора позволяет удобнее и экономичнее регулировать ток возбуждения. Еще одна особенность таких моторов — постоянство магнитного потока возбуждения при любой нагрузке на валу.

С параллельным возбуждением

Обмотки индуктора и якоря соединены в одну цепь параллельно друг другу. Генераторы этого типа обычно применяются для средних мощностей. При параллельном соединении генерируемое устройством напряжение подается на обмотку возбуждения. При соединении в одну цепь обмоток индуктора и якоря говорят о генераторе с самовозбуждением.

В двигателях с параллельным возбуждением на индуктор подается то же напряжение и от того же источника питания, что и на якорь.

По своим характеристикам они идентичны моторам с независимым возбуждением и обладают следующими особенностями:

при изменении нагрузки частота вращения практически не трансформируется: замедление составляет не более 8% при переводе от холостого хода к номинальной нагрузке;
можно с минимальными потерями регулировать частоту вращения, причем в широких пределах — 2-кратно, а у специально сконструированных моторов и 6-кратно.

Индуктор вращающегося двигателя с параллельным возбуждением нельзя отсоединять от цепи якоря, даже если он уже отключен. Это приведет к наведению значительной ЭДС в обмотке возбуждения с последующим выходом мотора из строя. Находящийся рядом персонал может получить травму.

С последовательным возбуждением

Обмотки соединены в цепь последовательно друг другу. Через обмотку возбуждения течет ток якоря. Генераторы этого типа почти не применяются, поскольку процесс самовозбуждения происходит достаточно бурно и устройство не способно обеспечить необходимое большинству потребителей постоянство напряжения. Их используют только в специальных установках.

Двигатели этого типа широко применяют в качестве тяговых (электровозы, троллейбусы, краны и пр.): по сравнению с аналогами параллельного возбуждения, при нагрузке они дают более высокий момент с одновременным уменьшением скорости вращения. Пусковой момент также высок.

Запуск двигателя с нагрузкой ниже 25% номинальной, а тем более на холостом ходу, недопустим: частота вращения окажется чересчур высокой, и агрегат выйдет из строя.

С параллельно-последовательным (смешанным) возбуждением

Существует два вида схемы:

основная обмотка индуктора включена параллельно с якорной, вспомогательная — последовательно;
основная обмотка индуктора включена последовательно с якорной, вспомогательная — параллельно.

Двигатели сочетают в себе достоинства аналогов с параллельным и последовательным возбуждением: способны работать на холостом ходу и при этом развивают значительное тяговое усилие. Но и они сегодня почти не применяются.

Видео по теме

Об устройстве и принципе работы двигателя постоянного тока в видео:

Несмотря на преобладание тока переменного, машины постоянного тока остаются востребованными. Это объясняется их экономичностью, простотой регулировки и рядом прочих достоинств. Коллекторные двигатели, в сущности, универсальны, поскольку могут работать и на переменном токе (направление тока в обмотках все время совпадает).

Машина постоянного тока представляет собой достаточно сложный механизм, который четко должен выполнять свои функции. Для того чтобы она всегда работала стабильно, необходимо, чтобы каждая мелкая деталь идеально выполняла своё предназначение. В этом случае всё вместе будет представлять единый целостный механизм, спокойно выполняющий главную задачу.

Устройство всей машины

В зависимости от видов машин постоянного тока схема может немного меняться, но в целом она универсальна. В устройстве обязательно находятся:

Коллектор. Он необходим для того, чтобы выпрямлять переменный ток в постоянный. Фактически, это сердцевина подобной машины, ее главный действующий элемент.
Щетки. Они необходимы для лучшего контакта и коммутации. Если щётки работают правильно, то искрения не будет.
Сердечник якоря. Он необходим для того, чтобы стать основой для обмотки.
Главный полюс. Это основа для создания магнитного поля.
Катушки. Эти устройства представляют собой разнополярное устройство, необходимое для возникновения постоянного тока.
Корпус или станина. Представляет собой неподвижную часть, необходимую для подключения полюсов и создания стабильного магнитного поля.
Подшипниковый щит. Он соединяет статор и ротор. Чем он прочнее, тем больше срок эксплуатации всей машины. К счастью, данная деталь может чиниться.
Вентилятор. Это устройство необходимо для предотвращения перегрева всей машины.
Обмотка якоря. Именно в ее волокнах образуется и индуцируется ЭДС.

Обязательно нужно четко понимать устройство машин постоянного тока, чтобы правильно их эксплуатировать, а также в случае необходимости произвести ремонт.

Устройство главных полюсов↑

Главный полюс представляет собой сердечник, состоящий из листов специальной электротехнической стали. На него в определенном порядке насаживаются катушки с последовательной и параллельной обмоткой. Основной функцией данной детали становится образование магнитного поля. Также, имеются такие детали, как наконечник для выравнивания поля.

Детали

обмотка главного полюса
сердечник
наконечник
болт крепления
станина
якорь

Если все эти детали хорошо работают, то в результате образуется магнитное поле. Принцип действия машин постоянного тока не обходится без него.

Для создания магнитного поля и его надежности также используются дополнительные полюса. Они изготавливаются по тому же принципу, но немного проще.

Устройство катушек↑

Устройство сердечника и якоря↑

Якорь представляет собой центральную вращающую часть, которая задаёт движение всему агрегату. Сердечник также является центром всего якоря, на котором в дальнейшем будет находиться обмотка и крепится другие детали.

Внешне он напоминает цилиндр, но вовсе не является простой цельной фигурой, скорее – это наборной элемент. На центральную ось набираются кольца или сегменты листовой стали, которые чередуются между собой в определенной направленности. Основным отличием является тот факт, что на внешней их части присутствует огромное количество специальных пазов, которые обеспечивают дальнейшее крепление. В конце они фиксируются с коллектором и становятся единым целым с ним, образуя замкнутую обмотку.

Инженерный центр "ПрофЭнергия" имеет все необходимые инструменты для качественного проведения испытания машин постоянного тока, слаженный коллектив профессионалов и лицензии, которые дают право осуществлять все необходимые испытания и замеры. Оставив выбор на электролаборатории "ПрофЭнергия" вы выбираете надежную и качествунную работу своего оборудования!

Устройство якорных катушек↑

Якорные катушки иными словами называют полукатушками. Обусловлено это небольшим количеством витков (от двух до шести). Также, они имеют маленькую толщину. Основное предназначение и принцип работы их схож с обычными катушками, однако есть и некоторые отличия.

В первую очередь – это двойная головка, на которой отсутствуют выводные концы. В якоре они соединяются с коллекторными пластинами, поэтому конструкция устройства довольно необычная. Катушки могут состоять из нескольких секций, каждая из которых соединяется с коллектором при помощи припаивания.

Устройство коллектора↑

Коллектор по внешнему виду напоминает небольшой цилиндр. Он сделан из меди. Между слоями металла располагается слюда или миканит. В зависимости от необходимой мощности машины может меняться и сам состав материалов коллектора.

К этому цилиндру в дальнейшем крепятся щетки, а также обмотка различной полярности. Основная сложность в его конструкции заключается в том, что это не цельный цилиндр, а собранное особым образом устройство. Данную деталь формируют огромное количество клиновидных медных пластин. Между собой они не должны соприкасаться, поэтому обязательно имеются прослойки и прокладки из другого материала.

Готовый цилиндр надежно крепится на валу якоря при помощи специального болта и становится центром всей машины, преобразующей переменный ток в постоянный. Он может быть практически любого размера, но от этого будет изменяться мощность всего устройства.

Устройство щеткодержателей↑

Держатели для щеток обеспечивают их плотное прижатие и идеальное движение. Именно они делают так, чтобы контакты не тёрлись с коллектором. Обязательно просчитывается так, чтобы относительно полюсов машины щетки не меняли свое положение. Они максимально прочно соприкасаются с коллектором, благодаря пружинам, имеющимся в держателях. Также, обеспечивается вращение для идеальной работы.

В зависимости от конкретной машины, держатели могут быть разными по форме и материалам. Однако принцип действия их остается неизменным в любом случае.

Устройство щеток↑

Сами щетки представляют собой прямоугольные бруски. Они находятся на внешней стороне устройства и их легко можно увидеть, не разбирая машину. Иногда, в случае возникновения неисправности, именно тут возникает само искрение, символизирующее о необходимости принимать меры. Основными материалами, из которых изготавливаются щётки, являются графит, кокс, а также некоторые другие компоненты.

Принцип действия↑

Принцип действия машин постоянного тока непосредственно соединен с понятием назначения. Подобные технологии применяются, как в электродвигателях, так и в генераторах. В зависимости от мощности и характеристик их можно использовать в любых отраслях, от промышленности до различных автоматических систем.

Подобные двигатели достаточно дороги и сложны, поэтому они пока не вошли в широкое обращение и используются только лишь при необходимости. Особую популярность такие машины обрели в натуральном хозяйстве, в любых передвижных установках, а также выступают в качестве источника энергии, если её тяжело получить другим способом.

История

У подобного устройства достаточно богатая история. Еще в 19 веке, в 1821 году подобная идея появилась у Фарадея, который и начал ее продвигать. Первый же двигатель был создан русским ученым Якоби. Он же и старался его развивать.

В начале 20 века огромное количество ученый пробовали усовершенствовать данную машину и увеличивать её мощность. Это получалось все лучше и лучше с каждым годом. Единственной проблемой оставалось искрение и ненадежность, но затем и она снялась с улучшением коммутации.

Принцип

Работу двигателя можно объяснить достаточно легко. В обмотке возбуждения, которая надежно соединяется с полюсами, начинает образовываться ток. За счёт стабильного вращения и одного направления ЭДС он становится постоянным. Когда постепенно проводники перемещаются от одного полюса к другому, ЭДС меняет знак своей полярности. Но количество проводников неизменно, а значит, и сила тока остается постоянной по своей величине и характеристикам.

Сердцевиной для выполнения подобных работ становится коллектор. Машиной постоянного тока фактически можно назвать абсолютно любую технику, которая имеет коллектор, якорь с обмоткой, а также внешнюю электрическую цепь. В результате всё это даёт возможность преобразовывать переменный ток в постоянный. В нынешнее время присутствует огромное количество разнообразных машин, которые различаются по мощности, размерам и материалам, однако основа у них одна, начиная с 19 века, которая была открыта Фарадеем.

Несмотря на то, что переменный ток активно применяется человеком в быту и на различных производствах, машины постоянного тока, несмотря на некоторую ограниченность, до сих пор активно применяются в различных сферах деятельности человека. Суть работы данных агрегатов одна – преобразование механической энергии в электрическую, и наоборот.

Сегодня мы расскажем вам много интересного про эти уже давно изобретенные агрегаты, которые до сих пор практически ни в чем не изменились.

Особенности двигателей постоянного тока

У двигателей постоянного тока есть одно неоспоримое преимущество перед аналогами, работающими на переменном токе. Эти агрегаты могут плавно и точно регулировать свою скорость вращения, у них высокое быстродействие, а также они обладают большими перегрузочными и пусковыми моментами.

Сегодня их используют в основном в следующих отраслях:

В металлорежущих станках, роботах, манипуляторах, грузоподъемных механизмах, прокатных станках (электроприводы подач и главного движения);
В тяговых приводах мощных транспортных средств, таких как: тягачи, троллейбусы, трамваи, электровозы;

В мощных снегоочистителях;
В качестве исполнительных элементов автоматизированных систем управления и прочее.

Как устроены машины, работающие на постоянном токе

Электрические машины постоянного тока являются обратимыми устройствами, то есть они при определенном подключении могут использоваться либо как двигатель, либо как генератор тока.

На картинке выше показано классическое строение такой машины:

Коллектор – металлический скользящий контакт, через который ротор коммутируется с внешними электрическими цепями;
Щетки (обычно графитовые или медно-графитовые) – ответная часть скользящего контакта, которая постоянно трется о коллектор при вращении ротора;

Ротор (якорь)- подвижная часть агрегата. При его вращении запускается процесс электромагнитной индукции.
Главные полюса;
Катушка обмотки возбуждения;

Совет! Пункты 4 и 5 являются частями статора – неподвижной электрической части машины, которая может выступать в роли мощного электромагнита (режим двигателя) или обмотки индуктирующей напряжение (генераторный режим).

Станина – корпус агрегата;
Боковая крышка, которая закрывает крыльчатку охлаждения и является держателем подшипников качения, на которых вращается ротор;
Вентилятор – призван охлаждать машину во время ее работы.

Интересно знать! Никакой двигатель не может преобразовывать энергию без потерь – ее часть всегда уходит в тепло.

Помимо этого конструкция имеет центральный вал вращения, который почему-то на схеме не отмечен, и иногда лапы – петли, через которые агрегат можно закрепить к столу, например.

Итак, основными рабочими частями машин постоянного тока являются ротор, который тут чаще называют якорем, и статор. Данную часть конструкции называют внутренней электрической. Существует также и внешняя электрическая часть, с помощью которой осуществляется управление двигателем, а также подключаются внешние электрические сети.

Остальные элементы относятся к механической части.

Станина машины постоянного тока делается из прочного металла – обычно это конструкционная сталь.
К внутренней части станины крепятся главные и добавочные полюса статора. Сердечники главных полюсов набираются из стальных пластин. Для добавочных полюсов они идут в основном массивные.
Обмотка возбуждения находится на главных полюсах – их МДС формируют рабочий поток. Обмотки добавочных полюсов обеспечивают нормальную коммутацию.

Роторный магнитопровод шихтуется из специальной электромагнитной стали.

Сам якорь имеет следующее строение:

Якорь имеет сердечник. Который, как уже было сказано, набирается из стальных пластин толщиной 0,35-0,5 мм. Пластины изолированы друг от друга тонким слоем лака или оксидной пленки, чтобы потери от вихревых токов были минимальными.
Снаружи сердечник имеет пазы, показанные в увеличенном виде на схеме выше. В эти пазы укладывается обмотка якоря, сделанная из специальной медной обмоточной проволоки, покрытой слоем изолирующего лака.
Проволока может быть круглого или прямоугольного сечения.
Обмотка внутри паза надежно крепится при помощи бандажей или клиньев из стальной проволоки.
Лобовая обмотка, выступающая за торцы сердечника, якоря крепится только бандажами.
Вся обмотка разбита на отдельные, изолированные друг от друга секции. Каждая из них соединяется в определенной последовательности с медными пластинами коллектора, к которым, так мы помним, за счет пружин прижимаются щетки.

Интересно знать! Контакт коллектора и щеток устроен таким образом, чтобы концы одной обмотки никогда не могли коротко замкнуться.

Вообще коллектор довольно простая, но многофункциональная деталь таких машин, предназначенная для выпрямления тока.
Состоит он из коллекторных пластин, называемых также ламелями.
Пластины изолированы друг от друга и элементов крепления манжетами и специальными прокладками.
С торцов пластины стягивают нажимные фланцы.
Коллектор должен иметь строго цилиндрическую форму, поэтому тщательно обтачивается на специальном оборудовании – таким же образом они могут восстанавливаться после коротких замыканий.

Идем дальше – на очереди щеточный аппарат:

Состоит он из щеточной траверсы и щеткодержателей со щетками.
Щеткодержатель имеет обойму, в которой и находится сама щетка. Под щеткой находится пружина, которая выталкивает ее наружу и тем самым прижимает к коллекторным пластинам.
От щеток отходят сборные шины, которые соединяют их с контактами машины.

При вращении ротора, между щетками и коллектором возникает искрение. Если оно будет слишком сильным, то возможно даже образование дугового разряда, что приведет к короткому замыканию и выходу агрегата из строя. Чтобы этого не произошло, и применяются дополнительные полюса обмотки.

На корпусе машины располагаются клеммы для подключения внешних цепей, а также паспортные данные.

Классификация машин постоянного тока

Способы возбуждения машин постоянного тока и включения главных полюсов делят машины на разные типы.

Выделяют следующие варианты:

Агрегаты с независимым возбуждением – Электрическая цепь, которую формирует обмотка возбуждения, никак не связана с силовой цепью ротора. Этот вариант практически единственный для генераторов постоянного тока.
Машины с параллельным возбуждением – цепь якоря и обмотка возбуждения включаются параллельно.
Варианты с последовательным возбуждением – не сложно сообразить, что обмотки соединяются последовательно – метод применяется на практике очень редко.
Машины со смешанным возбуждением – агрегаты имеют две обмотки возбуждения, одна из которых подключена к цепи ротора последовательно, а другая – параллельно.

Принцип работы на примере двигателя постоянного тока

Давайте посмотрим, как работает двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением.

Итак, к цепи обмотки возбуждения подается напряжение (U) – источник выдает постоянный ток.
Напряжение вызывает движение тока (Iв), который создает постоянную силу намагничивания (IвWв), которая в свою очередь приводит в состояние возбуждения магнитный поток (Ф), являющийся основным. Его направление зависит от направления тока в обмотке.
В это же время в якорной цепи проходит ток (Iя), создающий свое магнитное поле.
Прижимающиеся к коллектору щетки делят обмотку якоря на параллельные ветви.
Обмотка в якорь укладывается таким образом, чтобы ее проводники, находящиеся в состоянии активности, находились у противоположных поясов. При этом направление токов будет одинаковым, что и не удивительно.
В этот момент начинается взаимодействие электромагнитных сил, в результате которого электромагнитный момент начинает вращать якорь.

При вращении якоря проводники в его обмотке пересекают основной магнитный поток, в результате чего в них образуется ЭДС, согласно закону электромагнитной индукции. Направление ЭДС определяется правилом правой руки, знакомого нам еще со школьной скамьи: расположите правую руку так, чтобы в ладонь входили магнитные линии, тогда большой палец покажет, куда двигается проводник, а остальные 4 – направление ЭДС.
Известно, что наибольшее значение ЭДС получает тогда, когда активная обмотка проходит непосредственно возле магнитных полюсов. Дальше она убывает, а потом ток меняет свое направление, при условии, что цепь размыкаться не будет.
Если предположить, что обмотка якоря устроена таким образом, то работала бы такая машина крайне неэффективно. Именно поэтому в якорях машин постоянного тока реализован принцип смены активных секций обмотки, что происходит при вращении. В любой момент времени задействованы те секции, в которых значение ЭДС самое высокое.
ЭДС создает свое магнитное поле, называемое поперечным, так как оно перпендикулярно основному. При взаимодействии полей результирующий поток искажается.
Разность потоков устанавливает рабочие параметры машины.

Рабочие моменты

Давайте разберем некоторые характеристики и особенности машин постоянного тока.

Пуск и режим реверса

В момент, когда двигатель запускается, якорь имеет неподвижное положение, а значит, ЭДС в нем равна нулю. Из-за того, что сопротивление якорной обмотки очень маленькое, пусковой тока якоря намного превышает номинальный. Если представить себе такой пуск двигателя, то он однозначно бы вышел из строя.

Чтобы такого не происходило, пусковой ток в двигателях постоянного тока с параллельным возбуждением ограничивается за счет включенного в цепь пускового реостата.
Пуск при этом необходимо производить при номинальном значении магнитного потока, благодаря чему увеличивается пусковой момент и быстро растет ЭДС в обмотке якоря. В результате двигатель разгоняется быстрее, а время, когда проходит большой пусковой ток по обмотке сокращается.
Когда разгон двигателя завершается, реостат выводится из цепи – делается это либо плавно, либо ступенчато.
Для того чтобы остановить двигатель, достаточно отключить подачу питания к нему.
Для любого электрического двигателя доступен режим вращения в обратном направлении – реверс. Для этого нужно всего лишь изменить направление тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке статора.

Интересно знать! Одновременное изменение направления токов ни к чему не приведет, двигатель продолжит вращаться в том же направлении.

Потери мощности и КПД

Любой двигатель или генератор постоянного тока работает с потерями мощности. Их делят на два типа: основные и добавочные.

К первым относят магнитные, электрические и механические.
Магнитные потери, происходящие в стали обозначают ΔРс. Происходят они из-за того, что во время вращения сердечник на якоре постоянно перемагничивается, поэтому возникают потери на гистерезис и вихревые токи.
Электрические потери (ΔРэл) происходят из-за активного сопротивления обмоток, а также сопротивления щеточного контакта, то есть данное значение представляется в виде суммы указанных потерь.
Механические (ΔРмех) включают потери на трение подшипников, трение щеток о коллектор, трение вращающегося якоря о воздух (и такое есть) и вентиляционные потери.
Все остальные потери называются добавочными и связаны они в основном с взаимодействием различных частей агрегата с магнитным полем.

Интересно знать! Потери мощности при работе в холостом режиме, то есть без нагрузки, крайне малы.

Для расчета каждого типа потерь применяются специальные формулы. Мы не будем так глубоко вдаваться в суть, а скажем лишь, что КПД машины постоянного тока определяется отношением отдаваемой мощности, к потребляемой. Выражают данное значение обычно в процентах.

Современные машины постоянного тока стали очень эффективными. КПД у них обычно варьируется в пределах 75-90%.

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики представляют собой следующие зависимости:

Скорости вращения, потребляемого тока и мощности двигателя;
КПД от полезной мощности при условии, что напряжение питания неизменно.
Тока обмотки возбуждения и отсутствия добавочного сопротивления в цепи якоря.

Все эти параметры позволяют говорить о свойствах двигателей в режиме эксплуатации, а также находить оптимальные и экономичные режимы их работы.

Регулировка скорости вращения двигателя

Регулировать скорость вращения машины постоянного тока можно тремя способами: изменение напряжения сети, реостатное регулирование, изменение магнитного потока. Давайте обо всем по порядку.

Изменение напряжения осуществляется за счет устройств, которые могут, собственно, менять величину напряжения.
Реостатное регулирование, как мы уже упоминали по ходу статьи, нуждается во введении в цепь якоря дополнительных резисторов активного типа, то есть меняющих свои характеристики при определенных условиях.
Регулирование магнитного потока происходит за счет уменьшения тока возбуждения.

Конечно, мы назвали не все характеристики машин постоянного тока, а лишь основные, но для ознакомления с этими агрегатами этого вполне достаточно.

Читайте также: