Типы обмоток якоря машин постоянного тока кратко

Обновлено: 02.07.2024

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.

Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

с независимым возбуждением обмоток;
соединение параллельно обмоткам якоря;
варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
смешанное подсоединение.

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

Рисунок 3. Ротор с тремя обмотками Рисунок 4. Якорь со многими обмотками

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

Принцип работы

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Области применения

Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

бытовые и промышленные электроинструменты;
автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
Легко регулируемая частота вращения;
хорошие пусковые характеристики;
компактные размеры.

У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.

Недостатки:

ограниченный ресурс коллектора и щёток;
дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
дороговизна в изготовлении якорей.

По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

Автор: Евгений Живоглядов.
Дата публикации: 15 марта 2014 .
Категория: Статьи.

Устройство обмоток

Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и должна удовлетворять следующим требованиям:
1) обмотка должна быть рассчитана на заданные значения напряжения и тока нагрузки, соответствующие номинальной мощности;
2) обмотка должна иметь необходимую электрическую, механическую и термическую прочность, обеспечивающую достаточно продолжительный срок службы машины (до 15 – 20 лет);
3) конструкция обмотки должна обеспечить удовлетворительные условия токосъема с коллектора, без вредного искрения;
4) расход материала при заданных эксплуатационных показателях (коэффициенте полезного действия и других) должен быть минимальным;
5) технология изготовления обмотки должна быть по возможности простой.

В современных машинах постоянного тока якорная обмотка укладывается в пазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки называются барабанными. Обмотки якорей подразделяются на петлевые и волновые. Существуют также обмотки, которые представляют собой сочетание этих двух обмоток.

Основным элементом каждой обмотки якоря является секция, которая состоит из одного или некоторого числа последовательно соединенных витков и присоединена своими концами к коллекторным пластинам (рисунки 1 и 2).


Рисунок 1. Петлевая обмотка якоря. Одновитковая и двухвитковая секции петлевой обмотки	Рисунок 2. Волновая обмотка якоря. Одновитковая и двухвитковая секции волновой обмотки

В обмотке обычно все секции имеют одинаковое число витков. На схемах обмоток секции для простоты изображаются всегда одновитковыми.

Секции обмотки соединяются друг с другом в последовательную цепь (рисунок 4) таким образом, что начало (н) последующей секции присоединяется вместе с концом (к) предыдущей секции к общей коллекторной пластине. Обмотки – петлевая и волновая – названы по внешнему очертанию контуров, образуемых последовательно соединенными секциями.

Поскольку каждая секция имеет два конца и к каждой коллекторной пластине присоединены также два конца секций, то общее число пластин коллектора K равно числу секций обмотки S:

В простейшем случае в пазу находятся две секционные стороны: одна в верхнем и другая в нижнем слое. При этом число пазов якоря Z = S = K. Однако для уменьшения пульсаций выпрямленного тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрезмерно большого напряжения между соседними коллекторными пластинами число пластин должно быть достаточно большим. Обычно при U_н = 110 – 220 В

С другой стороны, изготовление якорей с большим числом пазов нецелесообразно, так как при этом пазы будут узкими, значительная часть их площади будет занята изоляцией секций от корпуса, для проводников останется мало места и в итоге получится проигрыш в мощности машины. Кроме того, большой расход изоляционных материалов и увеличение штамповочных работ вызовут удорожание машины, а мелкие зубцы будут непрочными.

По этим причинам обычно в каждом слое паза располагают несколько (u_п = 2, 3, 4, 5) секционных сторон (на рисунке 3 u_п = 3). При этом

В данном случае говорят, что в каждом реальном пазу имеется u_п элементарных пазов, так что в каждом слое элементарного паза имеется одна секционная сторона. Очевидно, что общее число элементарных пазов якоря

Когда u_п > 1, либо все секции имеют равную ширину (рисунок 5, а), либо же часть секций имеет меньшую, а часть – большую ширину (рисунок 5, б). В первом случае обмотка называется равносекционной, а во втором – ступенчатой. При ступенчатой обмотке условия токосъема с коллектора улучшаются, однако эта обмотка сложнее и дороже и поэтому применяется реже, притом только в машинах большой мощности (P_н приблизительно равно 500 кВт и выше).

Рисунок 5. Укладка секций равносекционной (а) и ступенчатой (б) обмоток при u_п = 2

В равносекционных обмотках u_п секций, стороны которых лежат рядом в общих пазах, объединяются в катушку (рисунок 6) и имеют общую изоляцию от стенок паза. Одновитковые секции при больших токах изготовляются из стержней, концы которых на противоположной от коллектора стороне якоря запаиваются с помощью хомутиков после укладки в пазы. Стержни u_п секций объединяются в полукатушку (рисунок 7). Секции ступенчатой обмотки являются всегда стержневыми.

Рисунок 6. Катушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

Рисунок 7. Полукатушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

На рисунке 8 приведены примеры выполнения изоляции пазовой части обмотки.

Рисунок 8. Пазовая изоляция класса А:
а – полузакрытый паз
1 – клин гетинаксовый; 2 – изолированные проводники; 3 – прокладка из стеклоткани 0,18 мм; 4 – прокладка из электрокартона 0,2 мм; 5 – стеклоткань эскапоновая 0,18 мм; 6 – электрокартон 0,2 мм
б – открытый паз
1 – клин деревянный; 2 – прокладка из электрокартона; 3 – изолированный проводник; 4 – микалента или синтетическая лента 0,13 мм; 5 – микафолий или синтетическая пленка 0,15 мм; 6 – телефонная бумага; 7 – электрокартон 0,2 мм; 8 – прокладка из электрокартона

В машинах малой мощности, когда ток параллельной ветви не превышает 60 – 75 А, катушки изготовляются из круглых изолированных проводников. В этом случае пазы делают трапециевидными (рисунок 8, а), чтобы получить зубцы с неизменным по высоте сечением и тем самым избежать сильного насыщения корня зубца. Проводники катушки при этом опускаются в паз по одному через узкую щель открытия паза. Такие пазы называются полузакрытыми, и изоляция таких обмоток чаще всего выполняется класса А и Е.

В случае применения проводников прямоугольного сечения паз также выполняется прямоугольным (рисунок 8, б). Такие обмотки изготовляются с различными классами изоляции. При изоляции классов А и Е проводники обмотки могут также опускаться в паз по одному, и тогда ширина открытия паза равна примерно половине ширины паза. Такие пазы называются полуоткрытыми. При изоляции классов B, F и H заранее полностью изолированные катушки укладываются в полностью открытые пазы (рисунок 8, б).

При D_а ≤ 40 см и v_а ≤ 35 м/с обмотки в пазах укрепляются с помощью проволочных бандажей из стеклоленты, пропитанной лаком. Во всех остальных случаях применяются клинья из твердых пород дерева (бук и другие), гетинакса, текстолита, стеклотекстолита и других материалов.

Плотность тока в проводниках обмотки якоря при номинальной нагрузке находиться в пределах 4 – 10 А/мм². Меньшая цифра относится к крупным машинам, большая – к малым.

Условия симметрии обмоток

В современных якорных обмотках соединенные последовательно друг с другом секции образуют замкнутую на себя цепь. Такую обмотку можно изобразить схематически в виде замкнутой спирали (рисунок 9), по поверхности которой скользят щетки. В изображенном на рисунке 9 простейшем случае обмотка имеет одну пару (а = 1) параллельных ветвей. В общем случае а = 1, 2, 3…, и тогда машину можно рассматривать состоящей из а параллельно работающих элементарных машин, каждая из которых имеет две параллельные ветви.

Рисунок 9. Цепь простейшей якорной обмотки

Для обеспечения наилучших условий работы машины необходимо, чтобы электродвижущая сила E_а всех ветвей обмотки и их сопротивления были равны. В этом случае токи всех параллельных ветвей i_а также будут равны:

Для удовлетворения этих условий необходимо, во-первых, чтобы магнитная цепь была симметричной по устройству и потоки всех полюсов были равны, во-вторых, чтобы все пары параллельных ветвей обмотки были эквивалентны, то есть чтобы они располагались в магнитном поле идентичным образом. Обмотка, удовлетворяющая этим требованиям, называется симметричной.

При нарушении указанных требований разные ветви обмотки будут нагружаться различными по значению токами, что может вызвать нарушение работы щеточных контактов, а кроме того, возрастут также потери в обмотке.

Чтобы обмотка была симметричной, на каждую пару параллельных ветвей должно приходится одинаковое целое число секций и коллекторных пластин:

Для симметричного расположения параллельных ветвей в магнитном поле необходимо, чтобы

Соотношения (5), (6) и (7) представляют собой условия симметрии обмоток, и последнее проектируется с их учетом. Однако в отдельных случаях допускаются определенные, не слишком большие отступления от этих требований, не вызывающие заметного ухудшения условий работы машины.

Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

Найди готовую курсовую работу выполненное домашнее задание решённую задачу готовую лабораторную работу написанный реферат подготовленный доклад готовую ВКР готовую диссертацию готовую НИР готовый отчёт по практике готовые ответы полные лекции полные семинары заполненную рабочую тетрадь подготовленную презентацию переведённый текст написанное изложение написанное сочинение готовую статью

Сделан в Word, графики в электронном виде с ссылками. Курсовая работа. Вариант 33. Гидравлический расчет гидросистемы стенда для испытания центробежных насосов.

3. Якорные обмотки машины постоянного тока

3.1. Общие сведения о якорных обмотках

машин постоянного тока

Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и должна удовлетворять следующим требованиям:

- соответствие заданным величинам напряжения и тока нагрузки,

- необходимая электрическая, механическая и термическая прочность, обеспечивающая достаточно продолжительный срок службы машины (до 15-20 лет);

- удовлетворительные условия токосъема с коллектора, без вредного искрения;

Рекомендуемые материалы

- минимальный расход материалов при заданных эксплуатационных показателях (КПД и др.);

- по возможности простая технология изготовления.

В современных машинах постоянного тока якорную обмотку укладывают в пазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки называются барабанными. Обмотки якорей подразделяются на волновые и петлевые. Существуют также обмотки, представляющие собой сочетание этих двух обмоток. Два последовательно соединенных проводника называют витком (рис. 3.1). Часть проводника 1, расположенную в пазу, называют активной частью (в ней наводится ЭДС). Проводники 2, соединяющие активные части (стороны) в витки, называют лобовыми частями. Эта часть неактивная.

Для получения максимальной ЭДС секции, а следовательно,

и всей обмотки в виток соединяют проводники, отстоящие друг от друга на расстоянии полюсного деления (рис. 3.1).

Несколько витков, соединенных друг с другом и подключенных к пластинам коллектора или включенных в схему обмотки, называют секцией (рис. 3.2 и 3.3). Секция может быть и одновитковой (рис.3.2,а и 3.3,а).

3.2 Способы соединения проводников

Существует два способа соединения проводников в витки (секции):

- концы витков (секций) сводят вместе (для подключения к соседним пластинам коллектора или включения в схему обмотки. Такую обмотку называют петлевой (рис. 3.2, а, б);

- концы витков (секций) разводят на расстояние, близкое к двойному полюсному делению. Соединенную так обмотку называют волновой (рис. 3.3, а, б).

В принципе построения петлевые и волновые обмотки отличий не имеют, но по своим техническим свойствам различны.

В петлевых обмотках столько параллельных ветвей, сколько полюсов. Поэтому петлевые обмотки применяют в машинах с большими токовыми нагрузками, уменьшая тем самым сечение проводников обмотки.

В волновых обмотках параллельных ветвей только две (независимо от количества полюсов). В отличие от петлевых обмоток волновые нечувствительны к магнитной асимметрии машины. Применяют эти обмотки в машинах высоковольтных (витки обмотки соединяются последо-вательно и при-ходящееся на виток напряжение ниже приложенного к якорю, что уменьшает расход изоляционных материалов). Вследствие нечувствительности машины к магнитной асимметрии и отсутствия уравнительных соединений, волновые обмотки применяют в машинах малой мощности.

В каждом пазу, независимо от типа обмотки, располагают одну группу проводников (один проводник), принадлежащих одной секции или две группы, принадлежащие разным секциям. Первую обмотку называют однослойной, вторую – двухслойной. Секции обмотки соединяются друг с другом в последовательную цепь (см. рис. 3.6, а, б), так, что начало (н) последующей секции присоединяется вместе с концом (к) предыдущей секции к общей коллекторной пластине.

Поскольку каждая секция имеет два конца и к каждой коллекторной пластине присоединены также два конца секций, то общее количество пластин коллектора К равно количеству секций обмотки S:

K = S (3.1)

Для уменьшения пульсаций выпрямленного тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрезмерно большого на-

пряжения между соседними коллекторными пластинами число пластин должно быть достаточно большим.

Обычно при номинальном напряжении = 110 – 220 В

Изготовление якорей с большим числом пазов нецелесообразно, так как усложнение штамповочных работ и увеличение расхода изо-

ляционных материалов вызовут удорожание машины, а мелкие зубцы при этом будут непрочными.

По этим причинам обычно в каждом слое паза располагают рядом несколько секционных сторон . При этом

(3.2)

В данном случае говорят, что в каждом реальном пазу имеется элементарных пазов, так что в каждом слое элементарного паза имеется одна секционная сторона. Общее число элементарных пазов якоря

При > 1 либо все секции имеют равную ширину, либо же часть секции имеет большую, а часть - меньшую ширину. В первом случае обмотку называют равносекционной (рис. 3.4, а), а во втором – ступенчатой (рис. 3.4, б).

При ступенчатой обмотке условия токосъема с коллектора улучшаются, однако эта обмотка сложнее и дороже и поэтому применяется в машинах большой мощности.

3.3. Шаги обмоток

В дальнейшем будем представлять, что якорь машины разрезан по

образующей и развернут так, что пазы и обмотка якоря лежат в одной плоскости. Предположим также, что развернутый якорь движется от-носительно неподвижных полюсов справа налево, а полюсы находятся перед плоскостью чертежа (рис. 3.5, а). ЭДС в проводниках секций направлены под южным полюсом вверх, а под северным – вниз.

Индуктируемая в секциях ЭДС максимальна, если ширина секций равна полюсному делению t, так как при этом макси-мальное потоко-сцепление секции определяется полным потоком полюсов в воздушном зазоре (рис. 3.5. б) Стороны секций при любом положении вращающегося якоря находятся под разноименными полюсами, в них индуктируются ЭДС противоположных направлений, которые по контуру секции суммируются.

Тем не менее, обычно обмотку выполняют с шагом (см. рис.3.5), несколько отличающимся от , так как при этом величина ЭДС существенным образом не меняется, а условия токосъема с коллектора улучшаются. При шаг называют полным или диаметральным, при удлиненным.

Выполнения обмоток с удлиненным шагом избегают, из-за увеличения расхода меди на лобовые части обмотки.

Возможный вариант последовательного соединения секций простой петлевой обмотки представлены на рис. 3,6, а. Эта обмотка

образует столько параллельных ветвей (2а), сколько полюсов в машине (2р), поэтому ее называют параллельной.

Взаимное расположение на якоре сторон секций относительно друг друга определяют шаги обмоток (рис. 3.6, а), которые определяют по элементарным пазам. Первый частичный шаг - расстояние между активными сторонами одной и той же

секции. Для всех видов обмоток этот шаг выбирают близким к полюсному делению:

(3.4)

где e - некоторая дробь, округляющая шаг до целого числа.

Второй частичный шаг указывает расстояние между разноименными сторонами двух, следующих друг за другом, секций. Так как в петлевой обмотке движение при переходе от конечной стороны предыдущей секции к начальной последующей совершается влево, то шаг в петлевой обмотке будем считать отрицательным.

Результирующий шаг обмотки

(3.5)

определяет расстояние между начальными сторонами данной и последующей секций.

Коллекторным делением называют ширину коллекторной пластины вместе с шириной изоляционной прокладки между пластинами. Шаг по коллектору определяет расстояние в коллекторных делениях между серединами коллекторных пластин, к которым присоединены концы данной секции. В якорных обмотках машин постоянного тока

(3.6)

Соотношения (3.4), (3.5) и (3.6) применимы для всех типов обмоток. В простой петлевой обмотке

На рис. 3.7 выполнена схема простой петлевой обмотки якоря со следующими данными: 2р = 4, Z = Z_Э = S = K = 18;

На схеме простой петлевой обмотки, вычерченной по рассчитанным шагам (рис. 3.7) проставлены номера пазов и присвоены коллекторным пластинам номера тех секций, с началом которых они соединены.

Линия на поверхности якоря, проходящая в осевом направлении между соседними полюсами, называется линией геометрической нейтрали или геометрической нейтралью, так как вдоль этой линии магнитная индукция .

При вращении якоря некоторая часть секций, выделенных на рис. 3.7 жирными линиями, оказывается замкнута накоротко щетками. Чтобы индуктируемые в этих секциях ЭДС были минимальными и не возникало чрезмерно больших токов, эти секции должны находиться на линии геометрической нейтрали или вблизи этой линии.

В простой петлевой обмотке секции, расположенные под каждой парой полюсов, образуют две параллельные ветви. В каждую из параллельных ветвей входит секций, поэтому число параллельных ветвей во всей обмотке

(3.8)

Условие выражает основное свойство простой петлевой обмотки: чем больше полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет обмотка и больше щеточных пальцев. Простую петлевую обмотку называют параллельной.

При простой волновой обмотке секции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 3.6,б). При этом после одного обхода окружности якоря, то есть последовательного соединения р секций, приходят к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной. Частичные шаги обмотки и (рис. 3.6,б) приблизительно равны полюсному делению . Шаги волновой обмотки рассчитываются по (3.4) и (3.5). Шаг по коллектору равен двойному полюсному делению. Между шагом по коллектору и количеством коллекторных пластин К , при таком способе соединения проводников обмотки, существует зависимость , откуда

. (3.9)

Так как величина целое число, то число коллекторных пластин К должно быть нечетным числом. Для уменьшения расхода меди предпочтительнее брать (неперекрещенная обмотка). Направление ЭДС сохраняется неизменным во всех сторонах секций, расположенных в пределах одного полюсного деления, т.е. в сторонах секций. В простой волновой обмотке при одном обходе окружности якоря соединяют последовательно 2р сторон секций, поэтому количество секций в каждой параллельной ветви , а число параллельных ветвей обмотки

(3.10)

Таким образом, число параллельных ветвей при простой волновой обмотке не зависит от числа полюсов и всегда равно двум. Эту обмотку часто называют последовательной.

Последовательность соединения отдельных секций волновой обмотки показаны на рис. 3.8 на примере простой волновой обмотки четырехполюсной машины, имеющей 17 секций. При волновой обмотке в машинах возможна установка двух щеточных пальцев. Для уменьшения плотности тока под щетками и улучшения токосъема часто ставят полный комплект (2р) щеточных пальцев.

3.4. Условия симметрии обмоток. Уравнительные соединения

Последовательно соединенные секции якорных обмоток образуют замкнутую на себя цепь. Такая обмотка схематически изображена на рис. 3.9 в виде спирали, по поверхности которой скользят щетки. Если ЭДС параллельных ветвей обмотки и их сопротивления одинаковы, то равны между собой и токи этих ветвей:

. (3.11)

Это возможно в том случае, если магнитная цепь симметрична по устройству и потоки полюсов равны, а все пары параллельных ветвей обмотки эквивалентны, т. е. расположены в магнитном поле идентично. Обмотку, удовлетворяющую этим условиям, называют симметричной. В ней на каждую пару параллельных ветвей приходится одинаковое целое число секций и коллекторных пластин:

(3.12)

Для симметричного расположения параллельных ветвей в магнитном поле необходимо, чтобы

(3.14)

Соотношения (3.12) - (3.14) определяют условия симметрии обмоток. Последние проектируются с их учетом. При нарушении этих условий в параллельных ветвях обмотки будут индуктироваться различные по величине ЭДС, что приведет к появлению уравнительного тока и нарушению работы щеточных контактов. Уравнительные токи могут возникать и в симметрично выполненной петлевой обмотке. Из-за технологических допусков в величинах воздушного зазора под разными полюсами, дефектов литья, износа подшипников и других причин магнитные потоки отдельных полюсов несколько различаются между собой, поэтому в параллельных ветвях индуцируются неодинаковые ЭДС. Разница между ними составляет 3 – 5 %, но вследствие небольшого сопротивления обмотки якоря эта ЭДС оказывается достаточной для того, чтобы по параллельным ветвям даже при холостом ходе проходили довольно значительные уравнительные токи, замыкающиеся через щетки одинаковой полярности и соединительные провода между ними (см. рис. 3.9) и способствующие возникновению искрения на коллекторе. Объединив теоретически равнопотенциальные точки специальными соединениями, называемыми уравнительными (штриховая линия а-б на рис. 3.9), можно создать уравнительным токам замкнутые контуры внутри обмотки, освободив от дополнительных токов щетки. Одно из таких соединений показано штриховыми линиями на рис. 3.7. Практически достаточно снабжать уравнителями половину или третью часть коллекторных пластин. Уравнительные соединения располагают обычно под лобовыми частями обмотки рядом с коллектором. В этом случае они находятся вне поля главных полюсов и в них ЭДС не индуцируется.

При простой волновой обмотке уравнительных соединений не требуется, так как в каждую параллельную ветвь входят секции, стороны которых расположены под всеми полюсами. В результате неравенство потоков отдельных полюсов не вызывает неравенства ЭДС в параллельных ветвях. Поэтому в большинстве четырехполюсных машин малой и средней мощности применяют волновую обмотку. Петлевые обмотки используют при токах якорных обмоток не менее 250 – 300 А.

Электродвигатели постоянного тока

Электродвигатели постоянного тока применяют в тех электроприводах, где требуется большой диапазон регулирования скорости, большая точность поддержания скорости вращения привода, регулирования скорости вверх от номинальной.

Как устроены электродвигатели постоянного тока

Работа электрического двигателя постоянного тока основана на явлении электромагнитной индукции. Из основ электротехники известно, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, определяемая по правилу левой руки :

где I — ток, протекающий по проводнику, В — индукция магнитного поля; L — длина проводника.

При пересечении проводником магнитных силовых линий машины в нем наводится электродвижущая сила, которая по отношению к току в проводнике направлена против него, поэтому он а называется обратной или противодействующей (противо-э. д. с). Электрическая мощность в двигателе преобразуется в механическую и частично тратится на нагревание проводника.

Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора и якоря , разделенных воздушным зазором.

Индуктор электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины, на добавочных полюсах - специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации.

Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельных листов , рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянного тока .

Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированных друг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены в щеткодержателях , которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусом электродвигателя .

Коммутация в электродвигателях постоянного тока

В процессе работы электродвигателя постоянного тока щетки, скользя по поверхности вращающегося коллектора, последовательно переходят с одной коллекторной пластины на другую. При этом происходит переключение параллельных секций обмотки якоря и изменение тока в них. Изменение тока происходит в то время, когда виток обмотки замкнут щеткой накоротко. Этот процесс переключения и явления, связанные с ним, называются коммутацией .

В момент коммутации в короткозамкнутой секции обмотки под влиянием собственного магнитного поля наводится э. д. с. самоиндукции. Результирующая э. д. с. вызывает в короткозамкнутой секции дополнительный ток, который создает неравномерное распределение плотности тока на контактной поверхности щеток. Это обстоятельство считается основной причиной искрения коллектора под щеткой. Качество коммутации оценивается по степени искрения под сбегающим краем щетки и определяется по шкале степеней искрения.

Способы возбуждения электродвигателей постоянного тока

Под возбуждением электрических машин понимают создание в них магнитного поля, необходимого для работы электродвигателя . Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока показаны на рисунке .

Схемы возбуждения электродвигателей постоянного тока: а - независимое, б - параллельное, в - последовательное, г - смешанное

По способу возбуждения электрические двигатели постоянного тока делят на четыре группы :

1. С независимым возбуждением, у которых обмотка возбуждения НОВ питается от постороннего источника постоянного тока.

2. С параллельным возбуждением (шунтовые), у которых обмотка возбуждения ШОВ включается параллельно источнику питания обмотки якоря.

3. С последовательным возбуждением (сериесные), у которых обмотка возбуждения СОВ включена последовательно с якорной обмоткой.

4. Двигатели со смешаным возбуждением (компаундные), у которых имеется последовательная СОВ и параллельная ШОВ обмотки возбуждения.

Типы двигателей постоянного тока

Двигатели постоянного тока прежде всего различаются по характеру возбуждения. Двигатели могут быть независимого, последовательного и смешанного возбуждения. Параллельное возбуждение можно не рассматривать. Даже если обмотка возбуждения подключается к той же сети, от которой питается цепь якоря, то и в этом случае ток возбуждения не зависит от тока якоря, так как питающую сеть можно рассматривать как сеть бесконечной мощности, а ее напряжение постоянным.

Обмотку возбуждения всегда подключают непосредственно к сети, и поэтому введение добавочного сопротивления в цепь якоря не оказывает влияния на режим возбуждения. Той специфики, которая существует при параллельном возбуждении в генераторах, здесь быть не может.

В двигателях постоянного тока малой мощности часто используют магнитоэлектрическое возбуждение от постоянных магнитов. При этом существенно упрощается схема включения двигателя, уменьшается расход меди. Следует однако иметь в виду, что, хотя обмотка возбуждения исключается, габариты и масса магнитной системы не ниже, чем при электромагнитном возбуждении машины.

Свойства двигателей в значительной мере определяются их системой возбуждения.

Чем больше габариты двигателя, тем, естественно, больше развиваемый им момент и соответственно мощность. Поэтому при большей скорости вращения и тех же габаритах можно получить большую мощность двигателя. В связи с этим, как правило, двигатели постоянного тока, особенно малой мощности, проектируются на большую частоту вращения - 1000-6000 об/мин.

Следует, однако, иметь в виду, что скорость вращения рабочих органов производственных машин существенно ниже. Поэтому между двигателем и рабочей машиной приходится устанавливать редуктор. Чем больше скорость двигателя, тем более сложным и дорогим получается редуктор. В установках большой мощности, где редуктор представляет собой дорогостоящий узел, двигатели проектируются на существенно меньшие скорости.

Следует еще иметь в виду, что механический редуктор всегда вносит значительную погрешность. Поэтому в прецизионных установках желательно использовать тихоходные двигатели, которые можно было бы сочленить с рабочими органами либо напрямую, либо посредством простейшей передачи. В связи с этим появились так называемые высокомоментные двигатели на низкие скорости вращения. Эти двигатели нашли широкое применение в металлорежущих станках, где сочленяются с органами перемещения без каких-либо промежуточных звеньев посредством шарико-винтовых передач.

Электрические двигатели отличаются также по конструктивным при знакам, связанным с условиями их работы. Для нормальных условий используются так называемые открытые и защищенные двигатели, охлаждаемые воздухом помещения, в котором они устанавливаются.

Воздух продувается через каналы машины посредством вентилятора, размещенного на валу двигателя. В агрессивных средах используются закрытые двигатели, охлаждение которых осуществляется за счет внешней ребристой поверхности или наружного обдува. Наконец, выпускаются специальные двигатели для взрывоопасной среды.

Специфические требования к конструктивным формам двигателя предъявляются при необходимости обеспечения высокого быстродействия — быстрого протекания процессов разгона, торможения. В этом случае двигатель должен иметь специальную геометрию - малый диаметр якоря при большой его длине.

Для уменьшения индуктивности обмотки ее укладывают не в пазы, а на поверхность гладкого якоря. Крепится обмотка клеющими составами типа эпоксидной смолы. При малой индуктивности обмотки существенно улучшаются условия коммутации на коллекторе, отпадает необходимость в дополнительных полюсах, может быть использован коллектор меньших размеров. Последнее дополнительно уменьшает момент инерции якоря двигателя.

Еще большие возможности для снижения механической инерции дает использование полого якоря, представляющего собой цилиндр из изоляционного материала. На поверхности этого цилиндра располагается обмотка, изготовляемая печатным способом, штамповкой или из про волоки по шаблону на специальном станке. Крепление обмотки осуществляется клеющими материалами.

Внутри вращающегося цилиндра располагается стальной сердечник, необходимый для создания путей прохождения магнитного потока. В двигателях с гладким и полым якорями вследствие увеличения зазоров в магнитной цепи, обусловленного внесением в них обмотки и изоляционных материалов, требуемая намагничивающая сила для проведения необходимого магнитного потока существенно возрастает. Соответственно магнитная система получается более развитой.

К числу малоинерционных двигателей относятся также двигатели с дисковыми якорями. Диски, на которые наносятся или наклеиваются обмотки, изготовляются из тонкого изоляционного материала, не подверженного короблению, например из стекла. Магнитная система при двухполюсном исполнении представляет собой две скобы, на одной из которых размещены обмотки возбуждения. В связи с малой индуктивностью обмотки якоря машина, как правило, не имеет коллектора и съем тока осуществляется щетками непосредственно с обмотки.

Следует еще упомянуть о линейном двигателе, обеспечивающем не вращательное движение, а поступательное. Он представляет собой двигатель, магнитная система которого как бы развернута и полюсы устанавливаются на линии движения якоря и соответствующего рабочего органа машины. Якорь обычно выполняется как малоинерционный. Габариты и стоимость двигателя велики, так как необходимо значительное число полюсов для обеспечения перемещения на заданном отрезке пути.

Пуск двигателей постоянного тока

В начальный момент пуска двигателя якорь неподвижен и противо-э. д. с. и напряжение в якоре равна нулю, поэтому Iп = U / Rя.

Сопротивление цепи якоря невелико, поэтому пусковой ток превышает в 10 - 20 раз и более номинальный. Это может вызвать значительные электродинамические усилия в обмотке якоря и чрезмерный ее перегрев, поэтому пуск двигателя производят с помощью пусковых реостатов - активных сопротивлений, включаемых в цепь якоря.

Двигатели мощностью до 1 кВт допускают прямой пуск.

Величина сопротивления пускового реостата выбирается по допустимому пусковому току двигателя. Реостат выполняют ступенчатым для улучшения плавности пуска электродвигателя.

В начале пуска вводится все сопротивление реостата. По мере увеличения скорости якоря возникает противо-э. д. с, которая ограничивает пусковые токи. Постепенно выводя ступень за ступенью сопротивление реостата из цепи якоря, увеличивают подводимое к якорю напряжение.

Регулирование частоты вращения электродвигателя постоянного тока

Частота вращения двигателя постоянного тока:

где U — напряжение питающей сети; Iя — ток якоря; R я — сопротивление цепн якоря; kc — коэффициент, характеризующий магнитную систему; Ф — магнитный поток электродвигателя.

Из формулы видно, что частоту вращения электродвигателя постоянного тока можно регулировать тремя путями: изменением потока возбуждения электродвигателя, изменением подводимого к электродвигателю напряжения и изменением сопротивления в цепи якоря.

Наиболее широкое применение получили первые два способа регулирования, третий способ применяют редко: он неэкономичен, скорость двигателя при этом значительно зависит от колебаний нагрузки. Механические характеристики, которые при этом получаются, показаны на рисунке .

Механические характеристики электродвигателя постоянного тока при различных способах регулирования частоты вращения

Жирная прямая — это естественная зависимость скорости от момента на валу, или , что то же, от тока якоря. Прямая естественной механической характеристики несколько отклоняется от горизонтальном штриховой линии. Это отклонение называют нестабильностью, нежесткостью, иногда статизмом. Группа непаралельных прямых I соответствует регулированию скорости возбуждением, параллельные прямые II получаются в результате изменения напряжения якоря, наконец, веер III — это результат введения в цепь якоря активного сопротивления.

Величину тока возбуждения двигателя постоянного тока можно регулировать с помощью реостата или любого устройства, активное сопротивление которого можно изменять по величине, например транзистора. При увеличении сопротивления в цепи ток возбуждения уменьшается, частота вращения двигателя увеличивается. При ослаблении магнитного потока механические характеристики располагаются выше естественной (т. е. выше характеристики при отсутствии реостата). Повышение частоты вращения двигателя вызывает усиление искрения под щетками. Кроме того, при работе электродвигателя с ослабленным потоком уменьшается устойчивость его работы, особенно при переменных нагрузках на валу. Поэтому пределы регулирования скорости таким способом не превышают 1,25 - 1,3 от номинальной.

Регулирование изменением напряжения требует источника постоянного тока, например генератора или преобразователя. Такое регулирование используют во всех промышленных системах электропривода: генератор - д вигатель постоянного тока (Г - ДПТ), электромашинный усилитель - двигатель постоянного тока (ЭМУ - ДПТ), магнитный усилитель - двигатель постоянного тока (МУ - ДПТ), тиристорный преобразователь - двигатель постоянного тока (Т - ДПТ).

Торможение электродвигателей постоянного тока

В электроприводах с электродвигателями постоянного тока применяют три способа торможения: динамическое, рекуперативное и торможение противовключением.

Динамическое торможение электродвигателя постоянного тока осуществляется путем замыкания обмотки якоря двигателя накоротко или через резистор. При этом электродвигатель постоянного тока начинает работать как генератор , преобразуя запасенную им механическую энергию в электрическую. Эта энергия выделяется в виде тепла в сопротивлении, на которое замкнута обмотка якоря. Динамическое торможение обеспечивает точный останов электродвигателя.

Рекуперативное торможение электродвигателя постоянного тока осуществляется в том случае, когда включенный в сеть электродвигатель вращается исполнительным механизмом со скоростью, превышающей скорость идеального холостого хода. Тогда э. д. с, наведенная в обмотке двигателя, превысит значение напряжения сети, ток в обмотке двигателя изменяет направление на противоположное. Электродвигатель переходит на работу в генераторном режиме, отдавая энергию в сеть. Одновременно на его валу возникает тормозной момент. Такой режим может быть получен в приводах подъемных механизмов при опускании груза, а также при регулировании скорости двигателя и во время тормозных процессов в электроприводах постоянного тока.

Рекуперативное торможение двигателя постоянного тока является наиболее экономичным способом, так как в этом случае происходит возврат в сеть электроэнергии. В электроприводе металлорежущих станков этот способ применяют при регулировании скорости в системах Г - ДПТ и ЭМУ - ДПТ.

Торможение противовключением электродвигателя постоянного тока осуществляется путем изменения полярности напряжения и тока в обмотке якоря. При взаимодействии тока якоря с магнитным полем обмотки возбуждения создается тормозной момент, который уменьшается по мере уменьшения частоты вращения электродвигателя. При уменьшении частоты вращения электродвигателя до нуля электродвигатель должен быть отключен от сети, иначе он начнет разворачиваться в обратную сторону.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Читайте также: