Тема7 МПТ Текстcifra.studentmiv.ru/wp-content/uploads/2014/06/e... ·...

http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/

© И.В. Музылёва, 2014 Страница 1

Тема 5. Электромеханика.

Часть 2. Машина постоянного тока

Оглавление

Принцип действия машин постоянного тока ........................................................ 2

Принцип действия генератора ........................................................................... 2

Принцип действия двигателя. ............................................................................. 3

Устройство машины постоянного тока ................................................................. 5

Назначение и конструкция статора. .................................................................... 5

Главные полюсы ................................................................................................... 7

Якорь ....................................................................................................................10

Коллектор ............................................................................................................13

Щетки. Назначение и конструкция ...................................................................14




Принцип действия машин постоянного тока

Принцип действия генератора

Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающего-

ся в магнитном поле (рис. 1). Концы витка выведены на две пластины кол-

лектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к

которым подключается внешняя цепь.

Рисунок 1. Простейший генератор постоянного тока: 1 – главные полюсы; 2 –

виток обмотки якоря; 3 – коллекторные пластины; 4 – щетки.

Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигате-

ля. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по

закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС, направление которых

определяется по правилу правой руки (рис. 2):

если правую руку расположить так, чтобы магнитные линии входили в

ладонь, а отогнутый на 900

большой палец показывает направление вра-

щения, то четыре пальца покажут направление действия электродви-

жущей силы.




При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем

проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а

в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам.

Рисунок 2. Правило правой руки

Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от

нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка

оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицатель-

ным.

При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса пере-

ходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обрат-

ное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с ниж-

ней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не из-

меняется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают

соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль пере-

ключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпря-

мителем.

Принцип действия двигателя.

То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 3),

если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под действием напряже-

ния U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону

электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного




поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление

силы f определяется правилом левой руки (рис. 4):

Если расположить ладонь левой руки так, чтобы магнитные линии

входили в ладонь, а вытянутые пальцы показывали направление тока в

проводнике, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет

направление действия электромагнитной силы.

На верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта

пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой

стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижне-

го – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними кол-

лекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Рисунок 3. Простейший двигатель постоянного тока

Рисунок 4. Правило левой руки




Направление тока в проводниках витка изменяется на проти-

воположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не из-

меняется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может

приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает

контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического

инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный

ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного

тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е.

обладает свойством обратимости.

Устройство машины постоянного тока

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей (рис. 5):

неподвижной – статора и

вращающейся – ротора, называемого в машинах постоянного

тока якорем.

Разрез машины постоянного тока показан на рис. 6.

Назначение и конструкция статора.

Статор (индуктор) машины постоянного тока состоит из цилиндриче-

ской станины 8 (корпуса), полюсов с обмоткой возбуждения (главных 6 и до-

полнительных, на рис. 6 не показаны), подшипниковых щитов (позиции 2 и 9

на рис. 6) и щеточной траверсы (рассмотрена ниже) со щетками 4. Главное

назначение индуктора — создание магнитного потока (рис. 5).




Рисунок 5. Основные компоненты машины постоянного тока и созда-

ние главного магнитного потока

Станина имеет кольцевую форму и либо отливается, либо выполняет-

ся сварной из прокатной листовой стали с большой магнитной проницаемо-

стью. В машинах малой мощности станина изготавливается из стальных

труб. Она составляет основу всей машины и, кроме того, выполняет функцию

магнитопровода. К станине болтами крепятся главные и добавочные полюса,

а также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для

транспортирования, снизу — лапы для крепления машины к фундаменту.

Иногда станину называют ярмом.

На внутренней стороне станины располагаются симметрично полюсы




Рисунок 6. Устройство электрической машины постоянного тока: 1 -

вал якоря; 2, 9 - подшипниковые щиты; 3 - коллектор; 4 - щеточный аппарат;

5 - якорь; 6 - главный полюс; 7 - катушка возбуждения; 8 - станина; 10 - вен-

тилятор; 11 - бандажи; 12 - лапы; 13 - подшипник.

.

Главные полюсы

Главные полюсы служат для создания постоянного во времени и непо-

движного в пространстве магнитного поля. С этой целью по обмотке полю-

сов пропускается постоянный ток, называемый током возбуждения (в маши-

нах малой мощности в качестве полюсов могут использоваться постоянные

магниты).




Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного

потока необходимой величины. Главный полюс (рис. 7) состоит из сердечни-

ка 1 и катушек обмоток возбуждения 2,3. Со стороны, обращенной к якорю,

сердечник заканчивается полюсным наконечником 4, с помощью которого

обеспечивается требуемое распределение магнитной индукции в воздушном

зазоре.

Сердечники главных полюсов для уменьшения вихревых токов изго-

товляют шихтованными — из отдельных стальных листов толщиной 0,5—1,5

мм. По краям полюсов устанавливают более толстые торцовые боковины, ко-

торые посредством заклепок удерживают полюсные листы в спрессованном

состоянии.

Рисунок 7. Главный полюс: 1 – сердечник главного полюса; 2,3 – катушка

главного полюса; 4 – полюсный наконечник, 5-изолирующий каркас, 6-болт с

помощью которого полюс крепится к станине.

Электрические машины могут иметь два, четыре, шесть и в общем слу-

чае 2р главных полюсов. Главные полюсы укрепляют на остове болтами. Со-




седние (разноименные) полюсы в четырехполюсной машине расположены

под углом 90°, а двухполюсной — под углом 180°. Линия, делящая эти углы

пополам, называется геометрической нейтралью. Магнитный поток Ф, про-

ходящий через полюсы и поступающий в якорь и остов, разделяется по оси

симметрии полюсов на две симметричные и равные части. У всех современ-

ных машин с симметричными магнитными системами число полюсов 2р все-

гда четное, все полюсы совершенно одинаковы и углы между осями соседних

полюсов равны.

Сердечники главных полюсов небольших размеров скрепляются не-

сколькими заклепками. Но такого крепления для пакетов сердечников боль-

шой длины оказывается недостаточно, так как пакет получается нежестким,

вследствие чего поверхность полюса получается не прямолинейной, а винто-

вой. Для придания сердечнику главного полюса необходимой жесткости, ис-

ключающей образование спирали, в пакет сердечника запрессовывается ме-

таллический стержень. В стержне предусмотрены отверстия с резьбой для

крепления полюса к остову.

Обмотки возбуждения большинства машин общего назначения выпол-

няются много-витковыми катушками, насаженными на сердечники полюсов.

В машинах малой и средней мощности катушки наматывают изолированным

круглым проводом, в машинах большой мощности — прямоугольным изоли-

рованным проводом. И те и другие катушки наматывают в несколько рядов с

учетом размеров междуполюсного пространства.

Обмотки главных полюсов обычно разделяют на несколько катушек

(секций) для улучшения их охлаждения. Катушки изготавливаются из изоли-

рованного медного провода круглого сечения. Между секциями обмотки

устанавливаются дистанционные шайбы, посредством которых образуются

вентиляционные каналы.




В подшипниковых щитах (позиции 2 и 9 на рис. 6), прикрепленных с

торцевых сторон к корпусу, расположены подшипники (позиция 13 на рис.

6), несущие вал (позиция 1 на рис. 6) вращающейся части машины, называе-

мый якорем (позиция 3 на рис. 6). Также в подшипниковых щитах укрепляет-

ся щеточная траверса (рис. 8), которая с целью регулирования может пово-

рачиваться. На щеточной траверсе закреплены пальцы, которые электриче-

ски изолированы от траверсы. На пальцах установлены щеткодержатели с

щетками, изготовленными из графита или смеси графита с медью.

Рисунок 8. Щеточная траверса: 1 – палец, 2 - щеткодержатели, 3 —

отверстие под вал.

Якорь

Якорь – подвижная часть машины, состоящая из сердечника и обмотки.

Общий вид якоря без обмотки показан на рис. 9. На валу 1 располагается

сердечник с пазами для обмотки. Обмотка будет зафиксирована на специаль-

ных держателях (позиция 2 на рис. 9) специальным бандажом.




Сердечник якоря набирается из штампованных дисков (рисунок 10, а)

электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Диски насаживаются либо непо-

средственно на вал (при диаметре якоря Dа ≤ 75 см), либо набираются на

якорную втулку (Dа ≥ 40 см), которая надевается на вал. Сердечники якоря

диаметром 100 см и выше составляют из штампованных сегментов (рисунок

6, б) электротехнической стали. Сегменты набираются на корпус якоря, кото-

рый изготовляется обычно из листового стального проката и с помощью

втулки соединяется с валом. Подробнее штамп якоря представлен на рис. 11.

Рисунок 9. Якорь машины постоянного тока без обмотки: 1 — вал, 2 — об-

моткодержатель, 3 — выточки для наложения бандажа, 4 — место посадки

коллектора на валу




Рисунок 10. Диск (а) и сегмент (б) стали якоря

Рисунок 11. Штамп сердечника якоря: 1 — зубец листа, 2 — изоляция, 3 —

паз, 4 – вентиляционные отверстия; 5 – отверстие под вал; 6 - паз под шпон-

ку.

В пазы на внешней поверхности якоря укладываются катушки обмотки

якоря (рис. 12). Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря (рис.

13) лобовые части обмотки 3 имеют вид цилиндрического кольца и своими

внутренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 5, а по внеш-

ней поверхности крепятся проволочными бандажами 7. Обмотка соединяется

с коллектором 4.




Рисунок 12. Расположение одного витка простой петлевой обмотки в пазах

сердечника якоря: 1 - верхняя активная сторона; 2 - нижняя активная сторо-

на; 3, 4 - лобовые части

Рисунок 13. Продольный разрез машины постоянного тока: 1- пакеты штам-

пов якоря шириной 40-70 мм; 2-каналы шириной около 5-10мм; 3-лобовые

части обмотки; 4-коллектор; 5-обмоткодержатели; 6-нажимные плиты или

фланцы; 7-проволочные бандажи

Коллектор

Наиболее сложным и ответственным узлом машины постоянного тока

является коллектор .Коллектор (рис.14,а) состоит из набора медных пластин




трапецеидального сечения, изолированных друг от друга миканитовыми про-

кладками. Пластины 2 имеют толщину до 5—8 мм, изготовлены из твердотя-

нутой меди или кадмиевой бронзы клинообразного сечения. Пластины

(рис.14,б) изолируют одну от другой миканитовыми прокладками 4. Пласти-

ны изолируют от нажимных шайб 3 и вала якоря миканитовыми манжетами 1

и цилиндрами. Для посадки коллектора на вал служит стальная втулка 6, ко-

торую вставляют в пресс-форму перед запрессовкой пластин в пластмассу.

Рис. 14. Общий вид коллектора машины постоянного тока (а); расположение

коллекторных пластин и изоляционных прокладок (б) и коллектор в пласт-

массовом корпусе (в).

Щетки. Назначение и конструкция.

Щетки предназначены для соединения коллектора с внешней цепью. Они

представляют собой прямоугольные призмы шириной 4—32 мм (рис.15). Ра-

бочую поверхность щеток пришлифовывают к коллектору, чтобы обеспечить

надежный контакт. Каждая щетка имеет определенную марку. Щетки раз-

личных марок различаются составом, способом изготовления и физическими

свойствами.




Рис.15. Конструкция щетки

Щетки, применяемые для электрических машин, подразделяются на че-

тыре основные группы: угольно-графитные, графитные, электро-

графитированные и металлографитные. Для каждой машины, работающей в

определенных условиях, нужно применять щетки только соответствующих

марок. Эти марки подбираются заводом — изготовителем машин; при замене

изношенных щеток нужно брать щетки той же марки.

Щетки устанавливают в специальные обоймы, называемые щеткодер-

жателями (рис.16). Для отвода тока от щетки к ней прикрепляют медный

гибкий проводник (щеточный канатик), который присоединяют к щеткодер-

жателю. Одним из основных условий хорошей работы щеток является плот-

ный, надежный контакт между щеткой и коллектором. Он достигается при

помощи нажимного устройства, смонтированного на щеткодержателе.




Нажим на щетку осуществляется пружиной, упирающейся одним концом в

щетку, а другим — в щеткодержатель. Нажатие на щетку должно быть отре-

гулировано в строго определенных пределах, так как чрезмерный нажим вы-

зывает быстрый износ щетки и нагрев коллектора, а недостаточный нажим не

дает надежного контакта между щеткой и коллектором, вследствие чего воз-

никает искрение под щеткой. Нажатие принимают из расчета 1,5—3,5 Н на 1

см2 опорной поверхности щетки.

Рис. 16. Радиальный щеткодержатель: 1- щеткодержатель; 2-щетка; 3-

пружина; 4-канатик; 5-колодки


Тема7 МПТ Текстcifra.studentmiv.ru/wp-content/uploads/2014/06/e... ·...

Documents