В настоящее время машины постоянного тока изготов-ляются на мощности от долей ватт до 12 МВт. Номиналь-ное напряжение их не превышает 1500 В и только иногда для крупных машин доходит до 3000 В. Частота вращения машин колеблется в широких пределах -- от нескольких оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Наиболее широкое применение нашли машины постоян-ного тока с механическим коммутатором -- коллектором. Коллектор осложняет условия работы машины, но опыт эксплуатации в самых тяжелых условиях работы показал, что правильно спроектированная и качественно изготовлен-ная машина постоянного тока является не менее надежной, чем более простые по конструкции машины переменного тока.

Принцип работы машин постоянного тока

На рис. 1 схематично изображен поперечный разрез машины постоянного тока. На неподвижной части машины (статоре) размещаются стальные полюсы П с надетыми на них катушками обмотки возбуждения В. Катушки соединяются между собой так, чтобы при прохождении по обмотке постоянного тока полюсы приобретали чередующуюся полярность (N, S, N, S и т.д.). Магнитный поток Ф, созда-ваемый обмоткой возбуждения, неизменен во времени.

Рис. 1. Поперечный разрез машины постоянного тока с кольцевой обмоткой якоря

На вращающейся части машины располагается обмотка О, в которой индуцируется основная ЭДС, поэтому - в машинах постоянного тока вращающуюся часть называют якорем.

Обмотка располагается на стальном сердечнике, закреп-ленном на валу (на рисунке не показан). Предположим, что сердечник выполнен в виде полого цилиндра, на внешней и внутренней поверхностях которого размещаются провод-ники. С торцевых сторон эти проводники соединяются меж-ду собой, образуя замкнутый контур. Сплошные линии по-казывают соединения проводников с переднего торца сер-дечника, а штрихпунктирные - с заднего.

Изображенные на рис. 1 сердечник и обмотка назы-ваются кольцевыми. В настоящее время они не имеют прак-тического применения, но их часто используют при анализе рабочих свойств машины, благодаря чему этот анализ приобретает большую наглядность.

От обмотки якоря выполняются ответвления к пласти-нам коллектора. Коллектор располагается на валу якоря и представляёт собой цилиндрическое тело, состоящее из электрически изолированных между собой медных пластин. Часть обмотки, заключенная между следующими друг за другом ответвлениями к коллекторным пластинам, называ-ется секцией. Обмотка имеет большое число секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких витков. Число коллекторных пластин равно числу секций. На рис. 1 обмотка состоит из 12 одновитковых секций, а коллектор имеет 12 пластин.

При вращении якоря в проводниках его обмотки инду-цируется ЭДС, направление которой определяется по пра-вилу правой руки. В кольцевой обмотке ЭДС будет инду-цироваться только в проводниках, расположенных на внеш-ней поверхности сердечника. В проводниках, лежащих на внутренней поверхности, ЭДС не наводится, так как эти про-водники не пересекают индукционных линий магнитного по-ля. Поэтому проводники, расположенные на внешней поверхности сердечника, являются активными, а на внутрен-ней - пассивными.

В обмотке якоря машины постоянного тока наводится переменная ЭДС, так как каждый проводник поочередно проходит полюсы разной полярности, вследствие чего ЭДС в них меняет свое направление. Если машина работает ге-нератором, то переменная ЭДС обмотки должна быть вы-прямлена. Достигается это с помощью коллектора. С кол-лектором соприкасаются неподвижные щетки Щ, посредст-вом которых обмотка якоря соединяется с внешней сетью. Для того чтобы ЭДС на выводах машины была максималь-на, щетки следует установить в тех местах, где ЭДС, наво-димая в проводниках, меняет направление. Это происходит под серединой межполюсного промежутка. Воображаемая линия, проведенная через середину межполюсного проме-жутка, называется геометрической нейтралью ГН. Следовательно, в машинах постоянного тока щетки должны быть установлены на геометрической нейтрали. Поскольку число нейтралей равно числу полюсов, то и число мест, где уста-навливаются щетки, выбирается равным числу полюсов.

Для момента времени, изображенного на рис. 1, между каждой парой соседних щеток включены проводники об-мотки якоря с одинаковым направлением ЭДС. Поэтому щетки, соприкасающиеся с определенными коллекторными пластинами, будут иметь указанную полярность.

При вращении якоря расположение проводников и кол-лекторных пластин в пространстве будет меняться, при этом будет изменяться направление ЭДС, индуцируемой в про-водниках. Но всегда между коллекторными пластинами, с которыми соприкасаются неподвижные щетки, будут рас-полагаться проводники с одинаковым направлением ЭДС, и щетки всегда будут иметь определенную полярность. По-лярность соседних щеток, как и полярность полюсов, будет чередующейся. Щетки одноименной полярности соединяют-ся между собой, а к их общим точкам подключается внеш-няя сеть. При наличии коллектора во внешней сети генера-тора будет протекать постоянный ток, в то время как в об-мотке якоря ЭДС и ток будут переменными.

В двигателях постоянного тока к щеткам подводится по-стоянный ток. Роль коллектора в этом случае состоит в том, чтобы в любой момент времени обеспечить такое распреде-ление тока по обмотке якоря, при котором под полюсами разной полярности располагались бы проводники с проти-воположным направлением тока. Для определенного мо-мента времени такому распределению тока в якоре соот-ветствует рис. 1, если принять на нем, что крестиками и точками обозначены направления тока. При таком рас-пределении тока электромагнитные силы всех проводников будут направлены в одну сторону, в чем можно убедиться, применив правило левой руки. В результате этого при про-чих равных условиях двигатель будет создавать наиболь-ший вращающий момент.

По отношению к выводам сети обмотка якоря разбива-ется на параллельные ветви. Параллельной ветвью назы-вают группу последовательно соединенных проводников, включенных между щетками разной полярности. В данной машине обмотка имеет четыре параллельные ветви. Ее развертка по отношению к выводам сети показана на рис. 2. ЭДС на выводах машины будет равна ЭДС одной параллельной ветви, а ток в сети равен сумме токов парал-лельных ветвей.

Рис. 2. Параллельные ветви обмотки якоря

В замкнутом контуре самой обмотки якоря машины по-стоянного тока сумма ЭДС равна нулю (см. рис. 1), по-этому при разомкнутой внешней цепи ток в обмотке возни-кать не будет.

Конструкция машин постоянного тока

Ста-тор машины по-стоянного тока состоит из станины и прикрепленных к ней главных и дополнительных полюсов. Станину машин относительно небольшой мощности изготовляют из отрезков цельнотянутых труб, а у более крупных машин выполняют сварной из толстолистового стального проката. Для закрепления ма-шины на фундаменте или исполнительном механизме к ниж-ней части станины приваривают лапы, а для возможности транспортировки в станину ввертывают рым-болты.

Сердечники главных полюсов собирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1 мм. Листы спрессовывают в пакет и скрепляют стальными заклепками, число которых принимают не менее четырех. Крайние листы полюса выполняют из более толстой ста-ли (4 - 10 мм) во избежание распушения листов.

Для того чтобы получить необходимый характер распре-деления магнитного поля в воздушном зазоре, полюс за-канчивают полюсным наконечником определенной формы. Воздушный зазор между полюсами и якорем или выполня-ют одинаковым по всей ширине полюсного наконечника, или под краями наконечника вследствие его скоса делают больше. Иногда выполняют эксцентричный воздушный за-зор, при котором центры радиусов якоря и наконечника полюса не совпадают. Зазор при этом постепенно увеличива-ется от середины к краю полюса.

На сердечнике полюса размещают обмотку возбужде-ния. Обмотку возбуждения изготовляют в виде катушек из медных изолированных проводников круглого или прямоугольного сечения. Катушки изолируют лентой, после пропитки и сушки насаживают на сердечник полюса и закрепляют стальными пружинящими рамками. Иногда для увеличения поверхности охлаждения катушку делят на две части. Полюс с надетой на него катушкой прикрепляют к станине болтами. Болты ввертывают в полюс, в теле которого предусматривают от-верстия с резьбой. Для более надежного крепления полюса у крупных машин и машин, работающих в условиях тряс-ки, болты вворачивают в специальный стержень, встав-ленный в полюс.

Якорь состоит из сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря выполняют из одного или нескольких пакетов, которые собирают из листов, вы-рубаемых из электротехнической стали. После штамповки листы лакируют. При длине сердечника менее 25 см его изготовляют из одного пакета (рис. 3), а при большей дли-не - из нескольких. Между пакетами с помощью специальных распорок образуются вентиляционные кана-лы, предназначенные для лучшего охлаждения якоря. В листах якоря вырубают пазы, в которые укладывают об-мотку якоря. Собранный сердечник якоря спрессовывают между двумя нажимными шайбами и закрепляют на валу втулкой либо пружинным разрезным кольцом.

Рис. 3. Якорь машины постоянного тока:

1 - сердечник (состоит из одного пакета); 2 - банда-жи; 3 - коллектор

Укладка обмотки в пазы обеспечивает надежное ее за-крепление на вращающемся якоре и уменьшает воздушный зазор. Форму пазов выбирают овальной полузакрытой для машин небольшой мощности и прямоугольной открытой для машин средней и большой мощности. Между стенками паза и проводниками обмотки укладывают изоля-цию (пазовая изоляция). Обмотку в пазу закрепляют кли-ном из стеклотекстолита или бандажами, рас-полагаемыми в кольцевых канавках сердечника якоря (по-зиция 13 на рис. 3 и позиция 2 на рис. 3). Вне пазов (в лобовых частях) обмотку закрепляют бандажами из проволоки или стеклоленты.

Станина, сердечники полюса и якоря являются участка-ми магнитопровода, по которым замыкается магнитный поток, созданный обмотками возбуждения. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути этого потока все указан-ные участки выполняют из стали, имеющей улучшенные маг-нитные характеристики. Для уменьшения магнитного сопро-тивления воздушный зазор между якорем и полюсами ста-раются брать меньше. Обычно он составляет доли миллиметра у небольших машин и несколько миллиметров у машин большей мощности. При вращении якоря его сер-дечник будет перемагничиваться, в нем будут индуцироваться переменные (вихревые) токи, которые будут вызы-вать потери. Для снижения потерь от вихревых токов сер-дечник, как указывалось, собирают из отдельных листов. Из-за зубчатого строения якоря поток в зазоре будет пуль-сировать, в результате чего в полюсном наконечнике также будут наводиться вихревые токи, для уменьшения которых наконечник и весь полюс собирают из отдельных листов.

Коллектор состоит из большого числа электрически изолированных друг от друга пластин, которые штампуют из профильной меди. Изоляцию осуществляют тонкими прокладками, вырубленными из миканита (прес-сованной слюды), которые закладывают между медными пластинами. Прокладки имеют форму пластин. Набор кол-лекторных пластин с прокладками должен быть прочно за-креплен и иметь строго цилиндрическую форму. По способу крепления пластин существует большое многообразие кон-струкций коллекторов, две из которых показаны на рис. 4. На рис. 4, а коллекторные пластины зажимают между корпусом и нажимным фланцем. Корпус и нажимной фланец выполняют из стали, а для изоляции на них надевают миканитовые манжеты. На рис. 4, б показано креп-ление пластин с помощью пластмассы. В настоящее время для машин небольшой и средней мощности наибольшее при-менение находят коллекторы на пластмассе.

Рис. 4. Коллектор машины постоянного тока с металлическим (а) и пластмассовым (б) корпусами:

1 - корпус; 2 - нажимной фланец; 3 - изоляционные манжеты; 4 - коллекторные пластины;

5 - пластмасса; 6 - запирающее кольцо; 7 - бандаж

Собранный коллектор насаживают на вал и закрепляют от проворачивания шпонкой. К каждой коллекторной пластине подсоединяют проводники от секций, из которых со-стоит обмотка якоря. Для возможности подсоединения про-водников у коллекторных пластин со стороны, обращенной к якорю, выполняют выступы, называемые петушками, в ко-торых фрезеруют шлицы. В эти шлицы закладывают и затем запаивают проводники обмоток.

По коллектору скользят щетки, которые размещаются в щеткодержателях. Щеткодержатели выпол-нены с радиальным или наклонным по отношению к поверх-ности коллектора перемещением щетки. Наиболее распро-страненными являются щеткодержатели с радиальным перемещением щетки. Наклонные (реактивные) щеткодер-жатели применяют для машин с односторонним направле-нием вращения. Щетки прижимаются к коллектору пружи-нами. Щеткодержатели закрепляют на цилиндрических или призматических пальцах, которые в свою очередь закрепляют на траверсе. Пальцы выпол-няют из гетинакса либо из стали, опрессованной пластмас-сой в месте сочленения с траверсой. Обычно число пальцев выбирают равным числу полюсов.

При работе машины может наблюдаться искрение ще-ток. Для улучшения работы щеточного узла в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы. Сер-дечники дополнительных полюсов выполняют цельными из толстолистовой стали или собранными из листов электротехнической стали толщиной 1 мм. На сер-дечниках размещают катушки обмотки дополнительных полюсов. Дополнительные полюсы рас-полагают между главными полюсами и прикрепляют к ста-нине болтами.

Якорь вращается в подшипниках, ко-торые размещаются в подшипниковых щитах.

В последнее время наметилась тенденция собирать ста-тор двигателей постоянного тока из отдельных листов элек-тротехнической стали. Штамп в листе одновременно выру-бает ярмо, пазы, главные и дополнительные полюсы.

Характеристики генератора смешанного возбуждения

Параллельная обмотка возбуждения может быть подключена к цепи якоря до последовательной обмотки или после нее. Характеристики гене-ратора при той и другой схеме будут практически одина-ковыми, так как последовательная обмотка имеет небольшое сопротивление и падение напряжения в ней будет мало. Увеличение МДС последовательной обмотки из-за протекания по ней тока Iв также ничтожно из-за малого количества ее витков и относительно небольшого тока.

Самовозбуждение генератора протекает так же, как и у генератора параллельного возбуждения. Ток якоря Iа=I+ Iв.

Наибольшее практическое применение находят генера-торы с согласным включением обмоток возбуждения. Наи-большую долю МДС возбуждения создает параллельная обмотка. Последовательная обмотка рассчитывается так, чтобы ее МДС несколько превышала МДС размагни-чивающей составляющей реакции якоря. В этом случае по-следовательная обмотка не только скомпенсирует размаг-ничивающую составляющую реакции якоря, но и создаст избыточную МДС, которая будет увеличивать поток воз-буждения и ЭДС якоря при увеличении тока нагрузки. В результате подмагничивающего действия последователь-ной обмотки напряжение генератора с ростом тока I будет возрастать. Уровень повышения напряжения генератора с ростом тока I зависит от числа витков последовательной обмотки. Обмотку можно рассчитать так, чтобы напряжение увеличивалось на зна-чение, необходимое для компенсации падения напряжения в проводах, идущих от генератора к потребителю. Тогда у потребителя при любых нагрузках напряжение автомати-чески будет поддерживаться примерно постоянным.

При слабой последовательной обмотке внешняя харак-теристика имеет падающий характер. Отметим, что эффек-тивность действия последовательной обмотки зависит от насыщения магнитной цепи машины. МДС последователь-ной обмотки при сильном насыщении будет давать неболь-шое увеличение потока и ЭДС, поэтому даже при достаточ-но сильной обмотке или при больших нагрузках напряже-ние на выводах машины будет уменьшаться с ростом то-ка I.

Характеристику холостого хода генератора смешанного возбуждения снимают так же, как и генератора параллельного возбуждения, и она имеет такой же характер. Так же как и для генератора параллельного возбуждения, для генератора смешанного возбуждения снимают нагрузочную характеристику U=f(I) при I=const.

В зависимости от соотношения МДС последовательной обмотки возбуждения Fc и размагничивающей составляющей реакции якоря Fqd нагрузочная характеристика может располагаться или выше, или ниже характеристики холо-стого хода. При достаточно сильной последовательной об-мотке нагрузочная характеристика 2 идет выше характери-стики холостого хода.

Регулировочная характеристика Iв=f(I) при U=const у генератора смешанного возбуждения зависит от вида внешней характеристики.

Генераторы смешанного возбуждения при встречном включении обмоток применяются относительно редко. У этих генераторов последовательная обмотка будет созда-вать МДС, направленную так же, как и МДС размагничи-вающей составляющей реакции якоря. Под их совместным размагничивающим действием результирующий поток воз-буждения машины с ростом тока нагрузки будет умень-шаться. В результате этого внешняя характеристика такого генератора будет иметь резко падающий характер.

Список литературы

1. Электрические машины и микромашины: Учеб. для электротехн. спец. вузов/Д. Э. Брускин, А. Е. Зорохович, В. С. Хвостов. - 3-е изд., перераб. доп. - М.: Высш. шк., 1990. - 528 с.: ил.

2. Электрические машины: Учебник для сред. спец. учеб. заведений/М. М. Кацман. - М.: Высш. школа, 1983. - 432 с.: ил.

3. Электрические машины: Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений/А. И. Вольдек. - Изд. 2-е, перераб. и доп. - Л.: “Энергия”, 1974. - 840 с.: ил

4. Электрические машины:Учебник для вузов/ Копылов И.П.-М.:Энергоатомиздат,1986-360с.:ил