Назначение, устройство и принцип действия машины постоянного тока.

Назначение:

Так как область промышленного тока весьма широка, то машина постоянного тока выполняется для работы в режимах генератора и двигателя в широком диапазоне мощности, напряжения, скорости вращения и т.п.

Устройство:

1) Индуктор – неподвижная часть, состоящая из стального ярма и прикрепленных к ярму болтами полюсов. В машинах постоянного тока ярмо выполняет также функцию станины, то есть является конструктивной основой всей машины.

Основные полюса создают основной магнитный поток машины и набираются из неизолированных друг от друга листов электротехнической стали. Нижняя, уширенная часть полюса называется полюсным наконечником. На основных полюсах располагается обмотка возбуждения (ОВ), постоянный ток в которой собственно и создаёт основной магнитный поток. Расположенная на полюсе обмотка возбуждения разбивается на 2-4 катушки для лучшего охлаждения. Катушки ОВ соединяются так, чтобы вдоль расточки северные и южные полюса чередовались. Если имеется достаточно места, то между основными полюсами помещаются небольшие добавочные полюса. Они предназначены для безыскровой работы коллектора и обычно выполняются массивными.

2) Вращающаяся часть машины включает в себя якорь и коллектор.

Якорь предназначен для преобразования электрической энергии в механическую или обратно и представляет собой цилиндр, прикрепленный к валу непосредственно или посредством якорной втулки. Якорь состоит из сердечника и обмотки, уложенной в пазах сердечника. Сердечник выполняется из штампованных зубчатых дисков электротехнической стали или у более мощных машин составляется из штампованных сегментов электротехнической стали. Сегменты стали якоря имеют гнёзда для так называемых ласточкиных хвостов, с помощью которых сегменты крепятся к корпусу якоря, выполненного из листового стального проката. Сердечник имеет аксиальные и/или радиальные вентиляционные каналы.

Каждый конец обмотки якоря соединён через соединительные проводники – «петушки» – с медной коллекторной пластиной толщиной 3-15 мм. Коллекторные пластины изолированы друг от друга, имеют трапецеидальное сечение и скрепляются нажимными фланцами в кольцо. Весь коллектор наглухо крепится на валу.

3) Неподвижный щёточный аппарат служит для снятия тока с вращающихся коллекторных пластин и состоит из щёток, щёткодержателей, щёточных пальцев, щёточной траверсы и токособирающих шин.

Угольнографитовые или металлоугольные щётки закрепляются в обойме щёткодержателя и пружиной прижимаются к пластинам коллектора. Несколько щёток работают параллельно на одной пластине коллектора и укрепляются на цилиндрическом или призматическом щёточном пальце. Палец и его щётки соединены гибким проводником. Число пальцев обычно равно числу коллекторных пластин и соответственно числу главных полюсов машины.

Все пальцы крепятся на щёточной траверсе и изолированы от неё. Траверса устанавливается на подшипниках или в машинах большой мощности прикрепляется к станине. Предусматривается возможность поворота траверсы для установки щёток в необходимое положение.

Все щётки одной полярности соединяются между собой сборными шинами, от которых затем идут отводы к зажимам машины.

Принцип действия:

Постоянный ток в ОВ создаёт постоянное во времени магнитное поле B. Пусть у машины два полюса (северный и южный), и поле B направлено вертикально сверху вниз.

1) Генератор.

Пусть якорь генератора вращается по часовой стрелке с постоянной окружной скоростью υ. В проводнике обмотки якоря индуктируется ЭДС вращения, направление которой определяется по правилу правой руки для векторов E, B и υ.

α – угол между плоскостью витка (контура) обмотки якоря и индукцией магнитного поля.

Виток состоит из двух проводников. ЭДС обоих проводников направлена в одну сторону вдоль обмотки.

При равномерном вращении якоря угол α пропорционален времени t, таким образом ЭДС E_a будет иметь синусоидальную во времени форму:

Очевидно, что частота ЭДС (частота изменения полярности ЭДС) в случае многополюсной машины при чередующейся полярности полюсов равна:

Синусоидальная форма ЭДС и тока искажается по причине нестрогой вертикальности индукции магнитного поля B, но, разложив несинусоидальную форму в ряд гармоник, можно выделить первую (основную) гармонику частоты f. В многополюсной машине индукция магнитного поля B, исходящая из полюсного наконечника, направлена практически радиально машине, поэтому форма ЭДС близка к прямоугольной.

Если обмотка якоря посредством щёток замкнута через внешнюю нагрузку, то в обмотке потечёт синусоидальный ток I_a той же частоты f. Направление тока совпадает с направлением ЭДС, тогда напряжение на зажимах якоря:

Кроме того, взаимодействие тока в витке обмотки якоря и магнитного поля B породит пару сил Ампера (э/м момент сил), направление которых определяется по правилу левой руки для векторов B, I_a, F_пр (силы направлены против вращения якоря):

β – угол между B и I_a.

Электромагнитный момент M_эм тормозит генератор:

Ток во внешней цепи генератора отличен от синусоидального тока I_a. Это достигается благодаря устройству коллектора. При повороте якоря и коллектора на одно полюсное деление коллекторная пластина под щёткой меняется на пластину противоположной полярности, в то же время меняется полярность тока в обмотке. Таким образом переменный ток, снимаемый определённой щёткой не меняет свою полярность, то есть он пульсирующий. Применение пульсирующего тока весьма ограничено, поэтому используют более сложные по устройству обмотки якоря и коллекторы для того, чтобы получить постоянный ток. Можно сделать вывод, что в генераторе коллектор является механическим выпрямителем тока.

2) Двигатель.

Подадим синусоидальное напряжение U_a на зажимы якоря так, чтобы якорь по-прежнему вращался по часовой стрелке. (В двигателе коллектор работает как инвертор тока, то есть он преобразовывает постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в обмотке якоря.)

Синусоидальное напряжение U_a создаёт синусоидальный ток I_a, который, взаимодействуя с магнитным полем B, создаёт движущий момент M_эм. Поэтому условное направление U_a и I_a в двигателе противоположно их направлению в генераторе.

Момент M_эм двигателя вращает якорь по часовой стрелке, поэтому ЭДС обмотки якоря E_a направлена также как и в генераторе. В отличие от генератора в двигателе ток противоположно направлен ЭДС, поэтому ЭДС называют противоЭДС.

Хотя условное направление U_a изменилось полярность напряжения на зажимах двигателя и, соответственно, полярность щёток осталась прежней.

Вывод: Для изменения режима работы машины постоянного тока необходимо изменение направления тока в обмотке якоря I_a.