Устройство и ремонт электрических машин — Устройство электрических машин постоянного тока
УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА И КОНСТРУКЦИИ ИХ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ И ДЕТАЛЕЙ
Электротехническая промышленность выпускает электрические машины постоянного тока большой номенклатуры по мощности и конструктивному исполнению, поэтому несмотря на некоторые различия в конструкции отдельных сборочных единиц и деталей, их устройство одинаково. Основным типом машины постоянного тока является коллекторная, отличительным признаком которой служит наличие коллектора на валу якоря машины. На статоре машины помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения имеются добавочные полюса.
Электрическая машина постоянного тока (рис. 100) состоит из статора, якоря, коллектора, щеточного аппарата и подшипниковых щитов.
Статор состоит из станины б, главных полюсов 4 и добавочных полюсов (на рисунке не показаны) с соответствующими катушками. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является часть о магнитной цепи, поскольку через нее замыкается магнитный поток машины. Поэтому станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. По окружности станины расположены отверстия для крепления полюсов.
Главные полюса (рис. 101) выполняют шихтованными из стальных штампованных листов стали толщиной 1 или 2 мм, а добавочные — массивными или также шихторанными. Стальные листы сердечника 2 полюсов спрессованы и скреплены заклепками 4, головки которых утоплены в нажимные щеки 5, установленные на торцах каждого полюса. 
Рис. 100. Устройство электрической машины постоянного тока:
1 — коллектор, 2 — щетки, 3 и 9 — сердечник и обмотка якоря, 4 — главный полюс, 5 — катушка обмотки возбуждения, б — станина (корпус) 7 — подшипниковый щит, 8 — вентилятор, 10 — вал — 
Рис. 101. Главные полюса электрической машины постоянного тока и способы их крепления:
а — болтом, б — стержнем; 1 — полюсный наконечник, 2 — сердечник полюса, 3 — болт крепления сердечника, 4 — заклепка, 5 — нажимные щеки, б — установочный стержень
. Рис. 102. Катушки полюсов
а — главного, б — добавочного; 1 — катушка обмотки, 2 и 4 — главный и добавочный полюса» 3 — опорный угольник, 5 — обмотка
Шихтованными могут изготовляться только наконечники главных полюсов, так как при вращении зубчатого якоря из-за пульсации магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и потери мощности. Однако исходя из технологического добавочного полюса удобства изготовления полюсов их обычно делают шихтованными.
Полюса крепят к станине болтами: нарезку резьбы для болтов выполняют непосредственно в шихтованном сердечнике 2 полюса (рис. 10 1, а) либо в массивных стальных стержнях б» (рис. 101,6), вставленных в выштампованные отверстия в полюсах.
Магнитное поле в машине создается намагничивающей силой обмотки возбуждения, выполняемой в виде полюсных катушек, надетых на сердечники главных полюсов. Для уменьшения искрения под щетками и предупреждения таким образом подгара пластин коллектора и образования на его поверхности «кругового огня» машина снабжена добавочными полюсами с катушками, установленными на их сердечниках. Добавочные полюса размещают между главными полюсами и крепят к станине болтами.
Катушки главных и добавочных полюсов (рис 102, а, б) изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения.
Рис. 103. Сердечник якоря машины постоянного тока:
1 — вал, 2 — обмоткодержатель, 3 — выточки для наложения, бандажа, 4 — место посадки коллектора на валу
Катушки добавочных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря, поэтому сечение их проводов рассчитано на рабочий ток машины. В некоторых мощных машинах постоянного тока обмотку полюса выполняют из нескольких секций с установкой между ними дистанционных шайб из изоляционных материалов, образующих вентиляционные каналы.
Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник, якоря (рис. 103) собран из штампованных листов электротехнической стали (рис. 104) с выштампованными в них вырезами определенной формы, образующими в собранном сердечнике пазы для укладки в них обмотки якоря. Листы сердечника обычно изолированы с двух сторон тонкой пленкой лака, но могут быть и оксидированы. Собранные в общий пакет листы образуют сердечник, насаженный на вал якоря и закрепленный на нем с помощью нажимных шайб. Такая конструкция позволяет уменьшить потери энергии в сердечнике от действия вихревых токов, возникающих в результате его перемагничивания при вращении якоря в магнитном поле. Для лучшего охлаждения машины в сердечниках якоря обычно имеются вентиляционные каналы для охлаждающего воздуха. Сердечник, в пазы которого уложена секция обмотки якоря, показан на рис. 105.
Обмотка якоря выполняется из медных проводов круглого или прямоугольного сечения и состоит из заранее заготовленных секций, концы которых припаивают к петушкам пластин коллектору. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны различных якорных катушек,— одну поверх другой. Для прочного закрепления проводов обмотки якоря в пазах используют деревянные, гетинаксовые или текстолитовые клинья. Деревянные клинья, широко применявшиеся в электродвигателях старых конструкций, не обеспечивают надежного крепления обмотки в пазах сердечника, поскольку при высыхании настолько уменьшаются в объеме, что могут выпасть из паза. В некоторых Конструкциях машин пазы не расклинивают, а обмотку крепят бандажом.
Рис. 105. Расположение секций обмотки якоря в пазах сердечника 
Рис. 104. Стальной лист сердечника якоря:
1 — зубец листа, 2 — изоляция, 3 — паз
Бандаж выполняют из немагнитной стальной проволоки, наматываемой с предварительным натяжением. Лобовые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателю также при помощи бандажа. В современных машинах для бандажирования якорей используют стеклоленту.
Коллектор машины постоянного тока собран из клинообразных пластин холоднокатаной меди, изолированных друг от друга прокладками из коллекторного миканита. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в форме «ласточкина хвоста», служащие для закрепления медных пластин и миканитовой изоляции.
По способу закрепления комплекта медных и миканитовых пластин различают коллекторы на пластмассе (рис. 106,а) и со Стальными нажимными конусами и втулкой (рис. 106,5). Коллекторы крепятся нажимными конусами двумя способами: при одном их них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность «ласточкина хвоста», а при другом — на «ласточкин хвост» и конец пластины, при этом пластины закрепляются враспор.
Коллекторы первым способом крепления называют арочными, а вторым способом — клиновыми. Чаще всего применяют арочные коллекторы, поскольку при ослаблении давления между их пластинами из-за усадки межпластинной миканитовой изоляций эти коллекторы можно предпрессовывать, восстанавливая таким образом необходимое сжатие пластин и прочность коллекторов. 
Рис. 106. Коллекторы электрических машин:
а — на пластмассе, б — с нажимными конусами; / и 7 — пластины коллектора, 2 — пластмасса, 3 и 11 — втулки, 4 — нажимной конус, 5 — гайка, 6 и 10 — манжеты, 8 — изолирующий цилиндр, 9 — шнур, /2— балансировочный груз
Щеточный аппарат (рис. 107) состоит из траверсы, щеточных пальцев и щеткодержателей. Траверса (рис. 107, а) служит для крепления на ее щеточных пальцах щеткодержателей (рис. 107, б, в, г), создающих необходимую электрическую цепь. Щеткодержатель состоит из обоймы и нажимного устройства, обеспечивающего прилегание щетки к коллектору с необходимым усилием. Давление (0,02 — 0,04 МПа) на щетку должно быть отрегулировано так, чтобы был плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором.
В машинах постоянного тока применяют щеткодержатели двух типов: радиальные, у которых ось щетки совпадает с продолжением радиуса коллектора, (см. рис. 107,5, в), и реактивные, у которых ось щетки расположена под углом к продолжению радиуса коллектора в сторону его вращения (см. рис. 107, г).
Щетка (рис. 108) представляет собой прямоугольный брусок из композиций, выполненных на основе графита. Она снабжена гибким медным канатиком 7, один конец которого заармирован в щетку, а другой свободный — снабжен наконечником 2 для присоединения к щеточному аппарату. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами, подключенными к выводам машины. 
Рис. 107. Щеточный аппарат электрических машин постоянного тока:
а — траверса, б и в — радиальные щеткодержатели, г — реактивный щеткодержатель; 1 — пальцы (бракеты), 2 — рычаг, 5, 8 и 15 — пружины, 4 — корпус, 5 и 11 — щетки, б — обойма, 7 — фарфоровый наконечник, 9 — хомутик, 10 — штифт, 12 — стенка обоймы, 13 — храповик, 14 — колечко пружины
Применяемые в машинах постоянного тока щетки имеют маркировку, характеризующую их состав и физические свойства. Щетки, используемые в машинах общепромышленного назначения, подразделяются на три основные группы: графитные, угольно-графитные и медно-графитные. В целях нормальной работы и продления срока службы коллектора следует применять для каждой машины щетки только той марки, которая определена заводом-изготовителем с учетом мощности, конструкции, условий работы и электрической характеристики машины.
Подшипниковые щиты электрических машин служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также — опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах. 
Рис. 108. Щетки:
а — машин малой и средней мощности, б — машин большой мощности; 1 — щеточный канатик, 2 — наконечник
В электрических машинах постоянного тока применяют различные подшипниковые щиты, отличающиеся друг от друга формой, размером и материалом, из которого они изготовлены. Однако несмотря на большое разнообразие конструкций подшипников щиты можно разделить по назначению на два основных вида: обычные и фланцевые для установки и крепления непосредственно на исполнительном механизме.
В ряде случаев электрические машины постоянного тока могут иметь комбинированную систему крепления (рис. 109), т. е. станину с лапами для установки и крепления на Опорной конструкции и одновременно фланцевый подшипниковый щит для крепления на исполнительном механизме. 
Рис. 109. Электрическая машина со станиной для крепления на опорной конструкции и подшипниковым щитом для крепления на исполнительном механизме:
1 — возбудитель, 2 и 4 г- передний и задний подшипниковые щиты, 3 — станина, 5 — зубчатая шестеренка
Подшипниковые щиты электрических машин постоянного тока изготовляют методом литья (преимущественно из стали, реже из чугуна и сплавов алюминия), а также сварки или штамповки. В центре щита имеется расточка под подшипник, в которой устанавливают шариковый или роликовый подшипник качения. В мощных машинах постоянного тока в ряде случаев используют подшипники скольжения.
Какими основными показателями характеризуются электрические машины?
Какие исполнения электрических машин вы знаете?
Каково устройство синхронной машины?
Чем отличается короткозамкнутый ротор от фазного?
Названы основные части машины постоянного тока и укажите их назначение:
Перечислены механические причины искрения щеток машины постоянного тока.
Расскажите об устройстве коллектора машины постоянного тока и его роли.
Устройство электрических машин 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.
Закон электромагнитной индукции количественно описывает ЭДС, индуктируемые (наводимые) изменяющимися во времени магнитными полями. Электромеханическое преобразование энергии имеет место, когда эти изменения магнитного поля обусловлены механическим движением.
В электрических машинах ЭДС в проводниках или катушках обмоток наводятся либо вследствие их механического вращения в магнитном поле, либо потому, что магнитное сопротивление магнитопровода машины изменяется при вращении ротора.
В любом случае магнитный поток, сцепленный с каждым проводником или катушкой, циклично изменяется и наводится ЭДС. Совокупность проводников или катушек, соединенных между собой так, что их ЭДС суммируются, называется обмоткой якоря.
Якорь машины постоянного тока является вращающейся частью или ротором. Так как якорь подвергается действию переменного магнитного потока, в его ферромагнитном сердечнике (магнитопроводе) наводятся вихревые токи. Имеет место также магнитный гистерезис.
Для уменьшения потерь энергии от них сердечник якоря выполняется шихтованным, набранным из листов электротехнической стали.
Вращающаяся (ротор) и неподвижная (статор) части электрической машины отделены друг от друга воздушным зазором.
На части, противоположной якорю, обычно помещается обмотка возбуждения, служащая для создания первичного магнитного потока. В машинах малой мощности для этого иногда используют постоянные магниты.
Устройство машин 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).
Мощность машин постоянного тока
Один из наиболее важных и общих вопросов, возникающих при использовании машин, таков: «Какую наибольшую выходную мощность может обеспечить машина?»
Ответ зависит от многих факторов, но общее требование таково, что срок службы машины не должен уменьшаться из-за чрезмерных перегревов. Поэтому при определении номинальной мощности учитывают увеличение температуры, обусловленное потерями. Рабочая температура машины связана с ожидаемым сроком службы, поскольку старение изоляции обмоток есть функция времени и температуры.
На практике можно пользоваться приближенным правилом, согласно которому время разрушения органической изоляции уменьшается вдвое при каждом увеличении температуры на 8 — 10°С. Соотношения «долговечность—температура», получаемые опытным путем, позволяют классифицировать изоляцию по допустимым превышениям температур (над температурой окружающей среды).
Установлены следующие превышения температур при температуре окружающей среды +35 °С: класс изоляции А — 65 °С, класс Е — 75 °С, класс В — 85 °С, класс F — 105 °С, класс Н — 130 °С.
Номинальная мощность машины устанавливается из условия, что рабочая температура обмотки не превышает допустимую для данного класса изоляции.
Наиболее часто применяется номинальная продолжительная мощность, определяющая выходную мощность (в кВт для генераторов постоянного тока и двигателей, в кВА при заданном коэффициенте мощности для машин переменного тока), которую может обеспечить машина в течение сколь угодно продолжительного времени без превышения допустимой температуры изоляции.
Преимущества электродвигателей постоянного тока
Двигатели постоянного тока более пригодны для работы с изменяющейся скоростью, чем двигатели переменного тока, механическая скорость вращения которых более или менее жестко связана с постоянной скоростью вращающегося магнитного поля в воздушном зазоре.
В этом одна из главных причин высокой конкурентоспособности машин постоянного тока, которые до недавнего времени использовались практически всюду, где необходимо плавное регулирование скорости в широком диапазоне.
Генераторы постоянного тока
Скорость генератора обычно задастся первичным двигателем и считается постоянной. Анализ заключается в определении напряжения на зажимах, соответствующего данной нагрузке и току возбуждения, или нахождению тока возбуждения, требуемого при данных нагрузке и напряжении на зажимах.
Подробно про устройство и принцип действия генераторов постоянного тока смотрите здесь: Генераторы постоянного тока и здесь: Как устроены генераторы постоянного и переменного тока
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Общие сведения об электрических машинах — Устройство и конструкция коллекторной машины постоянного тока
К основным частям машины постоянного тока коллекторного типа относятся статор (неподвижная часть), ротор (вращающаяся часть, которую в машинах постоянного тока обычно называют якорем), разделенные воздушным зазором, и коллектор. На внутренней поверхности статора укреплены полюса, предназначенные для создания в машине магнитного потока. Первоначально это были постоянные магниты, а в 1863 г. Г. Уайльдом было предложено применять электромагниты.
Кольцевой якорь.
Важным этапом в развитии конструкции машины постоянного тока был кольцевой якорь, предложенный А. Пачинотти в 1860 г. для двигателя и независимо от него 3. Граммом в 1870 г. для генератора.
Кольцевой якорь, несущий обмотку, соединенную с коллектором, представляет собой полый цилиндр, собранный из листов электротехнической стали, укрепленный на валу машины.
Обмотка кольцевого якоря состоит из ряда катушек, равномерно расположенных по окружности. Простейший способ образования замкнутой обмотки — это последовательное соединение рядом лежащих катушек. Концы катушек, в замкнутой обмотке общие для двух соседних, присоединены к коллекторным пластинам. На рисунке 258 дан эскиз двухполюсного генератора постоянного тока с кольцевым якорем. Щетки, как это бывает обычно, установлены на нейтральной линии между полюсами.
Рис. 258. Кольцевой якорь.
При принятом направлении вращения по часовой стрелке э. д. с. в активных частях проводников, расположенных в зоне северного полюса, направлена «от нас», в зоне южного полюса — «к нам». Э. д. с. витков соответственно верхней или нижней частей рисунка, складываясь, создают напряжение между щетками.
Часть обмотки, состоящая из витков, идущих друг за другом по схеме, в пределах от одной щетки до следующей составляет параллельную цепь (ветвь). На рисунке 258 таких параллельных ветвей две: 2а = 2, где а — число пар параллельных ветвей.
Рис. 259. Потенциальный многоугольник э. д. с.
Генератор с кольцевым якорем в определенной степени является технически совершенной машиной. Выполняя соответствующее число катушек и витков в каждой катушке, можно получить э. д. с. требуемой величины, пульсация э. д. с. незначительна. Но кольцевому якорю свойственны и определенные недостатки. Поскольку э. д. с. в проводниках наводятся в результате пересечения ими индукционных линий потока в воздушном зазоре, то э. д. с. возникнут только в проводниках, лежащих на наружной поверхности якоря.
Таким образом, кольцевой якорь характеризуется плохим использованием проводникового материала, затраченного на выполнение обмотки. К недостаткам относятся также трудность крепления обмотки и возможность выполнения намотки практически только вручную.
Величина пульсации напряжения, называемой коллекторной, может быть наглядно определена при помощи так называемого потенциального многоугольника э.д.с. якоря. Будем иметь в виду лишь первую гармоническую э.д.с. в витке обмотки, а ширину щетки считать достаточно малой. Изобразим э.д.с. катушек векторами и отложим эти векторы друг за другом под углом, определяемым пространственным сдвигом между катушками. Обойдя две следующие друг за другом параллельные цепи (на рис. 258 это будет обход всей обмотки), получим правильный многоугольник с числом сторон, равным числу катушек на две параллельные ветви (рис. 259). При вращении якоря вращается также и соответствующий его обмотке потенциальный многоугольник э.д.с., но по отношению к неподвижным щеткам картину векторов э.д.с. можно считать как бы «условно застывшей». На щетках будет напряжение, определяемое отрезком внутри многоугольника линии, проходящей через щетки. Как ясно из рисунка, вследствие конечного числа сторон многоугольника напряжение на щетках будет несколько меняться (пульсировать).
Как видно из таблицы 9, достаточно около двадцати коллекторных пластин на две параллельные цепи, чтобы пульсацию можно было считать практически незаметной, что и справедливо для генераторов, питающих электроэнергией промышленные установки. С колебаниями напряжения на коллекторе следует считаться главным образом в установках проводной и радиосвязи, где эти колебания могут создать нежелательные помехи.
Рис. 260. Перенос проводника с внутренней стороны кольца на внешнюю поверхность барабана.
При сдвиге щеток с нейтрали (рис. 258) напряжение между ними уменьшается (имеется в виду холостой ход генератора), так как в этом случае в параллельных цепях в проводниках, расположенных на якоре в зоне угла сдвига щеток, э. д. с. действуют навстречу э. д. с. остальных проводников. В предельном случае, когда положение щеток будет совпадать с осью полюсов, э. д. с. обмотки кольцевого якоря будет равна нулю.
Барабанный якорь был предложен Ф. Гефнер-Альтенеком в 1872 г. Этот якорь выгодно отличался от кольцевого тем, что теперь не только сторона проводника, расположенная на наружной поверхности кольцевого якоря, стала активной, но и та, которая лежит на внутренней стороне кольца. Это было достигнуто вынесением ее на наружную поверхность барабана, на ту его часть, где магнитное поле таково, что э.д.с. сторон витка складываются (рис. 260). На рисунке стороны витка показаны уложенными в пазы, укладка в пазы впервые была применена Венштремом в 1882 г.
Сердечник якоря, вращаясь в магнитном поле, подвергается перемагничиванию. Поэтому для уменьшения потерь от вихревых токов сердечник набирают из отдельных листов электротехнической стали Э1, Э2 толщиной 0,5 мм при нормальной для машин постоянного тока частоте перемагничивания 20—60 гц и из стали Э3 при более высоких частотах. Листы либо насаживают непосредственно на вал, либо набирают на якорную втулку, которую надевают на вал, и изолируют друг от друга слоем лака или бумагой толщиной 0,03—0,05 мм. Иногда изоляцией служит тонкий слой окиси.
В сердечнике якоря в зависимости от выбранной системы вентиляции могут быть аксиальные или радиальные каналы. В последнем случае листы сердечника якоря в осевом направлении собирают отдельными пакетами каждый размером 4—7 см, между которыми оставляют промежутки 0,8—1 см, являющиеся вентиляционными каналами.
На рисунке 261 показан барабанный якорь машины постоянного тока небольшой мощности, там же изображен лист стали сердечника с каналами аксиальной вентиляции.
Рис. 261. Якорь машины постоянного тока (а) и лист стали сердечника (б):
1 — сердечник якоря; 2 — секция обмотки;3 — коллектор.
В листах сердечника якоря равномерно по окружности штампуются пазы, в которых располагается обмотка якоря. Как будет показано далее, форма паза влияет на протекание процесса коммутации, основного физического процесса в коллекторной машине, связанного с переходом секции из одной параллельной ветви в другую.
В этом смысле открытые пазы наиболее благоприятны, поэтому в машинах постоянного тока они получили преимущественное распространение. Но при открытых пазах увеличиваются пульсации индукции кривой поля машины (рис. 108,а). Поэтому при малых диаметрах якоря, когда пульсации проявляются больше, наряду с открытыми пазами применяют пазы полузакрытые. Эскизы пазов были даны на рисунке 85.
Обмотку в пазах кренят при помощи клиньев и бандажей из стальной проволоки, наматываемых поверх якоря.
Коллектор
Рис. 262. Коллектор: 1 — корпус коллектора; 2 — стяжной болт; 3 — нажимное кольцо; 4 — изоляция (миканит); 5-петушки; 6 — пластины; 7 — миканит; 8 — медь.
Коллектор представляет собой одну из ответственных частей машины. Поверхность коллектора должна быть строго цилиндрической, не подверженной каким-либо деформациям, в частности тепловым, несмотря на то, что вследствие трения щеток и потерь в переходном слое между щетками и коллектором нагрев коллектора может быть значительным, и в процессе работы машины на коллекторе в той или иной мере наблюдается искрение. Коллектор изготовляют из медных пластин клинообразного сечения, разделенных прокладками из твердого изоляционного материала (например, миканита) толщиной в прессованном состоянии 0,6—1 мм (рис. 262). Для изготовления коллекторных пластин применяют холоднокатаную медь, обладающую высокой механической прочностью. Для более ответственных коллекторов используют кадмиевую медь. Пластины и прокладки между ними собирают в один цилиндр и при помощи нажимного конуса (кольца) закрепляют на стальном корпусе, от которого они изолированы.
Обмотку якоря с коллектором, если разница их диаметров невелика, соединяют непосредственно теми же проводниками, из которых выполнена обмотка, впаивая концы секций в пластины. При значительной разнице между этими диаметрами концы секций и пластин соединяют при помощи промежуточных звеньев, называемых петушками.
Рис. 263. Щетки.
Рис. 264. Щеткодержатель.
Рис. 265. Щеточная траверса:
1 — щетка. 2 — щеточный болт;3 — изоляция.
Съем тока с коллектора или подвод тока к нему осуществляется щетками посредством скользящего контакта между ними и коллектором. В современных машинах чаще всего используются угольно-графитовые щетки, имеющие форму прямоугольных брусков (рис. 263) шириной по окружности от 5 до 30 мм, длиной в направлении от машины от 5 до 50 мм.
Типичная конструкция щеткодержателя (одна из простых) показана на рисунке 264. Щетка 1 помещена в обойме щеткодержател я и при помощи пружины 2 прижимается к коллектору с силой 1,5—2,5 н/см2 (~150—250 Г/см2). Щеткодержатель насаживают и закрепляют на щеточном болте щеточной траверсы (рис. 265); от траверсы болты изолированы. Щетка 1 со щеточным болтом 2 связана гибким токоведущим тросиком. Все щетки одной полярности электрически связаны между собой и присоединены к выводному зажиму машины. В машинах малой и средней мощности щеточную траверсу устанавливают на подшипниковом щите, в машинах большей мощности ее можно крепить к станине.
Рис. 266. Основная конструктивная схема машины постоянного тока:
1— подшипниковый щит; 2— коллектор; 3 — подшипник; 4 — сердечник якоря; 5 — основные полюса; 6 — станина; 7 — вал; 8 — вентилятор.
Эскиз конструктивной схемы машины постоянного тока показан на рисунке 266.
Неподвижная часть машины
Неподвижная часть машины — статор представляет собой массивную станину, являющуюся в машине постоянного тока одновременно ярмом в той части, по которой проходит поток основных и дополнительных полюсов. Станину выполняют из стального литья, листовой стали или реже из чугуна. К внутренней части станины крепят основные и между ними располагают дополнительные полюса (на рис. 266 дополнительные полюса не видны). Основные полюса служат для создания потока возбуждения, дополнительные — для улучшения уже упоминавшейся раньше коммутации, иначе обеспечения безыскрового снятия тока щетками с коллектора.
Сердечники основных и дополнительных полюсов обычно штампуют из листовой электротехнической стали толщиной от 0,5 до 2 мм и шпильками стягивают в осевом направлении. Со стороны зазора — воздушного промежутка между полюсом и якорем размером около 1 мм в малых машинах и до 1 см в крупных — основной полюс заканчивается полюсным наконечником.
Очертанием полюсного наконечника, как и в синхронных явнополюсных машинах, определяется пространственное распределение кривой поля в воздушном зазоре. Машина постоянного тока обычно выполняется с постоянным по величине воздушным зазором в средней и притом большей части полюсного наконечника. Катушка возбуждения, намотанная на каркас, удерживается на сердечнике выступами полюсных наконечников. Полюса к станине крепятся болтами.
К станине машины с обоих ее торцов крепят подшипниковые щиты, чугунные или стальные, в которых устанавливают подшипники качения или, что реже, скольжения (рис. 266).
В конструкции какой электрической машины имеется коллектор
1 – вал якоря;
2 – передний подшипниковый щит;
3 – коллектор;
4 – щеточный аппарат;
5 – якорь;
6 – главный полюс;
7 – катушка возбуждения;
8 – станина;
9 – задний подшипниковый щит;
10 – вентилятор;
11 – бандажи;
12 – лапы;
13 – подшипник.
Машина постоянного тока состоит следующих основных частей: неподвижной части – статора; вращающейся части – якоря; двух подшипниковых щитов, на которые опирается вал якоря и щеточного аппарата.
Состоит из станины 8 и главных полюсов 6.
1) Станина (корпус)
Служит для крепления главных полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода. Станину изготавливают из ферромагнитного материала (обычно стали) из трубы или литой. Станина имеет лапы 12 для крепления машины. На станине обычно имеется коробка выводов, на зажимы которой выведены концы обмоток.
2) Главные полюса
Предназначены для создания основного магнитного потока и состоят из шихтованного (набранного из листовой электротехнической стали) сердечника 2 и катушки возбуждения 3. Шихтованный сердечник необходим для ослабления вихревых токов. Нижнюю, более широкую, часть сердечника полюса называют полюсным наконечником.
На машинах постоянного тока полюсные катушки делают бескаркасными – намоткой медного провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку. В большинстве машин (мощностью более 1 кВт) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник полюса.
Якорь МПТ 5 состоит из вала 1, на который установлен шихтованный сердечник, в пазы которого уложена обмотка. На валу так же установлен коллектор, к которому присоединена обмотка якоря. Лобовые части обмотки якоря крепятся бандажами 11. Бандаж может быть проволочным, из стальной ленты или из стеклоленты. На валу якоря установлено вентиляторное колесо 10.
1) Сердечник якоря
Сердечник якоря является частью магнитной цепи и выполняется из отдельных листов электротехнической стали. Листы покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Такая конструкция сердечника позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Пазы закрывают клиньями из текстолита или гетинакса.
2) Коллектор
Коллектор предназначен для преобразования переменной ЭДС в постоянную — в генераторе и постоянный ток в переменный — в двигателе.
Основными элементами коллектора являются медные коллекторные пластины, собранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндрическую форму. Нижняя часть коллекторных пластин 6 имеет форму «ласточкина хвоста». После сборки коллектора эти части пластин оказываются зажатыми между стальными шайбами 1 и 3. Конусные шайбы стянуты винтами 2. Коллекторные пластины изолированы друг от друга и от стальных шайб миканитовыми прокладками 4. Верхняя часть коллекторных пластин 5, называемая петушком, имеет узкий продольный паз, в который закладывают проводники обмотки якоря и припаивают.
В машинах малой мощности часто применяют коллекторы на пластмассе, отличающиеся простотой в изготовлении.
Набор медных и миканитовых пластин в таком коллекторе удерживается пластмассой 2, запресованной в пространство между набором пластин 1 и стальной втулкой 4. Для увеличения прочности коллектора пластмассу 2 армируют стальными кольцами 3.
3) Обмотка якоря
Обмотка якоря состоит из секций (катушек), намотанных из медного провода круглого или прямоугольного сечения, и специальным образом уложенных в пазы сердечника якоря. Пазы затем закрывают текстолитовыми или гетинаксовыми клиньями. Концы секций припаены к петушкам коллектора. Лобовые части секций крепятся бандажами 11 к сердечнику якоря. Бандажи делают из стальной проволоки, стальных полос или стеклоленты.
в) Щеточный аппарат
Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток, установленных в щеткодержателях.
Щеткодержатель (сдвоенный) состоит из корпуса 4, в который помещены щетки 3, курка 1, представляющего собой откидную деталь, передающую давление пружины 2 на щетку. Щеткодержатель крепят на пальце зажимом 5. Щетка снабжена гибким тросиком 6 для включения ее в электрическую цепь машины.
Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой медными шинами, подключенными к выводам машины. Количество щеточных комплектов соответствует числу главных полюсов. Щетки располагают на коллекторе по оси главных полюсов.
г) Подшипниковые щиты
МПТ имеет два подшипниковых щита: передний 2 (со стороны коллектора) и задний 9. Оба щита имеют подшипниковые узлы, в которые установлены подшипники 12, закрытые с обеих сторон крышками.
На переднем щите имеется смотровое окно (люк) с крышкой для осмотра коллектора и щеток.
д) Вентиляция
Вентилятор служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.