Устройство машины постоянного тока

Генератор постоянного тока представляет собой электрическую машину, которая преобразует механическую энергию вращающего ее первичного двигателя в электрическую энергию постоянного тока, которую машина отдает потребителям.
Генератор постоянного тока работает на принципе электро-магнитной индукции. Основными частями генератора являются якорь с расположенной на нем обмоткой и электромагниты, создающие магнитное поле.

Якорь имеет форму цилиндра и набирается из отдельных штампованных листов электрической стали толщиной 0,5 мм. листы изолированы друг от друга слоем лака или тонкой бумаги. Впадины, выштампован по окружности каждого листа, при сборке якоря и сжатии листов образуются пазы, куда укладываются изолированные проводники обмотки якоря.
На валу якоря устанавливается коллектор, состоящий из отдельных медных пластин, припаянных к определенным местам обмотки якоря. Пластины коллектора изолированы друг от другамиканитом. Коллектор служит для выпрямления тока и отвода его при помощи неподвижных щеток во внешнюю сеть

Электромагниты генератора неизменного тока состоят из стальных полюсных сердечников, закрепленных болтами к станине.

Станина генератора отливается из стали. У машин очень малой мощности станина отливается вместе с полюсными сердечниками. В других случаях сердечники полюсов набираются из отдельных листов электротехнической стали. На сердечники надеваются катушки, сделанные из медной изолированной проволоки.

Пропущенный через обмотку возбуждения постоянный ток создает магнитный поток полюсов. Для лучшего распределения магнитного потока в воздушном зазоре к ига прикрепляют полюсы с наконечниками, собранные из отдельных стальных листов. В подавляющем большинстве случаев полюс штампуется вместе с полюсным наконечником.
Внешняя цепь соединяется с цепью якоря машины постоянного тока при помощи щеток, укрепленных в щеткодержателях.

При вращении якоря обмотка его пересекает магнитные линии полюсов. По закону электромагнитной индукции в проводниках обмоток якоря будет индуктироватсяэлектродвижущая сила, величина которой может быть подсчитана по формуле ,
Где В – магнитная индукция полюсов.
l – активная длина проводников якоря, м;
v – линейная скорость проводников якоря,,
α - угол между направлением скорости движения проводника и направлением вектора магнитной индукции

НАЗНАЧЕНИЕ КОЛЛЕКТОРА В ГЕНЕРАТОРАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

УСТРОЙСТВО КОЛЛЕКТОРА.
При вращении якоря в магнитном поле полюсов в проводниках его обмотки индуктируется Э.Д.С., переменная по величине и направлению. Если концы одного витка припаять к двум медным кольцам, на кольца наложить щетки, соединенные с внешней сетью, то при вращении витка в магнитном поле в замкнутом цепи потечет переменный электрический ток.
Если же концы витка присоединить к двум медным пол кольца, изолированным друг от друга и называемым пластинами коллектора, и наложить на них щетки, то при вращении витка в магнитном поле в витке будет по-прежнему индуктироватсяпеременнаяе.г.с. Однако во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине ток постоянного направления.
Учитывая направление вращения якоря, определяем направление е.г.с. в витке по правилу «правой руки».
Ток в данном положении направлен от начала витка до конца его. Через правую щетку ток пойдет во внешнюю цепь. Поэтому эту щетку можно называть положительной. Пройдя сопротивление внешней цепи, ток притекает к левой щетки генератора, которую можно назвать негативной.
Определяя направление е.г.с., индуктированной в витке, находим, что ток теперь направлен от конца витка к его началу. Если бы коллекторная пластина №1 как и раньше сталкивалась с левой щеткой, а пластина №2 – с правой щеткой, то изменение направления тока в витке вызвало бы изменение тока во внешней цепи. Но этого теперь не случится, потому что изменение направления тока в витке после перехода его через нейтральную линию совпадает с таким моментом, когда под правую щетку подошла пластина №1, а под левую щетку – пластина №2.
Сравнивая первое и второе положения, легко убедиться, что в обоих случаях ток витка в наружную сеть притекает от правой, положительной щетки и возвращается к левой, отрицательной щетке. Во внешней сети направление тока не меняется. Однако как виток занимает различные положения в магнитном поле, то и Э.Д.С., наводимая в витке, а вместе с ней и ток во внешней сети, будут меняться по величине.
Такой ток постоянного направления и переменной величины называется пульсирующим.
Для увеличения Э.Д.С. генератора и получения на зажимах напряжения, постоянного не только по направлению, но и по величине, якорную обмотку выполняют из нескольких катушек, каждая из которых состоит из большого количества витков.
Коллектор в машинах постоянного тока также состоит из нескольких изолированных друг от друга медных пластин, соединенных с отдельными частями якоря.
Как указывалось выше, коллектор в генераторах постоянного тока служит для выпрямления переменной Э.Д.С., что индуктируется в обмотке якоря, в постоянное напряжение на щетках генератора.
Коллектор состоит из пластин твердо-тянутой меди. Между пластинами коллектора прокладываются листочки из миканита толщиной 0,5 – 1 мм. Пластины коллектора имеют выступ, что напоминает форму ласточкиного хвоста. На вал со стороны якоря надевают изолирующую втулку, которая своим коническим выступом входит в прорезь ласточкиного хвоста. С другой стороны коллекторные пластины удерживаются нажимным изолирующим диском, выступы которого заходят в прорези ласточкиного хвоста. Чтобы коллекторные пластины не рассыпались, втулка и нажимной диск стягиваются болтами.
Для припайки проводников обмотки якоря к коллекторным пластинам служат специальные медные выступы, называемые петушками.

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

//

У двигателей с последовательным возбуждением обмотки якоря и обмотки возбуждения соединены последовательно. Поэтому ток, протекающий по обеим обмоткам двигателя, будет одинаковым, так как при малых насыщениях стали магнитопровода двигателя магнитный поток пропорционален току якоря имеем формулу: Ф = З₁I_я, а вращающий момент двигателя М_вр = сІ_яФ

Поэтому вращающий момент двигателя можно считать пропорциональным квадрату тока якоря: Мвр = С(I_я) ²
Квадратичная зависимость момента вращения от тока в обмотке якоря позволяет двигателю с последовательным возбуждением резко увеличивать с нагрузкой свой момент вращения. Это особенно ценно при пуске двигателя в ход, когда он должен быстро преодолеть инерцию загрузки на его валу.
У двигателя с параллельным возбуждением момент вращения пропорционален первой степени тока. Поэтому при одинаковом пусковом токе и при прочих равных условиях двигатель с последовательным возбуждением разовьет большой вращающий момент, по сравнению с двигателя с параллельным возбуждением.
Скорость вращения двигателя с последовательным возбуждением с нагрузкой резко меняется, потому что вместе с изменением тока якоря изменяется магнитный поток полюсов. Из формулы

вытекает, что при постоянном напряжении сети скорость вращения двигателя обратно пропорциональна величине магнитного потока. Поэтому нагруженный двигатель потребляет из сети большой ток, имеет значительный магнитный поток и небольшую скорость. При уменьшении нагрузки на валу ток якоря уменьшается, магнитный поток также уменьшается и скорость вращения двигателя увеличивается.
Поэтому, если нагрузка на валу двигателя с последовательным возбуждением сильно уменьшить или снять полностью, ток якоря и поток Ф сильно уменьшается и как следует из последней формулы, скорость вращения двигателя возрастает до недопустимо большой величины, опасной для механической прочности двигателя. Поэтому работа двигателя с последовательным возбуждением вхолостую или при малом нагрузке недопустима, так как ему грозит «разнос» от чрезмерного повышения скорости вращения. Двигатели этого типа нельзя соединять с механизмом при помощи ремня, потому что обрыв или соскакивание ремня приведет к разгрузке и «разноса» двигателя.
Регулирование скорости вращения двигателя с последовательным возбуждением производится либо путем изменения напряжения, питающего двигатель, или изменением магнитного потока полюсов. Для регулирования скорости вращения по первому способу в цепь двигателя включают особый регулировочный реостат или устанавливают один реостат, который мог бы служить как пусковым, так и регулировочным. Этот способ регулирования неэкономичен, потому что в реостатах теряется много энергии в тепло. Регулирование магнитного потока полюсов, а вместе с этим и регулирование скорости двигателя можно делать с помощью реостата, включенного параллельно обмотке возбуждения двигателя. Меняя сопротивление реостата, можно менять ток, который ответвляется в обмотку возбуждения.
Способность двигателя с последовательным возбуждением развивать большой момент при пуске в ход используется для электропривода установок электрифицированного транспорта и грузоподъемных механизмов.
Двигатели с последовательным возбуждением применяются в качестве тяговых двигателей электровозов, поездов метрополитена, трамвая, электрических подъемных кранов и т.п.

Контрольные вопросы

1.От чего зависит ЭДС машины постоянного тока?
2.Для чего устанавливают дополнительные полюса?
3.Как протекает процесс самовозбуждения генератора?
4.Как осуществлять процесс реверсирования двигателя постоянного тока?
5.От чего зависит вращающий момент и частота вращения двигателя постоянного тока?
6.Как регулируют частоту вращения двигателя постоянного тока?

Примеры машин с электродвигателями постоянного тока