Что представляет собой обмотка якоря двигателя постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока.

Хотя система своременного электроснабжения основана на применении переменного тока, тем не менее машины постоянного находят широкое использование в самых различных отраслях промышленности и в быту.

Основными частями машины постоянного тока (см. рис. 1) являются неподвижная станина, несущая электромагниты, и вращающаяся часть – якорь. Часто их называют по аналогии с машинами переменного тока статором – неподвижную часть и ротором – вращающуюся часть. Станина с электромагнитами служит для возбуждения главного магнитного поля машины, а во вращающемся якоре индуктируется э.д.с. и проходят токи, создающие в генераторе тормозящий момент, а в двигателе – вращающий момент.

Станина изготавливается из литой стали и представляет собой полый цилиндр, на внутренней стороне которого укреплены сердечники полюсов: главных и дополнительных. На сердечники главных полюсов надеты катушки, составляющие обмотку возбуждения машины. Сердечники полюсов снабжаются наконечниками, служащими для более равномерного распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря. Дополнительные полюса имеются имеются только на более крупных машинах. Эти полюса устанавливаются на станине посредине между главными полюсами. Их обмотка соединяется последовательно с обмоткой якоря. Назначение этих полюсов – поддерживать магнитное поле работающей машины относительно постоянным независимо от нагрузки. Это нужно для безыскровой работы щеток на коллекторе.

Сердечник якоря собран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали. Он снабжен пазами, в которые закладывается обмотка якоря, обычно состоящая из отдельных секций.

Характерной для машин постоянного тока деталью является коллектор – полый цилиндр, собранный из изолированных одна от другой и от вала машины клинообразных медных пластин. Последние определенным образом соединяются с витками обмотки якоря. На коллекторе в щеткодержателях устанавливаются неподвижные щетки, через которые обмотка якоря соединяется с внешней цепью. Щетки к коллектору прижимаются пружинами. щеткодержатели укрепляются на щеточных траверсах. Последние устанавливаются на подшипниках машины и их можно поворачивать, изменяя таким путем положение щеток по отношению к полюсам машины.

Коллектор в генераторах постоянного тока служит для выпрямления переменной э.д.с., индуктируемой во вращающейся обмотке якоря, а в двигателях постоянного тока – для получения постоянного по направлению вращающего момента. Одна и та же машина постоянного тока может работать в режимах генератора и двигателя, т.е. она обратима, как все электрические машины.

В режиме генератора машина работает тогда, когда ее вращает какой-либо первичный двигатель (паровая или гидравлическая турбина, двигатель внутреннего сгорания и т.д.), главное магнитное поле возбуждено, а обмотка якоря через щетки замкнута на нагрузку. В этой обмотке индуктируется э.д.с. и возникает ток, протекающий через якорь и нагрузку. Ток в якоре, взаимодействуя с главным магнитным полем, создает тормозящий момент, который должен преодолеть первичный двигатель. В режиме двигателя внешний источник электроэнергии посылает электрические токи в цепи якоря и возбуждения машины, а ток якоря, взаимодействуя с главным магнитным полем, образует вращающий момент. Под действием этого момента якорь вращается, а машина преобразует электрическую энергию в механическую.

Машина постоянного тока

Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного тока обратима.

Машина постоянного тока образуется из синхронной обращённой конструкции, если её якорь снабдить коллектором, который в генераторном режиме играет роль выпрямителя, а в двигательном — преобразователя частоты. Благодаря наличию коллектора по обмотке якоря проходит переменный ток, а во внешней цепи, связанной с якорем, — постоянный.

Содержание

• 1 Типы
• 2 Принцип действия
  • 2.1 Электродвигатель
  • 2.2 Генератор
• 3 Ссылки
• 4 Литература

Типы [ править | править код ]

Различают следующие виды машин постоянного тока:

• по наличию коммутации:
  • с коммутацией (обычные);
  • без коммутации (униполярный генератор и униполярный электродвигатель);
• по типу переключателей тока:
  • с коллекторными переключателями тока (с щёточно-коллекторным переключателем);
  • с бесколлекторными переключателями тока (с электронным переключателем (вентильный электродвигатель)).
• по мощности:
  • микромашины — до 500 Вт;
  • малой мощности — 0,5-10 кВт;
  • средней мощности — 10-200 кВт;
  • большой мощности — более 200 кВт.
• в зависимости от частоты вращения:
  • тихоходные — до 300 об./мин.;
  • средней быстроходности — 300—1500 об./мин.;
  • быстроходные — 1500-6000 об./мин.;
  • сверхбыстроходные — более 6000 об./мин.
• по расположению вала:
  • горизонтальные;
  • вертикальные.

Принцип действия [ править | править код ]

Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, в зависимости от того, какую энергию к ней подвести — если электрическую, то электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя, а если механическую — то будет работать в режиме генератора. Однако электрические машины, как правило, предназначены заводом изготовителем для одного определенного режима работы — или в режиме генератора, или электродвигателя.

Электродвигатель [ править | править код ]

Электродвигатели постоянного тока стоят почти на каждом автомобиле — это стартер, электропривод стеклоочистителя, вентилятор отопителя салона и др.

В роли индуктора выступает статор, на котором расположена обмотка. На неё подаётся постоянный ток, в результате чего вокруг неё создаётся постоянное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из проводников, запитанных через коллектор. В результате на них действуют пары сил Ампера, которые вызывают вращающий момент. Направление сил определяется по правилу «левой руки». Однако этот вращающий момент способен повернуть ротор только на 180 градусов, после чего он остановится. Чтобы это предотвратить, используется щёточно-коллекторный узел, выполняющий роль переключателя полюсов и датчика положения ротора (ДПР).

Генератор [ править | править код ]

В генераторе индуктором также является статор, создающий постоянное магнитное поле между соответствующими полюсами. При вращении ротора, в проводниках обмотки якоря, перемещающихся в магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Переменная ЭДС обмотки якоря выпрямляется с помощью коллектора, через неподвижные щетки, посредством которых обмотка соединяется с внешней сетью.

Автомобильные генераторы постоянного тока стояли на старых автомобилях (ГАЗ-51, ГАЗ-69 и др.)с 1970-х гг. вытеснены генераторами переменного трёхфазного тока с трёхфазным выпрямителем на шести диодах по схеме академика Ларионова.

Обмотки якоря

Элементом обмотки якоря является секция, которая своими концами присоединена к двум пластинам коллектора. Секции могут быть одновитковыми и многовитковыми. Пазовые стороны секций расположены в пазах сердечника якоря. Расстояние между пазовыми сторонами секции приблизитеьно равно полюсному делению.

где D_a — диаметр сердечника якоря.

Обычно обмотки якоря выполняют двухслойными. В зависимости от порядка присоединения секций к пластинам коллектора обмотки разделяют на волновые и петлевые, простые, сложные и комбинированные.

Простая волновая обмотка

В простой волновой обмотке концы каждой секции присоединены к пластинам коллектора, находящимся на расстоянии, называемом шагом обмотки по коллектору,

где К — число коллекторных пластин в коллекторе.

На рис. 13.5 показана схема простой волновой обмотки якоря. Секции обмотки образуют две параллельные ветви (2а = 2). Число параллельных ветвей в обмотке и число секций в каждой ветви определяют ток I_а и ЭДС Е_а обмотки якоря:

где S — количество секций в обмотке якоря; е_с — ЭДС одной секции; I_с — допустимое значение тока в секции.

Сложная волновая обмотка

Применяется в машинах постоянного тока, рассчитанных на большие токи. Сложная волновая обмотка состоит из двух простых волновых обмоток, соединяемых щетками параллельно (рис. 13.6). Такая обмотка содержит четыре параллельные ветви, следовательно, ток в ней может быть увеличен в два раза, а ЭДС при этом остается прежней.

Простая петлевая обмотка

В машинах постоянного тока низкого напряжения (значительного тока) необходима обмотка якоря с большим числом параллельных ветвей. Таким свойством обладают петлевые обмотки. В простой петлевой обмотке якоря (рис. 13.7) каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам, а число параллельных ветвей равно числу полюсов, т.е. 2а = 2р.

Сложная петлевая обмотка

Для того чтобы распределение токов в параллельных ветвях обмотки якоря было одинаковым, необходимо, чтобы электрическое сопротивление этих ветвей не отличалось друг от друга и чтобы ЭДС, наводимые в секциях, составляющих каждую параллельную ветвь, были одинаковыми. При несоблюдении этих условий между параллельными ветвями появляются уравнительные токи, нарушающие работу щеточно-коллекторного контакта.

Исключение составляет простая волновая обмотка , секции которой равномерно распределены под всеми полюсами машины, поэтому магнитная не симметрия машины не вызывает появления в этой обмотке уравнительных токов. Что же касается простой петлевой и всех видов сложных обмоток якоря, то в них всегда имеются причины к появлению уравнительных токов. Это приводит к необходимости применения в указанных обмотках так называемых уравнительных соединений, по которым замыкаются уравнительные токи, разгружая щеточно-коллекторный контакт от перегрузки. Уравнительные соединения усложняют изготовление обмотки якоря и ведут к дополнительному расходу обмоточной меди.

Комбинированная обмотка

В электрических машинах со значи­тельным током в обмотке якоря простые волновые обмотки неприменимы , так как в этих обмотках число параллельных ветвей не может быть более двух. Чтобы увеличить число параллельных ветвей и избежать нежелательного применения уравнительных соединений в машинах с большой токовой нагрузкой, используют комбинированную обмотку. Такая обмотка состоит из секций волновой и петлевой обмоток, а число параллельных ветвей в ней равно сумме параллельных ветвей петлевой и волновой обмоток. Необходимо, чтобы число параллельных ветвей волновой обмотки было равно числу ветвей петлевой обмотки . Поэтому в четырехполюсной машине комбинированную обмотку выполняют из простой петлевой (2а = 2р = 4) и сложной волновой (m = 2) обмоток. В этом случае число параллельных ветвей комбинированной обмотки равно 2а_комб = 4 + 4 = 8. В такой обмотке ветви одной из составляющих обмоток служат уравнительными соединениями для другой. В итоге комбинированная обмотка с таким числом параллельных ветвей оказывается проще сложной петлевой обмотки.

Глава 25. Обмотки якоря машин постоянного тока

§ 25.1. Петлевые обмотки якоря

Основные понятия. Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к кол­лектору.

Элементом обмотки якоря является секция (катушка), присо­единенная к двум коллекторным пластинам. Расстояние между пазовыми частями секции должно быть равно или мало отличаться от полюсного деления т [см. (7.1)] (рис. 25.1):

Здесь D_a —диаметр сердечника якоря, мм.

Обмотки якоря обычно выполняют двухслойными. Они харак­теризуются следующими параметрами: числом секций S; числом пазов (реальных) Z; числом секций, приходящихся на один паз, S_п=S/Z; числом витков секции w_c; числом пазовых сторон в обмот­ке N; числом пазовых сторон в одном пазу n_п=N/Z = 2w_cS_п. Верх­няя пазовая сторона одной секции и нижняя пазовая сторона дру­гой секции, лежащие в одном пазу, образуют элементарный паз. Число элементарных пазов в реальном пазе Z определяется числом секций, приходящихся на один паз: S_п = S/Z (рис. 25.2).

Схемы обмоток якоря делают развернутыми, принтом все секции показывают одновитковыми. В этом случае каждой секции, содержащей две пазовые стороны, соответствует один элементар­ный паз. Концы секции присоединяют к коллекторным пластинам, при этом к каждой пластине присоединяют начало одной секции и конец другой, т. е. на каждую секцию приходится одна коллектор­ная пластина. Таким образом, для обмотки якоря справедливо S=Z_э = K, где Z_э — число элементарных пазов; К — число коллек­торных пластин в коллекторе. Число секций, приходящихся на один реальный паз, определяется отношением Z_э/Z. Секции, укладыва­емые в два реальных паза, имеют общую изоляцию (рис. 25.3).

В машинах постоянного тока применяют обмотки якоря следу­ющих типов: простая петлевая, сложная петлевая, простая волно­вая, сложная волновая и комбинированная.

Простая петлевая обмотка якоря. В простой петлевой обмотке якоря каждая секция присоединена к двум рядом лежащим кол­лекторным пластинам. При укладке секций на сердечнике якоря начало каждой последующей секции соединяется с концом преды­дущей, постепенно перемещаясь при этом по поверхности якоря (и коллектора) так, что за один обход якоря укладывают все сек­ции обмотки. В результате конец последней секции оказывается при­соединенным к началу первой секции, т. е. обмотка якоря замыка­ется.

На рис. 25.4 изображена часть развернутой схемы простой пет­левой обмотки, на которой показаны шаги обмотки — расстояния между пазовыми сторонами секций по якорю: первый частичный шаг — по якорю у₁ второй частичный шаг — по якорю у₂ и резуль­тирующий шаг — по якорю у.

Если укладка секций обмотки ведется слева направо по якорю, то обмотка называется правоходовой (рис. 25.4, а), а если укладка секций ведется справа налево, то обмотка называется левоходовой (рис. 25.4, б). Для правоходовой обмотки результирующий шаг

y = y₁—y₂. (25.2)

Расстояние между двумя коллекторными пластинами, к кото­рым присоединены начало и конец одной секции, называют шагом обмотки по коллектору у_к. Шаги обмотки по якорю выражают вэлементарных пазах, а шаг по коллектору — в коллекторных деле­ниях (пластинах).

Начало и конец каждой секции в простой петлевой обмотке присоединены к рядом лежащим коллекторным пластинам, сле­довательно, у = у_к=±1, где знак плюс соответствует правоходовой обмотке, а знак минус — левоходовой.

Рис. 25.5. Развернутая схема простой петлевой обмотки

Для определения всех шагов простой петлевой обмотки доста­точно рассчитать первый частичный шаг по якорю:

где ε — некоторая величина, меньшая единицы, вычитая или сум­мируя которую получают значение шага у, равное целому числу. Второй частичный шаг обмотки по якорю

y₂=y₁ ± y= y₁ ± 1. (25.4)

Пример 25.1. Рассчитать шаги и выполнить развернутую схему простой пет­левой обмотки якоря для четырехполюсной (2р=4) машины постоянного тока. Обмотка правоходовая, содержит 12 секций.

Решение. Первый частичный шаг по якорю по (25.3) у₁— (Z_a/2p)4 ±ε = 12/4 = 3 паза.

Второй частичный шаг по якорю по (25.4) y₂ = y₁—y=3—1=2 паза.

Прежде чем приступить к выполнению схемы обмотки, необхо­димо отметить и пронумеровать все пазы и секции, нанести на пред­полагаемую схему контуры магнитных полюсов и указать их по­лярность (рис. 25.5). При этом нужно иметь в виду, что отмеченный па схеме контур является не полюсом, а зеркальным отображением полюса, находящегося над якорем. Затем изображают коллектор­ные пластины и наносят на схему первую секцию, пазовые части которой располагают в пазах 1 и 4. Коллекторные пластины, к ко­торым присоединены начало и конец этой секции, обозначают 1 и 2. Затем нумеруют все остальные пластины и наносят на схему осталь­ные секции (2, 3, 4 и т. д.). Последняя секция 12 должна замкнуть обмотку, что будет свидетельствовать о правильном выполнении схемы.

Далее на схеме изображают щетки. Расстояние между щетками А и В должно быть равно К/(2р) =12/4=12/4 = 3, т. е. должно со­ответствовать полюсному делению. Что же касается расположения щеток на коллекторе, то при этом следует руководствоваться сле­дующим. Предположим, что электрический контакт обмотки яко­ря с внешней цепью осуществляется не через коллектор, а непо­средственно через пазовые части обмотки, на которые наложены «условные» щетки (рис. 25.6, а).

Рис. 25.6. Расположение условных (а) и реальных (б) щеток

В этом случае наибольшая ЭДС машины соответствует положению «условных» щеток на геометри­ческой нейтрали (см. § 25.4). Но так как коллекторные пластины смещены относительно активных сторон соединенных с ними секций на 0,5т (рис. 25.6, б), то, переходя к реальным щеткам, их следует расположить на коллекторе по оси главных полюсов, как это пока­зано на рис. 25.5.

При определении полярности щеток предполагают, что машина работает в генераторном режиме и ее якорь вращается в направ­лении стрелки (см. рис. 25.5). Воспользовавшись правилом «правой руки», находят направление ЭДС (тока), наведенной в секциях. В итоге получаем, что щетки А₁ и А₂, от которых ток отводится во внешнюю цепь, являются положительными, а щетки В₁ и В₂ — от­рицательными. Щетки одинаковой полярности присоединяют парал­лельно к выводам соответствующей полярности.

Параллельные ветви обмотки якоря. Если проследить за про­хождением тока в секциях обмотки якоря (рис. 25.5), то можно за­метить, что обмотка состоит из четырех участков, соединенных па­раллельно друг другу и называемых параллельными ветвями. Каж­дая параллельная ветвь содержит несколько последовательно соединенных секций с одинаковым направлением тока в них. Рас­пределение секций в параллельных ветвях показано на электриче­ской схеме обмотки (рис. 25.7). Эту схему получают из разверну­той схемы обмотки (см. рис. 25.5) следующим образом. На листе бумаги изображают щетки и имеющие с ними контакт коллектор­ные пластины, как это показано на рис. 25.7. Затем совершают об­ход секций обмотки, начиная с секции 1, которая оказывается зам­кнутой накоротко щеткой В₁. Далее идут секции 2 и 3, которые образуют параллельную ветвь. Таким же образом обходят все осталь­ные секции. В результате получаем схему с четырьмя параллельны­ми ветвями, по две секции в каждой ветви.

Из полученной схемы следует, что ЭДС обмотки якоря определя­ется значением ЭДС одной параллельной ветви, тогда как значение тока обмотки определяется суммой токов всех ветвей обмотки:

I_a=2ai_a, (25.5)

где 2а — число парал­лельных ветвей обмотки якоря; i_a — ток одной па­раллельной ветви.

В простой петлевой обмотке число параллель­ных ветвей равно числу главных полюсов маши­ны: 2а = 2р.

Нетрудно заметить, что число параллельных ветвей в обмотке якоря определяет значение ос­новных параметров ма­шины — тока и напряже­ния-

Рис. 25.7. Электрическая схема обмотки, изображенной на рис. 25.5

Пример 25.2. Шестиполюсная машина постоянного тока имеет на якоре простую петлевую обмотку из 36 секций. Определить ЭДС и величину тока ма­шины, если в каждой секции наводится ЭДС 10 В, а сечение провода секции рас­считано на ток не более 15 А.

Решение. Число параллельных ветвей в обмотке 2а = 2р=6, при этом в каждой ветви S_п.в=S/(2а) =36/6=6 секций. Следовательно, ЭДС машины Е_а = =6*10=60 В, а допустимый ток машины I_a = 6*15=90 А.

Если машина при прочих неизменных условиях имела бы восемь полюсов, то ее ЭДС уменьшилась бы до 40 В, а ток увеличился бы до 120 А.

Сложная петлевая обмотка. При необходимости получить пет­левую обмотку с большим числом параллельных ветвей, как это требуется, например, в низковольтных машинах постоянного тока, применяют сложную петлевую обмотку. Такая обмотка представля­ет собой несколько (обычно две) простых петлевых обмоток, уло­женных на одном якоре и присоединенных к одному коллектору. Число параллельных ветвей в сложной петлевой обмотке 2а = 2рm, где m — число простых петлевых обмоток, из которых составлена сложная обмотка (обычно m=2). Ширина щеток при сложной пет­левой обмотке принимается такой, чтобы каждая щетка одновре­менно перекрывала m коллекторных пластин, т. е. столько пластин, сколько простых обмоток в сложной. При этом простые обмотки оказываются присоединенными параллельно друг другу. На рис. 25.8 показана развернутая схема сложной петлевой обмотки, состоящей из двух простых (m=2): 2p=4; Z_э=16. Результиру­ющий шаг обмотки по якорю и шаг по коллектору сложной петлевой обмотки принимают равным у=у_к=т. Первый частичный шаг по якорю определяют по (25.3).

Пример 25.3. Четырехполюсная машина постоянного тока имеет сложную петлевую обмотку якоря из 16 секций. Выполнить развернутую схему этой об­мотки, приняв т=2.

Решение. Шаги обмотки: у₁ = (Z_э/2p) =16/4 = 4 паза; у=у_к = т=2 паза; y₂=y₁—y=4—2=2 паза.

Рис. 25.8. Развернутая схема сложной петлевой обмотки

Прежде всего располагаем все секции одной из простых обмоток (секции с нечетными номерами: 1, 3, 5 и т. д.). Концы этих секций присоединяют к не­четным пластинам коллектора (рис. 25.8). Затем располагаем на якоре секции другой петлевой обмотки (секции с четными номерами: 2, 4, 6 и т. д.). Изобра­жаем на схеме щетки шириной в два коллекторных деления и определяем по­лярность щеток, как это описано в § 25.2. Число параллельных ветвей обмотки 2а=2рm=4*2=8.