Тема7 МПТ Текстcifra.studentmiv.ru/wp-content/uploads/2014/06/E... ·...
Transcript of Тема7 МПТ Текстcifra.studentmiv.ru/wp-content/uploads/2014/06/E... ·...
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 1
Тема 5. Электромеханика.
Часть 2. Машина постоянного тока
Оглавление
Принцип действия машин постоянного тока ........................................................ 2
Принцип действия генератора ........................................................................... 2
Принцип действия двигателя. ............................................................................. 3
Устройство машины постоянного тока ................................................................. 5
Назначение и конструкция статора. .................................................................... 5
Главные полюсы ................................................................................................... 7
Якорь ....................................................................................................................10
Коллектор ............................................................................................................13
Щетки. Назначение и конструкция ...................................................................14
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 2
Принцип действия машин постоянного тока
Принцип действия генератора
Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающего-
ся в магнитном поле (рис. 1). Концы витка выведены на две пластины кол-
лектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к
которым подключается внешняя цепь.
Рисунок 1. Простейший генератор постоянного тока: 1 – главные полюсы; 2 –
виток обмотки якоря; 3 – коллекторные пластины; 4 – щетки.
Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигате-
ля. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по
закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС, направление которых
определяется по правилу правой руки (рис. 2):
если правую руку расположить так, чтобы магнитные линии входили в
ладонь, а отогнутый на 900
большой палец показывает направление вра-
щения, то четыре пальца покажут направление действия электродви-
жущей силы.
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 3
При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем
проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а
в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам.
Рисунок 2. Правило правой руки
Если внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от
нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка
оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицатель-
ным.
При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса пере-
ходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обрат-
ное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с ниж-
ней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не из-
меняется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают
соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль пере-
ключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпря-
мителем.
Принцип действия двигателя.
То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 3),
если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под действием напряже-
ния U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону
электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 4
поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление
силы f определяется правилом левой руки (рис. 4):
Если расположить ладонь левой руки так, чтобы магнитные линии
входили в ладонь, а вытянутые пальцы показывали направление тока в
проводнике, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет
направление действия электромагнитной силы.
На верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта
пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой
стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижне-
го – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними кол-
лекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.
Рисунок 3. Простейший двигатель постоянного тока
Рисунок 4. Правило левой руки
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 5
Направление тока в проводниках витка изменяется на проти-
воположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не из-
меняется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может
приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).
Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает
контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического
инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный
ток в витке.
Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного
тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е.
обладает свойством обратимости.
Устройство машины постоянного тока
Машина постоянного тока состоит из двух основных частей (рис. 5):
неподвижной – статора и
вращающейся – ротора, называемого в машинах постоянного
тока якорем.
Разрез машины постоянного тока показан на рис. 6.
Назначение и конструкция статора.
Статор (индуктор) машины постоянного тока состоит из цилиндриче-
ской станины 8 (корпуса), полюсов с обмоткой возбуждения (главных 6 и до-
полнительных, на рис. 6 не показаны), подшипниковых щитов (позиции 2 и 9
на рис. 6) и щеточной траверсы (рассмотрена ниже) со щетками 4. Главное
назначение индуктора — создание магнитного потока (рис. 5).
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 6
Рисунок 5. Основные компоненты машины постоянного тока и созда-
ние главного магнитного потока
Станина имеет кольцевую форму и либо отливается, либо выполняет-
ся сварной из прокатной листовой стали с большой магнитной проницаемо-
стью. В машинах малой мощности станина изготавливается из стальных
труб. Она составляет основу всей машины и, кроме того, выполняет функцию
магнитопровода. К станине болтами крепятся главные и добавочные полюса,
а также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для
транспортирования, снизу — лапы для крепления машины к фундаменту.
Иногда станину называют ярмом.
На внутренней стороне станины располагаются симметрично полюсы
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 7
Рисунок 6. Устройство электрической машины постоянного тока: 1 -
вал якоря; 2, 9 - подшипниковые щиты; 3 - коллектор; 4 - щеточный аппарат;
5 - якорь; 6 - главный полюс; 7 - катушка возбуждения; 8 - станина; 10 - вен-
тилятор; 11 - бандажи; 12 - лапы; 13 - подшипник.
.
Главные полюсы
Главные полюсы служат для создания постоянного во времени и непо-
движного в пространстве магнитного поля. С этой целью по обмотке полю-
сов пропускается постоянный ток, называемый током возбуждения (в маши-
нах малой мощности в качестве полюсов могут использоваться постоянные
магниты).
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 8
Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного
потока необходимой величины. Главный полюс (рис. 7) состоит из сердечни-
ка 1 и катушек обмоток возбуждения 2,3. Со стороны, обращенной к якорю,
сердечник заканчивается полюсным наконечником 4, с помощью которого
обеспечивается требуемое распределение магнитной индукции в воздушном
зазоре.
Сердечники главных полюсов для уменьшения вихревых токов изго-
товляют шихтованными — из отдельных стальных листов толщиной 0,5—1,5
мм. По краям полюсов устанавливают более толстые торцовые боковины, ко-
торые посредством заклепок удерживают полюсные листы в спрессованном
состоянии.
Рисунок 7. Главный полюс: 1 – сердечник главного полюса; 2,3 – катушка
главного полюса; 4 – полюсный наконечник, 5-изолирующий каркас, 6-болт с
помощью которого полюс крепится к станине.
Электрические машины могут иметь два, четыре, шесть и в общем слу-
чае 2р главных полюсов. Главные полюсы укрепляют на остове болтами. Со-
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 9
седние (разноименные) полюсы в четырехполюсной машине расположены
под углом 90°, а двухполюсной — под углом 180°. Линия, делящая эти углы
пополам, называется геометрической нейтралью. Магнитный поток Ф, про-
ходящий через полюсы и поступающий в якорь и остов, разделяется по оси
симметрии полюсов на две симметричные и равные части. У всех современ-
ных машин с симметричными магнитными системами число полюсов 2р все-
гда четное, все полюсы совершенно одинаковы и углы между осями соседних
полюсов равны.
Сердечники главных полюсов небольших размеров скрепляются не-
сколькими заклепками. Но такого крепления для пакетов сердечников боль-
шой длины оказывается недостаточно, так как пакет получается нежестким,
вследствие чего поверхность полюса получается не прямолинейной, а винто-
вой. Для придания сердечнику главного полюса необходимой жесткости, ис-
ключающей образование спирали, в пакет сердечника запрессовывается ме-
таллический стержень. В стержне предусмотрены отверстия с резьбой для
крепления полюса к остову.
Обмотки возбуждения большинства машин общего назначения выпол-
няются много-витковыми катушками, насаженными на сердечники полюсов.
В машинах малой и средней мощности катушки наматывают изолированным
круглым проводом, в машинах большой мощности — прямоугольным изоли-
рованным проводом. И те и другие катушки наматывают в несколько рядов с
учетом размеров междуполюсного пространства.
Обмотки главных полюсов обычно разделяют на несколько катушек
(секций) для улучшения их охлаждения. Катушки изготавливаются из изоли-
рованного медного провода круглого сечения. Между секциями обмотки
устанавливаются дистанционные шайбы, посредством которых образуются
вентиляционные каналы.
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 10
В подшипниковых щитах (позиции 2 и 9 на рис. 6), прикрепленных с
торцевых сторон к корпусу, расположены подшипники (позиция 13 на рис.
6), несущие вал (позиция 1 на рис. 6) вращающейся части машины, называе-
мый якорем (позиция 3 на рис. 6). Также в подшипниковых щитах укрепляет-
ся щеточная траверса (рис. 8), которая с целью регулирования может пово-
рачиваться. На щеточной траверсе закреплены пальцы, которые электриче-
ски изолированы от траверсы. На пальцах установлены щеткодержатели с
щетками, изготовленными из графита или смеси графита с медью.
Рисунок 8. Щеточная траверса: 1 – палец, 2 - щеткодержатели, 3 —
отверстие под вал.
Якорь
Якорь – подвижная часть машины, состоящая из сердечника и обмотки.
Общий вид якоря без обмотки показан на рис. 9. На валу 1 располагается
сердечник с пазами для обмотки. Обмотка будет зафиксирована на специаль-
ных держателях (позиция 2 на рис. 9) специальным бандажом.
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 11
Сердечник якоря набирается из штампованных дисков (рисунок 10, а)
электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Диски насаживаются либо непо-
средственно на вал (при диаметре якоря Dа ≤ 75 см), либо набираются на
якорную втулку (Dа ≥ 40 см), которая надевается на вал. Сердечники якоря
диаметром 100 см и выше составляют из штампованных сегментов (рисунок
6, б) электротехнической стали. Сегменты набираются на корпус якоря, кото-
рый изготовляется обычно из листового стального проката и с помощью
втулки соединяется с валом. Подробнее штамп якоря представлен на рис. 11.
Рисунок 9. Якорь машины постоянного тока без обмотки: 1 — вал, 2 — об-
моткодержатель, 3 — выточки для наложения бандажа, 4 — место посадки
коллектора на валу
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 12
Рисунок 10. Диск (а) и сегмент (б) стали якоря
Рисунок 11. Штамп сердечника якоря: 1 — зубец листа, 2 — изоляция, 3 —
паз, 4 – вентиляционные отверстия; 5 – отверстие под вал; 6 - паз под шпон-
ку.
В пазы на внешней поверхности якоря укладываются катушки обмотки
якоря (рис. 12). Выступающие с каждой стороны из сердечника якоря (рис.
13) лобовые части обмотки 3 имеют вид цилиндрического кольца и своими
внутренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 5, а по внеш-
ней поверхности крепятся проволочными бандажами 7. Обмотка соединяется
с коллектором 4.
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 13
Рисунок 12. Расположение одного витка простой петлевой обмотки в пазах
сердечника якоря: 1 - верхняя активная сторона; 2 - нижняя активная сторо-
на; 3, 4 - лобовые части
Рисунок 13. Продольный разрез машины постоянного тока: 1- пакеты штам-
пов якоря шириной 40-70 мм; 2-каналы шириной около 5-10мм; 3-лобовые
части обмотки; 4-коллектор; 5-обмоткодержатели; 6-нажимные плиты или
фланцы; 7-проволочные бандажи
Коллектор
Наиболее сложным и ответственным узлом машины постоянного тока
является коллектор .Коллектор (рис.14,а) состоит из набора медных пластин
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 14
трапецеидального сечения, изолированных друг от друга миканитовыми про-
кладками. Пластины 2 имеют толщину до 5—8 мм, изготовлены из твердотя-
нутой меди или кадмиевой бронзы клинообразного сечения. Пластины
(рис.14,б) изолируют одну от другой миканитовыми прокладками 4. Пласти-
ны изолируют от нажимных шайб 3 и вала якоря миканитовыми манжетами 1
и цилиндрами. Для посадки коллектора на вал служит стальная втулка 6, ко-
торую вставляют в пресс-форму перед запрессовкой пластин в пластмассу.
Рис. 14. Общий вид коллектора машины постоянного тока (а); расположение
коллекторных пластин и изоляционных прокладок (б) и коллектор в пласт-
массовом корпусе (в).
Щетки. Назначение и конструкция.
Щетки предназначены для соединения коллектора с внешней цепью. Они
представляют собой прямоугольные призмы шириной 4—32 мм (рис.15). Ра-
бочую поверхность щеток пришлифовывают к коллектору, чтобы обеспечить
надежный контакт. Каждая щетка имеет определенную марку. Щетки раз-
личных марок различаются составом, способом изготовления и физическими
свойствами.
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 15
Рис.15. Конструкция щетки
Щетки, применяемые для электрических машин, подразделяются на че-
тыре основные группы: угольно-графитные, графитные, электро-
графитированные и металлографитные. Для каждой машины, работающей в
определенных условиях, нужно применять щетки только соответствующих
марок. Эти марки подбираются заводом — изготовителем машин; при замене
изношенных щеток нужно брать щетки той же марки.
Щетки устанавливают в специальные обоймы, называемые щеткодер-
жателями (рис.16). Для отвода тока от щетки к ней прикрепляют медный
гибкий проводник (щеточный канатик), который присоединяют к щеткодер-
жателю. Одним из основных условий хорошей работы щеток является плот-
ный, надежный контакт между щеткой и коллектором. Он достигается при
помощи нажимного устройства, смонтированного на щеткодержателе.
http://cifra.studentmiv.ru/mr-teoriya-5-chast-2/
© И.В. Музылёва, 2014 Страница 16
Нажим на щетку осуществляется пружиной, упирающейся одним концом в
щетку, а другим — в щеткодержатель. Нажатие на щетку должно быть отре-
гулировано в строго определенных пределах, так как чрезмерный нажим вы-
зывает быстрый износ щетки и нагрев коллектора, а недостаточный нажим не
дает надежного контакта между щеткой и коллектором, вследствие чего воз-
никает искрение под щеткой. Нажатие принимают из расчета 1,5—3,5 Н на 1
см2 опорной поверхности щетки.
Рис. 16. Радиальный щеткодержатель: 1- щеткодержатель; 2-щетка; 3-
пружина; 4-канатик; 5-колодки