Устройство и принцип действия машины постоянного тока: подробный обзор конструкции и работы

Как устроена машина постоянного тока. Какие основные элементы входят в ее конструкцию. Каков принцип действия генератора и двигателя постоянного тока. Какие виды и схемы возбуждения применяются в машинах постоянного тока. Какие характеристики имеют генераторы разных типов.

Устройство машины постоянного тока: основные элементы конструкции

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей:

• Статор — неподвижная часть
• Якорь — вращающаяся часть

Статор включает в себя следующие элементы:

• Станина — корпус машины
• Главные полюсы с обмотками возбуждения
• Добавочные полюсы
• Подшипниковые щиты

Якорь состоит из:

• Вала
• Сердечника из электротехнической стали
• Обмотки якоря
• Коллектора

Важную роль играют также щетки и щеткодержатели, обеспечивающие токосъем с коллектора. Рассмотрим подробнее основные узлы машины постоянного тока.

Станина и главные полюсы: создание магнитного поля

Станина машины постоянного тока выполняет две основные функции:

1. Служит корпусом, на котором крепятся все остальные части
2. Является магнитопроводом, замыкающим магнитную цепь машины

На внутренней поверхности станины закреплены главные полюсы, состоящие из сердечников и обмоток возбуждения. Именно главные полюсы создают основной магнитный поток машины. Как правило, применяется четное число полюсов — 2, 4, 6 и т.д.

Сердечники главных полюсов набираются из листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. Обмотки возбуждения наматываются медным изолированным проводом.

Якорь машины постоянного тока: преобразование энергии

Якорь является ключевым узлом машины постоянного тока, в котором происходит преобразование механической энергии в электрическую (в генераторе) или электрической в механическую (в двигателе).

Основные элементы якоря:

• Сердечник из листов электротехнической стали
• Обмотка из медного изолированного провода
• Коллектор для выпрямления тока
• Вал для передачи вращающего момента

Сердечник якоря имеет цилиндрическую форму с пазами на внешней поверхности, в которые укладывается обмотка. Обмотка состоит из секций, соединенных последовательно и подключенных к пластинам коллектора.

Коллектор: ключевой элемент машины постоянного тока

Коллектор является уникальным узлом, который отличает машины постоянного тока от других электрических машин. Его основные функции:

• Выпрямление переменного тока якоря в постоянный (в генераторе)
• Обеспечение протекания тока в нужном направлении по обмотке якоря (в двигателе)
• Электрическое соединение вращающейся обмотки якоря с неподвижной внешней цепью

Конструктивно коллектор представляет собой цилиндр, набранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала. К пластинам припаиваются выводы секций обмотки якоря.

Принцип действия генератора постоянного тока

Принцип работы генератора постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции. При вращении якоря в магнитном поле главных полюсов в проводниках обмотки якоря индуцируется ЭДС. Благодаря коллектору переменная ЭДС выпрямляется, и во внешней цепи протекает постоянный ток.

Основные этапы работы генератора:

1. Создание магнитного поля обмотками возбуждения
2. Вращение якоря первичным двигателем
3. Индуцирование ЭДС в обмотке якоря
4. Выпрямление тока коллектором
5. Съем выпрямленного тока щетками

ЭДС генератора прямо пропорциональна магнитному потоку и частоте вращения якоря:

E = c * n * Ф

где c — конструктивная постоянная, n — частота вращения, Ф — магнитный поток.

Виды возбуждения генераторов постоянного тока

В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают следующие схемы возбуждения генераторов постоянного тока:

• Независимое возбуждение
• Параллельное возбуждение
• Последовательное возбуждение
• Смешанное возбуждение

При независимом возбуждении обмотка возбуждения питается от отдельного источника постоянного тока. В остальных случаях используется явление самовозбуждения, когда обмотка возбуждения питается от самого генератора.

Характеристики генераторов постоянного тока

Основными характеристиками генераторов постоянного тока являются:

1. Характеристика холостого хода — зависимость напряжения от тока возбуждения при отсутствии нагрузки
2. Внешняя характеристика — зависимость напряжения от тока нагрузки
3. Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при постоянном напряжении

Вид этих характеристик существенно зависит от схемы возбуждения генератора. Наиболее стабильное напряжение обеспечивают генераторы со смешанным возбуждением.

Принцип действия двигателя постоянного тока

Принцип работы двигателя постоянного тока основан на взаимодействии магнитного поля главных полюсов с магнитным полем, создаваемым током в обмотке якоря. В результате возникает электромагнитный момент, приводящий якорь во вращение.

Основные этапы работы двигателя:

1. Подача постоянного тока на обмотку возбуждения
2. Подача постоянного тока на обмотку якоря через щетки и коллектор
3. Возникновение электромагнитных сил, действующих на проводники обмотки якоря
4. Вращение якоря под действием электромагнитного момента

Направление вращения двигателя можно изменить, поменяв полярность питания либо обмотки якоря, либо обмотки возбуждения.

Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока

Скорость вращения двигателя постоянного тока можно регулировать следующими способами:

• Изменением напряжения питания якоря
• Изменением тока возбуждения
• Включением реостата в цепь якоря

Наиболее эффективным является регулирование скорости изменением напряжения на якоре. При этом в широких пределах сохраняется высокий КПД двигателя.

Регулирование током возбуждения позволяет увеличивать скорость выше номинальной, но при этом снижается вращающий момент.

Преимущества и недостатки машин постоянного тока

Основные преимущества машин постоянного тока:

• Простота регулирования скорости в широком диапазоне
• Большой пусковой момент двигателей
• Возможность работы в генераторном и двигательном режимах

К недостаткам можно отнести:

• Наличие коллектора, требующего обслуживания
• Повышенное искрение под щетками
• Более высокая стоимость по сравнению с асинхронными двигателями

Несмотря на недостатки, машины постоянного тока широко применяются в промышленности благодаря своим уникальным регулировочным свойствам.

Устройство машин постоянного тока: принцип действия

Машина постоянного тока представляет собой достаточно сложный механизм, который четко должен выполнять свои функции. Для того чтобы она всегда работала стабильно, необходимо, чтобы каждая мелкая деталь идеально выполняла своё предназначение. В этом случае всё вместе будет представлять единый целостный механизм, спокойно выполняющий главную задачу.

 

 

Содержание:

• Устройство всей машины
• Устройство главных полюсов
• Устройство катушек
• Устройство сердечника и якоря
• Устройство якорных катушек
• Устройство коллектора
• Устройство щеткодержателей
• Устройство щеток
• Принцип действия

Устройство всей машины

В зависимости от видов машин постоянного тока схема может немного меняться, но в целом она универсальна. В устройстве обязательно находятся:

• Коллектор. Он необходим для того, чтобы выпрямлять переменный ток в постоянный. Фактически, это сердцевина подобной машины, ее главный действующий элемент.
• Щетки. Они необходимы для лучшего контакта и коммутации. Если щётки работают правильно, то искрения не будет.
• Сердечник якоря. Он необходим для того, чтобы стать основой для обмотки.
• Главный полюс. Это основа для создания магнитного поля.
• Катушки. Эти устройства представляют собой разнополярное устройство, необходимое для возникновения постоянного тока.
• Корпус или станина. Представляет собой неподвижную часть, необходимую для подключения полюсов и создания стабильного магнитного поля.
• Подшипниковый щит. Он соединяет статор и ротор. Чем он прочнее, тем больше срок эксплуатации всей машины. К счастью, данная деталь может чиниться.
• Вентилятор . Это устройство необходимо для предотвращения перегрева всей машины.
• Обмотка якоря. Именно в ее волокнах образуется и индуцируется ЭДС.

Обязательно нужно четко понимать устройство машин постоянного тока, чтобы правильно их эксплуатировать, а также в случае необходимости произвести ремонт.

Устройство главных полюсов↑

Главный полюс представляет собой сердечник, состоящий из листов специальной электротехнической стали. На него в определенном порядке насаживаются катушки с последовательной и параллельной обмоткой. Основной функцией данной детали становится образование магнитного поля. Также, имеются такие детали, как наконечник для выравнивания поля.

Детали

• обмотка главного полюса
• сердечник
• наконечник
• болт крепления
• станина
• якорь

Если все эти детали хорошо работают, то в результате образуется магнитное поле. Принцип действия машин постоянного тока не обходится без него.

Для создания магнитного поля и его надежности также используются дополнительные полюса. Они изготавливаются по тому же принципу, но немного проще.

Устройство катушек↑

Катушки, про которые постоянно упоминают при устройстве машины постоянного тока, на самом деле представляют собой классические устройства. Они могут предназначаться для главных и побочных полюсов. Катушкой подобное устройство называется за то, что это обмотка определенным образом добавленная на основу. На одной её стороне находится плюс, а на другой — минус. За счет этого можно «играть» с полярностью, добиваясь возникновения поля и настраивая его.

Устройство сердечника и якоря↑

Якорь представляет собой центральную вращающую часть, которая задаёт движение всему агрегату. Сердечник также является центром всего якоря, на котором в дальнейшем будет находиться обмотка и крепится другие детали.

Внешне он напоминает цилиндр, но вовсе не является простой цельной фигурой, скорее – это наборной элемент. На центральную ось набираются кольца или сегменты листовой стали, которые чередуются между собой в определенной направленности. Основным отличием является тот факт, что на внешней их части присутствует огромное количество специальных пазов, которые обеспечивают дальнейшее крепление. В конце они фиксируются с коллектором и становятся единым целым с ним, образуя замкнутую обмотку.

Инженерный центр «ПрофЭнергия» имеет все необходимые инструменты для качественного проведения испытания машин постоянного тока, слаженный коллектив профессионалов и лицензии, которые дают право осуществлять все необходимые испытания и замеры. Оставив выбор на электролаборатории «ПрофЭнергия» вы выбираете надежную и качествунную работу своего оборудования!

Если хотите заказать испытание машин постоянного тока или задать вопрос, звоните по телефону: +7 (495) 181-50-34.

Устройство якорных катушек↑

Якорные катушки иными словами называют полукатушками. Обусловлено это небольшим количеством витков (от двух до шести). Также, они имеют маленькую толщину. Основное предназначение и принцип работы их схож с обычными катушками, однако есть и некоторые отличия.

В первую очередь – это двойная головка, на которой отсутствуют выводные концы. В якоре они соединяются с коллекторными пластинами, поэтому конструкция устройства довольно необычная. Катушки могут состоять из нескольких секций, каждая из которых соединяется с коллектором при помощи припаивания.

Устройство коллектора↑

Коллектор по внешнему виду напоминает небольшой цилиндр. Он сделан из меди. Между слоями металла располагается слюда или миканит. В зависимости от необходимой мощности машины может меняться и сам состав материалов коллектора.

К этому цилиндру в дальнейшем крепятся щетки, а также обмотка различной полярности. Основная сложность в его конструкции заключается в том, что это не цельный цилиндр, а собранное особым образом устройство. Данную деталь формируют огромное количество клиновидных медных пластин. Между собой они не должны соприкасаться, поэтому обязательно имеются прослойки и прокладки из другого материала.

Готовый цилиндр надежно крепится на валу якоря при помощи специального болта и становится центром всей машины, преобразующей переменный ток в постоянный. Он может быть практически любого размера, но от этого будет изменяться мощность всего устройства.

Устройство щеткодержателей↑

Держатели для щеток обеспечивают их плотное прижатие и идеальное движение. Именно они делают так, чтобы контакты не тёрлись с коллектором. Обязательно просчитывается так, чтобы относительно полюсов машины щетки не меняли свое положение. Они максимально прочно соприкасаются с коллектором, благодаря пружинам, имеющимся в держателях. Также, обеспечивается вращение для идеальной работы.

В зависимости от конкретной машины, держатели могут быть разными по форме и материалам. Однако принцип действия их остается неизменным в любом случае.

Устройство щеток↑

Сами щетки представляют собой прямоугольные бруски. Они находятся на внешней стороне устройства и их легко можно увидеть, не разбирая машину. Иногда, в случае возникновения неисправности, именно тут возникает само искрение, символизирующее о необходимости принимать меры. Основными материалами, из которых изготавливаются щётки, являются графит, кокс, а также некоторые другие компоненты.

Принцип действия↑

Принцип действия машин постоянного тока непосредственно соединен с понятием назначения. Подобные технологии применяются, как в электродвигателях, так и в генераторах. В зависимости от мощности и характеристик их можно использовать в любых отраслях, от промышленности до различных автоматических систем.

Подобные двигатели достаточно дороги и сложны, поэтому они пока не вошли в широкое обращение и используются только лишь при необходимости. Особую популярность такие машины обрели в натуральном хозяйстве, в любых передвижных установках, а также выступают в качестве источника энергии, если её тяжело получить другим способом.

История

У подобного устройства достаточно богатая история. Еще в 19 веке, в 1821 году подобная идея появилась у Фарадея, который и начал ее продвигать. Первый же двигатель был создан русским ученым Якоби. Он же и старался его развивать.

В начале 20 века огромное количество ученый пробовали усовершенствовать данную машину и увеличивать её мощность. Это получалось все лучше и лучше с каждым годом. Единственной проблемой оставалось искрение и ненадежность, но затем и она снялась с улучшением коммутации.

Принцип

Работу двигателя можно объяснить достаточно легко. В обмотке возбуждения, которая надежно соединяется с полюсами, начинает образовываться ток. За счёт стабильного вращения и одного направления ЭДС он становится постоянным. Когда постепенно проводники перемещаются от одного полюса к другому, ЭДС меняет знак своей полярности. Но количество проводников неизменно, а значит, и сила тока остается постоянной по своей величине и характеристикам.

Сердцевиной для выполнения подобных работ становится коллектор. Машиной постоянного тока фактически можно назвать абсолютно любую технику, которая имеет коллектор, якорь с обмоткой, а также внешнюю электрическую цепь. В результате всё это даёт возможность преобразовывать переменный ток в постоянный. В нынешнее время присутствует огромное количество разнообразных машин, которые различаются по мощности, размерам и материалам, однако основа у них одна, начиная с 19 века, которая была открыта Фарадеем.

Электрические машины постоянного тока | Электрификация сельскохозяйственного производства

Страница 6 из 14

Глава VI. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 1. Принцип действия и устройство машин постоянного тока
Принцип действия машин постоянного тока — генераторов и двигателей — основан на явлении электромагнитной индукции и явлении взаимодействия проводника, по которому проходит ток, с магнитным полем.

Рис. 65. Схема машины постоянного тока с одним витком.
Следует заметить, что машины постоянного тока, как и электрические машины вообще, обладают свойством обратимости, то есть каждая машина может работать и в генераторном, и в двигательном режиме.
Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока. Между двумя магнитными полюсами N. и S (рис. 65) Помещен виток aecd, концы которого присоединены к двум изолированным полукольцам. Эти полукольца представляют собой простейший коллектор, предназначенный для выпрямления переменного тока.

На полукольца наложены неподвижные щетки А и В, к которым присоединена внешняя цепь (нагрузка генератора).
При вращении витка вместе с полукольцами в его активных сторонах ав и cd индуктируется синусоидальный ток, но благодаря коллектору и щеткам ток во внешней части
цепи будет пульсирующим, то есть неизменным по направлению (рис. 66).

£
Рис. 66. График выпрямленного тока генератора с одним витком.

Принцип выпрямления переменного тока при помощи коллектора заключается в следующем. В момент, когда виток занимает вертикальное положение, как показано на рисунке 65, в верхней его стороне ав э.д.с. направлена от в к а, а в нижней стороне — от d к с. Во внешней части цепи будет протекать ток от щетки А к щетке В. Следовательно, щетка А имеет полярность «плюс», а щетка В — «минус».
После того как виток сделает четверть оборота и стороны витка ав и cd расположатся на нейтральной линии, э.д.с, витка станет равной нулю. При дальнейшем движении каждая из сторон витка окажется в магнитном поле другой полярности и э. д.с. в витке изменит направление на обратное. Однако направление тока во внешней части цепи останется прежним, потому что в тот же самый момент, когда стороны витка проходят в зону действия поля другого знака, меняются и полукольца (коллекторные пластины) под щетками, то есть щетки передвигаются с одного полукольца на другое.
Таким образом, под щеткой А всегда находится полукольцо, которое соединено с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В —  полукольцо, которое соединено с проводником, расположенным под южным магнитным полюсом. Поэтому, полярность щеток остается неизменной, и ток во внешней цепи течет в одном направлении — от щетки А к щетке В. Щетки на коллекторе устанавливают так, чтобы в момент перехода их с одной пластины на другую э.д.с. в витке была равной нулю.
С целью уменьшения пульсации тока применяют обмотку из нескольких витков, сдвинутых относительно друг друга в пространстве, причем каждый из них присоединен к своей паре полуколец (коллекторных пластин). Так, например, даже для генератора с двумя витками (рис. 67), сдвинутыми в пространстве на 90°, пульсация тока заметно уменьшается (рис. 68). Предостаточно большом числе витков ток практически становится постоянным по величине и направлению.
Электродвижущая сила Ев генератора постоянного тока определяется по формуле
Е — спФ,                                       (151)
где с — постоянная машины;
п — частота вращения якоря, об/мин;
Ф — магнитный поток, Вб.

Рис. 67. Модель машины постоянного тока с двумя витками.
Следовательно, э.д.с. генератора зависит от частоты вращения и магнитного потока. Поэтому регулировать э.д.с. генератора можно, изменяя эти величины. На практике э.д.с. генератора регулируют, изменяя силу тока в цепи возбуждения.

Рис. 68. График выпрямленного тока генератора с двумя витками.
Рассмотрим устройство электрической машины постоянного тока (рис. 69). Она состоит из двух основных частей: неподвижной части — статора и вращающейся части —якоря.
Статор представляет собой станину 6, на внутренней поверхности которой укреплены сердечники главных полюсов 4 с полюсными катушками 5 и добавочные полюса.

Главные полюса служат для создания основного магнитного потока, а  добавочные —для создания дополнительного потока.
К бокам станины болтами прикреплены подшипниковые щиты 7 и 11, в которых установлены подшипники вала якоря.

Рис. 69. Устройство электрической машины постоянного тока:
1 — коллектор; 2 — щетки; 3 — сердечник якоря; 4— сердечник главного полюса, 5— полюсная катушка; 6 — станина; 7 — подшипниковые щиты; 8 — вентилятор; 9 — обмотка якоря) 10 — вал якоря.
Якорь состоит из вала 10, сердечника 3, обмотки 9 и коллектора 1.
Сердечник якоря (рис. 70) набирают из отдельных листов электротехнической стали (рис. 71), изолированных друг от друга для уменьшения потерь от вихревых токов, юты сердечника Плотно стянуты при помощи болтов 4 и нажимных шайб 1. В собранном состоянии по оси сердечника образуется цилиндрические отверстие для вала, а на поверхности сердечника — продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.           

Рис. 70. Якорь без обмотки:
1 — нажимная шайба; 2 — место для бандажа; 3 — место для коллектора, 4 — болт.
Обмотку якоря, изготовленную из изолированного медного провода, образуют секции, которые соединяются между собой последовательно, причем каждая секция двумя концами припаивается к пластинам коллектора, К каждой коллекторной пластине припаивают конец одной секции и начало другой. Обмотку в пазах укрепляют клиньями или бандажами.

Рис. 71. Стальной лист якоря:
1— сталь; 2 — изоляция.

Секция состоит из нескольких, витков, стороны которых располагают так, чтобы одна из них лежала под северным полюсом, а другая — под южным.

Коллектор генератора постоянного тока служит для преобразования переменного тока в постоянный и для электрического соединения вращающейся обмотки якоря с внешней сетью при помощи неподвижных щеток 2 (см. рис. 69).

Рис. 72. Коллектор:1 — корпус коллектора; 2 — стяжной болт; 3 — нажимное кольцо; 4 — изоляция; 5 — «петушок»; 6 — ласточкин хвост; 7 — пластины.
Коллектор (рис. 72) изготовляют из медных пластин 7, которые изолируют друг от друга и от втулки миканитовой изоляцией 4. Выступающую часть 5 коллекторной пластины называют петушком, к ней припаивают концы секций обмотки якоря.
Вал якоря изготовляют из высокосортной стали. На нем укрепляют сердечник якоря с обмоткой, коллектор, опорные подшипники, вентилятор, шкив или соединительную муфту.
Вентилятор предназначен Для создания воздушного потока, охлаждающего машину.
При помощи шкива или муфты машину постоянного тока соединяют с первичным двигателем (если она служит выступ 6, напоминающий форму ласточкина хвоста. При сборке коллектора эти выступы зажимаются между корпусом коллектора 1 и нажимным кольцом 3 и закрепляются стяжными болтами 2.

Рис. 73. Щеткодержатель:
1— нажимные пластины; 1 — пружина; 3 — щетка; 4 — обойма; 5 — тросик.

Рис. 74. Щеточная траверса:
1 — щеточный палец; 2 — изоляция; 3 — стопорный болт.

Щетки создают электрический контакт с поверхностью коллектора. Их располагают и закрепляют в щеткодержателях (рис, 73). Щетки 3, установленные в обоймы щеткодержателей 4, прижимаются к коллектору нажимными пластинами 1 при помощи пружины 2. Ток от щетки отводится гибким медным тросиком 5.

Щеткодержатели укрепляют на пальцах траверсы t (рис. 74), которые изолируются от корпуса машины при помощи втулки 2. Траверса крепится к подшипниковому щиту стопорным болтом 3. Поворачивая траверсу на некоторый угол, изменяют положение щеток на коллекторе.
На станине или на переднем подшипниковом щите располагают панель (клеммный щиток), Куда выводят концы обмоток.
Выводы, согласно ГОСТ 183—66, маркируются следующим образом: обмотка якоря — Я1 и Я2, обмотка возбуждения параллельная — Ш1 и Ш2, обмотка возбуждения последовательная — CI и С2, обмотка добавочных полюсов — Д1 и Д2. Цифрой 1 обозначают начала обмотки, а цифрой 2 — концы.
К станине машины прикрепляют табличку (паспорт), где указаны все необходимые номинальные данные машины.

§ 2. Классификация генераторов постоянного тока

Генераторы постоянного тока, с электромагнитным возбуждением разделяют на генераторы независимого возбуждения (рис. 75, а), в которых обмотка возбуждения питается от постороннего источника тока (аккумуляторной батареи или другой машины постоянного тока), и генераторы с самовозбуждением, в которых обмотка возбуждения получает питание непосредственно от самого генератора.

Рис. 75. Схемы возбуждения генераторов: а — независимое; б — параллельное; в — последовательное; г — смешанное.
В свою очередь, среди генераторов с самовозбуждением, получивших преимущественное распространение, в зависимости от схемы включения обмотки возбуждения различают:
1) генераторы с параллельным возбуждением (рис. 75, б): у них обмотка возбуждения включена параллельно обмотке якоря; 2) генераторы с последовательным возбуждением (рис. 75, в) здесь обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря; 3) генераторы со смешанным возбуждением (рис. 75, г): у них две обмотки возбуждения, одна из которых включена параллельно обмотке якоря, а другая — последовательно.

§ 3. Характеристики генераторов постоянного тока

При эксплуатации машин постоянного тока важно знать зависимость одних переменных величин от других. Графическое выражение этих зависимостей называют характеристиками.
К основным характеристикам генераторов постоянного тока относят следующие.

1. Характеристика холостого хода отражает зависимость напряжения U на зажимах генератора от тока возбуждения при токе нагрузки , равном нулю, и постоянной частоте вращения якоря, то есть

1. Внешняя характеристика выражает зависимость напряжения U на зажимах генератора оттока нагрузки  при неизменном сопротивлении  цепи возбуждения и постоянной частоте вращения якоря, или

1. Регулировочная характеристика отражает зависимость тока возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении V на зажимах генератора и постоянной частоте вращения якоря, то есть

Характеристики генератора независимого возбуждения.
Рис. 76. Характеристика холостого хода генератора независимого  возбуждения.
Характеристика холостого хода (рис. 76) показывает, что при увеличении тока возбуждения
напряжение U на зажимах генератора повышается. Вначале, при малых токах возбуждения, напряжение растет пропорционально увеличению тока возбуждения, а затем, по мере насыщения магнитной системы машины, эта линейная зависимость нарушается и характеристика приобретает криволинейный характер. Точка N, соответствующая номинальному напряжению генератора, обычно лежит на перегибе характеристики. Если точка располагается за перегибом характеристики, в зоне насыщения, то в этом случае ухудшается возможность регулировки напряжения генератора (для небольшого изменения напряжения требуется значительное изменение тока возбуждения). Наоборот, если точка N лежит на прямолинейной части характеристики (ниже перегиба), то небольшие изменения тока возбуждения вызовут значительные изменения напряжения генератора.
Рис. 77. Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения.
Внешняя характеристика (рис. 77) позволяет сделать вывод о том, что при увеличении тока нагрузки напряжение U  на зажимах генератора понижается, что объясняется падением напряжения в цепи якоря и размагничивающим влиянием реакции якоря.
Рис. 78. Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения.
Регулировочная характеристика (рис. 78) показывает, что напряжение генератора остается постоянным тогда, когда с увеличением тока нагрузки увеличивают ток возбуждения (и наоборот).

Рис. 79. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения.
Характеристика генератора параллельного возбуждения. Характеристики холостого хода и  регулировочная этого генератора такие же, как соответствующие характеристики генератора с независимым возбуждением.
Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рис. 79) значительно отличается от аналогичной характеристики генератора независимого возбуждения. В генераторе параллельного возбуждения при увеличении нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается быстрее. Это объясняется тем, что в данном генераторе напряжение уменьшается не только из-за падения напряжения в цепи якоря и влияния реакции якоря, но и следствие уменьшения тока возбуждения, вызванного снижением напряжения в результате действия этих двух причин.
С увеличением нагрузки напряжение на зажимах генератора снижается, а вместе с ним уменьшается и ток возбуждения. Ток нагрузки может возрастать до определенного, критического значения, превышающего номинальный ток примерно в два раза, а затем напряжение генератора резко уменьшается и в обмотке якоря протекает ток, обусловленный э.д.с. от потока остаточного магнетизма.
Характеристика генератора последовательного возбуждения. В генераторе последовательного возбуждения весь ток нагрузки проходит через обмотку возбуждения, а поэтому свойства этого генератора в полной мере выражает внешняя характеристика (рис, 80).
В режиме холостого хода э.д.с. генератора невелика, ее значение определяется величиной остаточного магнетизма. По мере увеличения тока нагрузки возрастает магнитный поток и напряжение генератора повышается. Однако напряжение растет лишь до определенного предела, обусловленного магнитным насыщением стали генератора, когда магнитный поток полюсов уже почти не увеличивается.
Рис. 80. Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения.
При дальнейшем усилении тока нагрузки напряжение генератора уменьшается, так как основная составляющая магнитного потока генератора из-за насыщения стали почти перестает увеличиваться, а падение напряжения в цепи якоря и реакция якоря продолжают возрастать.
Генераторы последовательного возбуждения широкого применения не нашли, поскольку им присуща значительная зависимость напряжения от нагрузки.
Характеристики генератора смешанного возбуждения. Обычно обмотки возбуждения этого генератора, одна из которых соединена последовательно с обмоткой якоря, а другая параллельно ей, включаются согласно, то есть так, что магнитные потоки обеих обмоток складываются. Наличие двух обмоток возбуждения приводит к тому, что этот генератор сочетает в себе свойства генераторов с параллельным и последовательным возбуждениями.
Характеристика холостого хода генератора со смешанным возбуждением не отличается от соответствующей характеристики генератора с параллельным возбуждением.
Рис, 81. Внешняя характеристика генератора со смешанным возбуждением.

Особенность свойств генератора со смешанным возбуждением проявляется в его внешней характеристике {рис. 81), которая показывает, что в некотором диапазоне напряжение на зажимах генератора при увеличении тока нагрузки остается почти неизменным. Это происходит благодаря тому, чтo снижение напряжения, характерное для машины параллельного возбуждения, компенсируется повышением напряжения в результате действия последовательной обмотки возбуждения. Постоянство напряжения на зажимах генератора при изменениях тока нагрузки и является основным достоинством генераторов со смешанным возбуждением.

4.

Электродвигатели постоянного тока

Уже отмечалось, что электрические машины постоянного тока обратимы, то есть каждая машина может работать как генератором, так и двигателем. Поэтому устройство электродвигателей постоянного тока такое же, как генераторов.
Принцип действия электродвигателей постоянного тока основан на явлении взаимодействия проводника, по которому проходит ток, с магнитным полем.

Для регулирования скорости вращения электродвигателя служит регулировочный реостат в цепи обмотки возбуждения.
Чтобы изменить направление вращения якоря двигателя, достаточно изменить направление тока в обмотке возбуждения или в обмотке якоря.

Рис. 82. Включение пускового реостата в цепь обмотки якоря двигателя.
По способу возбуждения электродвигатели постоянного тока, так же как и генераторы, в соответствии со схемой включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря подразделяют па двигатели параллельного, последовательного и смешанного, возбуждения. Электрические схемы этих двигателей аналогичны схемам генераторов, приведенным на рисунке 75.
Основными характеристиками двигателей постоянного тока являются рабочие характеристики.
Рис. 83. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения.
Рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением (рис. 83) отражают зависимости частоты вращения тока, вращающего момента М и коэффициента полезного действия  от мощности Р2 на валу двигателя при постоянных значениях напряжения и тока возбуждения, то есть  при U—const.
Рабочие характеристики электродвигателя параллельного возбуждения показывают, что частота вращения якоря с увеличенном нагрузки несколько уменьшается; ток Iя якоря и вращающий момент М повышаются почти прямо пропорционально нагрузке; коэффициент полезного действия  вначале весьма быстро растет, достигая почти предельного значения примерно при половинном значении номинальной мощности, а затем изменяется очень мало, имея максимум в пределах 75—100% номинальной нагрузки, по при перегрузке двигателя уменьшается.
Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения представлены на рисунке 84.
Рис. 84. Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения

.
В зоне малого насыщения стали магнитопровода двигателя магнитный поток пропорционален току якоря и вращающий момент двигателя последовательного возбуждения пропорционален квадрату тока. Поэтому такой двигатель способен развивать большой вращающий момент, что имеет важное значение в случае перегрузок и особенно при тяжелых условиях пуска.
Эти двигатели широко применяются в подъемных устройствах, па транспорте, а также на тракторах и автомобилях в качестве стартеров.
Другой особенностью двигателей последовательного возбуждения является то, что с уменьшением нагрузки скорость вращения якоря резко увеличивается и при нагрузке ниже 25% номинальной возрастает до недопустимо большой величины. Это объясняется тем, что в соответствии с формулой
при снижении нагрузки на валу ток якоря уменьшается, магнитный поток также уменьшается, а скорость вращения двигателя увеличивается. Поэтому работа и пуск двигателя при нагрузке меньше 25% номинальной недопустимы.

Двигателю смешанного возбуждения присущи положительные свойства двигателей с параллельным и последовательным возбуждением, то есть для него характерны и большой вращающий момент, и постоянство скорости вращения. Благодаря этому двигатели смешанного возбуждения получили широкое применение.

• Назад
• Вперёд

Машины постоянного тока. Электродвигатели и генераторы. – www.motors33.ru

1. Особенности коллекторных машин постоянного тока

Коллекторные машины — это в основном машины постоянного тока. Они выпускаются мощностью от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Коллекторные машины переменного тока находят применение в качестве приводных двигателей лишь для узкого круга специальных механизмов небольшой мощности, например как приводы некоторых бытовых приборов, электрифицированного ручного инструмента, медицинского оборудования, т. е. в тех случаях, когда для питания двигателей используется однофазный и реже трехфазный переменный ток, а характеристики асинхронных машин не удовлетворяют требованиям приводного механизма.

Рис. 1. Двигатель постоянного тока серии 2П:
1 — тахогенератор; 2 — траверса; 3 — коллектор; 4 — станина; 5 — якорь; 6 — главный полюс; 7 — добавочный полюс;

Основными конструктивными элементами машин постоянного тока (рис. 1) являются станина с закрепленными на ней главными и добавочными полюсами, вращающийся якорь с обмоткой и коллектором и щеточный аппарат. В машинах малой и средней мощностей станина одновременно служит и корпусом, к которому крепятся лапы для установки машины, и частью магнитопровода. По ней замыкается магнитный поток. В большинстве машин станина выполнена массивной, из стальных труб, либо сварной из листов конструкционной стали. В ряде машин станину выполняют шихтованной.
К внутренней поверхности станины крепят главные и добавочные полюсы. Сердечники главных полюсов массивные либо набраны из листов стали толщиной 1 — 2 мм. Сердечники добавочных полюсов, как правило, массивные. На главных полюсах располагаются обмотки возбуждения; их МДС создают рабочий поток машины. Обмотки добавочных полюсов, расположенных по поперечным осям машины, служат для обеспечения нормальной коммутации.
Магнитопровод якоря шихтуется из листов электротехнической стали. В машинах малой мощности сердечник якоря насаживается непосредственно на вал со шпонкой и фиксируется в осевом направлении буртиком вала и кольцевой шпонкой. С торцов якоря для предотвращения распушения листов во время работы установлены нажимные шайбы, совмещенные с обмоткодержателями.
Обмотки якорей двухслойные. В машинах мощностью до 15 — 20 кВт они выполнены из круглого провода и уложены в полузакрытые пазы. В пазовых частях обмотка крепится пазовыми клиньями, в лобовых — бандажами из стеклоленты или немагнитной стальной проволоки, которые прижимают их к обмоткодержателям. В машинах большой мощности катушки обмотки якоря наматывают из прямоугольного провода и укладывают в открытые пазы. Крепление обмотки либо такое же, как и в машинах малой мощности, т. е. клиньями в пазовой и бандажами в лобовой части, либо бандажами и в пазовой, и в лобовой части. Выводные концы каждой секции обмотки впаиваются в прорези коллекторных пластин.
Коллекторы в большинстве машин общего назначения цилиндрические. Торцевые коллекторы применяют лишь в некоторых машинах малой мощности специального назначения. Во всех цилиндрических коллекторах пластины имеют клиновидную форму с углом наклона, при котором пластины, собранные в кольцо, плотно прилегают друг к другу боковыми поверхностями и зажимают миканитовую изоляцию (рис. 2). Наибольшее распространение получили коллекторы, в которых пластины удерживаются в сжатом состоянии металлическими нажимными конусами (рис. 3) либо опрессовкой в пластмассу (рис. 4).

Рис. 2. Положение коллекторных пластин в цилиндрических коллекторах:
1 — пластины коллектора; 2 — изоляция между пластинами; Р — сила давления нажимных конусов; Р, — сила арочного распора

В коллекторах с нажимными конусами пластины закрепляются передвижением переднего нажимного конуса по втулке коллектора. При этом создается давление на нижнюю часть ласточкина хвоста пластин и возникает арочный распор (рис. 2). Такие коллекторы называют арочными. Пластины коллектора с расположенными между ними изоляционными прокладками образуют монолитное кольцо. Нажимные конусы изолируют от пластин миканитовыми фигурными прокладками — манжетами, имеющими большую механическую прочность.

Рис. 3. Коллектор с нажимными конусами:
1 — передний нажимной конус; 2 — пластины коллектора ; 3 — втулка коллектора; 4 — изоляционная манжета; 5 —задний нажимной конус

Коллекторы на пластмассе более просты в изготовлении, но в силу меньшей механической прочности и надежности не применяются в машинах большой мощности.
В некоторых быстроходных машинах, например в возбудителях турбогенераторов, из-за больших центробежных сил, действующих на пластины коллектора, прочность их крепления с помощью ласточкиных хвостов оказывается недостаточной и коллекторные пластины крепят на втулку с помощью внешних бандажных колец (рис. 5).

Рис. 5. Принципиальная конструкция коллектора с бандажными кольцами:
1 — изоляция под бандажными кольцами; 2 — бандажные кольца; 3 — пластины коллектора; 4 — втулка коллектора

Щетки коллекторных машин устанавливают в щеткодержатели, закрепленные на щеточных пальцах, причем на каждом щеточном пальце может быть установлено по нескольку щеткодержателей и щеток, соединенных между собой параллельно. Число щеток и их размеры определяются номинальным током машины. Число щеточных пальцев должно быть равно числу полюсов машины. Двигатели с волновой обмоткой на якоре при отсутствии места для установки полного комплекта щеточных пальцев допускают установку неполного числа щеточных пальцев, что используется в некоторых конструкциях тяговых двигателей. Щеточные пальцы укреплены на траверсе, которая допускает поворот на некоторый угол вокруг оси машины для регулирования положения щеток на коллекторе.
В последние годы получают распространение бесколлекторные двигатели постоянного тока, в которых механический преобразователь тока — коллектор со щеточным аппаратом — заменен вентильным коммутатором. Вентильные двигатели имеют широкий диапазон регулирования частоты вращения и не имеют недостатков, связанных с работой скользящих контактов коллектор—щетки, характерных для коллекторных машин постоянного тока.

3. Характеристики машин постоянного тока.
Машины постоянного тока по своим характеристикам определяются системой возбуждения: независимой, параллельной, последовательной или смешанной.

При независимой системе возбуждения обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока и ток возбуждения не зависит от режима работы и нагрузки машины. Генераторы с независимой системой возбуждения допускают регулирование напряжения практически от нуля до номинального. Изменение напряжения при увеличении нагрузки определяется только размагничивающим действием реакции якоря и увеличением падения напряжения на сопротивлении якорной цепи.
Ток параллельной обмотки возбуждения генераторов с самовозбуждением меняется в зависимости от напряжения на выводах генератора и уменьшается с ростом нагрузки из-за размагничивающего действия реакции якоря, что в свою очередь приводит к добавочному увеличению падения напряжения. За счет этого номинальное падение напряжения генераторов с параллельным возбуждением больше, чем генераторов с независимым возбуждением.
В генераторах со смешанной системой возбуждения при согласном включении параллельной и последовательной обмоток поток стабилизируется, так как размагничивающее действие реакции якоря компенсируется изменением МДС последовательной обмотки, пропорциональным току нагрузки. Последовательную обмотку таких машин называют стабилизирующей. Номинальное падение напряжения генераторов со стабилизирующей обмоткой мало. Некоторые генераторы выполнены со стабилизирующей обмоткой, при которой обеспечивается равенство 7НОМ = (7Х|Х (где 1/Х]Х — напряжение холостого хода).

При встречном включении параллельной и последовательной обмоток возбуждения напряжение на выводах генератора резко падает с увеличением тока нагрузки. Такие системы возбуждения находят применение в сварочных генераторах постоянного тока.
В двигателях параллельного возбуждения размагничивающее действие реакции якоря может вызвать неустойчивую работу, так как уменьшение потока с ростом нагрузки из-за действия реакции якоря при малом суммарном сопротивлении якорной цепи приводит к увеличению частоты вращения двигателя. Поэтому в большинстве двигателей средней и во всех двигателях большой мощности помимо параллельной устанавливается последовательная обмотка возбуждения, стабилизирующая магнитный поток и придающая устойчивость механической характеристике (рис. 7, а).

Рис. 7. Механические характеристики двигателей постоянного тока:
а — смешанного возбуждения; б — последовательного возбуждения

Механические характеристики двигателей с последовательным возбуждением (рис. 7,б) имеют специфический «падающий» характер. Двигатели с последовательным возбуждением используются в приводах, требующих больших пусковых моментов и устойчивой работы при малых частотах вращения.

4. Регулирование частоты вращения машин постоянного тока.

Частота вращения двигателя при неизменной нагрузке может быть изменена регулированием питающего напряжения U, включением последовательно с якорем дополнительного регулировочного резистора и изменением магнитного потока машины (изменением тока возбуждения). В практике применяются все три способа регулирования.
Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения встречает трудности, связанные со сложностью преобразования напряжения постоянного тока. Для этой цели либо применяют статические преобразователи напряжения, либо питают двигатель от отдельного генератора постоянного тока, допускающего плавное регулирование напряжения (система генератор — двигатель). Такие системы применяют лишь для отдельных специальных приводов, требующих регулирования частоты вращения по сложной программе, например для главных двигателей прокатных станов.
Регулирование частоты вращения потоком является наиболее экономичным способом, так как потери в регулировочных резисторах, включаемых для этой цели последовательно с обмоткой возбуждения, невелики из-за малого тока возбуждения.
Однако этот способ позволяет лишь увеличивать частоту вращения двигателей по сравнению с номинальной. Такой способ регулирования предусмотрен для всех серийных двигателей постоянного тока.
Включение добавочного резистора в цепь якоря дает возможность плавно регулировать частоту вращения, но сопряжено с большими потерями в регулировочном реостате, по которому проходит полный ток нагрузки. Этот способ используется, например, для регулирования частоты вращения тяговых двигателей.
В современных системах регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока применяются тиристорные схемы, позволяющие осуществить регулирование частоты вращения в широких пределах по заданной программе. Датчиками частоты вращения для осуществления обратной связи при регулировании могут быть тахогенераторы, размещенные на валу якоря двигателя (рис. 1).

5. Коммутация машин постоянного тока

Коммутация машин постоянного тока, т. е. изменение направления тока в секциях обмотки якоря при переходе секций от одного полюсного деления к другому, происходит при кратковременном замыкании их щетками на пластинах коллектора. При коммутации в короткозамкнутых секциях возникают реактивная ЭДС и ЭДС вращения, наводимая потоком реакции якоря, магнитные силовые линии которого пронизывают замкнутые при коммутации секции. При движении коллектора в момент отхода пластины коллектора от замыкающей данную секцию щетки происходит разрыв цепи (замкнутой секции), имеющей индуктивное сопротивление, и возникает искрение между сбегающим краем щетки и коллекторной пластиной. При неудовлетворительной коммутации искрение может быть значительным и может привести к местному повреждению коллектора, что в свою очередь ухудшает переходный контакт щетка—коллектор и усиливает искрение. Качество коммутации машины постоянного тока оценивается по интенсивности искрения на коллекторе (табл. 1).
Для улучшения коммутации во всех машинах постоянного тока, кроме машин малой мощности, устанавливают добавочные полюсы, МДС которых компенсирует МДС реакции якоря по поперечной оси машины, т. е. в зоне расположения коммутируемых секций. Кроме того, поток, создаваемый обмоткой добавочных полюсов, наводит в замкнутых при коммутации секциях ЭДС, несколько превышающую реактивную ЭДС секций и направленную ей навстречу. Коммутация машины при этих условиях становится прямолинейной или даже ускоренной. Напряжение под сбегающим краем щеток уменьшается до весьма малых значений и искрение под щетками становится не опасным для работы машины.
В крупных машинах постоянного тока кроме добавочных полюсов в пазах на наконечниках главных полюсов располагают компенсационную обмотку . Компенсационная обмотка предназначена для компенсации воздействия реакции якоря на поток возбуждения по продольной оси. Уменьшение влияния реакции якоря позволяет выполнять машины с уменьшенным воздушным зазором и улучшить их коммутацию.

Таблица 1. Оценка степени искрения под сбегающим краем щеток по ГОСТ 183-74

Степень искрения	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора и щеток
1	Отсутствие искрения	Отсутствие почернения на коллекторе и следов нагара на щетках
ll 4	Слабое искрение под небольшой частью края щетки
‘i	Слабое искрение под большей частью края щетки	Появление следов почернения на кол-[ лекторе и следов нагара на щетках, легко устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином
2	Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузки	Появление следов почернения на коллекторе и следов нагара на щетках, не устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином
3	Значительное искрение под всем краем щетки с появлением крупных и вылетающих искр. Допускается только при прямом включении или реверсировании машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы	Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и частичное разрушение щеток

 

Машины постоянного тока – конструкция, работа, типы и применение

В зависимости от источника поставки электрические машины подразделяются на два типа; Машина переменного тока и машина постоянного тока. Например, двигатели постоянного тока, генератор постоянного тока и т. д.

Содержание

Что такое машина постоянного тока?

Машина постоянного тока представляет собой электромеханическое устройство, которое используется для преобразования электрической энергии в механическую или наоборот.

Машина постоянного тока, используемая для преобразования электрической энергии в механическую, известная как двигатель постоянного тока и машина постоянного тока, используемая для преобразования механической энергии в электрическую, известная как генератор постоянного тока . Одна и та же машина может использоваться как двигатель или генератор. Конструкция одинакова для двигателя постоянного тока и генератора постоянного тока.

Работа машины постоянного тока

Принцип работы и работа машины постоянного тока основаны на эффекте, когда проводник с током скручивается в магнитном поле, магнитное поле создает на нем механическую силу, известную как крутящий момент, который вращает проводник сворачивается в магнитном поле. Направление этого произведенного крутящего момента можно найти по Правило левой руки Флеминга (большой палец — сила). Создаваемая сила может быть рассчитана следующим образом.

F = BIL

Где:

• F = Величина создаваемой силы
• B = плотность потока
• I = ток
• L = длина провода

Конструкция машины постоянного тока

Машина постоянного тока состоит из ярма, полюса и полюсного башмака, сердечника якоря, обмотки возбуждения, обмотки якоря, коммутатора, щеток, вала и подшипников. Давайте подробно объясним каждую часть с приложениями.

• Хомут или рама

Хомут также известен как рама. Он закрывает внутренние части машины. Ярмо изготовлено из магнитного материала с низким магнитным сопротивлением, такого как железо и кремнистая сталь. Как правило, ярмо состоит из железа, потому что железо является более экономичным материалом, чем сталь.

Хомут служит для механической защиты машины. Второе применение ярма заключается в том, что оно обеспечивает путь потока с низким сопротивлением. Итак, флюс завершает свой путь через ярмо.

• Палка и башмак для палки

Обмотка возбуждения размещена на полюсе. Когда ток проходит через обмотку возбуждения, он создает электрическое магнитное поле и ведет себя как электромагнит. Полюсные башмаки расширяют поток во всей машине.

Для уменьшения потерь на вихревые токи полюс и полюсные башмаки ламинированы. Для маленькой машины столб ламинировать не надо. Он изготовлен из тонкой литой стали.

Полюс используется для размещения обмотки возбуждения и создания магнитного потока внутри машины. Полюсные башмаки используются для поддержки обмотки возбуждения и предотвращения соскальзывания с полюса.

• Обмотка возбуждения

Обмотка, намотанная на полюс, известна как обмотка возбуждения. Внешний источник постоянного тока или выход машины используется для возбуждения обмотки возбуждения.

Состоит из меди и алюминия. В большинстве случаев обмотка изготовлена ​​из меди, но когда цена имеет значение, используется алюминий.

Когда постоянный ток проходит через катушку, он генерирует электромагнитное поле (ЭМП). И он намагнитит полюс и создаст магнитный поток. Поток, создаваемый полюсом, прямо пропорционален току возбуждения. И потока более чем достаточно, чтобы пересечь воздушный зазор между якорем и опорными башмаками.

• Сердечник арматуры

Сердечник якоря имеет цилиндрическую форму и соединен шпонкой с валом. Итак, это вращающаяся часть машины постоянного тока.

Сердечник якоря состоит из нескольких пазов на внешней периферии. Он состоит из материала с низким сопротивлением и высокой проницаемостью, такого как чугун или литая сталь. Сердечник якоря ламинирован для уменьшения вихревых токов.

На сердечнике якоря предусмотрены отверстия для отвода тепла машины. Прорези якоря используются для размещения обмотки якоря.

• Обмотка якоря

Обмотка якоря размещается на пазах сердечника якоря. Он состоит из меди. Обмотка якоря связана с магнитным потоком и индуцирует вращающийся магнитный поток.

По способу соединения обмотки бывают двух типов; Намотка внахлест и волновая обмотка

• Намотка внахлестку

В нахлестной обмотке проводники якоря разделены на группы по числу полюсов Р. Все группы проводников соединены параллельно и в одной группе все проводники соединены последовательно.

При намотке внахлест количество параллельных дорожек (A) совпадает с количеством полюсов (P). Поэтому при намотке внахлест количество параллельных дорожек больше. И за счет этого он способен отдавать больший ток нагрузки.

Таким образом, круговая обмотка используется для низковольтных сильноточных приложений.

• Волновая обмотка

В волновой обмотке все проводники соединены последовательно и образуют единый контур. Для волновой обмотки, независимо от количества полюсов, количество параллельных путей всегда равно двум.

Таким образом, при волновой намотке имеется меньшее количество параллельных путей по сравнению с намоткой внахлестку. Волновая обмотка используется для высоковольтной машины постоянного тока с малым током.

• Коллектор

Коллектор устанавливается на вал машины. Проводники якоря вращаются. Коммутатор используется для соединения вращающегося проводника якоря со стационарной внешней цепью.

Преобразует переменный крутящий момент, создаваемый якорем, в однонаправленный крутящий момент. Другими словами, он преобразует крутящий момент переменного тока в крутящий момент постоянного тока. Таким образом, он работает аналогично выпрямителю.

Он состоит из нескольких сегментов твердотянутой меди для уменьшения разрыва и деформации. Потому что он соединяет вращающуюся часть с неподвижной частью. Все сегменты изолированы друг от друга тонким слоем слюдяных, бумажных или пластиковых изоляторов.

• Щетки

Коллектор подключил внешнюю цепь через щетки. Щетки используются для отвода тока от проводников якоря.

В большинстве случаев щетки состоят из углерода для небольших машин и электрографитовые щетки для больших машин.

Щетки удерживаются на поверхности коллектора пружинами и имеют прямоугольную форму.

• Вал

Вал для передачи механической энергии. Если машина используется в качестве двигателя постоянного тока, механическая мощность передается от двигателя к нагрузке. А если машина используется в качестве генератора постоянного тока, механическая мощность передается от первичного двигателя к машине.

• Подшипник

Подшипники используются на конце вала. Трение между вращающейся частью и неподвижной частью уменьшается с помощью подшипников.

Подшипник изготовлен из любого твердого материала, такого как углеродистая сталь. В машине постоянного тока используется вал шарового или валкового типа.

Классификация машин постоянного тока

Существуют различные типы машин постоянного тока , такие как последовательные, шунтирующие, короткие шунтирующие соединения и длинные шунтирующие соединения.

По способу возбуждения поля машины постоянного тока классифицируются как;

• Машина постоянного тока с независимым возбуждением
• Машина постоянного тока с самовозбуждением

Машина постоянного тока с независимым возбуждением

В машине этого типа обмотка возбуждения электрически отделена от обмотки якоря. Физической связи между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря нет.

В машинах с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от отдельного источника питания.

Машина постоянного тока с самовозбуждением

В этом типе машины постоянного тока обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены друг с другом. Рабочие характеристики машины зависят от соединения между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря.

В зависимости от соединения между обмоткой возбуждения и обмоткой якоря машины постоянного тока классифицируются как;

• Серия Машина постоянного тока для намотки ран
• Машина постоянного тока с шунтирующим ранением
• Машина постоянного тока с комбинированной обмоткой

Машина постоянного тока серии

В этом типе машины постоянного тока обмотка возбуждения соединена последовательно с обмоткой якоря. Из-за последовательного соединения весь ток нагрузки (ток якоря) будет проходить от обмотки возбуждения. И этот ток высок.

Итак, серийная обмотка возбуждения выполнена с меньшим числом витков толстого провода для уменьшения сопротивления.

Машина постоянного тока с шунтирующей обмоткой

В машине постоянного тока этого типа обмотка возбуждения подключается параллельно обмотке якоря. Из-за параллельного соединения на обмотку возбуждения подается полное напряжение. Поэтому шунтирующая обмотка конструируется с большим количеством витков с большим сопротивлением.

Ток, протекающий через обмотку возбуждения, очень мал. Он составляет всего 5% от номинального тока якоря.

Машина постоянного тока с комбинированной обмоткой

В этом типе машины постоянного тока используются две обмотки возбуждения. Одна обмотка соединена последовательно, а вторая обмотка параллельно обмотке якоря.

Машина постоянного тока с комбинированной раной также подразделяется на два типа;

• Короткий шунт
• Длинный шунт

Короткий шунт

Если обмотка возбуждения соединена параллельно только с обмоткой якоря, машина называется машиной постоянного тока с короткой шунтирующей обмоткой.

Длинный шунт

Если обмотка возбуждения соединена параллельно с комбинацией последовательной обмотки возбуждения и обмотки якоря, машина называется машиной постоянного тока с составной обмоткой и длинным шунтом.

Применение машин постоянного тока

Использование электроэнергии увеличивается день ото дня. И из-за этого также увеличивается использование электрических машин.

Как правило, машины постоянного тока используются для обеспечения возбуждения генератора переменного тока, а также во многих приложениях, таких как сварочный процесс, приводы двигателей с регулируемой скоростью, электролитические и гальванические процессы.

Небольшие машины постоянного тока используются в качестве управляющего устройства, например, для измерения скорости, позиционирования и отслеживания.

Применение машины постоянного тока в качестве двигателя

Двигатели постоянного тока делятся на три типа; Серийный двигатель, шунтирующий двигатель и комбинированный двигатель.

• Двигатель серии

Серийные двигатели используются в приложениях, где необходим высокий пусковой момент и возможно изменение скорости.

Пример — пылесос, воздушный компрессор, краны, тяговая система и т. д.

• Шунтирующий двигатель

Шунтовой двигатель используется в тех случаях, когда пусковой момент больше не требуется и работает на постоянной скорости.

Пример: конвейер, подъемник, вентиляторы, токарный станок, прядильная машина, центробежный насос и т. д.

• Составной двигатель

Составные двигатели используются в приложениях, где требуется более высокий пуск с постоянной скоростью.

Примеры – прокатные станы, элеваторы, конвейеры, прессы и т. д.

Применение машины постоянного тока в качестве генератора

Генераторы постоянного тока подразделяются на генераторы постоянного тока с независимым возбуждением, генераторы с параллельной обмоткой и генераторы с последовательной обмоткой.

• Генератор постоянного тока с независимым возбуждением

Этот тип генератора постоянного тока используется для испытаний в лабораториях. Потому что он имеет широкий диапазон входного напряжения. Он также используется в качестве источника питания для двигателя постоянного тока.

• Генератор с параллельным возбуждением

Этот тип генератора используется для зарядки аккумулятора и обеспечения возбуждения генератора переменного тока. Этот тип генератора также используется для целей освещения.

• Генератор с последовательной обмоткой

Генераторы с последовательной обмоткой используются в локомотивах для обеспечения тока возбуждения возбуждения, а также для рекуперативного торможения. В системе распределения электроэнергии он используется в качестве усилителя.

Связанные сообщения об электродвигателях

• Серводвигатель – типы, конструкция, работа, управление и применение
• Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) – конструкция, принцип работы и применение
Шаговый двигатель
• – типы, конструкция, работа и применение
• Пускатель двигателя – типы пускателей и методы пуска двигателя
• Проводка стартера трехфазного двигателя по схеме ЗВЕЗДА/ТРЕУГОЛЬНИК
• Пускатель прямого действия — схема подключения пускателя DOL для двигателей
• Зачем нам устанавливать стартер с двигателем?
• Что такое КПД двигателя и как его повысить?
• Расчет размера кабеля для двигателей LT и HT
• Уравнения напряжения и мощности двигателя постоянного тока
• Привод переменного тока – Работа и типы электрических приводов и ЧРП
• Привод постоянного тока – Работа и типы приводов постоянного тока
• Управление скоростью двигателя постоянного тока – методы контроля напряжения, реостата и потока
• Символы электродвигателей

Машина постоянного тока – конструкция, принцип работы, типы и применение

Первый коммутатор был изобретен Уильямом Стердженом с использованием машины в 1837 году. впоследствии были изобретены машины переменного тока. Эта машина используется для управления устройствами, работающими на переменном токе. Машина постоянного тока используется для управления устройствами, использующими однонаправленный ток. Когда мы оцениваем машины постоянного тока, машины переменного тока имеют больше преимуществ из-за потерь, которые появляются в постоянном токе. Хотя потери больше, машины постоянного тока находят свое значение в современной повседневной жизни. Он имеет свою уникальную особенность генерировать однонаправленный ток. Таким образом, эти машины используются в местах, где требуется однонаправленная мощность. Эти машины используются в батареях для выработки однонаправленной энергии. В этой статье дается обзор машины постоянного тока, включая конструкцию, работу, детали, уравнение ЭДС, типы, потери и области применения.

Это вращающееся устройство, которое может быть двигателем или генератором. В зависимости от конструкции и принципа действия он классифицируется как двигатель или генератор. Двигатель – это устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую. Генератор представляет собой электрическое устройство, которое используется для преобразования энергии из механической в ​​электрическую.

Конструкция

Детали машины

Состоит из ярма, полюсного сердечника, полюсного башмака, сердечника якоря, коллектора, щеток, подшипников и вентилятора.

Хомут используется для защиты устройства от воздействия внешней среды. Он используется в качестве щита для защиты внутренних частей машины. Он обеспечивает механическую поддержку внутренних частей устройства.

Полюсный сердечник состоит из полюсного башмака, а обмотка возбуждения опирается на полюсный башмак. Полюсный башмак с обмоткой возбуждения вставляется в пазы полюсного сердечника.

Две основные части машины — это статор и ротор, где статор — неподвижная часть, а ротор — вращающаяся часть. В этой машине две обмотки: обмотка возбуждения и обмотка якоря. Расположение этих обмоток может быть таким, обмотка возбуждения расположена на статоре, тогда как обмотка якоря расположена на роторе. Однако в машине переменного тока расположение обратное к машине переменного тока. Это основное различие между машиной постоянного и переменного тока. Конструкция генератора постоянного тока показана на следующей диаграмме, и показаны его части.

Детали генератора постоянного тока

Сердечник якоря состоит из обмотки якоря, которая опирается на пазы сердечника. Он состоит из пазов зубчатого типа, так что обмотка якоря может быть легко вставлена ​​в пазы.

Коллектор представляет собой устройство, которое используется для сбора тока с обмотки якоря, тогда как щетка собирает ток с коммутатора.

Для плавной работы используются подшипники. Вентилятор используется для отвода тепла, выделяемого во время работы машины.

Это работает

Машина постоянного тока работает на основе закона электромагнитной индукции Фарадея, который гласит, что когда проводник пересекает линии магнитных сил, внутри проводников индуцируется электромагнитная сила.

В генераторе постоянного тока, когда катушка, помещенная в магнитное поле, вращается с помощью первичного двигателя или любой рукоятки. Катушки разрезают магнитные силовые линии, чтобы вызвать ЭДС. Эта индуцированная ЭДС создает ток в обмотке якоря. Направление этого тока в генераторах постоянного тока можно наблюдать по правилу правой руки Флеминга. Ниже показано рабочее изображение генератора постоянного тока.

Работа генератора

Ток в катушке изменяется каждый полупериод по мере вращения катушки, что находится по правилу правой руки Флеминга. Благодаря этому вырабатывается переменный ток, который регистрируется гальванометром. Так, для получения однонаправленного тока к щеткам присоединяют отрезки коллектора. Эти сегменты генерируют однонаправленный ток при вращении катушки. Сегменты плавно проходят между щетками и не позволяют току изменяться. При вращении катушки на половине оборота сегменты вращаются между щетками, но не позволяют току изменить свое направление. Таким образом, именно так генератор постоянного тока может преобразовывать входную механическую энергию в выходную электрическую энергию постоянного тока.

Работа двигателя постоянного тока и генератора аналогична, однако здесь питание постоянного тока подается на обмотку якоря. Благодаря этому в катушке, помещенной под магнитное поле, протекает ток. Всякий раз, когда катушка, по которой течет ток, находится под влиянием магнитного поля, которое испытывает силу. Направление силы можно найти с помощью правила, а именно правила левой руки Флеминга. Рабочая схема двигателя постоянного тока показана ниже.

Работа двигателя постоянного тока

Роль коммутатора в двигателе постоянного тока очень важна. Когда катушка вращается, она не может развивать однонаправленный крутящий момент, потому что действующая сила неравномерна. Ток в катушке на левом конце направлен внутрь, а сила действует вверх по правилу Флеминга. Ток в катушке на правом конце направлен наружу, а сила действует вниз. Эта сила позволяет катушке вращаться по часовой стрелке. Но после половины оборота сила на левом конце будет действовать вниз из-за изменения тока. И сила на правом конце будет действовать вверх из-за изменения тока.

Итак, чтобы развить однонаправленный крутящий момент, сила должна быть равномерной и действовать в одном направлении. Только тогда катушка сможет вращаться по часовой стрелке. Это достигается с помощью коллектора, он состоит из сегментов, прикрепленных к щеткам. Эти сегменты позволяют току в катушке быть в том же направлении, что и раньше. Тогда сила будет непрерывно действовать вверх на левый конец и вниз на правый конец. Это позволяет развивать однонаправленный крутящий момент, который активирует двигатель для непрерывной работы.

Уравнение ЭДС машины постоянного тока

Уравнение ЭДС имеет вид каждый полюс в Вебере

N = скорость ротора в об/мин

A = количество параллельных путей

ЭДС индуцирования в проводниках якоря соответствует закону Фарадея электромагнитной индукции.

где e = скорость изменения потока, e = dФ/dt

Суммарный поток (Ф _T ) или (dФ) = поток, создаваемый отдельным полюсом * количество полюсов Время, необходимое проводнику для совершения одного оборота (дТл) = 60/Н

Подставляя эти значения в ЭДС индукции, получаем

е = Ф * P / 60/Н = Ф * P *N/ 60 для одного провода

e = Ф * P *N *Z / 60*A для проводников «Z» для параллельных путей «A»

Следовательно, уравнение ЭДС задается как e = Ф * P *N * Z / 60*A

Реакция якоря

Противодействие основного магнитного потока развивающемуся потоку якоря называется реакцией якоря. ЭДС индукции возникает при вращении катушки в силовых линиях магнитного поля. Эта индуцированная ЭДС позволяет току течь в обмотке якоря, поскольку обмотка представляет собой замкнутую цепь. Этот ток якоря при дальнейшем взаимодействии с магнитными силовыми линиями создает поток якоря. Этот поток якоря используется для создания реакции якоря. За счет этого создается однонаправленный крутящий момент, который используется для вращения ротора. Реакция арматуры этого типа машин показана на следующем рисунке.

Рассмотрены обе обмотки возбуждения якоря

Имеются определенные недостатки также из-за реакции якоря. Он искажает или ослабляет магнитный поток, что приводит к уменьшению генерируемого напряжения в случае генератора.

Коммутация в машинах постоянного тока

Коммутация – это процесс изменения формы переменного напряжения или тока на однонаправленное напряжение или ток и наоборот.

Он состоит из нескольких сегментов, которые играют решающую роль в этом процессе преобразования. Сегменты коллектора в основном используются в машинах постоянного тока. Он сделан из слюды, которая действует как изоляционный материал между двумя сегментами. Он имеет высокую диэлектрическую прочность и прочность на пробой примерно от 30 до 40 В.

Используются после якоря для сбора тока с обмотки якоря. Любой из сегментов подключен к щеткам, которые используются для сбора тока от этих сегментов. Сегменты коллектора со щетками показаны на рисунке ниже.

Сегменты коллектора в машинах постоянного тока

Сегменты коммутатора этого типа помогают избежать скручивания проводов при вращении ротора.

В генераторе постоянного тока коммутатор используется для преобразования генерируемого переменного напряжения или тока в однонаправленное напряжение или ток.

В двигателе постоянного тока сегменты коллектора играют ключевую роль в создании однонаправленного крутящего момента. Эти сегменты используются для изменения тока в катушке, так что создается однонаправленный крутящий момент. И двигатель способен вращаться по часовой стрелке.

Потери в машине постоянного тока

В машине есть три типа потерь. Это

потери в меди, потери в железе и паразитные потери.

• Потери в меди подразделяются на три потери в якоре, шунтирующие и последовательные потери в меди.
• Потери в железе подразделяются на две категории: потери на вихревые токи и потери на гистерезис.
• Бродячие потери подразделяются на две части: одна из них — трение, а другая — ветер.

Ниже приведен рисунок, поясняющий классификацию потерь в машине.

Потери в машинах постоянного тока

Применение

• Они используются в различных устройствах, таких как токарные станки, вентиляторы, воздуходувки, воздушные компрессоры, электрическая тяга, краны, лифты и пылесосы.

В этой статье дается обзор машины постоянного тока. Это устройство, которое используется для преобразования ME в EE или EE в ME в зависимости от его конструкции и работы. Он действует как генератор, когда катушка вращается в магнитном поле, и действует как двигатель, когда на обмотку ротора подается постоянный ток и она помещается в магнитное поле. В приведенных выше данных это также включает конструкцию, уравнение ЭДС, рабочие потери и приложения. Вот вопрос к вам, в чем разница между генератором и двигателем?

ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА | Electrical4u

ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА

В повседневной жизни мы сталкиваемся со многими общепринятыми терминами, такими как генераторы постоянного тока, двигатели и т. д. Эти устройства называются машинами постоянного тока. Либо преобразует электрическую энергию в механическую, либо механическую энергию в электрическую.

Устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую энергию прямого типа, называется генератором постоянного тока. Устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую, называется двигателем постоянного тока.

Здесь мы увидим только генератор постоянного тока.

Принцип работы генератора постоянного тока заключается в том, что всякий раз, когда проводник пересекает линии магнитного потока, в нем индуцируется ЭДС, которая генерирует синусоидальный ток.

Конструкция машины постоянного тока

Машина постоянного тока, состоящая из двух основных частей: неподвижной части и вращающейся части

Неподвижные части: ярмо, стержни и щетки. Вращающимися частями являются якорь, коллектор и подшипники.

Хомут

Ярмо — это внешняя рама машины постоянного тока. Он состоит из магнитного материала, называемого чугуном.

Полюс

Каждая машина имеет четное число полюсов, разделенных на три части: полюсный сердечник, полюсные башмаки, обмотка возбуждения.

Арматура

Имеет цилиндрическую форму и закреплена на круглом валу. Якорь — это часть машины, которая вращается по окружности.

Коллектор

Представляет собой цилиндрический корпус, насаженный на вал вместе с якорем, образуя единый корпус. Следовательно, коллектор вращается вместе с якорем.

Щетки

Щетки изготовлены из углерода и закреплены на коллекторе, они неподвижны и не вращаются. Цепь внешней нагрузки подключается через эти щетки.

Подшипник

Основная функция подшипника – поддерживать вращающуюся часть и обеспечивать ее плавное движение с минимальным трением.

                                       

Принцип действия

Генератор постоянного тока работает по законам электромагнитной индукции Фарадея, в нем говорится, что когда проводник пересекает линии магнитного потока, в нем индуцируется ЭДС. Эта ЭДС индукции определяется правилом правой руки Флеминга.

Для генераторов постоянного тока мы применяем правило правой руки Флеминга, так как нам нужно узнать ток.

Для двигателей постоянного тока мы используем правило левой руки Флеминга, так как нам нужно найти движение.

Правильное правило Флеминга гласит, что три пальца, большой, указательный и средний, выведены на аутсорсинг, так что они взаимно перпендикулярны друг другу. Указательный палец должен указывать направление магнитного поля. Большой палец указывает направление движения проводника. Средний палец указывает направление ЭДС, наведенной в проводнике.

 

ЭДС индукции, определяемая уравнением

ɵ = угол между направлением движения проводника и магнитным полем.

Устройство генератора постоянного тока

                                цепь подключена.

Всякий раз, когда проводники пересекают линии магнитного потока, индуцируется ЭДС, вызывающая протекание тока через цепь нагрузки, когда проводник достигает вертикального положения и вращается по часовой стрелке. Мы получаем максимальный ток, непрерывное движение достигает своего положения на 180°, ток мгновенно становится «0».

 

ɵ = Blvsin ɵ

Emax = Bmax, Bmax= 0 мгновенный

Этот поворот от 0° до 180° дает положительную половину генерируемого переменного тока.

Когда AB достигает вертикального значения 270°

Мы снова получаем максимальный ток, процесс генерирует непрерывный переменный ток.

Во время положительной половины проводник AB касается щеток B1. Таким образом, B1 приобретают положительный заряд во время положительного цикла на выходе. Когда AB касается щетки B2, B2 приобретает положительный заряд и обеспечивает положительное усиление цикла.

 

 

Коммутатор сконструирован таким образом, что ток в каждом цикле будет течь в цепь только при положительном выходе.

Уравнение ЭДС для генератора постоянного тока:

Eg = PɸN/60 * Z/A

P = количество полюсов генератора N = скорость диаметра в об/мин

Z = общее количество проводников якоря

A = количество параллельных путей, на которые делится общее количество проводников.

Символическое изображение генератора постоянного тока

Генераторы постоянного тока делятся на два типа

• С раздельным возбуждением
• Самовозбуждающийся

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от внешнего отдельного источника постоянного тока.