Принцип работы электрических машин постоянного тока

Рассмотрим вращение токопроводящей проволочной рамки в постоянном магнитном поле. Концы этой рамки прикреплены к токопроводящим коллекторным кольцам, которые вращаются вместе с рамкой. В рамке при вращении будет наводиться ЭДС, которая фиксируется вольтметром (или осциллографом), подключаемым к щеткам, которые, в свою очередь, прижимаются к вращающимся коллекторным кольцам. Знаки ЭДС на концах рамки (на щетках) определяются с использованием правила «правой руки».

Заметим, что, когда рамка переворачивается на 180⁰ от первоначального, показанного на рисунке ниже, знак ЭДС меняется на противоположный. Равномерное вращение рамки приводит в выработке переменной. ЭДС. Частота, вырабатываемая ЭДС пропорциональна частоте вращения рамки. Фактически мы получаем синхронный генератор, работа которого будет рассматриваться в разделе «электрические машины переменного тока».

Для получения генератора постоянного тока необходимо изменить конструкцию коллектора. Он выполняется в виде двух полуколец (одного разрезанного по образующим кольца) как показано на рисунке. Здесь же показана форма ЭДС на концах рамки (на щетках). Коллектор в данном случае играет роль выпрямителя.

1

1

2

Рисунок сделан для момента времени t=t_1.

- коллекторные кольца

2

Если теперь к щеткам подвести ток от источника постоянного тока, то появится пара сил (направление сил определяется с использованием правила «левой руки»), и рамка начнет поворачиваться против часовой стрелки. Она проскочит горизонтальное положение, затем снова появится пара сил. В результате мы получаем из прежней конструкции двигатель постоянного тока. Таким образом, машины постоянного тока являются обратимыми машинами. То есть двигатель постоянного тока может выполнять роль генератора постоянного тока и наоборот.

Конструкция машин постоянного тока

Части:

1. Статор.

2. Ротор с коллектором и подшипниками.

3. Крышки, одна из которых со щеточным механизмом.

Рассмотрим подробнее:

· Статор – цилиндр, который собран из металлических шайб (электротехническая сталь). Шайбы специальным образом спекаются в цилиндр, что обеспечивает минимизацию потерь от вихревых токов при изменении магнитного поля. Внутри статора располагаются полюсные наконечники, которые получаю путем фрезерования заготовки статора.

полюсные наконечники (полюса), на которые наматывается обмотка возбуждения(ОВ).

В некоторых машинах полюса выполняются в виде постоянных магнитов. В этом случае обмотка возбуждения не требуется.

P – обозначение пары полюсов

Число пар полюсов влияает на частоту вращения ротора машины.

-полюсное деление – длина дуги, соединяющей одноимённые точки соседних полюсов (например, середины).

Лекция 3

·

· Ротор

Ротор, как и статор, выполняется путем спекания круглых пластин из электротехнической стали.

подшипники

ротор, состоящий из набора пластин электротехнической стали с профрезерованными пазами, в которые укладывается обмотка

коллектор с пластинами, к котрорым прикрепляются концы обмоток, укладываемых в пазы ротора.

Скошенные пазы:

Чтобы уменьшить вибрацию машины, на роторе делают не прямые (по образующей), а скошенные пазы. На принцип работы это не влияет.

Типы обмоток ротора

Различают два типа выполнения обмоток ротора петлевая и волновая.

Петлевая

Используется для машин, рассчитанных на относительно большие токи и относительно небольшие напряжения. Ниже показана развертка, так называемой, простой петлевой обмотки ротора. Для такой обмотки характерным является условие равенства числа полюсов статора (2р) и числа щеток (2а). В рассматриваемом примере 2р=2а=4.

пластины

коллектора

Схема замещения простой петлевой обмотки:

В данной схеме 4 параллельных соединения (по числу щеток).

а – число пар параллельных соединений в петлевой обмотке. (2р=2а) (щёток столько же). Подобная обмотка многополюсных машин обладает относительно малым внутренним сопротивлением (за счет большого числа параллельных соединений) и рассчитана на относительно большие токи.

Волновая

Подобный тип обмотки используется для машин, рассчитанных на относительно небольшие токи и относительно большие напряжения. Ниже показана развертка такой обмотки. Для не характерно равенство 2а=2. То есть при любом числе полюсов число параллельных соединений в схеме замещения всегда равно двум.

2а=2

· Щёточный механизм

На одной из торцевых крышек машины, помимо подшипника вала ротора, закрепляются прямоугольные колодцы из изоляционного материала, в которые погружаются угольно-графитовые щетки. Одной стороной они прижимаются к коллектору за счет сжатой пружины на другом конце щетки. Сжатие этой пружины регулируется специальной пробкой с резьбой, которая вворачивается в корпус направляющего колодца. С этой же стороны на щетке закрепляются гибкие токоподводы, противоположные концы которых прикреплены к наружным зажимам на крышке для внешнего подключения.