Устройство электрических двигателей

Якорь крепится на валу, состоит из сердечника (который является частью магнитопровода машины), обмотки и коллектора. Сердечник якоря, который перемагничивается с частотой  f , собирают из листов электротехнической стали. В пазы сердечника вкладывают секции обмотки якоря. В каждом пазу уложено две части разных секций обмоток, одна поверх другой. Концы обмоток припаивают к соответствующим пластинам коллектора.  Секции могут быть одновитковыми и многовитковыми. Якорь соединен со статором с помощью подшипниковых щитов, а на якоре закрепляются подшипники. Выводы от обмоток возбуждения и якорной группы размещают в клемной коробке. Вся машина крепится к фундаменту с помощью лап. Для охлаждения машины предусмотрены вентиляционные каналы.

Особым конструкционным  компонентом электрических  машин  постоянного тока является коллектор. В основном коллектор изготавливают виде цилиндра, который собран из пластин из твердой меди. Между пластинами размещены изоляционные прокладки из миканита. Над коллектором устанавливают щетки, которые размещаются в щеткодержателях, укрепленных на подшипниковом щите с помощью траверсы. Щетки прижимаются к коллектору с помощью пружин, прижим которых можно регулировать.

                

Рис.4 Устройство электрического  двигателя постоянного тока:

1 – щеткодержатель 

2 – щетки 

3 – коллектор 

4 – якорь 

5 – станина 

6 – обмотка якоря 

7 – сердечник дополнительного  полюса 

8, 9 – катушка и сердечник  главного полюса

 

2.3 Принцип действия электрического двигателя постоянного тока

 

Если обмотку возбуждения  подключить к источнику электрической  энергии, то по обмотке возбуждения  будет протекать электрический  ток. Под действием этого тока будет образовываться основное магнитное  поле электрической машины. С помощью  основных полюсов, в частности наконечников этих полюсов, формируется равномерное  распределение индукции по дуге цилиндрической поверхности ротора. Обмотка возбуждения  вместе с магнитопроводами статора и ротора называется индуктором, т.е. той частью машины, которая образует основное магнитное поле.

В результате взаимодействия магнитного поля обмоток якоря и  магнитного поля полюсов создается  вращающий момент и якорь машины приходит во вращение. Т.о. электрическая энергия преобразовывается в механическую энергию. Момент развиваемый электрическим двигателем вычисляется по формуле: 

M=kFI

где,  M развиваемый момент электрическим двигателем

• магнитный поток эл.дв., Вб.   
• ток обмотки якоря, А

k  конструктивная постоянная машины                                     

При вращении якоря в проводниках  его обмотки индуцируется ЭДС, направление  которой противоположно направлению  тока, поэтому её называют противо-ЭДС или обратной ЭДС. Эта ЭДС играет роль регулятора потребляемой мощности, т.е. изменение потребляемого тока происходит вследствие изменения противо-ЭДС. Приложенное напряжение уравновешивается противо-ЭДС, падением напряжения в обмотке якоря и щеточных контактах. Следовательно:

U=E+IRя

Ток в обмотке якоря  и частота его вращения определяются по формулам:

I= (U-E)/Rя

и,

                   n= (U-IRя)/ (сF) где, с постоянная, определяется конструкцией машины.

Условием установившегося  режима двигателя является равенство  вращающего и тормозного момента. Если вращающий момент, развиваемый двигателем Мэ, уравновешен тормозным моментом Мт, то частота вращения якоря остается постоянной. При нарушении равновесия моментов появляется дополнительный момент, создающий положительное или отрицательное ускорение вращения якоря. Если увеличить нагрузку (тормозной момент на валу двигателя Мт) то равновесие моментов нарушится (Мэ<Мт) и частота вращения якоря начнется уменьшаться. При этом уменьшается противо-ЭДС, что вызывает увеличение как тока в якоре, так и вращающего момента двигателя. Изменение частоты вращения, противо-ЭДС и тока в якоре происходит до восстановления равновесия моментов, т.е. до тех пор пока вращающий момент не окажется вновь равным тормозному моменту на валу двигателя.

Если равновесие моментов не восстанавливается и тормозной  момент остается всегда больше вращающегося момента   (Мт >Мэ), то частота вращения уменьшается непрерывно до остановки двигателя. Такие случаи могут возникать при больших тормозных моментах на валу и значительных понижениях напряжения в сети.

При уменьшении нагрузки на валу двигателя  (Мэ>Мт) вращение якоря начнет ускоряться, что вызовет увеличение противо-ЭДС в его обмотке. Ток в обмотке якоря уменьшится и снизится вращающий момент двигателя. Изменение частоты, противо-ЭДС и тока в якоре будет протекать также до восстановления равновесия моментов (Мэ=Мт).

Однако в электрических  двигателях постоянного тока  сравнительно часто создаются условия, при  которых равновесие моментов не восстанавливается  при любом изменении частоты, так что вращающий момент всегда остается больше тормозного момента  на валу двигателя (Мэ>Мт). В таких случаях частота вращения якоря непрерывно увеличивается, теоретически стремясь к бесконечности. Практически при значительном превышении номинальной частоты машина разрушается --- разрываются бандажи, скрепляющие лобовые соединения обмотки, проводники обмотки выходят из пазов и т.д. Такой аварийный режим называется разносом двигателя.

Направление вращения якоря  эл.двигателя постоянного тока зависит от полярности полюсов и от направления тока в проводниках обмотки якоря. Т.о. для реверсирования двигателя, т.е. для изменения направления вращения якоря, нужно либо изменить полярность полюсов, переключив обмотку возбуждения, либо изменить направление тока в обмотке якоря.

Обмотка возбуждения обладает значительной индуктивностью и переключение ее нежелательно. Поэтому реверсирование двигателей постоянного тока обычно производится переключением обмотки  якоря.

 

 

 

 

2.4 Магнитное поле электрических машин постоянного тока

 

Магнитное поле электрических  машин постоянного тока состоит  из двух частей: основного магнитного поля и магнитного поля якоря. Ток  Iв,  который протекает по обмотке возбуждения с  числом витков wв, образует магнитодвижущую силу (МДС) обмотки В.

Fв=Iвwв

Под действием магнитодвижущей  силы образуется магнитный поток Фо основного магнитного поля, который замыкается через основные полюса, магнитопровод  статора и ротора и дважды пересекает воздушный зазор. Магнитный поток Фо основного поля вычисляют по закону Ома для магнитной цепи:

 

 

где, Rб – воздушные зазоры, Rп – основные полюса, Rс – сопротивление статора, Rр – сопротивление ротора. Fп – магнитодвижущая сила обмотки одного полюса, которая связана с МДС возбуждения зависимостью:

Fв=2Fп

Чтобы уменьшить пульсацию, необходимо распределить  индукцию основного магнитного поля в воздушном  зазоре как можно равномернее. Это  достигается путем выбора формы наконечника основного полюса.

Магнитное поле якоря возбуждает проводники с током обмотки якоря, распределение которых вдоль  дуги поверхности ротора равномерное. Влияние магнитного поля якоря на основное магнитное поле машины называется реакцией якоря. Реакция якоря имеет негативное влияние на работу машины  постоянного тока:

    искажается равномерное  распределение магнитной индукции  вдоль дуги зазора

    Вследствие насыщения магнитопровода уменьшается основной магнитный поток

 Чтобы уменьшить негативное  влияние реакции якоря, применяют:          

-- компенсационную обмотку. Компенсационная обмотка включается последовательно с обмоткой якоря, пропуская по ней ток якоря. Магнитный поток якоря и компенсационной обмотки возбуждаются одним и тем же током и направлены встречно. Таким образом происходит компенсация негативного влияния реакции якоря.                                                                                    

-- дополнительные полюса. Обмотку дополнительного полюса включают      последовательно с обмоткой якоря, поэтому магнитное дополнительных полюсов зависит от тока якоря. Дополнительные полюса размещают так, чтобы магнитное поле якоря и дополнительных полюсов были противоположными друг другу и таким образом компенсировалось влияние реакции якоря.

 

 

2.5 Электромагнитный момент машины постоянного тока

 

Сила Ампера –  это взаимодействие, а также сила взаимодействия любого магнитного поля на проводник с током.

 

На каждый проводник длинной L обмотки якоря с током Iа, который находится в магнитном поле с индукцией В, действует сила Ампера, значение которой равняется:

Fi=BIaL

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки.

Момент силы Ампера одного проводника, который лежит в пазу ротора диаметром D, равняется:

M=NM1=NBIaL(D/2)

 

Преобразуя формулу можно  получить:

М=СмФоIя

где, Фо  -- магнитный поток      Iя  -- поток якоря См  -- конструктивная постоянная двигателя, которая вычисляется по формуле

См=рN/2pa

Ток якоря вычисляется:

Ея – электродвижущая сила якоря Rя – сопротивление обмотки якоря

 

U – приложенное напряжение

 

 

 

2.6 Способы возбуждения основного магнитного поля машин постоянного тока

 

Основное магнитное поле машины образуется током в обмотке  возбуждения. В зависимости от того как включается обмотка, различают  такие способы возбуждения (Рис.5):

независимое, в котором обмотка возбуждения питается от независимого источника питания (рисунок А);

параллельное, в котором обмотка возбуждения включается параллельно обмотке якоря (рисунок Б);

последовательное, в котором обмотка возбуждения и обмотка якоря включены последовательно (рисунок В);

смешанное, с параллельной и последовательной обмоткой возбуждения (рисунок Г);

 

Рис.5

 

Кроме того, электрические  машины постоянного тока могут возбуждаться постоянными магнитами. Начала и  концы обмоток возбуждения, согласно стандартам, обозначаются так:

обмотка якоря                                                –Я1;Я2

обмотка дополнительных полюсов             – Д1;Д2

компенсационная обмотка                           – К1;К2

обмотка возбуждения независимая             – М1;М2

обмотка возбуждения параллельная           –Ш1;Ш2

обмотка возбуждения последовательная    – С1;С2

 

 

2.7 Потери и кпд машин постоянного тока

 

В машинах постоянного  тока при работе происходят потери энергии, которые складываются из трех составляющих.

Первой составляющей являются потери в стали Рст на гистерезис и на вихревые токи, возникающие в сердечнике якоря. При вращении якоря машины сталь его сердечника непрерывно перемагничивается. На её перемагничивание затрачивается мощность, называемая потерями на гистерезис. Одновременно при  вращение якоря в магнитном поле в сердечнике его индуцируются вихревые токи. Потери на гистерезис и на вихревые токи, называемые потерями в стали, обращаются в теплоту и нагревают сердечник якоря.

Потери в стали зависят  от магнитной индукции и частоты  перемагничивания сердечника якоря. Магнитная  индукция определяет эдс машины или, иначе, напряжение, а частота перемагничивания зависит от частоты вращения якоря. Поэтому при работе машины постоянного  тока в режиме генератора или двигателя  потери в стали будут постоянными, не зависящими от нагрузки, если напряжение на зажимах якоря и частота  его вращения постоянны.

Ко второй составляющей относятся потери энергии на нагревание проводов обмотки возбуждения и якоря проходящими по ним токами, называемые потерями в меди, — Роб.  Потери в обмотке якоря и в щеточных контактах зависит от тока в якоре, т.е. являются переменными — меняются при изменении нагрузки.

Третья составляющая — механические потери Рмех, представляющие собой потери энергии на трение в подшипниках, трение вращающихся частей о воздух и щеток о коллектор. Эти потери зависят от частоты вращения якоря машины. Поэтому механические потери также постоянны и не зависят от нагрузки.

Кпд машины в процентах h=Р2/Р1·100%, где Р2 — полезная мощность, Р1 — потребляемая машиной мощность.

При работе машины в режиме двигателя потребляемая мощность Р1=I, полезная мощность Р2=UI-Рст-Роб-Рмех;

 

 

 

 

3  Универсальные коллекторные двигатели

 

Принципиально любой двигатель  постоянного тока может работать от сети переменного тока, так как  развиваемый двигателем вращающий  момент, зависящий от произведения тока в якоре и магнитного поля полюсов, не меняет направления при  одновременном изменении направления  тока в якоре и магнитного потока полюсов.

Для создания достаточно большого вращающего момента необходима одновременность  изменения направления тока в  якоре и магнитного потока полюсов, т.е. совпадение по фазе тока в якоре  и магнитного потока полюсов. В двигателе  последовательного возбуждения  ток в якоре является одновременно и током возбуждения. Пренебрегая  углом сдвига фаз между током  возбуждения и магнитным потоком, можно считать их изменения одновременными.

При малых мощностях коллекторные двигатели делают универсальными, т.е. предназначенными для работы как  от сети переменного, так и от сети постоянного тока. Такие  двигатели  обычно выполняют без компенсационной  обмотки. При работе от сети постоянного  тока двигатель включается зажимами «0» и «—» (см. рис.6), а при работе от сети переменного тока — зажимами «0» и «1». Таким образом, при работе на переменном токе число витков обмотки возбуждения значительно меньше, чем при работе на постоянном токе, так что коэффициент мощности оказывается сравнительно высоким, несмотря на отсутствие компенсационной обмотки.