Электрические машины. Электрические машины постоянного тока. Основные области применения машин постоянного тока. Электрические машины переменного тока. Асинхронные машины

12 Электрические машины

12.2 Электрические машины постоянного тока

Машины постоянного тока, как двигатели, так и генераторы, устроены одинаково (рисунок 12.1). Их основными частями являются статор с магнитными полюсами (главными 2 и добавочными 5) и ротор. На главных полюсах статора расположена обмотка возбуждения 3, через которую проходит постоянный ток I_В, создающий магнитное поле возбуждения Ф_в. На роторе расположена обмотка, в которой при его вращении наводится ЭДС, поэтому ротор машины постоянного тока является якорем. Детали машины крепятся на станине 1.

На добавочные полюсы насажены обмотки 6. Главные полюсы изготовляют шихтованными, т. е. набирают из штампованных листов электротехнической стали, что позволяет уменьшить потери, возникающие от вихревых токов. Поверхность основного полюса, обращенная к якорю, расширяется и образует наконечник 4, форма которого подбирается таким образом, чтобы по большей части окружности якоря получался один и тот же воздушный зазор между основными полюсами и сердечником якоря, в результате чего получается одинаковая магнитная индукция по окружности якоря, а в проводниках якоря наводится постоянная  ЭДС. Дополнительные полюсы устанавливают в машинах мощностью  свыше 1 кВт. Их располагают между основными полюсами по линии геометрической нейтрали. С помощью добавочных полюсов уменьшают искрение под щетками. Дополнительные полюсы выполняются массивными, т.е. из монолитного куска  кованой стали, или шихтованными. Так как обмотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, то они имеют, как правило, небольшое число витков относительно большого  сечения,  что  необходимо для уменьшения активного сопротивления. Между полюсами на валу машины 7 вращается барабанный якорь 8, представляющий собой цилиндр, обычно набранный из листов электротехнической стали (для уменьшения потерь мощности от гистерезиса и вихревых токов). Вдоль внешней поверхности цилиндра якоря имеются пазы, в которые укладываются проводники обмотки якоря 9. Выводы обмотки якоря соединены с коллектором 11, который закреплен на валу. К коллектору с помощью пружин прижимаются щетки 10, которые расположены в щеткодержателях, способных смещать щетки на некоторый угол по окружности относительно основных полюсов. Щетки, применяемые в машинах постоянного тока, бывают графитными, угольно-графитными или медно-графитными.

С помощью коллектора и щеток вращающаяся обмотка якоря машины соединяется с внешней электрической цепью. Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со щетками, скользящими по его поверхности, представляют собой механический выпрямитель, т. е. они служат для преобразования переменного тока проводников обмотки якоря генератора в постоянный. В двигательном режиме с помощью коллектора и щеток осуществляется обратное преобразование, т. е. коллектор со щетками можно рассматривать в качестве преобразователя частоты, связывающего сеть постоянного тока с обмоткой якоря, через которую проходит переменный ток.

Принцип действия генераторов постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции. Если якорь вращать первичным двигателем по часовой стрелке (рисунок 12.1), то во всех его проводниках, находящихся в рассматриваемый момент времени в зоне северного полюса, индуцируются ЭДС, направленные, согласно правилу правой руки, от наблюдателя, а в проводниках, находящихся в зоне южного полюса, — направленные к наблюдателю. Следовательно, при заданном направлении вращения якоря направление наведенных ЭДС  в проводниках зависит от того, под каким полюсом находится в данный момент проводник, причем в проводниках, расположенных выше геометрической нейтрали (линии, перпендикулярной оси полюсов), ЭДС всегда направлена в одну сторону, а в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, — в противоположную сторону. Так как машина устроена симметрично, то количество проводников, находящихся под каждым полюсом, будет постоянным, а значит, и суммарная ЭДС, наводимая в них и приходящаяся на один полюс, также постоянна по полярности и примерно одинаковая по значению. Проводники якоря, находящиеся на линии геометрической нейтрали, не пересекают линий магнитного поля, а скользят вдоль них, поэтому ЭДС в них равна нулю.

Магнитный поток главных полюсов, проходящий через сердечник якоря, распределяется в зависимости от магнитного сопротивления на его пути. Для того чтобы магнитная индукция распределялась по полюсам более равномерно и охватывала большую часть поверхности якоря, полюсы машины снабжают полюсными наконечниками. При вращении в каждом проводнике якоря наводится периодическая ЭДС, период которой равен времени движения проводника вдоль двух соседних полюсных делений τ = nD/(2p), где D - диаметр якоря; р - число пар полюсов. Например, при р = 1 период  Т соответствует одному обороту якоря, при р = 2 — повороту якоря на 1/2 оборота и т. д.