Электрические машины постоянного тока. Принцип действия машин постоянного тока

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

На добавочные полюсы насажены обмотки . 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 , 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 вращается барабанный якорь , 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 . Выводы обмотки якоря соединены с коллектором , который закреплен на валу. К коллектору с помощью пружин прижимаются щетки , 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 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 , где − диаметр якоря; − число пар полюсов. Например, при период соответствует одному обороту якоря, при − повороту якоря на оборота и т. д.

Для увеличения ЭДС генератора целесообразно отдельные проводники якоря соединять таким образом, чтобы их ЭДС складывалась. Для этого необходимо соединить последовательно конец проводника, расположенного в зоне одного полюса, с концом проводника, расположенного в зоне полюса противоположной полярности. На рисунке 2 условно изображена двухполюсная машина постоянного тока, ЭДС якоря которой равна ЭДС любой из параллельных ветвей. Обмотка якоря состоит из отдельных секций, каждая из которых состоит из одного или нескольких витков. Концы секции присоединяют к каждой паре соседних коллекторных пластин, стороны же каждой секции располагают под полюсами различной полярности на расстоянии, примерно равном полюсному делению (дуга окружности якоря между осями соседних полюсов). Лишь при этом условии наводимые в проводниках ЭДС будут складываться. Все секции между собой соединяют через коллекторные пластины.

Для получения во внешней цепи тока одного направления электрическую машину снабжают коллектором и прижимающимися к его поверхности неподвижными щетками. С помощью этих щеток, имеющих постоянную полярность, внешняя цепь присоединяется к обмотке якоря и в нее подается ток одного направления − постоянный ток. Если к щеткам подключить сопротивление нагрузки , то через него будет проходить постоянный ток , направление которого определяется направлением ЭДС , причем этот ток, проходя через обмотку якоря, разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям (ток ). Для того чтобы полностью использовать ЭДС обмотки якоря, щетки необходимо размещать на геометрической нейтрали, так как при таком положении щеток ЭДС параллельной ветви будет наибольшей. В отсутствие внешней нагрузки к щеткам в этом случае будет приложено практически постоянное напряжение , равное . Напряжение имеет и переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. Если щетки сместить с геометрической нейтрали, то ЭДС в параллельной ветви уменьшится, так как в одной и той же параллельной ветви окажутся проводники с противоположным направлением ЭДС. В предельном случае, когда щетки расположатся по оси полюсов, ЭДС якоря будет равна нулю, так как в этом случае в каждой параллельной ветви будет столько проводников с противоположным направлением ЭДС, что их сумма окажется равной нулю.

Благодаря наличию щеток напряжение на зажимах машины постоянно, несмотря на то, что в каждом проводнике обмотки якоря индуцируется переменная ЭДС. Действительно, если одна щетка соединена с проводниками, расположенными под северным полюсом, а другая − с проводниками, расположенными под южным полюсом, то напряжение на щетках будет всегда неизменным по направлению.

Обмотку якоря выполняют замкнутой и симметричной. Если обмотка якоря отключена от внешней нагрузки, то ток по ней не проходит, так как ЭДС, индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.

Если в генераторном режиме работы машины коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками необходимы для выпрямления переменной ЭДС обмотки якоря, то в двигательном режиме коллектор со щетками позволяют обеспечить непрерывность вращения машины, так как на проводники якоря действует электромагнитная сила одного и того же направления. В самом деле, если проводник обмотки якоря переходит из области действия одного полюса в область действия другого полюса, то одновременно коллектор со щетками осуществляют изменение тока в проводнике, в результате чего направление вращающего момента остается неизменным.

ПРИМЕНЕНИЕ. В первичных источниках питания радиоустройств часто применяют генератор постоянного тока с параллельным возбуждением. Удобство его заключается в том, что он очень хорошо работает в nape c аккумуляторной батареей. Так, аккумуляторная батарея на самолете необходима для обеспечения работоспособности радиоустройств и электротехнических устройств при отказе основного двигателя. В аккумуляторной батарее запасается электрическая энергия, необходимая для приведения действие аварийной аппаратуры и устройств..

В нормальном режиме аккумуляторная батарея сглаживает нагрузку генератора. При малых нагрузках она подзаряжается и тем самым нагружает генератор, а при больших подключается параллельно генератору и разгружает его.

Двигатели постоянного тока применяют и для приведения в действие различных механизмов в системах автоматики, обеспечивающих работу радиоустройств. Применяют их и в аналоговых вычислительных устройствах.

Широкий диапазон изменения частоты двигателя с последовательным возбуждением хорошо используется в установках электрической тяги. Малая его скорость под большой нагрузкой и значительный пусковой момент позволяют избежать применения коробки передач, необходимой для редуцирования оборотов прочих двигателей.

Серьезным недостатком машин постоянного тока является значительный уровень радиопомех. Искрение под щетками, возникающее при переходе их с одной пластины коллектора на другую, и ряд других явлений приводят к появлению в сети интенсивных высокочастотных составляющих напряжения с весьма широким спектром. Эти составляющие напряжения и создают помехи радиоприему. Для уменьшения уровня помех каждую из машин постоянного тока включают в сеть через довольно сложный фильтр.

Двигатели постоянного тока небольшой мощности могут работать и от сети переменного напряжения промышленной частоты, обеспечивая при этом меньший момент на валу. Такая универсальность двигателя постоянного тока связана с тем, что при одновременном изменении направления тока возбуждения и направления тока якоря не меняется направление вращения последнего. Такие двигатели широко применяют в бытовых электроприборах.