Устройство, принцип действия и классификация электрических машин постоянного тока и машин переменного тока. Способы получения магнитного поля возбуждения в электрических машинах

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА И КОНСТРУКЦИИ ИХ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ И ДЕТАЛЕЙ
Электротехническая промышленность выпускает электрические машины постоянного тока большой номенклатуры по мощности и конструктивному исполнению, поэтому несмотря на некоторые различия в конструкции отдельных сборочных единиц и деталей, их устройство одинаково. Основным типом машины постоянного тока является коллекторная, отличительным признаком которой служит наличие коллектора на валу якоря машины. На статоре машины помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения имеются добавочные полюса.
Электрическая машина постоянного тока (рис. 100) состоит из статора, якоря, коллектора, щеточного аппарата и подшипниковых щитов.
Статор состоит из станины б, главных полюсов 4 и добавочных полюсов (на рисунке не показаны) с соответствующими катушками. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является часть о магнитной цепи, поскольку через нее замыкается магнитный поток машины. Поэтому станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. По окружности станины расположены отверстия для крепления полюсов.
Главные полюса (рис. 101) выполняют шихтованными из стальных штампованных листов стали толщиной 1 или 2 мм, а добавочные — массивными или также шихторанными. Стальные листы сердечника 2 полюсов спрессованы и скреплены заклепками 4, головки которых утоплены в нажимные щеки 5, установленные на торцах каждого полюса.

Рис. 100. Устройство электрической машины постоянного тока:
1 — коллектор, 2 — щетки, 3 и 9 — сердечник и обмотка якоря, 4 — главный полюс, 5 — катушка обмотки возбуждения, б — станина (корпус) 7 — подшипниковый щит, 8 — вентилятор, 10 — вал -

Рис. 101. Главные полюса электрической машины постоянного тока и способы их крепления:
а — болтом, б — стержнем; 1 - полюсный наконечник, 2 — сердечник полюса, 3 — болт крепления сердечника, 4 — заклепка, 5 — нажимные щеки, б — установочный стержень

. Рис. 102. Катушки полюсов
а — главного, б — добавочного; 1 — катушка обмотки, 2 и 4 — главный и добавочный полюса» 3 — опорный угольник, 5 — обмотка

Шихтованными могут изготовляться только наконечники главных полюсов, так как при вращении зубчатого якоря из-за пульсации магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и потери мощности. Однако исходя из технологического добавочного полюса удобства изготовления полюсов их обычно делают шихтованными.
Полюса крепят к станине болтами: нарезку резьбы для болтов выполняют непосредственно в шихтованном сердечнике 2 полюса (рис. 10 1, а) либо в массивных стальных стержнях б" (рис. 101,6), вставленных в выштампованные отверстия в полюсах.
Магнитное поле в машине создается намагничивающей силой обмотки возбуждения, выполняемой в виде полюсных катушек, надетых на сердечники главных полюсов. Для уменьшения искрения под щетками и предупреждения таким образом подгара пластин коллектора и образования на его поверхности «кругового огня» машина снабжена добавочными полюсами с катушками, установленными на их сердечниках. Добавочные полюса размещают между главными полюсами и крепят к станине болтами.
Катушки главных и добавочных полюсов (рис 102, а, б) изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения.

Рис. 103. Сердечник якоря машины постоянного тока:
1 — вал, 2 — обмоткодержатель, 3 — выточки для наложения, бандажа, 4 — место посадки коллектора на валу
Катушки добавочных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря, поэтому сечение их проводов рассчитано на рабочий ток машины. В некоторых мощных машинах постоянного тока обмотку полюса выполняют из нескольких секций с установкой между ними дистанционных шайб из изоляционных материалов, образующих вентиляционные каналы.
Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник, якоря (рис. 103) собран из штампованных листов электротехнической стали (рис. 104) с выштампованными в них вырезами определенной формы, образующими в собранном сердечнике пазы для укладки в них обмотки якоря. Листы сердечника обычно изолированы с двух сторон тонкой пленкой лака, но могут быть и оксидированы. Собранные в общий пакет листы образуют сердечник, насаженный на вал якоря и закрепленный на нем с помощью нажимных шайб. Такая конструкция позволяет уменьшить потери энергии в сердечнике от действия вихревых токов, возникающих в результате его перемагничивания при вращении якоря в магнитном поле. Для лучшего охлаждения машины в сердечниках якоря обычно имеются вентиляционные каналы для охлаждающего воздуха. Сердечник, в пазы которого уложена секция обмотки якоря, показан на рис. 105.
Обмотка якоря выполняется из медных проводов круглого или прямоугольного сечения и состоит из заранее заготовленных секций, концы которых припаивают к петушкам пластин коллектору. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны различных якорных катушек,— одну поверх другой. Для прочного закрепления проводов обмотки якоря в пазах используют деревянные, гетинаксовые или текстолитовые клинья. Деревянные клинья, широко применявшиеся в электродвигателях старых конструкций, не обеспечивают надежного крепления обмотки в пазах сердечника, поскольку при высыхании настолько уменьшаются в объеме, что могут выпасть из паза. В некоторых Конструкциях машин пазы не расклинивают, а обмотку крепят бандажом.

Рис. 105. Расположение секций обмотки якоря в пазах сердечника

Рис. 104. Стальной лист сердечника якоря:
1 — зубец листа, 2 — изоляция, 3 — паз
Бандаж выполняют из немагнитной стальной проволоки, наматываемой с предварительным натяжением. Лобовые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателю также при помощи бандажа. В современных машинах для бандажирования якорей используют стеклоленту.
Коллектор машины постоянного тока собран из клинообразных пластин холоднокатаной меди, изолированных друг от друга прокладками из коллекторного миканита. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в форме «ласточкина хвоста», служащие для закрепления медных пластин и миканитовой изоляции.
По способу закрепления комплекта медных и миканитовых пластин различают коллекторы на пластмассе (рис. 106,а) и со Стальными нажимными конусами и втулкой (рис. 106,5). Коллекторы крепятся нажимными конусами двумя способами: при одном их них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность «ласточкина хвоста», а при другом — на «ласточкин хвост» и конец пластины, при этом пластины закрепляются враспор.
Коллекторы первым способом крепления называют арочными, а вторым способом — клиновыми. Чаще всего применяют арочные коллекторы, поскольку при ослаблении давления между их пластинами из-за усадки межпластинной миканитовой изоляций эти коллекторы можно предпрессовывать, восстанавливая таким образом необходимое сжатие пластин и прочность коллекторов.

Рис. 106. Коллекторы электрических машин:
а — на пластмассе, б — с нажимными конусами; / и 7 — пластины коллектора, 2 - пластмасса, 3 и 11 — втулки, 4 — нажимной конус, 5 — гайка, 6 и 10 — манжеты, 8 — изолирующий цилиндр, 9 — шнур, /2— балансировочный груз
Щеточный аппарат (рис. 107) состоит из траверсы, щеточных пальцев и щеткодержателей. Траверса (рис. 107, а) служит для крепления на ее щеточных пальцах щеткодержателей (рис. 107, б, в, г), создающих необходимую электрическую цепь. Щеткодержатель состоит из обоймы и нажимного устройства, обеспечивающего прилегание щетки к коллектору с необходимым усилием. Давление (0,02 — 0,04 МПа) на щетку должно быть отрегулировано так, чтобы был плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором.
В машинах постоянного тока применяют щеткодержатели двух типов: радиальные, у которых ось щетки совпадает с продолжением радиуса коллектора, (см. рис. 107,5, в), и реактивные, у которых ось щетки расположена под углом к продолжению радиуса коллектора в сторону его вращения (см. рис. 107, г).
Щетка (рис. 108) представляет собой прямоугольный брусок из композиций, выполненных на основе графита. Она снабжена гибким медным канатиком 7, один конец которого заармирован в щетку, а другой свободный — снабжен наконечником 2 для присоединения к щеточному аппарату. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами, подключенными к выводам машины.

Рис. 107. Щеточный аппарат электрических машин постоянного тока:
а — траверса, б и в — радиальные щеткодержатели, г — реактивный щеткодержатель; 1 — пальцы (бракеты), 2 — рычаг, 5, 8 и 15 — пружины, 4 — корпус, 5 и 11 — щетки, б - обойма, 7 - фарфоровый наконечник, 9 — хомутик, 10 — штифт, 12 — стенка обоймы, 13 — храповик, 14 — колечко пружины
Применяемые в машинах постоянного тока щетки имеют маркировку, характеризующую их состав и физические свойства. Щетки, используемые в машинах общепромышленного назначения, подразделяются на три основные группы: графитные, угольно-графитные и медно-графитные. В целях нормальной работы и продления срока службы коллектора следует применять для каждой машины щетки только той марки, которая определена заводом-изготовителем с учетом мощности, конструкции, условий работы и электрической характеристики машины.
Подшипниковые щиты электрических машин служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также - опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.

Рис. 108. Щетки:
а — машин малой и средней мощности, б — машин большой мощности; 1 — щеточный канатик, 2 — наконечник
В электрических машинах постоянного тока применяют различные подшипниковые щиты, отличающиеся друг от друга формой, размером и материалом, из которого они изготовлены. Однако несмотря на большое разнообразие конструкций подшипников щиты можно разделить по назначению на два основных вида: обычные и фланцевые для установки и крепления непосредственно на исполнительном механизме.
В ряде случаев электрические машины постоянного тока могут иметь комбинированную систему крепления (рис. 109), т. е. станину с лапами для установки и крепления на Опорной конструкции и одновременно фланцевый подшипниковый щит для крепления на исполнительном механизме.

Рис. 109. Электрическая машина со станиной для крепления на опорной конструкции и подшипниковым щитом для крепления на исполнительном механизме:
1 - возбудитель, 2 и 4 г- передний и задний подшипниковые щиты, 3 — станина, 5 — зубчатая шестеренка

Подшипниковые щиты электрических машин постоянного тока изготовляют методом литья (преимущественно из стали, реже из чугуна и сплавов алюминия), а также сварки или штамповки. В центре щита имеется расточка под подшипник, в которой устанавливают шариковый или роликовый подшипник качения. В мощных машинах постоянного тока в ряде случаев используют подшипники скольжения.

При нагрузке результирующий магнитный поток в машине определяется совместным действием МДС обмотки возбуждения и МДС обмотки якоря. Влияние поля якоря на поле возбуждения, так же как и в синхронных машинах, называют реакцией якоря. Картину магнитного поля при нагрузке можно получить, используя принцип наложения (рис. 6.9). При холостом ходе магнитное поле действует по оси полюсов (рис. 6.9, а). Характер распределения этого поля в воздушном зазоре определяется размерами и конфигурацией полюсных наконечников. Магнитное поле реакции якоря зависит от положения щеток. Если щетки установлены на геометрической нейтрали, то поле реакции якоря действует по поперечной оси (рис. 6.9, б). Это поле усиливает результирующее поле под одним краем полюса и ослабляет под другим. Вследствие эт ого ось результирующего поля поворачивается в генераторном режиме по направлению вращения якоря, а в двигательном - против направления вращения якоря (рис. 6.9, в). Линия , перпендикулярная оси результирующего магнитного поля, называется физической нейтралью. Если щетки сдвинуть с геометрической нейтрали , то наряду с МДС поперечной реакции якоря возникает МДС продольной реакции (рис. 6.10). Характер продольной реакции якоря зависит от направления сдвига щеток по отношению к направлению вращения якоря. Например, при сдвиге щеток на угол a по направлению вращения двигателя продольная реакция носит намагничивающий характер (рис. 6.10, б), а против направления вращения - размагничивающий (рис. 6.10, а). Направление поперечной реакции якоря не зависит от положения щеток. Количественный учет влияния поля реакции якоря на результирующее поле производится на основе расчета магнитной цепи машины. С этой целью зубчатый якорь приводится к гладкому с равномерно распределенным по окружности якоря слоем проводников (рис. 6.11). Пусть N - общее число проводников обмотки якоря, а - ток в одном проводнике. Тогда МДС распределенной обмотки якоря в функции координаты x можно представить в виде линейного уравнения , где - линейная нагрузка якоря; - диаметр якоря. Наклон зависимости меняется при изменении направления тока в проводниках якоря. Максимальная МДС . В общем случае при сдвиге щеток с геометрической нейтрали продольная и поперечная составляющие МДС реакции якоря имеют форму трапеций. При небольшом смещении щеток с геометрической нейтрали закон распределения МДС продольной реакции якоря можно принять прямоугольным аналогично закону распределения МДС обмотки возбуждения , где - смещение щеток относительно нейтрали. Тогда результирующая МДС по продольной оси , где «+» соответствует намагничивающему действию МДС, а «-» - размагничивающему. Результирующей МДС по характеристике холостого хода машины соответствует результирующий поток Ф. Влияние поперечной реакции якоря на результирующее поле машины носит более сложный характер. Закон распределения индукции поля реакции якоря по поперечной оси отличается от закона распределения МДС из-за неравномерности воздушного зазора (рис. 6.12). В зоне полюсов повторяет кривую , а в межполюсном пространстве индукция резко снижается из-за увеличения зазора d. Складывая кривую распределения индукции поля поперечной реакции якоря с кривой распределения индукции в зазоре от тока обмотки возбуждения, получим результирующую кривую . В ненасыщенной машине ослабление поля под одним краем полюса компенсируется его усилением под другим (кривая 2). В этом случае наложение двух полей ведет лишь к искажению магнитного поля, но среднее значение потока под полюсом остается неизменным. В насыщенной машине усиление результирующего поля происходит на меньшую величину, чем его ослабление (кривая 1). Поэтому поперечная реакция якоря уменьшает результирующий поток Ф на величину, пропорциональную заштрихованной площадке каждого полюса. Количественный учет размагничивающего действия поперечной реакции якоря осуществляется графоаналитическим методом. Линии поля поперечной реакции якоря замыкаются через полюсный наконечник, зазор, зубцы и ярмо якоря (рис. 6.9, б). Пренебрегая магнитным напряжением полюсного наконечника, рассчитывают переходную характеристику . По этой характеристике, задавая индукцию , находят МДС возбуждения , которая приходится на зазор, зубцы и ярмо якоря (рис. 6.13). Для определения результирующего поля в зазоре при нагрузке отложим от точки а в обе стороны отрезки , соответствующие МДС поперечной реакции якоря на расстоянии половины расчетной ширины полюсного наконечника (рис. 6.12). Треугольник bea характеризует размагничивающее действие реакции якоря, а треугольник acd - намагничивающее. Площадь треугольника acd меньше площади треугольника bea, поэтому результирующий поток ослабляется. Треугольники bea и acd будем сдвигать вправо до тех пор, пока площади новых треугольников b'e'a и ac'd' не станут равными. Величина смещения характеризует размагничивающее действие поперечной реакции якоря, поэтому результирующая МДС машины постоянного тока при нагрузке определяется выражением .   Основные виды машин переменного тока Машины переменного тока по количеству фаз делятся на много фазные и однофазные. Наиболее часто машины выполняются трехфазными в соответствии с применяемой в энергетических установках системой трехфазного тока. Для автоматических устройств и для бытовых электроприборов применяются двухфазные машины и иногда однофазные. В основе работы многофазных машин и некоторых однофазных лежит образование вращающегося магнитного поля. Каждая машина переменного тока, так же как машина постоянного тока, состоит из статора и ротора. По способу образования магнитного поля статора и ротора машины переменного тока делятся на две группы: асинхронные и синхронные. А. Асинхронная машина. Асинхронной машиной называется машина переменного тока, у которой скорость вращения ротора зависит от нагрузки. Магнитное поле в асинхронной машине создается переменным током обмоток статора и ротора. Скорость вращения ротора отличается от скорости вращения поля. Асинхронные машины делятся на бесколлекторные и коллекторные. Бесколлекторные асинхронные машины являются наиболее распространенными электрическими машинами в народном хозяйстве и применяются главным образом в качестве двигателей. Коллекторные асинхронные машины имеют большее разнообразие характеристик по сравнению с бесколлекторными, используются также в качестве двигателей, но имеют ограниченное применение. Основным типом асинхронной бесколлекторной машины является трехфазный двигатель в двух главных исполнениях: двигатель с фазной обмоткой ротора (рис. 1,а) и двигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора (рис. 1,6). Конструктивные схемы этих машин показаны на рис. 1, где 1 — сердечник статора, собранный из листовой электротехнической стали, 2 — трехфазная обмотка статора, включаемая в сеть переменного тока, 3 — сердечник ротора, 4 — фазная обмотка ротора, 5 — контактные кольца для соединения с пусковым или регулировочным реостатом, 6 — короткозамкнутая обмотка ротора. Рис. 1. Конструктивная схема трехфазного асинхронного двигателя: а — с фазной обмоткой ротора, б — с короткозамкнутой обмоткой ротора Б Синхронная машина. Синхронной машиной называется такая машина переменного тока, скорость вращения ротора которой равна скорости вращения первой гармоники поля статора и определяется Рис. 2. Конструктивная схема трехфазного синхронного генератора частотой / переменного тока в обмотке статора и количеством пар полюсов машины (1) Как правило, магнитное поле в синхронной машине создается обмоткой постоянного тока ротора и обмоткой переменного тока статора. В синхронных машинах малой мощности вместо обмотки постоянного тока на роторе используются постоянные магниты (магни- тоэлектрические синхронные машины) или же магнитное поле создается только переменным током обмотки статора (реактивные синхронные машины). Синхронные машины широко применяются в качестве генераторов трехфазного переменного тока на электростанциях и используются также в качестве электродвигателей. На рис. 2 изображена конструктивная схема трехфазной синхронной машины. Здесь 1 — сердечник статора, 2 — трехфазная обмотка статора, 3 — полюсы ротора с обмоткой постоянного тока, 4 — кольца для соединения обмотки ротора с источником постоянного тока, 5 — вентиляторы. Рис. 3. Основные типы синхронных машин: а — с явнополюсным ротором, б — с неявнополюсным ротором По устройству ротора различают два типа синхронной машины: машина с явнополюсным ротором, в которой катушки обмотки постоянного тока размещены на выступающих полюсах (рис. 3,а) и машина с неявнополюсным ротором, в котором распределенная обмотка постоянного тока уложена в пазы ротора (рис. 3,6). Явнополюсная синхронная машина изготовляется для скорости вращения до 1500 об /мин и используется в качестве генератора или двигателя. Наиболее крупные синхронные машины устанавливаются на гидроэлектростанциях и приводятся во вращение водяными турбинами со скоростью до 300 об/мин. Неявнополюсная синхронная машина используется в основном как генератор на тепловых электростанциях и приводится во вращение паровой турбиной со скоростью обычно 3000 об/мин (при частоте 50 Гц). Общие элементы устройства и теории машин переменного тока Обмотки статора обычно присоединяются к сети переменного тока и создают вращающееся магнитное поле, поэтому устройство этой части асинхронных и синхронных машин получается одинаковым. Сердечник статора изготовляется из листовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм. На внутренней поверхности статора имеются пазы, в которые уложена обмотка. Форма паза зависит главным образом от мощности машины. Рис. 4. Частично открытый паз При мощности до 100 кет и напряжении до 500 в применяются частично открытие пазы (рис. 4). Изоляция обмотки от сердечника обычно трехслойная: два слоя электрокартона и между ними слой лакоткани или синтетической пленки. Общая толщина изоляции 0,3—0,7 мм. Стороны 1 мягких катушек из круглого провода укладывают через открытие 3 паза по одному или по нескольку проводников, затем края изоляции загибают и, таким образом, закрывают каждый паз. Стороны катушки в пазу удерживаются клином 2 из дерева или слоистого пластика. Рис. 5. Частично закрытый паз и изоляция обмотки 1 — прокладка из электрокартона пропитанного, толщиной 0,2 мм, 2 — лента миткалевая впритык, толщиной 0,15 лык, 3 — прокладка из электрокартона, толщиной 0,5 мм, 4— электрокартон пропитанный, толщиной 0,20 мм в 1 слой, 5 — лакоткань черная толщиной 0,3 мм в 1 слой, в — электрокартон пропитанный, толщиной 0,10 мм впритык, 7 — прокладка из электрокартона толщиной 0,2 мм Рис. 6. Открытый паз и изоляция обмотки 1 — прокладка из электрокартона (толщиной 0,5 лик), 2 — прокладка из миканита (толщиной 0,2 лык), 3 — микафолий (9 слоев толщиной 0,25 лш), 4 — электрокартон (1 слой толщиной 0.15 лык), 5 — прокладка из электрокартона толщиной 1,7 лык Частично закрытые пазы (рис. 5) применяются для машин мощностью до 400 кет и напряжением до 500 в. В этом случае каждая катушка состоит из двух полукатушек, намотанных прямоугольным проводом. Полукатушкам придают окончательную форму на специальных шаблонах до укладки в пазы. В машинах большой мощности и при напряжении выше 500 в катушки изготовляются из прямоугольного провода и изолируются до укладки в прямоугольные пазы (рис. 6).

«СОГЛАСОВАНО»