Устройство и основные элементы конструкции коллекторной машины постоянного тока
К основным частям машины постоянного тока коллекторного типа относятся статор (неподвижная часть), ротор (вращающаяся часть, которую в машинах постоянного тока обычно называют якорем), разделенные воздушным зазором, и коллектор. На внутренней поверхности статора укреплены полюса, предназначенные для создания в машине магнитного потока. Первоначально это были постоянные магниты, а в 1863 г. Г. Уайльдом было предложено применять электромагниты.
Кольцевой якорь.
Важным этапом в развитии конструкции машины постоянного тока был кольцевой якорь, предложенный А. Пачинотти в 1860 г. для двигателя и независимо от него 3. Граммом в 1870 г. для генератора.
Кольцевой якорь, несущий обмотку, соединенную с коллектором, представляет собой полый цилиндр, собранный из листов электротехнической стали, укрепленный на валу машины.
Обмотка кольцевого якоря состоит из ряда катушек, равномерно расположенных по окружности. Простейший способ образования замкнутой обмотки — это последовательное соединение рядом лежащих катушек. Концы катушек, в замкнутой обмотке общие для двух соседних, присоединены к коллекторным пластинам. На рисунке 258 дан эскиз двухполюсного генератора постоянного тока с кольцевым якорем. Щетки, как это бывает обычно, установлены на нейтральной линии между полюсами.
Рис. 258. Кольцевой якорь.
При принятом направлении вращения по часовой стрелке э. д. с. в активных частях проводников, расположенных в зоне северного полюса, направлена «от нас», в зоне южного полюса — «к нам». Э. д. с. витков соответственно верхней или нижней частей рисунка, складываясь, создают напряжение между щетками.
Часть обмотки, состоящая из витков, идущих друг за другом по схеме, в пределах от одной щетки до следующей составляет параллельную цепь (ветвь). На рисунке 258 таких параллельных ветвей две: 2а = 2, где а — число пар параллельных ветвей.
Рис. 259. Потенциальный многоугольник э. д. с.
Генератор с кольцевым якорем в определенной степени является технически совершенной машиной. Выполняя соответствующее число катушек и витков в каждой катушке, можно получить э. д. с. требуемой величины, пульсация э. д. с. незначительна. Но кольцевому якорю свойственны и определенные недостатки. Поскольку э. д. с. в проводниках наводятся в результате пересечения ими индукционных линий потока в воздушном зазоре, то э. д. с. возникнут только в проводниках, лежащих на наружной поверхности якоря.
Таким образом, кольцевой якорь характеризуется плохим использованием проводникового материала, затраченного на выполнение обмотки. К недостаткам относятся также трудность крепления обмотки и возможность выполнения намотки практически только вручную.
Величина пульсации напряжения, называемой коллекторной, может быть наглядно определена при помощи так называемого потенциального многоугольника э.д.с. якоря. Будем иметь в виду лишь первую гармоническую э.д.с. в витке обмотки, а ширину щетки считать достаточно малой. Изобразим э.д.с. катушек векторами и отложим эти векторы друг за другом под углом, определяемым пространственным сдвигом между катушками. Обойдя две следующие друг за другом параллельные цепи (на рис. 258 это будет обход всей обмотки), получим правильный многоугольник с числом сторон, равным числу катушек на две параллельные ветви (рис. 259). При вращении якоря вращается также и соответствующий его обмотке потенциальный многоугольник э.д.с., но по отношению к неподвижным щеткам картину векторов э.д.с. можно считать как бы «условно застывшей». На щетках будет напряжение, определяемое отрезком внутри многоугольника линии, проходящей через щетки. Как ясно из рисунка, вследствие конечного числа сторон многоугольника напряжение на щетках будет несколько меняться (пульсировать).
Как видно из таблицы 9, достаточно около двадцати коллекторных пластин на две параллельные цепи, чтобы пульсацию можно было считать практически незаметной, что и справедливо для генераторов, питающих электроэнергией промышленные установки. С колебаниями напряжения на коллекторе следует считаться главным образом в установках проводной и радиосвязи, где эти колебания могут создать нежелательные помехи.
Рис. 260. Перенос проводника с внутренней стороны кольца на внешнюю поверхность барабана.
При сдвиге щеток с нейтрали (рис. 258) напряжение между ними уменьшается (имеется в виду холостой ход генератора), так как в этом случае в параллельных цепях в проводниках, расположенных на якоре в зоне угла сдвига щеток, э. д. с. действуют навстречу э. д. с. остальных проводников. В предельном случае, когда положение щеток будет совпадать с осью полюсов, э. д. с. обмотки кольцевого якоря будет равна нулю.
Барабанный якорь был предложен Ф. Гефнер-Альтенеком в 1872 г. Этот якорь выгодно отличался от кольцевого тем, что теперь не только сторона проводника, расположенная на наружной поверхности кольцевого якоря, стала активной, но и та, которая лежит на внутренней стороне кольца. Это было достигнуто вынесением ее на наружную поверхность барабана, на ту его часть, где магнитное поле таково, что э.д.с. сторон витка складываются (рис. 260). На рисунке стороны витка показаны уложенными в пазы, укладка в пазы впервые была применена Венштремом в 1882 г.
Сердечник якоря, вращаясь в магнитном поле, подвергается перемагничиванию. Поэтому для уменьшения потерь от вихревых токов сердечник набирают из отдельных листов электротехнической стали Э1, Э2 толщиной 0,5 мм при нормальной для машин постоянного тока частоте перемагничивания 20—60 гц и из стали Э3 при более высоких частотах. Листы либо насаживают непосредственно на вал, либо набирают на якорную втулку, которую надевают на вал, и изолируют друг от друга слоем лака или бумагой толщиной 0,03—0,05 мм. Иногда изоляцией служит тонкий слой окиси.
В сердечнике якоря в зависимости от выбранной системы вентиляции могут быть аксиальные или радиальные каналы. В последнем случае листы сердечника якоря в осевом направлении собирают отдельными пакетами каждый размером 4—7 см, между которыми оставляют промежутки 0,8—1 см, являющиеся вентиляционными каналами.
На рисунке 261 показан барабанный якорь машины постоянного тока небольшой мощности, там же изображен лист стали сердечника с каналами аксиальной вентиляции.
Рис. 261. Якорь машины постоянного тока (а) и лист стали сердечника (б):
1 — сердечник якоря; 2 — секция обмотки;3 — коллектор.
В листах сердечника якоря равномерно по окружности штампуются пазы, в которых располагается обмотка якоря. Как будет показано далее, форма паза влияет на протекание процесса коммутации, основного физического процесса в коллекторной машине, связанного с переходом секции из одной параллельной ветви в другую.
В этом смысле открытые пазы наиболее благоприятны, поэтому в машинах постоянного тока они получили преимущественное распространение. Но при открытых пазах увеличиваются пульсации индукции кривой поля машины (рис. 108,а). Поэтому при малых диаметрах якоря, когда пульсации проявляются больше, наряду с открытыми пазами применяют пазы полузакрытые. Эскизы пазов были даны на рисунке 85.
Обмотку в пазах кренят при помощи клиньев и бандажей из стальной проволоки, наматываемых поверх якоря.
Коллектор
Рис. 262. Коллектор: 1 — корпус коллектора; 2 — стяжной болт; 3 — нажимное кольцо; 4 — изоляция (миканит); 5-петушки; 6 — пластины; 7 — миканит; 8 — медь.
Коллектор представляет собой одну из ответственных частей машины. Поверхность коллектора должна быть строго цилиндрической, не подверженной каким-либо деформациям, в частности тепловым, несмотря на то, что вследствие трения щеток и потерь в переходном слое между щетками и коллектором нагрев коллектора может быть значительным, и в процессе работы машины на коллекторе в той или иной мере наблюдается искрение. Коллектор изготовляют из медных пластин клинообразного сечения, разделенных прокладками из твердого изоляционного материала (например, миканита) толщиной в прессованном состоянии 0,6—1 мм (рис. 262). Для изготовления коллекторных пластин применяют холоднокатаную медь, обладающую высокой механической прочностью. Для более ответственных коллекторов используют кадмиевую медь. Пластины и прокладки между ними собирают в один цилиндр и при помощи нажимного конуса (кольца) закрепляют на стальном корпусе, от которого они изолированы.
Обмотку якоря с коллектором, если разница их диаметров невелика, соединяют непосредственно теми же проводниками, из которых выполнена обмотка, впаивая концы секций в пластины. При значительной разнице между этими диаметрами концы секций и пластин соединяют при помощи промежуточных звеньев, называемых петушками.
Рис. 263. Щетки.
Рис. 264. Щеткодержатель.
Рис. 265. Щеточная траверса:
1 — щетка. 2 — щеточный болт;3 — изоляция.
Съем тока с коллектора или подвод тока к нему осуществляется щетками посредством скользящего контакта между ними и коллектором. В современных машинах чаще всего используются угольно-графитовые щетки, имеющие форму прямоугольных брусков (рис. 263) шириной по окружности от 5 до 30 мм, длиной в направлении от машины от 5 до 50 мм.
Типичная конструкция щеткодержателя (одна из простых) показана на рисунке 264. Щетка 1 помещена в обойме щеткодержател я и при помощи пружины 2 прижимается к коллектору с силой 1,5—2,5 н/см2 (~150—250 Г/см2). Щеткодержатель насаживают и закрепляют на щеточном болте щеточной траверсы (рис. 265); от траверсы болты изолированы. Щетка 1 со щеточным болтом 2 связана гибким токоведущим тросиком. Все щетки одной полярности электрически связаны между собой и присоединены к выводному зажиму машины. В машинах малой и средней мощности щеточную траверсу устанавливают на подшипниковом щите, в машинах большей мощности ее можно крепить к станине.
Рис. 266. Основная конструктивная схема машины постоянного тока:
1— подшипниковый щит; 2— коллектор; 3 — подшипник; 4 — сердечник якоря; 5 — основные полюса; 6 — станина; 7 — вал; 8 — вентилятор.
Эскиз конструктивной схемы машины постоянного тока показан на рисунке 266.
Неподвижная часть машины
Неподвижная часть машины — статор представляет собой массивную станину, являющуюся в машине постоянного тока одновременно ярмом в той части, по которой проходит поток основных и дополнительных полюсов. Станину выполняют из стального литья, листовой стали или реже из чугуна. К внутренней части станины крепят основные и между ними располагают дополнительные полюса (на рис. 266 дополнительные полюса не видны). Основные полюса служат для создания потока возбуждения, дополнительные — для улучшения уже упоминавшейся раньше коммутации, иначе обеспечения безыскрового снятия тока щетками с коллектора.
Сердечники основных и дополнительных полюсов обычно штампуют из листовой электротехнической стали толщиной от 0,5 до 2 мм и шпильками стягивают в осевом направлении. Со стороны зазора — воздушного промежутка между полюсом и якорем размером около 1 мм в малых машинах и до 1 см в крупных — основной полюс заканчивается полюсным наконечником.
Очертанием полюсного наконечника, как и в синхронных явнополюсных машинах, определяется пространственное распределение кривой поля в воздушном зазоре. Машина постоянного тока обычно выполняется с постоянным по величине воздушным зазором в средней и притом большей части полюсного наконечника. Катушка возбуждения, намотанная на каркас, удерживается на сердечнике выступами полюсных наконечников. Полюса к станине крепятся болтами.
К станине машины с обоих ее торцов крепят подшипниковые щиты, чугунные или стальные, в которых устанавливают подшипники качения или, что реже, скольжения (рис. 266).
