Машины постоянного тока. Устройство и принцип действия.

Электрические машины постоянного тока (двигатели и генераторы) находят широкое применение в различных областях техники. Основное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения больших пусковых моментов, что очень важно для тяговых двигателей на электрическом транспорте, а также для привода различного технологического оборудования.

Электрические машины постоянного тока малой мощности применяются в системах автоматического регулирования как для привода исполнительных механизмов, так и в качестве датчиков частоты вращения подвижных частей регулируемой системы.

Генераторы постоянного тока входят в состав систем электропитания специального оборудования, например в радиотехнических установках, при зарядке аккумуляторов, для питания электролитических ванн и т. д.

Общим недостатком электрических машин постоянного тока является сложность их конструкции, связанная главным образом со щеточно-коллекторным аппаратом. Кроме того, в коллекторно-щеточном аппарате, осуществляющем постоянную перекоммутацию цепей электрической машины, возникает искрение. Это снижает надежность машин и ограничивает область их применения. Существенным недостатком двигателей постоянного тока является необходимость предварительного преобразования для них электрической энергии цепи переменного тока в электрическую энергию цепи постоянного тока.

Машину постоянного тока в основном можно разделить на неподвижную и вращающуюся части. Неподвижная часть состоит из станины (рис. 1), на которой укреплены главные полюсы для возбуждения главного магнитного потока и дополнительные для улучшения коммутации в машине.

Главный полюс состоит из сердечника, набранного из листовой стали и укрепленного болтами на станине, и обмотки возбуждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным наконечником для создания требуемого распределения магнитного потока.

Станина является ярмом машины, т. е. частью, замыкающей магнитную цепь главного потока Ф (рис. 2). Она изготовляется излитой стали, так как магнитный поток в ней относительно постоянен. Дополнительные полюсы устанавливаются на станине между основными. На сердечниках дополнительных полюсов располагаются обмотки, которые соединяются последовательно с якорем. Якорем называют часть машины, в обмотке которой при вращении ее относительно главного магнитного поля индуктируется ЭДС. В машине постоянного тока якорь (рис. 3) состоит из зубчатого сердечника 7, обмотки 2, уложенной в его пазах, и коллектора 3, насаженного на вал якоря. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали толщиной 0, 5 мм, изолированных друг от друга лаком. Для отвода тока от коллектора служат щетки, установленные в щеткодержателях (рис. 4). Щетку 1 к коллектору прижимает пружина 2. Ток от щетки отводится специальным гибким кабелем. Щеткодержатели надеваются на щеточную траверсу (отверстие 3), от которой они электрически изолируются Траверса крепится соосно с якорем так, что ее можно поворачивать, изменяя положение щеток по отношению к полюсам машины.

Рис. 1

Рис. 2

У всех электрических машин постоянного тока есть коллектор. Это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин 1 (рис. 5) Пластины коллектора изолированы также от вала машины. Проводами 2 они соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря. Вращающаяся обмотка соединяется с внешней цепью скользящим контактом между щетками и коллектором.

Как и все электрические машины, машина постоянного тока обратима. Она работает в режиме генератора, если ее якорь вращается первичным двигателем, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря соединена через щетки с приемником. При таких условиях под действием ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря, в замкнутой цепи якорь — приемник возникает ток (рис. 6, а) совпадающий с ЭДС по направлению.

Рис. 3

Рис. 4

Рис. 5

Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает на валу генератора тормозной момент, который преодолевается первичным двигателем. Генератор преобразует механическую энергию в электрическую.

В двигательном режиме цени якоря и возбуждения машины присоединены к источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Под действием последнего вращающийся якорь преодолевает момент нагрузки на валу. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. При этом ЭДС якоря противодействует току в цепи якоря и направлена ему навстречу (рис. 6, б).

Рис. 6