Будова УКД та ОКД. Рівняння стану. Основні співвідношення.

Електрична машина постійного струму складається з нерухомого статора і якоря, що обертається. Статор включає станину і головні полюси з полюсними котушками. Як правило, в колекторних двигунах малої потужності з електромагнітним збудженням використовують двохполюсні статори (2р = 2) двох конструкцій - збірний і суцільний шихтований. Станина збірного статора (рис.4.1., а) являє собою суцільну трубу 1, до внутрішньої поверхні якої гвинтами кріпляться полюси. Осердя 2 головних полюсів виготовляють у вигляді стального бруска або набирають з штампованих стальних пластин товщиною 0, 5-1 мм. Кожний головний полюс на стороні, що обернена до якоря 4, має полюсний наконечник, що забезпечує необ-хідне розподілення магнітної індукції в повітряному проміжку. Полюсні котушки 3 з’єднуються послідовно і утворюють обмотку збудження, при ввімкненні якої до джерела постійного струму в магнітній системі двигуна створюється магнітне поле.

В двигунах постійного струму потужністю до 200-250 Вт, як правило, використовують шихтований статор (рис.4.1, б), що являє собою набір пластин складної конфігурації з листової електротехнічної сталі товщиною 0, 35 або 0, 5 мм, в яких станина і головні полюси відштамповані разом. Для надання набору пластин необхідної міцності його скріплюють не менше ніж чотирма шпильками.

Рис. 4.1. Статори колекторних двигунів збірний (а), шихтований (б)

На рис. 4.2 зображено будову колекторного двигуна постійного струму захищеного виконання з самовентиляцією. Статор має збірну конструкцію і складається з станини 6, головних полюсів 4 з полюсними котушками 5 каркасного типу, тобто намотані на каркас з ізоляційного матеріалу. Якір двигуна включає осердя, обмотку якоря, колектор і вал.

Рис. 4.2. Будова двигуна постійного струму захищеного виконання

Осердя якоря 3 - це циліндр, набраний з штампованих листів електротехнічної сталі товщиною 0, 5 мм (рис.4.3). Перед збіркою ці листи покривають спеціальним ізоляційним лаком. Така конструкція осердя якоря дозволяє значно послабити вихрові струми, що виникають в ньому при його перемагнічуванні в процесі обертання в магнітному полі. В повздовжні пази сердечника якоря укладені пазові сторони секцій обмотки якоря. Часто пази якоря роблять з нахилом, що послаблює пульсацію в повітряному проміжку і зменшує вібрації і шум, що супроводжують роботу двигуна.

Обмотка якоря 9 (див. рис. 4.2) складається з секцій (котушок), виконаних мідним ізольованим проводом, як правило, круглого перерізу. Пазові сторони секцій закріплюють в пазах осердя якоря завдяки гетинаксовим клинам або бандажу. З двох сторін осердя якоря розташовані лобові частини обмотки якоря. З боку колектора вони підключаються до його пластин, а з боку, протилежного колектору, з’єднують пазові сторони секцій. Для закріплення лобових частин на них накладають бандаж з скляної стрічки.

Колектор 1 двигуна (див.рис.4.2) має циліндричну форму і складається з мідних пластин, ізольованих одна від одної міканітовими прокладками. В колекторних двигунах малої потужності використовують колектори на пластмасі (рис. 4.4), мідні пластини 1 і міканітові прокладки яких запресовані в пластмасу 2. Основа колектора - стальна втулка 4, запресована на вал двигуна. В двигунах з підвищеною частотою обертання для надання колектору великої міцності в колекторі використовують армуючі кільця 3. Робоча поверхня колектора, по якій ковзають контактні щітки, повина бути чистою. Щоб міканітові прокладки при відпрацюванні мідних пластин не виступали над робочою поверхнею колектора, що порушувало б нормальну роботу колектора і двигуна, між кожною парою суміжних мідних пластин фрезерують доріжку на глибину до 1, 5 мм. Колекторні пластини з боку осердя якоря мають виступи, що називаються “півниками”, до них приєднують секції обмотки. Щітки 2 (див. рис.4.2) розташованні в щіткотримачах і прижимаються до колектору пружинами. В деяких мікродвигунах малої потужності використовують трубчасті щіткотримачі (рис.4.5), які вмонтовані в підшипниковий щит двигуна і складаються з металічної втулки 1, пружини 3 і пластмасового колпака 2. Металічна втулка електрично пов’язана з щіткою, ізолюється від підшипникового щита з допомогою втулки 7. Зажим 5 щіткотримача з’єднаний з однією з клем коробки виводів, що розташована на боковій або верхній частині станини.

Передній (з боку колектора) і задній 7 (з боку виступаючого кінця валу) підшипникові щити двигуна (див. рис.4.2.) прикріплюються гвинтами до станини. В центральній частині щитів зроблені отвори під підшипники. В двигунах малої потужності використовують шарикові підшипники кочення. В передньому підшипниковому щиті зроблені вікна, що прикриваються стальною пластиною або стрічкою. Через вікна можна періодично розглядати колектор і щітки, не розбираючи двигун.

Для підключення двигуна до мережі живлення і з’єднання регулюючої апаратури є коробка виводів, розташована на боковій або верхній поверхні станини. В двигунах малої потужності замість коробки виводів на корпусі або на одному з підшипникових щитів закріплюють клемну панель або виводять з середини маркіровані провода.

Рис.4.4. Будова колектора Рис.4.5. Будова щіткотримача

на пластмасі

Двигун (див. рис.4.2) має центробіжний вентилятор 8, завдяки якому повітря проходить через внутрішню порожнину двигуна, де охолоджує обмотки і осердя. В верхню частину станини вмонтований гвинт, що використовується при транспортуванні чи монтажі двигуна. Але двигуни малої потужності такого гвинта не мають через їх малу вагу. В нижній частині станини є ноги для встановлення і закріплення двигуна. Двигун має гвинт заземлення для забезпечення електробезпеки при обслуговуванні.

Будова колекторного двигуна (рис.4.6) потужністю 200 Вт з шихтованою станиною відрізняється від раніше розглянутих конструкцій окремих деталей і вузлів. Так, зовнішня оболонка і підшипникові щити виконанні з алюмінієвого сплаву.

Крім двигунів з електромагнітним збудженням в пристроях автоматики використовуються двигуни малої потужності з збудженням постійними магнітами. Потужність цих двигунів, як правило, не перевищує декількох десятків ват. Відсутність обмотки збудження спрощує конструкцію двигунів і сприяє підвищенню їх ККД і надійності.

Рис.4.6. Будова двигуна постійного струму малої потужності серії

СЛ з шихтованою станиною:

1-підшипник, 2-підшипниковий щит задній, 3-статор, 4-якір, 5-підшипниковий щит задній, 6-щіткотримач, 7-колектор, 8-клемна колодка

Існує декілька різновидів магнітних систем цих двигунів, що відрізняються конфігурацією постійних магнітів і їх розташуванням на статорі:

- магнітна система з радіальними магнітами (рис.4.7, а) конструктивно найбільш проста, але не забезпечує отримання великої МРС постійного магніту, так як простір між магнітами залишається невикористаним,

- магнітна система з підковоподібними магнітами (рис.4.7, б) забезпечує отримання великої МРС і краще використання міжполюсного простору,

- магнітна система з кільцевим магнітом (рис.4.7, в) найбільш раціональна і найчастіше використовується. Площадки у полюсів постійного магніту зробленні для зменшення ваги магніта, так як матеріал в цих частинах магніта використовується лише частково. Магнітна система з торцевим магнітом (рис. 4.7, г) забезпечує двигуну мінімальний діаметр за рахунок збільшення його довжини.

Рис. 4.7. Магнітні системи двигунів постійного струму з постійними магнітами

На рис. 4.8 зображено будову колекторного двигуна постійного струму з кільцевою магнітною системою постійного магніту 1. Підшипниковий щит 3 з боку колектора виконаний з пластмаси, а щит 2 - з алюмінію. Обидва шарикопідшипники зовнішніми кільцями запресовані в стальні армуючі втулки. Виготовлення постійних магнітів з сучасних магнітотвердих самарій-кобальтових і платинових сплавів з великою питомою магнітною енергією дозволяє отримати двигуни, що збуджуються постійними магнітами потужністю до 50 Вт і більше.

Рис. 4.8. Будова колекторного двигуна з постійними магнітами

Двигуни з постійними магнітами мають недоліки, що обмежують в ряді випадків їх використання: а) неможливість регулювати частоту обертання двигуна зміною магнітного потоку збудження; б) при потужності, що перевищує 40-50 Вт, їх габаритні розміри і вага виявляються більші, ніж у двигунах з електромагнітним збудженням; в) матеріали для виготовлення постійних магнітів дефіцитні і дорогі.

УКД

Універсальний колекторний двигун працює як від мережі постійного струму, так і від мережі змінного струму.

Можливість роботи колекторного двигуна послідовного збудження від мережі змінного струму пояснюється тим, що при зміні полярності підведеної напруги змінюються напрямки струмів в обмотці якоря і в обмотці збудження. При цьому зміна полярності полюсів статора практично співпадає з зміною напрямку струму в обмотці якоря. В результаті напрямок електромагнітного обертального моменту не змінюється:

В якості універсального використовують двигун послідовного збудження, у якого струм якоря є і струмом збудження, що забезпечує майже одночасну зміну напрямку струму в обмотці якоря І_а і магнітного потоку збудження Ф при переході від позитивного напівперіода напруги мережі до негативного.

Якщо двигун ввімкути до мережі синусоідального струму, то струм яко-ря і_а і магнітний потік Ф будуть змінюватись за синусоїдальним законом:

де d – кут зсуву фаз між струмом збудження і магнітним потоком, обумовлений магнітними втратами в двигуні.

М_пост(рис.4.9, а), а друга частина — змінну складову цього моменту М_зм (рис.4.9, б), що змінюється в часі з частотою, рівною под-воєній частоті напруги мережі.

Графік результуючого моменту М = f(t) (рис.4.8, в) отриманий додаванням графіків, його складових:

Рис.4.9.Графіки електромагнітного моменту і його складових при роботі

колекторного двигуна від мережі змінного струму

Таким чином, результуючий електромагнітний момент при роботі двигуна від мережі змінного струму пульсує. Невеликі ділянки графіку М = f(t) з негативним гальмуючим значенням моменту обумовлені фазовим зсувом d між магнітним потоком і струмом в обмотці збудження. Чим менші магнітні втрати в магнітній системі двигуна, тим менший негативний момент. Пульсації електромагнітного моменту практично не порушують роботу двигуна. Пояснюється це тим, що при значній частоті пульсацій електромагнітного моменту (f_м = 2f₁) і більшому моменті інерції якоря обертання останнього є рівномірним.

При роботі універсального колекторного двигуна від мережі змінного струму перемагнічуванню підлягає вся магнітна система двигуна, включаючи станину і полюси. Це приводить до збільшення магнітних втрат, для зменшення яких станину і полюса статора доводиться робити шихтованими (див. рис.4.1, б).

Коефіцієнт корисної дії універсального двигуна при його роботі від мережі змінного струму більш низький, ніж при його роботі від мережі постійного струму. Другий недолік універсального двигуна — важкі умови комутації, що викликають інтенсивне іскріння на колекторі при вмиканні двигуна в мережу змінного струму. Цей недолік пояснюється наявністю трансформаторного зв’язку між обмотками збудження і якоря, що веде до наведення в комутуючих секціях трансформаторної ЕРС, яка погіршує процес комутації в двигуні.

Універсальні колекторні двигуни проектують таким чином, щоб отримати приблизно однакові частоти обертання при номінальному навантаженні як при живленні від мережі постійного, так і змінного струму.

Досягається це тим, що обмотка збудження двигуна виконана з розгалудженнями: при роботі двигуна від мережі постійного струму обмотка використовується повністю, а при роботі від мережі змінного струму – частково (рис.4.10., б). Але при навантаженнях, що відрізняються від номінальних, характеристики двигуна при його роботі від мережі постійного і змінного струму не співпадають через вплив індуктивних опорів обмоток якоря і збудження при живленні від мережі змінного струму. На рис.4.10., б приведені робочі характеристики універсального колекторного двигуна (пунктирними лініями при роботі двигуна від мережі змінного струму і суцільними – при роботі від мережі постійного струму). При однакових навантаженнях струм в обмотці якоря двигуна при його роботі від мережі змінного струму більший, ніж при роботі від мережі постійного струму, що пояснюється наявністю реактивної складової струму.

Рис.4.10.Принципова схема (а) і робочі характеристики (б)

універсального колекторного двигуна

Частота обертання універсальних двигунів регулюється так, як і в двигунах постійного струму послідовного збудження.

Наявність щітково-колекторного вузла являється причиною ряду недоліків універсальних колекторних двигунів, особливо при їх роботі на змінному струмі. Але ці двигуни в порівнянні з асинхронними і синхронними при частоті напруги живлення f₁ = 50 Гц дозволяють отримати частоту обертання до 10000 об/хв і більше.

Вітчизняною промисловістю виготовляється декілька серій універсаль-них колекторних двигунів, наприклад УВ, УЛ, МУН.

Обмотка якоря колекторних електричних машин

Обмотка якоря машини постійного струму являє собою замкнену сис-тему провідників, укладених в пазах якоря і з’єднаних з колектором. Вона складається з секцій - катушок. Кожна секція з’єднана з двома колекторними пластинами. Форма секцій і порядок під’єднання їх до колекторних пластин визначається типом обмотки. Найбільше розповсюдження отримали петлева і хвильова обмотки.

Кінці секцій простої петлевої обмотки (рис. рис.4.11.) під’єднуються до сусідніх колекторних пластин. Кожна секція складається з активних сторін 1, що розташовуються в пазах, і лобових частин 2, завдяки яким активні частини секцій з’єднуються між собою і приєднуються до колекторних пластин. Секції обмоток можуть бути однаковими (рис.рис.4.11., а) і багатовитковими (рис. рис.4.11., б). Щоб ЕРС, що наводяться в активних сторонах секцій, додавались, необхідно розташувати ці сторони одну відносно одної на відстані, приблизно рівній полюсному діленню t [м]. Ця відстань рівна відстані між серединами суміжних полюсів, виміряній по окружності якоря:

де D - діаметр якоря, м; 2р - число полюсів машини.

Рис. рис.4.12.. Кроки простої Рис. рис.4.13.. До питання про кількість елемен-

петлевої обмотки тарних пазів Z_е в реальному пазі

Активні сторони секцій розташовуються в пазах осердя якоря в два слої. При цьому, якщо одна сторона секції лежить в верхньому шарі одного паза, то її друга сторона - в нижньому шарі другого паза. Як правило, для графічного зображення обмоток якоря використовують так звану схему-розгортку, в якій циліндричну поверхню якоря разом з колектором розгортають на площину креслення. При цьому сторони секцій, що лежать в верхньому шарі, зображуються суцільними лініями, а сторони, що лежать в нижньому шарі - штриховими.

Рис.рис.4.14.. Схема-розгортка простої петлевої обмотки.

Щоб виконати схему простої петлевої обмотки, необхідно знати її параметри: перший, другий і результуючий кроки по якорю - у₁, у₂, у - і крок по колектору у_к (рис.рис.4.12.). Кроки обмотки вимірюються числом елементарних пазів. Елементарний паз являє собою дві активні сторони секцій (нижню і верхню), що лежать одна над одною. Один реальний паз якоря (рис.рис.4.13.) може мати один (а), два (б), три (в) і більше елементарних пазів.

На рис.рис.4.14. представлена схема простої петлевої обмотки (2р = 4) з Z_е = 16. Перший крок по якорю цієї обмотки у₁ = 4.

Число щіток на колекторі простої петлевої обмотки повинл бути рівне числу полюсів. Щітки однакової полярності з’єднуються паралельно.

Секції обмотки якоря утворюють паралельні вітки. Кожна паралельна вітка являє собою групу послідовно з’єднаних секцій, струм в яких має однаковий напрямок. Число паралельних віток в простій петлевій обмотці (2а) завжди рівне числу полюсів:

2a = 2p.

Схема обмотки, представлена на рис.рис.4.14., має число полюсів 2р=4.

Петлеві обмотки використовуються в електричних машинах, розрахованих на роботу при порівняно невеликих напругах, але значних струмах.

В простій хвильовій обмотці кожна секція приєднується до двох колекторних пластин, відстань між якими відповідає подвійному полюсному діленню (рис.рис.4.15.).

Рис..4.15.. Кроки простої хвильової обмотки

При виконанні простої хвильової обмотки за один обхід по якорю в пази укладається стільки секцій, скільки пар полюсів в машині. При цьому остання по обходу секція приєднуються до пластини, що лежить або зліва від початкової, тоді обмотка називається лівоходовою (рис.рис.4.15., а), або справа від початкової, тоді обмотка називається правоходовою (рис.рис.4.15., б).

Рис. 4.16. Схема-розгортка простої хвильової обмотки.

На рис.рис.4.16. зображена схема-розгортка простої хвильової обмотки чотириполюсної машини з числом секцій S = Z_е = 15 і з у₁ = 3. Число паралельних віток в простій хвильовій обмотці завжди рівне двум, незалежно від числа полюсів:

2а = 2.

Так як проста хвильова обмотка має мінімальне число паралельних ві-ток, то використання її в багатополюсній машині (2р> 2) дає можливість отримати більшу напругу, ніж при петльовій обмотці. Але допустимий струм при цьому буде значно меншим.

Хвильові обмотки використовуються в електричних машинах підвищеної напруги при порівняно невеликому струмі якоря. При цьому число щіток може бути рівним двом, незалежно від числа полюсів. Але, як правило, використовують стільки ж щіток, скільки і полюсів, чим досягається зменшення густини струму під щітками.

Універсальні колекторні двигуни

Універсальний колекторний двигун працює як від мережі постійного струму, так і від мережі змінного струму.

Можливість роботи колекторного двигуна послідовного збудження від мережі змінного струму пояснюється тим, що при зміні полярності підведеної напруги змінюються напрямки струмів в обмотці якоря і в обмотці збудження. При цьому зміна полярності полюсів статора практично співпадає з зміною напрямку струму в обмотці якоря. В результаті напрямок електромагнітного обертального моменту не змінюється:

В якості універсального використовують двигун послідовного збудження, у якого струм якоря є і струмом збудження, що забезпечує майже одночасну зміну напрямку струму в обмотці якоря І_а і магнітного потоку збудження Ф при переході від позитивного напівперіода напруги мережі до негативного.

Якщо двигун ввімкути до мережі синусоідального струму, то струм яко-ря і_а і магнітний потік Ф будуть змінюватись за синусоїдальним законом:

де d – кут зсуву фаз між струмом збудження і магнітним потоком, обумовлений магнітними втратами в двигуні.

Використовуючи вираз (1.2.36), отримаємо формулу електромагнітного моменту колекторного двигуна послідовного збудження, ввімкненого в мережу синусоідального змінного струму, Н× м:

Перша частина виразу (1.2.37) являє собою постійну складову електромагнітного моменту М_пост (рис.рис.4.17, а), а друга частина - змінну складову цього моменту М_зм (рис.рис.4.17, б), що змінюється в часі з частотою, рівною под-воєній частоті напруги мережі.

Графік результуючого моменту М = f(t) (рис.4.17, в) отриманий додаванням графіків, його складових:

Таким чином, результуючий електромагнітний момент при роботі двигуна від мережі змінного струму пульсує. Невеликі ділянки графіку М = f(t) з негативним гальмуючим значенням моменту обумовлені фазовим зсувом d між магнітним потоком і струмом в обмотці збудження. Чим менші магнітні втрати в магнітній системі двигуна, тим менший негативний момент. Пульсації електромагнітного моменту практично не порушують роботу двигуна. Пояснюється це тим, що при значній частоті пульсацій електромагнітного моменту (f_м = 2f₁) і більшому моменті інерції якоря обертання останнього є рівномірним.

При роботі універсального колекторного двигуна від мережі змінного струму перемагнічуванню підлягає вся магнітна система двигуна, включаючи станину і полюси. Це приводить до збільшення магнітних втрат, для зменшення яких станину і полюса статора доводиться робити шихтованими (див. рис.4.1, б).

Коефіцієнт корисної дії універсального двигуна при його роботі від мережі змінного струму більш низький, ніж при його роботі від мережі постійного струму. Другий недолік універсального двигуна - важкі умови комутації, що викликають інтенсивне іскріння на колекторі при вмиканні двигуна в мережу змінного струму. Цей недолік пояснюється наявністю трансформаторного зв’язку між обмотками збудження і якоря, що веде до наведення в комутуючих секціях трансформаторної ЕРС, яка погіршує процес комутації в двигуні.

Універсальні колекторні двигуни проектують таким чином, щоб отримати приблизно однакові частоти обертання при номінальному навантаженні як при живленні від мережі постійного, так і змінного струму.

Досягається це тим, що обмотка збудження двигуна виконана з розгалудженнями: при роботі двигуна від мережі постійного струму обмотка використовується повністю, а при роботі від мережі змінного струму – частково (рис.4.18., б). Але при навантаженнях, що відрізняються від номінальних, характеристики двигуна при його роботі від мережі постійного і змінного струму не співпадають через вплив індуктивних опорів обмоток якоря і збудження при живленні від мережі змінного струму. На рис.4.18., б приведені робочі характеристики універсального колекторного двигуна (пунктирними лініями при роботі двигуна від мережі змінного струму і суцільними – при роботі від мережі постійного струму). При однакових навантаженнях струм в обмотці якоря двигуна при його роботі від мережі змінного струму більший, ніж при роботі від мережі постійного струму, що пояснюється наявністю реактивної складової струму.

Рис.4.18. Принципова схема (а) і робочі характеристики (б)

універсального колекторного двигуна

Частота обертання універсальних двигунів регулюється так, як і в двигунах постійного струму послідовного збудження.

Наявність щітково-колекторного вузла являється причиною ряду недоліків універсальних колекторних двигунів, особливо при їх роботі на змінному струмі. Але ці двигуни в порівнянні з асинхронними і синхронними при частоті напруги живлення f₁ = 50 Гц дозволяють отримати частоту обертання до 10000 об/хв і більше.

Вітчизняною промисловістю виготовляється декілька серій універсаль-них колекторних двигунів, наприклад УВ, УЛ, МУН.