6.3. Электрические машины

6.3.1. Принцип действия и устройство электрических машин постоянного тока

По роду тока все современные электрические машины делятся на машины постоянного и переменного тока и работают на основе явлений электромаг­нитной индукции.

Рис. 221. Принцип получения постоянно­го тока:

а и 6 — принцип действия коллектора;

в — график изменения э.д.с. во внутренней цепи генератора;

г — график изменения э.д.с. во внешней цепи генератора

Постоянным называется ток, протекающий по про­воднику только в одном направлении. Получение постоян­ного тока может быть двояким: от генераторов постоянного тока или из переменного тока путем его выпрямления при помощи специальных уст­ройств — выпрямителей, пре­образующих переменный ток в постоянный.

Простейший генератор по­стоянного тока (рис. 221, а и б) имеет полюсы электромаг­нита N и S, между которыми вращается виток проволоки в виде рамки, концы которой припаяны к полукольцам А и Б, вращающимся вместе с витком. Полукольца А и Б изолированы между собой и от вала, и пред­ставляют собой в простейшем виде коллектор, служащий для вы­прямления тока во внешней цепи. На полукольца опираются не­подвижные щетки / и II, по которым ток с полуколец А и Б на­правляется во внешнюю цепь.

При вращении в магнитном поле рамки в ней будет индукти­роваться переменная по величине и направлению электродвижу­щая сила. Как было рассмотрено ранее, эта э. д. с. изменяется по синусоиде и зависит от положения, занимаемого проводниками а и б в магнитном поле. Направление э. д. с, индуктируемой в каж­дый данный момент в витке, определяется по правилу правой руки. В те моменты, когда ток в витке меняет свое направление, полу­кольца меняют щетки, поэтому во внешней цепи ток будет иметь все время одно и то же направление, но будет меняться по зна­чению.

График изменения э. д. с. в витке можно изобразить кривой, по­казанной на схеме в (рис.221), а график изменения тока во внеш­ней цепи, соединенной с генератором, будет иметь вид, как на схеме г (рис. 221).

Как показывает последний график, э. д. с. во внешней цепи за полный оборот рамки не меняется по направлению, а меняется по значению от нуля до максимума, снова до нуля и т. д. Поэтому э. д. с. в таком виде имеет большую пульсацию, и ток, протека­ющий по замкнутому контуру, носит название пульсирую­щего.

Чтобы «сгладить» пульсацию, в генераторах устанавливают очень много витков, концы которых припаивают к коллекторным пластинам. При этом витки оказываются сдвинутыми относитель­но друг друга на некоторый угол и при вращении всех витков пульсация уменьшается.

Рис. 222. Устройство генератора постоянного тока

В этом случае ток, вырабатываемый генератором, будет практически постоянным как по направлению, так и по значению. Обычно в генераторах бывает такое количество витков обмоток и коллекторных пластин, что получаемая на щетках э. д. с. имеет совершенно незначительную пульсацию (1% среднего значения э. д. с), и потому ее значение считается постоянным.

Основные элементы генераторов и двигателей постоянного то­ка конструктивно одни и те же.

На рис. 242 показаны главные части и компоновка генератора постоянного тока. Генератор состоит из следующих основных ча­стей: станины с закрепленными в ней полюсами-электромагнита­ми, якоря с обмоткой и коллектором, токоснимающего устройства (щеткодержатели, щетки, траверсы), переднего и заднего под­шипниковых щитов.

Станины у современных электрических машин отливаются из стали и в зависимости от типа электрической машины выпол­няются различной формы (прямоугольные, квадратные, восьми­гранные, круглые и т. д.). К станине крепится магнитная система (создает магнитный поток), состоящая из полюсных сердечников с наконечниками, на которых находятся обмотки воз­буждения из изолированной медной проволоки.

Полюсные сердечники с полюсными наконечниками образуют полюсы электромагнита, служащие для создания магнитного по­ля. Полюс генератора, как и всякий электромагнит, состоит из сердечника и надетой на него катушки, по которой проходит электрический ток, называемый током возбуждения. Этот ток создает магнитный поток. Катушки возбуждения составляют обмотку возбуждения машины, названную так потому, что при прохождении по ней тока она создает (возбуждает) магнитное поле генератора. Количество полюсов у генератора, как правило, четное и составляет 2, 4, 6 и более. При этом северные и южные полюсы чередуются между собой.

Якорь — вращающаяся часть машины — служит для несения обмотки, в ко­торой индуктируется пере­менная

э. д. с; он состоит из сердечника и обмотки. В современных машинах сер­дечник якоря собирается из листов электротехнической стали толщиной 0,35—0,5 мм, изолированных друг от дру­га специальной тонкой бума­гой или покрытых изолирую­щим лаком. Отдельные ли­сты сердечника якоря штам­пуются такой формы, чтобы после сборки их на наружной поверх­ности якоря образовались пазы, в которые затем укладывают секции обмоток якоря из изолированной медной проволоки. Сек­ции обмоток соединяют между собой в определенной последова­тельности. Набранный таким образом якорь надевают на сталь­ной вал машины, на котором его закрепляют шпонкой.

На одном валу с якорем насажены коллектор и вентилятор. Коллектор представляет собой полый барабан, собранный из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала машины. Количество пластин равно количеству секций якоря, так как к каждой коллекторной пластине припаиваются начало одной и конец другой секции. Пластины изготовляют из твердотянутой меди соответствующего профиля и изолируют друг от друга про­кладками из миканита (склеенные под давлением листочки слю­ды). Для соединения коллекторных пластин с концами обмотки в углу каждой пластины вырезается углубление (шлиц), в кото­рое вводят (вбивают) концы секций и припаивают их. Коллек­тор является одной из наиболее ответственных частей электриче­ской машины.

Над коллектором укрепляется траверса со щеткодержателя­ми. Щетки вставляют в гнезда щеткодержателей; они прижима­ются к коллектору пружинами, натяжение которых можно регу­лировать. В современных электрических машинах применяют угольные, медно-графитные и графитные щетки.

Якорь с коллектором вращается в подшипниках, находящихся в подшипниковых щитах. Последние крепятся с боков болтами к станине. Между якорем и башмаками полюсных сердечников имеется небольшой зазор, называемый между железным прост­ранством.

На корпусе машины обычно устанавливается выводная ко­робка, в которой имеются изолированные друг от друга и от корпуса машины болтовые зажимы — выводы, служащие для со­единения машины с цепью.

Основные неподвижные части электрической машины образу­ют статор, вращающиеся — ротор. В машинах постоянного тока якорь является ротором, а магнитная система (иногда назы­вается индуктором) — статором.