Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

руется э. д. с. Е

, величина которой определяется равенством

(1-1). Направление этой э. д. с. в двигателе (рис. 1-2, б) такое же,

как и в генераторе (рис. 1-2, а). Таким образом, в двигателе э. д. с.

якоря Е

направлена против тока 1

и приложенного к зажимам

якоря напряжения U

. Поэтому э. д. с. якоря двигателя называется

также противоэлектродвижущей силой.

Приложенное к якорю двигателя напряжение уравновешивается

э. д. с. Е

и падением напряжения в обмотке якоря:

Ua = E

. (1-6)

Из сравнения равенств (1-3) и (1-6) видно, что в генераторе

< Е

, а в двигателе U

> Е

у ^

Принцип обратимости.

Из изложенного выше сле-

дует, что каждая машина по-

стоянного тока может работать

как в режиме генератора, так и

в режиме двигателя. Такое

свойство присуще всем типам

вращающихся электрических

машин и называется обрати-

мостью.

Для перехода машины по-

стоянного тока из режима гене-

ратора в режим двигателя и

обратно при неизменной поляр-

ности полюсов и щеток и при

неизменном направлении вращения требуется только изменение

направления тока в обмотке якоря.

Поэтому такой переход может осуществляться весьма просто и

в определенных условиях даже автоматически.

Аналогичным образом может происходить изменение режима

работы также в машинах переменного тока.

Преобразование энергии. На рис, 1-5 показаны направления

действия механических и электрических величин в якоре генера-

тора и двигателя постоянного тока.

Согласно первому закону Ньютона в применении к вращаю-

щемуся телу, действующие на это тело движущие и тормозящие

вращающие моменты уравновешивают друг друга. Поэтому в генера-

торе при установившемся режиме работы электромагнитный момент

ая

= М

-М

тр

-М

, (1-7а)

где М

— момент на валу генератора, развиваемый первичным

двигателем, М

тр

— момент сил трения в подшипниках, о воздух

Рис. 1-5. Направления э. д. с. тока

и моментов в генераторе (а) и дви-

гателе (б) постоянного ^ока

Машины постоянного тока [Разд. /

и на коллекторе электрической машины, М

— тормозящий момент,

вызываемый потерями на гистерезис и вихревые токи в сердечнике

якоря. Эти потери мощности появляются в результате вращения

сердечника якоря в неподвижном магнитном поле полюсов. Возни-

кающие при этом электромагнитные силы оказывают на якорь

тормозящее действие и в этом отношении проявляют себя подобно

силам трения.

В двигателе при установившемся режиме работы

эм

= М

+ Л1

тр

+ Л1

, (1-76)

где УИ

— тормозящий момент на валу двигателя, развиваемый

рабочей машиной (станок, насос и т. п.).

В генераторе УИ

9м

является движущим, а в двигателе тормозя-

щим моментом, причем в обоих случаях М

и М

Эм

противоположны

по направлению.

Развиваемая электромагнитным моментом УИ

ЭМ

мощность Р

„

называется электромагнитной мощностьюи равна

где

Q = 2 лп

(1-8)

(1-9)

представляет собой угловую скорость вращения.

Подставим в выражение (1-8) значения УИ

9м

и Q из равенств

(1-5) и (1-9) и учтем, что линейная скорость на окружности якоря

Тогда получим

ам

= 2 BlD„I„nn = 2 Blvl

или на основании выражения (1-1)

—

F I

— ^а

а*

(1-10)

В обмотке якоря под действием э. д. с. Е

и тока 1

развивается

внутренняя электрическая мощность якоря

Pa = EJ

. (1-11)

Согласно равенствам (1-10) и (1-11), Р

эм

= Р

. т. е. внутренняя

электрическая мощность якоря равна электромагнитной мощности,

развиваемой электромагнитным моментом, что отражает процесс

преобразования механической энергии в электрическую в генера-

торе и обратный процесс в двигателе.

Умножим соотношения (1-3) и (1-6) на 1

. Тогда для генератора

будем иметь

= E

-llr

(1-12)

и для двигателя

= E

+ Ilr

. (1-13)

Левые части этих выражений представляют собой электрические

мощности на зажимах якоря, первые члены правых частей — элек-

тромагнитную мощность якоря и последние члены — электрические

потери мощности в якоре.

Хотя приведенные соотношения получены для простейшей ма-

шины постоянного тока (рис. 1-1), они действительны и в общем

случае при более сложной обмотке якоря, так как э. д. с. и моменты

отдельных проводников складываются. Эти соотношения являются

выражением закона сохранения энергии и отражают процесс пре-

образования энергии в машине постоянного тока.

Согласно им, механическая мощность, развиваемая на валу

генератора первичным двигателем, за вычетом механических

и магнитных потерь превращается в электрическую мощность

в обмотке якоря, а электрическая мощность за вычетом потерь

в этой обмотке выдается во внешнюю цепь. В двигателе элек-

трическая мощность, подводимая к якорю из внешней цепи,

частично расходуется на потери в обмотке якоря, а остальная

часть этой мощности превращается в мощность электромагнит-

ного поля и последняя — в механическую мощность, которая

за вычетом потерь на трение и потерь в стали якоря передается

рабочей машине.

Установленные выше применительно к машине постоянного

тока общие закономерности превращения энергии в равной сте-

пени относятся также к машинам переменного тока,

§ 1-2. Устройство машины постоянного тока

Рассмотрим несколько подробнее устройство машины постоян-

ного тока и приведем краткое описание ее главных конструктивных

элементов.

На рис. 1-6 изображен полюс машины. Сердечники полюсов

набираются из листов, выштампованных из электротехнической

стали толщиной 0,5—1 мм, а иногда также из листов конструкцион-

ной стали- толщиной до 2 мм. Так как магнитный поток полюсов

в стационарных режимах не изменяется, то листы друг от друга

обычно не изолируются.-Сердечник полюса стягивается шпильками,

концы которых расклепываются. Нижняя, уширенная, часть

сердечника называется полюсным наконечником или

башмаком. Расположенная на полюсе обмотка часто разби-

вается на 2—4 катушки для лучшего ее охлаждения.

Число главных полюсов всегда четное, причем северные и

южные полюсы чередуются, что достигается соответствующим

соединением катушек возбуждения от-

дельных полюсов. Катушки всех полю-

сов соединяются обычно последова-

тельно. Мощность, затрачиваемая на

возбуждение, составляет около 0,5—

3°о от номинальной мощности маши-

ны. Первая цифра относится к маши-

нам мощностью в тысячи киловатт,

а вторая — к машинам мощностью

около 5 кет.

Для улучшения условий токосъема

с коллектора (см. гл. 6) в машинах

мощностью более 0,5 кет между глав-

ными полюсами устанавливаются также дополнительные полкэсы,

которые меньше главных по своим размерам. Сердечники дополни-

тельных полюсов обычно изготовляются из конструкционной стали.

Рис. 1-6. Главный полюс маши

ны постоянного тока

а)

б)

Рис. 1-7. Диск (а) и сегмент (б) стали якоря

Как главные, так и дополнительные полюсы крепятся к ярму

с помощью болтов. Ярмо в современных машинах обычно выпол-

няется из стали (из стальных труб в машинах малой мощности, из

стального листового проката, а также из стального литья). Чугун

вследствие относительно малой магнитной проницаемости не при-

меняется.

В машинах постоянного тока массивное ярмо является одно-

временно также станиной, т. е. той частью, к которой крепятся

другие неподвижные части машины и с помощью которой машина

обычно крепится к фундаменту или другому основанию.

Сердечник якоря набирается из штампованных дисков (рис. 1-7, а)

электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Диски насаживаются

либо непосредственно на вал (при D

75 см), либо набираются

на якорную втулку (D

32 40 см), которая надевается на вал.

Сердечники якоря диаметром 100 см и выше составляются из штам-

пованных сегментов (рис. 1-7, б) электротехнической стали. Сег-

менты набираются на корпус якоря, который изготовляется обычно

из листового стального проката и с помощью втулки соединяется

с валом. Для крепления к корпусу якоря сегменты отштамповы-

ваются с гнездами для ласточкиных хвостов либо с выступающими

ласточкиными хвостами (рис. 1-8).

Рис. 1-8. Крепление сегментов стали якоря с по-

мощью ласточкиных хвостов

1 — вентиляционные распорки; 2 — лист стали якоря;

3 — стяжной болт; 4 — ребро ступицы якоря; 5 — лист

ступицы якоря

В сердечнике якоря в зависимости от выбранной системы венти-

ляции могут быть аксиальные или радиальные каналы. Аксиаль-

ные каналы образуются выштампованными в дисках сердечника

отверстиями. Радиальные каналы создаются с помощью дистан-

ционных распорок или ветрениц, посредством которых сердечник

якоря (рис. 1-9) подразделяется на отдельные пакеты 1 шириной

40—70 мм и каналы 2 между ними шириной около 5—10 мм. Ветре-

ницы приклепываются или привариваются к крайним листам паке-

тов. Сердечник якоря крепится с помощью нажимных плит или

фланцев 6.

В пазы на внешней поверхности якоря укладываются катушки

обмотки якоря (см. гл. 3). Выступающие с каждой стороны из сер-

дечника Якоря (рис. 1-9) лобовые части обмотки 3 имеют вид ци-

линдрического кольца и своими внутренними поверхностями опи-

раются на обмоткодержатели 5, а по внешней поверхности крепятся

проволочными бандажами 7. Обмотка соединяется с коллектором 4.

Величина воздушного зазора между полюсами и якорем в малых

машинах менее 1 мм, а в крупных до 1 см.

Устройство коллектора машины небольшой мощности показано

на рис. 1-10. Он состоит из медных пластин 1 толщиной 3—15 мм,

изолированных друг от друга миканитовыми прокладками толщи-

ной около 1 мм. Пластины имеют трапецеидальное сечение и вместе

с прокладками составляют кольцо, которое скрепляется с помощью

нажимных фланцев 4, стянутых стяжными болтами 7. От нажимных

фланцев пластины коллектора изолируются миканитовыми коллек-

торными манжетами 2. Собранный коллектор крепится на валу 6

с помощью шпонки 5. К каждой пластине коллектора присоеди-

няются соединительные прово-

дники — «петушки» 3 — от об-

мотки якоря.

Подобное в принципе устрой-

ство имеют коллекторы подав-

ляющего большинства машин.

В последнее время в малых ма-

шинах коллекторные пластины

с миканитовыми прокладками

часто запрессовываются в пласт-

массу.

Рис. 1-10. Коллектор Для отвода тока от вра-

щающегося коллектора и под-

вода к нему тока применяется

щеточный аппарат, который состоит из щеток, щеткодержа-

телей, щеточных пальцев, щеточной траверсы и токособираю-

щих шин.

Одна из типичных конструкций щеткодержателя показана на

рис. 1-11. Щеткодержатели укрепляются на щеточных пальцах.

На каждом щеточном пальце обычно помещают несколько или

целый ряд щеткодержателей со щетками, которые работают парал-

лельно, Щеточные пальцы, число которых обычно равно числу

главных полюсов, крепятся к щеточной траверсе (рис. 1-12) и

электрически изолируются от нее. Траверса крепится к неподвиж-

ной части машины: в машинах малой и средней мощности — к втулке

подшипникового щита, а в крупных машинах — к станине. Обычно

предусматривается возможность поворота траверсы для установки

щеток в правильное положение (см. гл. 3). Полярности щеточных

пальцев чередуются, и все пальцы одной полярности соединяются

между собой сборными шинами. Шины с помощью отводов

Рис. 1-11. Щеткодержатель Рис. 1-12. Крепление

со щеткой щеточного пальца к

1 — обойма щеткодержателя; траверсе

2 — щетка; 3 — нажимная пру-

пал

ец; 2 — траверса;

жииа; 4 — токоведущий кабель;

_ изоляция; 4 — токо-

5 — колодки для крепления к собирательная шииа

пальцу

соединяются с выводными зажимами или с другими обмотками

машины.

Коллектор и щеточный аппарат являются весьма ответствен-

ными узлами машины, от конструкции и качества изготовления

которых в большой степени зависит бесперебойная работа машины

и надежность электрического контакта между коллектором и щет-

ками.

На рис. 1-13 приведен чертеж, а на рис. 1-14 — фотография

машины постоянного тока в разобранном виде.

Одноякорные машины постоянного тока строятся мощностью

до 10

ООО

кет и напряжением преимущественно до 1000 в. Для

электрифицированных железных дорог выпускаются также машины

напряжением до 1500 в. На напряжения свыше 1500 в машины

постоянного тока изготовляются редко, так как с увеличением

напряжения условия токосъема с коллектора ухудшаются.

Рис. 1-13. Общий вид электродвигателя постоянного тока 14 кет, 220 в, 1500 об!мин

1 — люковая крышка; 2 — коллекторная пластина; 3 — крепление коллектора пластмассой; 4 — кольцо для размещения балан-

снровочвых грузов; 5 — траверса; 6 — передний подшипниковый щит; 7 — вал; 8 — обмоткодержатель; 9 — баидаж лобовых частей

обмотки якоря; 10 — катушка добавочного полюса; 11 — сердечник добавочного полюса; 12 — станина; 13 — рым; 14 — сердеч-

ник якоря; 15 — сердечник главного полюса; 16 — катушка главного полюса; 17 — вентилятор; 18 — задний подшипниковый щит;

19 — задняя крышка подшипника; 20 — шариковый подшипник; 21 — передняя крышка подшипника; 22 — свободный конец вала;

23 — паз якоря; 24 — соедннительвые провода (выводы) от обмоток к доске выводов; 25 — коробка выводов

В отдельных случаях (мощные ледоколы, приводы аэродинами-

ческих труб и пр.) требуются двигатели постоянного тока мощностью

15 ООО—30

ООО

кет. В машинах с одним якорем получение таких

Рис. 1-14. Электродвигатель постоянного тока типа П52, 8 кет, 220 в, 43 а,

1500 об!мин

мощностей невозможно, и поэтому строятся двух-, трех- и четырехъ-

якорные машины, которые представляют собой многомашинные

агрегаты с общим валом.

Глава вторая

МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ПРИ ХОЛОСТОМ ХОДЕ

§ 2-1. Метод расчета магнитной цепи

Основным магнитным потоком Ф

называется поток в воз-

душном зазоре 6, приходящийся на один главный полюс машины.

Величина Фб определяет величину индуктируемой в обмотке

якоря э. д. с.

При проектировании машины постоянного тока возникает необ-

ходимость определения зависимости Фв от тока возбуждения

полюсов. Эта задача решается путем расчета магнитной цепи ма-

шины при холостом ходе, когда ток якоря 1

= 0. Вследствие сим-

метрии устройства машины и равенства потоков всех полюсов

достаточно рассмотреть магнитную цепь одной пары полюсов.

Магнитная цепь машины изображена на рис. 2-1, причем для

каждого полюса штриховой линией показана такая магнитная

линия потока Фб, длину которой можно считать средней для всех

магнитных линий.

Магнитную цепь можно рассчитать на основе закона полного

тока для средней магнитной линии (рис. 2-1):

$Hdl = £i, (2-1)

где Н — напряженность магнитного поля; d\ — элемент длины

магнитной линии; — полный ток, охватываемый магнитной

линией.

Точное вычисление линейного интеграла (2-1) на практике за-

цепь разбивают на участки:

воздушный зазор (6), зубцы

якоря (h

), спинку якоря (L

лолюсы (h

), ярмо (L^ и заме-

няют интеграл суммой, пред-

полагая, что на протяжении

каждого участка Н постоян-

на. Тогда вместо равенства

(2-1) получим

2H£ + 2HJi

+ 2HJLa +

+ 2Н

+ 2Н „L„ = 2йУ

(2-2а)

где б, L

, h

, L

— пока-

занные на рис. 2-1 геометри-

ческие размеры, равные длинам отрезков средней магнитной ли-

нии; Н

, Н

— напряженности магнитного поля на

соответствующих участках; w

— число витков обмотки возбужде-

ния на полюс; i

— ток возбуждения.

Отдельные члены соотношения (2-2а) представляют собой

намагничивающие силы (н. с.) отдельных участков магнитной

цепи, а их сумма — полную н. с. машины на пару полюсов.

Так как для каждого участка магнитной цепи н. с. F = HI,

то вместо (2-2а) можно также написать

труднительно. Поэтому магнитную

Рис. 2-1. Магнитная цепь машины по-

стоянного тока

+ 2F

+2 F

+ 2 F, = 2F

= 2 a»,».

(2-26)

где F

— полная н. с. на один полюс.

При 'расчете магнитной цепи, исходя из заданной величины

э. д. с. Е

и пропорциональной ей величину индукции в зазоре В