Машина постійного струму (рисунок 1, а) складається з двох основних частин:
1) нерухомої частини, призначеної в основному для створення магнітного потоку;
2), що обертається,, яка називається якорем і в якій відбувається процес перетворення механічної енергії в електричну (електричний генератор) або назад - електричної енергії в механічну (електродвигун). Нерухома і обертається частини відокремлюються одна від одної проміжком.
Нерухома частина машини постійного струму складається з основних полюсів 3 (рисунок 2), призначених для створення основного магнітного потоку; додаткових полюсів 4. встановлюються між основними і службовців для досягнення безіскрової роботи щіток 6 на колекторі (рисунок 1, б); станини 1.
Якорь7 є циліндричне тіло, що обертається в просторі між полюсами, і складається з зубчастого сердечника якоря; покладеної на нього обмотки; колектора і щіткового апарату. У щеткодержателях 5 знаходяться щітки 6. забезпечують при обертанні ковзний контакт з колектором. На вал 2 двигуна напресовані вентилятор і балансувальне кільце.
Малюнок 1 - Конструкція машини постійного струму а й колектора б.
Колектор набирають з мідних пластин, ізольованих одна від одної і від корпусу 3. На натискні фланці 4 надягають пресовані міканітовие манжети 5. Нажімниє фланці ізольовані один від одного міканітовимі прокладками 2, які стягують кільцевої гайкою 6. Секції обмотки якоря припаюють до петушкам 7. Колектор піддають термообробці таким чином, що він утворює монолітну конструкцію, яка виключає биття і вібрації.
Основний полюс складається з набирається на шпильках сердечника (5) з листової електротехнічної сталі товщиною 1 мм. З боку зверненої до якоря, сердечник має полюсний наконечник 6, службовець для полегшення проведення магнітного потоку через повітряний зазор. На сердечник полюса надягають котушку обмотки збудження 1, по якій проходить постійний струм. Котушка намотується на каркас 2. Кріплення полюсів до станини 4 проводиться за допомогою спеціальних болтів 3.
Класифікація обмоток якорів машин постійного струму
Незалежно від типу якоря (кільцевий або барабанний) ми маємо такі типи обмоток якоря машин постійного струму:
а) проста петлевая; б) проста хвильова; в) складна петлевая;
г) складна хвильова.
Прості обмотки утворюють завжди тільки одну замкнуту на себе систему провідників, тоді як складні обмотки можуть утворити і одну і кілька таких систем. У першому випадку будемо називати складну обмотку однократнозамкнутой. у другому - многократнозамкнутой.
Припустимо, що якір машини (рисунок 3, а) приводиться в обертання за годинниковою стрілкою. Тоді в провідниках обмотки якоря індукується ЕРС, напрямок якої може бути визначено за правилом правої руки і показано на малюнку 3, а. Оскільки потік полюсів передбачається незмінним, то ця ЕРС індукується тільки внаслідок обертання якоря і називається ЕРС обертання.
Величина индуктируемой в провіднику обмотки якоря ЕРС.
Малюнок 3 - Робота найпростішої
машини постійного струму в режимі
генератора (а) і двигуна (б)
де - величина магнітної індукції в повітряному проміжку між полюсом і якорем в місці розташування провідника; - активна довжина провідника між полюсом і якорем в місці розташування провідника, тобто та довжина, на протяженіікоторой він розташований в магнітному полі; - лінійна швидкість руху провідника.
В обох провідниках внаслідок симетрії индуктируются однакові ЕРС, які по контуру витка складаються, і тому повна ЕРС якоря розглянутої машини
ЕРС є змінною, так як провідники обмотки якоря проходять поперемінно під північним і південним полюсами, в результаті чого напрямок ЕРС в провідниках змінюється.
Частота ЕРС в двополюсної машині дорівнює швидкості обертання якоря. вираженою в оборотах в секунду:
а в загальному випадку, коли машина має пар полюсів з чергується полярністю,
У генераторі колектор є механічним випрямлячем, який перетворює змінний струм обмотки якоря в постійний струм у зовнішній ланцюга.
Напруга постійного струму на затискачах якоря генератора буде менше на величину падіння напруги в опорі обмотки якоря:
Провідники обмотки якоря із течією знаходяться в магнітному полі, і тому на них будуть діяти електромагнітні сили:
напрямок яких визначається за правилом лівої руки.
Ці сили створюють механічний обертовий момент. який називається електромагнітним моментом і на малюнку 3 а. дорівнює
де - діаметр якоря. Як видно з рисунку 3 а. в режимі генератора цей момент діє проти напрямку обертання якоря і є гальмівним.
Вже згадана найпростіша машина може працювати також двигуном, якщо до обмотки її якоря підвести постійний струм від зовнішнього джерела. При цьому на провідники обмотки якоря діятимуть електромагнітні сили і виникне електромагнітний момент. Величини і. як і для генератора, визначаються рівностями (3.6) і (3.7). При достатній величині якір машини прийде в обертання, і буде розвивати механічну потужність. Момент при цьому є рушійним і діє в напрямку обертання.
Якщо ми бажаємо, щоб при тій же полярності полюсів напрямку обертання генератора (рисунок 3, а) і двигуна (рисунок 3, б) були однакові, то напрямок дії. а отже і напрямок струму у двигуна повинні бути зворотними в порівнянні з генератором (рисунок 3, б).
У режимі двигуна колектор перетворює споживаний із зовнішнього ланцюга постійний струм в змінний струм в обмотці якоря і працює, таким чином, в якості механічного інвертора струму.
Провідники обмотки якоря двигуна також обертаються в магнітному полі, і тому в обмотці якоря двигуна теж индуктируется ЕРС. величина якої визначається рівністю (3.2). Напрямок цієї ЕРС в двигуні (рисунок 3, б) таке ж, як і в генераторі (рісунок3, а). Таким чином, в двигуні ЕРС якоря спрямована проти струму і прикладеної до затискачів якоря напруги. Тому ЕРС якоря двигуна називається також протівоелектродвіжущей силою.
Прикладена до якоря двигуна напруга врівноважується ЕРС і падінням напруги в обмотці якоря:
З викладеного вище випливає, що кожна машина постійного струму може працювати як в режимі генератора, так і в режимі двигуна. Така властивість притаманне всім типам обертових електричних машин і називається оборотністю.
Для переходу машини постійного струму з режиму генератора в режим двигуна і назад при незмінній полярності полюсів і щіток і при незмінному напрямку обертання потрібно тільки зміна напрямку струму в обмотці якоря.
Тому такий перехід може здійснюватися досить просто і в певних умовах навіть автоматично.
На рис.4 показані напрямки дії механічних і електричних величин в якорі генератора і двигуна постійного струму.
Малюнок 4 - Напрями ЕРС струму і моментів в генераторі (а) і двигуні (б) постійного струму.
Відповідно до першого закону Ньютона в застосуванні до обертається тілу, що діють на це тіло рушійні і гальмуючі обертаючі моменти врівноважують один одного. Тому в генераторі при сталому режимі роботи електромагнітний момент
де - момент на валу генератора, що розвивається первинним двигуном, - момент сил тертя в підшипниках, про повітря і на колекторі машини, - гальмуючий момент, викликаний втратами на гістерезис і вихрові струми в осерді якоря.
Ці втрати потужності з'являються в результаті обертання сердечника якоря в нерухомому магнітному полі полюсів. Виникаючі при цьому електромагнітні сили надають на якір гальмівну дію і в цьому відношенні проявляють себе подібно силам тертя.
У двигуні при сталому режимі роботи
де - гальмуючий момент на валу двигуна, що розвивається робочої машиною (верстат, насос і т.п.).
У генераторі є рушійним, а в двигуні гальмуючим моментом, причому в обох випадках і протилежні за напрямком.
Що розвивається електромагнітним моментом потужність називається електромагнітної потужністю і дорівнює
являє собою кутову швидкість обертання.
В обмотці якоря під дією ЕРС і струму розвивається внутрішня електрична потужність якоря
Згідно равенствам (4.5) і (4.6),. тобто внутрішня електрична потужність якоря дорівнює електромагнітної потужності, що розвивається електромагнітним моментом, що відображає процес перетворення механічної енергії в електричну в генераторі і зворотний процес в двигуні.
і для двигуна
Ліві частини цих виразів є електричні потужності на затисках якоря, перші члени правих частин - електромагнітну потужність якоря і останні члени - електричні втрати потужності в якорі.
Згідно з цими виразами, механічна потужність, що розвивається на валу генератора первинним двигуном, за вирахуванням механічних і магнітних втрат перетворюється в електричну потужність в обмотці якоря, а електрична потужність за вирахуванням втрат у цій обмотці видається в зовнішній ланцюг. У двигуні електрична потужність, що підводиться до якоря із зовнішнього ланцюга, частково витрачається на втрати в обмотці якоря, а інша частина перетворюється в потужність електромагнітного поля і остання - в механічну потужність, яка за вирахуванням втрат на тертя і втрат в стали якоря передається робочій машині.
Загальні положення . При роботі електричної машини частина споживаної нею енергії втрачається марно і розсіюється у вигляді тепла. Потужність втраченої енергії називають втратами потужності або просто втратами.
Втрати в електричних машинах поділяються на основні та додаткові. Основні втрати виникають в результаті відбуваються в машині основних електромагнітних і механічних процесів, а додаткові втрати обумовлені різними вторинними явищами. Під обертових електричних машинах основні втрати поділяються на 1) механічні втрати, 2) магнітні втрати (втрати в сталі) і 3) електричні втрати.
До електричних втрат відносяться втрати в обмотках, які називаються також втратами в міді, хоча обмотки і не завжди виготовляються з міді, втрати в регулювальних реостатах і втрати в перехідному опорі щіткових контактів.
Механічні втрати складаються з 1) втрат в підшипниках, 2) втрат на тертя щіток про колектор або контактні кільця і 3) вентиляційних втрат, які включають в себе втрати на тертя частин машини об повітря і інші втрати, пов'язані з вентиляцією машини.
Втрати в підшипниках залежать від типу підшипників (кочення або ковзання), від стану поверхонь, що труться, виду мастила і т. Д.
Втрати на тертя щіток можуть бути обчислені за формулою
Втрати на вентиляцію залежать від конструкції машини і роду вентиляції. У самовентилюються машинах з вбудованим відцентровим вентилятором втрати на вентиляцію обчислюються приблизно за формулою:
де - кількість повітря, проганяє через машину,;
- окружна швидкість вентиляційних крил по їх зовнішньому діаметру,.
Загальні механічні втрати
Як випливає з викладеного, в кожній даній машині втрати залежать тільки від швидкості обертання і не залежать від навантаження. У машинах постійного струму потужністю 10 - 500 кВт втрати становлять близько 2 - 0,5% від номінальної потужності машини.
Магнітні втрати включають в себе втрати на гістерезис і вихрові струми, викликані перемагнічуванням сердечників активної сталі. Для обчислення цих втрат сердечник підрозділяється на частини, в кожній з яких магнітна індукція постійна. Наприклад, в машинах постійного струму обчислюються окремо втрати в осерді якоря і в зубцях якоря.
До магнітних втрат відносять також такі додаткові втрати, які залежать від величини основного потоку машини (потоку полюсів) і викликані зубчастим будовою сердечників. Ці втрати називають також додатковими втратами холостого ходу, так як вони існують в збудженої машині вже при холостому ході. До зазначених втрат в машинах постійного струму відносяться, перш за все поверхневі втрати в полюсних наконечниках, обумовлені зубчасті якоря.
Якщо пази є також в полюсних наконечниках машини постійного струму (при наявності компенсаційної обмотки), то в зубцях якоря і полюсах в результаті їхнього взаємного переміщення виникають пульсації магнітного потоку. Потоки в зубцях максимальні, коли зубець якоря розташований проти зубця полюса, і мінімальні, коли проти зубця розташований паз. Частота цих пульсацій також велика. При цьому виникають пульсації втрати в зубцях і поверхневі втрати також на зовнішній поверхні якоря.
До додатковим втрат холостого ходу укіс також втрати, які виникають в дротяних бандажів, обмоткодержателях і в інших деталях при їх обертанні в магнітному полі полюсів.
Загальні магнітні втрати
Електричні втрати в кожній обмотці обчислюють за формулою. Опір обмотки залежить від її температури. У нормальних машинах постійного струму є дві електричні ланцюги: ланцюг якоря і ланцюг збудження. Тому зазвичай розраховують втрати в ланцюзі якоря і в ланцюзі збудження.
Втрати в обмотках можна виразити також через щільність струму в обмотці і вага обмотки (без ізоляції)
До електричних втрат відносять також втрати в регулювальних реостатах і втрати в перехідних опорах щіткових контактів. Величина втрат в перехідних опорах щіткових контактів для щіток однієї полярності обчислюється за формулою
де - падіння напруги на один щітковий контакт.
Додаткові втрати. До цієї групи відносять втрати, викликані різними вторинними явищами при навантаженні машини.
У машинах постійного струму одна частина розглянутих втрат виникає внаслідок спотворення кривої магнітного поля в повітряному зазорі при навантаженні під впливом поперечної реакції якоря. В результаті цього магнітний потік розподіляється по зубців і перетину спинки якоря нерівномірно: з одного краю полюсного наконечника індукція в зубцях і спинці якоря зменшується, а з іншого краю збільшується. Такий нерівномірний розподіл потоку викликає збільшення магнітних втрат, подібно до того, як нерівномірний розподіл струму в провіднику викликає збільшення електричних втрат. Внаслідок такого нерівномірного розподілу потоку збільшуються також поверхневі втрати в полюсних наконечниках. При наявності компенсаційної обмотки розглянута частина додаткових втрат практично відсутня.
Інша частина додаткових втрат в машинах постійного струму пов'язана з комутацією. При зміні в часі потоків розсіювання комутованих секцій в провідниках обмотки индуктируются вихрові струми. Додатковий струм комутації також викликає додаткові втрати.
На практиці додаткові втрати оцінюють на основі досвідчених даних у вигляді певного відсотка від номінальної потужності. Згідно ГОСТ 11828 - 66, ці втрати для машин постійного струму при номінальному навантаженні приймаються: при відсутності компенсаційної обмотки рівними 1,0% і при наявності компенсаційної обмотки рівними 0,5% від потужності, що для генератора і проводиться потужності для двигуна. Для інших навантажень ці втрати перераховуються пропорційно квадрату струму навантаження.
Всі види додаткових втрат, не пов'язані безпосередньо з електричними процесами в ланцюгах обмоток машини, покриваються за рахунок механічної потужності на валу машини.
Сумарні, або повні, втрати є суму всіх втрат: