Будова машин постійного струму (МПС).

МПС складається з двох основних частин: нерухомої (станини) і рухомої (якоря).

Станина складається з корпусу, підшипникових щитів з підшипниками, клемної коробки, лап, а всередині з полюсів і обмотки збудження.

Станина машини – це замкнений магнітопровід виконаний з сталі. До внутрішньої частини станини прикріплюють головні і додаткові полюси. У нижній зовнішній частині станина має лапи, за допомогою яких машину кріплять на фундаменті. До боків станини прикріплені підшипникові щити в яких встановлені підшипники кочення або ковзання.

Головні полюси, що прикріплюються болтами до внутрішньої частини станини, призначені для створення магнітного потоку.

Осердя головних полюсів виготовляють з окремих листів електротехнічної сталі товщиною 1 мм. З боку якоря осердя полюса має розшир, який називається полюсним наконечником і служить для кращого охоплення якоря полюсом. На осердя полюса надягають котушку збудження, яку роблять на стальному або картонному каркасі з ізольованого мідного проводу.

Між головними розміщують додаткові полюси – для покращення комутації МПС (тобто роботи без іскріння). Обмотка додаткових полюсів має таку ж форму.

  Обертову частину МПС в якій індукується ЕРС називають якорем.

Якірскладається з вала, осердя якоря, обмотки якоря і колектора.

Осердя якоря набирають з окремих листів електротехнічної сталі завтовшки 0,5 мм, ізольованих один від одного шаром лаку або паперу для зменшення втрат від вихрьових струмів. Іноді ізоляцією є тонкий шар окису.

   До складу листової електротехнічної сталі входить кремній (силіцій). Він збільшує питомий електричний опір сталі (зменшення втрат на вихрьові струми), але погіршує механічні властивості сталі (робить її крихкою). Застосовуються переважно такі марки сталей: Э11; Э12; Э21; Э31; Э310; Э320; Э330; Э41; Э42; Э43.

   Э – електротехнічна сталь;

    Перша цифра – ступінь легованості сталі кремнієм (1- слаболегована – 0,8-1,8 %, 2- середньолегована -1,8 - 2,8 %, 3- підвищенолегована 2,8 - 4,0;4- високолегована - 4,0- 4,8 %).

     Друга цифра – якість сталі по відношенню питомих втрат у ній (чим більша цифра-тим менші втрати);

     Третя за буквою цифра 0 означає, що сталь холоднокатана, текстурована.

    В круглих стальних листах виштамповані пази і отвори для вала. В пази укладають обмотку якоря з ізольованого мідного проводу. Обмотка ізольована в пазах спеціальною пазовою ізоляцією з пресшпану, лакотканини тощо.

    Пази закривають дерев’яними клинами і поверх якоря намотують дротяні бандажі.

    На вал якоря напресований колектор, до пластинок якого припаюють проводи обмотки якоря. Колектор призначений для випрямлення змінного струму в постійний.

    Колектор виготовляють з мідних пластинок, міцно скріплених стяжними болтами на корпусі стальної втулки. Мідні пластини мають форму ластівчиного хвоста, виготовляють їх з міді з домішкою кадмію (близько 1%), який сприяє підвищенню механічної міцності міді. Пластинки, що називаються ламелями ізолюють одну від одної і від втулки міканітом. Міканіт – це склеєна лаками слюда.

    Вал якоря виготовляють з високосортної сталі. На нього насаджують вентилятор, призначений для охолодження машини. На кінець вала насаджують шків або з’єднувальну муфту.

    Ковзний контакт між обертовими і нерухомими частинами машини створюють за допомогою колектора і щіток.

Щітковий механізм складається з щіткової траверси, щіткового пальця, щіткотримача і щітки.

    У сучасних машинах застосовують вугільно-графітові щітки. Щітка вміщена в обоймі щіткотримача пружиною притискується до колектора. Щіткотримач закріплюють на пальці траверси, на який надіта втулка з ізоляційного матеріалу. Таким чином щіткотримачі ізольовані від корпуса машини.

     Траверсу закріплюють на підшипниковому щиті стопорним болтом. Щоб змінити положення щіток відносно колектора, траверсу повертають. Виготовляють її з сталі.

Щітковий механізму машин малої потужності прикріплюється до підшипникового щита, а в машинах великої потужності – до корпусу станини.

     З’єднувальна коробка має панель з ізоляційного матеріалу на якій встановлені контактні болти. Панель закривають зверху кришкою.

 

Принцип дії МПС.

 На прикладі найпростішої МПС розглянемо її принцип дії.

     Вона складається з двох постійних полюсів, якоря з обмоткою у вигляді одного витка, колектора у вигляді двох пластин і двох електричних щіток.

  а) МПС в режимі генератора.

    Принцип дії генератора постійного струму ґрунтується на законі електромагнітної індукції.

Припустимо, що приводний двигун обертає якір генератора в напрямку проти годинникової стрілки.

    Тоді у витці на якорі, який обертається в магнітному полі постійного магніту наводиться ЕРС.

    В процесі роботи якір обертається і виток займає різне положення, тому в обмотці якоря наводиться змінна ЕРС. Під дією колектора і щіток змінний струм обмотки якоря змінюється в пульсуючий струм у зовнішньому колі генератора, тобто струм незмінний за напрямком.

    Після повороту якоря на 180 ⁰ напрямок струму у витці якоря зміниться на зворотній, але полярність щіток, а отже і напрямок струму у зовнішньому колі буде незмінним. Це пояснюється тим, що в той момент коли струм в витці якоря змінює свій напрямок, відбувається зміна колекторних пластин під щітками. Завдяки цьому полярність щіток генератора залишається незмінною. Пульсації струму в зовнішньому колі трохи слабшають при збільшенні кількості витків в обмотці якоря при їх рівномірному розташуванні по поверхні якоря і відповідному збільшенні кількості пластин в колекторі.

    Струм в зовнішньому колі генератора можна враховувати незмінним не тільки за напрямком, але і за значенням.

б) МПС в режимі двигуна.

  Принцип дії двигуна постійного струму ґрунтується на законі Ампера.

Для роботи машини в режимі двигуна необхідно підвести до щіток машини напругу від мережі постійного струму. В результаті взаємодії цього струму з магнітним полем постійного магніту (полем збудження) з^,являться електромагнітні сили, які утворюють на якорі електромагнітний момент і обертаючи його в напрямку протилежному руху годинникової стрілки. Після повороту якоря на 180⁰ електромагнітні сили не змінюють свій напрямок, тому що одночасно з переходом кожного провідника обмотки якоря із зони одного магніту полюса в зону іншого полюса в цих провідниках змінюється напрямок струму.

    Розглянута спрощена модель машини постійного струму не забезпечує двигуну стійкої роботи, оскільки при проходженні провідниками обмотки якоря геометричної нейтралі електромагнітні сили дорівнюють нулю. Але із збільшенням кількості провідників в обмотці якоря і кількості пластин колектору обертання якоря двигуна стає стійким і рівномірним.

 

Основні елементи обмоток.

Основний елемент обмотки якоря – секція. Секцією називають частину обмотки якоря, яка складається з кількох витків і міститься між двома колекторними пластинами, що йдуть одна за одною за схемою обмотки.

Кожна секція має дві активні сторони, укладені в пази якоря, які з’єднуються між собою лобовими з’єднаннями.

Сторони секції розміщують так, щоб одна з них лежала під північним полюсом, а друга – під південним, тобто на відстані полюсної поділки одна від одної, тоді ерс, індуковані в проводах секції, додаються.

Полюсною поділкою називають відстань між серединами полюсів по обводу якоря. Позначається вона τ.

Для того, щоб ерс, індуковані в різних секціях обмотки якоря, додавались, треба, щоб обмотка якоря була замкненою системою, тобто в ній не було розривів, а секції її були з’єднані послідовно. Для цього до кожної колекторної пластини припаюють кінець однієї секції і початок іншої, що йде за нею за схемою обмотки.

Число пар полюсів у машині позначають буквою р, а число полюсів дорівнює 2р.

Уявна лінія, що проходить посередині між полюсами, називається геометричною нейтраллю.

В обмотках якоря розрізняють такі кроки по якорю:

у₁ – перший частковий, відстань між початком і кінцем секції, тобто ширина секції;

у₂ – другий частковий, відстань між кінцевою стороною однієї секції і початковою стороною наступної за нею по схемі обмотки якоря;

у₃ – результуючий, відстань між початковими сторонами двох секцій, що йдуть одна за одною по схемі обмотки;

у – крок обмотки по колектору, відстань між початком і кінцем секції по колектору, вимірюють його числом пропущених ізоляційних прошарків.

Кроки по якорю вимірюють числом пазів.

У сучасних машинах ширину секції роблять меншою від величини полюсної поділки у₁ <τ, таку секцію називають секцією з укороченим кроком. Такі кроки дають можливість економити мідь у лобових з’єднаннях.

Формула ерс обмотки якоря:

,

де N - число провідників обмотки якоря;

а - число пар паралельних гілок

n – швидкість обертання якоря, об/хв.;

Ф – магнітний потік, Вб

Оскільки величини р, N, а сталі для даної машини, то формула ерс обмотки якоря може бути скорочена:

Е_я = С_е· n ·Ф,

де С_е = = const – стала для даної машини величина.

Тобто, ерс обмотки якоря машини постійного струму залежить від числа обертів якоря за хвилину і величини магнітного потоку.

Секції обмотки з’єднуються між собою в певній послідовності. В залежності від цього обмотки машин постійного струму поділяються на петльові, хвильові і комбіновані.

Петльовою обмотку називають тому, що її секції мають форму петлі.

 

 

В простій петльовій обмотці початок і кінець секції приєднують до поряд розміщених колекторних пластин

Розрахункові формули для простої петльової обмотки:

У= у₁ – у₂;

У_к = 1;

У = 2у_к = 2;

,

де Z – число пазів;

р – число пар полюсів;

b – найменше число, яке додають або віднімають від Z, щоб при

      діленні у₁ було цілим числом.

2р = 2а,

де а – число пар паралельних гілок в обмотці якоря.

Ширина щітки може дорівнювати ширині двох, трьох, а іноді і більше колекторних пластин.

Паралельною гілкою обмотки називають частину обмотки, що знаходиться між двома різнойменними щітками.

Обмотку називають одношаровою, якщо в кожному пазу лежить одна активна сторона якої-небудь секції.

Існують дво- і багатошарові обмотки.

Під елементарним пазом розуміють паз з двома активними сторонами.

В одному реальному пазу може бути кілька елементарних пазів.

Обмотку називають хвильовою тому, що форма її секції нагадує петлю

 

Розрахункові формули для простої двошарової хвильової обмотки:

у= у₁ + у₂;

;

2а = 2;

,

Хвильову послідовну обмотку застосовують в електричних машинах, щоб мати більшу напругу, а петльову – щоб мати більші струми.

Щоб мати велику силу струму застосовують складну петльову обмотку.

Складна петльова обмотка складається звичайно з двох або кількох простих петльвих обмоток, число яких позначають буквою m (коефіцієнт кратності). Ці петльові обмотки незалежні одна від одної і з’єднуються між собою лише щітками

Для складної петльової обмотки число паралельних гілок:

2а = 2р m,

Результуючий крок по якорю:

у = у_к = ± m

Щоб мати підвищену напругу в машинах великої потужності, застосовують складну хвильову обмотку.

Складна хвильова обмотка складається з m простих хвильових обмоток

Для складної хвильової обмотки число паралельних гілок:

2а=2 m

Результуючий крок по якорю:

у = у_к =

У 1932 р. Левіту на ХЕМЗі розробив тип змішаної обмотки, в якій в одній конструкції обмотки якоря поєднувалися петльова і хвильова обмотки Кожна обмотка служить для пропускання половини загального струму і водночас виконує роль вирівнювальних сполучень відносно другої обмотки.

Отже, відпадає необхідність у спеціальних вирівнювачах. Змішана обмотка виконується у чотири шари, бо в пази якоря закладаються дві двошарові обмотки. Кількість витків і кількість паралельних гілок обох обмоток повинні бути однакові.

Тому для змішаної обмотки:

Складна петльова обмотка: у _k = ± m; 2а = 2р m

Складна хвильова обмотка: ; 2а = 2 m