Особенности стартерных электродвигателей

В стартерах применяются электродвигатели постоянного тока. Для анализа особенностей их работы в системе пуска рассмотрим основные характеристики электродвигателей постоянного тока, ко-торые подразделяются на двигатели последовательного, парал-лельного, смешанного и независимого возбуждения. Тип возбуждения определяется схемой включения обмоток возбуждения по отношению к якорной цепи.

Характеристики:

U= Е+1яRя\ (2.3)

Е = С_еФ_п, (2.4)

М = С_мФ/_я, (2.5)

где U - напряжение, подводимое к электродвигателю от источника питания; £ - противо-ЭДС якоря; /я - ток якоря; Rя - активное со-противление цепи якоря; Се, Сы - конструктивные постоянные; Ф - магнитный поток; п - частота вращения якоря; М - момент электро-двигателя.

Постоянные:

г =J*Lr рЛ/

е а-60’ м 2ш'

где р- число пар полюсов; N- число проводников обмотки якоря; а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Из выражений (2.3)...(2.5) можно получить формулы для определения частоты вращения якоря:

 

В электродвигателе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения подключена параллельно с обмоткой якоря к источни­ку напряжения U (рис. 2.7,а). Особенностью этого двигателя явля тся то, что ток возбуждения /_в не зависит от тока якоря /_я (нагрузки на валу). Поэтому, пренебрегая размагничивающим действием ре­акции якоря, можно приближенно считать, что и поток Ф не зависит от нагрузки. С учетом этого выражения (2.5)...(2.7) примут вид:

где Ci... С3 - постоянные; С₁ = С_МФ; Сг = С_вФ; Сз = СвС_мФ / Rя; Дл - падение частоты вращения.

 

Электромеханические характеристики электродвигателя с параллельным возбуждением, построенные по формулам (2.8) и (2.9), изображены на рис. 2.7,6, а механическая характеристика (2.10) - на рис. 2.7,в. Таким образом, обе они имеют линейный характер. Показатель л0 = и/СвФ называется частотой вращения идеального холостого хода. Он имеет конечное значение при М = 0 (/я = 0) и уменьшается с ростом потока Ф. Падение частоты вращения. Для при увеличении нагрузки на двигатель (/я) определяется сопротивлением Rя якорной цепи.

В случае если обмотка якоря электродвигателя и обмотка возбуждения подключены к различным источникам питания, его называют двигателем с независимым возбуждением. Механические и электромеханические характеристики такого двигателя аналогичны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением, так как у него ток возбуждения 1Щ также не зависит от тока якоря /я.

В электродвигателях с последовательным возбуждением обмотка возбуждения включается последовательно с обмоткой якоря и поэтому /_я = /_в (рис. 2.8,а). Следовательно, магнитный поток дви­гателя Ф является некоторой функцией тока якоря /_я. Характер этой функции изменяется в зависимости от нагрузки двигателя. При токе якоря /_я < (0,8...0,9) /_ном (/ном - номинальный ток якоря), когда маг­нитная система машины не насыщена, можно считать, что поток линейно зависит от /_я:

 

где к_ф - коэффициент пропорциональности, имеющий размерность индуктивности, Гн, остается практически постоянным в значительном диапазоне нагрузок.

Подставляя формулу (2.11) в уравнения (2.5) и (2.6), получим скоростную и моментную характеристики л = f (/я), М = f (/я) в этом диапазоне /я в виде:

где С\, С', С2 - постоянные,

т. е. в диапазоне 0.../ном зависимость л = f (/я) имеет гиперболический характер (при /я = 0 п—>°°), а зависимость М = f(l„) - параболический (рис. 2.8,6).

При дальнейшем возрастании тока якоря поток Ф растет медленнее, чем /я, и при больших нагрузках (/я > /ном) можно считать Ф = const.

В этом случае скоростная и моментная характеристики становятся линейными аналогично характеристикам двигателя с независимым возбуждением.

Механическая характеристика n = f(M) (см. рис. 2.8,в) может быть построена на основании уравнений (2.12) и (2.13).

При токе якоря, меньшем (0,8...0,9)/_ном. частота вращения изменяется по закону

При токе якоря, большем /ном, зависимость п = f (М) становится линейной вида (2.10).

Из рис. 2.8,в следует, что механическая характеристика двигателя с последовательным возбуждением является «мягкой». При малых нагрузках частота вращения п резко возрастает и может! превысить максимально допустимое значение (двигатель идет «вразнос»). Несмотря на этот недостаток, такие двигатели широко применяются в различных электрических приводах, где происходит изменение нагрузочного момента в широких пределах и тяжелые условия пуска. В частности, большинство стартерных электродвигателей имеют последовательное возбуждение. Объясняется это тем, что «мягкая» характеристика рассматриваемого двигателя более благоприятна для указанных условий работы, чем «жесткая» характеристика двигателя с параллельным возбуждением.

При «мягкой» характеристике двигателя с последовательным

возбуждением частота вращения л обратно пропорциональна у[м

, вследствие чего

РС=Mω = С'4√М,

где Сд - постоянная.

Поэтому при изменении нагрузочного момента в широких пределах, что характерно для пуска ДВС, мощность Рс, а следовательно, электрическая мощность Рэл = 1яия и ток /я у двигателей с последовательным возбуждением изменяются в меньших пределах, чем у двигателей с параллельным возбуждением. Кроме того, они лучше переносят перегрузки. Например, при заданной кратности перегруз­ки по моменту К_м = М / М_тм ток /_я в двигателе с параллельным воз­буждением увеличивается в К_м раз, а в двигателе с последователь­ным возбуждением - только в раз. По этой же причине двига­тель с последовательным возбуждением развивает больший пуско­вой момент, так как при заданной кратности пускового тока К/ = /„ /

/ном пусковой момент его М„ = К?М_ном, в то время как у двигателя с параллельным возбуждением М_п = К,М_ном.

В электродвигателе со смешанным возбуждением магнитный поток Ф создается в результате совместного действия двух обмоток возбуждения (рис. 2.9,а): параллельной (ОБ 1) и последовательной (ОВ2). Поэтому его механическая характеристика (рис. 2.9,в, кри­вые 3, 4) располагается между характеристиками двигателей с па­раллельным (прямая 1) и последовательным (кривая 2) возбужде­нием. В зависимости от соотношения магнитодвижущей силы (МДС) F = wl_e (w - число витков обмотки) параллельной (vM_Bi) и последовательной (w₂l_B2) обмоток при номинальном режиме мож­но приблизить характеристику двигателя со смешанным возбужде­нием к характеристике 1 (при ^ /_е1 > w₂l_Bz) или к характеристике 2 • (и/i /_в1 < w₂/_b2). Одним из достоинств двигателя со смешанным воз­буждением, которые используются в некоторых конструкциях стар­теров, является то, что он, обладая «мягкой» механической харак­теристикой, может работать на холостом ходу, так как частота вра­щения холостого хода п₀ имеет конечное значение.

 

Рис. 2.9. Схема двигателя со смешанным возбуждением (а) и его электромеханические (б) и механическая (в, кривые 3, 4) характеристики

Таким образом, в стартерах используются двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением. В отдельных случаях, рассмотренных ниже, используются двигатели со смешанным возбуждением. В последние годы на стартерах стали применяться электродвигатели с возбуждением от постоянных магнитов, которые имеют пониженное энергопотребление вследствие отсутствия тока возбуждения. Однако такие стартеры имеют недостатки, характерные для электродвигателей независимого (параллельного) возбуждения. Кроме того, материал для изготовления постоянных магнитов еще очень дорог. Постоянные магниты используются только в маломощных стартерах.

2.3.2. Конструкция стартеров

Конструктивно электростартер объединяет в себе электродвигатель и механизм привода с электромагнитным тяговым реле, муфтой свободного хода и шестерней понижающего редуктора. В стар-тер может быть встроен дополнительный редуктор, если переда-точное число от шестерни привода к венцу маховика недостаточно. Электростартеры классифицируют по способу возбуждения электродвигателя (последовательного, смешанного, с возбуждением от постоянных магнитов), типу привода, способу крепления на двигателе и степени защиты от окружающей среды. Рассмотрим особенности конструкции стартеров на конкретных примерах.

Стартер CT130-A3 устанавливается на двигателях ЗИЛ-130. Он состоит (рис. 2.10) из корпуса 18 с полюсами 3 и катушками обмотки возбуждения 2, якоря 19 с коллектором 21, пакетом пластин и об-моткой якоря 1, механизма привода с электромагнитным тяговым реле, муфтой свободного хода 15 и шестерней 14, крышек 12 (со стороны привода) и 22 (со стороны коллектора), щеточного узла со щеткодержателями, щетками и щеточными пружинами.

Корпус 18 стартера является частью магнитной системы электродвигателя, служит несущей конструкцией для крышек, воспринимает вращающий момент и передает его элементам крепления стартера на двигателе.

Корпус выполняют из цельнотянутой трубы или стальной полосы с последующей сваркой стыка. К корпусу винтами прикреплены полюсы - на стартере их четыре. Полюсы состоят из магнитопровода; и полюсных наконечников. Для обеспечения постоянного воздушно-го зазора по окружности между полюсами и якорем полюсы растачивают.

Рис. 2.10. Стартер CT130-A3:

1 - обмотка якоря; 2- обмотка возбуждения; 3 - полюс; 4 - контакты тягового реле; 5-контакт замыкания добавочного резистора; б-обмотки тягового реле; 7-якорь тягового реле; 8 - регулировочный винт-тяга; 9- защитный кожух; 10- рычаг; 11 - винт регулировки хода шестерни; 72- крышка со стороны привода; 13 -упорное кольцо; 14- шестерня; 75- муфта свободного хода; 16- пружина; 17- поводковая муфта; 18- корпус; 19- якорь; 20- защитная лента; 21 - коллектор; 22- крышка со стороны коллектора

На полюсах располагаются катушки обмотки возбуждения. Чис­ло катушек равно числу полюсов. Для намотки последовательной обмотки возбуждения используют неизолированный медный провод прямоугольного сечения. Между витками проложен электроизоля­ционный картон толщиной 0,2...0,4 мм. В стартерах со смешанным возбуждением (СТ221 и др.) для намотки катушек параллельной обмотки возбуждения применяют круглый изолированный провод с эмалевой изоляцией. Внешняя изоляция представляет собой хлоп­чатобумажную ленту, которую для повышения электрической и ме­ханической прочности пропитывают лаком.

Катушки в стартерах с последовательным возбуждением могут ть соединены последовательно, попарно-параллельно или параллельно. Катушки параллельной обмотки в стартерах смешанного возбуждения обычно соединяют последовательно. Между собой

катушки соединены контактной сваркой или заклепками с после­дующей пайкой. Для экономии меди и уменьшения массы стартеров иногда применяются алюминиевые провода. В этом случае катушки соединяют методом холодной сварки.

Якорь 19 стартера имеет шихтованный сердечник в виде пакета стальных пластин толщиной 1,0...1,2 мм, что уменьшает потери на вихревые токи. Крайние пластины пакета из электроизоляционного картона предохраняют от повреждения изоляцию лобовых частей обмотки якоря. В электродвигателях стартеров применяют простые волновые и петлевые обмотки с одно- и двухвитковыми секциями. Большее распространение получили волновые обмотки, обладаю­щие рядом преимуществ по сравнению с петлевыми - лучшие мас­согабаритные показатели, отсутствие специальных уравнительных соединений. Лобовые части обмотки якоря укрепляют бандажами из нескольких витков проволоки, хлопчатобумажного шнура или стекловолокнистого материала, пропитанного синтетическими смо­лами. Лобовые части секций изолируют одну от другой электроизо­ляционным картоном или полимерными трубами. Концы секций об­мотки якоря укладывают в прорези петушков коллекторных ламе­лей, чеканят и соединяют с коллекторными ламелями пайкой.

Коллектор 21, составленный из медных ламелей, является наи­более ответственным узлом электродвигателя. Коллекторы подвер­гаются значительным электрическим, тепловым и механическим нагрузкам. В стартерах применяют сборные цилиндрические кол­лекторы на металлической втулке (стартеры большой мощности), а также цилиндрические и торцовые с пластмассовым корпусом.

Сборный коллектор (рис. 2.11,а) состоит из отдельных пластин твердотянутой профильной меди и изолирующих прокладок из ми­канита, слюдинита или слюдопласта толщиной 0,4...0,9 мм. Цилин­дрические коллекторы с пластмассовым корпусом (рис. 2.11,6) на­бирают в виде пакета медных пластин и в специальной форме за­прессовывают в пластмассу. Использование в качестве форми­рующего элемента пластмассы повышает монолитность, прочность коллектора и позволяет автоматизировать процесс его изготовле­ния. Пластмассовый корпус изолирует коллекторные ламели и вос­принимает нагрузки.

Рабочая поверхность торцового коллектора (рис. 2.11,в) нахо­дится в плоскости, перпендикулярной оси вращения якоря (рис. 2.12). При этом снижается расход меди, уменьшается длина стар­тера, повышается уровень механизации и автоматизации произ­водства коллекторов. Пакет якоря и коллектор напрессовывают на вал, вращающийся в двух или трех опорах с подшипниками из по­рошкового материала или бронзографитными. Подшипники сколь­жения расположены в крышках и промежуточной опоре. Смазочный материал в подшипники закладывается в процессе производства и добавляется при обслуживании стартеров в эксплуатации. В стар­терах большой мощности подшипники имеют масленки с резервуа­рами и смазочными фильцами. Промежуточную опору обычно уста­навливают в стартерах с диаметром корпуса 115 мм и более. При ее применении уменьшаются прогиб вала и износ подшипников. Промежуточные опоры в виде диска из чугуна, стали или алюми­ниевого сплава зажимают между корпусом и передней крышкой и крепят к передней крышке.

Рис. 2.11. Коллекторы электростартеров: а - сборный цилиндрический на металлической втулке; б - цилиндрический на пластмассовой основе; в - торцовый на пластмассовой основе; 1 и 2 - соответственно металлические зажимные и изоляционные конусные кольца; 3- металлическая втулка; 4 - изоляционная трубка; 5 - пластины коллектора; 6 - гайка; 7- армировочное кольцо; 8 - прессовочный изоляционный материал; 9 - изоляционная пластина

Непосредственно к коллекторной крышке (рис. 2.13) или к тра­версе заклепками и винтами прикреплены щеткодержатели 4. Щет­кодержатели изолированных щеток отделены от крышек проклад­ками из текстолита или другого изоляционного материала. Щетко­держатели обеспечивают правильное расположение и необходи­мое усилие прижима щеток к рабочей поверхности коллектора. На­дежность электрического контакта между щеткой и коллектором в значительной мере определяется усилием, с которым щетка при- жимается к коллектору пружиной 2, и изменением этого усилия в процессе изнашивания щетки и уменьшения ее высоты. Начальное давление пружин на щетке находится в пределах 30...130 кПа. Применяют спиральные пружины из ленточной стали или витые цилиндрические пружины.

Рис. 2.12. Электростартер с торцовым коллектором:

1 - вал якоря; 2 и 3 - соответственно упорное и замковое кольца; 4 - шестерня; 5— рычаг привода; б-тяга реле; 7- уплотнительная заглушка;

8 -обмотка возбуждения; Я 10, 13\л 15- соответственно якорь, корпус, сердечник и крышка тягового реле; 11 и 12 - соответственно удерживающая и втягивающая обмотки; 14 - подвижный контакт; 16- контактные болты; 17-бандаж лобовой части обмотки якоря; 18-обмотка якоря; 19-защитный кожух; 20-щетка; 21 - вкладыш подшипника; 22-торцовый коллектор; 23 и 27- соответственно коллекторная и передняя крышки; 24- якорь электродвигателя; 25- корпус; 26 - поводковая муфта;

28- роликовая муфта свободного хода

 

Щетки торцовых коллекторов (см. рис. 2.12) размещены в пла­стмассовой или металлической траверсе и прижаты к рабочей поверхности коллектора витыми цилиндрическими пружинами, что позволяет сохранить постоянство прижимных усилий в течение длительного срока службы. В стартерах применяют меднографито­вые щетки с добавлением олова и свинца, причем содержание графита в щетках больше у мощных стартеров и у стартеров с тя­желыми условиями коммутации.

Конструкция кожуха (приводной крышки) 9 (см. рис. 2.10) зависит от материала, типа механизма привода, способа крепления старте­ра на двигателе и тягового реле на стартере. Шестерня привода стартера может быть установлена между опорами под приводной крышкой или консольно за ее пределами. Консольное расположе­ние шестерни характерно для стартеров с инерционным приводом, с перемещающимся якорем, с тяговым реле, встроенным в перед­нюю крышку соосно приводу или размещенным в коллекторной крышке. Разработаны конструкции стартеров с одной опорой в кол­лекторной крышке (см. рис. 2.12). Другая опора вала со стороны привода расположена в картере маховика двигателя.

 

Рис. 2.13. Крышка со стороны коллектора:

1 - крышка; 2- пружина; 3 - бронз графитный подшипник (вкладыш);

4 – щеткодержатель

Стартеры, предназначенные для тяжелых условий работы на большегрузных автомобилях и тракторах, отличаются большой степенью герметизации. Например, в стартере СТ142 для дизелей (рис. 2.14) герметизация обеспечивается установкой в местах разъема резиновых колец 12 и 77, применением пластмассовых втулок и уплотнительных прокладок. Герметизация рычажного механизма тягового реле осуществляется резиновым сильфоном 19.

Рис. 2.14. Стартер СТ142 для дизелей:

1 - болт траверсы; 2- пружина щеткодержателя; 3 - металлическая втул­ка коллектора; 4- нажимное металлическое кольцо; 5 - изоляционный корпус коллектора; 6- войлочный фильц; 7- радиальный щеткодержа­тель; 8- траверса; 9 и 28 -болты крепления соответственно коллектор­ной и приводной крышек; 10 и 20 - соответственно коллекторная и при­водная крышки; 11- щетка; 12 и 1 7- резиновые уплотнительные кольца; 13- корпус; 14- полюс; 15 и 18 -соответственно шток и якорь тягового реле; 16 -тяговое реле; 19 -сильфон; 21 –рычаг включения привода; 22- шестерня привода; 23 - упорная шайба; 24 - вкладыш подшипника; 25-храповичная муфта свободного хода; 26 -промежуточная опора; 27- манжета; 29 -вкладыш промежуточного подшипника; 30 -якорь электродвигателя; 31 – коллектор