Магнитная система машин постоянного тока

Электромагнит должен создать магнитное поле, линии которого сцепляются с витком якорной обмотки. Магнитные линии, проходящие мимо обмотки, совершенно беспо­лезны. Величина магнитного потока должна быть по воз­можности большой, так как чем больше магнитный поток, тем больше величина напряжения, индуктируемого в яко­ре. По этим соображениям желательно направить путь маг­нитных линий по стали, так как намагниченная сталь созда­ет внутри себя добавочный магнитный поток. Поэтому и сердечник электромагнита, и якорь должны быть сделаны из стали. Путь магнитных линий в генераторе постоянного тока показан на рис. 11.2. Здесь надо обратить внимание на направление токов в обмотках возбуждения. Применив правило штопора и к верхнему, и к нижнему сердечнику, мы увидим, что создаваемые ими магнитные линии имеют в якоре одно и то же направление и, следовательно, магнит­ные потоки складываются. Верхний сердечник является южным полюсом, нижний – северным. Такая магнитная система имеет одну пару полюсов.

             

Рис.11. 2. Генератор постоянного тока                 Рис. 11. 3. Варианты конструкции якоря

 

Направление токов в обмотках возбуждения выбирается с таким расчетом, чтобы соседние полюсы были разноимен­ными, т. е. чтобы рядом с северным находился южный по­люс и т. д. Такая магнитная система имеет две пары полю­сов рис.11.4. Существуют машины и с большим числом полюсов, но их число будет непременно четным. Часть пути магнитные линии должны все же проходить по воздуху. Якорь должен вращаться, а для этого необхо­дим воздушный зазор между ним и полюсами. Однако ве­личину этого зазора делают настолько малой, насколько это позволяет неизбежное изнашивание подшипников ма­шин. нельзя допустить, чтобы якорь при вращении ударял­ся о полюсы.

Рис. 11. 4. Статор четырехполюсной машины постоянного тока: 1 – корпус; 2 – полюс обмотки; 3 – обмотка; 4 – крюк; 5 – монтажный провод.

 

Величина магнитного потока зависит от размеров и ма­териала машины, числа витков и величины протекающего по ним тока.

В современных электрических машинах не слишком большой мощности возбуждение осуществляется не только от электромагнитов, но и от постоянных ферромагнитов. При этом габариты машины уменьшаются, исключаются потери на нагрев обмотки возбуждения и возрастает КПД. Элек­трические машины с постоянными магнитами более техно­логичны, их производство легко автоматизировать.

 

Коллектор

Прежде чем говорить об устройстве якорной обмотки, присмотримся к тому, что делается в каждом из ее витков в отдельности. В тот момент, когда плоскость витка перпендикулярна направлению магнитных линий, напряжение в нем будет равно нулю. Если к концам витка присоединена какая-ни­будь нагрузка, то ток в ней в этот момент также равен ну­лю. В сложных обмотках, составленных из многих витков, плоскости которых не совпадают друг с другом, напряже­ние будет проходить нулевое значение не одновременно. Но как бы ни были расположены отдельные витки, нулевое значение напряжения будет наступать в одном и том же месте, а именно – на нейтральной линии. Очевидно, что нейтральная линия располагается симметрично относитель­но северного и южного полюсов. В частности, в четырехполюсной машине имеется не одна, а две нейтральные линии. Если пересоеди­нять каждые полпериода ге­нераторные концы, то ток у потребителя будет иметь по­стоянное направление Рис.11.5.

Итак, направление тока у потребителя остается посто­янным, но величина его будет меняться. В течение полупе­риода ток будет меняться по синусоиде, но по синусоиде выпрямленной.

Рис. 11. 5 График выпрямленного тока двумя полукольцами

 

Ток следующего витка также будет выпрямленной синусоидой и, сложившись с током предыдущего витка, он сгладит ко­лебания величин тока. При большом числе витков получа­ется почти неизменный ток Рис.11.6.

Рис.11. 6 График выпрямления тока коллектором

 

 

Устройство, служащее для подобного выпрямления, носит название коллектора.

В простейшем случае коллектор представляет собой две половины кольца, изолированные друг от друга. К этим полукольцам и присоединяются концы обмотки, в которой наводится переменное напряжение (рис. 11.7). К поверхности этих вращающихся полуколец прижаты неподвижно закрепленные угольные щетки, соединяющие обмотку генератора с внешней цепью.

Если установить щетки на нейтральной линии, то по­лучим устройство, автоматически осуществляющее пере­ключение. На рис. 11.7 показано положение полуколец, при кото­ром щетка 4 только что перескочила на полукольцо 3, соединен­ное с проводом рамки 2.

 

 

 

Рис. 11. 7. Простейший коллектор: 1, 2 – провода рамки; 3 – полукольцо коллектора; 4 – щетка; 5 – провод коммутации нагрузки.

 

Генератор с одной парой коллекторных пластин (два по­лукольца) будет давать ток, постоянный по направлению, но не по величине: за каждые полоборота ток возрастает от нуля до наибольшей величины и вновь спадает до нуля рис.11.5.

Якорные обмотки.

Якорь представляет собой стальной цилиндр (3), на котором расположены витки обмотки (4, 5). Эти витки соединены между собой последователь­но и образуют замкнутую цепь (рис. 11.8).При вращении якоря магнит­ный поток, пронизывающий вит­ки обмотки, будет меняться. В ре­зультате в каждом из витков бу­дет возникать переменная ЭДС, изменяющаяся приблизительно по закону синуса.

 

Рис. 11. 8. Устройство кольцевого якоря: 1, 2 – витки обмоток полюсов; 3 – цилиндрический якорь; 4, 5 – витки обмотки якоря; N, S – главные полюса; а, в – нейтральная линия.

 

Необходимо также заметить, что во всех витках, расположенных по одну сторону от нейтральной линии, ЭДС будет иметь один и тот же знак.

Ясно, что соединение провод­ников обмотки должно быть та­ким, чтобы ЭДС складывались, а не вычитались. Найдем  наи­более целесообразный способ их соединения.

Свободные выводы, расположенные на одной стороне якоря, назовем началами, а рас­положенные на другой стороне – концами. Соединив между собой два каких-нибудь начала, полу­чим виток, пока еще разомкнутый. Оказывается, что нельзя соединять между собой сосед­ние провода.

Правильное решение задачи – соединить между собой начала двух проводов, расстояние между которыми равно примерно половине окружности якоря. Такой виток будет охватывать весь магнитный поток, и в нем будет наводить­ся большая ЭДС.

Концы проводов остаются пока свободными. Их надо соединить и с коллектором, иначе машина будет давать пе­ременный, а не постоянный ток, и между собой, иначе цепь будет незамкнутой. Таким образом, число сто­рон обмотки будет вдвое больше числа пластин коллектора. При соединении свободных концов надо руководствоваться тем же правилом, что и при соединении начал: расстояние между соединительными концами должно быть приблизи­тельно равным половине окружности якоря. Наши обозначения «конец» и «начало» произвольны, установленное для «начала», остается вер­ным и для «конца».

а                        б

Рис. 11. 9. Петлевая (а) и волновая (б) обмотки машины постоянного тока

 

Однако если число полюсов больше двух, то этому тре­бованию можно удовлетворить двумя различными спосо­бами. Возьмем какой-нибудь незамкнутый виток. Если од­на из его сторон лежит под южным полюсом, то другая будет находиться под северным. Конец, находящийся под южным полюсом, должен быть соединен с концом другого витка и притом такого, который находится под северным полюсом. Но в многополюсной машине рядом с южным на­ходится не один, а два северных полюса. К какому же имен­но витку мы должны присоединить наш свободный ко­нец?

Возможны два решения. Если мы вернемся обратно, т. е. соединим два таких витка, у которых обе стороны лежат под одними и теми же полюсами, то получится петлевая об­мотка. Если же мы пойдем не назад, а вперед и соединим витки, стороны которых лежат под различными полюсами, то получится волновая обмотка (рис. 11.9, б).

Обмотки укладываются в специальных пазах, вырезан­ных по поверхности якоря. Внешний вид якоря показан на рис. 11.10.

Рис. 11. 10. Якорь машины постоянного тока