Устройство электродвигателя постоянного тока

Двигатели постоянного тока — Устройство, принцип действия электродвигателя

Опубликовано вс, 02/14/2010 — 14:50 пользователем Helper

Электрическая машина постоянного тока состоит из статора, якоря, коллектора, щеткодержателя и подшипниковых щитов (рисунок 1). Статор состоит из станины (корпуса), главных и добавочных полюсов, которые имеют обмотки возбуждения. Эту неподвижную часть машины иногда называют индуктором. Главное его назначение — создание магнитного потока. Станина изготавливается из стали, к ней болтами крепятся главные и добавочные полюса, а также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для транспортирования, снизу — лапы для крепления машины к фундаменту. Главные полюса машины набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 -1 мм с целью уменьшения потерь, которые возникают из-за пульсаций магнитного поля полюсов в воздушном зазоре под полюсами. Стальные листы сердечника полюса спрессованы и скреплены заклепками.

Рисунок 1 – Машина постоянного тока:
I — вал; 2 — передний подшипниковый щит; 3 — коллектор; 4 — щеткодержатель; 5 — сердечник якоря с обмоткой; б — сердечник главного полюса; 7 — полюсная катушка; 8 — станина; 9 — задний подшипниковый щит; 10 — вентилятор; 11 — лапы; 12 — подшипник

Рисунок 2 – Полюса машины постоянного тока:
а — главный полюс; б — дополнительный полюс; в — обмотка главного полюса; г — обмотка дополнительного полюса; 1 — полюсный наконечник; 2 — сердечник
В полюсах различают сердечник и наконечник (рисунок 2). На сердечник надевают обмотку возбуждения, по которой проходит ток, создавая магнитный поток. Обмотка возбуждения наматывается на металлический каркас, оклеенный электрокартоном (в больших машинах), или размещается на изолированном электрокартоном сердечнике (малые машины). Для лучшего охлаждения катушку делят на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Добавочные полюса устанавливаются между главными. Они служат для улучшения коммутации. Их обмотки включаются последовательно в цепь якоря, поэтому проводники обмотки имеют большое сечение.
Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря собирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм и спрессовывается с обеих сторон с помощью нажимных шайб. В машинах с радиальной системой вентиляции листы сердечника собираются в отдельные пакеты толщиной 6-8 см, между которыми делают вентиляционные каналы шириной 1 см. При осевой вентиляции в сердечнике выполняют отверстие для прохождения воздуха вдоль вала. На внешней поверхности якоря имеются пазы для обмотки.

Рисунок 3 – Расположение секции обмотки якоря в пазах сердечника
Обмотка якоря изготавливается из медных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде заранее выполненных секций (рисунок 3). Они укладываются в пазы, где тщательно изолируются. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны разных якорных катушек — одну над другой. Обмотку закрепляют в пазах клиньями (деревянными, гетинаксовыми или текстолитовыми), а лобовые части крепят специальным проволочным бандажом. В некоторых конструкциях клинья не применяют, а обмотку крепят бандажом. Бандаж изготовляют из немагнитной стальной проволоки, которая наматывается с предварительным натяжением. В современных машинах для бандажировки якорей используют стеклянную ленту.
Коллектор машины постоянного тока собирается из клиноподобных пластин холоднокатаной меди. Пластины изолируют одну от другой прокладками из коллекторного миканита толщиной 0,5 — 1 мм. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в виде ‘ласточкина хвоста’, которые служат для крепления медных пластин и миканитовой изоляции. Коллекторы крепят нажимными конусами двумя способами: при одном из них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность ‘ласточкина хвоста’, при втором — на ‘ласточкин хвост’ и конец пластины.
Коллекторы с первым способом крепления называют арочными, со вторым — клиновыми. Наиболее распространены арочные коллекторы.
В коллекторных пластинах со стороны якоря при небольшой разнице в диаметрах коллектора и якоря делают выступы, в которых фрезеруют прорези (шлицы). В них укладывают концы обмотки якоря и припаивают оловянистым припоем. При большой разнице в диаметрах припайка к коллектору делается с помощью медных полосок, которые называются ‘петушками’.
В быстроходных машинах большой мощности для предотвращения выпучивания пластин под действием центробежных сил применяют внешние изолированные бандажные кольца.
Щеточный аппарат состоит из траверсы, щеточных пальцев (болтов), щеткодержателей и щеток. Траверса предназначена для крепления на ней щеточных пальцев щеткодержателей, образующих электрическую цепь.
Щеткодержатель состоит из обоймы, в которую помещается щетка, рычага для прижима щетки к коллектору и пружины. Давление на щетку составляет 0,02 — 0,04 МПа.
Для соединения щетки с электрической цепью имеется гибкий медный тросик.
В машинах малой мощности применяют трубчатые щеткодержатели, которые крепят в подшипниковом щите. Все щеткодержатели одной полярности соединяются между собой сборными шинами, которые подключаются к выводам машины.
Щетки (рисунок 4) в зависимости от состава порошка, способа изготовления и физических свойств разделяют на шесть основных групп: угольно-графитовые, графитовые, электрографитовые, медно-графитовые, бронзографитовые и серебряно-графитовые.
Подшипниковые щиты электрической машины служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.

Рисунок 4 – Щетки:
а — для машин малой и средней мощности; б — для машин большой мощности; 1 — щеточный канатик; 2 — наконечник
Различают обычные и фланцевые подшипниковые щиты.
Подшипниковые щиты изготовляют из стали (реже из чугуна или алюминиевых сплавов) методом литья, а также сварки или штамповки. В центре щита делается расточка под подшипник качения: шариковый или роликовый. В машинах большой мощности в ряде случаев используют подшипники скольжения.
В последние годы статор двигателей постоянного тока собирают из отдельных листов электротехнической стали. В листе одновременно штампуются ярмо, пазы, главные и добавочные полюса.

Устройство электродвигателя постоянного тока

Электродвигатель постоянного тока — электромеханическое устройство, преобразующее электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Электродвигатель постоянного тока состоит из неподвижной части — станины и вращающейся части — якоря.

Станина — полый стальной цилиндр, на внутренней поверхности которого укреплено четное число выступающих главных полюсов электродвигателя постоянного тока. Эти полюсы собраны из тонких изолированных друг от друга лаком листов электротехнической стали и заканчиваются расширенной частью — полюсными наконечниками для распределения магнитной индукции в воздушном зазоре по закону, близкому к трапецеидальному.

Линии, проходящие через середины полюсов и центр вала электродвигателя постоянного тока, называют ее продольными магнитными осями.

На полюсах расположены одна или несколько обмоток возбуждения постоянного тока. которые соединены между собой так, чтобы получить чередующуюся полярность полюсов, возбуждающих основное неподвижное магнитное поле машины.

Обмотки возбуждения с большим числом витков тонкого провода и значительным сопротивлением имеют выводы к зажимам с обозначениями Ш1 и Ш2, а обмотки возбуждения с малым числом витков толстого провода и малым сопротивлением — выводы к зажимам с обозначениями С1 и С2.

Между главными полюсами электродвигателя постоянного тока расположены добавочные полюсы. которые меньше главных и изготовлены массивными из стали. Обычно число добавочных полюсов равно числу главных и только в электродвигателях номинальной мощностью до 2 — 2,5 кВт число их уменьшено вдвое. На этих полюсах размещена обмотка добавочных полюсов с небольшим числом витков толстого провода, малого сопротивления с выводами к зажимам с обозначениями Д1 и Д2.

В электродвигателях постоянного тока, предназначенных для тяжелого режима работы, полюсные наконечники имеют пазы, параллельные оси вала, где находится компенсационная обмотка с небольшим числом витков толстого провода и малым сопротивлением с выводами к зажимам с обозначениями К1 и К2.

Учебная модель электродвигателя постоянного тока

Обмотки возбуждения, обмотка добавочных полюсов и компенсационная обмотка выполнены изолированным медным проводом. При проводах значительного сечения обмотку добавочных полюсов выполняют неизолированной медной шиной, навитой спиралью на узкое ребро, с прокладкой изоляции как между витками, так и между ними и самим полюсом.

Мощность на возбуждение магнитного поля электродвигателя постоянного тока в зависимости от ее размеров составляет от 0,5 до 5 % ее номинальной мощности.

Между поверхностями полюсных наконечников и магнитопроводом якоря имеется воздушный зазор, радиальный размер которого в зависимости от номинальной мощности электродвигателя и его быстроходности изменяется обычно от нескольких долей миллиметра до десяти миллиметров.

Устройство электродвигателя постоянного тока: 1 — станина, 2 — главный полюс, 3 — обмотка возбуждения, 4 — полюсный наконечник, 5 — добавочный полюс, 6 — обмотка добавочного полюса, 7 — проводники компенсационной обмотки, 8 — воздушный зазор, 9 — магнитопровод якоря, 10 — проводники обмотки якоря, 11 — щетка, 12 — вал, 13 — коллектор, 14 — лапа.

Якорь барабанного типа — зубчатый цилиндр, укрепленный на валу электродвигателя постоянного тока, собранный из пакетов, составленных из тонких изолированных друг от друга лаком листов электротехнической стали с пазами на наружной поверхности. Между пакетами находятся радиальные вентиляционные каналы, а пазы якоря заполнены изолированными медными проводниками, которые по торцам соединены между собой в секции, входящие в обмотку якоря.

Секция — основной элемент обмотки якоря из одного или нескольких последовательно соединенных витков, начало и конец которых припаяны к двум коллекторным пластинам, в результате чего конец одной секции и начало следующей присоединены к одной и той же коллекторной пластине.

Одно и двухвитковые обмотки якоря электродвигателей постоянного тока: а — петлевой, б — волновой

Соединение секций обмоток якоря электродвигателей постоянного тока: а — петлевой, б — волновой

Коллектор — полый цилиндр из мелких пластин твердотянутой меди трапецеидального сечения, изолированных миканитовыми прокладками и манжетами друг от друга и от вала.

Из технологических соображений обмотку якоря выполняют двухслойной, располагая в каждом пазу его магнитопровода по две стороны различных секций: в верхнем слое одного паза — одну сторону секции, показанную сплошной линией, а в нижнем слое другого паза, находящегося под противоположным главным полюсом, — другую сторону этой же секции, изображенную пунктирной линией. Пазы, где находятся обе стороны одной и той же секции, смещены относительно друг друга на величину, близкую или равную полюсному делению τ — расстоянию по окружности якоря между осями соседних главных полюсов.

Независимо от типа обмотки якоря — петлевой или волновой — она образует замкнутую цепь, разделенную группами неподвижных графитных, угольно-графитных, медно-графитных или бронзово-графитных щеток, прижимаемых пружинами к коллектору, на четное число одинаковых параллельных ветвей по отношению к зажимам обмотки якоря с обозначениями Я1 и Я2. При петлевой, или параллельной, обмотке число параллельных ветвей равно числу главных полюсов электродвигателя, а при волновой, или последовательной, обмотке оно всегда равно двум.

Группы щеток, укрепленных в щеткодержателях, устанавливают равномерно по окружности коллектора перед серединой главных полюсов с тем, чтобы они присоединялись к тем секциям обмотки якоря, которые в данный момент находятся на геометрических нейтралях якоря — неподвижных линиях, проходящих через центр вала машины по осям добавочных полюсов. Геометрические нейтрали расположены по нормалям к магнитным линиям основного поля машины, а число их равно числу пар главных полюсов.

При расположении щеток на коллекторных пластинах, отвечающих секциям обмотки якоря, находящимся на геометрических нейтралях, и холостом ходе электродвигателя, э. д. с, индуктируемые в движущихся проводниках в пределах каждой параллельной ветви обмотки якоря, направлены согласно, а э. д. с. между щетками различной полярности достигает наибольшего значения. При сдвиге щеток по окружности коллектора в любом направлении эта э. д. с. уменьшается, поскольку в параллельно соединенных ветвях обмотки якоря появляются проводники со встречно направленными э. д. с.

Щеткодержатели укреплены на пальцах поворотной щеточной траверсы, от которой они электрически изолированы. С помощью траверсы возможно смещать щетки в небольших пределах по окружности коллектора относительно полюсов при настройке работы щеточного аппарата. Совокупность коллектора и щеток создает скользящий контакт с вращающейся обмоткой якоря.

Число групп щеток с чередующейся полярностью обычно равно числу главных полюсов электродвигателя постоянного тока. Для образования выводов обмотки якоря Я1 и Я2 щетки одинаковых полярностей, находящихся перед серединой соответствующих одноименных главных полюсов, соединяют между собой и от них выводят проводники большого сечения или шины к зажимам с обозначениями Я1 и Я2, которые используют для присоединения к другим обмоткам машины или ко внешней цепи.

На валу электродвигателя постоянного тока со стороны, противоположной коллектору, укреплен вентилятор центробежного типа, который обеспечивает лучшее охлаждение машины. Вал лежит в подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах электродвигателя.

Статьи и схемы

Полезное для электрика

Разделы физики

Журнал "Квант"

Лауреаты премий по физике

PPT. Электродвигатель

Горбацевич С.А. Электродвигатель: от истории изобретения до создания демонстрационной модели своими руками // Фiзiка: праблемы выкладання. — 2010. — № 3. — С. 17-21.

По специальной договоренности с редакцией журнала ФПВ и автором

Содержание

История изобретения

Уже на первом этапе развития человек стал применять искусственные орудия труда. С появлением производства начинают складываться условия для возникновения и совершенствования машин. Сначала машины, как и орудия труда, лишь помогали человеку в его деятельности, затем стали постепенно заменять его.

В феодальный период истории впервые в качестве источника энергии была использована сила водяного потока. Движение воды вращало водяное колесо, которое, в свою очередь, приводило в действие различные механизмы. В этот период появилось множество разнообразных технологических машин. Однако широкое их распространение часто тормозилось из-за отсутствия рядом водяного потока. Нужно было искать новые источники энергии, чтобы приводить в действие машины в любой точке земной поверхности. Пробовали энергию ветра, но это оказалось недостаточно эффективным. Стали искать другие источники энергии.

Обратились к энергии пара. Паровой двигатель приводил в движение многочисленные машины и станки на фабриках и заводах. В начале XIX века были изобретены первые сухопутные паровые транспортные средства — паровозы. Но паровые машины были сложными, громоздкими и дорогими установками. Бурно развивающемуся механическому транспорту нужен был другой двигатель — небольшой и дешёвый.

В 1860 году француз Ленуар, использовав конструктивные элементы паровой машины, газовое топливо и электрическую искру для зажигания, сконструировал первый нашедший практическое применение двигатель внутреннего сгорания.

Все эти двигатели требовали топлива, и учёные не оставляли попыток изобрести двигатель, работающий на электричестве, — электродвигатель, бесшумный и небольшой. История создания электродвигателя — сложная и длинная цепь открытий, находок, изобретений.

Первый этап развития электродвигателя (1821-1832) тесно связан с созданием физических приборов для демонстрации непрерывного преобразования электрической энергии в механическую.

В 1821 году М. Фарадей, исследуя взаимодействие проводников с током и магнитом, показал, что электрический ток вызывает вращение проводника вокруг магнита или вращение магнита вокруг проводника. Опыт Фарадея подтвердил принципиальную возможность построения электрического двигателя.

Для второго этапа развития электродвигателей (1833-1860) характерны конструкции с вращательным движением якоря.

Томас Дэвенпорт — американский кузнец, изобретатель, в 1833 году сконструировал первый роторный электродвигатель постоянного тока, создал приводимую им в движение модель поезда. В 1837 году он получил патент на электромагнитную машину.

В 1834 году Б. С. Якоби создал первый в мире электрический двигатель постоянного тока, в котором реализовал принцип непосредственного вращения подвижной части двигателя. В 1838 году этот двигатель (0,5 кВт) был испытан на Неве для приведения в движение лодки с пассажирами, т. е. получил первое практическое применение.

Испытания различных конструкций электродвигателей привели Б. С. Якоби и других исследователей к следующим выводам:

• расширение применения электродвигателей находится в прямой зависимости от удешевления электрической энергии, т. е. от создания генератора, более экономичного, чем гальванические элементы;
• электродвигатели должны иметь по возможности малые габариты, большую мощность ибольший коэффициент полезного действия;
• этап в развитии электродвигателей связан с разработкой конструкций с кольцевым неявнополюсным якорем и практически постоянным вращающим моментом.

Третий этап развития электродвигателей характеризуется открытием и промышленным использованием принципа самовозбуждения, в связи с чем был окончательно осознан и сформулирован принцип обратимости электрической машины. Питание электродвигателей стало производиться от более дешёвого источника электрической энергии — электромагнитного генератора постоянного тока.

В 1886 году электродвигатель постоянного тока приобрёл основные черты современной конструкции. В дальнейшем он всё более и более совершенствовался.

В настоящее время трудно представить себе жизнь человечества без электродвигателя. Он используется в поездах, троллейбусах, трамваях. На заводах и фабриках стоят мощные электрические станки. Электромясорубки, кухонные комбайны, кофемолки, пылесосы — всё это используется в быту и оснащено электродвигателями.

Электродвигатели разной мощности (750 Вт, 25 Вт, к СБ-плееру, к игрушке, к дисководу)

Стандартный модельный электродвигатель 540-го класса

Важность этого открытия очевидна: электроэнергия стала в наше время доступной и дешёвой. Благодаря сети электропроводов её можно подвести фактически в любую точку земного шара.

Устройство электродвигателя

Электрический двигатель — это электрическая машина, в которой электрическая энергия преобразуется в механическую. Побочным эффектом является выделение тепла.

Устройство двигателя постоянного тока (ДПТ)

Двигатель состоит из якорной обмотки (ротора с якорной обмоткой), статора, щёточного узла. ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определённых условиях способны работать как генераторы.

Устройство простейшего коллекторного двигателя постоянного тока с двухполюсным статором и с двухполюсным ротором

Коллекторный двигатель постоянного тока с двухполюсным статором и с трёхполюсным ротором

На статоре ДПТ располагаются в зависимости от конструкции: постоянные магниты, обмотки возбуждения — катушки, наводящие магнитный поток возбуждения.

Двигатели постоянного тока различаются по способу коммутации обмоток возбуждения. Вид подключения обмоток возбуждения существенно влияет на тяговые и электрические характеристики электродвигателя. Существуют схемы независимого, параллельного, последовательного и смешанного включения обмоток возбуждения.

Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на одну из которых подаётся питание в зависимости от угла поворота ротора относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек необходимо для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (т. е. создания максимального момента на роторе).

Выводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов, расположенных по оси ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

Щёточный (коллекторно-щёточный) узел

Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый). Щётки часто размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора, как следствие — при работе ДПТ происходят переходные процессы в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает ресурс ДПТ. Искрение уменьшают выбором взаимного положения полюсов ротора относительно статора (снижая ток коммутации), а также подключением внешних реактивных элементов (конденсаторов).

При больших токах в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или круговым огнём. Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора, и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора.

Принцип работы

В электродвигателях происходит следующее явление: электрический ток, протекая через провода статора, создаёт магнитное поле перпендикулярно магнитному полю ротора. Суммарное магнитное поле статора и ротора и создает вращающий момент ротора.

С помощью механических приспособлений движение ротора можно передать трансмиссии, станку, эскалатору метро и другим механизмам.

Таким образом, для создания простейшей демонстрационной модели электродвигателя необходимо иметь в наличии: источник тока, магнит, проводник. Виток проводника, помещённый в магнитное поле, начинает движение поперёк силовых линий магнитного поля.

Практические работы для учащихся

Предлагаем два варианта самодельных электродвигателей.

На рисунке представлена схема простого самодельного электродвигателя. Для его изготовления необходимо к отрицательному полюсу источника тока «примагнитить» неадимовый магнит. Далее из медной проволоки следует изготовить рамку в виде сердечка и уравновесить её на положительном полюсе источника тока так, чтобы концы рамки касались магнита (самая тонкая операция, требующая терпения). Как только у вас это получится, рамка начнёт вращаться. Полагаем, что многие захотят смастерить подобный электродвигатель.

На вертикально стоящий источник питания положите два керамических магнита. На полюсах источника закрепите зажимы типа «крокодил» или канцелярские скрепки. В отверстия этих зажимов или скрепок вставьте выводы катушки, содержащей примерно 7—12 витков медного провода в изоляции. Изоляция выводов снята так, чтобы электрическое соединение было обеспечено, когда плоскость катушки совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

В предлагаемой модели есть все элементы настоящего электродвигателя: источник тока, статор, ротор и коллектор. Более того, каждый при желании может смастерить подобную модель электродвигателя.

Рассмотренные конструкции электродвигателей объединяет общеизвестная теория и методика. Однако важно отметить, что совершенствование учебных приборов идёт в направлении их доступности для учителя и ученика.

Список использованной литературы

1. Донат, Б. Физика в играх / Б. Донат. — М.-Л. Детгиз, 1937.
2. Льоцци, М. История физики / М. Льоцци. — М. Мир, 1970.
3. Покровский, С. Ф. Наблюдай и исследуй сам / С. Ф. Покровский. — М. Просвещение, 1966.
4. Шателен, М. А. Русские электротехники XIX века / М. А. Шателен. — М.-Л. Госэнергоиздат, 1955.
5. http://www.youtybe.com/

Источники: http://diplomka.net/publ/dvigateli_postojannogo_toka_ustrojstvo_princip_dejstvija/12-1-0-132, http://electricalschool.info/spravochnik/maschiny/477-ustrojjstvo-jelektrodvigatelja.html, http://www.physbook.ru/index.php/PPT._Электродвигатель