Устройство машины постоянного тока

Электротехническая промышленность выпускает электрические машины постоянного тока большой номенклатуры по мощности и конструктивному исполнению, поэтому, несмотря на некоторые различия в конструкции отдельных сборочных единиц и деталей, их устройство одинаково. Основным типом машины постоянного тока является коллекторная, отличительным признаком которой служит наличие коллектора на валу якоря машины. На статоре машины помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения имеются добавочные полюсы.
Электрическая машина постоянного тока (рис. 1) состоит из статора, якоря, коллектора, щеточного аппарата и подшипниковых щитов.

Рис. 1. Устройство электрической машины постоянного тока:
1 — коллектор, 2 — щетки, 3, 9 — сердечник и обмотка якоря, 4 — главный полюс, 5 — катушка обмотки возбуждения, 6 — станина (корпус), 7 — подшипниковый щит, 8 — вентилятор, 10 — вал

Статор состоит из станины 6, главных полюсов 4 и добавочных полюсов (на рисунке не показаны) с соответствующими катушками. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитной цепи, поскольку через нее замыкается магнитный поток машины. Поэтому станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. По окружности станины расположены отверстия для крепления полюсов.

a)

б)

Главные полюса (рис. 2) выполняют шихтованными из стальных штампованных листов стали толщиной 1 или 2 мм, а добавочные — массивными или также шихтованными. Стальные листы сердечника 2 полюсов спрессованы и скреплены заклепками 4, головки которых утоплены в нажимные щеки 5, установленные на торцах каждого полюса. Шихтованными могут изготовляться только наконечники главных полюсов, так как при вращении зубчатого якоря из-за пульсации магнитного потока в воздушном зазоре в них возникают вихревые токи и происходят потери мощности. Однако, исходя из технологического удобства изготовления полюсов, их обычно делают шихтованными.
Полюсы крепят к станине болтами: нарезку резьбы для болтов выполняют непосредственно в шихтованном сердечнике 2 полюса (рис. 2, а) либо в массивных стальных стержнях 6 (рис. 2, б), вставленных в выштампованные отверстия в полюсах.
Магнитное поле в машине создается намагничивающей силой обмотки возбуждения, выполняемой в виде полюсных катушек, надетых на сердечники главных полюсов. Для уменьшения искрения под щетками и предупреждения таким образом подгара пластин коллектора и образования на его поверхности «кругового огня» машина снабжена добавочными полюсами с катушками, установленными на их сердечниках. Добавочные полюсы размещают между главными полюсами и крепят к станине болтами.
Обмотки главных и добавочных полюсов (рис. 3, а, б) изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения.

Рис. 3. Обмотки полюсов: а — главного, б — добавочного;
1— катушка обмотки, 2, 4 — сердечники главного и добавочного полюсов, 3 — опорный угольник, 5 — обмотка добавочного
полюса

Обмотки добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, поэтому сечение их проводов рассчитано на рабочий ток машины.
В некоторых мощных машинах постоянного тока обмотку полюса выполняют из нескольких секций с установкой между ними дистанционных шайб из изолированных материалов, образующих вентиляционные каналы.
Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря собран из штампованных листов электротехнической стали (рис. 4) с выштампованными в них вырезами определенной формы, образующими в собранном сердечнике пазы для укладки в них обмотки якоря. Листы сердечника обычно изолированы с двух сторон тонкой пленкой лака, но могут быть и оксидированы. Собранные в общий пакет листы образуют сердечник, насаженный на вал якоря и закрепленный на нем нажимными шайбами. Такая конструкция позволяет уменьшить потери энергии в сердечнике от действия вихревых токов, возникающих в результате его перемагничивания при вращении якоря в магнитном поле. Для лучшего охлаждения машины в сердечниках якоря обычно имеются вентиляционные каналы для охлаждающего воздуха.
Сердечник, в пазы которого уложена секция обмотки якоря, показан на рис. 5.

Рис. 4. Стальной лист сердечника якоря: 1 — зубец, 2 — изоляция, 3 — паз

Рис. 5. Расположение секции обмотки якоря в пазах сердечника

Обмотка якоря выполняется из медных проводов круглого или прямоугольного сечения и состоит из заранее заготовленных секций, концы которых припаивают к петушкам пластин коллектора. Обмотку делают двухслойной: размещают в каждом пазу две стороны различных якорных катушек — одну поверх другой. Для прочного закрепления проводов обмотки якоря в пазах используют деревянные, гетинаксовые или текстолитовые клинья. Деревянные клинья, широко применявшиеся в электродвигателях старых конструкций, не обеспечивают надежного крепления обмотки в пазах сердечника, поскольку при высыхании настолько уменьшаются в объеме, что могут выпасть из паза. В некоторых конструкциях машин пазы не расклинивают, а обмотку крепят бандажом.
Бандаж выполняют из немагнитной стальной проволоки, наматываемой с предварительным натяжением. Лобовые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателю также с помощью бандажа. В современных машинах для бандажирования якорей используют стеклоленту.
Коллектор машины постоянного тока собран из клинообразных пластин холоднокатаной меди, изолированных друг от друга прокладками из коллекторного миканита. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в форме «ласточкина хвоста», служащие для закрепления медных пластин и миканитовой изоляции.

Рис. 6. Коллекторы электрических машин постоянного тока:
а — на пластмассе, б — с нажимными конусами;
1,6 — пластины коллектора, 2 — пластмасса, 3 — втулка, 4, 7 — нажимные конусы, 5 — изоляционная манжета, 8 — стяжной винт

По способу закрепления комплекта медных и миканитовых пластин различают коллекторы на пластмассе (рис. 6, а) и со стальными нажимными конусами и втулкой (рис. 6, б). Коллекторы крепят нажимными конусами двумя способами: при одном из них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность «ласточкина хвоста», а при другом — на «ласточкин хвост» и конец пластины, при этом пластины закрепляют враспор.
Коллекторы с первым способом крепления называют арочными, а вторым способом — клиновыми. Чаще всего применяют арочные коллекторы, поскольку при ослаблении давления между их пластинами из-за усадки межпластинной миканитовой изоляции эти коллекторы можно подпрессовывать, восстанавливая таким образом необходимое сжатие пластин и прочность коллекторов.
Щеточный аппарат (рис. 7) состоит из траверсы, щеточных пальцев и щеткодержателей.

Рис. 7. Щеточный аппарат электрической машины постоянного
тока:
а— траверса, б, в — радиальные щеткодержатели, г — реактивный щеткодержатель;
1—пальцы (бракеты), 2 — рычаг, 3, 8, 15 — пружины, 4 — корпус, 5, 11 — щетки, 6 — обойма, 7 — фарфоровый наконечник, 9 — хомутик, 10 — штифт, 12 — стенка обоймы, 13 — храповик,
 14 — колечко пружины

Траверса (рис. 7, а) служит для крепления на ее щеточных пальцах щеткодержателей
(рис. 7, б, в, г), создающих необходимую электрическую цепь. Щеткодержатель состоит из обоймы и нажимного устройства, обеспечивающего прилегание щетки к коллектору с необходимым усилием. Давление (0,02— 0,04 МПа) на щетку должно быть отрегулировано так, чтобы был плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором.
В машинах постоянного тока применяют щеткодержатели двух типов: радиальные, у которых ось щетки совпадает с продолжением радиуса коллектора (рис. 7, б, в), и реактивные, у которых ось щетки расположена под углом к продолжению радиуса коллектора в сторону его вращения (рис. 7, г).
Щетка (рис. 8) представляет собой прямоугольный брусок из композиций, выполненных на основе графита. Она снабжена гибким медным канатиком 1, один конец которого заармирован в щетку, а другой, свободный, снабжен наконечником 2 для присоединения к щеточному аппарату. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами, подключенными к выводам машины.
Применяемые в машинах постоянного тока щетки имеют маркировку, характеризующую их состав и физические свойства. Щетки, используемые в машинах общепромышленного назначения, подразделяют на три основные группы: графитные, угольно-графитные и медно-графитные. В целях нормальной работы и продления срока службы коллектора следует применять для каждой машины щетки только той марки, которая определена заводом-изготовителем с учетом мощности, конструкции, условий работы и электрической характеристики машины.
Подшипниковые щиты электрических машин служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается в подшипниках, установленных в щитах.
В электрических машинах постоянного тока применяют, различные подшипниковые щиты, отличающиеся друг от друга формой, размером и материалом, из которого они изготовлены. Однако, несмотря на большое разнообразие конструкций подшипников, щиты можно разделить по назначению на два основных вида: обычные и фланцевые для установки и крепления непосредственно на исполнительном механизме.
В ряде случаев электрические машины постоянного тока могут иметь комбинированную систему крепления, т. е. станину с лапами для установки и крепления на опорной конструкции и одновременно фланцевый подшипниковый ; щит для крепления па исполнительном механизме.
Подшипниковые щиты электрических машин постоянного тока изготовляют методом литья (преимущественно из стали, реже из чугуна и сплавов алюминия), а также сварки или штамповки. В центре щита имеется расточка под подшипник, в которой устанавливают шариковый или роликовый подшипник качения. В мощных машинах постоянного тока в ряде случаев используют подшипники скольжения.