Конструктивное решение двигателя постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Конструктивная схема машины

2. Описание конструкции в статике

3. Описание машины в динамике

4. Описание конструкций не стандартных деталей, элементов и узлов

Заключение

Список литературы

Введение

Электрические машины служат для преобразования механической энергии в электрическую, электрической энергии в механическую, а также для преобразования частоты переменного тока, одного рода тока в другой, например, постоянного тока в переменный, постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения.

По роду тока электрические машины разделяются на машины постоянного и переменного тока.

В данной курсовой работе рассматривается двигатель постоянного тока.

Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Поэтому их широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, реликовые-транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы), на морских и речных судах, в металлообрабатывающей, бумажной, текстильной, полиграфической промышленности и др. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, а также как источники электрической энергии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения различных электрических потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.

Недостатком машин постоянного тока является наличие щеточно-коллекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины. Поэтому в последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте - синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

1. Конструктивная схема машины

Обозначения:

1. Люковая крышка

2. Коллекторная пластина

3. Крепление коллектора пластмассой

4. Кольцо для размещения балансировочных грузов

5. Траверса

6. Передний подшипниковый щит

7. Вал

8. Обмоткодержатель

9. Бандаж лобовых частей обмотки якоря

10. Катушка добавочного полюса

11. Сердечник добавочного полюса

12. Станина

13. Рым

14. Сердечник якоря

15. Сердечник главного полюса

16. Катушка главного полюса

17. Вентилятор

18. Задний подшипниковый щит

19. Свободный конец вала

20. Паз якоря

21. Соединительные провода (выводы) от обмоток к доске выводов

22. Коробка выводов.

2. Описание конструкции в статике

На рисунке приведен чертеж современной машины постоянного тока с продольным и поперечным разрезами. Статор состоит из станины 12 и прикрепленных к ней главных 16 и дополнительных 10 полюсов. Станину машин относительно небольшой мощности изготовляют из отрезков цельнотянутых труб, а у более крупных машин выполняют сварной из толстолистового стального проката. Для закрепления машины на фундаменте или исполнительном механизме к нижней части станины приваривают лапы, а для возможности транспортировки в станину ввертывают рым-болты 13.

Сердечники главных полюсов собирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 1 мм. Листы спрессовывают в пакет и скрепляют стальными заклепками, число которых принимают не менее четырех. Крайние листы полюса выполняют из более толстой стали (4-10 мм) во избежание распушения листов.

Для того чтобы получить необходимый характер распределения магнитного поля в воздушном зазоре, полюс заканчивают полюсным наконечником определенной формы. Воздушный зазор между полюсами и якорем или выполняют одинаковым по всей ширине полюсного наконечника, или под краями наконечника вследствие его скоса делают больше. Иногда выполняют эксцентричный воздушный зазор, при котором центры радиусов якоря и наконечника полюса не совпадают. Зазор при этом постепенно увеличивается от середины к краю полюса.

На сердечнике полюса размещают обмотку возбуждения. Обмотку возбуждения изготовляют в виде катушек из медных изолированных проводников круглого или прямоугольного сечения. Катушки изолируют лентой, после пропитки и сушки насаживают на сердечник полюса и закрепляют стальными пружинящими рамками. Иногда для увеличения поверхности охлаждения катушку делят на две части. Полюс с надетой на него катушкой прикрепляют к станине болтами. Болты ввертывают в полюс, в теле которого предусматривают отверстия с резьбой. Для более надежного крепления полюса у крупных машин и машин, работающих в условиях тряски, болты вворачивают в специальный стержень 13, вставленный в полюс. электрическая машина постоянный конструкция

Якорь состоит из сердечника 14, обмотки 8 и коллектора 2. Сердечник якоря выполняют из одного или нескольких пакетов, которые собирают из листов, вырубаемых из электротехнической стали. После штамповки листы лакируют. При длине сердечника менее 25 см его изготовляют из одного пакета, а при большей длине - из нескольких. Между пакетами с помощью специальных распорок образуют вентиляционные каналы, предназначенные для лучшего охлаждения якоря.

В листах якоря вырубают пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Собранный сердечник якоря спрессовывают между двумя нажимными шайбами и закрепляют на валу втулкой либо пружинным разрезным кольцом.

Укладка обмотки в пазы обеспечивает надежное ее закрепление на вращающемся якоре и уменьшает воздушный зазор. Форму пазов выбирают овальной полузакрытой для машин небольшой мощности и прямоугольной открытой для машин средней и большой мощности. Между стенками паза и проводниками обмотки укладывают изоляцию (пазовая изоляция). Обмотку в пазу закрепляют клином из стеклотекстолита или бандажами, располагаемыми в кольцевых канавках сердечника якоря. Вне пазов (в лобовых частях) обмотку закрепляют бандажами (позиция 9) из проволоки или стеклоленты.

Станина, сердечники полюса и якоря являются участками магнитопровода, по которым замыкается магнитный поток, созданный обмотками возбуждения. Для уменьшения магнитного сопротивления по пути этого потока все указанные участки выполняют из стали, имеющей улучшенные магнитные характеристики. Для уменьшения магнитного сопротивления воздушный зазор между якорем и полюсами стараются брать меньше. Обычно он составляет доли миллиметра у небольших машин и несколько миллиметров у машин большей мощности. При вращении якоря его сердечник будет перемагничиваться, в нем будут индуцироваться переменные (вихревые) токи, которые будут вызывать потери. Для снижения потерь от вихревых токов сердечник, как указывалось, собирают из отдельных листов. Из-за зубчатого строения якоря поток в зазоре будет пульсировать, в результате чего в полюсном наконечнике также будут наводиться вихревые токи, для уменьшения которых наконечник и весь полюс собирают из отдельных листов. Коллектор состоит из большого числа электрически изолированных друг от друга пластин, которые штампуют из профильной меди. Изоляцию осуществляют тонкими прокладками, вырубленными из миканита (прессованной слюды), которые закладывают между медными пластинами. Прокладки имеют форму пластин. Набор коллекторных пластин с прокладками должен быть прочно закреплен и иметь строго цилиндрическую форму. По способу крепления пластин существует большое многообразие конструкций коллекторов. Коллекторные пластины зажимают между корпусом и нажимным фланцем. Корпус и нажимной фланец выполняют из стали, а для изоляции на них надевают миканитовые манжеты. В настоящее время для машин небольшой и средней мощности наибольшее применение находят коллекторы на пластмассе.

Собранный коллектор насаживают на вал и закрепляют от проворачивания шпонкой. К каждой коллекторной пластине подсоединяют проводники от секций, из которых состоит обмотка якоря. Для возможности подсоединения проводников у коллекторных пластин со стороны, обращенной к якорю, выполняют выступы, называемые петушками, в которых фрезеруют шлицы. В эти шлицы закладывают и затем запаивают проводники обмоток.

По коллектору скользят щетки, которые размещаются в щеткодержателях. Щеткодержатели выполнены с радиальным или наклонным по отношению к поверхности коллектора перемещением щетки. Наиболее распространенными являются щеткодержатели с радиальным перемещением щетки. Наклонные (реактивные) щеткодержатели применяют для машин с односторонним направлением вращения. Щетки прижимаются к коллектору пружинами. Щеткодержатели закрепляют на цилиндрических или призматических пальцах, которые в свою очередь закрепляют на траверсе 5. Пальцы выполняют из гетинакса либо из стали, опрессованной пластмассой в месте сочленения с траверсой. Обычно число пальцев выбирают равным числу полюсов. При работе машины может наблюдаться искрение щеток. Для улучшения работы щеточного узла в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы. Сердечники дополнительных полюсов выполняют цельными из толстолистовой стали или собранными из листов электротехнической стали толщиной 1 мм. На сердечниках размещают катушки обмотки дополнительных полюсов. Дополнительные полюсы располагают между главными полюсами и прикрепляют к станине болтами. Якорь вращается в подшипниках, которые размещаются в подшипниковых щитах 16 и 18.

В последнее время наметилась тенденция собирать статор двигателей постоянного тока из отдельных листов электротехнической стали. Штамп в листе одновременно вырубает ярмо, пазы, главные и дополнительные полюсы.

3. Описание машины в динамике

Машина постоянного тока имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По этой обмотке проходит постоянный ток, который создает магнитное поле возбуждения. На роторе расположена двухслойная обмотка, в которой при вращении ротора индуцируется ЭДС. Таким образом, ротор машины постоянного тока является якорем, а конструкция машины сходна с конструкцией обращенной синхронной машины.

При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление ЭДС одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. Иными словами, характер, отображающий направление ЭДС, неподвижен во времени: в проводниках, расположенных выше 'горизонтальной оси симметрии, которая разделяет полюсы (геометрическая нейтраль), ЭДС всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, ЭДС направлена в противоположную сторону.

При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; ЭДС, индуцируемая в них, изменяет знак, т. е. в каждом проводнике наводится переменная ЭДС. Однако количество проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом суммарная ЭДС, индуцируемая в проводниках, находящихся под одним полюсом, также неизменна по направлению и приблизительно постоянна по величине. Эта ЭДС снимается с обмотки якоря с помощью скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.

Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной. При отсутствии внешней нагрузки ток по обмотке не проходит, так как ЭДС, индуцируемые в различных частях обмотки, взаимно компенсируются.

Если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам прикладывается напряжение U, равное ЭДС Е, индуцированной в каждой из половин обмоток. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. При большом количестве проводников пульсации напряжения весьма незначительны.

При подключении к щеткам сопротивления нагрузки через обмотку якоря проходит постоянный ток, направление которого определяется направлением ЭДС. В обмотке якоря ток разветвляется и проходит по двум параллельным ветвям.

Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было вначале развития электромашиностроения), а по коллектору, выполняемому в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков; эту часть называют секцией обмотки якоря.

Если машина работает в генераторном режиме, то коллектор вместе со скользящими по его поверхности щетками является выпрямителем. В двигательном режиме, когда к якорю подводится питание от источника постоянного тока и он преобразует электрическую энергию в механическую, коллектор со щетками можно рассматривать как преобразователь частоты, связывающий сеть постоянного тока с обмоткой, по проводникам которой проходит переменный ток. Таким образом, главной особенностью машины постоянного тока является наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью.

4. Описание конструкций не стандартных деталей, элементов и узлов

Щётки. Щетка 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.

Рис.: а - машин малой и средней мощности, б - машин большой мощности; 1 - щеточный канатик, 2 - наконечник

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.

Щёткодержатели. По цилиндрической части коллектора скользят щетки, установленные в щеткодержателях. Щеткодержатели укрепляют на щеточных пальцах и изолируют от них. Щеточные пальцы, в свою очередь, крепят либо к подшипниковому щиту, либо к траверсе, которая позволяет при необходимости поворачивать всю систему щеток относительно полюсов машины. В машинах малой мощности часто применяют трубчатые щеткодержатели, устанавливаемые непосредственно в подшипниковом щите.

Рис. Щеткодержатель со щеткой: 1 - обойма щеткодержателя; 2 - щетка; 3 - нажимная пружина; 4 - токоведущий кабель; 5 - колодки для крепления к пальцу

Якорь. Сердечник якоря, так же как в синхронной машине, собирают из изолированных листов электротехнической стали. Обмотку якоря изготовляют из провода круглого или прямоугольного сечения; обычно она состоит из отдельных, заранее намотанных, якорных катушек, которые обматывают изоляционными лентами и укладывают в пазы сердечника якоря.

Рис. Якорь машины постоянного тока: 1 - сердечник; 2 - бандажи; 3 - коллектор

Обмотку выполняют двухслойной; в каждом пазу укладывают две стороны различных якорных катушек - одну поверх другой. Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы которых припаивают к соответствующим коллекторным пластинам; секции могут быть одно- и многовитковыми.

Коллектор. Обычно коллектор выполняют в виде цилиндра, собранного из клинообразных пластин твердотянутой меди; между пластинами располагают изоляционные прокладки из слюды или миканита. Узкие края коллекторных пластин имеют форму ласточкина хвоста; после сборки коллектора их зажимают между корпусом и нажимным фланцем и изолируют манжетами из миканита. Секции обмотки якоря впаивают в прорези, имеющиеся в выступающей части коллекторных пластин.

В машинах малой и средней мощности широко применяют коллекторы, в которых медные пластины и миканитовые прокладки запрессованы в пластмассу. Поверхность собранного коллектора обтачивают на токарном станке и тщательно шлифуют. Чтобы миканитовые прокладки при срабатывании коллектора не выступали над пластинами и не вызывали вибрации щеток, их профрезеровывают на 0,8-1,5 мм ниже поверхности коллектора.

Рис. Коллектор машины постоянного тока с металлическим (а) и пластмассовым (б) корпусами: 1 - корпус; 2-нажимной фланец; 3 - изоляционные манжеты; 4 - коллекторные пластины; 5 - пластмасса; 6-запирающее кольцо; 7 - бандаж

Пазы машины. Электрическая изоляция обмотки - наиболее ответственный элемент электрической машины, в значительной степени определяющий ее габариты, вес, стоимость и надежность.

Пазовые стороны обмотки статора расположены в пазах, которые могут быть полузакрытыми (а), полуоткрытыми (б) и открытыми (в). Перед укладкой проводников 4 обмотки поверхность паза прикрывают пазовой (корпусной) изоляцией 2 в виде пазовой коробочки. Этот вид изоляции должен иметь не только достаточную электрическую, но и необходимую механическую прочность, так как на него действуют значительные механические силы, возникающие в процессе работы машины, а особенно в процессе укладки (уплотнения) проводников обмотки в пазах. В нижней части паза располагают прокладку 1.

Рис. Пазы машин постоянного тока: а - овальный; б - прямоугольный; 1 - проводники; 2 - изоляция; 3 - клин

Электрическая изоляция проводников друг от друга обеспечивается витковой изоляцией, в качестве которой в машинах напряжением до 660 В используют изоляцию обмоточных проводов, а при напряжении 6000 В и выше эта изоляция требует усиления на каждом проводнике специальной витковой изоляцией.

В двухслойных обмотках между слоями укладывают прокладку 3. Паз закрывают клином 6, под который обычно также кладут изоляционную прокладку 5.

Способ изоляции паза и применяемые изоляционные материалы зависят от типа обмотки, ее рабочего напряжения и температуры перегрева. При выборе электроизоляционных материалов для изоляции паза необходимо, чтобы все материалы имели одинаковую нагревостойкость.

Форма исполнения и способ монтажа, степень защиты и способы охлаждения. Электрические машины различают по способу монтажа и конструкции, климатическому исполнению, степени защиты, способу охлаждения.

Машины серии П рассчитаны на продолжительный (S1) режим работы на высоте над уровнем моря до 1000 м при температуре окружающего воздуха от 5 до 40 °С и относительной влажности воздуха до 80 % при температуре 25 °С и при более низких температурах без конденсации влаги, поэтому изготавливались со степенями защиты от воздействия окружающей среды IP20 и IP54.

По способу охлаждения различают машины с самовентиляцией, с естественным охлаждением, с независимой вентиляцией от пристроенного вентилятора типа "Наездник" (только для машин 4-11-го габаритов), с независимой вентиляцией и подводом воздуха по трубам (только для машин 7-11-го габаритов).

Структура условного обозначения машин серии П:

где 1 - П - название серии;

2 - исполнение по способу охлаждения: буква Б - закрытое с естественным охлаждением; Р - закрытое с воздухоохладителем, пристроенным наверху машины, в обозначении машин защищенного исполнения буква отсутствует;

3 - условный габарит (с 1-го по 11-й);

4 - условная длина сердечника якоря (1 или 2);

5 - климатическое исполнение и категория размещения.

Машины постоянного тока серии П применяются в качестве двигателей и генераторов в различных отраслях промышленности, но выпуск машин серии П прекращен, поэтому в новых разработках машины этой серии не применяются.

Список литературы

1. Н.М. Перельмутер. "Электромонтёр-обмоточник и изолировщик". Москва. "Высшая школа". 1980 г.

2. Д.Э. Брускин. А.Е. Зохорович. В.С. Хвостов. "Электрические машины". Москва. "Высшая школа". 1987 г.

3. М.М. Кацман. "Электрические машины". Москва. "Высшая школа". 1990 г.

4. В.Б. Атабеков. "Ремонт трансформаторов, электрических машин и аппаратов". Москва. "Высшая школа". 1988 г.

Размещено на Allbest.ru