Коллекторные машины постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Казанский национальный исследовательский технологический университет

Реферат

на тему: Коллекторные машины постоянного тока

Выполнила:

Ефимова.М.Н

Казань 2014

1. Коллекторный электродвигатель постоянного тока

Самые маленькие двигатели данного типа (единицы Ватт) содержат в корпусе:

· трёхполюсной ротор на подшипниках скольжения;

· коллекторный узел из двух щёток -- медных пластин;

· двухполюсной статор из постоянных магнитов.

Применяются, в основном, в детских игрушках (рабочее напряжение 3-9 вольт).

Более мощные двигатели (десятки Ватт), как правило, имеют

· многополюсный ротор на подшипниках качения;

· коллекторный узел из четырёх графитовых щёток;

· четырёхполюсный статор из постоянных магнитов.

Именно такой конструкции большинство электродвигателей в современных автомобилях (рабочее напряжение 12 или 24 Вольт): привод вентиляторов систем охлаждения и вентиляции, «дворников», насосов омывателей.

Двигатели мощностью в сотни Ватт, в отличие от предыдущих, содержат четырёхполюсный статор из электромагнитов. Обмотки статора могут подключаться несколькими способами:

1. последовательно с ротором (так называемое последовательное возбуждение),

· преимущество: большой максимальный момент,

· недостаток: большие обороты холостого хода, способные повредить двигатель.

2. параллельно с ротором (параллельное возбуждение)

· преимущество: большая стабильность оборотов при изменении нагрузки,

· недостаток: меньший максимальный момент

3. часть обмоток параллельно с ротором, часть последовательно (смешанное возбуждение)

· до некоторой степени совмещает достоинства предыдущих типов, пример -- автомобильные стартёры.

4. отдельным источником питания (независимое возбуждение)

· характеристика аналогична параллельному подключению, однако обычно может регулироваться. Пример -- тяговые двигатели некоторых электровозов.

Общие достоинства коллекторных двигателей постоянного тока -- простота изготовления, эксплуатации и ремонта, достаточно большой ресурс, простота регулмрования.

К недостаткам можно отнести то, что эффективные конструкции (с большим КПД и малой массой) таких двигателей являются низкомоментыми и быстроходными (сотни и тысячи оборотов в минуту), поэтому для большинства приводов (кроме вентиляторов и насосов) необходимы редукторы.

Это утверждение не вполне верно, но обоснованно. Электрическая машина, построенная на низкую скорость, вообще имеет заниженный КПД и связанные с ним проблемы охлаждения. Скорее всего, проблема лежит так, что изящных решений для неё нет.

1.1 Универсальный коллекторный электродвигатель

Универсальный коллекторный электродвигатель (УКД) -- разновидность коллекторной машины постоянного тока, которая может работать и на постоянном, и на переменном токе.

Получил большое распространение в ручном электроинструменте и в некоторых видах бытовой техники из-за малых размеров, малого веса, лёгкости регулирования оборотов, относительно низкой цены.

Широко использовался на железных дорогах Европы и США как тяговый электродвигатель.

Усторйство машины пстоянного тока с щеточно-коллекторным узлом.

Рис.1. Устройство машины постоянного тока (1 - вал якоря; 2 - передний подшипниковый щит; 3 - коллектор; 4 - щеточный аппарат; 5 - якорь; 6 - главный полюс; 7 - катушка возбуждения; 8 - станина; 9 - задний подшипниковый щит; 10 - вентилятор; 11 - бандажи; 12 - лапы; 13 - подшипник)

Машина постоянного тока состоит следующих основных частей: неподвижной части - статора; вращающейся части - якоря; двух подшипниковых щитов, на которые опирается вал якоря и щеточного аппарата.

Статор состоит из станины 8 и главных полюсов 6:

Станина (корпус) служит для крепления главных полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода. Станину изготавливают из ферромагнитного материала (обычно стали) из трубы или литой. Станина имеет лапы 12 для крепления машины. На станине обычно имеется коробка выводов, на зажимы которой выведены концы обмоток.

Главные полюса предназначены для создания основного магнитного потока и состоят из шихтованного (набранного из листовой электротехнической стали) сердечника 2 и катушки возбуждения 3. Шихтованный сердечник необходим для ослабления вихревых токов. Нижнюю, более широкую, часть сердечника полюса называют полюсным наконечником.

Рис.1.1. Главные полюса (правый- с бескаркасной полюсной катушкой; левый - с каркасной полюсной катушкой)

На машинах постоянного тока полюсные катушки делают бескаркасными - намоткой медного провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку. В большинстве машин (мощностью более 1 кВт) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник полюса.

Якорь 5 состоит из вала 1, на который установлен шихтованный сердечник, в пазы которого уложена обмотка. На валу так же установлен коллектор, к которому присоединена обмотка якоря. Лобовые части обмотки якоря крепятся бандажами 11. Бандаж может быть проволочным, из стальной ленты или из стеклоленты. На валу якоря установлено вентиляторное колесо 10.

Сердечник якоря является частью магнитной цепи и выполняется из отдельных листов электротехнической стали. Листы покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Такая конструкция сердечника позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Пазы закрывают клиньями из текстолита или гетинакса.

Коллектор предназначен для преобразования переменной ЭДС в постоянную - в генераторе и постоянный ток в переменный - в двигателе.

Рис.1.3. Устройство коллектора с конусными шайбами

Основными элементами коллектора являются медные коллекторные пластины, собранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндрическую форму. Нижняя часть коллекторных пластин 6 имеет форму «ласточкина хвоста».

После сборки коллектора эти части пластин оказываются зажатыми между стальными шайбами 1 и 3. Конусные шайбы стянуты винтами 2. Коллекторные пластины изолированы друг от друга и от стальных шайб миканитовыми прокладками 4. Верхняя часть коллекторных пластин 5, называемая петушком, имеет узкий продольный паз, в который закладывают проводники обмотки якоря и припаивают.

В машинах малой мощности часто применяют коллекторы на пластмассе, отличающиеся простотой в изготовлении.

Рис.1.4. Устройство коллектора на пластмассе

Набор медных и миканитовых пластин в таком коллекторе удерживается пластмассой 2, запресованной в пространство между набором пластин 1 и стальной втулкой 4.

Для увеличения прочности коллектора пластмассу 2 армируют стальными кольцами 3.

Обмотка якоря состоит из секций (катушек), намотанных из медного провода круглого или прямоугольного сечения, и специальным образом уложенных в пазы сердечника якоря.

Пазы затем закрывают текстолитовыми или гетинаксовыми клиньями. Концы секций припаены к петушкам коллектора. Лобовые части секций крепятся бандажами 11 к сердечнику якоря.

Бандажи делают из стальной проволоки, стальных полос или стеклоленты.

Щеточный аппарат. Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток, установленных в щеткодержателях.

Рис.1.5. Щеткодержатель (сдвоенный) машины постоянного тока

Щеткодержатель (сдвоенный) состоит из корпуса 4, в который помещены щетки 3, курка 1, представляющего собой откидную деталь, передающую давление пружины 2 на щетку.

Щеткодержатель крепят на пальце зажимом 5. Щетка снабжена гибким тросиком 6 для включения ее в электрическую цепь машины.

Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой медными шинами, подключенными к выводам машины.

Количество щеточных комплектов соответствует числу главных полюсов. Щетки располагают на коллекторе по оси главных полюсов.

Два подшипниковых щита (рис.1.6): передний 2 (со стороны коллектора) и задний 9. Оба щита имеют подшипниковые узлы, в которые установлены подшипники 12, закрытые с обеих сторон крышками.

На переднем щите имеется смотровое окно (люк) с крышкой для осмотра коллектора и щеток.

Вентилятор служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.

2. Способы регулирования коллекторных машин постоянного тока

Самым главным преимуществом КМПТ перед асинхронными и синхронными двигателями является то, что он очень хорошо управляется и имеет больше способов регулирования(более выгодные).

Из уравнения электромеханической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения следует, что возможны три способа регулирования его угловой скорости:

1) регулирование за счет изменения величины сопротивления реостата в цепи якоря; коллекторный электродвигатель угловая скорость

2) регулирование за счет изменения потока возбуждения двигателя Ф;

3) регулирование за счет изменения подводимого к обмотке якоря двигателя напряжения U. Ток в цепи якоря Iя и момент М, развиваемый двигателем, зависят только от величины нагрузки на его валу.

Рассмотрим первый способ регулирования скорости двигателя постоянного тока изменением сопротивления в цепи якоря. Схема включения двигателя для этого случая представлена на рис. 2, а электромеханические и механические характеристики -- на рис. 2.1, а.

Рис. 2. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Рис. 2.1 Механические характеристики двигателя постоянного тока при различных сопротивлениях цепи якоря (а) и напряжениях (б)

Изменяя сопротивление реостата в цепи якоря можно получить при номинальной нагрузке различные угловые скорости электродвигателя на искусственных характеристиках -- щ1, щ2, щ3.

Проведем анализ данного способа регулирования угловой скорости двигателей постоянного тока с помощью основных технико-экономических показателей. Так как при данном способе регулирования изменяется жесткость характеристик в широких пределах, то при скоростях менее половины номинальной стабильность работы двигателя резко ухудшается. По этой причине диапазон регулирования скорости ограничен (D= 2 - З).

Скорость при данном способе можно регулировать в сторону уменьшения от основной, о чем свидетельствуют электромеханические и механические характеристики. Высокую плавность регулирования трудно обеспечить, так как потребовалось бы значительное количество ступеней регулирования и соответственно большое число контакторов. Полное использование двигателя по току (нагреву) в этом случае достигается при регулировании с постоянным моментом нагрузки.

Недостатком рассматриваемого способа является наличие значительных потерь мощности при регулировании, которые пропорциональны относительному изменению угловой скорости. Достоинством рассмотренного способа регулирования угловой скорости являются простота и надежность схемы управления.

Учитывая большие потери в реостате при малых скоростях, данный способ регулирования скорости применяется для приводов с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы.

При втором способе регулирование угловой скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения осуществляется изменением величины магнитного потока за счет введения в цепь обмотки возбуждения дополнительного реостата. При ослаблении потока угловая скорость двигателя как при нагрузке, так и при холостом ходе возрастает, а при усилении потока -- уменьшается. Практически возможно изменение скорости только в сторону увеличения ввиду насыщения двигателя.

При увеличении скорости ослаблением потока допустимый момент двигателя постоянного тока изменяется по закону гиперболы, а мощность остается постоянной. Диапазон регулирования скорости для данного способа D = 2 - 4.

Механические характеристики для различных значений потока двигателя приведены на рис. 2.1, а и 2.1, б, из которых видно, что характеристики в пределах номинального тока имеют высокую степень жесткости.

Обмотки возбуждения двигателей постоянного тока независимого возбуждения обладают значительной индуктивностью. Поэтому при ступенчатом изменении сопротивления реостата в цепи обмотки возбуждения ток, а следовательно, и поток будут изменяться по экспоненциальному закону. В связи с этим регулирование угловой скорости будет осуществляться плавно.

Существенными преимуществами данного способа регулирования скорости являются его простота и высокая экономичность.

Данный способ регулирования используют в приводах в качестве вспомогательного, обеспечивающего повышение скорости при холостом ходе механизма.

Третий способ регулирования скорости заключается в изменении напряжения, подводимого к обмотке якоря двигателя. Угловая скорость двигателя постоянного тока независимо от нагрузки изменяется прямо пропорционально напряжению, подводимому к якорю. Поскольку все регулировочные характеристики являются жесткими, а степень их жесткости остается для всех характеристик неизменной, работа двигателя является стабильной на всех угловых скоростях и, следовательно, обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости независимо от нагрузки. Этот диапазон равен 10 и может быть расширен за счет специальных схем управления.

При данном способе угловую скорость можно уменьшать и увеличивать относительно основной. Повышение скорости ограничено возможностями источника энергии с регулируемым напряжением и Uном двигателя.

Если источник энергии обеспечивает возможность непрерывного изменения подводимого к двигателю напряжения, то регулирование скорости двигателя будет плавным.

Данный способ регулирования является экономичным, так-так регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения осуществляется без дополнительных потерь мощности в силовой цепи якоря. По всем перечисленным выше показателям данный способ регулирования по сравнению с первым и вторым наилучший.

Размещено на Allbest.ru