Машини постійного струму

Одна й та сама машина постійного струму в принципі може працювати і як генератор, і як двигун.

Основними частинами генератора постійного струму є: нерухома магнітна система, що створює основне магнітне поле машини; якір, що приводиться до обертання, і в обмотці якого індукується електрорушійна сила; колектор, за допомогою якого отримують постійну напругу на клемах генератора. Конструктивні елементи показані на наведеному рисунку.

Колектор – це пристрій, який конструктивно об’єднаний з якорем (ротором) електричної машини і є механічним перетворювачем частоти.  

Колектор призначений  для випрямлення  змінного струму якоря  для  зовнішнього  кола  у генераторів;  у  двигунів  – для зміни напрямку  струму  в  провідниках  обмотки  якоря  при його обертанні.

Якір машини постійного струму: 1 – осердя якоря; 2 – вал машини; 3 – пази для витків обмотки якоря; 4 – колектор; 5 – мідні пластини колектора.

Статор        машини           постійного      струму складається зі станини і осердяСтанину виготовляють з маловуглецевої литої сталі, яка має значну магнітну проникність. Тому станина     є також   і           магнітопроводом. Одночасно це основна деталь, що об’єднує інші деталі й складальні одиниці машини в єдине ціле. Так, до станини із середини прикріплюють    болтами           полюси, котрі складаються       з           осердя,            полюсного наконечника і катушки. Розрізняють основні й додаткові полюси. Ротор (якір) (дивись малюнок) складається з осердя й обмотки.

У  генераторі  постійного  струму  відбувається  перетворення механічної енергії, що підводиться від первинного двигуна, на електричну, яка знімається з обмотки якоря за допомогою колектора й щіток. До щіток генератора приєднуються споживачі електричної енергії.

Генератори постійного струму
1 – колектор;            2 – обмотка          збудження;          3 – станина;         4 –  головні полюси; 5 – магнітопровід; 6 – робоча обмотка якоря;         7 – додаткові       полюси;                8 – обмотка          додаткових полюсів.

Генератор постійного струму — електрична машина постійного струму (генератор), що перетворює механічну енергію на електричну. Дія генератора постійного струму ґрунтується на явищі електромагнітної індукції: збудженні змінної електрорушійної сили в обмотці ротора (якоря), при його обертанні в основному магнітному полі, створюваному обмоткою збудження на полюсах. Обмотка ротора з’єднана з колектором (механічним перетворювачем змінної ЕРС на постійну напругу), по пластинах якого ковзають контактні щітки, підключаючи обмотку до зовнішнього електричного кола. Розрізняють генератори постійного струму з незалежним збудженням (від стороннього джерела струму) і з залежним збудженням (самозбудженням), зумовленим залишковим магнетизмом у станині й полюсах. Потужність генераторів постійного струму — від кількох ват до десятків тисяч кіловат, напруга — від одиниць до сотень і тисяч вольт. ККД їх при повному навантаженні — від 0,7 (малопотужні генератори) до 0,96 — генератори великої потужності. Генератори постійного струму застосовують для живлення постійного струму електродвигунів, у зварювальних пристроях, електричних установках літаків, тепловозів, автомобілів, у пристроях автоматики (мікрогенератори постійного струму), для електролізу тощо.

Одна й та сама машина постійного струму в принципі може працювати і як генератор, і як двигун. (Ця властивість машини постійного струму, що називається оборотністю, дає змогу не розглядати окремо будову генератора чи двигуна.)

Ø Будова машини постійного струму:

 1 — задній підшипниковий щит; 2 — затискачі; 3 — станина; 4 — головний полюс; 5 — обмотка головного полюса; 6 — вентилятор; 7 — обмотка якоря; 8 — осердя якоря; 9 — колектор; 10 — вал; 11 — траверса із щитковим механізмом; 12 — передній підшипниковий щит

Ø Якір машини постійного струму:

а — якір без обмотки; б — сталевий лист осердя якоря; 1 — натискні шайби; 2 — зубець; З — паз; 4 — вентиляційний отвір

Розрізняють основні й додаткові полюси. Основні полюси збуджують магнітне поле; тому обмотки їх котушок називають обмотками збудження. Додаткові полюси встановлюють у машинах підвищеної потужності (понад 1 кВт) для поліпшення роботи машини; обмотку додаткових полюсів з’єднують послідовно з обмоткою ротора (якоря). 

Ротор (якір) машини постійного струму складається з осердя й обмотки.

Ø Осердя якоря набирають з тонких листів електротехнічної сталі, ізольованих один від одного лаковим покриттям, що зменшує втрати на вихрові струми. У пази осердя вкладають обмотку якоря. В осерді якоря роблять вентиляційні канали. Щоб струм від обмотки якоря в зовнішнє коло (у генераторі) або із зовнішнього кола до обмотки якоря (у двигуні) проходив в одному й тому самому напрямі, у машині постійного струму встановлюють колектор. Набирають його з мідних пластин, ізольованих одна від одної міканітовими прокладками. Кожну пластину колектора з’єднують з одним або кількома витками обмотки якоря. Осердя якоря і колектор закріплюють на одному валу. Отже, колектор — це пристрій, який конструктивно об’єднаний з якорем (ротором) електричної машини і є механічним перетворювачем

частоти. По ізольованих один від одного і приєднаних до витків обмотки якоря пластинах, що становлять колектор, ковзають струмознімні щітки. Через ці щітки й колектор обмотка якоря приєднується до зовнішнього електричного кола. Щітки вставляють в обойми щіткотримача і притискують до колектора пружинами.

Будова колектора: 1- корпус; 2 — болт; З — натискне кільце; 4 — міканітова прокладка; 5 — «півник»; 6 — «ластівчин хвіст»; 7 — колекторна пластина.
Щітковий механізм машини постійного струму:
 а — траверса; б — щіткотримач; 1 — щітковий палець; 2 — ізоляція кільця від траверси; З — стопорний болт; 4 — мідний провід; 5 — натискні пластини; 6 — місце розміщення пружини; 7 — обойма; 8 — щітка

 Під час роботи машини щітки ковзають по колектору. Щіткотримачі кріплять до траверси.

Принцип роботи електричного двигуна заснований на виникненні електромагнітної сили, що діє на рамку зі струмом у магнітному полі

Пристрій із рамкою зі струмом у магнітному полі
для виникнення електромагнітної сили

Якщо помістити в магнітне поле не прямолінійний провідник, а виток (або котушку) зі струмом і розташувати його вертикально, то, використовуючи правило лівої руки, можна визначити напрямок електромагнітної сили, що діє на кожну сторону витка. Під дією електромагнітної сили сторона ab рухається справа наліво, а сторона сd зліва – направо. Пара електромагнітних сил, що при цьому виникає, приведе до повороту витка, тобто утворюється обертовий момент.

Виток буде повертатися в магнітному полі доти, поки він не займе положення, перпендикулярне магнітним силовим лініям поля. При такому положенні через виток проходитиме найбільший магнітний потік. Властивість витка і котушки зі струмом повертатися в магнітному полі широко використовують в електротехніці. Електричні двигуни та ряд електровимірювальних приладів працюють за цим принципом. 

Електричні двигуни випускаються промисловістю з послідовним збудженням, паралельним та змішаним.

У двигунів з послідовним збудженням обертовий момент за навантаження зростає більше, ніж у двигунів з паралельним збудженням, при цьому частота обертання двигуна зменшується. Ця властивість визначає широке застосування ДПС у міському транспорті.

Однак не можна запускати двигун з послідовним збудженням без навантаження, оскільки частота обертання двигуна може перевищити допустиму, а це може призвести до аварії – двигун іде «в рознос».

Двигуни з паралельним збудженням забезпечують стійку частоту обертання за різного навантаження, і в них є можливість плавного регулювання цієї частоти обертання. Тому ДПС з паралельним збудженням застосовуються для електроприводу, що вимагає сталості частоти обертання за різного навантаження і плавного регулювання.

У ДПС зі змішаним збудженням на полюсі є дві обмотки збудження, одна з яких під’єднується послідовно до обмотки якоря, а друга – паралельно. ДПС зі змішаним збудженням мають найбільший пусковий момент і застосовуються там, де потрібні значні пускові моменти або можливі короткочасні перевантаження і великі прискорення – наприклад для пуску компресорів.