Назначение станины в машинах постоянного тока
Устройство машин постоянного тока.
Станина 1, рис. 1, представляет собой короткий полый цилиндр из стали. Часть станины, по которой проходит магнитный поток основных и добавочных полюсов называется ярмом.
К станине с помощью болтов крепятся главные полюсы 3, которые набираются из листов электротехнической стали толщиной листа 0,5. 1 мм. Иногда главные полюсы могут набираться из листов конструкционной стали толщиной до 2 мм [1,4]. Листы электротехнической или конструкционной стали главного полюса стягиваются шпильками, концы которых расклепываются. Количество главных полюсов всегда четно, причем северные и южные полюсы чередуются между собой.
Главные полюсы (общий вид главного полюса показан на рис. 2) оканчиваются полюсными наконечниками для равномерного распределения магнитного потока по цилиндрической поверхности якоря. На главных полюсах размещены обмотки возбуждения 2, выполняемые из медного изолированного провода, рис.1. Магнитный поток главных полюсов машины, создаваемый током, протекающим по обмотке возбуждения, пронизывает витки обмотки якоря 4, рис.1, и замыкается по станине.
1-станица, 2-катушка с обмоткой возбуждения
3-сердечник 4якорь с обмоткой
7и 12 подшипниковые щиты
Щетки, рис. 3, крепятся в щеткодержателях, прижимаются пружинами к коллектору 6, свободно скользят по его пластинам и связывают обмотку вращающегося якоря с внешней цепью питания двигателя или с внешней нагрузкой генератора. Щетки одинаковой полярности соединяются между собой медными проводами или медными шинами, выводы от которых идут к зажимам машины. Щетки могут оыть угольными или графитовыми с добавками медного порошка.
Охлаждение электрической машины производится вентилятором 11, укрепленным на ее валу. Иногда станина имеет специальные лапы 10 для крепления электрической машины к фундаменту.
Якорь, рис.4, представляет собой цилиндр 1, который набран из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга [1,3]. Пластины сердечника якоря штампуются с центральным отверстием для вала 2 и с пазами 3, в которые укладываются витки обмотки якоря 4, соединенной по определенной схеме. Отдельные штампованные пластины якоря прессуются в пакеты и удерживаются в этом состоянии с помощью крайних нажимных дисков. В более мощных машинах якорь может состоять из нескольких таких пакетов, между которыми остаются вентиляционные каналы.
Воздушный зазор между якорем и наконечниками главных полюсов в машинах малой мощности составляет менее 1 мм, а в машинах большой мощности-до 10 см [1].
Обмотка якоря изолируется от пазов и крепится в них специальными клиньями или бандажами 5. Выводы обмотки припаиваются к коллекторным пластинам 6, рис. 4.
Коллектор, рис.5, является характерной особенностью машин постоянного тока. Он представляет собой полый цилиндр, набранный из медных пластин 1, имеющих в разрезе клинообразную форму. Пластины изолируются друг от друга миканитом. Кроме того, все пластины изолируются и от вала двигателя. К концам пластин коллектора припаиваются выводы обмотки якоря 2. Коллектор неподвижно закреплен на валу двигателя и вращается вместе с ним. В режиме электрического двигателя коллектор преобразует поступающий из сети постоянный ток в переменный ток обмотки якоря. При работе машины постоянного тока
генератора коллектор выпрямляет переменный ток обмотки якоря в постоянный пульсирующий ток.
Для уменьшения искрения щеток в машинах мощностью более 0,5 кВт устанавливаются добавочные полюсы[1,3,4,5,19].
Они крепятся к станине болтами точно «■по средине между главными полюсами.
Добавочные полюсы по геометрическим размерам меньше главных полюсов и выполняются из конструкционной стали. Обмотки добавочных полюсов наматываются медными изолированными проводами и соединяются последовательно с обмоткой якоря.
Важным отличительным признаком машин постоянного тока от других типов машин является способ возбуждения в них основного магнитного потока. В машинах постоянного тока он создается главными полюсами, в качестве которых используются постоянные магниты (для микромашин и машин малой мощности) или электромагниты.
Для машин постоянного тока, как и для всех вращающихся машин, существует такое важное свойство, как их обратимость [6,7,8,12]. Принцип обратимости электрических машин был сформулирован Э. X. Ленцем в 1833 году. Он состоит в том, что при вращении вала электрической машины от какого-либо первичного двигателя, на щетках (при соответствующем возбуждении) появится ЭДС. Если к выводам щеток присоединить сопротивление, то по нему потечет ток, направление которого определится направлением ЭДС по правилу правой руки. В этом случае машина постоянного тока будет работать в режиме генератора, превращая механическую энергию в электрическую.
Если же к обмотке якоря через щетки и коллектор подвести напряжение от внешнего источника питания, то якорь начнет вращаться (при условии наличия возбуждения). Направление его вращения определится по правилу левой руки. При этом электрическая машина будет преобразовывать электрическую энергию в механическую, работая в режиме двигателя.
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Станина машины постоянного тока одновременно является корпусом и магнитной системой машины. Станины изготовляются, как правило, из стали; чугун вследствие низкой магнитной проницаемости не находит применения в современных машинах постоянного тока. [6]
Станина машины постоянного тока выполняется массивной из литой стали, так как благодаря постоянству по величине и неподвижности магнитного поля в пространстве в этой части машины отсутствуют потери энергии на вихревые токи. Что касается барабана якоря, то, так как при вращении его в неподвижном магнитном поле в нем возникают вихревые токи, он выполняется из отдельных, изолированных друг от друга тонких листов электротехнической стали. В первых конструкциях машин постоянного тока их якорь выполнялся кольцевой формы ( в виде тороида) с намотанной на нем кольцевой обмоткой ( ркс. [7]
Станина машины постоянного тока является одновременно корпусом и активной частью, проводящей магнитный поток. Как правило, станины изготовляют из сталей. Для станин используется и стальной прокат ( марка стали Ст1, Ст2, СтЗ), который обладает преимуществом перед литой сталью, так как не имеет неизбежных при литье раковин. [8]
В станинах машин постоянного тока и ярмах явнополюсных роторов синхронных машин поток по длине средней линии меняется мало и его изменением пренебрегают. [10]
Стальное литье в качестве магнитопро-вода применяется для станин машин постоянного тока и ободов роторов синхронных машин. Магнитные характеристики литой стали колеблются в очень широких пределах в зависимости от ее химического состава. На рис. В-25 даны кривые намагничения простой углеродистой стали, наиболее часто применяемой для станин и роторов. [13]
В тех случаях, когда отдельные части магнитопровода нагружены также и механически ( ротор турбогенератора, станина машины постоянного тока ), важную роль играют также и механические свойства материала. Сочетание высоких механических и магнитных свойств является весьма трудной задачей металлургии. [15]
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
Онлайн-конференция
«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
МAШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКA
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МAШИН ПОСТОЯННОГО ТОКA
Мaшины постоянного токa (МПТ) могут рaботaть и кaк генерaторы и кaк двигaтели. Если в мaшине происходит преобрaзовaние мехaнической энергии в электрическую, то онa нaзывaется генерaтор. Если электрическaя энергия преобрaзуется в мехaническую, то это двигaтель.
МПТ конструктивное не отличaются друг от другa. Тaкие мaшины нaзывaются обрaтимыми, т.е. любaя МПТ может рaботaть и кaк генерaтор и кaк двигaтель.
Мaшинa имеет неподвижную чaсть, которaя нaзывaется стaтор (индуктор) и подвижную- ротор (якорь).
. Индуктор создaет мaгнитное поле, которое воздействует нa якорь. При этом в якоре нaводится ЭДС (генерaтор), или он нaчинaет врaщaться (двигaтель).
Устройство мaшин постоянного токa
Мaшинa имеет неподвижный корпус (стaнинa поз.7), к которому крепятся основные (поз.4) и дополнительные полюсa. Основной полюс имеет сердечник (поз.6) и рaсширенную нижнюю чaсть- полюсный нaконечник. Нa сердечник устaнaвливaется обмоткa возбуждения (ОВ). Вместе они обрaзуют мaгнитный полюс. Полюсный нaконечник необходим для рaспределения мaгнитного потокa. Основных полюсов может выть несколько.
Дополнительные полюсa необходимы для снижения искрения под щеткaми.
К корпусу крепятся подшипниковые щиты. Они предстaвляют собой крышки мaшины и имеют специaльно рaсточенные отверстия, в которые устaнaвливaются подшипники якоря.
К неподвижной чaсти относится тaкже щеткодержaтель со щеткaми (поз.2). Щеткодержaтель предстaвляет собой обойму, в которую устaнaвливaется щеткa. Щеткa может быть грaфитовой или медногрaфитовой. Для обеспечения необходимого дaвления щетки нa коллектор, нa щетку устaнaвливaется нaжимнaя пружинa
Якорь предстaвляет собой подвижную чaсть. Нa него устaнaвливaется сердечник с пaзaми (поз.5), в которые уложенa обмоткa якоря. Сердечник собирaется (шихтуется) из тонколистовой электротехнической стaли. Перед сердечником устaновлен коллектор (поз. 1). Он состоит из изолировaнных друг от другa медных плaстин. Плaстины имеют трaпецеидaльную форму и при сборке обрaзуют полый цилиндр. Кaждaя плaстинa имеет рaсширенную нижнюю чaсть, которaя служит для крепления плaстин между собой и нaзывaется «лaсточкин хвост». Сверху имеется выступaющaя чaсть, которaя нaзывaется «петушок».
. 
Якорь мaшины в сборе
Обмоткa якоря состоит из нескольких секций, которые соединяются между собой через коллекторные плaстины. Для этого нaчaло кaждой секции припaивaется к «петушку».
С обеих сторон нa вaл якоря нaпрессовывaются подшипники, которые устaнaвливaются в подшипниковые щиты и зaкрывaются подшипниковыми крышкaми.
Принцип рaботы мaшин постоянного токa
Принцип действия генерaторa основaн нa использовaнии зaконa электромaгнитной индукции.
Принцип рaботы генерaторa рaссмотрим с помощью рис.3. Якорь предстaвлен кaк рaмкa, состоящaя из одной секции с одним витком. Концы секции присоединены к двум изолировaнным однa от другой половинaм (полукольцaм) одного кольцa. Контaктные плaстины (щетки) скользят по этому кольцу. Тaкое кольцо, состоящее из изолировaнных полуколец, нaзывaют коллектором, a кaждое полукольцо — плaстиной коллекторa. Щетки нa коллекторе должны быть рaсположены тaким обрaзом, чтобы они при врaщении рaмки одновременно переходили с одного полукольцa
Якорь рaсположен в мaгнитном поле основных полюсов (С и Ю) и врaщaется в нем с помощью приводного двигaтеля. Соглaсно зaкону электромaгнитной индукции (имеется неподвижное мaгнитное поле и в нем врaщaется проводник), в секции будет нaводиться ЭДС
. В мaгнитном поле нaходятся две стороны секции, которые нaзывaются рaбочими и рaсположены они под рaзными полюсaми. Поэтому нaпрaвление ЭДС в них будет рaзное. Когдa рaмкa рaсположенa вертикaльно, то величинa ЭДС будет мaксимaльной. По мере ее врaщения угол между рaмкой и мaгнитными силовыми линиями уменьшaется, и ЭДС будет снижaться. Когдa рaмкa проходит через горизонтaльное положение ее рaбочие стороны скользят вдоль силовых линий, не пересекaя их, и ЭДС не индуктируется. При этом коллекторные плaстины зaмыкaются щеткaми, a ЭДС рaвнa 0. Зaтем рaмкa поворaчивaется, и коллекторные плaстины выходят из под щеток. Угол между рaмкой и мaгнитными силовыми линиями увеличивaется и ЭДС тaкже возрaстaет. Когдa рaмкa примет вертикaльное положение, ЭДС будет мaксимaльной, но нaпрaвление ее в сторонaх секции изменится нa противоположное. При дaльнейшем врaщении все повторится.
Следовaтельно, при врaщении рaмки в постоянном мaгнитном поле, в рaмке нaводится переменнaя ЭДС. Если якорь зaмкнуть нa нaгрузку, то в цепи появится переменный ток. Чтобы ток был постоянным по нaпрaвлению, нa коллекторные плaстины устaновлены неподвижные щетки. Поэтому незaвисимо от положения рaмки и коллекторa нaпрaвление токa через щетки будет постоянным. Чтобы ток не изменялся по знaчению, число секций и витков долно быть тaким, чтобы в кaждый момент времени под полюсaми нaходился виток. Тогдa через щетки постоянно будет проходить мaксимaльный ток.
При рaботе двигaтеля щетки подключaются к сети постоянного токa. Через них проходит постоянный ток. Чтобы вaл двигaтеля пришел в движение, необходимо создaть врaщaющий момент. Он создaется зa счет взaимодействия мaгнитного поля постоянных мaгнитов и мaгнитного поля, создaвaемого током, проходящим по обмотке якоря. При взaимодействии двух мaгнитных полей возникaет врaщaющий момент, т.к. возникaет пaрa сил, рaвных по величине и противоположно нaпрaвленных
Но при повороте вaлa двигaтеля ток и, соответственно, мaгнитное поле ослaбевaют врaщaющий момент пaдaет и двигaтель остaнaвливaется, Чтобы этого не произошло число витков должно быть тaким, чтобы в кaждый момент времени под полюсaми нaходился кaкой- либо виток. Тогдa мaгнитное поле будет постоянным и мaксимaльным, и двигaтель будет врaщaться с постоянной скоростью.
§27. Основные части электрических машин и их назначение
Конструктивное выполнение машины.
Основными частями машины постоянного тока являются: остов (станина), полюсы, якорь, щеточный аппарат и некоторые вспомогательные детали, служащие для конструктивного оформления машины.
Электрические машины общего применения (рис. 74) обычно имеют цилиндрическую форму и снабжены приливами для установки на фундамент или фланцами для крепления.
Рис. 74. Устройство машины постоянного тока: 1 — коллектор; 2 — щетки; 3 — сердечник якоря; 4 — главный полюс; 5 — катушка обмотки возбуждения; 6 — остов; 7 — подшипниковый щит; 8 — вентилятор; 9 — обмотка якоря
Тяговые электрические машины имеют те же основные части, но их конструкция приспособлена к особенностям установки этих машин на локомотивах.
Например, тяговые двигатели электровозов (рис. 75), тепловозов и электропоездов устанавливают на тележках экипажной части локомотива, поэтому в их конструкции предусматривают специальные элементы для монтажа двигателя на тележке и передачи его вращающего момента на движущую колесную пару.
В тяговых генераторах тепловозов (рис. 76) вал якоря имеет только один подшипник; второй опорой якоря является подшипник дизеля, вал которого жестко соединен с валом якоря генератора фланцем.
Рис. 76. Продольный разрез тягового генератора тепловоза: 1 — остов; 2 — главный полюс; 3 — добавочный полюс; 4 — барабан; 5 — сердечник якоря; 6 — обмоткодержатель; 7—сварной кожух; 8— фланец; 9 — вал; 10 — подшипник; 11 — коллекторная пластина; 12— обмотка якоря; 13— подшипниковый щит; 14— щеткодержатель
В современных электрических машинах остов отливают из стали. Он составляет часть магнитной системы машины и служит для укрепления полюсов с катушками и выводных зажимов, а также для поддержания боковых щитов, несущих подшипники якоря.
Остовы тяговых генераторов тепловозов имеют цилиндрическую форму и снабжены двумя приливами для установки генератора на общую с дизелем раму. Остовы тяговых двигателей (рис. 77) обычно выполняют восьмигранными или цилиндрическими.
Рис. 77. Остовы тяговых двигателей с установленными полюсами при опорно-осевом подвешивании (а) и при рамном подвешивании (б): 1—остов; 2 — главный полюс; 3 — добавочный полюс; 4 — люк для осмотра коллектора; 5 — приливы для моторно-осевых подшипников; 6,8 — кронштейны для подвешивания двигателя на раме тележки; 7 — прилив для крепления коробки с выводными зажимами; 9 — выступы для установки двигателя
В них имеются приспособления для монтажа двигателя на тележке, люки для осмотра коллектора и щеток, отверстия для подвода и выхода наружу охлаждающего воздуха и пр. Внутри остова предусмотрены обработанные приливы для установки полюсов, обеспечивающие строго симметричное расположение их на машине. В торцовых стенках остова имеются горловины для установки и крепления подшипниковых щитов.
Полюсы.
В современных стационарных и тяговых машинах постоянного тока устанавливают главные и добавочные полюсы.
Главные полюсы (рис. 78, а), на которых расположены катушки обмотки возбуждения, служат для создания в машине магнитного потока возбуждения. Часть сердечника главного полюса со стороны, обращенной к якорю, выполнена более широкой и называется полюсным наконечником. Эта часть служит для поддержания катушки, а также для лучшего распределения магнитного потока по поверхности якоря.
Сердечники главных полюсов для уменьшения вихревых теков изготовляют шихтованными — из отдельных стальных листов толщиной 0,5—1,5 мм. По краям полюсов устанавливают более толстые торцовые боковины, которые посредством заклепок удерживают полюсные листы в спрессованном состоянии.
Возникновение вихревых токов в сердечниках главных полюсов объясняется изменением (пульсацией) магнитного поля в полюсных наконечниках, прилегающих к якорю при его вращении. Вследствие
Рис. 78. Главный (а) и добавочный (б) полюсы: 1 – сердечник главного полюса; 2 – катушка главного полюса; 3 – корпусная изоляция катушки; 4 – установочные болты; 5 – опорный угольник; 6 – сердечник добавочного полюса; 7 – катушка добавочного полюса
зубчатости якоря магнитное поле в местах, расположенных против зубов, усиливается (индукция возрастает), а в местах, расположенных против пазов, ослабляется (индукция уменьшается).
При вращении якоря против каждой точки поверхности полюсного наконечника оказывается попеременно то зубец, то паз, вследствие чего индукция магнитного поля в отдельных точках наконечника непрерывно изменяется. Это и вызывает появление вихревых токов в стали наконечника.
Электрические машины могут иметь два, четыре, шесть и в общем случае 2р главных полюсов. Главные полюсы укрепляют на остове болтами. В машинах небольшой и средней мощности резьбу под болты нарезают непосредственно в сердечнике полюса (рис. 79, а).
Рис. 79. Сердечники главных полюсов: 1 — заклепки; 2 — установочный болт; 3 — сердечник полюса; 4 отверстие под установочные болты; 5— полюсный наконечник; 6— установочный стержень; 7 – боковина
В более мощных машинах (тяговых двигателях и тяговых генераторах) болты ввертывают в специальные установочные стержни (один или два на полюс), закладываемые в сердечник при его сборке (рис. 79, б).
Остов, полюсы и якорь составляют магнитную систему машины, через которую замыкается магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения. Воздушный зазор между якорем и полюсами является также одним из участков магнитной цепи.
Расположение главных полюсов и распределение магнитного потока в четырехполюсной машине поясняются рис. 80, а и б.
Рис. 80. Магнитная система машины постоянного тока: 1 — полюсы; 2 — остов; 3 — якорь; 4 — обмотка возбуждения; 5 — воздушный зазор
Соседние (разноименные) полюсы в четырехполюсной машине расположены под углом 90°, а двухполюсной — под углом 180°. Линия, делящая эти углы пополам, называется геометрической нейтралью.
Магнитный поток Ф, проходящий через полюсы и поступающий в якорь и остов, разделяется по оси симметрии полюсов на две симметричные и равные части. У всех современных машин с симметричными магнитными системами число полюсов 2р всегда четное, все полюсы совершенно одинаковы и углы между осями соседних полюсов равны.
Добавочные полюсы (см. рис. 78, б) обеспечивают уменьшение искрения, возникающего при работе машины (см. § 30). По своим размерам они меньше главных. Число добавочных полюсов обычно равно числу главных.
В машинах постоянного тока сердечники добавочных полюсов изготовляют из стали. Они имеют монолитную конструкцию, так как значение индукции под добавочными полюсами выбирается обычно небольшим и при вращении якоря индуцирования вихревых токов в их наконечниках практически не происходит.
Однако в тяговых двигателях электровозов переменного тока, работающих при пульсирующем напряжении, сердечники добавочных полюсов выполняют шихтованными — из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Этим обеспечивается существенное уменьшение вихревых токов, возникающих при прохождении по обмотке добавочных полюсов пульсирующего тока.
Катушки полюсов изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения или из шинной меди.
Площадь поперечного сечения проводников и число витков катушек зависят от типа, мощности и напряжения машины. Отдельные витки катушек изолируют друг от друга (межвитковая изоляция), кроме того, на катушку еще накладывают общую корпусную изоляцию 3 (см. рис. 78). Катушки всех главных полюсов обычно соединяются последовательно и составляют обмотку возбуждения машины. Катушки добавочных полюсов также соединяют последовательно.
В современных тяговых электрических машинах постоянного и пульсирующего тока часто применяют компенсационную обмотку, улучшающую условия работы коллектора и щеток (см. § 29).
Ее располагают в пазах, проштампованных в полюсных наконечниках, и выполняют в виде отдельных катушек из прямоугольной меди (рис. 81). Катушки крепят в пазах текстолитовыми клиньями.
Рис. 81. Главный полюс в машинах с компенсационной обмоткой (а) и общий вид этой обмотки (б): 1 – паз для катушки компенсационной обмотки; 2 – полюсный наконечник; 3 — корпусная изоляция катушки возбуждения; 4 – проводники катушки возбуждения; 5 – немагнитная прокладка; 6 — остов; 7, 8 — катушка и вывод компенсационной обмотки
Машина постоянного тока имеет якорь, состоящий из сердечника, обмотки, коллектора и вала.
Сердечник якоря (рис. 82) собран из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникающих при пересечении якорем магнитного поля, листы изолируют один от другого.
Листы собирают в общий пакет, который насаживают на вал якоря. Пакет удерживается в сжатом состоянии нажимными шайбами. В теле якоря делают вентиляционные каналы для прохода охлаждающего воздуха.
В машинах постоянного тока большой мощности с якорями большого диаметра листы, из которых собирают сердечник якоря, имеют форму сегментов 8.
Рис. 82. Сердечник якоря машины постоянного тока без обмотки (а); сборка якоря (б); стальные листы якоря (в): 1 – вал якоря; 2 – место для установки коллектора; 3, 5 – нажимные шайбы (обмотко-держатели); 4 – сердечник якоря; 6 – лаковая пленка; 7 – стальной лист; 8 – сегмент сердечника.
Сегменты собирают на шпильках, образуя полную окружность якоря, и сжимают нажимными шайбами; при сборке пакета якоря стыки между сегментами одного слоя располагаются против середины сегментов предыдущего слоя, благодаря чему уменьшается магнитное сопротивление сердечника якоря.
Якорные листы имеют зубчатую форму, поэтому при сборке их в пакеты образуются пазы (впадины), в которые укладывают обмотку якоря. Пазы бывают открытые и полузакрытые. Тяговые электрические машины имеют открытые пазы.
Для улучшения коммутации и снижения магнитного шума в некоторых машинах применяют якоря со скошенными пазами, т. е. пазы по длине сердечника смещаются на одно зубцовое деление.
В тяговых двигателях сердечник якоря, нажимные шайбы и коллектор обычно насаживают не на вал, а на промежуточную втулку, которую затем запрессовывают под давлением на вал. Применение промежуточной втулки дает возможность сменить неисправный вал без полной разборки якоря.
Обмотку якоря (рис. 83) выполняют из медной изолированной проволоки, в машинах большой мощности — из медных стержней. Обычно обмотка якоря состоит из отдельных якорных катушек, которые обматывают изоляционными лентами из миканита, асбеста, стеклоткани или хлопчатобумажной ткани и укладывают в пазы якоря.
В каждом пазу укладывают обычно две стороны различных якорных катушек, одна поверх другой. Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы которых припаивают к соответствующим коллекторным пластинам.
Рис. 83. Устройство обмотки якоря: а, б- укладка якорных катушек; в – изоляция; 1 – якорные катушки; 2 – коллектор 3 — сердечник якоря; 4,5- верхняя и нижняя стороны катушки; 6,7,9 – покровная корпусная и витковая изоляция; 8 – медные проводники
Различают следующие виды изоляции катушек: витковая — изоляция каждого из проводников; корпусная — изоляция всей катушки относительно сердечника якоря и покровная — наружная изоляция, защищающая корпусную изоляцию от механических повреждений. После наложения обмотки якорь пропитывают изоляционными лаками (асфальтовым, бакелитовым и др.), благодаря чему повышается качество изоляции машины.
В тяговых электрических машинах для изоляции обмотки якоря применяют монолитную изоляцию из материалов высокой нагревостойкости (стекло-слюдинистовое полотно), залитых эпоксидным компаундом горячего отвердения. Такая изоляция повышает надежность и долговечность электрических машин.
При вращении якоря обмотка может выпасть из пазов под действием возникающих центробежных сил. Чтобы предупредить выпадание обмотки, ее закрепляют изоляционными клиньями, а также проволочными бандажами или бандажами из стеклоленты (стекло-бандажами) (рис. 84).
Рис. 84. Крепление обмотки якоря изоляционными клиньями (а) и проволочными бандажами (б); 1 – текстолитовый клин; 2 – сердечник якоря; 3 – якорная катушка; 4 – проволочный бандаж; 5 – бандажная проволока
Якорные катушки изготовляют на специальных приспособлениях, позволяющих придавать им правильную и одинаковую форму (рис. 85).
Рис. 85. Общий вид якорных катушек: а, б – при многовитковых и одновитковых секциях; в – при обмотке с разрезными секциями
Коллектор (рис. 86, а) выполнен из отдельных пластин 2 толщиной до 5—8 мм, изготовленных из твердотянутой меди или кадмиевой
Рис. 86. Общий вид коллектора машины постоянного тока (а); расположение коллекторных пластин и изоляционных прокладок (б) и коллектор в пластмассовом корпусе (в).
бронзы клинообразного сечения. Пластины изолируют одну от другой миканитовыми прокладками 4. К выступающей части коллекторной пластины припаивают провода от обмотки якоря. Для этого в ней имеется соответствующая прорезь.
Узкие края пластины имеют форму ласточкина хвоста, после сборки коллектора эти края зажимаются между двумя нажимными шайбами. Пластины изолируют от нажимных шайб 3 и вала якоря миканитовыми манжетами 1 и цилиндрами. Когда коллектор окончательно собран, его поверхность обтачивают на токарном станке и тщательно шлифуют.
Чтобы миканитовые прокладки при износе коллектора не выступали над пластинами и не вызывали вибрации щеток, их профрезеровывают на 0,8—1,5 мм ниже поверхности коллектора (рис. 86,б). Эту операцию называют продороживанием коллектора.
В машинах с большим диаметром якоря (в тяговых генераторах тепловозов) для соединения проводников обмотки якоря с пластинами коллектора предусматривают промежуточные звенья — гибкие медные пластины, называемые петушками. Петушки нижними концами прикрепляют к коллекторным пластинам, а в верхние их части впаивают проводники обмотки якоря.
Вращаясь, коллектор соприкасается со щетками и постепенно изнашивается. Кроме того, при работе коллектор нагревается, и возникающие при этом механические напряжения могут вызвать его деформацию, следствием которой будет вибрация щеток, плохой их контакт с коллектором и значительное искрение. Поэтому в эксплуатации периодически выполняют обточку коллекторов.
В машинах малой и средней мощности, например в тяговых двигателях электропоездов и во вспомогательных машинах, широко применяют коллекторы с пластмассовым корпусом (рис. 86, в).
В этих коллекторах медные пластины 2 и миканитовые прокладки опрессованы пластмассой 5, обладающей большой механической и электрической прочностью. Для посадки коллектора на вал служит стальная втулка б, которую вставляют в пресс-форму перед запрессовкой пластин в пластмассу.
Щеточный аппарат.
Щетки предназначены для соединения коллектора с внешней цепью. Они представляют собой прямоугольные призмы шириной 4—32 мм (рис. 87, а).
Рис. 87. Неразрезные (а) и разрезные (б) щетки электрических машин: 1 – кабельный наконечник; 2 щеточный канатик; 3 — щетка; 4 — резиновый гаситель; 5 — нажимной палец; 6 — разрезная щетка; 7— обойма
Рабочую поверхность щеток пришлифовывают к коллектору, чтобы обеспечить надежный контакт. Каждая щетка имеет определенную марку. Щетки различных марок различаются составом, способом изготовления и физическими свойствами.
Щетки, применяемые для электрических машин, подразделяются на четыре основные группы: угольно-графитные, графитные, электро-графитированные и металлографитные. Для каждой машины, работающей в определенных условиях, нужно применять щетки только соответствующих марок.
Эти марки подбираются заводом — изготовителем машин; при замене изношенных щеток нужно брать щетки той же марки. В тяговых электрических машинах применяют исключительно электрографитированные щетки, которые обладают хорошими коммутирующими свойствами, значительной механической прочностью и способностью выдерживать большие перегрузки.
Щетки устанавливают в специальные обоймы, называемые щеткодержателями (рис. 88, а).
Рис. 88. Щеткодержатели вспомогательных машин (а) и тяговых двигателей (б): 1 — изолятор; 2 — пружина; натяжное устройство; 4 — обойма; 5 — щетка; 6 — щеточный палец; 7 — нажимной малец; 8 — щеточный канатик; 9 – кронштейн
Для отвода тока от щетки к ней прикрепляют медный гибкий проводник (щеточный канатик), который присоединяют к щеткодержателю. Одним из основных условий хорошей работы щеток является плотный, надежный контакт между щеткой и коллектором.
Он достигается при помощи нажимного устройства, смонтированного на щеткодержателе. Нажим на щетку осуществляется пружиной (спиральной, цилиндрической или пластинчатой), упирающейся одним концом в щетку, а другим — в щеткодержатель.
В тяговых двигателях нажимная пружина воздействует на специальный палец, прижимаемый к верхней торцовой поверхности щетки (рис. 88,б).
Нажатие на щетку должно быть отрегулировано в строго определенных пределах, так как чрезмерный нажим вызывает быстрый износ щетки и нагрев коллектора, а недостаточный нажим не дает надежного контакта между щеткой и коллектором, вследствие чего возникает искрение под щеткой.
Нажатие принимают из расчета 1,5—3,5 Н на 1 см 2 опорной поверхности щетки. Для улучшения щеточного контакта и предотвращения искрения щеток в некоторых случаях применяют разрезные щетки (рис. 87,б). Такая щетка состоит из двух частей, установленных в общую обойму
Равномерное нажатие на отдельные части щетки обеспечивается резиновым гасителем 4.
Щеткодержатели укрепляют на кронштейнах и щеточных пальцах непосредственно к остову машины (в четырехполюсных тяговых двигателях) или к боковым подшипниковым щитам и изолируют от них специальными изоляторами 1 (см. рис. 88).
В некоторых тяговых и стационарных машинах щеткодержатели устанавливают на поворотных траверсах (рис. 89, а и б), прикрепляемых к боковым щитам.
Рис. 89. Установка щеткодержателей на поворотной щеточной траверсе: 1 – траверса; 2 – стопорный болт; 3 – щеткодержатели; 4 – палец щеткодержателя; 5 – зубчатый венец
Поворотом траверсы обеспечивается возможность некоторого перемещения щеток по окружности коллектора. Благодаря этому можно подобрать наивыгоднейшее положение щеток, при котором искрение под щетками при данном режиме работы будет минимальным. Применение поворотной траверсы облегчает также осмотр щеткодержателей и замену в них щеток.
Кроме описанных выше частей, в электрических машинах имеется ряд конструктивных деталей: подшипники, подшипниковые щиты (крышки), смазочные и маслозащитные устройства и т. п.
Подшипники.
В тяговых двигателях, тепловозных генераторах и вспомогательных машинах обычно устанавливают шариковые и роликовые подшипники (рис. 90), очень надежные и требующие небольшого ухода.
Рис. 90. Установка роликовых подшипников в тяговых двигателях: 1 — подшипник; 2 — подшипниковый щит; 3 — лабиринтовое уплотнение; 4 — смазка
Подшипники помещают в специальных подшипниковых щитах, которые прикрепляют к обеим сторонам остова.
Для смазки подшипников применяют в большинстве случаев густую консистентную смазку. Эта смазка не требует большого объема смазочных камер, и запас ее, закладываемый в подшипник, при периодических ревизиях двигателя оказывается вполне достаточным для работы машины без замены смазки до следующей ревизии.
Для предотвращения выхода смазки из смазочных камер в тяговых машинах применяют гидравлические (лабиринтовые) уплотнения.
Действие этих уплотнений основано на вязкости смазки, попавшей в небольшой зазор между вращающейся и неподвижной деталями, а также на создании самой смазкой гидравлических перегородок вследствие отбрасывания ее к стенкам лабиринта под действием центробежной силы, возникающей при вращении якоря.
Устройство для охлаждения электрических машин.
В большинстве электрических машин для охлаждения нагретых частей (сердечника и обмотки якоря, коллектора и полюсов) на валу якоря устанавливают вентилятор. Такой способ охлаждения электрических машин называется самовентиляцией, а машины этого типа — машинами с самовентиляцией.
Тяговые двигатели электропоездов и вспомогательные машины, установленные на электровозах и тепловозах, являются машинами с самовентиляцией. В этих машинах засасываемый воздух поступает внутрь машины обычно со стороны коллектора и распределяется на два параллельных потока (рис. 91, а).
Рис. 91. Схемы прохождения охлаждающего воздуха в машинах с самовентиляцией (а) и независимой вентиляцией (б): 1 — вход воздуха; 2 — выход воздуха; 3 — вентилятор; 4 — сердечник якоря; 5 — полюсы; 6 — коллектор; 7 — внешний вентилятор; 8 — воздухопровод; 9 — тяговый двигатель
Один из таких потоков омывает поверхность коллектора, катушки полюсов и пространство между полюсами и якорем. Другой поток проходит под коллектором и по вентиляционным каналам внутри сердечника якоря.
Нагретый воздух выбрасывается через отверстия, имеющиеся в остове и подшипниковом щите со стороны, противоположной коллектору, или же через специальный патрубок, прикрепленный к остову машины.
В тяговых двигателях электровозов и тепловозов для улучшения охлаждения воздух в машину нагнетают извне вентилятором (рис. 91, б), приводимым во вращение отдельным электродвигателем (мотор-вентилятором). Такие машины называются машинами с независимой вентиляцией.
При такой вентиляции воздух распределяется внутрь машины двумя параллельными потоками, как и при самовентиляции.
Охлаждение оказывает большое влияние на работу электрических машин. Мощность, которую можно получить от электрической машины, ограничена предельной температурой, которую может выдержать изоляция ее обмоток.
Поэтому при интенсивном охлаждении значительно снижается нагрев обмотки, что позволяет повысить мощность, которую может отдать машина.