Двигатель постоянного тока

Двигатель постоянного тока

1. Описание конструкции

В настоящее время промышленность изготавливает электрические машины постоянного тока, предназначенные для работы в различных условиях. Поэтому отдельные узлы машины могут иметь разную конструкцию, но общая конструктивная схема этих машин одинакова.

Машина постоянного тока состоит из неподвижной части - статора, вращающейся части - ротора, разделенная воздушным зазором.

Статор состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина машины постоянного тока служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Поэтому станину изготавливают из стали - материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. Машина крепится к фундаменту при помощи отлитых или приваренных лап с отверстиями для болтов. По окружности станины расположены отверстиями для крепления главных и добавочных полюсов. В верхней части станина имеет подъемное кольцо (рым-болт), служащее для подъема машины при ее сборке и монтаже. В машинах больших габаритов, рым-болтов может быть два или четыре.

В машинах малой или средней мощности станину изготавливают либо цельной, в виде стальной отливки, либо сварной из листовой стали. В крупных машинах станину делают разъемной, что облегчает ее монтаж и транспортировку.

Конструкция двигателя постоянного тока.

Главные полюса. Магнитное поле в машине создается намагничивающей силой обмотки возбуждения, выполняемой в виде полюсных катушек, надетых на сердечники главных полюсов. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса заканчивается полюсным наконечником, при помощи которого обеспечивается требуемое распределение магнитной индукции в зазоре.

Сердечники главных полюсов изготавливают в виде пакетов стальных листов толщиной 0,5-2 мм, которые прессуют и стягивают шпильками. Такой конструкцией достигается уменьшение вихревых токов в сердечнике полюса, возникновение которых объясняется изменением (пульсацией) магнитной индукции в полюсных наконечниках при вращении якоря, имеющего зубчатую поверхность, а также упрощается изготовление сердечника.

Полюса крепятся к станине болтами или шпильками. Полюсные катушки обычно выполняются из медного провода, намотанного на каркас из изолирующего материала. Иногда катушки делят по высоте на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Такая конструкция улучшает охлаждение катушки.

Добавочные полюса. Обычно их применяют в машинах, мощностью свыше 1,0 кВт с целью уменьшения искрения на щетках. Добавочный полюс состоит из сердечника и катушки, выполненной медным проводом, сечение которого рассчитано на рабочий ток машины, так как катушки добавочных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря. Добавочные полюса устанавливаются между главными полюсами и крепятся к станине болтами.

Якорь машины постоянного тока состоит из вала сердечника, обмотки и коллектора.

Сердечник якоря представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Обычно листы покрывают с двух сторон лаком и собирают в общий пакет, который насаживают на вал якоря. Пакет удерживается в сжатом состоянии нажимными шайбами. Такая конструкция позволяет уменьшить потери энергии в нем, от действия вихревых токов, возникающих в результате перемагничивания сердечника при вращении якоря в магнитном поле. Для лучшего охлаждения машины обычно в сердечниках якоря устраивают вентиляционные каналы для охлаждающего воздуха. На поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.

Обмотку якоря выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения и располагают в пазах якоря. Это позволяет лучше механически укрепить обмотку, защитить ее от возможных механических повреждений, более надежно изолировать и уменьшить воздушный зазор между полюсными наконечниками полюсов и поверхностью сердечника якоря.

Обмотка якоря состоит из секций, концы которых припаивают к пластинам коллектора. Для прочного закрепления проводов обмотки якоря, в пазах применяют деревянные, гетилаксовые или текстолитовые клинья. В некоторых конструкциях машин пазы не заклинивают, и прикрывают сверху бандажом. Для того чтобы бандаж не выступал за пределы якоря, место на сердечнике под бандаж делают несколько меньшего диаметра.

Бандаж выполняют из стальной или бронзовой проволоки, намотанной с предварительным натяжением. Лобовые части обмотки крепят к обмоткодержателю так же при помощи проволочного бандажа.

Коллектор машины состоит из пластин холоднокатаной меди (коллекторная медь) изолированных друг от друга прокладками коллекторного миканита. Выступающая часть коллекторной пластины называют “петушком”, к ней припаивают провода обмотки якоря. Нижние края пластины имеют форму “ласточкиного хвоста”, после сборки коллектора они оказываются зажатыми конусными шайбами.

Для исключения замыкания медных пластин применяют миканитовый цилиндр и миканитовые манжеты, прикрывающие втулку и конусные шайбы. Чтобы миканитовые прокладки при срабатывании медных пластин коллектора не выступали под этими пластинами, что вызвало бы искрение, вибрацию щеток и их разрушение, между коллекторными пластинами фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм.

Для получения электрического контакта с поверхностью коллектора, в машине постоянного тока имеются щетки, которые устанавливают в щеточное устройство, состоящее из щеточной траверсы, пальцев и щеткодержателей.

Щеточную траверсу обычно крепят к подшипниковому щиту (в машинах большой мощности - к станине). Между щеткой, траверсой и пальцами - изоляция. На каждый палец, число которых обычно равно числу главных полюсов в машине, устанавливают комплект щеткодержателей. Щеткодержатель состоит из обоймы, в которую помещают щетку, курка, представляющего собой откидную деталь, передающую давление пружины на щетку. Щеткодержатель крепят на пальце зажимом. Щетка снабжается гибким тросиком для присоединения к ней элементов электрической цепи машины. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой шинами, подключенными к выводам машины. Одно из условий бесперебойной работы электрической машины - плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором.

Применяют два типа щеткодержателей: радиальный, у которого ось щетки совпадает с продолжением радиуса коллектора и реактивный, у которого ось щетки расположена под углом к продолжению радиуса коллектора, в сторону вращения последнего.

Помимо указанных частей, машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний (со стороны коллектора) и задний. В центральной части щита имеется расточка под подшипник. Обычно применяются подшипники качения. Лишь в некоторых машинах, с целью обеспечения безопасности в процессе работы или же при очень больших габаритах машины, применяют подшипники скольжения. На переднем подшипниковом щите находится смотровое отверстие (люк) с крышкой, через которое можно осмотреть коллектор и щетки, не разбирая машину.

Для присоединения обмоток машины к электрической сети, машина снабжена коробкой выводов, где на изоляционную панель выведены концы обмоток.

Для лучшего охлаждения большинство машин снабжено вентиляторами, которые насаживаются на вал машины. В процессе работы машины вентилятор вращается и создает в машине аэродинамический напор, в результате с одной стороны (со стороны коллектора) поступает охлажденный воздух, соприкасается с нагретыми частями (обмотки и сердечники) и выбрасывается с другой стороны машины через вентиляционную решетку.

2. Электромагнитный расчет

.1 Главные размеры

Максимально допустимый наружный диаметр корпуса

Где  минимально допустимое расстояние от нижней части корпуса машины до опорной плоскости лап (рис.1-2 [1]).

Максимально допустимый наружный диаметр сердечника статора

Наружный диаметр сердечника якоря

 (рис.10-1 [1])

Коэффициент равный

 (по рис.10-2 [1])

Коэффициент равный

 (по рис.10-3 [1])

Предварительное значение КПД

Расчетная мощность

  Принимаем изоляцию класса нагревостойкости

Предварительные значения электромагнитных нагрузок (по рис.10-5,а [1])

 (по рис.10-5,б [1])

Расчетный коэффициент полюсной дуги

 (по рис.10-6 [1])

Расчетная длина сердечника якоря машины

Коэффициент теплопроводности изоляции

Коэффициент теплопроводности изоляции

2.2 Сердечник якоря

Принимаем для сердечника якоря: сталь 2013, толщина 0,5 мм, листы сердечника якоря лакированные, форма пазов полузакрытая овальная, обмотка двухслойная высыпная скос пазов на ½ зубцового деления.

Коэффициент заполнения сердечника якоря сталью

 (§10-3, [1])

Припуск на сборку сердечника по ширине паза

 (табл.10-6 [1])

Конструктивная длина сердечника якоря

 (§10-3, [1])

Эффективная длина сердечника якоря

Предварительное значение внутреннего диаметра листов якоря

(рис.10-10 [1])

2.3 Сердечник главных плюсов

Принимаем для сердечников главных полюсов сталь 3411, толщина 1 мм, листы сердечников полюсов неизолированные; компенсационная обмотка не требуется; вид воздушного зазора между главными полюсами и якорем эксцентричный.

Коэффициент заполнения сердечника сталью

 (§10-3, [1])

Количество главных полюсов (§10-3, [1])

Воздушный зазор

 (рис.10-13 [1])

Высота воздушного зазора у оси

Высота воздушного зазора у края

 (§10-3, [1])

Полюсное деление

Расчетная ширина полюсной дуги

Действительная ширина полюсной дуги

Предварительная магнитная индукция в сердечнике полюса (§10-3, [1])

Принимаем для сердечников добавочных полюсов сталь марки 3411 толщиной 1 мм, листы сердечников полюсов неизолированные.

Коэффициент заполнения сердечника сталью

 (§10-3, [1])

Количество добавочных полюсов

 (§10-3, [1])

Длина наконечника добавочного полюса

 (§10-3, [1])

Длина сердечника добавочного полюса

Ширина сердечника добавочного полюса (рис.10-15 [1])

Воздушный зазор между якорем и добавочным полюсом (рис.10-16 [1])

Станина

Принимаем монолитную станину из стали марки СТ3.

Длина станины

 (§10-3, [1])

Предварительная магнитная индукция в станине

 (§10-3, [1])

Высота станины

Магнитная индукция в месте распространения магнитного потока в станине при входе его в главный полюс

Внутренний диаметр монолитной станины

Высота главного полюса

Высота добавочного полюса

2.4 Тип и шаг обмотки якоря. Количество витков обмотки, коллекторных пластин, пазов

Предварительное значение тока якоря

Принимаем петлевую обмотку из провода ПЭТ-155

Количество пар параллельных ветвей обмотки якоря (табл.10-8 [1])

Предварительное количество витков обмотки якоря

Количество уравнительных соединений обмотки якоря

 (табл.10-8 [1])

Предварительное количество витков в секции

Предварительное количество пазов якоря

Количество коллекторных пластин

Зубцовое деление по наружному диаметру якоря

Наружный диаметр коллектора при полузакрытых пазах якоря

Коллекторное деление

Максимальное напряжение между соседними коллекторными пластинами при нагрузке

где - коэффициент искажения (рис.10-19 [1])

Уточненное число витков обмотки якоря

Количество эффективных проводников

Ток в пазу

Шаг обмотки по реальным пазам

 мм (табл.10-8 [1])

Результирующий шаг обмотки якоря по элементарным пазам

 (табл.10-8 [1])

где  - шаг по коллектору (табл.10-8 [1])

Первый частичный шаг обмотки якоря по элементарным пазам

Второй частичный шаг обмотки якоря по элементарным пазам

Высота паза в штампе ротора и якоря (рис.10-21 [1])

Обмотка якоря с овальными полузакрытыми пазами

Предварительная магнитная индукция в спинке якоря

Предварительная магнитная индукция в зубцах (табл.10-10 [1])

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции

где  - односторонняя толщина корпусной изоляции (§10-3, [1])

Площадь поперечного сечения клина и прокладок

Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой

Предварительный диаметр провода с изоляцией

где  - количество элементарных проводов (§10-3, [1])

Ближайший меньший стандартный диаметр провода с изоляцией и без изоляции

 (приложение 1 [1])

Уточненный коэффициент заполнения паза

Площадь поперечного сечения провода без изоляции при принятом диаметре

 (приложение 1 [1])

Плотность тока в обмотке

Удельная тепловая нагрузка якоря от потерь в обмотке

Допустимое значение удельной тепловой нагрузки якоря от потерь в обмотке

Сопротивление обмотки при температуре 20°С

Сопротивление обмотки при температуре 20°С в относительных единицах

Сопротивление обмотки при температуре 20°С контрольное значение

Длина вылета лобовой части обмотки

Ширина шлица паза

Обмотка добавочных полюсов

Поперечная МДС якоря

Предварительное количество витков катушки добавочного полюса где = 1,25 (§10-6, [1])

Уточненное количество витков катушки добавочного полюса

Уточненная МДС катушки

где  - количество параллельных ветвей обмотки добавочных полюсов (§10-6, [1])

Уточненное отношение МДС некомпенсированной машины

Предварительная плотность тока в обмотке (рис.10-26 [1])

Предварительная площадь поперечного сечения в проводнике (приложение 1 [1]).

Предварительный диаметр проводника без изоляции

 (приложение 1 [1])

Принимаемый ближайший стандартный диаметр проводника

(приложение 1 [1])

Диаметр проводника с изоляцией

(приложение 1 [1])

Площадь поперечного сечения принятого проводника

 (приложение 1 [1])

Уточненная плотность тока в обмотке

Предварительная ширина многослойной катушки из изолированных проводников

Средняя длина витка многослойной катушки из изолированных проводников

где - двусторонний зазор между изолированным сердечником полюса и катушки (§10-6, [1])

 - двусторонняя толщина изоляции сердечника и катушки и крепления катушки (§10-6, [1])

Сопротивление обмотки при температуре 20°С

Стабилизирующая последовательная обмотка главных полюсов

МДС стабилизирующей обмотки на полюс

Предварительное число витков в катушке

где - количество параллельных ветвей последовательной обмотки главных полюсов.

Средняя длина витка катушки из неизолированных проводников, гнутых на ребро.

где - двусторонний зазор между изолированным сердечником полюса и катушки (§10-6, [1])

 - двусторонняя толщина изоляции сердечника и катушки и крепления катушки (§10-6, [1])

Сопротивление обмотки при температуре 20°С

Характеристика намагничивания машин

Сопротивление обмоток якорной цепи двигателя, приведенное к стандартной рабочей температуре

Уточненная ЭДС при номинальном режиме работы двигателя

где  - падение напряжения в контакте щеток

Уточненный магнитный поток

МДС для воздушного зазора между якорем и главным полюсом

Площадь поперечного сечения в воздушном зазоре

Уточненная магнитная индукция в воздушном зазоре

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения якоря

Общий коэффициент воздушного зазора

МДС для воздушного зазора

МДС для зубцов при овальных полузакрытых пазах якоря

Площадь равновеликого поперечного сечения зубцов

Уточненная магнитная индукция в зубцах

Напряженность магнитного поля в зубцах (приложение 5 [1])

Средняя длинна пути магнитного потока

.10.13 МДС для зубцов

МДС для спинки якоря

Площадь поперечного сечения спинки якоря без аксиальных каналов

Уточненная магнитная индукция в спинке якоря

Напряженность магнитного поля в спинке якоря (приложение 5 [1])

Средняя длина пути магнитного потока

МДС для спинки якоря

МДС для сердечника главного полюса

Площадь поперечного сечения сердечника полюса

Уточненная магнитная индукция в сердечнике полюса

Напряженность магнитного поля в сердечнике полюса (приложение 20 [1])

Средняя длина пути магнитного потока

МДС для сердечника полюса

МДС для зазора в стыке между главным полюсом и станиной

Эквивалентный зазор в стыке между главным полюсом и станиной

МДС для зазора

МДС для станины

Площадь поперечного сечения станины из монолитного материала

Уточненная магнитная индукция в станине

Напряженность магнитного поля в станине (приложение 21 [1])

Средняя длина пути магнитного потока

МДС для станины

Суммарная магнитодвижущая сила магнитной цепи

Коэффициент насыщения магнитной цепи

Параллельная обмотка главных полюсов

Отношение МДС обмотки ротора и якоря к суммарной МДС

1,665

Коэффициент

0,17

Размагничивающее действие

МДС обмотки параллельного возбуждения двигателя

Предварительная ширина катушки

Средняя длина витка обмотки

Предварительное поперечное сечение провода

Рисунок 1 - Характеристика намагничивания двигателя

Принятое ближайшее стандартное поперечное сечение провода

 (приложение 1 [1])

Уточненный коэффициент запаса

 (приложение 1 [1])

Диаметр принятого провода с изоляцией

 (приложение 1 [1])

Плотность тока в обмотке (рис. 10-30 [1])

Предварительное количество витков одной катушки

Уточненное количество витков

Уточненная плотность тока в обмотке

Сопротивление обмотки при температуре 20°С

Максимальный ток обмотки

Максимальная МДС