Электродвигатели постоянного тока

2.1.1 Принцип работы электродвигателя постоянного тока

Электромагнитная сила, действующая на проводник с током, определяется по формуле:

, где

F – сила, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле, Н;

В – магнитная индукция, Тл;

l – длина проводника, м;

I – сила тока в проводнике, А.

 

                                                                                                                            

Рисунок 5.  Упрощённая схема электродвигателя постоянного тока:

Щ₁, Щ₂ – щетки; К₁, К₂ – полукольца, F_1, F₂ – пара сил.

 

Рассмотрим работу простейшего двигателя постоянного тока (см. рис. 5). Он представляет собой виток проводника, уложенного в пазы сердечника - якоря, который вращается в магнитном поле. Виток проводника представляет собой секцию якоря, а все секции, уложенные в пазы сердечника якоря, в совокупности представляют собой обмотку якоря.  Магнитное поле создают главные полюса северный и южный. Концы секции якоря присоединены к двум изолированным кольцам – к коллектору, который вращается вместе с якорем. Подключение внешнего электрооборудования к секции, осуществляется с помощью неподвижных щеток, скользящих по коллектору при вращении якоря.

Электрический ток от источника питания (например, для тягового электродвигателя тепловоза таким источником будет являться тяговый генератор, а для тягового электродвигателя электровоза постоянного тока контактная сеть) через неподвижные щетки поступает на секцию якоря. На секцию якоря, помещенную в магнитное поле, начинает действовать пара сил, которая создает электромагнитный момент, вращающий якорь.

Пара сил возникает из-за того, что секция якоря, по сути, представляет собой два проводника, помещенных в магнитное поле, в которых ток течет в противоположных направлениях. Поэтому находить направление силы F, действующей на проводник по правилу левой руки, необходимо для каждого проводника с током в отдельности. Эти две силы F, направленные в противоположные стороны, и будут приводить якорь электродвигателя во вращение.

Отдельно следует сказать о создании магнитного поля, которое, взаимодействуя с магнитным полем секции якоря, приводит якорь во вращение. В маломощных машинах для создания магнитного поля, в котором вращается якорь, используются магнитотвердые материалы (например, широко распространенный минерал, называемый магнитным железняком или магнетитом (его состав: 31% FeO и 69% Fe₂ O₃)). В более мощных электрических машинах применение постоянных магнитов затрудняется и связано с тем, что сила, действующая на проводник с током, будет недостаточна для приведения во вращение якорей мощных электродвигателей, которыми оборудуются тяговый подвижной состав. Более того, магнитным полем природных или искусственных магнитных материалов невозможно управлять. Поэтому на локомотивах и в промышленности в качестве элементов, создающих магнитное поле, в котором вращается якорь электрической машины, используются электромагнитные катушки.

Принцип работы электромагнита основан на свойстве электромагнетизма, которое заключается в том, что в окрестности проводника с током всегда существует магнитное поле. Магнитные силовые линии вокруг проводника с током представляют собой концентрические окружности.

 

Рисунок 6. Силовые линии вокруг катушки с током.

 

Электромагнитные катушки, которые создают магнитное поле в электродвигателе, называются обмоткой возбуждения.

Таким образом, принцип работы электродвигателя заключается в следующем:  напряжение, приложенное к обмотке якоря, вызывает ток, который создает магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем обмотки возбуждения. При этом возникает сила, вращающая якорь.

 

2.1.2 Конструкция электродвигателя постоянного тока

Рассмотрим конструкцию машины постоянного тока на примере тягового электродвигателя тепловоза.

Электродвигатель постоянного тока состоит из двух частей: вращающегося якоря и неподвижной магнитной системы, расположенной на остове электрической машины. Эти две части разделены воздушным зазором.

 

Рисунок 7. Внешний вид тягового электродвигателя тепловоза 2ТЭ121

 

Якорь. В электрических машинах постоянного тока якорь состоит из: вала, сердечника, обмотки и коллектора (см. рис. 8).

Рисунок 8. Общий вид якоря электрической машины постоянного тока:

1 – коллектор; 2 – обмотка якоря; 3 – сердечник; 4 - вал

 

 

Вал якоря представляет собой стальную деталь, предназначенную для передачи вращающего момента от якоря тягового электродвигателя на тяговый редуктор локомотива. (Далее тяговый редуктор приводит в движение колесную пару локомотива).

Рисунок 9. Вал якоря

 

Сердечник якоря (см. рис. 10) выполняется в форме цилиндра. Его собирают из листов специальной электротехнической стали. Каждый лист изолируется от соседнего тонким слоем лака. Это необходимо для того, чтобы увеличить электрическое сопротивление сердечника. Если изготовить сердечник в виде сплошного цилиндра, то при вращении якоря в магнитном поле, магнитные силовые линии пересекаются не только обмоткой якоря, но и сердечником. Поэтому в сердечнике тоже индуктируется ЭДС. Причем значения этих ЭДС в разных точках сердечника, имеющих разные радиусы вращения, неодинаковы: чем ближе точки к поверхности, тем ЭДС больше. Под действием разности ЭДС в разных точках сердечника возникают токи, которые называются вихревыми. Эти вихревые токи могут быть очень значительными, т.к. электрическое сопротивление сплошного сердечника мало. Они нагревают сердечник, и на нагрев бесполезно тратится электрическая энергия, что приводит к снижению КПД двигателя. Поэтому эффективнее использовать составные сердечники, обладающие более высоким электрическим сопротивлением, препятствующим возникновению вихревых токов.

 

 

Рисунок 10. Сердечник якоря

 

При работе электрической машины, ток, проходящий по обмотке якоря, нагревает ее. Также повышению температуры узлов якоря способствуют не полностью устраненные вихревые токи. Перегрев может вызвать различные неисправности электрической машины, например, тепловое разрушение изоляции, которое может привести к ее пробою. Поэтому в сердечнике якоря делают ряд отверстий, через которые проходит воздух, охлаждающий якорь.

На поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые укладывается обмотка якоря.

Обмотка якоря (см. рис. 11) выполняется из медного провода (круглого или прямоугольного сечения) с изоляцией, изготовленной из различных электроизоляционных материалов (слюда, асбест, стекловолокно и др.). Обмотка состоит из соединенных между собой витков, которые называются секциями. Каждый виток имеет две активные стороны и лобовую часть. Начало и конец витка присоединяют к коллектору (к коллекторным пластинам).

Рисунок 11. Секция якорной обмотки:

1, 3 – активные стороны обмотки; 2 – лобовая часть

 

Проводники обмотки укладывают в пазы сердечника в определенной последовательности. Последовательность соединения должна быть такой, чтобы все силы взаимодействия, возникающие между проводниками с током и магнитным потоком, стремились вращать якорь двигателя в одну сторону. Для этого соединяемые проводники, образующие виток (секцию) должны располагаться один от другого на расстоянии, примерно равном расстоянию между полюсами.

Современные электрические машины постоянного тока обычно делают многополюсными (они могут иметь не одну, а две, три и более пар полюсов). При этом проводники обмотки могут быть соединены двумя способами, в зависимости от выбора этого соединения обмотка может быть двух типов: петлевой или волновой.

 

Рисунок 12. Общий вид петлевой обмотки (слева) и схема соединения её секций (справа): КП1, КП2 – коллекторные пластины соседних секций

 

Рисунок 13. Общий вид волновой обмотки: КП1, КП10 и КП2, КП11 – коллекторные пластины соседних секций

 

Показать обмотку якоря на чертеже в том виде, как ее выполняют в электрической машине, очень сложно. Поэтому для наглядности изображения полюсы электрической машины и пластины коллектора, которые в действительности расположены по окружности, на рисунке изображают в виде развертки на плоскости (см. рис.14, 12). Это позволяет показать расположение проводников обмотки относительно полюсов магнитной системы, соединение проводников один с другим и с пластинами коллектора, а также соединение секций.

 

Рисунок 14. Схема соединения секций волновой обмотки

 

В большинстве тяговых двигателей раньше применяли волновую обмотку. В настоящее время в тяговых двигателях большой мощности применяют петлевые обмотки. Обмотку якоря укладывают в пазы, выштампованные в листах стали, из которых собирают сердечник. В каждом пазу помещают стороны двух секций, так как обмотки двигателей обычно располагают в два слоя. Одну сторону секции укладывают в верхнюю часть одного паза, а другую – в нижнюю часть другого. При двухслойной обмотке облегчается соединение лобовых частей секции. Кроме того, все секции получаются одинаковыми, что упрощает технологию их изготовления.

Уложенную обмотку необходимо закрепить в пазах (см. рис. 15), иначе при вращении якоря обмотка под действием центробежной силы будет вырвана из пазов. Закрепить ее можно, либо наложив бандажи на цилиндрическую поверхность якоря, либо поставив клинья в пазы. Лобовые соединения крепят только бандажами.

 

 

Рисунок 15. Паз якоря:

1 – защитная изоляция; 2 – фрагмент якорного листа; 3, 4, 5 – изоляционная прокладка; 6 – клин; 7 – изоляция проводника; 8 - проводник; 9 – корпусная изоляция.

 

Бандажи занимают по высоте меньше места, чем клинья, и ставить их проще. Они выполняются из стальной проволоки или стеклоткани, накатываемой непосредственно на лобовые части обмотки. Однако в бандажах теряется энергия, поскольку они вращаются в магнитном поле. Не исключена и вероятность нарушения их пайки под действием тепла, выделяемого в обмотках двигателей и в самих бандажах. Кроме того, при больших окружных скоростях бандажи не обеспечивают необходимую прочность крепления.

Крепление обмотки клиньями достаточно надежно, а поэтому такой способ и получил преимущественное применение в мощных тяговых двигателях. По материалу изготовления клинья делятся на деревянные, гетинаксовые или текстолитовые. Однако деревянные клинья не обеспечивают надежного крепления и могут выпасть из паза. Но при этом высота паза, а, следовательно, и диаметр якоря двигателя увеличивается.

Таким образом, обмотка якоря – это замкнутая система проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору. В якорной обмотке индуцируется ЭДС под действием, которого возникает электрический ток и, как следствие, электромагнитный момент.

Коллектор (см. рис. 16) в электрическом двигателе постоянного тока выполняет функцию инвертора, т.е. он преобразовывает постоянный ток внешней цепи в переменный ток якорной обмотки. (В генераторе постоянного тока преобразует переменный ток якорной обмотки в постоянный ток внешней цепи, то есть служит механическим выпрямителем). Взаимодействие вращающегося якоря и неподвижной магнитной системы осуществляется с помощью коллектора и щеточного устройства. Во время работы электрической машины коллектор вращается вместе с валом якоря, а щетки, которые скользят по поверхности коллектора, остаются неподвижными.

 

Рисунок 16. Коллектор электрической машины:

1 – нажимное кольцо; 2 – изоляция; 3 – петушок; 4 – пластина

 

Коллектор набирается из медных коллекторных пластин (см. рис. 17), которые изолируются друг от друга прокладками из коллекторного миканита. Миканит изготавливают из слюды, обладающей очень высокой электрической прочностью, теплостойкостью и влагостойкостью.

 

Рисунок 17. Коллекторная пластина: 1 – петушок; 2 – ласточкин хвост

 

Коллекторные пластины и прокладки в нижней части имеют форму так называемого ласточкиного хвоста. Ласточкины хвосты зажаты между нажимным кольцом и корпусом коллектора. Нажимное кольцо и корпус надежно скрепляются болтами. Такое крепление обеспечивает сохранение строго цилиндрической формы коллектора, т.к. если одна из пластин выйдет из очертания окружности коллектора, то щетки, которые прижимаются к поверхности коллектора, начнут подпрыгивать, искрить, что может привести к повреждению двигателя.

В верхней части коллекторные пластины имеют выступы, называемые петушками. В петушках сделаны прорези, куда впаивают концы секций обмотки якоря. Во время работы двигателя щетки истирают поверхность коллектора. Миканит более износостоек, чем медь, поэтому в процессе работы поверхность коллектора может стать волнистой. Чтобы этого не произошло, изоляцию в промежутках между медными пластинами после сборки коллектора углубляют – продораживают коллектор.

Щеточное устройство. В электродвигателе постоянного тока электрический контакт с поверхностью коллектора осуществляется с помощью щеток. Название ”щетка” возникло в начальный период практической электротехники, когда первые устройства этого рода действительно были щетками или кисточками. Они состояли из собранных в пучок медных проволок, которые свободным концом скользили по коллектору или контактным кольцам (у электрических машин переменного тока). В настоящее время такое наименование уже не соответствует действительности, но оно прочно вошло в международную техническую терминологию.

Рисунок 18. Щеткодержатель: 1 – изоляторы; 2 – гибкий шунт; 3 – нажимная пружина; 4 – обойма; 5 – кронштейн; 6 – щётка

 

Через щетки, установленные в щеткодержателях (см. рис. 18), электрический ток подводится к обмотке якоря. Щетки изготавливаются из сажи, кокса, антрацита, которые при нагреве в электрической печи превращаются в искусственный графит (такие щетки называют электрографитированными). Также щетки изготавливают из угля с добавлением медного порошка. Такие щетки называются угольными. В машинах переменного тока щетки могут быть изготовлены из меди. Щетки должны иметь высокое переходное сопротивление, низкий коэффициент трения, должны быть упругими и износостойкими. Также на одной машине должны применяться только щетки с одинаковой электропроводностью. В противном случае, возможно, что одна из щеток будет проводить больше тока, чем другие, и нагреется вследствие этого еще больше. В результате произойдет дальнейшее нарушение распределения тока между параллельно включенными щетками.

Одна щетка обычно перекрывает несколько коллекторных пластин, что ухудшает коммутацию электрической машины. Однако если щетки и коллекторные пластины выполнить равными по ширине, то щетки получились бы очень тонкими и хрупкими. Кроме того, при прохождении большого тока необходимо обеспечить достаточную поверхность контакта между щетками и коллектором. Поэтому, чтобы получить необходимую площадь рабочей поверхности щеток при небольшой их ширине, пришлось бы щетки удлинить, а это привело бы к удлинению коллектора. Однако размеры тягового электродвигателя строго ограничены габаритом локомотива. Длину двигателя определяет расстояние между колесами, а высоту – диаметр колеса локомотива, т.к. тяговый электродвигатель подвешивается с опорой на ось колесной пары (опорно-осевое подвешивание) или под раму тележки (опорно-рамное подвешивание). Поэтому увеличение размеров коллектора привело бы к уменьшению длины сердечника якоря и проводников обмотки, и, как следствие, снизило бы мощность двигателя.

Щетки устанавливаются в щеточном устройстве, которое состоит из щеточной траверсы, пальцев и щеткодержателей. Щетки прижимаются к поверхности коллектора пальцами, соединенными с пружинами.

Щеткодержатели вместе с траверсами выполняют следующие функции:

1) удерживают щетки в установленном положении без перекосов при их работе независимо от степени их износа;

2) обеспечивают требуемое давление на щетки, которое должно быть по возможности постоянным независимо от степени их износа (чрезмерное давление может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточное – искрение на коллекторе, т.к. между контактной поверхностью щетки и коллектором будет воздушный зазор, что приведет к образованию электрической дуги);

3) передают ток щеток в якорную обмотку или из нее (причем раздельно для положительных и отрицательных щеток).

Щеткодержатель состоит из корпуса и кронштейна. Корпус соединяют с кронштейном болтом. Для более надежного крепления и лучшего электрического контакта соприкасающиеся поверхности кронштейна и корпуса сделаны рифлеными. Щеткодержатели должны быть надежно изолированы от остова двигателя. Поэтому их кронштейны крепят к остову или подшипниковым щитам с помощью изоляторов.

Магнитная система двигателя. Остов, главные и дополнительные полюсы образуют магнитную систему двигателя. Магнитная система обеспечивает усиление магнитного потока, его концентрацию в определенных частях двигателя.

Магнитное поле в электрических машинах постоянного тока создается обмоткой обмотками возбуждения, расположенными на сердечнике полюсов и питаемыми постоянным током. Число полюсов выбирается в зависимости от мощности и назначения электрической машины для подвижного состава и может колебаться от двух до двенадцати. 

Остов. У тягового двигателя остов (см. рис. 19) служит магнитопроводом, к нему крепят главные и дополнительные полюсы. Остов (ярмо) должен оказывать минимальное сопротивление прохождению магнитного потока, поэтому его изготавливают из стали, обладающей хорошими магнитными свойствами.

Рисунок 19. Остов тягового электродвигателя:

1 – остов, 2 – главный полюс, 3 – добавочный полюс, 4 – прилив опорно-осевого подшипника, 5 – проушины

 

Остову в поперечном сечении придают почти квадратное очертание с несколько срезанными углами. Такая форма позволяет уменьшить объем двигателя, что очень важно для его размещения на локомотиве. Иногда остовы делают восьмигранного или круглого сечения. Остов имеет горловины, через которые в нем устанавливают полюсы, якорь и другие детали; предусмотрены в остове также окна для подвода и отвода охлаждающего воздуха. В процессе эксплуатации необходимо периодически проверять состояние коллектора. Для этого в остове имеются смотровые люки, надежно закрываемые крышками.

Главные полюсы. Главные полюсы (см. рис. 20) обеспечивают создание рабочего магнитного поля в электромашине. Для усиления и регулирования магнитной индукции поля в качестве главных полюсов используют электромагниты. Обмотки электромагнитов называют обмотками возбуждения, а ток, протекающий по ним, - током возбуждения. С увеличением тока возбуждения возрастает магнитная индукция поля и магнитный поток возбуждения (они прямо пропорциональны друг другу).

 

Рисунок 20. Главный полюс тягового электродвигателя

 

Главные полюсы представляют собой сердечники, на которые надеты катушки. Сердечники главных полюсов, как и якоря, собирают из отдельных листов стали. Это также необходимо для снижения вихревых токов, т.к. зубцы и впадины неровной поверхности якоря, перемещаясь при вращении под полюсами, искажают магнитное поле и вызывают пульсацию магнитного потока. Из-за этого в сердечнике полюса возникают вихревые токи. Вот и приходится набирать сердечник из тонких листов стали.

Чтобы обеспечить необходимое распределение магнитного потока по поверхности якоря, сердечнику придают довольно сложную форму. Сердечник такой формы проще выполнить, набирая его из отдельных листов стали.

Дополнительные полюсы. Как и главные полюсы, они состоят из сердечников и катушек (см. рис. 21). Магнитный поток, необходимый для компенсации реактивной ЭДС, сравнительно невелик. Поэтому дополнительные полюсы  делают меньшего размера, чем главные. Потери в их сердечниках, вызываемые пульсацией магнитного потока, незначительны, поэтому сердечники изготавливают сплошными.

 

Рисунок 21. Добавочный полюс машины постоянного тока:

1 – сердечник; 2 – катушка

 

Катушки дополнительных полюсов наматывают из полосовой меди. Число дополнительных полюсов равно числу главных.

 

 

Генераторы постоянного тока