Принцип дії колекторних електричних машин

Принцип дії колекторних електричних машин

Відмінною конструктивною ознакою колекторної машини постійного струму є наявність колектора, через який відбувається зв’язок робочої обмотки (обмотки якоря) з навантаженням (режим генератора) або джерелом живлення (режим двигунів). Колектор — це механічний перетворювач. В комплекті з контактними щітками він перетворює постійний струм в змінний або навпаки.

Розглянемо принцип дії машини постійного струму в генераторному режимі, коли механічна енергія, що підводиться, перетворюється в електричну енергію постійного струму. Для цього скористаємось спрощеною моделлю машини постійного струму (рис.1.1.1). В магнітному полі постійного магніта обертається стальне осердя, в повздовжніх пазах якого розташований діаметральний виток abcd з сторонами ab i cd. Початок d і кінець а цього витка приєднанні до двох взаємно ізольованих мідних напівкілець, що утворюють колектор, який обертається разом з стальним циліндром. По колектору ковзають нерухомі в просторі контактні щітки А і В, від яких відходять провідники до споживача енергії R. Стальне осердя з витком (обмоткою) і колектором утворюють обертову частину машини постійного струму — якір. Якщо з допомогою будь-якої зовнішньої сили обертати якір, то сторони витка будуть перетинати магнітне поле полюсів з індукцією В і в обмотці наведеться ЕРС,В,

image002 (1.1.1)

де J — швидкість переміщення пазових сторін витка, м/с; l — довжина сторони витка, м.

image004

Рис. 1.1.1. Спрощена модель колекторної машини

Так як довжина і швидкість переміщення пазових сторін якоря незмінна, то ЕРС е обмотки якоря прямо пропорційна В, а форма графіка ЕРС визначається законом розподілення магнітної індукції В в повітряному проміжку між поверхнею якоря і полюсами магніта. Так, наприклад, магнітна індукція в точках проміжку, що лежать на вісі полюсів, має максимальне значення: під північним магнітним полюсом додатнє і під південним — від’ємне. В точках n i n¢, що лежать на геометричній нейтралі, тобто на лінії, що проходить через середину міжполюсного простору, магнітна індукція В = 0 (див. рис. 1.1.4).

Припустимо, що магнітна індукція в повітряному проміжку моделі, що розглядається, розподілена синусоїдально: B = Bmax sina, тоді ЕРС витка при обертанні якоря буде також змінюватися за синусоїдальним законом. Кут a визначає зміну положення якоря по відношенню до вихідного. На рис.1.1.2,а зображений ряд положень витка abcd (обмотки) в різні моменти часу за один оберт якоря. При a = 0, a = 1800, a = 3600 ЕРС якоря рівна нулю, а при a = 900

image006

Рис. 1.1.2. До принципу дії генератора постійного струму

і a = 2700 має максимальне значення, причому в першому випадку додатнє, а в другому – від’ємне. Таким чином, в обмотці якоря генератора постійного струму наводиться змінна ЕРС, а тому, при ввімкненні навантаження по обмотці буде проходити струм з частотою f1 (рис.1.1.2, б). За час другого півоберту якоря, коли ЕРС і струм в обмотці якоря від’ємні, ЕРС і струм в зовнішньому колі генератора (в навантаженні) не змінюють свого напрямку, тобто залишаються додатніми, як і на протязі першої половини оберту якоря. Дійсно, при a = 900 щітка А дотикається до колекторної пластини провідника d, розташованого під полюсом N, і має додатній потенціал, а щітка В — від’ємний, так як вона дотикається з пластиною колектора, що з’єднана з стороною а витка, що знаходиться під полюсом S. При a = 2700, коли сторони а і d помінялися місцями, щітки А і В зберігають незмінною свою полярність, тому що напівкільця колектора також помінялись місцями і щітка А має контакт з колекторною пластиною, пов’язаною з стороною, що знаходиться під полюсом N (сторона а), а щітка В — з колекторною пластиною, пов’язаною з стороною, що знаходиться під полюсом S (сторона d). В результаті струм в зовнішньому колі не змінить свого напрямку (рис.1.1.2, б), тобто змінний струм обмотки якоря з допомогою колектора і щіток перетворюється в постійний струм.

image001

Рис.1.1.3. Модель колекторної машини з двома витками в оботці якоря

Струм в зовнішньому колі генератора, що розглядається, постійний лише за напрямком, а його величина змінюється, тобто струм пульсує.

Пульсації струму і ЕРС значно послаблюються, якщо обмотку якоря виконати з великої кількості рівномірно розподілених по поверхні осердя витків і збільшити відповідно число колекторних пластин. Наприклад, при двох витках на осерді якоря (чотирьох пазових сторонах), вісі яких зміщенні одна відносно одної на кут 900, і чотирьох пластинах в колекторі (рис.1.1.3,а) струм в зовнішньому колі генератора пульсує з подвоєною частотою 2f1, але глибина пульсацій значно скорочується (рис.1.1.3, б). Якщо витків в обмотці якоря 12-16, то струм на виході генератора практично постійний.

Генератори постійного струму мають обмежене використання, так як в якості джерела постійного струму краще використовувати напівпровідникові випрямні пристрої. Тому колекторні машини переважно використовуються в якості двигунів.

На рис.1.1.4 зображений поперечний переріз спрощеної моделі колекторного двигуна. Якщо до щіток А і В підвести напругу U від джерела постійного струму, то в обмотці якоря з’явиться струм іа. В результаті взаємодії струму іа в сторонах а і b витка з полем постійного магніта (полем збудження) з’являться електромагнітні сили

image010 (1.1.2)

що створюють електромагнітний момент, Н×м,

image012 (1.1.3)

image008

де Nа – число сторін в обмотці якоря; Dа – діаметр осердя якоря, м.

Під дією цього моменту якір обертається. Після повороту якоря на 1800 електромагнітні сили Fем і електромагнітний момент М не змінюють свого напрямку, так як при переході кожного пазового провідника обмотки якоря із зони одного магнітного полюса в зону іншого полюса постійного магніту в цих провідниках змінюється напрямок струму. Пояснюється це тим, що при повороті якоря на 1800 пластини a¢ i d¢ колектора міняються місцями.

Таким чином, призначення колектора і щіток в двигуні постійного струму полягає в тому, щоб змінювати напрямок струму в витках обмотки якоря при їх переході з зони одного магнітного полюса в зону іншого полюса, при цьому напрямок електромагнітних сил, що утворюють електромагнітний момент М, залишається незмінним.

Рис.1.1.4. До принципу дії двигуна постійного струму

При проходженні пазових сторін а і d витка обмотки якоря через точки n i n¢, що лежать на геометричній нейтралі, електромагнітні сили Fем = 0, так як магнітна індукція в цих точках В = 0, а електромагнітний момент при цьому рівний нулю: М = 0. Але з збільшенням кількості витків обертання якоря стає рів-номірним. Наприклад, при двох витках в обмотці якоря і чотирьох пластинах в колекторі (див.рис.1.1.3) електромагнітний момент двигуна при будь-якому просторовому положенні якоря не рівний нулю (М ¹ 0). Так, якщо в точках геометричної нейтралі n i n¢ виявляться дві пазові сторони одного витка обмотки якоря, то електромагнітний момент двигуна буде створюватися електромагнітними силами, що діють на пазові сторони іншого витка, які в цей момент часу будуть знаходитись під серединою полюсів постійного магніта, де магнітна індукція В максимальна.

Васюра А.С. – книга “Електромашинні елементи та пристрої систем управління і автоматики”

Оставьте комментарий к статье