Техническое обслуживание двигателей постоянного тока

Содержание   

 

1)Двигатель постоянного тока

2)Назначение, общие сведенья

3)Принцип работы

4)Формулы

5)Режимы работы двигателя  постоянного тока

6)Бес коллекторные двигатели постоянного тока

7)Достоинства и недостатки двигателей постоянного тока

8)Техническое обслуживание

9)Технические характеристики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Двигатель постоянного  тока

Двигатель постоянного тока (ДПТ) это  один из самых привычных и понятных электродвигателей, он изучается даже в школе, на физике. Он используется практически везде, где нужен  малогабаритный моторчик, а также не спешит сдавать своих позиций и там, где мощность измеряется десятками киловатт. О нем и поговорим.

Назначение, общие сведения

В настоящее время в  регулируемых по скорости или моменту  электроприводах широко используются машины постоянного тока. Они изготавливаются  мощностью от долей ватта до 12 МВт. Номинальное напряжение их не превышает 1500 В и только иногда в крупных  машинах доходит до 3000 В. Частота  вращения колеблется в широких пределах — от нескольких оборотов до нескольких тысяч оборотов в минуту.  
 
Наиболее широко применяются машины постоянного тока с механическим коммутатором — коллектором. Хотя он усложняет условия работы, однако правильно спроектированная и качественно изготовленная машина постоянного тока является достаточно надежной. Машины постоянного тока, как и все электрические машины, обратимы, т. е. могут работать и как генераторы, и как двигатели. Конструктивно они выполнены одинаково. Однако с целью получения более экономичных режимов работы генераторы и электродвигатели проектируются и изготавливаются отдельно. В частности, они изготавливаются на разные напряжения: генераторы — на 115, 230, 460 В, двигатели — на 110, 220, 440 В.  
 
Генераторы постоянного тока применяются в качестве возбудителей синхронных машин, сварочных генераторов, для питания гальванических ванн и двигателей постоянного тока, зарядки аккумуляторов.  
 
Электродвигатели постоянного тока используются для электрической тяги, в подъемно-крановых установках, металлургической, бумажной промышленности и других отраслях, где требуется плавное и точное регулирование скорости и вращающего момента в широких пределах.  
 
Электродвигатели постоянного тока используются для электрической тяги, в подъемно-крановых установках, металлургической, бумажной промышленности и других отраслях, где требуется плавное и точное регулирование скорости и вращающего момента в широких пределах. 

 

Принцип работы

Электрическая машина постоянного  тока состоит из статора, якоря, коллектора, щеткодержателя и подшипниковых  щитов (рисунок 1). Статор состоит из станины (корпуса), главных и добавочных полюсов, которые имеют обмотки  возбуждения. Эту неподвижную часть  машины иногда называют индуктором. Главное  его назначение — создание магнитного потока. Станина изготавливается  из стали, к ней болтами крепятся главные и добавочные полюса, а  также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для  транспортирования, снизу — лапы для крепления машины к фундаменту. Главные полюса машины набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 -1 мм с целью уменьшения потерь, которые возникают из-за пульсаций  магнитного поля полюсов в воздушном  зазоре под полюсами. Стальные листы  сердечника полюса спрессованы и  скреплены заклепками.

 

Рисунок 1 – Машина постоянного  тока:  
I — вал; 2 — передний подшипниковый щит; 3 — коллектор; 4 — щеткодержатель; 5 — сердечник якоря с обмоткой; б — сердечник главного полюса; 7 — полюсная катушка; 8 — станина; 9 — задний подшипниковый щит; 10 — вентилятор; 11 — лапы; 12 — подшипник

  
 
Рисунок 2 – Полюса машины постоянного  тока:  
а — главный полюс; б — дополнительный полюс; в — обмотка главного полюса; г — обмотка дополнительного полюса; 1 — полюсный наконечник; 2 — сердечник

В полюсах различают сердечник  и наконечник (рисунок 2). На сердечник  надевают обмотку возбуждения, по которой  проходит ток, создавая магнитный поток. Обмотка возбуждения наматывается на металлический каркас, оклеенный  электрокартоном (в больших машинах), или размещается на изолированном электрокартоном сердечнике (малые машины). Для лучшего охлаждения катушку делят на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Добавочные полюса устанавливаются между главными. Они служат для улучшения коммутации. Их обмотки включаются последовательно в цепь якоря, поэтому проводники обмотки имеют большое сечение.

Якорь машины постоянного  тока состоит из вала, сердечника, обмотки  и коллектора. Сердечник якоря  собирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм и спрессовывается  с обеих сторон с помощью нажимных шайб. В машинах с радиальной системой вентиляции листы сердечника собираются в отдельные пакеты толщиной 6-8 см, между которыми делают вентиляционные каналы шириной 1 см. При осевой вентиляции в сердечнике выполняют отверстие для прохождения воздуха вдоль вала. На внешней поверхности якоря имеются пазы для обмотки.

  
 
Рисунок 3 – Расположение секции обмотки  якоря в пазах сердечника

Обмотка якоря изготавливается  из медных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде заранее выполненных  секций (рисунок 3). Они укладываются в пазы, где тщательно изолируются. Обмотку делают двухслойной: размещают  в каждом пазу две стороны разных якорных катушек — одну над  другой. Обмотку закрепляют в пазах  клиньями (деревянными, гетинаксовыми или текстолитовыми), а лобовые части крепят специальным проволочным бандажом. В некоторых конструкциях клинья не применяют, а обмотку крепят бандажом. Бандаж изготовляют из немагнитной стальной проволоки, которая наматывается с предварительным натяжением. В современных машинах для бандажировки якорей используют стеклянную ленту.

Коллектор машины постоянного  тока собирается из клиноподобных пластин холоднокатаной меди. Пластины изолируют одну от другой прокладками из коллекторного миканита толщиной 0,5 - 1 мм. Нижние (узкие) края пластин имеют вырезы в виде "ласточкина хвоста", которые служат для крепления медных пластин и миканитовой изоляции. Коллекторы крепят нажимными конусами двумя способами: при одном из них усилие от зажима передается только на внутреннюю поверхность "ласточкина хвоста", при втором — на "ласточкин хвост" и конец пластины.

Коллекторы с первым способом крепления называют арочными, со вторым — клиновыми. Наиболее распространены арочные коллекторы.

В коллекторных пластинах  со стороны якоря при небольшой  разнице в диаметрах коллектора и якоря делают выступы, в которых  фрезеруют прорези (шлицы). В них  укладывают концы обмотки якоря  и припаивают оловянистым припоем. При большой разнице в диаметрах припайка к коллектору делается с помощью медных полосок, которые называются "петушками".

В быстроходных машинах большой  мощности для предотвращения выпучивания  пластин под действием центробежных сил применяют внешние изолированные  бандажные кольца.  
Щеточный аппарат состоит из траверсы, щеточных пальцев (болтов), щеткодержателей и щеток. Траверса предназначена для крепления на ней щеточных пальцев щеткодержателей, образующих электрическую цепь.

Щеткодержатель состоит  из обоймы, в которую помещается щетка, рычага для прижима щетки  к коллектору и пружины. Давление на щетку составляет 0,02 - 0,04 МПа.

Для соединения щетки с  электрической цепью имеется  гибкий медный тросик.  
В машинах малой мощности применяют трубчатые щеткодержатели, которые крепят в подшипниковом щите. Все щеткодержатели одной полярности соединяются между собой сборными шинами, которые подключаются к выводам машины.  
Щетки (рисунок 4) в зависимости от состава порошка, способа изготовления и физических свойств разделяют на шесть основных групп: угольно-графитовые, графитовые, электрографитовые, медно-графитовые, бронзографитовые и серебряно-графитовые.

Подшипниковые щиты электрической  машины служат в качестве соединительных деталей между станиной и якорем, а также опорной конструкцией для якоря, вал которого вращается  в подшипниках, установленных в  щитах.

  
 
Рисунок 4 – Щетки:  
а — для машин малой и средней мощности; б — для машин большой мощности; 1 — щеточный канатик; 2 — наконечник

Различают обычные и фланцевые  подшипниковые щиты.  
Подшипниковые щиты изготовляют из стали (реже из чугуна или алюминиевых сплавов) методом литья, а также сварки или штамповки. В центре щита делается расточка под подшипник качения: шариковый или роликовый. В машинах большой мощности в ряде случаев используют подшипники скольжения.

В последние годы статор двигателей постоянного тока собирают из отдельных листов электротехнической стали. В листе одновременно штампуются ярмо, пазы, главные и добавочные полюса.

формулы 
Не буду грузить никого выводами, их найдете сами если захотите. Чтобы было поменьше матана рекомендую найти учебник по электроприводу для средних учебных заведений и годом выпуска подревней. От 50х-60х годов самое то :) Там и картинки винтажные и расписано для вчерашнего выпускника сельской семилетки. Много букв и никакого грузилова, все четко и по делу.  
 

Самая главная формула коллекторного  двигателя постоянного тока:

U = Е + I_я*R_я

• U — напряжение подаваемое на якорь
• R_я — сопротивление якорной цепи. Обычно за этот символ считают только сопротивление обмотки, хотя можно снаружи навесить резистор какой и он к ней приплюсуется. Тогда пишут как (R_я+R_д)
• I_я — ток в якорной цепи. Тот самый который замеряется амперметром при попытке измерять потребление движка :)
• Е — это противоэдс или ЭДС генератора, в генераторном режиме. Она зависит от конструкции двигателя, оборотов и описывается вот такой вот простой формулой

Е = С_е * Ф * n

• C_e — одна из конструктивных констант. Они зависят от конструкции двигателя, числа полюсов, количества витков, толщин зазоров между якорем и статором. Нам она не особо нужна, при желании ее можно вычислить экспериментально. Главное, что она константа и на форму кривых не влияет :)
• Ф — поток возбуждения. Т.е. сила магнитного поля статора. В мелких моторчиках, где оно задается постоянным магнитом это тоже константа. Но бывает под возбуждение выведена отдельная обмотка и тогда мы можем ее менять.
• n — обороты якоря.

 

 

Ну и зависимость момента  от тока и потока:

М = С_м * I_я * Ф

С_м — конструктивная констатнта. 
 

Вот тут стоит обратить внимание, что зависимость момента от тока совершенно прямая. Т.е. просто замеряя  ток, при неизменном потоке возбуждения, мы можем совершенно точно узнать величину момента. Это может быть важно, например, чтобы не сломать  привод, когда двигло может развить такое усилие, что легко поломает то, что оно там вращает. Особенно с редуктором. 
 

Ну и из этого же следует, что  момент у машины постоянного тока зависит только от способности источника  снабжать его током. Так что идеальный  нерушимый сверхпроводящий движок вам на раз лом в узел завяжет, пусть даже он сам с ноготок будет. Только энергию подавай.  
 

А теперь смешаем все это в  кучу и получим зависимость оборотов от момента — механическую характеристику двигателя.  
 

 
 

Если ее построить, то будет нечто  следующее: 
 

 

n₀ — это обороты идеального холостого хода сферического двигателя в вакууме. Т.е. когда наш движок ну ваще халявит, момент равен нулю. Ток потребления тоже, естественно, ноль. Т.к. противоэдс равна напряжению. Чисто теоретический вариант. А вторая точка строится уже с каким-либо моментом на валу. Получается прямая зависимость оборотов от момента. А наклон характеристики определяется сопротивлением якорной цепи. Если никаких добавочных резисторов там нет, то это зовут естественной характеристикой.  
 

Обороты идеального холостого хода зависят от напряжения и потока. Больше ни от чего. А если поток константа (постоянный магнит), то только от напряжения. Снижая напряжение вся наша характеристика параллельно смещается вниз. Уменьшили напряжение в два раза — скорость упала в два раза. 
 

Если есть возможность менять поток  возбуждения, то можно поднимать  скорость выше номинальной. Тут зависимость  обратная. Ослабляем поток — двигатель  разгоняется, но либо падает момент, либо ему надо жрать больше тока.  
 

Иной двигатель со снятием возбуждения  может и в разнос пойти. Помнится сдавал я затянувшийся курсач по электроприводу, уже хрен знает спустя сколько времени после сессии. Вломы мне его делать было, ага :) Ну и сидел в лаборатории, ждал препода. А там какие то балбесы, на курс ниже, лабу делали. Крутили движок вхолостую, а возбуждение к стенду приверчено было на соплях и слетело с клеммы. Движок в разнос пошел. У нас в лаборатории ЭПА ЮУРГУ все серьезно было, машины стояли нешуточные, по десятку киловатт и под сотню другую кг каждый. Все на суровом напряжении в 380 вольт. 
В общем, когда эта дура взревела как монстр и стала рваться с креплений, я только и успел крикнуть, что все нахер от машины, вырубай к черту. Не успели, двигло сорвало с креплений, обмотка повылетала с пазов и движку пришел кирдык. Ладно никого не покалечило. 
Впрочем, лабы привода это то еще развлечение было. У нас там и горело и взрывалось. Там я приобрел замечательные навыки чинить что угодно, чем угодно в сжатые сроки. В среднем, каждый успел по разу убить стенд наглухо, а лаба часто начиналась с починки паяльника, которым чинили осциллограф с помощью которого реанимировали убитый стенд.