Что такое коллектор в генераторе постоянного тока

Что такое коллектор в генераторе постоянного тока

Для чего в машинах постоянного тока используется коллектор?

Коллектор — это система медных пластин, изолированных друг от друга и от вала якоря. К пластинам припаяны отводы от обмотки якоря. Для соединения коллектора с зажимами машины и внешней цепью служат скользящие контакты (щетки).

Коллектор в электрических машинах выполняет роль выпрямителя переменного тока в постоянный (в генераторах) и роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря (в двигателях).

Когда магнитное поле пересекается только двумя проводниками, образующими рамку, коллектор будет представлять собой одно кольцо, разрезанное на две части, изолированные одна от другой. В общем случае каждое полукольцо носит название коллекторной пластины .

Начало и конец рамки присоединяются каждый к своей коллекторной пластине. Щетки располагаются таким образом, чтобы одна из них была всегда соединена с проводником, который будет двигаться у северного полюса, а другая — с проводником, который будет двигаться у южного полюса. На рис. 1. показан общий вид коллектора электрической машины .

Для рассмотрения работы коллектора обратимся к рис. 2, на котором рамка с проводниками А и В показана в разрезе. Для большей наглядности проводник А показан толстым кружком, а проводник В двумя тонкими кружками.

Щетки замкнуты на внешнее сопротивление тогда э. д. с., индуктируемая в проводниках, будет вызывать в замкнутой цепи электрический ток. Поэтому при рассмотрении работы коллектора можно говорить не об индуктированной э. д. с., а об индуктированном электрическом токе.

Рис. 1. Коллектор электрической машины

Рис. 2. Упрощенное изображения коллектора

Рис. 3. Выпрямление переменного тока с помощью коллектора

Сообщим рамке вращательное движение в направлении по часовой стрелке. В момент, когда вращающаяся рамка займет положение, изображенное на рис. 3, А, в ее проводниках будет индуктироваться наибольший по величине ток, так как проводники пересекают магнитные силовые линии, двигаясь перпендикулярно к ним.

Индуктированный ток из проводника В, соединенного с коллекторной пластиной 2, поступит на щетку 4 и, пройдя внешнюю цепь, через щетку 3 возвратится в проводник А. При этом правая щетка будет положительной, а левая отрицательной.

Дальнейший поворот рамки (положение В) приведет снова к индуктированию тока в обоих проводниках; однако направление тока в проводниках будет противоположно тому, которое они имели в положении А. Так как вместе с проводниками повернутся и коллекторные пластины, то щетка 4 снова будет отдавать электрический ток во внешнюю цепь, а по щетке 3 ток будет возвращаться в рамку.

Отсюда следует, что, несмотря на изменение направления тока в самих вращающихся проводниках, благодаря переключению, произведенному коллектором, направление тока во внешней цепи не изменилось .

В следующий момент (положение Г), когда рамка вторично займет положение на нейтральной линии, в проводниках и, следовательно, во внешней цепи тока опять не будет.

В последующие моменты времени рассмотренный цикл движений будет повторяться в том же порядке. Таким образом, направление индуктированного направление тока во внешней цепи благодаря коллектору все время будет оставаться одним и тем же, а вместе с этим сохранится и полярность щеток.

Рис. 4. Коллектор двигателя постоянного тока

Представление о характере изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки, снабженной коллектором, дает кривая рис. 5. Из кривой видно, что наибольших значений ток достигает в точках, соответствующих 90° и 270°, т. е. когда проводники пересекают силовые линии непосредственно под полюсами. В точках 0° (360°) и 180° ток во внешней цепи равен нулю, так как проводники, проходя нейтральную линию, силовых линий не пересекают.

Рис. 5. Кривая изменения тока во внешней цепи за один оборот рамки после выпрямления коллектором

Из кривой нетрудно заключить, что хотя направление тока во внешней цепи и остается неизменным, но величина его все время меняется в пределах от нуля до максимума.

Электрический ток, постоянный по направлению, но переменный по величине, носит название пульсирующего тока. Для практических целей пульсирующий ток очень неудобен. Поэтому в генераторах стремятся сгладить пульсации и сделать ток более ровным.

В отличие от генераторов, в двигателях постоянного тока коллектор выполняет роль автоматического переключателя направления тока во вращающихся проводниках якоря. Если в генераторе коллектор служит для выпрямления переменного тока в постоянный, то в электродвигателе роль коллектора сводится к распределению тока в обмотках якоря таким образом, чтобы в течение всего времени работы электродвигателя в проводниках, находящихся в данный момент под северным полюсом, ток проходил постоянно в каком-либо одном направлении, а в проводниках, находящихся под южным полюсом, — в противоположном направлении.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Что такое коллектор в генераторе постоянного тока

§ 124. Назначение коллектора в генераторах постоянного тока. Устройство коллектора

При вращении якоря в магнитном поле полюсов в проводниках его обмотки индуктируется э.д.с., переменная по величине и направлению. Если концы одного витка припаять к двум медным кольцам, ка кольца наложить щетки, соединенные с внешней сетью, то при вращении витка в магнитном поле, как показано на рис. 293, в замкнутой цепи потечет переменный электрический ток.

Рис. 293. Получение и использование переменного тока

Если же концы витка присоединить к двум медным полукольцам а и б, изолированным друг от друга и называемым пластинами коллектора, и наложить на них щетки, то при вращении витка в магнитном поле, как показано на рис. 294, в витке будет по-прежнему индуктироваться переменная э.д.с. Однако во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине ток постоянного направления (пульсирующий ток). Для уяснения этого обратимся к рис. 294. Начало витка Н припаяно к коллекторной пластине а, конец витка К к пластине б. К коллекторным пластинам прижаты две неподвижные щетки, соединенные с внешней сетью.

Рис. 294. Применение коллектора для выпрямления тока

Учитывая направление вращения якоря, определяем направление э.д.с. в витке по правилу «правой руки».

Ток в данном положении направлен от начала витка к концу его. Через правую щетку ток пойдет во внешнюю цепь. Поэтому эту щетку можно назвать положительной. Пройдя сопротивление внешней цепи, ток притекает к левой щетке генератора, которую можно назвать отрицательной.

На рис. 294, б показано положение вращающегося витка, повернутого на 180° относительно его положения на рис. 294, а.

Определяя направление э. д. с, индуктированной в витке, находим, что ток теперь направлен от конца витка к его началу. Если бы коллекторная пластина а по-прежнему соприкасалась с левой щеткой, а пластина б — с правой щеткой, то изменение направления тока в витке вызвало бы перемену тока во внешней цепи. Но этого теперь не случится, так как изменение направления тока в витке после перехода его через нейтральную линию совпадает с таким моментом, когда под правую щетку подошла пластина а и под левую щетку — пластина б.

Сравнивая первое и второе положения, легко убедиться, что в обоих случаях ток витка во внешнюю сеть притекает от правой, положительной щетки и возвращается из сети к левой, отрицательной щетке. Во внешней сети направление тока не меняется. Однако так как виток занимает различные положения в магнитном поле, то э.д.с., наводимая в витке, а вместе с ней и ток во внешней сети будут меняться по величине.

Такой ток постоянного направления и переменной величины называется пульсирующим.

Для увеличения э.д.с. генератора и получения на зажимах напряжения, постоянного не только по направлению, но и по величине, якорную обмотку выполняют из нескольких катушек, каждая из которых состоит из большого числа витков.

Коллектор в машинах постоянного тока также состоит из нескольких изолированных друг от друга медных пластин, соединенных с отдельными частями якоря.

Как указывалось выше, коллектор в генераторах постоянного тока служит для выпрямления переменной э.д.с., индуктируемой в обмотке якоря, в постоянное напряжение на щетках генератора.

Коллектор, показанный на рис. 295, состоит из пластин твердо-тянутой меди. Между пластинами коллектора прокладываются листочки из миканита (слюды) толщиной 0,5-1 мм. Пластины коллектора имеют выступ, напоминающий форму ласточкина хвоста. На вал со стороны якоря надевают изолирующую втулку, которая своим коническим выступом входит в прорезь ласточкина хвоста. С другой стороны коллекторные пластины удерживаются нажимным изолирующим диском, выступы которого также заходят в прорези ласточкина хвоста. Чтобы коллекторные пластины не рассыпались, втулка и нажимной диск стягиваются болтами.

Рис. 295. Разрез коллектора: 1 — корпус, 2 — стяжной болт, 3 — нажимное кольцо, 4 — изоляция (миканит), 5 — ‘петушки’, 6 — пластины, 7 — миканит, 8 — медь

Для припаивания (оловом) проводников обмотки якоря к коллекторным пластинам служат специальные медные выступы, называемые петушками.

Коллекторный электродвигатель постоянного тока

• Основные параметры электродвигателя постоянного тока
• Характеристики коллекторного электродвигателя постоянного тока

Конструкция коллекторного электродвигателя постоянного тока

Статор — неподвижная часть двигателя.

Индуктор (система возбуждения) — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, создающая магнитный поток для образования момента. Идуктор обязательно включает либо постоянные магниты либо обмотку возбуждения. Индуктор может быть частью как ротора так и статора. В двигателе, изображенном на рис. 1, система возбуждения состоит из двух постоянных магнитов и входит в состав статора.

Якорь — часть коллекторной машины постоянного тока или синхронной машины, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток нагрузки [2]. В качестве якоря может выступать как ротор так и статор. В двигателе, показанном на рис. 1, ротор является якорем.

Щетки — часть электрической цепи, по которой от источника питания электрический ток передается к якорю. Щетки изготавливаются из графита или других материалов. Двигатель постоянного тока содержит одну пару щеток или более. Одна из двух щеток соединяется с положительным, а другая — с отрицательным выводом источника питания.

Коллектор — часть двигателя, контактирующая со щетками. С помощью щеток и коллектора электрический ток распределяется по катушкам обмотки якоря [1].

Типы коллекторных электродвигателей

По конструкции статора коллекторный двигатель может быть с постоянными магнитами и с обмотками возбуждения.

Коллекторный двигатель с постоянными магнитами

Коллекторный двигатель постоянного тока (КДПТ) с постоянными магнитами является наиболее распространенным среди КДПТ. Индуктор этого двигателя включает постоянные магниты, которые создают магнитное поле статора. Коллекторные двигатели постоянного тока с постоянными магнитами (КДПТ ПМ) обычно используются в задачах не требующих больших мощностей. КДПТ ПМ дешевле в производстве, чем коллекторные двигатели с обмотками возбуждения. При этом момент КДПТ ПМ ограничен полем постоянных магнитов статора . КДПТ с постоянными магнитами очень быстро реагирует на изменение напряжения. Благодаря постоянному полю статора легко управлять скоростью двигателя. Недостатком электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами является то, что со временем магниты теряют свои магнитные свойства, в результате чего уменьшается поле статора и снижаются характеристики двигателя.

Преимущества:
• лучшее соотношение цена/качество
• высокий момент на низких оборотах
• быстрый отклик на изменение напряжения

Недостатки:
• постоянные магниты со временем, а также под воздействием высоких температур теряют свои магнитные свойства

Коллекторный двигатель с обмотками возбуждения

По схеме подключения обмотки статора коллекторные электродвигатели с обмотками возбуждения разделяют на двигатели:
• независимого возбуждения
• последовательного возбуждения
• параллельного возбуждения
• смешанного возбуждения

Двигатели независимого и параллельного возбуждения

В электродвигателях независимого возбуждения обмотка возбуждения электрически не связана с обмоткой якоря (рисунок выше). Обычно напряжение возбуждения UОВ отличается от напряжения в цепи якоря U. Если же напряжения равны, то обмотку возбуждения подключают параллельно обмотке якоря. Применение в электроприводе двигателя независимого или параллельного возбуждения определяется схемой электропривода. Свойства (характеристики) этих двигателей одинаковы [3].

В двигателях параллельного возбуждения токи обмотки возбуждения (индуктора) и якоря не зависят друг от друга, а полный ток двигателя равен сумме тока обмотки возбуждения и тока якоря. Во время нормальной работы, при увеличении напряжения питания увеличивается полный ток двигателя, что приводит к увеличению полей статора и ротора. С увеличением полного тока двигателя скорость так же увеличивается, а момент уменьшается. При нагружении двигателя ток якоря увеличивается, в результате чего увеличивается поле якоря. При увеличении тока якоря, ток индуктора (обмотки возбуждения) уменьшается, в результате чего уменьшается поле индуктора, что приводит к уменьшению скорости двигателя, и увеличению момента.

Преимущества:
• практически постоянный момент на низких оборотах
• хорошие регулировочные свойства
• отсутствие потерь магнетизма со временем (так как нет постоянных магнитов)

Недостатки:
• дороже КДПТ ПМ
• двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный электродвигатель параллельного возбуждения имеет механическую характеристику с уменьшающимся моментом на высоких оборотах и высоким, но более постоянным моментом на низких оборотах. Ток в обмотке индуктора и якоря не зависит друг от друга, таким образом, общий ток электродвигателя равен сумме токов индуктора и якоря. Как результат данный тип двигателей имеет отличную характеристику управления скоростью. Коллекторный двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения обычно используется в приложениях, которые требуют мощность больше 3 кВт, в частности в автомобильных приложениях и промышленности. В сравнении с КДПТ ПМ, двигатель параллельного возбуждения не теряет магнитные свойства со временем и является более надежным. Недостатками двигателя параллельного возбуждения являются более высокая себестоимость и возможность выхода двигателя из под контроля, в случае если ток индуктора снизится до нуля, что в свою очередь может привести к поломке двигателя [5].

Двигатель последовательного возбуждения

В электродвигателях последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, при этом ток возбуждения равен току якоря (Iв = Iа), что придает двигателям особые свойства. При небольших нагрузках, когда ток якоря меньше номинального тока (Iа &lt Iном) и магнитная система двигателя не насыщена (Ф

Iа), электромагнитный момент пропорционален квадрату тока в обмотке якоря:

,

• где M – момент электродвигателя, Н∙м,
• сМ – постоянный коэффициент, определяемый конструктивными параметрами двигателя,
• Ф – основной магнитный поток, Вб,
• Ia – ток якоря, А.

С ростом нагрузки магнитная система двигателя насыщается и пропорциональность между током Iа и магнитным потоком Ф нарушается. При значительном насыщении магнитный поток Ф с ростом Iа практически не увеличивается. График зависимости M=f(Ia) в начальной части (когда магнитная система не насыщена) имеет форму параболы, затем при насыщении отклоняется от параболы и в области больших нагрузок переходит в прямую линию [3].

Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой электромагнитный момент обеспечивает им хорошие пусковые свойства.

Преимущества:
• высокий момент на низких оборотах
• отсутствие потерь магнетизма со временем

Недостатки:
• низкий момент на высоких оборотах
• дороже КДПТ ПМ
• плохая управляемость скоростью из-за последовательного соединения обмоток якоря и индуктора
• двигатель выходит из под контроля, если ток индуктора падает до нуля

Коллекторный двигатель последовательного возбуждения имеет высокий момент на низких оборотах и развивает высокую скорость при отсутствии нагрузки. Данный электромотор идеально подходит для устройств, которым требуется развивать высокий момент (краны и лебедки), так как ток и статора и ротора увеличивается под нагрузкой. В отличии от КДПТ ПМ и двигателей параллельного возбуждения двигатель последовательного возбуждения не имеет точной характеристики контроля скорости, а в случае короткого замыкания обмотки возбуждения он может стать не управляемым.

Двигатель смешанного возбуждения

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения, одна из них включена параллельно обмотке якоря, а вторая последовательно. Соотношение между намагничивающими силами обмоток может быть различным, но обычно одна из обмоток создает большую намагничивающую силу и эта обмотка называется основной, вторая обмотка называется вспомогательной. Обмотки возбуждения могут быть включены согласовано и встречно, и соответственно магнитный поток создается суммой или разностью намагничивающих сил обмоток. Если обмотки включены согласно, то характеристики скорости такого двигателя располагаются между характеристиками скорости двигателей параллельного и последовательного возбуждения. Встречное включение обмоток применяется, когда необходимо получить неизменную скорость вращения или увеличение скорости вращения с увеличением нагрузки. Таким образом, рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения приближаются к характеристикам двигателя параллельного или последовательного возбуждения, смотря по тому, какая из обмоток возбуждения играет главную роль [4].

Преимущества:
• хорошие регулировочные свойства
• высокий момент на низких оборотах
• менее вероятен выход из под контроля
• отсутствие потерь магнетизма со временем

Недостатки:
• дороже других коллекторных двигателей

Двигатель смешанного возбуждения имеет эксплуатационные характеристики двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. Он имеет высокий момент на низких оборотах, так же как двигатель последовательного возбуждения и хороший контроль скорости, как двигатель параллельного возбуждения. Двигатель смешанного возбуждения идеально подходит для устройств автомобилей и промышленности (таких как генераторы). Выход двигателя смешанного возбуждения из под контроля менее вероятен, так как для этого ток параллельной обмотки возбуждения должен уменьшиться до нуля, а последовательная обмотка возбуждения должна быть закорочена.

Характеристики коллекторного электродвигателя постоянного тока

Эксплуатационные свойства двигателей постоянного тока определяются их рабочими, электромеханическими и механическими характеристиками, а также регулировочными свойствами.

Основные параметры электродвигателя постоянного тока

Постоянная момента

Для коллекторного электродвигателя постоянного тока постоянная момента определяется по формуле:

,

• где Z — суммарное число проводников,
• Ф – магнитный поток, Вб [1]

133. Назначение и устройство коллектора в генераторах постоянного тока

При вращении якоря в магнитном поле полюсов в проводниках его обмотки индуктируется э. д. с, переменная по величине и направлению. Если концы одного витка припаять к двум медным кольцам, на кольца наложить щетки, соединенные с внешней сетью, то при вращении витка в магнитном поле, как показано на фиг. 264, в замкнутой цепи потечет переменный электрический ток. На этом основано действие генераторов переменного тока.

Если же концы витка присоединить к двум медным полукольцам, изолированным друг от друга и называемым пластинами коллектора, и наложить на них щетки, то при вращении витка в магнитном поле, как показано на фиг. 265, в витке будет по-прежнему индуктироваться переменная э. д. с. Однако во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине ток постоянного направления (пульсирующий ток). Для установления этого обратимся к фиг. 266. Здесь показан якорь кольцевой формы с одним витком. Начало витка Н припаяно к коллекторной пластине а, конец витка К к пластине б. К коллекторным пластинам прижаты две неподвижные щетки, соединенные с внешней сетью. Рассмотрим три характерных положения внтка в пространстве между полюсами. В положении а (фиг. 266) виток находится в зоне действия северного полюса. Учитывая направление вращения якоря, определяем направление э. д. с.

в витке по правилу правой руки. Необходимо учесть, что э. д. с. индуктируется только в той части витка, которая лежит поверх якоря. Поэтому вследствие плохого использования обмотки кольцевой якорь в настоящее время не применяется. Ток в данном положении направлен от начала витка к концу его. Через правую щетку ток пойдет во внешнюю цепь. Поэтому эту щетку можно назвать положительной. Пройдя сопротивление внешней цепи, ток притекает к левой щетке генератора, которую можно назвать отрицательной.

В положении б на фиг. 266 виток находится на нейтральной линии. Нейтральной линией, или геометрической нейтралью, называется линия, проходящая через центр якоря и перпендикулярная оси полюсов. Активная сторона витка в этом положении скользит вдоль магнитных линий, не пересекая их. Поэтому э. д. с. в витке не наводится и ток в цепи равен нулю. Ширина щетки больше ширины коллекторного деления, образованного пластиной н изолирующим промежутком, и виток, находясь на нейтральной линии, замыкается в этот момент щетками накоротко.

В положении в виток находится в зоне действия южного полюса. Определяя направление э. д. с, индуктированной в витке,

находим, что ток направлен от конца витка к его началу. Если бы коллекторная пластина а по-прежнему соприкасалась с левой щеткой, а пластина б с правой щеткой, то изменение направления тока в внтке вызвало бы перемену тока во внешней цепи. Но этого теперь не случится, так как изменение направления тока в витке после перехода его через нейтральную линию совпадает с таким моментом, когда под правую щетку подошла пластина а и под левую щетку — пластина б.

Сравнивая первое и третье положения, легко убедиться, что в обоих случаях ток витка во внешнюю сеть притекает от правой, положительной щетки и возвращается из сети к левой, отрицательной щетке. Во внешней сети направление тока не меняется. Так как виток занимает различные положения в магнитном поле, то э. д. с, наводимая в внтке, а вместе с ней и ток во внешней сети будут меняться по величине.

На фиг. 267 показан характер изменения тока во внешней цепи. Такой ток постоянного направления и переменной величины называется пульсирующим. Для увеличения напряжения на зажимах машины на якоре наматывают несколько витков (катушек) из большого числа витков изолированной проволоки. Располагая на якоре две катушки, как показано на фиг. 268, а, получим параллельное соединение катушек, причем напряжение генератора будет равно напряжению, создаваемому одной катушкой. Ток сети будет равен двойной величине тока, протекающего по каждой катушке. Расположим на якоре четыре катушки, сдвинутые на 90 одна относительно другой, и соединим их между собой последовательно (фиг. 268, б). Число коллекторных пластин также увеличим до четырех. Направление индуктированной э. д. с. в катушках определяем по правилу правой руки.

На фиг. 269 показаны кривые э. д. с. катушек 1 и 2. Так как катушки сдвинуты в пространстве на 90°, то кри-

вые э. д. с. также сдвинуты по фазе на 90°. Кривые э. д. с. у катушек 3 и 4 имеют тот же характер, что и у катушек 1 и 2, с той лишь разницей, что э. д. с. катушек 1 и 3, с одной стороны, и катушек 2 и 4, с другой, равны по величине, но противоположны по направлению. Поэтому для выяснения вопроса ограничимся рассмотрением кривых э. д. с. катушек 1 и 2. Поскольку катушки соединены между собой последовательно, то мгновенная величина э. д. с. , создаваемая двумя катушками, равна сумме мгновенных значений э. д. с. каждой катушки. На фиг. 270 показано сложение мгновенных значений э. д. с. обеих катушек. Кривая суммарной э. д. с. имеет меньшую пульсацию, чем кривые э. д. с. отдельных катушек. Суммарная э. д. с. катушек, находящихся под другим полюсом, имеет ту же величину, но противоположна по направлению суммарной э. д. с. верхних катушек. Обе э. д. с включены параллельно по отношению к щеткам генератора.

Восемь катушек, размещенных на якоре, при сложении их мгновенных э. д. с. дадут, как показано на фнг. 271, суммарную э. д. с. пульсации которой будут еще меньше, чем в предыдущем случае. Таким образом, размещая на якоре большое число проводников, увеличивая соответственно число коллекторных пластин, можно получить от генератора э. д. с, пульсации которой станут так незначительны, что ток, отдаваемый в сеть, практически можно считать постоянным током. Так, например, уже при 16 катушках на якоре колебания э. д. с. будут менее одного процента. В современных машинах число катушек на якоре бывает свыше ста.

Заканчивая рассмотрение действия коллектора, приходим к выводу, что коллектор в генераторах постоянного тока служит для преобразования переменной э. д. с, индуктируемой в обмотке якоря, в постоянную э. д. с. на щетках генератора. Здесь интересно отметить, что если якорь генератора снабдить и коллектором и контактными кольцами, то от генератора можно получить и постоянное и переменное напряжение.

Коллектор, показанный на фиг. 272, состоит из пластин твер-дотянутой меди. Между пластинами коллектора прокладываются листочки из миканита (слюды) толщиной 0,5—1 мм. Пластины коллектора имеют выступ, напоминающий форму ласточкина хвоста. На вал со стороны якоря надевают изолирующую втулку, которая своим коническим выступом входит в прорезь ласточкина хвоста. С другой стороны коллекторные пластины удерживаются нажимным изолирующим диском, выступы которого также заходят в прорези ласточкина хвоста. Чтобы коллекторные Пластины не рассыпались, втулка и нажимной диск стягиваются болтами.

Для припаивання (оловом) проводников обмотки якоря к коллекторным пластинам служат специальные медные пластины, называемые петушками.

Коллекторные генераторы

Устройство коллекторных генераторов

Основными элементами сварочного коллекторного генератора постоянного тока являются: статор с корпусом, четырьмя основными магнитными полюсами и обмотками возбуждения; якорь с сердечником, в пазах которого уложена обмотка; коллектор, набранный из медных изолированных пластин; четыре токосъемные щетки, а также выводные зажимы.

Рис. 1. Конструктивная схема коллекторного генератора

Щеточно-коллекторное устройство обеспечивает получение постоянной ЭДС генератора при переменной ЭДС отдельных проводников, выполняя функцию механического выпрямления тока.

Генератор независимого возбуждения с последовательной размагничивающей обмоткой

На рис. 1 приведена упрощенная принципиальная схема генератора. Он имеет всего одну пару щеток и одну пару полюсов. На одном из полюсов намотана независимая обмотка НО, получающая питание от постороннего источника постоянного тока. На другом полюсе намотана размагничивающая обмотка ПР, включенная последовательно с якорем и нагрузкой. Таким образом, магнитный поток создается совместным действием независимой и последовательной обмоток. Это, как будет показано ниже, обеспечивает формирование крутопадающей внешней характеристики генератора. Плавное регулирование режима выполняется с помощью реостата R1, грубое — изменением числа витков последовательной обмотки и включением балластного реостата R2.

Рис. 2. Принципиальная схема генератора с независимым возбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой

Падающая внешняя характеристика у генератора с последовательной обмоткой получается благодаря ее размагничивающему действию.

Регулирование режима выполняется: плавно — изменением тока независимой обмотки и грубо —секционированием последовательной обмотки и включением балластного реостата.

Генератор с самовозбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой

Обычно генератор имеет статор с четырьмя основными полюсами и цилиндрический якорь с коллектором и четырьмя основными и одной дополнительной щеткой. На рис. 3 показана упрощенная двухполюсная конструкция генератора.Кроме основных щеток a и b, установленных на геометрической нейтрали, генератор имеет еще и дополнительную щетку c, используемую для питания намагничивающей параллельной обмотки НО.

Генератор сконструирован таким образом, что напряжение на щетках a — c почти не меняется с изменением нагрузки, поэтому и ток намагничивающей обмотки I но практически не зависит от тока нагрузки Iд . Это улучшает сварочные свойства генератора и сближает их со свойствами генератора с независимым возбуждением. Потоки параллельной НО и последовательной ПР обмоток направлены встречно, поэтому генератор имеет падающую внешнюю характеристику. Регулирование режима, так же как и у генератора с независимым возбуждением, выполняется: плавно — изменением тока в цепи намагничивающей обмотки и грубо — секционированием последовательной обмотки.

Рис. 3. Принципиальная схема генератора с самовозбуждением и последовательной размагничивающей обмоткой

Технико-экономические показатели коллекторного генератора сравнительно низкие. Коэффициент полезного действия генератора 0,5 — 0,7, а с учётом КПД приводного двигателя и ещё ниже.Поэтому у преобразователей расход энергии весьма велик — 5 — 8 кВТ*ч на 1 кг расплавленного электродного металла. Для агрегатов с дизельным двигателем соответствующая характеристика -1,5 — 3 кг топлива на 1 кг металла, с бензиновым двигателем — 3 — 5 кг топлива.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите .

§26. Принцип действия

Машина постоянного тока (рис. 69, а) имеет обмотку возбуждения, расположенную на явно выраженных полюсах статора. По обмотке возбуждения проходит постоянный ток Iв, который создает магнитное поле возбуждения Фв. На роторе расположена обмотка якоря, в которой при вращении ротора индуцируется э. д. с.

При заданном направлении вращения якоря направление э. д. с, индуцируемой в его проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, направление э. д. с. одинаковое и сохраняется таким независимо от частоты вращения. Иными словами, картина, изображающая направление э. д. с. на рис. 69, а, неподвижна во времени: в проводниках, расположенных выше горизонтальной оси симметрии (геометрической нейтрали), э. д. с. всегда направлена в одну сторону; в проводниках, лежащих ниже геометрической нейтрали, э. д. с. направлена в противоположную сторону.

При вращении якоря проводники обмотки перемещаются от одного полюса к другому; э. д. с, индуцируемая в них, меняет знак, т. е. в каждом проводнике наводится переменная э. д. с. Однако число проводников, находящихся под каждым полюсом, остается неизменным. При этом Эта э. д. с. снимается с обмотки якоря при помощи скользящего контакта, включенного между обмоткой и внешней цепью.

Обмотка якоря выполняется замкнутой, симметричной (рис. 69, б).

Если щетки, осуществляющие скользящий контакт с обмоткой якоря, расположить на геометрической нейтрали, то при отсутствии внешней нагрузки к щеткам будет приложено напряжение U, равное э. д. с, индуцированной в каждой из половин обмоток. Это напряжение практически неизменно, хотя и имеет некоторую переменную составляющую, обусловленную изменением положения проводников в пространстве. При большом числе проводников пульсации напряжения незначительны.

При подключении к щеткам нагрузки Rн через обмотку якоря будет проходить постоянный ток Iя, направление которого определяется направлением э. д. с.

Для обеспечения надежного токосъема щетки скользят не по проводникам обмотки якоря (как это было на заре электромашиностроения), а по , выполняемому в виде цилиндра, который набирается из медных пластин, изолированных одна от другой. К каждой паре соседних коллекторных пластин присоединяют часть обмотки якоря, состоящую из одного или нескольких витков; эту часть называют .

С помощью коллектора и щеток вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней электрической цепью. В генераторах коллектор и щетки служат для преобразования изменяющихся по направлению э. д. с. и тока в проводниках обмотки якоря в постоянные по величине и направлению э. д. с, напряжение и ток во внешней цепи. В двигателе с помощью коллектора и щеток осуществляется обратное преобразование.

Таким образом,

Рассмотрим подробнее процесс преобразования э. д. с. и тока с помощью коллектора и щеток.

Назначение коллектора в генераторе. В простейшем генераторе (рис. 70) при вращении витка в магнитном поле его рабочие (активные) стороны 1 и 2 пересекают магнитные силовые линии и в них индуцируется переменная э. д. с. е. Если к кольцам, к которым припаяны концы витка, присоединить внешнюю цепь с некоторым приемником электрической энергии, то по нему пойдет переменный ток i. Участки 3 и 4 витка являются нерабочими, так как при вращении витка они не пересекают магнитных силовых линий и, следовательно, не участвуют в создании э. д. с. Эти участки витка называют .

В положении, показанном на рис. 70, а, виток не пересекает силовых линий магнитного поля, э. д. с. в нем не индуцируется и тока нет. При повороте витка по часовой стрелке на 90° (рис. 70, б) обе стороны его будет пересекать магнитное поле, при этом в активных сторонах 1 и 2 индуцируются э. д. с. с и по витку и внешней цепи начинает проходить ток i. Применяя правило правой руки, можно установить, что э. д. с, индуцированная в стороне 1 витка, будет направлена от нас, а в стороне 2 — к нам. Следовательно, во внешней цепи ток проходит от щетки А, имеющей положительный потенциал, к щетке Б с отрицательным потенциалом. В положении, показанном на рис. 70, в, виток снова не пересекает силовые линии поля, поэтому э. д. с. и ток уменьшаются до нуля. При повороте витка на 270° (рис. 70, г) под северный полюс подходит сторона 2 витка, а под южный — сторона 1. Поэтому направление э. д. с. в рабочих сторонах 1 и 2 изменяется на противоположное по сравнению с направлением его в положении, показанном на рис. 70, б. В резуль-

тате изменяются полярность щеток А и Б и направление тока i во внешней цепи.

Как следует из закона электромагнитной индукции, значение индуцированной э. д. с. пропорционально числу силовых магнитных линий, пересекаемых сторонами витка в единицу времени. При перемещении рабочих сторон витка под полюсами э. д. с. , напряжения и, действующие между щетками А и Б, и ток i будут иметь некоторые постоянные значения (см. рис. 70,6). При переходе от одного полюса к другому направления е, и и i будут изменяться.

Для получения во внешней цепи постоянных по направлению э. д. с, напряжения и тока в простейшем генераторе виток присоединяют не к двум кольцам, как показано на рис. 70, а к одному кольцу, разрезанному на две изолированные одна от другой части. Начало витка присоединяют к одной половине кольца, конец—к другой (рис. 71). Такую конструкцию называют коллектором, а отдельные изолированные части его (в данном случае полукольца) —

Рассмотрим процесс изменения напряжения и тока во внешней цепи, подключенной к простейшему генератору, при наличии коллектора.

В положении, показанном на рис. 71, а, э. д. с. в витке не индуцируется и тока во внешней цепи нет. При повороте витка на 90° (рис. 71, б) в его рабочих сторонах 1 и 2 индуцируется э. д. с. е и во внешней цепи будет протекать ток i от щетки Б к щетке А. В положении, показанном на рис. 71, в, э. д. с. в витке не индуцируется и ток во внешней цепи равен нулю. Наконец, при повороте витка на 270° (рис. 71, г) направление э.д.с. е в рабочих сторонах 1 и 2 витка изменяется по сравнению с положением, показанным на рис. 71, 6. Однако направление тока во внешней цепи остается неизменным, так как одновременно с поворотом витка меняются местами и коллекторные пластины, вследствие чего к щетке Б подходит пластина, связанная со стороной 2 витка, а к щетке А — пластина, связанная со стороной 1. Потенциалы щеток, т. е. напряжение и, при этом сохраняются такими же, как и в положении, показанном на рис. 71,б, и ток i во внешней цепи будет протекать в прежнем направлении. Таким образом, при замене двух контактных колец двумя изолированными одна от другой коллекторными пластинами происходит выпрямление напряжения и, действующего между щетками А и Б, а следовательно, и тока i во внешней цепи. Характер изменения напряжения и на щетках и тока i поясняется на рис. 71,д. Напряжение и ток получаются постоянными по направлению, но переменными по значению. Такой ток и напряжение называют .

Пульсирующий ток мало пригоден для практических целей. Для сглаживания пульсации в обмотке якоря увеличивают число витков и сответственно число коллекторных пластин.

Для лучшего использования обмотки якоря 1 (рис. 72) отдельные витки соединяют друг с другом последовательно. К каждой коллекторной пластине 2 присоединяют конец предыдущего и начало, следующего витка. В результате получают замкнутую обмотку (рис. 72, а). При вращении якоря между любыми двумя точками такой обмотки, например между а и b (рис. 72,6), действует переменная э. д. с. eab. Однако во внешней цепи между неподвижными щетками А и Б действует постоянная по направлению и значению э. д. с. Е, равная сумме э. д. с, индуцированных во всех последовательно соединенных витках якоря, расположенных между этими щетками. Следовательно, коллектор осуществляет преобразование изменяющихся э. д. с. и тока в обмотке якоря в постоянные по величине и направлению э. д. с. и ток, действующие во внешней цепи, т. е. работает в качестве .

Чем больше витков в обмотке якоря и коллекторных пластин, тем меньше пульсируют э. д. с. и ток. Полностью освободиться от пульсации невозможно. Для большей части электрических потребителей эти пульсации не играют никакой роли и совершенно не отражаются на их работе.

Назначение коллектора в электродвигателе. Электродвигатель питается от сети постоянного напряжения и к его якорю подается постоянный ток. По проводникам же обмотки якоря протекает переменный ток (см. рис. 70, д). Следовательно, в электродвигателе , обеспечивая питание обмотки якоря переменным током от внешнего источника постоянного тока.

Важную роль играет коллектор при распределении тока по проводникам обмотки якоря. При вращении якоря проводники его обмотки перемещаются под полюсами машины, переходя от северного полюса к южному, затем снова к северному и т. д. Этот переход должен сопровождаться изменением направления тока в проводниках для того, чтобы электромагнитный момент машины действовал все

время в одном и том же направлении. Благодаря коллектору по всем проводникам, расположенным под северным полюсом, ток проходит в одном направлении, а по проводникам, расположенным под южным полюсом,— в другом. Когда же при вращении якоря проводники меняются местами (переходят под полюсы другой полярности), направление тока в них также меняется на противоположное.

Источник: nevinka-info.ru