Физическая структура и конфигурация машин постоянного тока
Двухполюсная машина
На рисунке 1 изображена двухполюсная машина, в которой полюса статора сконструированы таким образом, чтобы проектировать ближе к ротору, чем к конструкции статора. Этот тип конструкции довольно распространен, и полюса, построенные таким образом, называются значительными полюсами.
Обратите внимание, что ротор также может быть сконструирован так, чтобы иметь значительные полюса.
Рисунок 0 - Сечение машины постоянного тока
Двигатель постоянного тока (ротор, пуск)
Репрезентативная машина постоянного тока была изображена на рисунке 0 выше, с четко идентифицированными магнитными полюсами как для статора, так и для ротора.
На рисунке 1 изображена фотография того же типа машины. Обратите внимание на заметную поул конструкцию статора и ротора с пазами. Как было сказано ранее, вращающий момент, создаваемый машиной, является следствием магнитных сил между полюсами статора и ротора.
Этот крутящий момент является максимальным, когда угол γ между полюсами ротора и статора равен 90 °.
Кроме того, как видно из рисунка, в машине постоянного тока якорь обычно находится на роторе, а обмотка возбуждения находится на статоре.
Детали двигателя постоянного тока
Рисунок 1 - Машина постоянного тока
Чтобы поддерживать постоянный угол крутящего момента, когда ротор вращается на своем валу, механический выключатель, называемый коммутатором, сконфигурирован так, что распределение тока в обмотке ротора остается постоянным, и поэтому полюсы ротора постоянно находятся на 90 ° относительно фиксированного полюсов статора.
В машине постоянного тока ток намагничивания является постоянным током, так что нет пространственного чередования полюсов статора из-за изменяющихся во времени токов.
Чтобы понять работу коммутатора, рассмотрим упрощенную диаграмму рис. 4. На чертеже щеточки фиксированы, и ротор вращается с угловой скоростью ω m; мгновенное положение ротора определяется выражением: θ = ω m t - γ.
Коммутатор закреплен на роторе и составлен в этом примере из шести сегментов, которые выполнены из электропроводящего материала, но изолированы друг от друга. Кроме того, обмотки ротора сконфигурированы так, что они образуют шесть катушек, соединенных с сегментами коммутатора, как показано на рисунке 4.
Рисунок 4 - Обмотка ротора и коммутатор
Когда коммутатор вращается против часовой стрелки, магнитное поле ротора вращается вместе с ним до θ = 30◦. В этот момент направление тока изменяется в катушках L3 и L6, когда кисти контактируют со следующим сегментом.
Теперь направление магнитного поля составляет -30◦. Когда коммутатор продолжает вращаться, направление поля ротора снова изменится с -30◦ до + 30◦, и оно снова переключится, когда кисти переключаются на следующую пару сегментов. Тогда в этой машине угол крутящего момента γ не всегда равен 90◦, но может варьироваться в пределах ± 30 °; фактический крутящий момент, создаваемый машиной, будет колебаться на ± 14 процентов, поскольку крутящий момент пропорционален sin γ.
По мере увеличения количества сегментов флуктуация крутящего момента, вызванная коммутацией, значительно уменьшается. Например, в практической машине может быть до 60 сегментов, а изменение γ от 90◦ будет только ± 3◦ с колебанием крутящего момента менее 1 процента.
Таким образом, машина постоянного тока может производить почти постоянный крутящий момент (как двигатель) или напряжение (как генератор).
Конфигурация машин постоянного тока
Рисунок 5 - Конфигурация машин постоянного тока
В машинах постоянного тока возбуждение поля, которое обеспечивает ток намагничивания, иногда обеспечивается внешним источником, и в этом случае машина, как говорят, раздельно возбуждается (рис. 5 (а)). Чаще всего возбуждение поля происходит от напряжения якоря, и машина называется самовозбуждающейся.
Последняя конфигурация не требует использования отдельного источника возбуждения поля и поэтому часто является предпочтительной. Если машина находится в отдельно возбужденной конфигурации, необходим дополнительный источник Vf. В самовозбуждаемом случае одним из способов, который используется для возбуждения поля, является соединение поля параллельно с якорем; так как обмотка возбуждения обычно имеет значительно более высокое сопротивление, чем цепь якоря (помните, что это якорь, который несет ток нагрузки), это не приведет к чрезмерному току от арматуры.
Кроме того, в полевую схему может быть добавлен последовательный резистор, обеспечивающий средства для регулирования тока возбуждения, не зависящего от напряжения якоря. Эта конфигурация называется шунтированной машиной и изображена на рисунке 5 (b).
Еще один способ самовозбуждения машины постоянного тока состоит в соединении поля последовательно с арматурой, приводящей к последовательно соединенной машине, изображенной на рисунке 5 (с); в этом случае обмотка возбуждения будет поддерживать весь ток якоря, и, таким образом, катушка поля должна иметь низкое сопротивление (и, следовательно, относительно небольшое количество оборотов).
Эта конфигурация редко используется для генераторов, поскольку генерируемое напряжение и напряжение нагрузки всегда должны отличаться от падения напряжения на катушке поля, которая изменяется в зависимости от тока нагрузки.
Таким образом, генератор серии имел бы низкую (большую) регулировку.
Однако последовательно подключенные двигатели обычно используются в приложениях не более 1 кВт, или если речь идет о более крупных двигателях - они используются для электровозов.
Третий тип машины постоянного тока представляет собой соединенную с соединением машину, которая состоит из комбинации шунтовых и последовательных конфигураций. На рис. 5 (d) и (е) показаны два типа соединений, называемых коротким шунтом и длинным шунтом соответственно.
Каждая из этих конфигураций может быть подключена таким образом, чтобы последовательная часть поля добавляла к шунтовой части (кумулятивная рецептура) или чтобы она вычитала (дифференциальную компаундирование).
Справка:
Основы электротехники Джорджио Риццони, Университет штата Огайо (купить мягкую обложку из Амазонки)