Техническое описание двигателей постоянного тока. Электродвигатели постоянного тока.

Электродвигатели постоянного тока. 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.

Электродвигатели постоянного тока. Технические характеристики

Основной серией машин постоянного тока общего назначения, изготавливаемых в СНГ, является серия 2П. Она охватывает диапазон мощностей от 0,37 до 200 кВт при высоте осей вращения 90 - 315 мм. Электродвигатели этой серии предназначены для широкорегулируемых электроприводов. Они заменяют машины серии П, а также специализированные машины серий ПС (Т), ПБС (Т), ПР. Приведем структуру условного обозначения машины постоянного тока серии 2П:
2П/1 Х/2 Х/3 Х/4 Х/5 Х/6,

где 1 — название серии (2П); 2 — исполнение по способу защиты и вентиляции: Ф — защищенное исполнение с независимой вентиляцией от постороннего вентилятора, Б — закрытое исполнение с естественным охлаждением, О — закрытое исполнение с внешним обдувом от вентилятора; 3 — высота осей вращения, мм; 4 — условное обозначение длины сердечника якоря: М — средняя, L — большая; 5 — буква F при наличии встроенного тахогенератора (при отсутствии тахогенератора буква Г не ставится); 6 — климатическое исполнение и категория размещения.

Электродвигатели серии 2П изготавливаются с полным числом добавочных полюсов. При этом двигатели с высотой оси вращения 90 и 100 мм — двухполюсные, 112 мм — четырехполюсные.

Двигатели типов 2ПН, 2ПФ обладают степенью защиты IP22, а типов 2ПБ и 2ПО — IP44. Двигатели со степенью защиты IP22 имеют центробежный реверсивный вентилятор, насаженный на вал якоря со стороны, противоположной коллектору.
Двигатели со степенью защиты IP44 имеют внешний центробежный вентилятор, который насажен на конец вала, противоположный приводу, и закрыт штампованным или сваренным кожухом из листовой стали толщиной 1-2 мм. Внутри таких двигателей со стороны, противоположной коллектору, размещается вентилятор-мешалка.

Для привода вентилятора в двигателях типа 2ПФ и 2ПО используется асинхронный двигатель типа 4АА56А4УЗ с синхронной частотой вращения 1500 об/мин.
В двигателях с высотой оси вращения 90 - 200 мм станина изготовлена из отрезков цельнотянутых труб, а с высотой оси вращения 225 -315 мм станины сварные, из толстолистового проката.

Соединение двигателей серии 2П с приводом осуществляется эластичной, зубчатой или клиноременной передачей. Рабочий конец вала — со стороны, противоположной коллектору.

Двигатели изготавливаются с независимым возбуждением. Напряжение возбуждения 110 или 220 В независимо от номинального напряжения якоря.
Режим работы машины серии 2П продолжительный (S1), средний срок службы 12 лет, средний ресурс 30000 ч.

Двигатели типа 2П...Г изготавливаются с тахогенератором типа ТС1, который имеет закрытое встроенное исполнение. Возбуждение тахогенератора от постоянных магнитов.

Номинальное напряжение якорной цепи машины серии 2П составляет 110, 220, 240 и 660В.

Машины новой серии 4П по сравнению с серией 2П характеризуются улучшенными массогабаритными показателями. Все машины этой серии имеют распределенную компенсационную обмотку, а магнитопроводы (сердечники) статора и якоря шихтованные.

В ряде машин серии 4П (например, типов 4ПО, 4ПБ) статоры изготовлены по типу статоров асинхронных двигателей и не имеют явных полюсов. Обмотка возбуждения укладывается в 2 паза в пределах полюсной дуги, компенсационная обмотка размещается равномерно во всех оставшихся пазах расточки статора.
Двигатели типов 4ПО, 4ПБ имеют степень защиты IP44. Они рассчитаны на длительный режим работы (S1), но допускают эксплуатацию в режимах S3 - S8, изготавливаются с параллельным или независимым возбуждением 220В.

Широкорегулируемые электродвигатели типа 4ПФ обладают степенью защиты IP23. Они поставляются со встроенным тахогенератором типа ТП80-20-0,23 и датчиком тепловой защиты. Возбуждение независимое от напряжения 110 и 220В.
Двигатели типа 4ПФ имеют статор восьмигранного сечения, который набирается из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Он запрессован между двумя нажимными плитами толщиной 10 мм из стального проката. В осевом направлении пакет статора стянут шпильками и приварен по углам по накладным планкам, которые обеспечивают поперечную жесткость. В нажимных плитах сделаны резьбовые отверстия для болтов крепления подшипниковых щитов.

Обмотки статора наматываются машинным способом.

Для вентиляции в статоре предусмотрены аксиальные каналы. Подшипниковые щиты — чугунные, литые. Лапы изготавливаются на подшипниковых щитах. Щеткодержатели — радиальные унифицированной конструкции.

Электродвигатели выполняются с подшипниками качения класса точности 6.
Для механизмов, эксплуатирующихся в тяжелых условиях (металлорежущие станки, металлургическое производство), изготавливаются крупные электродвигатели серии 4П с высотой оси вращения 350 и 450 мм.

В условном обозначении этих двигателей после серии (4П) последовательно указываются высота оси вращения, количество щеток на коллекторе, мощность при основном напряжении, климатическое исполнение (У или Т), категория размещения.

Двигатели могут изготавливаться на напряжение 440, 660, 750, 930 В. Возбуждение — независимое (напряжение 220 В). Основной режим работы продолжительный (S1), но допускается работа в режимах S3 - S8. Двигатели выполняются с тахогенератором постоянного тока и реле скорости. Вентиляция принудительная от отдельного вентилятора. Степень защиты IP44.

Электродвигатели постоянного тока серии ПГ (ПГТ) изготавливаются с гладким якорем и предназначены для работы в быстродействующих электроприводах слежения и широкорегулируемых электроприводах металлорежущих станков и других рабочих машин при питании от источников постоянного тока и полупроводниковых преобразователей. Электродвигатель может быть с тахогенератором типа TC-IM (серия ПГТ). Режим работы продолжительный (S1).
В условном обозначении последовательно указываются: серия (ПГ), буква Т — при наличии встроенного тахогенератора, мощность, М — модернизированный, климатическое исполнение, категория размещения.

Двигатели изготавливаются в защищенном исполнении, воздух продувается с помощью вентилятора-наездника, который приводится в движение асинхронным двигателем.

Двигатели серии ЭП предназначены для работы в широкорегулируемых электроприводах металлорежущих станков высокой точности и специальных установок. В условном обозначении после букв ЭП указывается: в числителе — номинальное напряжение, а в знаменателе — мощность (условно). Номинальный режим работы S1.

Для прокатных станов, шагающих экскаваторов, шахтных подъемников, гребных установок и испытательных стендов предназначены машины постоянного тока большой мощности серий П2 и МП. Их мощность составляет 3150 - 12 500 кВт при частоте вращения 36 -800 об/мин, напряжение — 440, 750, 930 В.
Для питания мощных двигателей постоянного тока главных приводов прокатных станов используют генераторы постоянного тока серии ГП.

Существуют серии машин постоянного тока специального назначения: крановые, металлургические, тяговые, микромашины систем автоматики.

Двигатели серии Д предназначены для специализированных кранов, вспомогательных металлургических механизмов с повторно-кратковременным режимом работы, большим числом включений, широким диапазоном регулирования скорости. При регулировании двигателей допускается увеличение напряжения до 440 В относительно номинального 220 В. Средняя скорость тихоходного исполнения 700; быстроходного — 1200 об/мин. Для тихоходных двигателей допустимое число включений в час составляет 2000, для быстроходных — 300. Класс нагревостойкости изоляции обмоток и коллектора Н (превышение температуры 120 °С).

Основное конструктивное исполнение двигателей закрытое со степенью защиты IP21. Двигатели серии Д810 - Д818 имеют разъемную станину. Оба конца вала двигателя одинаковые и могут передавать момент через шестерню, изготавливаются на мощность 2,5 - 185 кВт. Для тепловозов выпускаются генераторы постоянного тока серии ГП на мощность 700 - 2000 кВт, напряжение 310 - 810 В, частоту вращения 900 - 4220 об/мин и предназначены для питания тяговых электродвигателей. Станина генератора цилиндрическая с опорными лапами по бокам. Главные полюса шихтованные, на них расположены обмотки независимого и последовательного (для пуска дизеля) возбуждения. Добавочные полюса выполнены сплошными из толстолистовой стали.

В качестве тяговых электродвигателей тепловозов применяют машины постоянного тока последовательного возбуждения серии ЭД, которые изготавливаются на мощность 230 - 411кВт, напряжение 381 -700 В и частоту вращения 585 - 3050 об/мин. Двигатели имеют независимую вентиляцию и защищенное исполнение.

Для электровозов выпускаются тяговые электродвигатели серий ТЛ (670кВт, 1500 В), НБ (575 - 790кВт, 950 - 1100В), ДТ (465 кВт, 1500 В).

На городском электрифицированном транспорте применяют тяговые электродвигатели постоянного тока серии ДК. Они изготавливаются со степенью защиты IP20, с самовентиляцией, воздух подается со стороны коллектора. Серия ДК характеризуется мощностью 45 - 185 кВт, напряжением 275 - 750 В, средней частотой вращения 1500 об/мин. Для удобства обслуживания электродвигатели трамваев имеют только по два пальца щеткодержателей, которые расположены в нижней части станины.

Электродвигатели постоянного тока серии ДК (230 - 560 кВт, 550 -750 В, 550 - 1040 об/мин) предназначены для встраивания в колеса автосамосвалов и автопоездов грузоподъемностью 75 - 180 т. Двигатель встраивается в центральную часть колеса и крепится к неподвижной части фланцем, который расположен на круглой станине двигателя. Один шлицевый конец вала служит для передачи вращающего момента через редуктор планетарного типа, второй используют для крепления диска тормоза с электро- или пневмоприводом. Выводные концы привода расположены на подшипниковом щите со стороны коллектора. Двигатель не имеет коробки выводов.

Возбуждение электродвигателя последовательное, используется также обмотка независимого (параллельного) возбуждения. Двигатель имеет компенсационную обмотку для улучшения коммутации. Вентиляция двигателя независимая, с подачей воздуха через один из люков со стороны коллектора. Степень защиты IP20.

Для безрельсового напольного электротранспорта (погрузчики, электроштабелеры, электротягачи) выпускаются электродвигатели серий ЗДТ, ГТ, ДК, РТ, ЗДВ мощностью 1,35 - 21 кВт и напряжением 24 - 110В. Все двигатели четырехполюсные, обмотки якорей двигателей волновые, сделаны из прямоугольного медного провода и удерживаются в пазах бандажом из стеклоленты или стальной луженой проволоки.

Станины двигателей изготовляются из стальной прокатной трубы. Большинство электродвигателей имеет последовательное возбуждение и закрытое исполнение с естественным охлаждением.

Двигатели серий ДКВ и ДВ характеризуются взрывозащищенным исполнением.

Для привода рудничных аккумуляторных электровозов предназначены электродвигатели серий ДРТ, ДПТР мощностью 2,4 - 19 кВт и напряжением 80 - 250 В. Они имеют взрывозащитное исполнение и естественное охлаждение.
Двигатели постоянного тока серий ДК и ЭТ предназначены для контактных рудничных электровозов, которые работают в невзрывоопасной среде.
Крупные электрические машины постоянного тока используются для работы в приводах одноковшевых экскаваторов с емкостью ковша 4 м3 и более и в роторных экскаваторах.

Электродвигатели серий МПЭ и МПВЭ применяются для привода механизмов поворота, подъема, тяги и шагания экскаваторов и работают в режимах широкого регулирования скорости, частых реверсов с большими кратковременными перегрузками. Генераторы (серия ГПЭ), которые входят в состав преобразовательных агрегатов, предназначены для питания электродвигателей механизмов главных приводов экскаваторов.

Электродвигатели изготавливаются мощностью 500 - 1120 кВт и напряжением 440 В, а генераторы — 75 - 2500 кВт и напряжением 460, 630, 750, 930 и 1200 В.
Для питания двигателей приводов механизмов экскаваторов выпускаются также генераторы постоянного тока серий 2МП, 2ПЭ (14 -520кВт, 115 - 750 В, 1000 - 1500 об/мин).

Для экскаваторных электроприводов применяются также крановые электродвигатели постоянного тока экскаваторной модификации (серия ДЭ) мощностью до 200 кВт.

3 Устройство, принцип действия

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.