§5.1. Конструкция коллекторных машин

Коллекторная машина постоянного тока характеризуется тем, что в обмотке якоря наводится переменная ЭДС, частота которой пропорциональна угловой скорости ротора, а между обмоткой якоря и внешней цепью постоянного тока включается механический преобразователь частоты – коллектор со щетками. В результате во внешней цепи машины ток протекает постоянный, а по каждому проводнику обмотки якоря – переменный, частота изменения которого определяется угловой скоростью ротора.

Конструкция.
   Коллекторная машина постоянного тока состоит из неподвижной части – статора, называемой иногда индуктором, и вращающейся части – ротора, называемой якорем.

Рис.5.1

Коллекторные машины постоянного тока выпускаются в основном с барабанным ротором и небольшими сериями с гладким беспазовым ротором. Для снижения момента инерции вращающихся частей, т.е. увеличения быстродействия, коллекторные микромашины выпускаются с полым немагнитным и дисковым роторами. Коллекторные машины могут быть с электромагнитным возбуждением и с возбуждением от постоянных магнитов.
   На рис. 5.1 представлена конструктивная схема машины постоянного тока с барабанным якорем. На внутренней части корпуса 1, отлитого из стали или чугуна, прикреплены сердечники главных полюсов 2. Сердечники набраны из листовой электротехнической стали, с их помощью магнитный поток подводится к якорю. Сердечники выполняют наборными, чтобы уменьшить потери мощности от пульсаций магнитного потока, возникающих при вращении зубчатого якоря под полюсом. На сердечниках расположена сосредоточенная обмотка 3, создающая МДС и поток возбуждения машины; обмотка изготовлена из изолированного медного провода. Сосредоточенной принято называть обмотку, в которой магнитные оси всех витков совпадают с результирующей магнитной осью обмотки. На геометрической нейтрали ГН машины – линии геометрической симметрии магнитной системы – в корпусе расположены литые сердечники дополнительных полюсов 4 с обмотками возбуждения 5. Дополнительные полюсы создают в зоне геометрической нейтрали магнитный поток, служащий для уменьшения искрения в скользящем контакте коллектор – щетки. Сердечник якоря 6 представляет собой цилиндр, набранный из листовой электротехнической стали с пазами для укладки обмотки и укрепляемый на валу машины. Распределенная обмотка якоря 7 собирается из отдельных катушек со сходящимися (см.рис.2.5,а) или расходящимися (см.рис.2.5,б) концами, выведенными на коллектор. Коллектор выполнен в виде цилиндра, собранного из медных пластин, изолированных друг от друга миканитом или пластмассой; число коллекторных пластин К равно числу катушек. Крепится коллектор на одном валу с сердечником якоря. Щетки 9 представляют собой стержни из графита с добавлением металлических порошков ( меди, серебра ), скользящие по поверхности вращающегося коллектора и подающие или снимающие напряжение и ток с обмотки якоря. Щетки устанавливаются в окнах щеткодержателей, прижимаются пружинами и при износе могут легко заменяться. Щеткодержатели крепятся к корпусу с помощью изоляционных кронштейнов. Вал ротора 10 вращается в подшипниках, установленных в подшипниковых щитах.
   На рис.5.1 пунктирными линиями показан путь замыкания потока возбуждения машины Ф_в. Как видно, на внешнем участке поток проходит непосредственно по корпусу. У микромашин корпус часто выполняют немагнитным, и тогда в нем дополнительно устанавливается ферромагнитное ярмо статора. Следует отметить, что в микромашинах дополнительные полюсы практически никогда не устанавливаются.

Рис.5.2

Микродвигатель с полым немагнитным якорем и возбуждением от постоянных магнитов изображен на рис. 5.2. Особенностью конструкции является то, что для уменьшения момента инерции якорь 2 выполняют в виде полого пластмассового цилиндра, в который запрессована обмотка из медного провода. Полый якорь вращается в воздушном зазоре между внешним и внутренним статорами. Внутренний статор 3 представляет собой цилиндрический постоянный магнит с радиальной намагниченностью, создающий поток возбуждения. Внешний статор 1, выполненный из магнитомягкого материала, является магнитопроводом. Напряжение на якорь подается через щетки 5 и коллектор 4. Внешний и внутренний статоры жестко закреплены в корпусе 6. Якорь и коллектор насажены на вал 9, который вращается в подшипниках 8, закрепленных в подшипниковых щитах 7. Момент инерции якоря такого двигателя значительно меньше момента инерции якоря барабанного типа. Микродвигатели можно выполнять с расположением постоянного магнита на внешнем статоре.

Рис.5.3.

Двигатели постоянного тока с дисковым якорем ( рис. 5.3 ) имеют плоский воздушный зазор. Возбуждение двигателя обеспечивается постоянными магнитами 1 с полюсными наконечниками 4 из магнитомягкой стали, имеющими форму кольцевых сегментов. Кольца 2 и 3 из магнитомягкой стали служат ярмом, т.е. внешним магнитопроводом. Якорь 5 представляет собой тонкий немагнитный ( из керамики или пластмассы ) диск без пазов с печатной обмоткой, изготовленной методом фотолитографии. Проводники обмотки располагают радиально по обеим сторонам диска. Роль коллектора могут играть неизолированные участки проводников, находящихся на поверхности диска, по которым скользят щетки 6.
   Магнитный поток, создаваемый постоянными магнитами, проходит аксиально через два воздушных зазора и немагнитный дисковый якорь и замыкается по ярму. При протекании тока по обмотке якоря на валу двигателя создается вращающий момент, направленный в плоскости диска якоря. Момент инерции дискового якоря значительно меньше, чем у барабанного. Кроме того, у двигателей с печатной обмоткой якоря проводники печатной обмотки находятся в значительно лучших условиях охлаждения, чем проводники, уложенные в пазы барабанного якоря; это позволяет повысить плотность тока в проводниках обмотки якоря и, как следствие, уменьшить габаритные размеры и массу двигателя. Изготовление печатной обмотки якоря возможно при высокой степени автоматизации.
   Однако двигатели с дисковым якорем менее долговечны, что обуславливается главным образом быстрым износом меди печатных проводников в месте установки щеток. С целью повышения срока службы разработаны и внедрены в производство двигатели с дисковым якорем, у которых на валу установлен коллектор, а обмотка выполнена из проводников, запрессованных в пластмассовый диск.
   В малоинерционных микродвигателях по сравнению с микродвигателями с барабанным якорем больше немагнитный зазор, состоящий из двух воздушных зазоров и немагнитного слоя якоря. Это приводит к повышенному расходу дорогих магнитотвердых материалов для постоянных магнитов, создающих поток возбуждения.
   Двигатели с полым немагнитным и дисковым якорями менее надежны при высоких температурах, вибрациях и ударах, потому что вероятность деформации у таких якорей больше, чем у барабанных.
   Следует отметить, что в настоящее время двигатели с полым немагнитным и дисковым якорями разрабатываются не только в классе микромашин, но и машин малой мощности – до нескольких кВт.
   Высокомоментные двигатели при относительно малой массе и габаритных размерах имеют низкую номинальную частоту вращения ( обычно не более 1000 об/мин ) и большой вращающий момент. Они позволяют создавать электроприводы с широким диапазоном регулирования скорости ( до 1000 : 1 ) без силовых редукторов. Главные полюсы таких двигателей изготавливаются из относительно дешевых ферритовых магнитов, обладающих большой коэрцитивной силой, остаточной индукцией и удельной энергией. Эти магниты при малой высоте полюсов и соответственно при меньших габаритных размерах двигателя позволяют создавать достаточно сильное магнитное поле, и тем самым большой электромагнитный момент. Реже используются редкоземельные магниты, которые обладают более высокой энергией, но очень дорогие. Отсутствие потерь мощности на возбуждение позволяет при одинаковом уровне нагрева повысить допустимый ток якоря, а следовательно и электромагнитный момент. Увеличению тока якоря способствует также применение в высокомоментных двигателях изоляции с повышенной нагревостойкостью. Магнитная система таких двигателей обычно выполняется многополюсной, что позволяет повысить равномерность магнитного поля в воздушном зазоре.
   Высокомоментные двигатели изготавливаются как с барабанными так и с беспазовыми якорями. Конструкция машины с беспазовым якорем отличается тем, что стальной сердечник якоря имеет гладкую поверхность без пазовых отверстий. Катушки укладываются в два слоя непосредственно на поверхности сердечника якоря, стягиваются стеклолентой и заливаются эпоксидной смолой с ферромагнитным наполнителем. Отсутствие зубцов, наиболее подверженных насыщению в машине с барабанным якорем, позволяет повысить магнитный поток и вращающий момент двигателя.

Схемы обмотки якоря.
    Обмотка якоря коллекторной машины состоит из отдельных катушек, объединенных с помощью коллектора в единую систему. Обмотки, выполняемые из катушек со сходящимися концами, называются петлевыми, из катушек с расходящимися концами – волновыми; возможна также комбинированная схема обмотки.

Рис.5.4а

Рис.5.4б

Принцип выполнения обмотки якоря рассмотрим на примере простой петлевой обмотки (рис. 5.4а), в которой начало и конец катушки подсоединены к двум соседним коллекторным пластинам. К каждой коллекторной пластине присоединяется конец предыдущей и начало последующей катушки. При этом катушки, расположенные под одной парой полюсов, образуют пару параллельных ветвей, внутри которых катушки соединены последовательно (рис.5.4б). Общее число параллельных ветвей в петлевой обмотке 2а = 2р_м; такое же число щеток должно быть установлено на коллекторе.
   В простой волновой обмотке 2а = 2 при любом р_м.