Stejnosměrné stroje Konstrukce

Stejnosměrné stroje

Konstrukce 1. Stator  část stroje, která se neotáčí, pevně spojená s kostrou  může být z plného materiálu nebo složen z plechů (v případě napájení např. usměrněným napětím)  na statoru je umístěno budicí vinutí, které slouží k vytvoření stacionárního magnetického pole

 rozlišujeme statory: a) s pólovými nástavci  na prstencový stator jsou přidělány hlavní pólové nástavce budicího vinutí buzené stejnosměrným proudem, které slouží k vytvoření stacionárního magnetického pole  místo budicího vinutí zde může být permanentní magnet → do výkonu 20 kW  mohou zde být i kompenzační vinutí → zabraňují deformacím budícího pole v oblasti hlavních pólů  kompenzační vinutí je zapojeno do série s vinutím kotvy a s vinutím pomocných komutačních pólů

1. budicí vinutí 2. drážky pro kompenzační vinutí

 pomocné póly s komutačním vinutím jsou umístěny mezi hlavní póly  jsou úzké a nemají pólové nástavce  vinutí, které na nich umístěno je zapojeno do série s vinutím kotvy a zlepšuje provozní vlastnosti stroje b) bez vyniklých statorových pólů  stator tvořen svazkem statorových plechů s drážkami pro vinutí, podobně jako statory trojfázových motorů  v drážkách je uloženo budící vinutí a vinutí pomocných komutačních pólů  magnetický obvod statoru je z plného materiálu, polarita hlavních i pomocných (komutačních) pólů se po obvodě střídá  vzdálenost dvou sousedních pólů se nazývá pólová rozteč:

2. Rotor → kotva  část stroje, která se otáčí  umístěn na hřídeli, která je s kostrou spojena přes ložiska  je složen z plechů od sebe vzájemně izolovaných, které jsou uchyceny na hřídeli  v drážkách je umístěno vinutí (vinutím prochází střídavý proud), které je spojeno s lamelami komutátoru  komutátor umístěný taktéž na hřídeli zabezpečuje provoz na stejnosměrné napětí

Kotva je z plechů od sebe vzájemně izolovaných, které jsou uchyceny na hřídeli

3. Komutátor  je umístěný na rotoru, na statoru jsou v držácích umístěné kartáče, které dosedají na lamely komutátoru a slouží jako kluzný kontakt  lamely jsou z mědi, navzájem od sebe izolované slídou  k lamelám jsou připojeny vývody rotorového vinutí  uhlíkové kartáče jsou pružinou přitlačovány na lamely  kartáči prochází proud přes lamely do vinutí rotoru  ve stroji dosedá na povrch komutátoru tolik kartáčů (uhlíků), kolik má stroj hlavních pólů  kartáče je možné i natáčet po komutátoru tak, aby byly v neutrální poloze → magnetická neutrála

Uhlíkový kartáč

Rozdělení stejnosměrných strojů a) Stejnosměrné generátory → dynama  přeměňují mechanickou energii na elektrickou  v cívkách rotoru se indukuje střídavé napětí  díky komutátoru je na svorkách dynama stejnosměrné napětí  v minulosti byla dynama zdroji elektrické energie tam, kde bylo třeba stejnosměrné napětí (např. v palubní síti automobilů)  dnes jsou nahrazeny alternátory s polovodičovými usměrňovači  přesto i dnes nachází uplatnění např. v budicích obvodech synchronních generátorů  druhy dynam:  dynamo s cizím buzením → budicí vinutí je napájeno z nezávislého zdroje napětí  derivační dynamo → budicí vinutí je připojeno paralelně k vinutí kotvy  kompaundní dynamo → má dvě budicí vinutí, jedno připojené paralelně a druhé sériově k vinutí kotvy

b) Stejnosměrné motory  přeměňují elektrickou energii na mechanickou  díky komutátoru je můžeme napájet stejnosměrným proudem.  nutnost časté kontroly komutátoru a kartáčů

 mají velký záběrný moment  dosahují vyšších otáček než motory na střídavé napětí  mají široké možnosti využití podle způsobu zapojení budicího vinutí  používají se např. pro pohony vozidel, obráběcích strojů, u zdvihacích zařízení, v automobilech – startéry, pohony různých automobilových zařízení  druhy stejnosměrných motorů:  motor s cizím buzením  derivační motor → s paralelním buzením  kompaudní motor → se sériově – paralelním buzením  motor se sériovým buzením

Značení vývodů stejnosměrných strojů  označování vývodů na svorkách stejnosměrných motorů je stejné pro motoru i generátory A

vinutí kotvy

B

vinutí komutačních pólů

C

kompenzační vinutí

D

sériové budící vinutí

E

paralelní budící vinutí

F

vinutí pro cizí buzení

 číslice před písmeny označují rozdělená vinutí (např.: 1B a 2B značí dvě části symetricky rozděleného komutačního vinutí)  číslice za písmeny udávají začátek a konec vinutí (např.: B1 začátek vinutí, B2 konec vinutí) Obvod kotvy s pomocnými a kompenzačními vinutími (označení v závorkách není na svorkovnici uváděno)

Směr otáčení  na směru proudu ve vinutí kotvy a v budícím vinutí závisí směr otáčení stejnosměrného stroje

 označení vývodů je stanoveno tak, že při běhu motoru doprava prochází každým vinutím proud od začátku ke konci, tedy v kotvě derivačního motoru od A1 k A2 a v budícím vinutí od E1 k E2 Stejnosměrný motor se otáčí doprava, protéká-li každým vinutím proud od začátku vinutí ke konci vinutí.

Derivační motor – směr doprava

 k určení směru otáčení doprava pozorujeme motor ze strany vyvedené hřídel a generátor ze strany hnací hřídele  u generátoru má proud kotvy snahu otáčet kotvou proti směru pohonu generátoru

Kompaundní generátor s komutačními póly

Provedení vinutí  pro správnou činnost stejnosměrného stroje musí být vinutí rotoru souměrné a uzavřené  podle připojení cívek na komutátor rozeznáváme dva druhy vinutí kotvy: a) vinutí vlnové (sériové)  má název odvozený od tvaru cívky  rozpětí cívky se rovná pólové rozteči, konce cívky jsou připojeny na lamely vzdálené o dvě pólové rozteče  tento druh vinutí se používá pro vyšší napětí a menší proudy, protože obsahuje největší počet cívek zapojených do série

b) vinutí smyčkové (paralelní)

 má rovněž rozpětí cívky shodné s pólovou roztečí, ale vývody cívky jsou připojeny na sousední lamely komutátoru  smyčkové vinutí se používá u strojů na větší proudy, protože má největší možný počet paralelních větví 

Reakce rotoru kotvy  při provozu stejnosměrného stroje (dynama nebo rotoru) prochází rotorem proud, který vytváří svoje magnetické pole  magnetické pole rotoru se skládá s magnetickým polem pólů ve výsledné pole  Jestliže je stroj nezatížený, je výsledné pole tvořeno pouze póly (obr. A)

 kdyby bylo vinutí pólů bez proudu a proud by procházel pouze rotorem, vytvořilo by se magnetické pole podle obrázku B  magnetická osa pole kotvy je kolmá na osu pole magnetů  vzájemným působením obou polí při práci stroje se výsledné pole deformuje a jeho osa se posune u dynama ve směru otáčení, u motoru proti směru otáčení (obr.C)  kartáče, které by měly být v neutrální ose, by tedy bylo nutné natočit u dynama ve směru otáčení, u motoru proti směru otáčení o úhel γ  natáčení kartáčů se provádí u menších strojů a při stálé zátěži  u větších strojů a v případech, kdy stroj pracuje s proměnným zatížení, by bylo nutné tento úhel neustále měnit a proto se stroj opatřuje dalším vinutím statoru, které je protékané proudem rotoru a kompenzuje jeho vliv na výsledné pole  toto vinutí se nazývá kompenzační a vkládá se do pólových nástavců stroj

Komutace  během otáčení rotoru dochází v jednotlivých cívkách ke změně směru proud → ke komutaci  v určitém okamžiku dosedá kartáč na lamelu 2 → proud teče v cívce B zprava doleva  v dalším okamžiku je cívka B zkratována kartáčem, který se dostal mezi lamely 2 a 3 a proud v cívce zaniká  v dalším časovém okamžiku se kartáč dostane na lamelu 3 a tím se objeví v cívce B proud, který jí prochází zleva doprava  změnou proudu v komutující cívce se v cívce indukuje reaktanční napětí  toto reaktanční napětí vytváří v komutující cívce proud, který se při přechodu kartáče z lamely 2 na lamelu 3 přerušuje, což způsobuje jiskření na kartáčích  tento rušivý faktor v činnosti stroje se potlačí použitím pomocných → komutačních pólů  komutační póly jsou umístěny mezi hlavními póly statoru  jejich magnetickým polem se indukuje do komutující cívky stejně velké napětí jako je napětí reaktanční, ale opačné polarity, takže obě napětí se vzájemně ruší  aby tato napětí byla stejná při všech zatíženích stroje, je vinutí komutačních pólů protékané rovněž proudem rotoru

Konstrukční uspořádání

1 – kostra statoru 2 – magnetické póly p – pólová rozteč 3 – budící vinutí 4 – rotor (kotva) 5 – drážky rotoru 6 – komutátor 7 – kartáče → sudý počet (stejně jako počet pólů) 8 – neutrální osa → geometrická osa hlavních magnetických pólů