Physische Struktur und Konfiguration von DC-Maschinen

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Physische Struktur und Konfiguration von DC-Maschinen

Zweipolige Maschine

1 zeigt eine zweipolige Maschine, in der die Statorpole so konstruiert sind, dass sie näher zum Rotor als zur Statorstruktur vorstehen. Diese Art von Konstruktion ist ziemlich üblich, und auf diese Weise hergestellte Pole werden ausgeprägte Pole genannt .

Man beachte, dass der Rotor auch so konstruiert sein könnte, dass er ausgeprägte Pole aufweist.

Abbildung 0 - Querschnitt der DC-Maschine

Gleichstrom Motor (Rotor, Startor)

Eine repräsentative DC-Maschine wurde in Abbildung 0 oben mit den deutlich identifizierten Magnetpolen sowohl für den Stator als auch für den Rotor dargestellt.

Abbildung 1 ist eine Fotografie des gleichen Maschinentyps. Beachten Sie die Schenkelpolkonstruktion des Stators und des geschlitzten Rotors. Wie bereits erwähnt, ist das von der Maschine entwickelte Drehmoment eine Folge der Magnetkräfte zwischen Stator- und Rotorpolen.

Dieses Drehmoment ist maximal, wenn der Winkel γ zwischen den Rotor- und Statorpolen 90º beträgt.

Wie Sie in der Abbildung sehen können, befindet sich der Anker in einer Gleichstrommaschine gewöhnlich auf dem Rotor und die Feldwicklung auf dem Stator.

DC-Motorteile

Abbildung 1 - DC-Maschine

Um diesen Drehmomentwinkel konstant zu halten, wenn sich der Rotor auf seiner Welle dreht, ist ein mechanischer Schalter, der als Kommutator bezeichnet wird, so konfiguriert, dass die Stromverteilung in der Rotorwicklung konstant bleibt und daher die Rotorpole konstant bei 90 ° in Bezug auf die festen sind Statorpole.

In einer Gleichstrommaschine ist der Magnetisierungsstrom Gleichstrom, so daß es aufgrund zeitveränderlicher Ströme keine räumliche Änderung der Statorpole gibt.

Um die Funktionsweise des Kommutators zu verstehen, betrachten Sie das vereinfachte Diagramm von Abbildung 4 . In der Figur sind die Bürsten fixiert, und der Rotor dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit & ohgr ; m ; die momentane Position des Rotors ist gegeben durch den Ausdruck: θ = ω m t - γ .

Der Kommutator ist am Rotor befestigt und besteht in diesem Beispiel aus sechs Segmenten, die aus elektrisch leitendem Material bestehen, jedoch voneinander isoliert sind. Ferner sind die Rotorwicklungen so konfiguriert, dass sie sechs Spulen bilden, die mit den Kommutatorsegmenten verbunden sind, wie in 4 gezeigt .

Abbildung 4 - Rotorwicklung und Kommutator

Wenn sich der Kommutator gegen den Uhrzeigersinn dreht, dreht sich das Rotormagnetfeld mit bis zu θ = 30º . An diesem Punkt ändert sich die Richtung des Stroms in den Spulen L3 und L6, wenn die Bürsten Kontakt mit dem nächsten Segment aufnehmen.

Jetzt ist die Richtung des Magnetfeldes -30 ° . Wenn sich der Kommutator weiter dreht, ändert sich die Richtung des Rotorfeldes wieder von -30 ° auf + 30 °, und es wird wieder umgeschaltet, wenn die Bürsten zum nächsten Segmentpaar wechseln. In dieser Maschine ist der Drehmomentwinkel γ nicht immer 90º, sondern kann um so viel wie ± 30º variieren; Das tatsächliche Drehmoment, das von der Maschine erzeugt wird, schwankt um bis zu ± 14%, da das Drehmoment proportional zu sin γ ist .

Wenn die Anzahl der Segmente zunimmt, wird die Drehmomentschwankung, die durch die Kommutierung erzeugt wird, stark reduziert. In einer praktischen Maschine könnte man zum Beispiel bis zu 60 Segmente haben, und die Variation von & gamma; von 90 & supmin; wäre nur ± 3 & theta ;, mit einer Drehmomentschwankung von weniger als 1 Prozent.

Somit kann die Gleichstrommaschine ein nahezu konstantes Drehmoment (als Motor) oder Spannung (als Generator) erzeugen.

Konfiguration von DC-Maschinen

Abbildung 5 - Konfiguration von DC-Maschinen

In Gleichstrommaschinen wird die Feldanregung, die den Magnetisierungsstrom bereitstellt, gelegentlich durch eine externe Quelle bereitgestellt, in welchem ​​Fall die Maschine als getrennt erregt bezeichnet wird ( 5 (a) ). Häufiger wird die Feldanregung von der Ankerspannung abgeleitet und die Maschine wird als selbsterregt bezeichnet.

Die letztere Konfiguration erfordert nicht die Verwendung einer separaten Quelle für die Feldanregung und wird daher häufig bevorzugt. Wenn sich eine Maschine in der separat erregten Konfiguration befindet, ist eine zusätzliche Quelle Vf erforderlich. Im selbsterregten Fall besteht eine Methode zur Felderregung darin, das Feld parallel zum Anker zu schalten. Da die Feldwicklung in der Regel einen wesentlich höheren Widerstand als der Ankerkreis hat ( denken Sie daran, dass der Anker den Laststrom trägt ), zieht dies keinen übermäßigen Strom vom Anker.

Ferner kann ein Reihenwiderstand zu der Feldschaltung hinzugefügt werden, um die Einrichtung zum Einstellen des Feldstroms unabhängig von der Ankerspannung bereitzustellen. Diese Konfiguration wird als Nebenschluss-Maschine bezeichnet und ist in 5 (b) dargestellt .

Ein anderes Verfahren zur Selbsterregung einer Gleichstrommaschine besteht darin, das Feld in Reihe mit dem Anker zu verbinden, was zu der in Reihe geschalteten Maschine führt, die in Fig. 5 (c) dargestellt ist ; in diesem Fall wird die Feldwicklung den gesamten Ankerstrom unterstützen, und daher muss die Feldspule einen niedrigen Widerstand ( und daher relativ wenige Windungen ) haben.

Diese Konfiguration wird selten für Generatoren verwendet, da die erzeugte Spannung und die Lastspannung sich immer durch den Spannungsabfall über der Feldspule unterscheiden müssen, der sich mit dem Laststrom ändert.

Somit würde ein Seriengenerator eine schlechte (große) Regelung haben.

In Reihe geschaltete Motoren werden jedoch gewöhnlich in Anwendungen mit einer Leistung von nicht mehr als 1 kW verwendet, oder wenn es sich um größere Motoren handelt - sie werden für Elektrolokomotiven verwendet.

Die dritte Art von Gleichstrommaschinen ist die Verbundmaschine, die aus einer Kombination der Shunt- und Serienkonfigurationen besteht. Die Fig. 5 (d) und (e) zeigen die zwei Arten von Verbindungen, die als kurzer Shunt bzw. langer Shunt bezeichnet werden.

Jede dieser Konfigurationen kann so verbunden sein, dass der Serienteil des Feldes zu dem Shunt-Teil addiert wird ( kumulative Verbindung ) oder so dass er subtrahiert ( differentielle Verbindung ).

Referenz:

Grundlagen der Elektrotechnik von Giorgio Rizzoni, Ohio State University (Taschenbuch von Amazon kaufen)

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