Станину двигателей постоянного тока выполняют стальной сварной или литой. Литые станины в поперечном сечении прибли­жаются к квадрату для лучшего использования внутреннего объема двигателя. Литые станины разъемные, верхняя и нижняя поло­вины соединены четырьмя болтами. Стык между полустанинами защищен от коррозии смазочным материалом или краской.

Зазор между полустанинами достаточно мал и при расчете магнитной цепи может не учитываться в качестве отдельного участка магнитопровода. Для двигателей с компенсационной обмоткой разъемную станину практически не делают. По технике безопасности каждое подъемное ухо Станины должно выдерживать с большим запасом силу тяжести двигателя. Фланец вертикальных двигателей отливают заодно со станиной или приваривают к свар­ной станине.

Сердечник главного полюса набирают из штампованных листов (сталь Ст2) толщиной 1,5—2 мм. Центральный стальной стержень придает сердечнику жесткость и служит для крепления его к ста­нине. Ширина стержня составляет около 30 % ширины сердечника полюса. На один полюс приходятся две-три крепящие шпильки, шаг между ними составляет около 0,3 диаметра якоря. Листы сердечника скрепляют в осевом направлении четырьмя-пятью заклепками.

Сердечник добавочного полюса изготовляют из сплошной литой или кованой заготовки, иногда из толстолистовой стали с привер­нутым наконечником или со штыревыми выступами для удержания катушки. Применяют также шихтованные в поперечном направле­нии и склепанные сердечники, особенно в двигателях для систем с питанием от тиристорных преобразователей. Диаметр крепящего сердечник болта берут максимально возможным — около 75 % ширины сердечника. Шаг между болтами обычно такой же, как у шпилек главного полюса.

Болты и шпильки крепления главных и добавочных полюсов выполняют из стали 45, рассчитывают их на восприятие механи­ческих и электромагнитных нагрузок на полюсы с катушками. Катушки полюсов наматывают из изолированного или неизоли­рованного медного провода с асбестовой изоляцией между вит­ками.

Для улучшения теплоотдачи и лучшей сохранности наружной изоляции неровности на поверхности катушки заполняют изоля­ционной замазкой. Выводы катушек паяют твердым припоем, пропитывают катушки вакуумно-нагнетательным способом.

Суммарная сила прижатия катушки фланцами должна пре­восходить силу тяжести катушки примерно в 10 раз.

Стабилизирующую обмотку встраивают в катушку параллель­ного возбуждения (например, двигатели Д12—Д41) или выполняют кабелем, намотанным поверх катушки (например, двигатели Д806—Д818). В последнем случае достигается унификация кату­шек и несколько улучшается теплоотвод от них. Специального закрепления кабеля не требуется, так как он расположен в ?- образном междукатушечном пространстве.

Сердечник якоря изготовляют из штампованных листов электро­технической горячекатаной стали 1213 (Э13) с двойным лакирова­нием или холоднокатаной стали 2013 с оксидным покрытием и однократным лакированием. Крутящий момент полностью пере­дается благодаря тугой посадке листов на вал. Особо важно выполнить монолитными крайние листы сердечника, склеив их клеем БФ-2 или применив утолщенные крайние листы. Лучшим решением является сварка пакета крайних листов в среде нейтраль­ного газа.

Нажимные шайбы якоря литые из стали 25Л передают частично вращающий момент двигателя. Шайбы воспринимают инерционные нагрузки от лобовых частей обмоток и осевые от сил спрессовки сердечника, поэтому они должны быть достаточно жесткими и прочными. Суммарная ширина ребер между внутренней и наруж­ной втулками шайбы составляет 5—10 % длины окружности якоря.

Обмотку якоря выполняют волновой для двигателей исполне­ния до Д814 и «лягушачьей», в том числе ступенчатой, для двига­телей исполнения Д816—Д818. Петлевую обмотку в отечественных крановых двигателях не применяют, так как при этом требуется более высокая коллекторная пластина под уравнительные соедине­ния и при пайке или сварке уравнителей возникают затруднения. Перспективным является применение прямоугольных эмалиро­ванных проводов ПЭТП-200 и др.

В последнее время для обмотки якоря стальную бандажную проволоку диаметром до 2 мм заменяют стеклобандажной лентой ЛСБ-Н. Для стеклобандажной ленты толщиной 0,2 мм допусти­мое усилие натяжения составляет 600 Н на 10 мм ширины ленты.

Клиновое крепление пазовой части обмотки якоря обычно не применяют, так как клин требует большей глубины паза и несколько ухудшает теплоотвод с поверхности якоря.

Коллектор с корпусом из пластмассы и армирующими сталь­ными кольцами выполняют диаметром не более 215 мм, а коллек­торы больших диаметров — сборными с манжетами. Торцовый стык между пластмассой и медью коллекторных пластин закрывают стеклобандажной лентой во избежание замыкания между пласти­нами при эксплуатации.

При заданной максимальной рабочей частоте вращения дви­гателя испытательная частота вращения коллекторов с корпусом из пластмассы

n_к = 1,3n_max;

для коллекторов с манжетами

n_к = 1,15n_max;

где n_max — максимальная рабочая частота вращения двигателя.

Обмотку якоря с коллектором соединяют пайкой тугоплавким припоем или сваркой в среде инертного газа. Сварка путем после­довательного обхода всех пластин по спирали, когда отдельный ,,петушок" испытывает только кратковременный точечный нагрев, обеспечивает высокую надежность сварного соединения, сохране­ние межламельной изоляции и твердости коллекторной меди.

Балансировка якоря ведется без шпонки на конце вала, обычно путем наварки корректирующих грузов, что обеспечивает доста­точную точность балансировки относительно тихоходных крановых двигателей.

Щеткодержатели литые, куркового типа, имеют окна для сво­бодного перемещения щеток с суммарным зазором 0,05—0,31 мм в тангенциальном направлении и 0,06—0,55 мм в осевом направ­лении.

Давление на щетку ЭГ14 равно 20—40 кПа, на щетку 6110М 12-—22 кПа.

Связь электрических и механических параметров в машинах постоянного тока описывается выражениями

где Е — ЭДС якоря двигателя, В; ?₀ — электрическая постоянная, ?₀ = рN/60а (р — число пар полюсов; N — число активных проводников обмотки якоря; а — число пар параллельных ветвей обмотки якоря); Ф — магнитный поток, Вб; n частота вращения электродвигателя, об/мин; М — электромагнитный момент двигателя, Н?м; С_м — механическая постоянная, С_м = рN/2?а; I_я — сила тока якоря, А.

Мощность на валу двигателя (в кВт), выраженная через меха­нические параметры,

выраженная через электрические параметры

где ? — КПД двигателя; U — напряжение двигателя, В.

Из формул (2.3) и (2.4) следует, что

Поток Ф создается магнитодвижущей силой (МДС) обмоток возбуждения, расположенных на главных полюсах. Если на полюсе размещена одна обмотка, обтекаемая постоянным по значению током, то магнитный поток машины практически по­стоянен (если пренебречь размагничивающим действием якоря), и, следовательно, при такой системе возбуждения

где R_я — сопротивление цепи якоря двигателя, Ом; зависимость между n и М будет линейной.

Если помимо обмотки независимого возбуждения есть и после­довательная обмотка, обтекаемая током главной цепи, то в этом случае поток зависит от нагрузки. При возбуждении только от одной последовательной обмотки вращающий момент прямо про­порционален квадрату силы тока, частота вращения обратно про­порциональна силе тока (при отсутствии насыщения магнитной цепи), т.е. при ненасыщенной магнитной системе имеет место зависимости

где k — коэффициент пропорциональности.

Полезный магнитный поток двигателя даже при постоянной МДС полюсов несколько меняется в зависимости от силы тока якоря, особенно при большой силе тока. Это явление, называемое размагничивающим действием якоря, уменьшает магнитный поток главных полюсов. Размагничивающее действие реакции якоря отражается на характеристиках намагничивания электрических машин, построенных для различных значений силы тока якоря. Такие характеристики называют нагрузочными.

Мощность электрической машины, выраженная через геометри­ческие размеры,

где ?­_i — коэффициент расчетной полюсной дуги машины, обычно ?­_i = 0,60 ? 0,68; D_я— диаметр якоря, м; l_я — эффективная длина пакета, м; А — ли­нейная плотность тока, А/м; B_?— магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл.

Для уменьшения времени и расхода энергии при разгоне и торможении механизма момент инерции крановых двигателей должен быть минимальным. Поэтому, если в машинах общего применения l_я / D_я = 0,6 ? 0,9, то в крановых двигателях для так называемых длинных машин

В коротких машинах, выполняемых для упрощения изготовле­ния одинакового диаметра, отношение l_я / D_я = 0,6 ? 0,8.

Параллельные обмотки рассчитаны на продолжительный режим работы. Отношение МДС главных полюсов F_B к МДС реакции якоря двигателя F_p.я с параллельным возбуждением

При меньших значениях F_B/F_p.я реализовать нормированный максимальный вращающий момент двигателей параллельного возбуждения с удовлетворительной коммутацией трудно. Также для уменьшения влияния реакции якоря на форму скоростных характеристик и повышения реализуемого максимального момента применяют специальную конструкцию наконечника главного по­люса.

Для двигателей смешанного возбуждения, которые применяют все реже, отношение МДС параллельной и последовательной обмо­ток равно примерно 1:1.

Потери энергии, интенсивность охлаждения и режим работы определяют мощность конкретного двигателя. Поэтому важно знать потери и их распределение по отдельным его элементам.

Потери мощности в стальном пакете ?Р_ст в значительной степени лимитируют мощность закрытых двигателей в продол­жительном режиме работы, особенно при высокой частоте вращения. Пересчитывают потери мощности для других режимов работы, если известны номинальные по­тери ее в стали ?Р_{ст. ном} (в Вт), по приб­лиженной формуле

где k_1c — коэффициент, характеризующий электро­техническую сталь, для стали 1213 (Э13) k_1c = 1, для стали 2013 k_1c = 0,95, коэффициент пропор­ционален корню квадратному из отношения потерь в сталях 2013 и 1213 при f = 50 Гц и В = 1; k_2c — поправочный коэффициент, его значения определяются по рис. 2.1; F и F_ном — МДС (или ток катушки) главного полюса в заданном и но­минальном режимах; n и n_ном — частота вращения якоря в заданном и номиналь­ном режимах.

Этой формулой рекомендуется пользоваться при отсутствии опытных данных.

Электрические потери в меди якоря, катушек главных и доба­вочных полюсов ?Р_э легко находят по произведению квадрата силы тока на сопротивление (I²R), если известны данные обмоток двигателя. Номинальные потери в меди происходят при превыше­нии температуры обмоток (115 °С).

В режиме ПВ = 40 % суммарные потери на единицу наружной поверхности закрытого двигателя параллельного возбуждения составляют 600—1000 Вт/м². Для кратковременных режимов работы (менее 30 мин) независимая вентиляция и другие виды охлаждения малоэффективны, а при особо коротких периодах работы (менее 15 мин) нагрев обмоток определяется практически только их теплоемкостью и плотностью тока. Для режимов дли­тельностью 1—3 мин превышение температуры медной обмотки

где J — плотность тока в обмотке, А/мм²; t— время нахождения обмотки под током, мин; при t = 5 мин знаменатель формулы будет 5,5, при t = 10 мин — 8, при t = 15 мин — 9,5, а при t<1 мин — 3,3.

Для оценки работы двигателей в кратковременных режимах в табл. 2.2 приведены постоянные времени нагрева. Допустимую силу тока при кратковременных режимах можно ориентировочно определить с учетом данных табл. 2.2 по формуле

где I_н — номинальная сила тока про­должительного режима, A; t — время нагрузки, с; Т_н — постоянная вре­мени нагрева, с.

Важнейшим фактором, огра­ничивающим максимально до­пустимый ток, максимальный вращающий момент, диапазон регулирования частоты враще­ния при увеличении напряже­ния и ослаблении магнитного поля, в двигателях постоянного тока является коммутационная способность коллектора. Сущ­ность процесса коммутации за­ключается в переключении сек­ций обмотки якоря коллектора из одной параллельной ветви в другую с изменением тока в них на обратный при переме­щении коллектора под щеткой. При вращении якоря под щет­ками образуются искры, что ведет к обгоранию коллектора и щеток, а в некоторых случаях может вызвать круговой огонь. Интенсивность ценообразования зависит от ряда параметров двигателя, тщательности изготовления коллектора, подбора щетки и многих других фак­торов.

Искрение оценивают при соблюдении следующих правил: все щетки должны быть правильно установлены и притерты; наблю­дают за положительной щеткой на двигателе и отрицательной — на генераторе; степень искрения оценивают под сбегающим краем щетки по шкалам, приведенным в табл. 2.3.

При номинальном режиме степень искрения должна быть не выше 1 ¹/₂. Степень искрения 2 допускается только при кратковре­менных толчках нагрузки и перегрузки. Степень искрения 3 допускается только для моментов прямого включения или реверси­рования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы.

Двигатели серии Д исполнений 12—32 при номинальном напря­жении должны в течение 30 с и двигатели исполнений 41, 806—818 в течение 60 с выдерживать ток, указанный в табл. 2.4, причем искрение на коллекторе не должно достигать степени 3.

Коммутационную способность коллекторов целесообразно про­верять также по следующим соотношениям:

среднему межсегментному напряжению на коллекторе (в В)

максимальному межсегментному напряжению на коллекторе при уменьшении МДС главных полюсов и большой силе тока (в В)

напряжению на 1 см окружности коллектора для номинального напряжения с возможностью регулирования скорости повышением напряжения (в В/см)

где k — число коллекторных пластин; ? — коэффициент полюсного перекрытия; F_р.я — МДС реакции якоря; F_B — МДС главных полюсов; ? — коллекторное деление.

Особо важно проверить значение е_max для электрических машин, работающих при напряжении выше 400 В и сильно ослабленном основном потоке F_B.

В переходных режимах длительностью менее 0,1 с перегрузка двигателей по силе тока может быть увеличена примерно на 20 %, поскольку искажение магнитного поля в воздушном зазоре в ре­зультате увеличения МДС реакции якоря не успевает проявиться и заметного усиления искрения щеток не возникает.

Все большее применение находит питание двигателей постоян­ного тока от регулируемых статических выпрямителей.

Двигатели серии Д (ГОСТ 184—71) допускают питание от регу­лируемых статических выпрямителей, соединенных по трехфазной мостовой схеме, без применения сглаживающих реакторов. Экспе­риментальные исследования, проведенные при питании от выпря­мителей, позволяют сделать следующие выводы.

1. В результате пульсации тока нагрев двигателей увеличива­ется на 2—3 % при коэффициенте пульсации k_i = 15 %, на 5— 7 % при k_i = 25 %, на 15—22 % при k_i = 35 %, причем

где I_max — максимальное значение силы тока при пульсирующей нагрузке; l_min — минимальное значение силы тока при пульсирующей нагрузке.

Аналогично определяют коэффициент пульсации напряжения k_u. Для наиболее распространенной трехфазной мостовой схемы коэффициент пульсаций ниже 5 % для двигателей мощностью 20—200 кВт, при этом дополнительный нагрев двигателей можно не учитывать.

2. Для двигателей средней мощности, например для двигателей Д810 (55 кВт, 220 В, 282 А, 550 об/мин, параллельное возбуждение), связь между коэффициентами пульсации напряжения и тока при питании двигателя от регулируемого выпрямителе без сглаживающего реактора близка к линейной. Индуктивность двигателя существенно снижает пуль­сации тока. В двигателях меньшей мощности (20— 50 кВт) индуктивность повышается и пульсация тока будет снижаться не­сколько больше. В диапа­зоне мощности 60—200 кВт индуктивность цепи якоря, включающей обмотку яко­ря, и добавочных полю­сов, меняется несуще­ственно.

3. При близких мощ­ностях преобразователя и двигателя с увеличением тока нагрузки коэффициент пульса­ции тока резко снижается. Это благоприятно сказывается на коммутации двигателей при перегрузках.

4. С повышением нагрузки на двигатель искрение под щетками Может даже уменьшаться (примерно на 0,5 балла буквенной шкалы) вследствие снижения пульсации тока.

Связь между коэффициентами пульсации тока и напряжения и коммутацией двигателя средней мощности (около 50 кВт) при постоянной нагрузке, в 1,41 раза превышающей номинальную, представлена в табл. 2.5, причем в первой строке приведен режим при постоянном токе, без пульсаций. Там же показан ток начала искрения, если ток постепенно увеличивать от нуля.

5. Шихтованные сердечники добавочных полюсов улучшают коммутацию примерно на 0,5 балла буквенной шкалы искрения, при умеренных пульсациях тока (k_i < 16 %). При k_i = 25 ? 35 % применение таких сердечников улучшает коммутацию на один балл буквенной шкалы.

6. Преобразователь следует выбирать так, чтобы номинальное напряжение двигателя было близко или равно напряжению верх­него предела регулирования на выходе преобразователя. Недо­использование преобразователя по мощности или напряжению влечет за собой увеличение пульсации выходного тока и напряже­ния, что ослабляет коммутацию и усиливает нагрев двигателя. Исследования, проведенные на двигателях серии 2П при питании от преобразователей, показали, что с изменением частоты пульсации тока якоря граница искрения практически не меняется. Уменьше­ние частоты вращения якоря снижением напряжения, когда одно­временно увеличивается переменная составляющая тока якоря, также не увеличивает искрения щеток даже при отсутствии сгла­живающей индуктивности. При ослаблении магнитного поля двигателей с номинальным напряжением 220 В обеспечивается регулирование до максимальной частоты вращения с ухудшением коммутации на одну-две ступени шкалы СТ СЭВ 1346—78 и ГОСТ 183—74 (до степени искрения 2) при умеренных значениях коэффициента пульсации по току k_i = 0,2. Для двигателей с номи­нальным напряжением 440 В значения k_i должны быть уменьшены в 1,5—2 раза.

Одним из критериев динамических свойств двигателей может служить допустимая скорость изменения тока якоря двигателя. В системах приводов крановых механизмов скорость изменения не превышает 100I_ном в секунду. В то же время по результатам испытаний отечественных и зарубежных двигателей установлены следующие допустимые скорости изменения тока якоря:

При пониженном напряжении скорость изменения силы тока в якоре двигателя может быть увеличена до 900I_ном в секунду в зависимости от номинальной мощности и конструктивного исполнения.

Из сказанного следует, что применение специальных мер для увеличения скорости изменения тока требуется только для особо быстродействующих систем приводов, обычно не свойственных крановым механизмам.

Двигатели серии Д изготовляют в соответствии с ГОСТ 184—71 с учетом изменения № 2, внесенного в 1979 г. Серия построена на десяти диаметрах, имеет тринадцать исполнений по основным размерам, причем три исполнения имеют по две длины.

Двигатели предназначены для работы в электроприводах гру­зоподъемных машин, в том числе металлургических. Чтобы повы­сить динамические показатели привода и уменьшить расход энер­гии на разгон якоря, для механизмов с большим числом включений (до 2000 в час) разработаны тихоходные двигатели всех исполнений с относительно невысокой частотой вращения. Для механизмов с числом включений до 300 в час предусмотрены быстроходные двигатели исполнений Д21—Д808, имеющие номинальную частоту вращения на 30—55 % больше, чем двигатели первого типа. Двигатели характеризуются повышенной кратностью пусковых и максимальных вращающих моментов и широким диапазоном регу­лирования скорости.

Двигатели серии Д изготов­ляют на номинальное напряжение 220 В (все 13 исполнений) и на на­пряжение 440 В (с ограничениями по исполнениям) с последователь­ным, смешанным, параллельным возбуждением и параллельным со стабилизирующей обмоткой возбуждением. По способу мон­тажа и расположению вала основ­ное исполнение — форма IM1000; могут быть заказаны двигатели формы IM2010 — исполнений 12—32 включительно, формы IM2000 — исполнений 806—808 включительно, формы IM3010 — все исполнения двигателей. Дви­гатели вертикального исполнения имеют в обозначении букву В, например ДВ32.

Степень защиты от внешних воздействий закрытых двигате­лей — IP22, двигателей с прину­дительной вентиляцией (без кры­шек) — IP20. Двигатели поставляют с крышками, установленными на окнах входа и выхода воздуха. Поэтому двигатели закрытого исполнения с естественным охлаж­дением и защищенного исполне­ния с принудительной вентиля­цией взаимозаменяемы.

Станины двигателей исполне­ний 806—808 неразъемные, а дви­гателей исполнения 810 и далее — разъемные. В двигателях приме­нены изоляционные материалы только класса Н.

Номинальными данными за­крытых двигателей являются дан­ные режима 60 мин, а защищен­ных двигателей с независимой вентиляцией (продуваемых) — продолжительного режима (ПВ — = 100 %). Значения номиналь­ной мощности, частоты вращения, а также номинального тока и мак­симального вращающего момента (при номинальном напряжении) двигателей приведены в табл. 2.6.

Максимальный враща­ющий момент двигателей при номинальном напряжении и ПВ = 100 % практически не меняется при переходе на другие значения ПВ, поскольку для последователь­ного возбуждения макси­мальный вращающий момент ограничивается в основном коммутационной способно­стью двигателей, а для параллельного возбуждения при длительном включении катушек возбуждения нагрев их и, следовательно, МДС мало зависят от прочих по­терь в двигателе. Усреднен­ная зависимость между мощностью двигателей в режиме 60 мин и повторно-кратковремен­ных режимах при различных ПВ показана на рис. 2.2.

Двигатели выполняют с двумя концами вала, каждый из кото­рых может быть использован как приводной, или с одним концом вала, расположенным со стороны, противоположной коллектору.

Обмотки параллельного возбуждения (при параллельном и смешанном возбуждении) рассчитаны на продолжительную работу, т. с. могут не отключаться во время остановки двигателя. Обмотки параллельного возбуждения двигателей состоят из двух групп, рассчитанных для включения на напряжение 220 или 110 В. При включении на 220 В группы соединяют последовательно, на 110 В — параллельно, на 440 В — последовательно включенные группы обмоток получают питание через добавочные резисторы.

Двигатели рассчитаны на регулирование частоты вращения путем ослабления магнитного потока или повышения напряжения на якоре. В двигателях с параллельным возбуждением и стабили­зирующей обмоткой допускается увеличение номинальной частоты вращения в 2 раза (тихоходных со стабилизирующей обмоткой — в 2,5 раза) путем уменьшения тока возбуждения во всех обмотках или только в одной группе. При увеличенной частоте вращения, максимальный вращающий момент не должен превышать 0,8 номинального для двигателей на 220 В и 0,64 — для двигателей на 440 В.

Способ увеличения частоты вращения путем уменьшения тока возбуждения в одной группе по сравнению с уменьшением тока возбуждения в обеих группах обмоток дает более стабильную форму механической, характери­стики, но применим только для двигателей, имеющих волновую обмотку якоря.

Тихоходные и быстроходные двигатели на 220 В с параллельным возбуждением и параллельным возбуждением со стабилизиру­ющей обмоткой допускают увели­чение номинальной частоты враще­ния в 2 раза путем повышения приложенного напряжения. При увеличенной частоте вращения и полном возбуждении максималь­ный вращающий момент не дол­жен превышать 1,5 номинального.

На рис. 2.3 показана обоб­щенная зависимость допустимой перегрузки по току (по отношению к номинальной силе тока при ПВ = 40 %) от приложенного напряжения для двигателей на напряжение 220 и 440 В с учетом некоторого запаса в коммута­ционном отношении, необходимого для реализации максимальных моментов. Двигатели с параллельным возбуждением и параллель­ным возбуждением со стабилизирующей обмоткой допускают такое увеличение номинальной частоты вращения частично путем умень­шения тока возбуждения и частично путем повышения напряжения.

Двигатели всех систем возбуждения допускают в двигательном и генераторном режимах увеличение частоты вращения до максимальной. Сила тока при этом не должна превышать 0,7 номиналь­ного значения для тихоходных двигателей и 1,2 номинального — для быстроходных.

Основные размеры двигателей, значения маховых моментов н массы приведены в табл. 2.7 и на рис. 2.4.

Срок службы двигателей серии Д — 20 лет.