Полная намагничивающая сила и магнитная характеристика машины

Сложив вычисленные н. с. участков магнитной цепи, получим н. с. машины на один полюс:

Если повторить расчет F_B для ряда значений основного потока Ф₆, то можно построить (рис. 2-11, кривая 1) зависимости Ф₆ = f (F_B) или Ф₆ = / (/_в), которые отличаются только масштабом по оси абсцисс. Такие зависимости называются кривыми намагничивания или магнитными характеристиками машины.

Начальная, прямолинейная, часть магнитной характеристики соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи, когда н. с. ферромагнитных участков этой цепи весьма малы по сравнению с F₆. Поэтому, если провести касательную 2 к начальной части кривой 1 рис. 2-11, то она представит собой зависимость Ф₆ = / (F₆). Разность абсцисс кривой / и прямой 2 равна сумме н. с. ферромагнитных участков магнитной цепи.

Степень насыщения магнитной цепи характеризуется коэффициентом насыщения

который можно определить также по магнитной характеристике машины (рис. 2-11):

Рис. 2-11. Магнитная характеристика машины

Строить машину с ненасыщенной магнитной цепью невыгодно, так как при этом материалы будут недоиспользованы и машина

получится тяжелой. Нецелесообразно также строить машину с чрезвычайно насыщенной магнитной цепью, так как в этом случае F_B велико и необходимо выполнить мощную обмотку возбуждения с большим расходом меди или алюминия и с большими потерями мощности на возбуждение. По этим причинам электрические машины изготовляются с умеренным насыще-нием при номинальном режиме. При этом рабочая точка лежит несколько выше колена магнитной характеристики (около точки С на рис. 2-11). Обычно при номинальном магнитном потоке k_vl — 1, 20-н 1, 35, а в некоторых случаях /г_й = 1, 7 -г- 2, 0. При проектировании машины сечения участков магнитной цепи выбираются обычно таким образом, чтобы при номинальном режиме значения индукции находились в пределах, указанных Таблица 2-1 В табл. 2-1. В последнее Значения индукции в машинах время для изготовления по- постоянного тока люсов применяется также хо-лоднокатная электротехническая сталь. При этом в полюсах допускается В_т = = 1, 8 тл. Плотность тока в медной обмотке возбуждения обычно находится в пределах 2, 0—3, 5 а/мм², а в алюминиевых об, мотках примерно на 20% меньше.

Для ориентировки во встречающихся соотношениях приведем- сводные значения данных расчета магнитной цепи двигателя постоянного тока на 14 кет, 220 в, 1000 об/мин, имеющего геометрические размеры: D_a — 24, 5 см; 1_а = 12, 5 см; б = 0, 22 см. Для этого двигателя при

	Значения
Участки магнитной цепи	индук-
	ции, тл
Сердечник якоря	1, 0-1, 5
Зубцы якоря в наименьшем	1, 8-2, 5
сечении
Полюс	1, 2-1, 6
Ярмо станины:
а) стальное литье и сталь-	1, 1-1, 2
ной прокат
б) чугунное литье	0, 5—0, 7
Воздушный зазор	0, 5-1, 0

Таблица 2-1

Значения индукции в машинах постоянного тока

номинальном потоке н. с. на один полюс равны: F₈ = 1720 а, F_z = 350 a, F_a = 35 a, F_m = ПО a, F, = 230 а и F_B = 2445 а. При этом йц = 1, 42.

Отметим, что иногда расчет магнитной цепи ведут на два полюса.

Глава третья ЯКОРНЫЕ ОБМОТКИ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Общие сведения о якорных обмотках машин постоянного тока

Устройство обмоток

Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и должна удовлетворять следующим требованиям:

1) обмотка должна быть рассчитана на заданные величины напряжения и тока нагрузки, соответствующие номинальной мощности;

2) обмотка должна иметь необходимую электрическую, механическую и термическую прочность, обеспечивающую достаточно продолжительный срок службы машины (до 15—20 лет);

3) конструкция обмотки должна обеспечить удовлетворительные условия токосъема с коллектора, без вредного искрения;

4) расход материала при заданных эксплуатационных показателях (к. п. д. и др.) должен быть минимальным;

5) технология изготовления обмотки должна быть по возможности простой.

В современных машинах постоянного тока якорная обмотка укладывается в пазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки называются барабанными. Обмотки якорей подразделяются на петлевые и волновые. Существуют также обмотки, которые представляют собой сочетание этих двух обмоток.

Основным элементом каждой обмотки якоря является секция, которая состоит из одного или некоторого количества последовательно соединенных витков и присоединена своими концами к коллекторным пластинам (рис. 3-1, 3-2).

В обмотке обычно все секции имеют одинаковое количество витков. На схемах обмоток секции для простоты изображаются всегда одновитковыми.

Для удобного расположения выходящих из пазов лобовых частей (см. рис. 1-9) обмотки якоря выполняются двухслойными. При этом в каждом пазу секции располагаются в два слоя (рис. 3-3): одна сторона каждой секции — в верхнем слое одного паза, а другая — в нижнем слое другого паза. На схемах обмоток стороны секций, находящиеся в верхнем слое, будем изображать сплош-

Рис. 3-1. Одновитковая и двухвитковая секции петлевой обмотки

Рис. 3-2. Одновитковая и двухвитковая секции волновой обмотки

ными линиями, а стороны, расположенные в нижнем слое, — штриховыми линиями (рис. 3-4). Однослойные якорные обмотки по принципу устройства не отличаются от двухслойных и применяются только при Р_н < 0, 5 кет. Секции обмотки соединяются друг с другом в последовательную цепь (рис. 3-4) таким образом, что начало (н) последующей секции присоединяется вместе с концом (к) предыдущей секции к общей коллекторной пластине. Обмотки — петлевая и волновая — названы по внешнему очертанию контуров, образуемых последовательно соединенными секциями. Поскольку каждая секция имеет два конца и к каждой коллекторной пластине присоединены также два конца секций, то общее количество пластин коллектора К равно количеству секций обмотки S:

K = S. (3-1)

В простейшем случае в пазу находятся две секционные стороны: одна в верхнем и другая в нижнем слое. При этом число пазов якоря Z = S = К- Однако для уменьшения пульсаций выпрямленного тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрезмерно большого напряжения между соседними коллекторными пластинами число пластин должно быть достаточно большим. Обычно при U_a = ПО -i- 220 в

К/2р = 12 4-35.

Рис. 3-3. Укладка обмотки в пазу

1 — сторона секции верхнего слоя; 2 — сторона секции нижнего слоя

С другой стороны, изготовление якорей с большим числом пазов нецелесообразно, так как при этом пазы будут узкими, значительная часть их площади будет занята изоляцией секций от корпуса, для проводников останется мало места и в итоге получится проигрыш в мощности машины. Кроме того, большой расход изоляционных материалов и увеличение штамповочных работ вызовут удорожание машины, а мелкие зубцы будут непрочными.

Рис. 3-4. Соединение секций петлевой (а) и волновой (б) обмоток

По этим причинам обычно в каждом слое паза располагают рядом несколько (и_п = 2, 3, 4, 5) секционных сторон (на рис. 3-3 и_п = 2). При этом

К = 5 = u_nZ. (3-2)

В данном случае говорят, что в каждом реальном пазу имеется «„элементарных пазов, так что в каждом слое элементарного паза имеется одна секционная сторона. Очевидно, что общее число элементарных пазов якоря

Z₃ = u_nZ = S = K. (3-3)

Когда и_п> 1, либо все секции имеют равную ширину (рис. 3-5, а), либо же часть секций имеет меньшую, а часть — большую

ширину (рис. 3-5, б). В первом случае обмотка называется р а в -посекционной, а во втором — ступенчатой. При ступенчатой обмотке условия токосъема с коллектора улучшаются (см. § 6-6), однако эта обмотка сложнее и дороже и поэтому применяется реже, притом только в машинах большой мощности (Р_а ж 500 кет и выше).

В равносекционных обмотках и_п секций, стороны которых лежат рядом в общих пазах, объединяются в катушку (рис. 3-6) и имеют

Рис. 3-5. Укладка секций равносекционной (а) и ступенчатой (б) обмоток при и_п = 2

общую изоляцию от стенок паза. Одновитковые секции при больших токах изготовляются из стержней, концы которых на противоположной от коллектора стороне якоря запаиваются с помощью хомутиков после укладки в пазы. Стержни и_П секций объединяются в полукатушку (рис. 3-7). Секции ступенчатой обмотки являются всегда стержневыми.

Рис 3-6 Катушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

На рис. 3-8 приведены примеры выполнения изоляции пазовой части обмотки.

В машинах малой мощности, когда ток параллельной ветви не превышает 60—75 а, катушки изготовляются из круглых изолированных проводников. В этом случае пазы делают трапецевидными

Рис. 3-7. Полукатушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

(рис. 3-8, а), чтобы получить зубцы с неизменным по высоте сечением и тем самым избежать сильного насыщения корня зубца. Проводники катушки при этом опускаются в паз по одному через узкую щель открытия паза. Такие пазы называются полузакрытыми, и изоляция таких обмоток чаще всего выполняется класса А или Е. В случае применения проводников прямоугольного сечения паз также выполняется прямоугольным (рис. 3-8, б). Такие обмотки изготовляются с различными классами изоляции. При изоляции классов А и Е проводники обмотки могут также опускаться в паз по одном), и тогда ширина открытия паза равна примерно половине ширины паза. Такие пазы называются полуоткрытыми. При изоля-

ции классов В, F и Н заранее полностью изолированные катушки укладываются в полностью открытые пазы (рис. 3-8, б).

При D_a =s; 40 см и v_a ^ 35 м/сек обмотки в пазах укрепляются с помощью проволочных бандажей. Во всех остальных случаях

применяются клинья из твердых пород дерева (бук и др.), гетинакса, текстолита, стеклотекстолита и др.

Плотность тока в проводниках обмотки якоря при номинальной нагрузке находится в пределах 4—\0а/мм². Меньшая цифра относится к крупным машинам, большая — к малым.

Условия симметрии обмоток. В современных якорных обмотках соединенные последовательно друг с другом секции образуют замкнутую на себя цепь. Такую обмотку можно изобразить схематически в виде замкнутой спирали (рис. 3-9), по поверхности которой скользят щетки. В изображенном на рис. 3-9 простейшем случае обмотка имеет одну пару (а = 1) параллельных ветвей. В общем случае а = 1, 2, 3..., и тогда машину можно рассматривать состоящей из а параллельно работающих элементарных машин, каждая из которых имеет две параллельные ветви.

Для обеспечения наилучших условий работы машины необходимо, чтобы э. д. с. Е_а всех ветвей обмотки и их сопротивления были равны. В этом случае токи всех параллельных ветвей i_a также будут равны:

Рис. 3-8. Пазовая изоляция класса А: а — полузакрытый паз

/ — клин гетинаксовый; 2 — изолированные проводники, 3 — прокладка из стеклолакоткани 0, 18 мм; 4 — прокладка из электрокартона 0, 2 мм; 5 — стекло-лакоткань эскапоновая 0, 18 мм; 6 — электрокартон 0, 2 мм

б — открытый паз

/ — клин деревянный, 2 — прокладка из электрокартона; 3 — изолированный проводник; 4 — мика-лента или синтетическая лента 0, 13 мм; 5 — микафолий или синтетическая пленка 0, 15 мм; 6 — телефонная бумага; 7 — электрокартон 0, 2 мм; 8 — прокладка из электрокартона

Для удовлетворения этих условий необходимо, во-первых, чтобы магнитная цепь была симметричной по устройству и потоки всех полюсов были равны, во-вторых, чтобы все пары параллельных ветвей обмотки были эквивалентны, т. е. чтобы они располагались в магнитном поле идентичным образом. Обмотка, удовлетворяющая этим требованиям, называется симметричной.

При нарушении указанных требований разные ветви обмотки будут нагружаться различными по величине токами, что может

вызвать нарушение работы щеточных контактов, а кроме того, возрастут также потери в обмотке.

Чтобы обмотка была симметричной, на каждую пару параллельных ветвей должно приходиться одинаковое целое число (ц. ч.) секций и коллекторных пластин:

Рис. 3-9. Цепь простейшей якорной обмотки

Для симметричного расположения параллельных ветвей в магнитном поле необходимо, чтобы

Соотношения (3-5), (3-6) и (3-7) представляют собой условия симметрии обмоток, и последние проектируются с их учетом. Однако в отдельных случаях допускаются определенные, не слишком большие отступления от этих требований, не вызывающие заметного ухудшения условий работы машины.

§ 3-2. Э. д. с. секций

Шаг секции. В дальнейшем будем представлять себе, что якорь разрезан по осевой плоскости и выпрямлен так, что пазы и обмотка якоря лежат в одной плоскости. Кроме того, будем предполагать, что такой развернутый якорь будет двигаться относительно неподвижных полюсов справа налево (рис. 3-10, а), а полюсы находятся перед плоскостью чертежа. При этом э. д. с. в проводниках обмотки

будут направлены под северными полюсами вниз, а под южными вверх.

Индуктируемая в секции э. д. с. максимальна, если ширина секции (или первый частичный шаг обмотки г/_х) равна полюсному делению т, так как при этом максимальное потокосцепление секции определяется полным потоком полюса в воздушном зазоре (рис. 3-10). В данном случае при любом положении вращающегося якоря стороны секции находятся под разноименными полюсами и в них индуктируются э. д. с. противоположных направлений, которые по контуру секции складываются.

Тем не менее, обычно обмотка выполняется с ух, несколько отличающимся от т, так как при этом величина э. д. с. существенным образом не изменяется, а условия токосъема с коллектора улучшаются (см. § 6-6). При ух = т. шаг называется полным или диаметральным, при г/1> т — удлиненным, а при г/₁< т — укороченным. Выполнения обмоток с удлиненным шагом обычно избегают, так как за счет удлинения лобовых частей в петлевых обмотках несколько увеличивается расход меди.

Шаг секции может быть выражен в пазовых или зубцовых делениях:

у_и=~±г_г, (3-8)

Рис. 3-10.

где s_z < 1 представляет собой такую дробь, при которой y_lz будет целым числом. При е = 0 шаг является полным.

Шаг секции может быть определен также по элементарным пазам:

Очевидно, что при равносекционной обмотке у_г = u_ny_lz и е =

Звезда э. д. с. В секциях и во всей обмотке индуктируются переменные э. д. с. Как известно, синусоидальные э. д. с. могут быть изображены на векторных диаграммах в виде векторов. Для изучения свойств якорных обмоток машин постоянного тока также

Очевидно, что при равносекционной обмотке у_г = u_ny_lz и е =

Звезда э. д. с. В секциях и во всей обмотке индуктируются переменные э. д. с. Как известно, синусоидальные э. д. с. могут быть изображены на векторных диаграммах в виде векторов. Для изучения свойств якорных обмоток машин постоянного тока также

целесообразно пользоваться подобными векторными диаграммами. Однако при этом ввиду несинусоидальной формы э. д. с. проводников, витков и секций обмотки якорянеобходиморассматривать только основные гармоники этих э. д. с, т. е. первую гармонику кривой вида рис. 1-4, а.

В кривой поля под полюсами В_б (рис. 3-10, б) можно выделить первую, или основную, гармонику В^, период которой будет равен двойному полюсному делению 2т. Таким образом, в электромагнитном отношении дуга окружности машины, соответствующая 2т, равна 360 градусам, которые называются электрическими (360° эл.).

Рис. 3-11. Схема (а), звезда э. д. с. пазов и секций (б) и векторная диаграмма э д. с. (в) обмотки с Z = Z_b = 18, 2р = 4

Очевидно, что полная окружность якоря, или геометрический угол 360°, соответствует электрическому углу р -360° эл.

Различные пазы якоря располагаются относительно основной гармоники поля полюсов различным образом, и поэтому основные гармоники э. д. с. проводников различных пазов будут сдвинуты по фазе. Угол сдвига между э. д. с. проводников соседних пазов

направлена вертикально вверх, и тогда в момент времени, изображенный на рис. 3-11, а, э. д. с. проводников пазов 1 и 10 имеют максимальное положительное значение.

Звезда пазовых э. д. с. имеет Z векторов, но отдельные векторы могут совпадать по фазе, и число лучей поэтому может быть меньше Z, так как при построении звезды и обходе векторов э. д. с. всех пазов совершается р полных оборотов. Если, например, Zip = ц. ч., то и число лучей равно этой величине, и диаграмма состоит из р совпадающих или накладывающихся друг на друга звезд.

Э. д. с. проводников витка и проводников двух сторон секции сдвинуты на угол

и векторы проводников секции, находящейся в пазах /и 1 +4 = = 5, будут взаимно расположены так, как показано на рис. 3-11, в.

На рис. 3-11, б, а также на всех последующих рисунках с одним штрихом обозначены векторы сторон секций, лежащих в верхнем слое паза, а с двумя штрихами — векторы сторон в нижнем слое.

При построении звезды (рис. 3-11, б) для э. д. с. проводников всех пазов было принято одинаковое положительное направление (например, снизу вверх на рис. 3-10, а). Поэтому по контуру витка э..д. с. двух его составляющих проводников вычитаются, и для случая, показанного на рис. 3-11, б, э. д. с. витка Е_в равна разности векторов Г и 5". В другом масштабе вектор Е_в на рис. 3-11, в представляет собой также э. д. с. секции Е_с.

Будем присваивать секции номер того паза, в котором она лежит своей верхней стороной.

Очевидно, что векторы э. д. с. двух секций, лежащих своими сторонами в соседних пазах, сдвинуты относительно друг друга на такой же угол а, как и э. д. с. проводников двух соседних пазов. Поэтому звезда э. д. с. секций аналогична звезде пазовых э. д. с. на рис. 3-11, б.

Применение векторных диаграмм для анализа свойств обмоток будет рассмотрено ниже.

Зубцовые пульсации э. д. с. Зубчатое строение якоря

способствует пульсации э. д. с. секций и э. д. с. обмотки в целом.

Если ширина полюсного наконечника не кратна зубцовому делению t_x (рис.'3-12, а и б), то магнитное сопротивление воздушного зазора между полюсом и якорем при повороте последнего меняется.

Рис. 3-12. Продольные пульсации маг нитного потока

Рис. 3-13. Поперечные пульсации магнитного потока

Пазы

Рис. 3-14. Скос пазов относительно полюсного наконечника

В результате возникают пульсации величин магнитного потока полюсов с частотой

f_g = Zn

и как следствие пульсации э. д. с. с такой же частотой в обмотке. Во избежание этого выбирают Zip равным нечетному числу. При этом сумма магнитных сопротивлений воздушных зазоров под двумя соседними полюсами при повороте якоря изменяться не будет и пульсации магнитного потока исчезнут.

Пульсации потока рассмотренного вида называются продольными. Кроме них, при движении якоря возникают также попереч-

ные пульсации потока, выражающиеся в том, что ось магнитного потока полюсов в зазоре колеблется с частотой f_z около среднего положения (рис. 3-13, а и б). Вследствие этого потокосцепление обмотки и ее э. д. с. пульсируют с такой же частотой.

Эффективной мерой против влияния поперечных пульсаций потока является скос пазов относительно полюсного наконечника (рис. 3-14) или скос полюсного наконечника относительно оси машины при нескошенных пазах на якоре. Скос пазов производится на 0, 5—1, 0 зубцового деления и применяется в машинах мощностью до 30—40 кет. При скосе пазов снижается также шум машины.

Простая петлевая обмотка

Шаги обмотки. На рис. 3-15 представлены два возможных варианта последовательного соединения секций простой петлевой обмотки. Эту обмотку называют также параллельной. На рис. 3-15 показаны шаги у_ъ у₂, у рассматриваемой обмотки, которые будем определять по элементарным пазам. Первый частичный шаг^ вычисляется по формуле (3-9) и определяет расстояние по поверхности якоря между начальной и конечной сторонами секции. Второй частичный шаг обмотки у_г определяет расстояние между конечной стороной данной секции и начальной стороной последующей за ней по схеме обмотки секции. Направление движения по якорю и коллектору вправо будем считать положительным. Так как в петлевой обмотке движение при переходе от конечной

стороны предыдущей секции к начальной стороне последующей совершается влево, то шаг у₂ в петлевой обмотке будем считать отрицательным числом. Результирующий шаг обмотки

Рис. 3-15. Секции неперекрещен-ной (а) и перекрещенной (б) простой петлевой обмотки

определяет расстояние между начальными сторонами данной и последующей за ней секцией.

Коллекторным делением называется ширина коллекторной пластины плюс ширина одной изоляционной прокладки между пластинами. Шаг по коллектору у_к определяет расстояние в коллекторных делениях между серединами коллекторных пла-

стин, к которым присоединены концы данной секции или, что то же самое, начала данной и последующей за ней секций. Очевидно,

Соотношения (3-9), (3-12) и (3-13) применимы для всех типов обмоток.

Отличительным свойством простой петлевой обмотки является то, что для нее

Знак плюс соответствует случаю |г/₂|> #1> и такие обмотки называются неперекрещенными (рис. 3-15, а). Знак ми-

Рис. 3-16. Таблица соединений секционных сторон простой петлевой обмотки, изображенной на рис. 3-17

нус соответствует случаю \у₂\> Уъ ^и такие обмотки называются перекрещенными (рис. 3-15, б). Во втором случае расход меди несколько больше, и поэтому выполнения таких петлевых обмоток избегают. В электромагнитном отношении эти обмотки равноценны и различаются только тем, что при той же полярности полюсов и том же направлении вращения полярности щеток противоположны.

Схема и основные свойства обмотки. Рассмотрим симметричную простую петлевую обмотку с данными:

Будем присваивать секционным сторонам номера тех элементарных пазов, в которых они лежат. Тогда по известным значениям шагов можно составить таблицу соединений секционных сторон обмотки (рис. 3-16), исходя из определенного элементарного паза и прибавляя к номеру этого паза значение первого частичного шага, значение второго шага, затем опять первого и т. д. Номера верхних сторон секций, изображенных сплошными линиями, про-

ставлены в таблице на рис. 3-16 сверху, а номера нижних сторон секций, изображенных штриховыми линиями, — снизу. От нижней секционной стороны 4" (справа на рис. 3-16) по ходу обмотки вернемся опять к верхней стороне /', так как 4 + у_г = 4 — 3 = 1. Таким образом, обмотка является замкнутой.

По известным шагам или таблице соединений секционных сторон можно начертить также схему обмотки (рис. 3-17).

На рис. 3-17 проставлены номера элементарных пазов. Условимся, как это сделано на рис. 3-17, присваивать коллекторной

Рис. 3-17. Схема простой петлевой обмотки с 2р = 4, Z — 2_Э — S = К = 18, У\ = 4, у₂ = — 3, у = у_к = +1

пластине номер той секции, с началом которой соединена эта пластина.

Линия на поверхности якоря, проходящая в осевом направлении посередине между двумя соседними полюсами, называется линией геометрической нейтрали или геометрической нейтралью, так как вдоль этой линии магнитная индукция В = 0.

При вращении якоря некоторая часть секций, выделенных на рис. 3-17 жирными линиями, оказывается неизбежно замкнутой накоротко через щетки. Чтобы индуктируемые в этих секциях э. д. с. были минимальны и в секциях не возникало чрезмерных токов, которые вызовут перегрузку щеточных контактов, такие короткозамкнутые секции должны находиться на линии геометрической нейтрали или в ближайшей от этой линии нейтральной зоне. Для этого щетки устанавливаются так, чтобы в середине периода короткого замыкания стороны секции располагались симметрично

относительно середины полюса. Тогда говорят, что щетки установлены на нейтрали. При симметричной форме лобовых частей секций щетки расположены по осям полюсов (рис. 3-17).

Совершим обход цепи обмотки (рис. 3-17) слева направо, начиная с секции 2. Проходя последовательно, начиная от щетки 51, секции 2, 3, 4 а 5, мы мысленно движемся по направлению индуктируемых э. д. с. и выходим к щетке А1. Следовательно, эти секции составляют одну параллельную ветвь, э. д. с. которой равна сумме э. д. с. этих секций. Проходя затем от щетки А1 к щетке В2 по контуру секций 6, 7, 8, 9, мы обойдем вторую параллельную ветвь, двигаясь против направления индуктируемых э. д. с. Секция 10 замкнута накоротко. Секции 11, 12, 13 и 14, расположенные между щетками В2 и А2, составляют третью ветвь, а секции 15, 16, 17 и 18, расположенные между щетками А2 и В1, — четвертую ветвь. Обход этой последней ветви также совершается против направления э. д. с., причем после нее мы приходим к пластине /. Секция / также замкнута накоротко. Через каждую щетку простой петлевой обмотки протекают токи двух параллельных ветвей.

Верхние стороны секций каждой параллельной ветви находятся под одним полюсом, а нижние — под другим. На рис. 3-16 коротко-замкнутые секции обведены штриховыми прямоугольниками.

Таким образом, обмотка на рис. 3-17 имеет четыре параллельные ветви, а в общем случае простая петлевая обмотка содержит

параллельных ветвей, что является характерной особенностью этой обмотки. Очевидно, что условия симметрии (3-5), (3-6) и (3-7) для обмотки, изображенной на рис. 3-17, удовлетворяются.

Если машина работает в режиме генератора, стрелки на рис. 3-17 указывают также направление токов в обмотке. При этом полный ток якоря /„ тоже распределяется по четырем ветвям. В соответствии с изложенным цепь обмотки (рис. 3-17) можно изобразить упрощенно, как показано на рис. 3-18, где ветви обмотки и распределение тока выглядят более наглядно.

На основании рассмотрения рис. 3-17 можно установить также следующее. Если обмотка имеет полный шаг и щетки установлены на нейтрали, то э. д. с. ветви будет наибольшей. Кроме того, при этом направлении токов всех проводников, лежащих под одним полюсом, будут одинаковы, и поэтому развиваемый электромагнитный момент будет максимальным. Следовательно, такое устройство обмотки и такое расположение щеток являются наиболее выгодными. Небольшое отклонение шага у_г от полного не оказывает заметного влияния на величину э. д. с. и вращающего момента, так к#к изме-

нение направлений э. д. с. и токов при этом происходит только в таких проводниках параллельной ветви, которые располагаются вблизи нейтрали, т. е. в зоне слабого магнитного поля.

Расположение параллел-ьных ветвей в пространстве относительно неподвижных полюсов определяется положением щеток и также неизменно. При вращении якоря секции переходят попеременно из одной ветви в другую, причем во время такого перехода секция замыкается накоротко щеткой и в ней происходит изменение направления тока, например, от значения +i_a до значения —t_a. Это явление называется коммутацией секции. Явления в короткозамкнутой секции влияют, как уже указывалось, на величину токов в щеточном контакте и на работу щеток. Совокупность явлений, связанных с замыканием секций накоротко щетками, переходом этих секций из одних параллельных ветвей обмотки в другие и передачей тока через скользящий контакт между коллектором и щеткой, называется коммутацией машины. Подробно вопросы коммутации рассматриваются в гл. 6.

Векторная диаграмма э. д. с. обмотки. Пользуясь

рассмотренной в § 3-2 звездой э. д. с. секций, можно построить векторную диаграмму э. д. с. обмотки, складывая векторы э. д. с. секций в той последовательности, в какой секции расположены по контуру обмотки.

Такая диаграмма вместе со звездой э. д. с. секций для обмотки, показанной на рис, 3-17, изображена на рис. 3-19. Поскольку векторы э. д. с. соседних секций при Z = 18 и 2р = 4 сдвинуты на 40° (см. § 3-2), то после построения векторов девяти секций происходит поворот на 9 -40° = 360° и многоугольник э. д. с. замыкается. После обхода остальных девяти секций получается второй многоугольник, накладывающийся на первый.

Каждый многоугольник э. д. с. соответствует одной паре параллельных ветвей. В общем случае при простой петлевой обмотке получается р многоугольников, которые при полной идентичности всех пар параллельных ветвей накладываются друг на друга, что свидетельствует о симметрии обмотки.

Рис 3-18 Упрощенное представление цепи обмотки, показанной на рис. 3-17

Начала векторов /, 2, 3 ... на рис. 3-19 представляют собой потенциалы начал секций 1, 2, 3 ..., а также потенциалы коллекторных пластин /, 2, 3... Совпадение концов и начал векторов обоих многоугольников на рис. 3-19 указывает на наличие в обмотке равнопотенциальных точек. Например, равные потенциалы имеют коллекторные пластины 1 и 10, 2 и 11 и т. д., т. е.

вообще пластины, удаленные друг

от друга на

Рис. 3-19. Векторная диаграмма

э. д. с. обмотки, показанной на

рис. 3-17

коллекторных делений. Такой вывод для симметричной обмотки вполне естествен, так как стороны секций, сдвинутых на у_П элементарных пазов, находятся под полюсами одинаковой полярности, в одинаковом магнитном поле. Величина у_п называется потенциальным шагом.

На диаграмме э. д. с. можно показать условно также щетки, как это сделано на рис. 3-19 для положения обмотки относительно щеток согласно рис. 3-17. Многоугольник э. д. с. надо представлять себе вращающимся, и сумма проекций векторов одной ветви или одной половины многоугольника на вертикальную ось щеток будет равна э. д. с. ветви и обмотки в целом. Величина этой э. д. с. пульсирует ' между значениями, которые соответствуют длинам двух штрих-пунктирных линий на рис. 3-19. Можно показать, что уже при К12р = 10 эти пульсации составляют менее 1 %. В действительности эти пульсации еще меньше вследствие того, что вблизи геометрической нейтрали индукция поля полюсов значительно меньше его основной гармоники.

Уравнительные соединения. В идеальных условиях, когда обмотка симметрична и потоки всех полюсов равны, э. д. с. всех ветвей также равны и ветви загружаются токами равномерно. Однако в действительности из-за производственных и иных отклонений (неодинаковая величина воздушного зазора под разными полюсами, неоднородность материалов сердечников и т. п.) потоки отдельных полюсов не будут в точности равны. При этом э. д. с. ветвей простой петлевой обмотки также не будут равны, так как

ветви сдвинуты относительно друг друга на одно полюсное деле-' ние (рис. 3-17).

Предположим, что на рис. 3-18 э. д. с. нижних ветвей больше, чем э. д. с. верхних ветвей. При этом уже при холостом ходе генератора, когда I_a = i_a = 0, внутри обмотки будут циркулировать уравнительные токи i_yp, которые замыкаются через щетки одинаковой полярности и соединительные провода или шины между ними. Так как внутреннее сопротивление обмотки мало, то эти токи могут быть значительными уже при небольшой разнице в потоках отдельных полюсов. При работе машины токи нагрузки щеток 2/„ будут алгебраически складываться с токами 2/_Ур, в результате чего щетки В1, В2 окажутся перегруженными, а щетки А1, А2 — недогруженными. Правильная работа щеток при этом может нарушиться. Еще более серьезное влияние на условия работы щеток оказывает нарушение баланса э. д. с. в короткозамкнутых секциях, вызванное уравнительными токами (см. § 6-6).

Для того чтобы разгрузить щетки от уравнительных токов и дать этим токам возможность замыкаться внутри самой обмотки, обмотка снабжается уравнительными соединениями, или уравнителями. Уравнители соединяют внутри обмотки точки, которые теоретически имеют равные потенциалы.

Как было установлено выше, эти точки сдвинуты на пару полюсов или при 2р = 4 на половину окружности якоря или коллектора. Одно уравнительное соединение показано на рис. 3-18 штриховой линией абпо вертикальному диаметру. Так как сопротивление щеточных контактов значительно больше сопротивления уравнительного провода, то токи t_yp замыкаются по этому проводу, минуя щетки, как показано на рис. 3-18. Такие соединения, применяемые в простых петлевых обмотках, называются уравнителями первого рода.

На векторных диаграммах при наличии равнопотенциальных точек концы или начала векторов соответствующих секций совпадают.

Уравнители выполняются либо на стороне коллектора (и тогда они соединяют пластины с равными потенциалами), либо на противоположной от коллектора стороне (и тогда они соединяют равно-потенциальные точки лобовых частей секций). Шаг уравнителей г/ур равен потенциальному шагу обмотки у_п:

При равенстве потоков полюсов токи в уравнителях не возникают. На рис. 3-17 штриховыми линиями показаны два уравнителя первого рода.

Для достижения надлежащего эффекта при всех положениях вращающегося якоря обмотку нужно снабдить достаточным количеством уравнителей. Из рассмотрения многоугольника э. д. с.

(рис. 3-19) видно, что максимальное число возможных уравнителей первого рода на одной стороне якоря равно Kip, причем каждый из них соединяет р точек равного потенциала. Полным количеством уравнителей снабжаются только крупные машины с тяжелыми условиями коммутации тока. В остальных случаях выполняют от ¹/_а до V_e всех возможных уравнителей или один уравнитель на один-два паза машины. При этом их размещают равномерно по окружности якоря. Сечение уравнителей берут равным 20—50% сечения витка обмотки якоря. На рис. 3-20

показан один из вариантов конструктивного выполнения уравнителей.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: