Машины постоянного тока. Обмотки якорей машин постоянного тока.

Электрические машины › Электрические машины постоянного тока

Элементом обмотки якоря является секция, которая своими концами присоединена к двум пластинам коллектора. Секции могут быть одновитковыми и многовитковыми. Пазовые стороны секций расположены в пазах сердечника якоря. Расстояние между пазовыми сторонами секции приблизитеьно равно полюсному делению.

где Da — диаметр сердечника якоря.

Обычно обмотки якоря выполняют двухслойными. В зависимости от порядка присоединения секций к пластинам коллектора обмотки разделяют на волновые и петлевые, простые, сложные и комбинированные.

Простая волновая обмотка

В простой волновой обмотке концы каждой секции присоединены к пластинам коллектора, находящимся на расстоянии, называемом шагом обмотки по коллектору,

где К — число коллекторных пластин в коллекторе.

На рис. 13.5 показана схема простой волновой обмотки якоря. Секции обмотки образуют две параллельные ветви (2а = 2). Число параллельных ветвей в обмотке и число секций в каждой ветви определяют ток Iа и ЭДС Еа обмотки якоря:

где S — количество секций в обмотке якоря; ес — ЭДС одной секции; Iс — допустимое значение тока в секции.

4.7. Обмотки якорей машин постоянного тока

4.7.1. Особенности конструктивного выполнения обмоток якоря

Обмотки якорей машин постоянного тока двухслойные, в машинах мощностью до 30 — 40кВт выполняются из круглого провода, в машинах большей мощности или специального назначения — из прямоугольного обмоточного провода. Основным элементом обмотки является секция, которая состоит из одного или нескольких витков. Обмотку с одновитковыми секциями называют стержневой. Выводные концы каждой секции соединены с коллекторными пластинами. Так как каждая пластина коллектора соединяется с началом одной и концом второй секции, то число коллекторных пластин К

равно числу секций
S
в обмотке якоря.

Несколько секций, пазовые стороны которых размещены в одном слое паза и имеют общую корпусную изоляцию, образуют катушку обмотки. Катушка имеет столько пар выводных концов, из скольких секций она состоит. Примеры заполнения пазов якоря проводниками (секционными сторонами) и изоляцией обмоток из круглого и прямоугольного/проводов приведены на рис. 4.25.

Обмотки якорей могут быть петлевыми или волновыми, простыми или сложными.

В)

Рис. 4.25. Примеры заполнения пазов якорей машин постоянного тока проводниками

обмотки и изоляцией:

а

— полуовальный полузакрытый паз, обмотка из круглого провода; б — прямоугольный открытый паз, обмотка из прямоугольного провода (нп = 3,
ws
= 2);
в —
прямоугольный открытый паз, стержневая обмотка
(ип =
3,
ws=
1); / — корпусная изоляция;
2
— проводники обмотки;
3 —
прокладка между слоями;
4
— прокладка под клин; 5 — пазовый клин,
б —
проволочный бандаж; 7 — прокладка под бандаж;

8 —

прокладка на дно паза

Рис. 4.26. Обозначения шагов обмоток якоря:

а

— петлевой;
б —
волновой

Они характеризуются двумя частичными шагами, шагом по коллектору и по пазам (рис. 4.26). Частичные шаги (первый yv

второй
уг
и результирующий
у)
измеряются в так называемых элементарных пазах и не имеют эквивалента в линейных размерах. Под элементарным понимают условный паз, в котором расположено по одной секционной стороне в каждом слое. Отсюда число элементарных пазов якоря z3 =
S
=
К = zun,
где
ип —
число секций в катушке якоря. Шаг по коллектору
ук
измеряется числом коллекторных делений и определяет расстояние между началом и концом секции по окружности коллектора. Расстояние между сторонами катушки в пазовых делениях якоря определяет шаг обмотки по пазам
уг.
Шаг по пазам и первый частичный шаг связаны соотношением уг

=
у\/иш.
В большинстве обмоток у!
/и„
— целое число. При этом обмотка равносекционная. Если
yt /и„
не целое число, то обмотка ступенчатая. Ступенчатых обмоток по возможности избегают из-за технологических трудностей их выполнения.

4.7.2. Петлевые обмотки якоря

В

простых петлевых обмотках
у
=
ук = = ±
1 и
У = У1—У2-
Большее распространение получили обмотки с у, = + 1 (рис. 4.27),

так как при ук = —

1 лобовые части секций несколько удлиняются и возникает дополнительное перекрещивание в лобовых частях обмотки. Первый частичный шаг петлевой обмотки близок к полюсному делению:
у1 = = z3/2p ± %,,
где
\ —
дробь, при которой
у1 —
целое число. Величина
£,
характеризует укорочение (удлинение) шага
yt
по сравнению с полюсным делением. Обмотки с укороченными шагами более употребительны.

Петлевая обмотка требует установки щеток через каждое полюсное деление, т. е. на 2р щеточных болтах. При этом в обмотке образуется 2р параллельных ветвей. Таким образом, в простой петлевой обмотке число параллельных ветвей всегда равно числу полюсов, т. е. 2а

=
2р.
Несимметрия ЭДС и сопротивлений параллельных ветвей вызывает возможность возникновения уравнительных токов, перегружающих щеточные контакты и ухудшающих коммутацию. Поэтому в якорях с петлевой обмоткой машин с
2р>2
обязательно устанавливают уравнительные соединения первого рода.

На рис. 4.27 условно показаны только два уравнительных соединения. На якорях машин обычно устанавливают по нескольку соединений на каждую пару полюсов либо по одному соединению на каждый паз якоря. В машинах большой мощности с затрудненной коммутацией каждая секция обмотки якоря соединяется уравнительным соединением. Конструктивно уравнительные соединения располагаются под лобовыми частями обмотки якоря со стороны коллектора или со стороны, противоположной коллектору (рис. 4.28). Установка уравнительных соединений приводит к усложнению технологического процесса изготовления и удорожанию машины, поэтому петлевую обмотку применяют лишь в тех машинах, в которых не может быть выполнена простая волновая обмотка.

В машинах с большими номинальными токами якоря для увеличения числа параллельных ветвей выполняют сложную петлевую обмотку. Число параллельных ветвей в сложной петлевой обмотке 2а

= 2pm, и шаг по коллектору
ук — т,
где
т
— число ходов обмотки.

В зависимости от отношения К/т

сложная петлевая обмотка может быть однократно или m-кратко замкнута.

В сложных петлевых обмотках необходима установка уравнительных соединений не только первого, но и второго рода, соединяющих точки теоретически равного потенциала, принадлежащие разным простым обмоткам, объединенным в сложную.

Рис. 4.27. Схема простой петлевой обмотки якоря, z=

14,
К
=42,
иа =
3

Рис. 4.28. Примеры конструктивного выполнения уравнительных соединений первого рода:

а

— вилочные со стороны коллектора;
б —
вилочные со стороны, противоположной коллектору;
в —
кольцевые; г

— эвольвентные; / — пластины коллектора;
2 —
бандаж уравнительных соединений;
3
—

уравнительные соединения; 4 —

лобовые части обмотки якоря; 5 — обмоткодержатель

ii |i li |i h |i I! |i |i ii |i |i |i |i i li Ii Ii Ii Ii Ii Ii Ii Ii Ii Ii Ii Ii Ii Ii Ii Ii

/ 2 3 H 5 6 7 S 9 10 tl 12 IS 14 IS 16 17 18 19 20

19\20\1 \2\3\q\S\6\7 \в\9\10\11\12\13\Щ15\16\17\16

Рис. 4.29. Схема двухходовой петлевой обмотки якоря при Kip,

равном четному числу (к = 20, 2р = 4), с уравнительными соединениями

В двухкратнозамкнутых двухходовых (т = 2) петлевых обмотках при К/р,

равном четному числу, точки теоретически равного потенциала располагаются с разных сторон якоря. На упрощенной схеме такой обмотки (рис. 4.29) уравнительные соединения второго рода показаны слева от схемы. В таких машинах уравнительные соединения второго рода необходимо пропускать под магнито-провод якоря вдоль вала или через втулку (рис. 4.30).

При К/р,

равном нечетному числу, в двухходовых двукратнозамкнутых пет-

12 J

Рис. 4.30. Расположение уравнительных соединений второго рода на якоре: 1

— коллектор;
2
— уравнительные соединения первого рода;
3 —
обмотка якоря;
4
— магнитопро-вод якоря;
5
— уравнительные соединения второго рода

левых обмотках уравнительные соединения первого рода одновременно выполняют роль и уравнительных соединений второго рода, так как они соединяют секции разных простых обмоток (рис. 4.31). На приведенном рисунке две секции, соединенные уравнительными соединениями, выделены утолщенными линиями. То же самое относится к двухходовым однократнозамкнутым петлевым обмоткам, так как в них всегда К/р

равно целому числу.

4.7.3. Волновые обмотки якоря

В

машинах с номинальным током якоря не более 500—600 А большее распространение получили волновые обмотки (рис. 4.32). В простых волновых обмотках
у = у^+уг
и
2а = 2
независимо от числа полюсов машины. Достоинствами простых волновых обмоток являются отсутствие уравнительных соединений и возможность эксплуатации машины при неполном числе щеточных болтов. Последняя особенность обмотки используется например, в ряде тяговых двигателей в связи с ограниченным пространством для размещения полного комплекта (2р) щеточных болтов.

18

|
1
|
2
| 3 | 4
\S
| 6- | 7 |
8 \ 9
| ?g|
11
| /^ 173
\14 \i5\16\n
Рис. 4.31. Схема двухходовой петлевой обмотки якоря при К/р,

равном нечетному числу,

с уравнительными соединениями

Рис. 4.32. Схема простой волновой обмотки якоря, z = 17, К=

51,
и„
= 3

Рис. 4.33. Схемы волновых несимметричных обмоток якорей:

а-обмотка с «мертвой» секцией, г = 18, К=П,

2/> = 4; б — искусственно замкнутая обмотка, z=18,

*=18, 2р = 4

Шаг по коллектору простой волновой обмотки (рис. 4.32) равен ук = (К

+ 1)
/р
(при знаке «+» обмотка получается с перекрещивающимися лобовыми частями, поэтому знак «—» в формуле стоит как основной). Если
ук
не равен целому числу, то обмотка не может быть выполнена симметричной. В отдельных машинах, например в широко распространенных машинах с 2р = 4, при четном z или четном цп иногда выполняют несимметричную волновую обмотку с «мертвой» секцией (рис. 4.33, а). Коллектор такой

машины содержит на одну пластину меньше, чем число элементарных пазов или число всех секций в обмотке. При К >

100 несимметрия в таких машинах практически не сказывается.

При ук,

не равном целому числу, возможно также применение искусственно замкнутой волновой обмотки (рис. 4.33, б), в которой число секций на единицу больше чисел
z3
и
К.
Секция этой обмотки, для которой «нет места» в пазах якоря, вырождается в соединительный проводник, замыкающий ко-

Рис. 4.34. Схема и последовательность укладки двуххордовой обмотки якоря, г = 9, 2р = 2,

К=9:

а —схема обмотки;
б —
последовательность укладки витков в пазы якоря

нец последней секции с началом первой секции обмотки.

В машинах специальных назначений находят применение сложные волновые обмотки с т >

1. Для них
уу. = (К
+
т)/2р.
Число параллельных ветвей сложной волновой обмотки
2а ~ 2т.
В них так же как и в сложных петлевых обмотках, необходима установка уравнительных соединений второго рода.

В ряде машин средней мощности для снижения тока в параллельных ветвях и во избежание необходимости установки уравнительных соединений применяют комбинированную, так называемую лягушачью обмотку, катушки которой состоят из секций волновой и петлевой обмоток и с каждой пластиной коллектора соединены секции как петлевой, так и волновой обмотки.

Таким образом, в пазах якоря размещаются как бы две самостоятельные обмотки — волновая и петлевая. Число параллельных ветвей этих обмоток должно быть одинаковым, поэтому волновая обмотка должна быть сложной. Число параллельных ветвей лягушачьей обмотки в 2 раза больше, чем петлевой для данной машины.

Уравнительные соединения в комбинированных обмотках не требуются, так как секции волновой обмотки играют роль уравнительных соединений для петлевой обмотки, а секции петлевой — уравнительных соединений сложной волновой. Благодаря этому лягушачья обмотка нашла распространение несмотря на технологическую сложность изготовления ее катушек.

Укладка обычных двухслойных обмоток якорей не может быть механизирована из-за необходимости подъема шага на заключительной стадии этой операции. Поэтому в якорях, предназначенных для механизированной укладки, применяют несколько измененные схемы, например двуххордовую обмотку (рис. 4.34).

Содержание Предыдущий § Следующий

Простая петлевая обмотка

В машинах постоянного тока низкого напряжения (значительного тока) необходима обмотка якоря с большим числом параллельных ветвей. Таким свойством обладают петлевые обмотки. В простой петлевой обмотке якоря (рис. 13.7) каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам, а число параллельных ветвей равно числу полюсов, т.е. 2а = 2р.

Электрические машины

МОиН РФ

Омский государственный технический университет

Кафедра «Теоретическая и общая электротехника»

Конспект лекций

Электрические машины

ЛЕКЦИЯ: “ Виды якорных обмоток. ЭДС обмотки якоря. Электромагнитный момент.”

Омск 2005

1. Классификация обмоток

Обмотка якоря является важным элементом машины по­стоянного тока, в ней наводится ЭДС, через нее протекает ток нагрузки, ею определяются номинальные величины: на­пряжение, ток и мощность машины. Возможны различные выполнения этих обмоток.

Одной из разновидностей обмоток якоря является коль­цевая обмотка, примером которой может служить обмотка, показанная на рис. 40.1. У таких обмоток проводники, рас­положенные на внутренней поверхности сердечника якоря, не участвуют в создании ЭДС машины, что снижает ис­пользование обмоточного провода. Для того чтобы сделать эти проводники активными, их следует вынести на внеш­нюю поверхность якоря под полюс другой полярности. При таком размещении каждый виток обмотки будет состоять из проводников, расположенных под полюсами разной полярности, а ЭДС витка равна сумме ЭДС этих проводни­ков, т. е. будет в 2 раза больше, чем у кольцевой обмотки. Обмотки, у которых все проводники располагаются на внешней поверхности якоря, называются барабанными.

Рис. 1. Переход от кольце­вой обмотки к барабанной

Современные машины по­стоянного тока на якоре имеют барабанные обмотки. Обмотки состоят из секций, которые укладывают в па­зы якоря в два слоя: одну сторону секции укладывают в верхнем слое одного паза, а другую — в нижнем слое другого паза. Если в каждом слое паза расположено по одной стороне секции, то та­кой паз называется элемен­тарным (рис. 2). В реаль­ных машинах чаще всего в каждом слое располагают не одну, а u

П секционных сто­рон, где
u
П=2, 3, 4… Такой реальный паз будем считать состоящим из
u
П элементарных. Например, на рис. 3 реальный паз состоит из
u
П= 3 элементарных пазов. Перед укладкой в паз
u
П секций по­крывают общей изоляцией, в результате образуется катуш­ка якорной обмотки.

Секции в обмотке соединяют между собой в определен­ной последовательности. В зависимости от этого обмотки машин постоянного тока подразделяют на петлевые, волновые и комбинированные. Петлевые и вол­новые обмотки в свою очередь подразделяются на про­стые и сложные (многоходовые). От типа обмот­ки будет зависеть число ее параллельных ветвей, что опре­деляет область ее применения.

Последовательность соединения секций между собой и с коллекторными пластинами задается обмоточными шагами. Для этого необходимо иметь следующие шаги (рис. 4):

у1

— первый частичный шаг, равный расстоянию между сторонами секции. Этот шаг определяет ширину секции. Сторону секции, лежащую в верхней части паза, называют начальной стороной, а другую сторону, лежащую в нижней части соответствующего паза, — конечной;

y

2 — второй частичный шаг, равный расстоянию между конечной стороной данной секции и начальной стороной последующей секции, с которой она должна быть соеди­нена;

у

— результирующий шаг, равный расстоянию между началами следующих друг за другом по схеме соединения секциями;

y

K — шаг по коллектору, равный расстоянию между точками подсоединения проводников секции к коллектору.

Шаги обмотки измеряют в элементарных пазах, а шаг по коллектору — в коллекторных делениях.

Шаг y

1 выбирают таким образом, чтобы начало и конец секции располагались под полюсами разной полярности, т. е. чтобы ширина секции равнялась полюсному делению. Тогда при вращении якоря ЭДС, наводимые в сторонах секции, будут иметь противоположные направления, а в контуре секции они будут суммироваться. Шаг
y
1 должен быть равен целому числу, он определяется по формуле

где z

Э — число элементарных пазов;
р
— число пар полю­сов;
ε
— правильная дробь, при которой
у
1 равен целому числу (значение к может быть взято со знаком плюс и со знаком минус, чаще всего
ε
принимают со знаком минус, так как в этом случае уменьшается расход провода на об­мотку) .

Если целое число, то шаг обмотки на­зывают полным или диаметральным (τ

п — полюсное деление, выраженное в элементарных пазах). При обмотка будет иметь укороченный шаг. Для всех приме­няемых в машинах постоянного тока обмоток шаг
у
1 оп­ределяется по (1). Значения других шагов зависят от типа обмотки. Если, например, шаг
у
1=6, то это означает, что одна сторона секции лежит в первом элементарном пазу, а другая ее сторона — в седьмом. Число элементар­ных пазов zэ число секций
S
и число коллекторных плас­тин
К
в машинах постоянного тока связаны между собой определенными соотношениями. Так как каждая секция имеет две стороны и в элементарном пазу также размеща­ются две секционные стороны, а к коллекторной пластине подходят проводники от двух секционных сторон, то

Поскольку к каждой коллекторной пластине подсоеди­няются проводники от конца данной секции и от начала следующей по схеме обмотки секции, то можно считать, что y

K является расстоянием в коллекторных делениях между началами следующих друг за другом секций. Тог­да можно считать, что

При изображении обмоток принято пользоваться схе­мами-развертками. На развертке элементарные пазы на­носятся в виде двух линий: сплошной (верхняя секцион­ная сторона) и штриховой (нижняя секционная сторона). Для упрощения вычерчивания схемы обычно принимают, что секции состоят из одного витка (wS

=l).

Перейдем к конкретному рассмотрению различных об­моток. Чтобы не усложнять чертеж при построении схем-разверток обмоток, число элементарных пазов и секций будем принимать уменьшенным по сравнению с тем коли­чеством, которое обычно бывает в реальных машинах.

2. Простые петлевые обмотки

Петлевая обмотка получается, если последовательно соединять между собой рядом лежащие секции (рис. 4). Свое название обмотка получила вследствие того, что при последовательном соединении секций обмотки образуют форму петель.

Построим схему-развертку для петлевой обмотки при z

Э=18 и
2р
=4. Шаги обмотки будут иметь следующие значения;

Пронумеруем по порядку элементарные пазы и будем считать, что верхняя секционная сторона начала секции имеет номер паза, а нижняя сторона (конец секции) — но­мер паза со штрихом. Соединение проводников начнем с первого паза.

Последовательность соединения проводников обмотки можно представить в виде

На рис. 5 построена схема-развертка. Обмотку соединяют с коллектором. К каждой коллекторной пластине подходят два проводника: от конца одной секции и начала следующей по схеме соединения секций.

Рис. 5. Схема-развертка простой петлевой обмотки с zэ=S=K=18, 2р

=4

Условимся кол­лекторной пластине присваивать номер той секции, с нача­лом которой она соединена.

Для размещения щеток на коллекторе необходимо знать расположение полюсов. Наметим на рисунке конту­ры полюсов, для чего произвольно разобьем якорь на 2р равных частей (в данном случае на четыре). Линии раз­дела между частями примем за геометрические нейтрали (ГН). Тогда расстояние между соседними нейтралями бу­дет равно полюсному делению τП

. В средней части этого деления на равном расстоянии от нейтралей размещают полюсы, которые обычно занимают (0,75—0,85)
τП
.

Пальцы со щетками на коллекторе размещают таким образом, чтобы щетки соприкасались с пластинами, к ко­торым подсоединены секции, расположенные вблизи от нейтралей. При симметричной форме лобовых частей щет­ки геометрически оказываются расположенными по оси полюсов. Однако и в этом случае говорят, что щетки ус­тановлены на геометрической нейтрали, понимая под этим, что они соприкасаются с секциями, расположенными в ней­трали или вблизи нее.

Число щеточных пальцев принимают равным числу по­люсов. Щеточные пальцы располагают на одинаковом рас­стоянии друг от друга. Как видно из рис. 5, некоторые щетки будут перекрывать две соседние коллекторные пла­стины и замыкать накоротко секцию, подсоединенную к этим пластинам. Такие секции называют короткозамкнутыми или коммутируемыми.

При вращении якоря в проводниках его обмотки будет наводиться ЭДС, направление которой показано на рис. 5 стрелками. ЭДС в проводниках, расположенных под соседними полюсами, имеет противоположное направ­ление вследствие разной полярности полюсов. В короткозамкнутых секциях ЭДС наводиться не будет, так как стороны этих секций лежат вблизи нейтралей, где индук­ция магнитного поля практически равна нулю. Если маши­на работает генератором, то направление тока в провод­никах совпадает с направлением ЭДС.

Как видно из рис. 5, ЭДС между соседними щетка­ми равна сумме ЭДС проводников, включенных между ними, а щетки имеют чередующуюся полярность. Щетки Одноименной полярности соединяют между собой, а к их общим точкам подключают сеть.

По отношению к выводам обмотку якоря разбивают на несколько параллельных ветвей, схема которых показа­на на рис. 6. Сопоставляя рис. 6 с рис. 5 обнару­живаем, что в каждую параллельную ветвь входят секции начала которых располагаются под одним и тем же полюсом.

Рис. 6. Схема параллельных ветвей обмотки, показанной на рис. 5

Поэтому в общем случае число параллельных ветвей обмотки 2а

(
а
— число пар параллельных ветвей) связано с числом полюсов 2р машины соотношением 2
а
=2
р
Это соотношение является характерной особенностью петлевых обмоток. В данном случае 2
р
=4, поэтому и 2
а
=4.

3. Сложные петлевые обмотки

Сложные петлевые обмотки применяются для увеличе­ния числа параллельных ветвей. Они представляют собой совокупность т простых обмоток, уложенных на одном и том же якоре. В этом случае 2а

=2
рm
. При образовании сложной петлевой обмотки последовательно соединяют не рядом лежащие секции, как это было в предыдущем слу­чае, а секции, отстоящие друг от друга на
m
элементар­ных пазов, т. е.
y
=m. Соответственно
yK
=m.

Частичные шаги обмотки равны:

Сложные обмотки, состоящие из m простых, называют m-ходовыми. Наибольшее практическое применение нахо­дят обмотки при т

=2 (
у
=2,
у
K=2). В этом случае, если
z
Э — четное число, сложная обмотка будет состоять из двух одинаковых независимых обмоток, одна из которых будет состоять из секций, начала которых будут распола­гаться в нечетных пазах, а другая —из секций, начала ко­торых располагаются в четных пазах. Такую обмотку называют сложной двухходовой двукратно замкнутой обмот­кой. Построим схему-развертку такой обмотки по следу­ющим данным:
z
Э=18,
2р
=4,
т
= 2. Шаги обмотки: Схема этой обмотки приведена на рис. 7.

Если число элементарных пазов будет нечетным чис­лом, то сложная обмотка будет двухходовой однократно-замкнутой.

Рис. 7. Схема-развертка сложной петлевой обмотки с zэ=S=
K=18
,
2p
=4

При ее выполнении в первом обходе якоря сое­диняют секции, начала которых лежат в нечетных пазах, а затем, не прерывая обмотки, выполняют второй обход якоря и соединяют секции, начала которых лежат в четных пазах. После второго обхода обмотку замыкают с исходной секцией. В общем случае, если zЭ

и
у
имеют общий наибольший делитель
q
, то обмотка
q
-кратно замкнутая. Если же zЭ и у — числа взаимно простые, то обмотка однократ-нозамкнутая.

4. Простые волновые обмотки

В волновых обмотках по­следовательно соединяют сек­ции, начала которых лежат под следующими друг за дру­гом одноименными полюсами (рис. 8). При таком сое­динении результирующий шаг примерно равен двум полюс­ным делениям. После р

ша­гов обмотка совершает волно­образный обход якоря, а что­бы при первом же обходе не произошло замыкания ее на исходную секцию, она должна подойти к элементар­ному пазу, расположенному слева или справа рядом с ис­ходным, т. е.

откуда находим результирующий шаг волновой обмотки:

Обычно в (3) единица принимается со знаком минус, так как при таком шаге несколько сокращается расход обмоточного провода вследствие уменьшения длины лобовых соединений.

Рис. 8. Соединение секций волновой обмотки

Так как число секций равно числу элементар­ных пазов, S

=
z
Э, то

В соответствии с рис. 8 у2=у—у1

, а шаг по коллектору
уK
=
у
.

Построим схему-развертку волновой обмотки по следу­ющим данным: z

Э=21,
K
=21,
2р
= 4. Найдем шаги:
у1
=5,
у
=10,
y
2=5,
yK
=10.

Схема соединений

Схема-развертка обмотки показана на рис. 9. Рас­становку щеток на коллекторе производят так же, как и при петлевых обмотках, — щетки должны соприкасаться с пластинами, к которым подсоединяются секции, распо­ложенные на нейтрали или вблизи нее.

Рис. 9. Схема-развертка простой волновой обмотки с z

Э=21,
2р
= 4

При любом числе полюсов коли­чество параллельных ветвей волновой обмотки равно двум. На примере рассмотренной обмотки можно установить, что в одну параллельную ветвь будут включены все сек­ции, начала которых располагаются на полюсных делени­ях южной полярности, а в другую — северной полярности.

Так как волновая обмотка имеет две параллельные вет­ви, то число щеточных болтов в машине может быть уменьшено до двух. Распределение секций по параллельным ветвям в этом случае практически сохраняется таким же, как и при полном комплекте щеток.

Для выполнения волновой обмотки необходимо, чтобы шаг у был равен целому числу. Однако получить это мож­но не при любых значениях z

Э и
S
. Например, согласно (3) в четырех полюсной машине (р=2) при четных зна­чениях
z
Э и
S
шаг у не будет равен целому числу. В подоб­ных случаях для выполнения обмотки приходится приме­нять «мертвые» секции. «Мертвыми» называются секции, уложенные в пазы якоря, но не подключаемые в схему об­мотки. На якоре их оставляют для того, чтобы не нару­шать его механическую балансировку. Волновые обмотки с «мертвой» секцией иногда применяют в машинах мощ­ностью до нескольких десятков киловатт. Выполнение та­ких обмоток связано с желанием использовать имеющий­ся штамп листов якоря для изготовления машин с различ­ным числом полюсов.

5. Сложные волновые обмотки

Сложные волновые обмотки применяют для увеличения числа параллельных ветвей. Эти обмотки представляют со­четание т простых обмоток, уложенных на одном якоре. В этом случае 2а=2m

. При выполнении таких обмоток после
р
результирующих шагов вокруг якоря проводник должен подойти не к соседнему с исходным пазу, а к па­зу, отстоящему от него на
т
элементарных пазов. В про­пущенных
т-1
пазах разместятся другие простые обмотки, образующие данную сложную. Это условие можно запи­сать в виде равенства

откуда с учетом того, что z

Э=
S
, следует

Шаг по коллектору у

K=
у
. Второй частичный шаг
у
2=
у-y1
.

Сложные волновые обмотки могут быть однократно-замкнутыми и многократно замкнутыми.

6. Условия симметрии обмоток

При проектировании обмоток стремятся получить их симметричными. Под симметричной понимают обмотку якоря, в которой для любого момента времени ЭДС и со­противления ее параллельных ветвей будут одинаковыми. При невыполнении этих условий по обмотке и щеткам бу­дут протекать уравнительные токи, которые могут вызвать ухудшение работы щеточного контакта и увеличение по­терь в якоре.

Условия симметрии обмотки можно сформулировать исходя из следующих рассуждений. Прежде всего необхо­димо, чтобы в каждом реальном пазу якоря находилось одинаковое число секционных сторон, т. е.

где z

— число реальных пазов.

Электрическую машину с обмоткой якоря, имеющую 2а

параллельных ветвей, можно представить состоящей из а включенных параллельно элементарных машин, каждая из которых имеет две параллельные ветви. Для того что­бы а элементарных машин были идентичны, на каждую из них должно приходиться одинаковое целое число секций и коллекторных пластин:

Для симметричного расположения а

машин в магнит­ном поле необходимо

Соотношения (4) — (7) представляют собой усло­вия симметрии обмоток.

Условие (7) всегда выполняется в простых петлевых и волновых обмотках, так как для первых а=р

, а для вто­рых
а=1
.

В сложных петлевых обмотках а=тр

, поэтому это условие выполняется только при
т=2
, а в сложных волно­вых обмотках симметрия возможна при
2р/т
=
целое чис­ло
, так как для этих обмоток
а=т
.

В отдельных случаях, возможно некоторое отступление от условий симметрии.

7. Уравнительные соединения

Для улучшения работы машин постоянного тока в не­которых типах обмоток якоря применяют уравнительные соединения. Их подразделяют на уравнительные соедине­ния первого и второго рода. Уравнительные соединения первого рода применяют для петлевых обмоток, а второго рода — для всех сложных обмоток.

Уравнительные соединения первого рода применяют для ослабления влияния магнитной несимметрии на работу машины. Так как у петлевой обмотки каждая параллель­ная ветвь располагается под парой соответствующих полюсов, то при наличии магнитной несимметрии, возни­кающей из-за неодинаковых воздушных зазоров, неодно­родности стали и т. д., потоки различных полюсов, а сле­довательно, и ЭДС параллельных ветвей будут неодинако­выми. В результате этого в обмотке возникают уравнительные токи, которые будут замыкаться через щетки одноименной полярности и соединяющий их провод­ник, вызывая дополнительные потери и нагрев обмотки, а накладываясь на ток нагрузки, будут перегружать щет­ки и вызывать их искрение.

Для предотвращения указанных последствий обмотку снабжают специальными уравнительными соединениями или уравнителями. Уравнительные соединения представля­ют собой проводники, соединяющие внутри обмотки точ­ки, теоретически имеющие один и тот же потенциал. Эти точки принадлежат секциям, которые в магнитном поле находятся в одинаковых условиях, т. е. будут сдвинуты относительно друг друга на два полюсных деления

При наличии таких соединений уравнительные токи за­мыкаются через них, минуя щетки и коллектор. Эти токи будут переменными.

В сложных обмотках параллельные ветви различных хо­дов электрически соединяют с внешней сетью через одни и те же щетки. Так как переходное сопро­тивление контакта по ширине щетки может быть неодина­ковым, то это может привести к неравномерному распре­делению тока нагрузки по параллельным ветвям обмотки. Вследствие этого возрастут потери в обмотке и увеличит­ся перепад напряжения между соседними коллекторными пластинами, что может привести к искрению щеток. Для того чтобы получить равномерное распределение тока по параллельным ветвям вне зависимости от состояния ще­точного контакта, в сложных обмотках выполняют урав­нительные соединения второго рода, которые соединяют между собой точки, принадлежащие различным ходам об­мотки и теоретически имеющие одинаковый потенциал.

8. Выбор типа обмотки якоря

При выборе типа обмотки необходимо учитывать ряд противоречивых требований. Наиболее предпочтительны­ми являются обмотки с меньшим числом проводников, так как в этом случае уменьшаются объем требуемой изоляции и размеры паза, повышается использование активных ма­териалов, уменьшаются трудоемкость и стоимость изго­товления обмотки. Число проводников в обмотке будет тем меньше, чем меньшее число параллельных ветвей она имеет.

Однако по условиям безыскровой работы щеточного контакта (коммутации) и технологичности ток параллель­ной ветви не должен превышать 300—350 А. Поэтому с повышением мощности машины и ее тока приходится увеличивать число параллельных ветвей обмотки.

С точки зрения коммутации необходимо, чтобы среднее напряжение между соседними коллекторными пластинами

где U

HOM — номинальное напряжение машины, В, не пре­вышало 20—25 В.

Число коллекторных пластин увеличивается с ростом числа параллельных ветвей обмотки, поэтому для снижения UK,CP

приходится в некоторых случаях выбирать обмотку с большим числом параллельных ветвей. При увеличении числа коллекторных пластин следует иметь в виду, что по технологическим возможностям ширина коллекторной пластины не должна быть меньше 3—4 мм.

Учитывая изложенные требования, можно сделать сле­дующие рекомендации по выбору обмоток якоря машины постоянного тока:

1. В двухполюсных машинах следует применять про­стую петлевую обмотку (2а=2)

.

2. В многополюсных машинах при токе якоря I

≤700 А следует применять простую волновую обмотку
(2а=2)
.

3. В многополюсных машинах при токе якоря I

>700А следует применять петлевую обмотку
(2а=2р)
.

Если в последнем случае число коллекторных пластин получается слишком большим, то применяют сложную волновую обмотку (2а=2т)

. Сложные петлевые обмотки и лягушачьи обмотки применяют в крупных машинах по­стоянного тока, когда при простой петлевой обмотке ток в параллельной ветви будет превышать 300—350 А или напряжение между соседними коллекторными пластинами будет недопустимо высоким.

9. ЭДС обмотки якоря

При вращении якоря в магнитном поле полюсов в про­водниках обмотки якоря будет наводиться ЭДС. Распре­деление индукции магнитного поля в воздушном зазоре между якорем и полюсом при холостом ходе машины (ког­да ток якоря равен нулю) показано на рис. 1. ЭДС, на­водимая в проводниках, имеющих активную длину l

δ и вращающихся с окружной скоростью
υ
a, будет равна:

где Вδх

—индукция в данной точке полюсного деления. Как отмечалось, ЭДС между щетками противополож­ной полярности машины
Е
равна ЭДС одной параллель­ной ветви. Параллельная ветвь включает в себя
N/2a
про­водников (
N
— общее число активных проводников якоря). Тогда, предполагая, что обмотка имеет диаметральный шаг (
y
1=
τП
), получаем

Рис. 10. Картина поля в воздуш­ном зазоре машины постоянного тока при холостом ходе

Заменим кривую 1 (рис. 10) распределения индук­ции прямой 2, параллельной реи абсцисс и имеющей ор­динату B

CP. Значение
B
CP определяют исходя из равен­ства потоков, которые будут пропорциональны площадям фигур, ограниченных кривой 1 и прямой 2. Тогда можно записать

Если представить

и учесть, что поток полюса , то

или

здесь n

— частота вращения якоря, об/мин;
Da
—-внешний диаметр якоря, м; — полюсное деление, м; — конструктивная постоянная машины.

Формулу для ЭДС Е

можно представить в ином виде, для чего правую часть (42.2) умножим и разделим на 2π, тогда

где — угловая скорость якоря; .

Из (42.3) и (42.4). следует, что ЭДС якоря Е

пропор­циональна частоте вращения (или угловой скорости), ос­новному потоку и не зависит от формы распределения ин­дукции в воздушном зазоре машины.

Под потоком Ф

в (42.2) — (42.4) следует понимать по­ток, сцепленный с секцией при симметричном расположе­нии ее относительно полюса. При укороченном шаге (
y1<τП
) поток, сцепленный с секцией, уменьшается (он пропорционален заштрихованной площади на рис. 42.2), в соответствии с чем уменьшается и ЭДС
Е
. Однако при реально применяемом укорочении шага в обмотках машин постоянного тока уменьшение ЭДС незначительно, и поэ­тому при ее определении также используются формулами (42

10. Электромагнитный момент

При нагрузке машины по проводникам обмотки якоря протекает ток (Ia

— ток цепи якоря). При взаи­модействии этого тока с магнитным полем возникает электромагнитная сила, которая для одного проводника обмотки равна:

Будем считать, что индукция Вδх

сохраняет свое зна­чение по всей активной длине проводника. Сила
fx
созда­ет момент

Все N

проводников обмотки якоря создадут электро­магнитный момент

Так как длина lδ

всех проводников одинакова и через них протекает один и тот же ток
i
a, то

Если принять, как и ранее, что индукция во всех точ­ках полюсного деления τ

равна:

то получим

Подставляя (42.7) в (42.5), а также учитывая (42.6), в окончательном виде получаем

Из (42.8) следует, что электромагнитный момент маши­ны постоянного тока будет пропорционален магнитному потоку и току якоря.

При неизменном направлении вращения якоря направ­ление момента зависит от режима работы машины. При работе машины в генераторном режиме ЭДС, наводимая в обмотке якоря, будет больше, чем напряжение на выво­дах машины, поэтому ток в якорной цепи имеет такое же направление, что и ЭДС.

11. Контрольные вопросы и домашнее задание.

12. Литература

1. Токарев машины.– М.: Энергоатомиздат, 1990, 624 с.

2. Копылов машины – М.: Логос, 2000, 607с.

3. Вольдек машины. – Л.: Энергия, 1978. – 832с.

Сложная петлевая обмотка

При необходимости получить еще большее число параллельных ветвей применяют сложную петлевую обмотку якоря (рис. 13.8). Такая обмотка содержит две простые петлевые обмотки (m = 2), поэтому у нее число параллельных ветвей удвоено, т.е. 2а = 2 * 2р = 4р. Такие обмотки необходимы в машинах значительной мощности при низком напряжении сети: 12; 24; 48 В.

Для того чтобы распределение токов в параллельных ветвях обмотки якоря было одинаковым, необходимо, чтобы электрическое сопротивление этих ветвей не отличалось друг от друга и чтобы ЭДС, наводимые в секциях, составляющих каждую параллельную ветвь, были одинаковыми. При несоблюдении этих условий между параллельными ветвями появляются уравнительные токи, нарушающие работу щеточно-коллекторного контакта.

Исключение составляет простая волновая обмотка, секции которой равномерно распределены под всеми полюсами машины, поэтому магнитная не симметрия машины не вызывает появления в этой обмотке уравнительных токов. Что же касается простой петлевой и всех видов сложных обмоток якоря, то в них всегда имеются причины к появлению уравнительных токов. Это приводит к необходимости применения в указанных обмотках так называемых уравнительных соединений, по которым замыкаются уравнительные токи, разгружая щеточно-коллекторный контакт от перегрузки. Уравнительные соединения усложняют изготовление обмотки якоря и ведут к дополнительному расходу обмоточной меди.

§28. Обмотки якоря

Принцип соединения отдельных проводников в обмотку.

В современных машинах постоянного тока применяют барабанные якоря, в которых проводники обмотки укладывают в пазы на наружной поверхности цилиндрического якоря.

При выполнении обмотки проводники, расположенные в пазах якоря, следует соединять таким образом, чтобы э. д. с. в них складывалась. Для этого два проводника, образующие виток обмотки, должны соединяться так, как указано на рис. 92, а, т. е. проводник А, расположенный под северным полюсом, должен соединяться с проводником Б, расположенным под южным полюсом.

Рис. 92. Принцип выполнения обмотки барабанного якоря

Расстояние между проводниками, составляющими виток, должно быть равно или незначительно отличаться от полюсного деления т — расстояния между осями соседних полюсов. При этом условии виток будет охватывать весь магнитный поток полюса и э. д. с, возникающая в нем при вращении якоря, будет иметь наибольшее значение.

Для наглядного изображения обмоток цилиндрическую поверхность якоря вместе с обмоткой развертывают в плоскость и все соединения проводников изображают в виде прямых линий на плоскости чертежа (рис. 92,б).

Обмотка якоря состоит из отдельных секций. Секцией называют часть обмотки, расположенную между двумя коллекторными пластинами, следующими одна за другой по ходу обмотки. Число секций S в обмотке равно числу коллекторных пластин К. Секция может состоять из одного или нескольких последовательно соединенных витков. В первом случае секции называют одновитковыми (рис. 93, а, см. рис. 85, б), во втором — многовитковыми (рис. 93, б, см. рис. 85, а).

Рис. 93. Схемы одновитковой (а) и многовитковой (б) секций: 1 — активные проводники; 2 — лобовая часть; 3 — активная сторона; 4 — коллекторные пластины

Одновитковые секции состоят из двух активных проводников, которые непосредственно пересекают магнитный поток; активные проводники расположены в пазах якоря и соединяются лобовыми частями, лежащими вне сердечника якоря. Лобовые части в индуцировании э. д. с. практически не участвуют.

Многовитковые секции состоят из двух активных сторон, каждая из которых объединяет несколько активных проводников. В некоторых машинах большой мощности применяют якорные катушки, выполненные из разрезных секций (см. рис. 85, в §27). Обмотка якоря, состоящая из таких секций, называется стержневой.

В ряде случаев по конструктивным соображениям и для уменьшения потерь мощности в обмотке якоря при изготовлении секций вместо одного сплошного проводника требуемого поперечного сечения берут несколько проводников меньшего сечения. Эти проводники обычно располагают в пазу друг над другом и присоединяют к одним и тем же коллекторным пластинам.

Все секции обмотки обычно имеют одинаковое число витков. На схемах обмотки секции для простоты всегда изображают одновитковыми. Секцию обмотки укладывают в пазы таким образом, чтобы одна из ее активных сторон находилась в верхнем слое, а другая — в нижнем. На схемах стороны секции, расположенные в верхнем слое, изображают сплошными линиями, а в нижнем слое — штриховыми.

При объединении нескольких секций в якорную катушку каждую из сторон якорной катушки в большинстве случаев укладывают в один общий паз. Для того чтобы э. д. с, индуцированные в отдельных секциях, складывались, при соединении их руководствуются тем же правилом, что и при соединении проводников в витки: расстояние между соединяемыми частями секций должно быть приблизительно равно расстоянию между осями полюсов.

Обмотки якоря подразделяются на две основные группы: петлевые (параллельные) и волновые (последовательные).

Простая волновая обмотка.

При простой волновой обмотке секции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 94).

Рис. 94. Общий вид волновой обмотки (а) и схема соединения ее секций (б)

При этом после одного обхода окружности якоря, т. е. после последовательного соединения р секций приходят к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной.

Например, начало секции 1 присоединяют к коллекторной пластине КП1, а ее конец соединяют с коллекторной пластиной КП10 и началом секции 2, которая расположена под следующей парой полюсов; затем конец секции 2 соединяют с другой коллекторной пластиной и с началом следующей секции. После завершения полного обхода окружности якоря конец соответствующей секции соединяют с коллекторной пластиной КП2 и началом секции 3, затем таким же образом с коллекторной пластиной КП11 и секцией 4 и т. д. до тех пор, пока обмотка не замкнется, т. е. пока не придут к началу секции 1.

Якорная катушка в волновой обмотке имеет форму волны (рис. 95, а), откуда получила это название.

Рис. 95. Форма якорных катушек при волновой (а) и петлевой (б) обмотках: 1, 4 — пазовые части (верхняя и нижняя стороны); 2, 5 — задняя и передняя лобовые части; 3 — задняя головка; 6 — концы секций, припаиваемые к коллектору

Для выполнения обмотки необходимо знать ее результирующий шаг у (см. рис. 94, б), первый у1 и второй у2 частичные шаги, а также шаг по коллектору ук. Указанные шаги обычно выражают в числе пройденных секций (шаг по коллектору выражается в этих же единицах, так как число коллекторных пластин равно числу секций).

В простой волновой обмотке число параллельных ветвей обмотки 2а всегда равно двум и не зависит от числа полюсов:

2a = 2 (56)

На рис. 96, а приведена в качестве примера развернутая в плоскость схема простой волновой обмотки якоря четырехполюсной машины, имеющей 19 секций, а на рис. 96, б — эквивалентная схема этой обмотки, показывающая последовательность соединения ее секций и образующиеся параллельные ветви. Цифрами 1, 2, 3 и т. д. обозначены активные проводники, лежащие в верхнем слое каждого паза, а 1′, 2′, 3′ и т. д.— в нижнем слое.

Рис. 96. Схемы простой волновой обмотки четырехполюсной машины

При волновой обмотке в машине можно устанавливать только два щеточных пальца. Однако это делают лишь в машинах малой мощности; в более мощных машинах обычно ставят полный комплект (2р) щеточных пальцев для уменьшения плотности тока под щетками и улучшения токосъема.

Простая петлевая обмотка.

При простой петлевой обмотке каждую секцию присоединяют к соседним коллекторным пластинам (рис. 97).

Рис. 97. Общий вид петлевой обмотки (а) и схема соединения ее секций (б)

Например, начало 1-й секции присоединяют к коллекторной пластине КП1, а конец ее соединяют с соседней коллекторной пластиной КП2 и началом рядом лежащей 2-й секции. Далее конец 2-й секции присоединяют к следующей коллекторной пластине и к началу соседней секции и т. д. до тех пор, пока обмотка не замкнется, т. е. пока не придут к началу 1-й секции. В этой обмотке каждая последующая секция расположена рядом с предыдущей, а якорная катушка имеет форму петли (рис. 95,б), откуда получила название обмотка.

В простой петлевой обмотке секции, расположенные под каждой парой полюсов, образуют две параллельные ветви, поэтому число параллельных ветвей по всей обмотке 2а равно числу полюсов 2р:

2a = 2p (56′)

Условие 2а=2р выражает основное свойство простой петлевой обмотки: чем больше число полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет обмотка, следовательно, тем больше щеточных пальцев должно быть в машине.

На рис. 98, а приведена в качестве примера развернутая в плоскость схема простой петлевой обмотки якоря че-тырехполюсной машины, имеющей 24 секции, а на рис. 98, б — эквивалентная схема этой обмотки, показывающая последовательность соединения ее секций и образующиеся параллельные ветви (обозначение проводников и коллекторных пластин такое же, как и на рис. 96).

Рис. 98. Схемы петлевой обмотки четырехполюсной машины (УР — уравнительные соединения)

Применение петлевой и волновой обмоток.

Каждая из обмоток — петлевая и волновая — имеет свои преимущества. При одном и том же числе проводников в обмотке якоря и числе полюсов простая петлевая обмотка будет иметь в р раз больше параллельных ветвей, чем волновая. Следовательно, она может пропускать значительно больший ток Iя = 2aiя, чем волновая обмотка (здесь Iя — ток в параллельной ветви) (рис. 99).

Рис. 99. Схемы параллельных ветвей в четырехполюсной машине при петлевой (а) и волновой (б) обмотках: 1 — коллекторные пластины; 2 — секции обмотки

Число же витков в каждой параллельной ветви при петлевой обмотке в р раз меньше, чем при волновой. Так как напряжение машины определяется числом последовательно включенных витков в каждой параллельной ветви, то в машине с петлевой обмоткой напряжение будет в р раз меньше, чем с волновой обмоткой.

Из сказанного следует, что в машинах, рассчитанных для работы при высоких напряжениях, целесообразно применять волновую обмотку. Такая обмотка имеется у большей части вспомогательных машин электровозов и электропоездов, которые рассчитаны для работы при напряжении 1500—3000 В, и у некоторых тяговых двигателей электропоездов.

В машинах, рассчитанных для работы при больших токах, целесообразно применять петлевую обмотку. Такую обмотку имеет тяговые двигатели электровозов и тепловозов, а также электровозные генераторы возбуждения, используемые при рекуперации. Машины постоянного тока небольшой мощности обычно выполняют двухполюсными. При двух полюсах петлевая и волновая обмотки не различаются.

Уравнительные соединения.

В простой петлевой обмотке э. д. с, индуцированная в каждой параллельной ветви, создается магнитным потоком определенной пары полюсов. Э. д. с. Е, индуцированные во всех параллельных ветвях обмотки, теоретически должны быть равны (рис. 100, а).

Рис. 100. Э. д. с. индуцированные в параллельных ветвях обмотки якоря при равенстве (а) и неравенстве (б) магнитных потоков отдельных полюсов

Однако практически из-за технологических допусков в значении воздушного зазора под различными полюсами, дефектов литья в остове и других причин магнитные потоки отдельных полюсов несколько различаются, вследствие чего в параллельных ветвях действуют неодинаковые э. д. с.

Если два параллельно соединенных источника имеют неодинаковые э. д. с. (рис. 101), то по контуру, образованному двумя источниками, будет проходить некоторый дополнительный ток, обусловленный разностью э. д. с. Е1—Е2 источников.

Рис. 101. Возникновение уравнительного тока при неравенстве э. д. с. двух источников

Этот ток носит название уравнительного. Уравнительный ток Iур циркулирует внутри источников, не совершает никакой полезной работы, а создает лишь потери электрической энергии в обоих источника. Он вызывает неравномерную нагрузку отдельных источников, перегружая источник с большей э. д. с. и разгружая источник с меньшей э. д. с.

В машинах постоянного тока при неравенстве э. д. с. в отдельных параллельных ветвях возникающие уравнительные токи будут перегружать щетки и ухудшать работу машин.

Например, при неравенстве э. д. с. Е1 и Е2 в параллельных ветвях обмотки якоря 3 (рис. 100, б) по обмотке и через щетки 1 (А — Г) будет проходить уравнительный ток Iур. Разница между э. д. с. Е1 и E2 составляет 3—5 %, но из-за небольшого сопротивления обмотки якоря этого оказывается достаточно, чтобы по параллельным ветвям проходили довольно значительные уравнительные токи, которые способствуют возникновению искрения под щетками.

Чтобы уравнительные токи замыкались помимо щеток, в петлевых обмотках предусматривают уравнительные соединения, которые соединяют точки обмотки, имеющие теоретически равные потенциалы. Такими точками являются начала и концы проводников обмотки якоря, расположенные один от другого на расстоянии, равном двойному полюсному делению 2т, Идеальным было бы соединить все такие точки обмотки. Однако большое число уравнительных соединений сильно удорожает обмотку, поэтому практически достаточно иметь одно-два уравнительных соединения на каждую группу секций, лежащих в одном пазу якоря.

С производственной точки зрения уравнительные соединения удобно присоединять к коллекторным пластинам 2 (см. рис. 100,б). Обычно они связывают каждую третью — пятую пластины коллектора (рис. 102).

Рис. 102. Схема выполнения уравнительных соединений I, II, III в петле вой обмотке.

Площадь поперечного сечения проводов, которыми выполняют уравнительные соединения, в 3—5 раз меньше площади поперечного сечения проводников обмотки якоря. Уравнительные соединения располагают чаще всего под лобовыми частями обмотки якоря рядом с коллектором, в этом случае они находятся вне магнитного поля главных полюсов и в них не индуцируется э. д. с.

Сложные обмотки.

При мощности машины более 1000 кВт применяют сложные многоходовые обмотки якоря, представляющие собой несколько простых петлевых или волновых обмоток, намотанных на общий якорь, смещенных относительно друг друга и присоединенных к одному коллектору. Применение многоходовых обмоток позволяет увеличивать число параллельных ветвей при неизменном числе полюсов, увеличение которых в ряде случаев невозможно. Однако эти обмотки требуют сложных уравнительных соединений.

Одной из разновидностей сложных обмоток является параллельно-последовательная обмотка, применяемая в некоторых тяговых генераторах. Она представляет собой комбинацию простой петлевой 1 (рис. 103, а) и многоходовой волновой 2 обмоток.

Рис. 103. Схема параллельно-последовательной обмотки (а), расположение ее проводников в пазах (б) и форма якорной катушки (в)

Обе обмотки уложены в одни и те же пазы и имеют общие коллекторные пластины. Для равенства э. д. с. параллельных ветвей, образуемых петлевой и волновой обмотками, число параллельных ветвей этих обмоток должно быть одинаково.

Параллельно-последовательную обмотку выполняют в четыре слоя (рис. 103,б), так как в пазы якоря закладывают две двухслойные обмотки. Эта обмотка получила название «лягушачья» из-за формы свой якорной катушки (рис. 103, в). Рассматриваемая обмотка не требует уравнительных соединений, что выгодно отличает ее от других обмоток. Возможность уменьшения напряжения, действующего между соседними коллекторными пластинами, вдвое по сравнению с простыми обмотками является важным преимуществом параллельно-последовательной обмотки.

Комбинированная обмотка

В электрических машинах со значи­тельным током в обмотке якоря простые волновые обмотки неприменимы, так как в этих обмотках число параллельных ветвей не может быть более двух. Чтобы увеличить число параллельных ветвей и избежать нежелательного применения уравнительных соединений в машинах с большой токовой нагрузкой, используют комбинированную обмотку. Такая обмотка состоит из секций волновой и петлевой обмоток, а число параллельных ветвей в ней равно сумме параллельных ветвей петлевой и волновой обмоток

.
Необходимо, чтобы число параллельных ветвей волновой обмотки было равно числу ветвей петлевой обмотки. Поэтому в четырехполюсной машине комбинированную обмотку выполняют из простой петлевой (2а = 2р = 4) и сложной волновой (m = 2) обмоток. В этом случае число параллельных ветвей комбинированной обмотки равно 2акомб = 4 + 4 = 8. В такой обмотке ветви одной из составляющих обмоток служат уравнительными соединениями для другой. В итоге комбинированная обмотка с таким числом параллельных ветвей оказывается проще сложной петлевой обмотки.

Теория якорных обмоток машин постоянного тока

Обмотка якоря представляет собой замкнутую систему изолированных проводников, обеспечивающих получение необходимой ЭДС и прохождение заданного тока. В современных машинах постоянного тока применяют в основном двухслойные обмотки барабанного якоря. В соответствии с назначением машины к обмоткам предъявляется ряд требований. Обмотка должна иметь возможно меньший расход меди при обеспечении возможно больших ЭДС и КПД, быть по возможности симметричной, обладать достаточной электрической, термической и механической прочностью. Обмотка состоит из отдельных витков и секций. Виток – это два проводника, соединенных между собой последовательно. Несколько последовательно соединенных витков образуют секцию. Секции бывают одновитковые или многовитковые рисунок 1.1.

Секция имеет две активные стороны, расположенные в пазах якоря под разноименными полюсами машины, причем левая активная сторона укладывается в верхнем слое паза, а правая – в нижнем слое. В результате электродвижущие силы активных сторон секции складываются, а обмотка получается двухслойной. Конец одной секции присоединяется к началу следующей секции и одновременно к коллекторной пластине, вследствие чего все секции обмотки оказываются соединенными последовательно и образуют замкнутый контур. Активные стороны составляют пазовую часть секции 1, а те части, которые служат для соединения активных сторон между собой и с коллекторными пластинами, называют лобовыми частями 2.Концы секций 3,4 могут быть сведенными (смотри рис. 1.1, а) или разведенными (смотри рис. 1.1, б).Для получения наибольшего значения ЭДС расстояние между активными сторонами секции, называемое первым частичным шагом обмотки , должно быть равно полюсному делению . Верхняя активная сторона одной секции и расположенная под ней нижняя активная сторона другой секции образуют элементарный паз. Поскольку каждая секция состоит из двух активных сторон, а к каждой коллекторной пластине присоединяются концы двух секций, то в обмотке якоря число секций S равно числу элементарных пазов и числу коллекторных пластин К

В реальном пазу якоря может быть несколько элементарных, поэтому число реальных пазов Z меньше числа элементарных и равно

Расстояния между активными сторонами секций измеряют числом элементарных пазов. Поскольку ширина секций должна быть примерно равна полюсному делению, то первый частичный шаг обмотки определяется выражением

где 2р – число полюсов.Так как не всегда является целым числом, то первый частичный шаг округляется до ближайшего целого числа, т.е.

Здесь — дробь, при которой становится целым числом.Если числом элементарных пазов измерять и полюсное деление , то формула для его определения будет иметь вид

Первый частичный шаг при называют полным или диаметральным; если то первый шаг называют укороченным; при то первый шаг называют укороченным; при — шаг удлиненный.Обмотка с полным шагом имеет наибольшую ЭДС. Укорочение или удлинение первого частичного шага приводит к уменьшению ЭДС, поскольку в любой момент времени активные стороны секций будут находится в неодинаковых магнитных условиях.Для более наглядного представления схемы обмотки цилиндрическую поверхность якоря вместе с обмоткой, коллектором и полюсами условно разрезают вдоль оси машины и разворачивают в плоскость, а все соединения в схеме изображают прямыми линиями. При этом диаметр коллектора принимают равным диаметру якоря, а полюсы считают расположенными над плоскостью чертежа. Пазы вычерчивают не реальные, а элементарные. Секции считают одновитковыми

Выполненная в таком виде схема обмотки называется развернутой. При изображении схемы обмотки полагают одинаковыми порядковые номера коллекторной пластины, секции, присоединенной к данной коллекторной пластине левой активной стороной, и элементарного паза, в верхней части которого расположена левая активная сторона данной секции.

По способу соединения и внешнему виду секций обмотки делят на:

• петлевые;

• волновые;

• комбинированные.

Простой петлевой обмоткой называют такую обмотку, концы каждой секции которой присоединены к двум рядом лежащим коллекторным пластинам (рис. 1.2.). При этом обмотка может быть правоходовой с неперекрещивающимися лобовыми частями (смотри рис. 1.2, а) или левоходовой с перекрещивающимися лобовыми частями (смотри рис. 1.2, б). Для выполнения развернутой схемы обмотки необходимо определить её шаги.

Первичный частичный шаг определяется по формуле

Результирующий шаг простой обмотки y, который представляет собой расстояние между одноименными активными сторонами двух сле-дующих друг за другом по схеме обмотки секций, равен (+) – для правоходой обмотки, а знак (-) – для левоходой.

Вторым частичным шагом обмотки называют расстояние между правой активной стороной секции и левой активной стороной последующей по схеме обмотки секции. Он равен Шаг по коллектору для простой петлевой обмотки равен

Отсюда видно, что

С помощью щеток обмотка якоря делится на параллельные ветви. Для простой петлевой обмотки каждая параллельная ветвь, заключенная между соседними щетками разной полярности, соответствует одному полюсному делению, поэтому число параллельных ветвей 2а равно числу полюсов:

По этой ссылке вы найдёте полный курс лекций по математике:

Сложная петлевая обмотка состоит из m простых петлевых обмоток. В такой обмотке между двумя секциями каждой простой обмотки должно быть предусмотрено место для m-1 секций других простых обмоток, составляющих сложную (рис. 1.3). Поэтому результирующий шаг y и шаг по коллектору сложной обмотки должны быть равны

Остальные шаги определяются соответственно по формулам:

Число параллельных ветвей сложной петлевой обмотки равно

Здесь m – показатель кратности обмотки.

Простая волновая обмотка получается при последовательном со-единении секций, расположенных под разными парами полюсов. Точки соединения секций припаиваются к коллекторным пластинам. За каждый обход укладывается р секций (рис. 1.4.).

Каждый следующий обход начинается с коллекторной пластины, расположенной рядом с исходной пластиной предыдущего обхода. Если повторный обход начинается с пластины, находящейся слева от исходной, то обмотка получается левоходовой с неперекрещивающимися лобовыми частями (рис. 1.4, а). В противном случае – правоходовой с перекрещивающимися лобовыми частями (рис. 1.4, б).

В соответствии с этим шаг по коллектору и результирующий шаг будут равны

где знак (-) – для левоходой обмотки, а знак (+) – для правоходовой.Первый частичный шаг определяется по обычной формуле

Второй частичный шаг определяется по формуле

Поскольку цепь простой волновой обмотки за один обход по якорю проходит все полюсные деления, то число параллельных ветвей обмотки 2а всегда равно двум: 2а = 2.

Сложная волновая обмотка состоит из m простых волновых обмоток, следовательно, число параллельных ветвей для неё равно 2а = 2m.

В соответствии с вышеизложенным шаги сложной обмотки можно определить с помощью выражений:

Сложные обмотки могут быть однократно или многократно замкнутыми. В последнем случае простые обмотки, составляющие сложную, не имеют между собой электрических связей помимо щеток и уравнительных соединений, то есть каждая простая обмотка замкнута сама на себя.В сложных обмотках каждая простая обмотка должна иметь контакт со щетками, поэтому ширина щеток должна иметь не менее m коллекторных делений.

Комбинированная обмотка представляет собой совокупность простой петлевой и сложной волновой обмоток, которые укладывают в одних и тех же пазах якоря в четыре слоя и присоединяются к пластинам одного и того же коллектора (рис. 1.5.)

Для симметрии обе обмотки состоят из одинакового числа секций, и каждая из них служит для проведения половины общего тока якоря. В связи с этим число параллельных ветвей простой петлевой обмотки должно быть одинаковым с числом параллельных ветвей сложной волновой обмотки

а всего комбинированная обмотка имеет число параллельных ветвей

Условия симметрии. Каждую параллельную ветвь любой якорной обмотки можно условно представить в качестве элементарного источника ЭДС Е с внутренним сопротивлением R. При этом эквивалентная схема обмотки может быть представлена в виде 2а параллельно включенных источников.

необходимо, чтобы нагрузочный ток распределялся поровну между параллельными ветвями. Это возможно лишь при условии равенства ЭДС всех параллельных ветвей и внутренних сопротивлений. Для равенства ЭДС необходимо, чтобы каждая пара параллельных ветвей располагалась в магнитном поле симметрично, то есть выполнялись бы условия:

Для равенства внутренних сопротивлений и ЭДС необходимо, чтобы каждая пара параллельных ветвей содержала одинаковое число секций

Уравнительные соединения. В машинах постоянного тока невозможно точно выполнить все условия симметрии, поэтому в обмотках возникают уравнительные токи, которые замыкаются через коллектор и щетки и ухудшают условия их работы. Чтобы разгрузить щеточный контакт от уравнительных токов, применяют уравнительные соединения, которыми соединяют выводы секций обмотки, имеющих теоретически одинаковые потенциалы.

Уравнители первого рода применяют в простых петлевых обмотках, каждая пара параллельных ветвей которых находится под отдельной парой полюсов. Если по каким-либо причинам (неравномерность воздушного зазора под полюсами, раковины в станине и т.п.) магнитный поток одной пары полюсов не будет равен магнитному потоку другой пары полюсов, то в соответствующих параллельных ветвях будут индуктироваться неодинаковые ЭДС, в результате чего появятся уравнительные токи.

При наличии уравнителей первого рода эти токи замыкаются по ним, минуя щетки. Уравнители первого рода выравнивают магнитную несимметрию машины. Они располагаются обычно под лобовыми частями обмотки якоря со стороны коллектора и соединяют точки теоретически равного потенциала. Шаг уравнительных соединений должен быть равен двойному полюсному шагу

В простой петлевой обмотке число точек теоретически равного потенциала равно числу пар параллельных ветвей, поэтому полное число уравнителей равно В простых волновых обмотках секции параллельных ветвей обмотки последовательно располагаются под всеми полюсами машины, поэтому магнитная несимметрия в них не проявляется и уравнительные соединения в них не нужны.

Уравнители второго рода применяются в сложных петлевых и волновых обмотках. Сложные обмотки состоят из m простых обмоток, которые соединены параллельно через щеточный аппарат. Из-за неравенства сопротивлений щеточных контактов или параллельных ветвей в таких обмотках может возникнуть электрическая несимметрия, которая вызовет уравнительные токи между простыми обмотками. Эти токи также замыкаются через щеточный аппарат и ухудшают его работу. Уравнители второго рода соединяют между собой такие точки простых обмоток, составляющих сложную, которые должны иметь теоретически равные потенциалы. При этом шаг уравнительного соединения второго рода равен

В комбинированных обмотках секции волновой обмотки соединяют между собой практически равнопотенциальные точки простой петлевой обмотки и выполняют роль уравнителей первого рода. Секции простой петлевой обмотки соединяют между собой практически равнопотенциальные точки двух простых волновых обмоток, поэтому они являются по существу уравнителями второго рода. В этом состоит одно из достоинств комбинированных обмоток.

Звезда и многоугольник ЭДС. Пренебрегая высшими гармоническими, можно считать, что индукция в зазоре под полюсами распределена синусоидально. Если машина имеет 2р полюсов, то по окружности якоря размещается р синусоид, каждой из которых соответствует 2 радиан или 360 градусов. Таким образом, окружность якоря, соответствующая 360 геометрическим градусам, содержит р360 электрических градусов. Иначе говоря, один геометрический градус соответствует р электрическим градусам. В дальнейшем все углы будем выражать только в электрических градусах. При вращении якоря в синусоидальном поле в проводниках обмотки якоря наводятся ЭДС, изменяющиеся во времени тоже синусоидально. Такие ЭДС можно изображать векторами, равными по величине амплитуде ЭДС и вращающимися против часовой стрелки с угловой частотой Проекция вектора ЭДС на ось ординат дает мгновенное значение ЭДС. Поскольку проводники и секции обмотки распределены по окружности якоря равномерно, то каждая секция смещена относительно соседней на угол

Возможно вам будут полезны данные страницы:

На такой же угол будут сдвинуты относительно друг друга и векторы ЭДС активных сторон секций. При считают, что все активные стороны секций одного реального паза занимают одинаковое положение в магнитном поле и их ЭДС совпадают по фазе. Векторы ЭДС всех активных сторон составляют звезду, называемую звездой пазовых ЭДС. Отдельные векторы звезды могут совпадать: это векторы ЭДС активных сторон одного реального паза и векторы ЭДС реальных пазов, сдвинутые в магнитном поле на то есть на 360 эл. град. По звезде пазовых ЭДС можно построить звезду ЭДС секций. В связи с тем, что активные стороны секции соединены концами (рисунок 1.6, а), вектор ЭДС секции получают геометрическим вычитанием векторов ЭДС её активных сторон. В стороне (рис. 1.6, а), расположенной под осью полюса, индуктируется наибольшая по величине ЭДС, направленная вверх. Изобразим её вектором , совпадающим с положительным направлением оси ординат (рисунок 1.6, б). Во второй стороне секции наводится ЭДС, направленная по контуру секции вниз. Её можно изобразить вектором . При диаметральном шаге вектор отставал бы от вектора на 180 эл. град. При удлинение шага составляет в данном случае половину пазового деления, следовательно, угол между векторами и равен эл. град. Для определения вектора ЭДС секции 1 необходимо к вектору ЭДС левой стороны прибавить повернутый на вектор ЭДС правой стороны секции . Если бы шаг секции был укороченным, то угол между векторами и составил бы эл. град. (рис. 1.6, в).Из рис. 1.6. видно, что при удлиненном и укороченном шаге величина ЭДС секции меньше максимально возможного значения, равного удвоенному значению ЭДС стороны секции. При заданном направлении вращения якоря против часовой стрелки за секцией 1 следует секция 2, затем секция 3 и так далее со сдвигом на пазовый угол . Следовательно, векторы ЭДС секций 2,3 и так далее можно изобразить векторами, смещенными относительно вектора ЭДС секции 1 на угол ; 2 и так далее против направления вращения (рис. 1.6, а).

Векторы ЭДС секций, расположенных под одной парой полюсов, образуют правильную звезду. При наличии в машине р пар полюсов можно получить р звезд ЭДС, накладывающихся на первую, либо сдвинутых относительно неё на некоторый угол, кратный . Все секции обмотки якоря соединены между собой последовательно так, что к концу предыдущей секции присоединяется начало следующей. В этом случае, складывая геометрически векторы ЭДС секций в соответствии со схемой обмотки, из звезды ЭДС можно получить один или несколько многоугольников ЭДС.

Если число параллельных ветвей обмотки 2а = 2 (простая волновая обмотка), то многоугольник будет один. При 2а = 2р (простая петлевая обмотка) многоугольников будет р и так далее. Многоугольники вращаются с той же угловой частотой , что и векторы ЭДС секций. Анализ многоугольников позволяет сделать ряд выводов по качеству обмотки якоря. В частности, можно определить величину напряжения между коллекторными пластинами и равнопотенциальные точки, проверить симметричность обмотки и правильность установки щеток, пульсацию напряжения на щетках и так далее…

Вопросы для самопроверки:

1. Что такое обмотка якоря машины постоянного тока?

2. Назначение обмотки якоря и требования, предъявляемые к ней.

3. Дать определение секции обмотки якоря и назвать её составные элементы.

4. Указать типы обмоток, применяемых в машинах постоянного тока.

5. В каких положениях относительно полюсов в проводнике вра-щающегося якоря при холостом ходе машины индуктируется максимальная ЭДС и ЭДС, равная нулю?

6. Из каких соображений выбирается ширина секции обмотки якоря?

7. Что такое элементарный паз и в чем его отличие от реального паза?

8. Дать определение шагов обмотки якоря (у1; у2; у; ук).

9. Как выполняются развернутая и упрощенная схемы обмотки?

10. Как устанавливаются щетки на коллекторе машины постоянного тока?

11. Как определяется полярность щеток?

12. Что такое параллельная ветвь обмотки якоря?

13. Чему равны ЭДС параллельной ветви и машины в целом?

14. Как изменится ЭДС генератора, если щетки сдвинуть по направлению (против направления) вращения на 1-2 коллекторных деления?

15. Назвать условия симметрии обмоток.

16. Как строится звезда и многоугольник ЭДС секций?

17. Что позволяет определить многоугольник ЭДС?

18. Указать типы уравнительных соединений.

19. В каких обмотках применяются уравнительные соединения?

20. Почему в простых волновых обмотках уравнительные соединения не нужны?

21. Из каких соображений выбирается тип обмотки якоря при проектировании машины?

Межвитковые замыкания

Такой вид замыканий представляет собой соединение витков внутри обмотки вследствие повреждения изоляции обмоточных проводов. Чаще всего межвитковые замыкания происходят при повреждении изоляции проводников во время рихтовки и осадки катушек, при укладке обмотки, из-за попадания припоя или стружки между витками, при пробое обмотки на корпус, вследствие перекрещивания проводов в пазовой части при всыпной обмотке и тому подобное.

Межвитковые замыкания могут быть в одной или нескольких секциях якоря или между секциями вследствие замыкания смежных пластин коллектора. При замыкании между концами секции или между пластинами коллектора, а также при соединении между собой отдельных витков секции в обмотке якоря образуются замкнутые контуры.

В петлевой обмотке замыкание между двумя смежными пластинами вызывает замыкание только секции, которая присоединена к этим пластинам, и число действующих в обмотке витков уменьшается на число витков, заключающихся в одной секции.

В волновой обмотке замыкание между двумя смежными пластинами вызывает замыкание ряда секций, которые заключены в одном полном обходе вокруг якоря. Число их равно числу пар полюсов машины.

В короткозамкнутых контурах при вращении их в магнитном поле индуктируется электродвижущая сила (ЭДС), которая вызывает большие токи короткого замыкания вследствие малого сопротивления этих контуров. Короткозамкнутые витки, появившиеся во время работы машины, сильно разогреваются проходящим через обмотку током и обычно сгорают.

Как определить межвитковое замыкание электродвигателя? У якорей с волновой обмоткой, а также в обмотках, имеющих уравнительные соединения при значительном числе замкнутых секций, невозможно по нагреву определить короткозамкнутую ветвь, так как нагревается весь якорь. Иногда место витковых замыканий может быть обнаружено при внешнем осмотре по обуглившейся и сгоревшей изоляции секции.

Наиболее простые и часто встречающиеся случаи (например, замыкания витков одной секции, между соседними коллекторными пластинами или же между соседними секциями, находящимися в одном слое обмотки) обнаруживаются по падению напряжения, прослушиванием и другими способами.

Способ определения повреждений по падению напряжения

Такой способ (рисунок 3) заключается в следующем. К паре коллекторных пластин 1 подводится постоянный ток с помощью щупов 3. Щупами 2 измеряют падение напряжения на этой же паре пластин. При замыкании в секции, которая присоединена к проверяемой паре пластин, получается меньшее падение напряжения при одном и том же токе, чем на другой паре пластин, между которыми нет замыкания. Чем больше короткозамкнутых витков, тем меньше падение напряжения. Наименьшее падение напряжения (или равное нулю) будет при замыкании между самими коллекторными пластинами.

Таким образом проверяется весь якорь и производится сравнение результатов измерений. Проверку якоря следует производить при поднятых щетках. Параметры схемы такие же, как и на рисунке 2, а.

Чтобы предупредить повреждение милливольтметра (рисунок 3), необходимо сначала прикладывать к коллектору щупы 3, а затем щупы 2; отнимать щупы нужно в обратном порядке.

Хорошие результаты этот способ дает при определении замыканий между витками в секции с небольшим количеством витков (стержневые обмотки). В многовитковых секциях при замыкании одного-двух витков разница в показаниях милливольтметра на коллекторных пластинах исправной секции и поврежденной может оказаться незначительной.

На рисунке 4 показаны схемы для определения межвитковых замыканий с помощью телефона и стальной пластины. Испытательная установка состоит из электромагнита 1, питаемого переменным током повышенной частоты. Якорь 3 устанавливают над электромагнитом. При межвитковом замыкании в какой-либо секции в ней будет проходить большой ток, что обнаружится по нагреву. С помощью телефона 2 и электромагнита 4 можно быстро определить паз с поврежденной секцией. При исправных секциях обмотки в телефоне 2 слышен слабый, одинаковой силы звук. Если же одна из секций имеет межвитковое замыкание, то звук в телефоне заметно усиливается.

Рисунок 4. Проверка якоря на межвитковое замыкание. а – с помощью телефона; б – с помощью стальной пластины

Для полной проверки обмотки нужно переставлять электромагнит 4 по зубцам якоря, пока последний не будет обойден кругом. Если к зубцам сердечника, охватывающим неисправную секцию, поднести тонкую стальную пластину 5 (рисунок 4, б), то она начнет дребезжать. Этим способом обнаруживается замыкание смежных пластин коллектора, которое вызывает те же явления, что и межвитковое замыкание.

Для определения межвитковых замыканий может быть использована схема, показанная на рисунке 2, в. Для этого второй проводник присоединяют не к валу, как показано на рисунке, а к коллекторной пластине. Провода от телефона 1 присоединяют к двум смежным пластинам.

Секцию, имеющую витковое замыкание, обычно заменяют новой. Переизолировкой одного лишь места замыкания можно ограничится только в случае неполного контакта в месте замыкания, да и то при отсутствии иных повреждений изоляции.

В случае необходимости (в качестве временной меры) при небольшом числе коллекторных пластин производят выключение из работы поврежденных секций. Выключение одной секции не отражается заметным образом на коммутации машины.