Какая часть обмотки якоря называется активной

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 alt=»Теория якорных обмоток машин постоянного тока» />или многовитковые alt=»Теория якорных обмоток машин постоянного тока» />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:

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.

Для нормальной работы машины

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?

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Обмотки якоря машины постоянного тока

Для работы машины постоянного тока необходимо наличие двух обмоток; обмотки возбуждения и обмотки якоря. Первая, как известно, служит для создания в машине основного магнитного потока, а во второй происходит преобразование энергии. Обмотка якоря является замкнутой системой проводников, уложенных в пазах.

Элементом якорной обмотки является секция, которая может быть одно- или многовитковой. Секция состоит из активных сторон и лобовых частей. При вращении якоря, в каждой из активных сторон индуцируется ЭДС, величина которой равна:

то есть она зависит от магнитной индукции полюсов ВСР, длины проводника L и скорости его движения V. В реальной машине, будь она генератором или электродвигателем, в наведении ЭДС участвуют все проводники обмотки якоря. Величина суммарной ЭДС:

где n — скорость вращения якоря (ротора), об/мин;
Ф — магнитный поток полюсов;
С_е — постоянный коэффициент, зависящий от количества витков в секции.
Обмотка якоря может быть петлевой и волновой. Петлевая обмотка, если ее изобразить в развернутом виде, имеет следующий вид:

Петлевая обмотка якоря машины постоянного тока

Расстояние между активными сторонами одной секции называется первым шагом обмотки — y₁. Расстояние между началом второй секции и концом первой называется вторым шагом обмотки — у₂. Расстояние между, началами секций, следующих друг за другом, называется результирующим шагом — у. Шаги обмотки определяются числом пазов. Расстояние между коллекторными пластинами, куда припаиваются начало и конец, принадлежащие одной секции, называется шагом по коллектору — у_к. В петлевой обмотке у_к= 1. Шаг у_к определяется числом коллекторных пластин. Развернутая волновая обмотка имеет вид:

Волновая обмотка якоря машины постоянного тока

Форма волновой обмотки отлична от петлевой и, следовательно, будет иное соединение секций. Однако шаги волновой обмотки имеют общее с петлевой определение. Шаг по коллектору здесь значительно больше единицы (у_к >> 1).

Машины постоянного тока

К сожалению, здесь только текст без рисунков и формул.
Лекцию "Основы теории машин постоянного тока" с рисунками и формулами можно найти, если перейти по ссылке Электрические машины, размещенной в конце моей страницы Прозы.ру.

Лекция 5. Основы теории машин постоянного тока
§1 Коллекторный тип машины постоянного тока
П1 Принцип работы машины постоянного тока

Принцип работы генератора постоянного тока рассмотрим на примере простейшего одновиткового генератора с одной парой полюсов и одной парой щеток изображен на рисунке 40 .

Рис.40 Модель генератора постоянного тока

Его коллектор, состоит из двух полуколец. Когда, в процессе вращения якоря, в одновитковой обмотке меняется направление индуцируемой ЭДС, тогда полукольца меняют щетки. Выпрямленное напряжение такого генератора представляет собой пульсирующее напряжение одной полярности составленное из половинок синусоиды. Обычно, коллектор представляет собой цилиндрическую конструкцию, набранную из множества медных пластин — ламелей, расположенных вдоль образующей цилиндра (рисунок 41).

Рис.41 Разрез коллектора. Ламель

Ламели изолированы друг относительно друга. Коллекторные пластины соединены с секциями обмотки якоря. Секцией называется часть обмотки якоря непосредственно соединенная с двумя коллекторными пластинами. (1) Как правило, щетка представляет собой, снабженный гибким токоотводом, графитовый или медно-графитовый параллелепипед, скользящий в процессе вращения якоря по ламелям коллектора. Щетки расположены так, что соприкасаясь со следующими по ходу вращения секциями обмотки, обеспечивают практически постоянное максимальное напряжение между щетками. В этом случае, выпрямленное напряжение состоит из верхушек синусоиды, и, при достаточном числе ламелей коллектора, напряжение между щетками можно считать постоянным.
По свойству обратимости электрических машин, рассмотренная конструкция будет работать в двигательном режиме, если подвести постоянное напряжение к щеткам.
Вспомнив изученное в разделе синхронные машины, можно сделать вывод, что генератор постоянного тока можно определить, как снабженный механическим выпрямителем обращенный синхронный генератор с индуктором на статоре (станине) и обмоткой на роторе (якоре). В обмотке индуктора ( полюсов) протекает постоянный ток. В обмотке якоря, так же, как в обмотке статора синхронного генератора, индуцируется переменный ток. Переменный ток якоря выпрямляется с помощью механического выпрямителя — коллектора.(2)
Аналогично, двигатель постоянного тока может рассматриваться, как обращенный синхронный двигатель с коллектором, преобразовывающим постоянный ток сети в переменный ток в обмотках. Переменный ток в витке простейшего двигателя постоянного тока необходим для того, чтобы направление вращающего момента, действующего на рамку с током в магнитном поле, оставалось неизменным при каждом полуобороте рамки. Таким образом, в двигателе постоянного тока коллектор выполняет функции инвертора, то есть преобразователя постоянного тока в переменный.(3)
П2 Конструкция якоря машины постоянного тока (4)
Обычно, якорь представляет собой конструкцию из двух соосных цилиндров, сидящих на одном валу. Один цилиндр — коллектор, набранный из медных ламелей, второй — сердечник якоря. Ламель коллектора (рисунок 41) представляет собой фигурную конструкцию трапециевидного сечения. Ламели, разделенные слоями миканита, специального изоляционного материала на основе слюды, набираются по окружности вала якоря. Специальные выступы (петушки) на коллекторе служат для присоединения к секциям обмотки якоря. Рядом с коллектором на валу якоря находится сердечник якоря. Так как в обмотке якоря течет переменный ток, то его, для уменьшения потерь на вихревые токи, набирают из штампованных листов электротехнической стали.(рисунок 42).

Рис. 42 Лист стали сердечника якоря

По окружности листов имеются пазы под якорную обмотку, а вокруг центрального отверстия находятся отверстия вентиляционных каналов. В крупных машинах сердечник собирается из пакетов, толщиной 30 -50 миллиметров, разделенных воздушными промежутками, играющих роль вентиляционных каналов. В пазы сердечника якоря, идущие параллельно оси, или с некоторым скосом, укладывается изолированный провод обмотки. Концы секций обмотки со стороны коллектора закрепляются пайкой на петушках. Фрагменты обмотки , выходящие за пределы пазов со стороны противоположной коллектору, называются лобовыми частями. Обычно, сразу за лобовыми частями, на вал якоря насаживается крылатка вентилятора.
П3 Конструкция неподвижной части машины постоянного тока(5)
Неподвижная часть машины постоянного тока, как правило, включает в себя станину 19, главные полюса 11, щеточный аппарат 3,4 и подшипниковые щиты 1,17 (рисунок 43).

Рис.43 Конструкция машины постоянного тока

Станина является конструктивной основой машины, а также выполняет функцию части магнитопровода. К станине крепятся остальные части машины. Она , обычно, выполняется из толстых листов катаной стали и имеет вид полого цилиндра с крепежными лапами. У крупных машин станина делается разъемной.
Главные полюса создают основное магнитное поле машины, то есть являются индуктором. Сердечники главных полюсов (полюсные башмаки) набирают из листов электротехнической стали. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет расширение — полюсный наконечник, для облегчения проведения магнитного потока через воздушный зазор машины.
На сердечник главных полюсов укладывается обмотка индуктора.
Подшипниковые щиты удерживают подшипники, в которых вращается якорь, и предохраняют от попадания внутрь машины посторонних предметов. Со стороны коллектора, подшипниковый щит удерживает траверсу (рис 44) со щеточным аппаратом.

Рис. 44 Щеточная траверса и щеткодержатель

Траверса позволяет перемещать щеточный аппарат вдоль или против направления вращения. На траверсе укреплены стержни — щеточные пальцы, к которых закреплены щеткодержатели со щетками. Щетки прижимаются к коллектору пружинами щеткодержателей, и, по мере износа от трения по коллектору, могут перемещаться в обойме щеткодержателя.

Вопросы для самоконтроля.
1 Что такое секция обмотки якоря? (1).
2. Каково назначение коллектора генератора постоянного тока? (2)
3. Каково назначение коллектора двигателя постоянного тока?(3)
4. Расскажите устройство якоря машины постоянного тока (4)
5. Расскажите об устройстве неподвижных частей МПТ. (5)
§2 Обмотки и ЭДС якоря машины постоянного тока
П1 Кольцевые и барабанные якоря.
В зависимости от способа укладки обмотки различают якоря кольцевые и барабанные. В кольцевых якорях обмотка навивается как на кольцо, так что проводники проходят как снаружи, так и внутри кольцевого ферромагнитного каркаса якоря. В барабанных якорях обмотка навивается на сердечник якоря, как на барабан, так что витки проходят только по наружной поверхности сердечника якоря.(1) В настоящее время кольцевые якоря не применяются, ибо проводники, проходящие внутри ферромагнитного каркаса якоря, не работают, так как экранированы от магнитного поля индуктора. Однако, с методической точки зрения, кольцевой якорь очень удобен, так как принцип укладки его обмотки воспринимается значительно легче. Поэтому принято, первоначальные объяснения способов построения якорных обмоток, проводить на примере кольцевых якорей.
П2 Простейшая обмотка кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами. (2)
Представим себе кольцевой ферромагнитный сердечник с шестью пазами на внешней стороне, равномерно распределенными параллельно оси вдоль окружности. На кольцо наложены шесть витков провода, соединенных один за другим. Наружная (прямая) сторона каждого витка уложена в свой паз и называется активной стороной. Обратная сторона каждого витка не является активной стороной, так как лежит внутри кольца, вне магнитного поля полюсов. Сердечник с обмоткой надет на ось якоря. На оси якоря закреплен коллектор, состоящий из шести ламелей. Сторона витка лежащая в пазу присоединена к своей коллекторной пластине. На рисунке 45 представлен развернутый вид такой конструкции.

Рис. 45 Развернутый вид простой петлевой обмотки кольцевого якоря

Пунктиром отмечено расположение полюсов для фиксированного момента времени. В процессе вращения якоря щетки и полюса перемещаются относительно витков обмотки. Щетки сдвинуты на 90 градусов от плоскости проходящей через центры полюсов и ось машины. В этом случае, для фиксированного момента времени, 1, 2 и 3 секции расположены под северным , а 4, 5 и 6 секции под южным полюсом. Если считать, что проводники относительно полюсов движутся влево, то направление действия ЭДС и знаки щеток соответствуют рисунку. Обмотка якоря состоит из двух параллельных ветвей, показанных на рисунке 45 справа. Если внешняя цепь генератора замкнута, то ось магнитного поля тока якоря сдвинута относительно магнитной оси полюсов на 90 градусов по направлению вращения якоря, размагничивая тот край полюса, на который проводник набегает и намагничивая тот , с которого проводник сбегает.
П3 Звезда ЭДС простейшей петлевой обмотки кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами
Будем считать, что распределение магнитной индукции вдоль зазора машины постоянного тока от магнитного поля полюсов подчиняется синусоидальному закону. Направление вектора магнитной индукции везде перпендикулярно зазору. Под центром северного полюса вектор магнитной индукции максимален и входит в якорь. Под центром южного полюса — выходит из якоря. В точках, сдвинутых на 90 электрических градусов от магнитной оси полюсов, магнитная индукция равна нулю. Электродвижущие силы, индуцируемые в каждой секции обмотки, изменяются по синусоидальному закону, фаза ЭДС каждой секции зависит от ее расположения относительно магнитной оси.
Будем считать, что секция 1 миновала максимум синусоиды магнитной индукции и уходит из под северного полюса. Секция 2 проходит максимум индукции под северным полюсом, а секция 5 проходит максимум индукции под южным полюсом. Тогда для момента , изображенного на рисунке 45 фаза ЭДС в первой секции равна 150 градусов, фаза ЭДС во второй секции — 90 градусов, в третьей — 30 градусов, в четвертой -330 градусов, в пятой — 270 градусов и в шестой — 210 градусов. Векторная диаграмма ЭДС секций якоря, носящая название звезды пазовых ЭДС, изображена на рисунке 46. (3)

Рис. 46 Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки

Если вспомнить, что ламели отделены одна от другой слоями изоляции, то становится понятно, что первая, вторая и третья секции включены последовательно и образуют одну ветвь. Вторая ветвь состоит из четвертой, пятой и шестой последовательно соединенных секций. Первая и вторая ветви соединены между собой параллельно и подключены, в рассматриваемый момент, к одной паре ламелей 1-4. Первая ламель соединена со щеткой минус, четвертая ламель – со щеткой плюс. Вектор ЭДС ветви может быть получен геометрическим суммированием векторов соответствующих ЭДС секций. По общему правилу, проекция результирующего вектора на ось ординат дает действующее значение ЭДС ветви. Анализируя звезду пазовых ЭДС можно видеть, одну из причин, почему щетки устанавливают по линии геометрической нейтрали: В ветвях ЭДС секций действуют согласно и результирующая ЭДС ветви максимальна. Наоборот, если щетки установлены под центрами полюсов, то проекция результирующего вектора ЭДС ветви на ось ординат равна нулю, а, значит, равно нулю действующее значение ЭДС ветви.
Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки с одной парой полюсов, но с другим числом пазов и секций может отличаться только масштабом и числом лучей. Второй причиной установки щеток на нейтрали является желательность иметь переключение секций, при скольжении ламелей возле щеток, когда ток в секции проходит через нуль.
П4 Звезды ЭДС петлевой обмотки многополюсной машины
Число пар полюсов машины постоянного тока равно числу геометрических нейтралей, и машине постоянного тока с простой петлевой обмоткой на кольцевом якоре, имеющей n пар полюсов, требуется n пар щеток. Звезда пазовых ЭДС простой петлевой обмотки кольцевого якоря, установленного в машину с другим числом пар полюсов, будет отличаться от исходной. Например, якорь с 24 пазами и 24 коллекторными пластинами в машине одной парой полюсов будет иметь двадцатичетырехлучевую звезду пазовых ЭДС . Этот же якорь в машине с двумя парами полюсов имеет двойную двенадцатилучевую звезду, а с тремя парами полюсов — тройную восьмилучевую звезду. При четырех парах полюсов векторная диаграмма ЭДС секций обмотки якоря состоит из четырех шестилучевых звезд. Таким образом, машина с n пар полюсов и простой петлевой обмоткой якоря имеет n пар параллельных ветвей.(4) Векторная диаграмма ЭДС секций ее обмотки состоит из n одинаковых звезд пазовых ЭДС. Число лучей для каждой звезды можно получить, разделив число пазов якоря на число пар полюсов.
П5 Волновая обмотка кольцевого якоря
Для многополюсной машины возможно такое построение обмотки, когда после первого витка переходят не к следующему по порядку пазу, а к пазу лежащему под следующей парой полюсов примерно на таком же месте, и только пройдя под всеми одноименными полюсами переходят к пазу соседнему с первым. Для того, чтобы все шаги от одного одноименного полюса к другому были одинаковой длины необходимо, чтобы выполнялось равенство
(5)
Здесь, z — число пазов ротора, n — число пар полюсов, k- целое число, число пазов по ротору между следующими друг за другом по схеме обмотки витками. Если то после обхода по окружности якоря провод обмотки прейдет к следующему от первого по ходу обмотки пазу. В противном случае провод обмотки прейдет к предыдущему пазу.
Каждая секция волновой обмотки состоит из n витков. (6)Так как положение витков одной и той же секции относительно одноименных полюсов не совсем одинаково ( — дробное число), то сложение ЭДС витков в секции следует производить геометрически. Векторная диаграмма ЭДС секций волновой обмотки всегда представляет собой одинарную звезду. Простая волновая обмотка машины постоянного тока имеет одну пару параллельных ветвей и может иметь одну пару щеток. Но если машина большой мощности, то для улучшения условий токосъема ставят n пар щеток, по числу пар полюсов. Для машин малой мощности ограничиваются одной парой щеток
П6 Особенности обмоток барабанных якорей
В настоящее время кольцевые якоря не применяются, так как в них неэкономично используются обмоточный провод.(7) Участвует в процессе преобразования энергии только одна, активная сторона каждого витка обмотки. В барабанных якорях обе половины каждого витка находятся в магнитном поле полюсов, одна под северным, а другая под южным полюсом. Таким образом, в каждом пазу барабанного якоря находится две активных стороны . На рисунке 47 представлена развернутая волновая обмотка барабанного якоря с двенадцатью пазами , двумя парами полюсов и двенадцатью коллекторными пластинами.

Рис.47 Простая волновая обмотка барабанного якоря

Сплошной линией показана одна (прямая) сторона витка, пунктирной линией — вторая (обратная). Также как в обмотке кольцевого якоря, каждая прямая половина витка соединена с одноименной коллекторной пластиной. В пятом пазу лежит прямая сторона пятого витка, соединенная с пятой коллекторной пластиной, и обратная сторона второго. Обратная сторона пятого витка лежит в восьмом пазу вместе с прямой стороной восьмого витка, присоединенной к восьмой коллекторной пластине. Обратная сторона восьмого витка лежит в одиннадцатом пазу вместе с прямой стороной одиннадцатого витка, присоединенной с к одиннадцатой коллекторной пластине. Таким образом, обе стороны каждого витка являются активными, поэтому лучи звезды ЭДС обмотки барабанного якоря будут длиннее соответствующих лучей звезды обмотки кольцевого якоря в два раза.

Рис. 48 Схема параллельных ветвей волновой обмотки барабанного якоря

На рисунке 48 представлена схема параллельных ветвей этой обмотки, а на рисунке 49 – звезда пазовых ЭДС.

Рис. 49 Звезда пазовых ЭДС волновой обмотки

П7 Электрическая нейтраль, полезный магнитный поток и ЭДС якоря
Будем считать, что распределение индукции в зазоре машины от магнитного поля полюсов подчиняется синусоидальному закону. Геометрической нейтралью называют линию, повернутую на 90 электрических градусов от оси магнитного полюса.(8) На геометрической нейтрали в зазоре машины магнитная индукция полюсов равна нулю.
Если щетки стоят по линии геометрической нейтрали ( то есть, коммутируют секции обмотки якоря проходящие геометрическую нейтраль), то потокосцепление обмотки якоря с магнитным полем полюсов максимально. При сдвиге щеток с геометрической нейтрали потокосцепление уменьшается и при расположении щеток на магнитной оси машины потокосцепление якоря от магнитного поля полюсов равно нулю. В теории электрических машин принято интерпретировать уменьшение потокосцепления обмотки якоря при сдвиге щеток с нейтрали, как уменьшение полезного магнитного потока полюсов. (9)Электродвижущую силу, индуцируемую в обмотке якоря, определяют по полезному магнитному потоку, используя следующую формулу

Здесь р- число пар полюсов, n — число оборотов якоря в секунду, N — число проводников в пазах обмотки, а — число пар параллельных ветвей, Ф — полезный магнитный поток полюсов. Обозначив, имеем:
(10)
Здесь — частота вращения якоря в радиан в секунду.
Вопросы для самоконтроля.
1. Чем отличаются кольцевые якоря от барабанных? (1)
2. Как устроена простейшая обмотка кольцевого якоря с одной парой полюсов, шестью пазами и шестью коллекторными пластинами? (2)
3. Что такое звезда пазовых ЭДС? (3)
4. Сколько параллельных ветвей имеет четырехполюсная машина с простой петлевой обмоткой? (4)
5. Какое условие должно выполняться для обеспечения равенства шагов волновой обмотки якоря? (5)
6. Сколько витков содержит секция волновой обмотки четырех полюсной машины? (6)
7. Почему кольцевые якоря в настоящее время не применяются? (7)
8. Что такое геометрическая нейтраль машины? (8)
9. Как изменяется полезный магнитный поток при сдвиге щеток с геометрической нейтрали? (9)
10. Запишите формулу ЭДС якорной обмотки в функции частоты вращения якоря и полезного магнитного потока .(10)
§3 Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока
П1 Энергетическая диаграмма генератора постоянного тока
Нарисуем схему замещения генератора постоянного тока в виде идеального источника постоянного напряжения и резистора внутреннего сопротивления (рисунок 50 а).

Рис. 51 Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока

На рисунке стрелками показаны условно положительные направление тока напряжения и ЭДС, выбранные так, что условно положительное направление ЭДС совпадало с истинным направлением этой величины и противоположно напряжению генератора. В соответствии с законом Ома для участка цепи с ЭДС имеем:
Индексы при обозначениях величин задают их условно положительное направление.
Умножим левую и правую части равенства на ток

Или (1)
Мощность, стоящая в левой части равенства (1), называется электромагнитной мощностью, передаваемой через зазор в якорь генератора постоянного тока . Она больше электрической мощности , отдаваемой в сеть на величину электрических потерь от протекания тока по внутреннему сопротивлению генератора. В свою очередь, электромагнитная мощность генератора меньше подводимой к нему механической мощности на величину механических потерь в генераторе. Это иллюстрирует энергетическая диаграмма генератора постоянного тока, изображенная на рисунке 50 б. (1)

Обмотки якоря машины постоянного тока

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.

Принцип составления схем якорных обмоток

При составлении схемы обмотки якоря машины постоянного тока для получения в этой обмотке максимально возможной ЭДС необходимо соединять последовательно между собой секции, имеющие примерно одинаковые значения ЭДС одного направления. Это возможно в двух случаях:

1) последовательноесоединение между собой секций, расположенных под одним полюсом (в частном случае простой петлевой обмоткисекции размещаются в соседних пазах);

2) последовательное соединение между собой секций, расположенных под одноименными полюсами и находящихсядруг относительно друга примерно на расстоянии двойного полюсного деления (волновые обмотки).

Из этого следует, что якорные обмотки машин постоянного тока могут иметь только два основных типа.

Петлевые обмотки

Для получения основных соотношений в простой петлевой обмотке составим предварительно фрагмент схемы этой обмотки безотносительно к конкретному числовому значению ее первогочастичного шага , например, при = 3 (рис. 2.4). На принципиальных схемах секции якорных обмоток изображаются, как правило, одновитковыми. Для наглядного изображения схем якорных обмоток цилиндрическую поверхность якоря вместе с обмоткой и коллектором развертывают на плоскость. Диаметр коллектора принимается равным диаметру якоря. Полученная таким путем схема обмотки называется развернутой.

В соответствии с числовым значением первого частичного шага =3 активные стороны первой секции располагаются в пазах 1

и
4
. Для удобства левые половины секцийобмотки изображаются на схемах сплошными линиями, а правые пунктирными. Выводы секции в простой петлевой обмотке присоединяются к двум соседним коллекторным пластинам (в данном случае к пластинам
1
и
2
).

В простой петлевой обмотке последовательно соединенные секции всегда располагаются в соседних пазах. В данном случае конец первой секции соединяется через коллекторную пластину 2

с началом второй секции, начальная активная сторона которойнаходится в пазу
2
. Секция
2
занимает пазы
2
и
5
, а ее выводы присоединены к коллекторным пластинам
2
и
3
.

Взаимное расположение на схеме двух последовательно соединенных секцийобмоткиопределяетсявторым частичным шагом и результирующим шагом обмотки . Второй частичный шаг равен числу зубцов, расположенных между пазами, в которых расположены конечная активная сторона одной секции и начальная активная сторона секции,с ней последовательно соединенной (рис. 2.4; =2). Результирующий шаг обмотки определяет расстояние в зубцах между пазами, в которых расположены начальные активные стороны двух последовательно соединенных секций (рис. 2.4; = 1).

Кромешагов обмоткипо якорю вводится в рассмотрение шаг обмоткипо коллектору , измеряемый числом коллекторных делений, заключенныхмежду серединами коллекторных пластин, к которым присоединены начальнаяи конечная стороны одной секции. Для фрагмента схемы, представленной на рис. 2.4, =1.

Определения для всех шагов обмотки по якорю , и , а также для шага по коллектору справедливы для всех типов якорных обмоток.

В соответствии с рис. 2.4 можно составить соотношение между шагами по якорю для простой петлевой обмотки:

Также для простой петлевой обмотки всегда

Это значит, что в простой петлевой обмотке последовательно соединенные секции всегда расположены в соседних пазах. В общем случае = 1. При знаке (+) обмотка правая, а при знаке (–) – левая, когда следующая секция располагается слева от исходной секции. На практике преимущественно используются правые обмотки.

Для любой якорной обмотки машины постоянного тока справедливо соотношение

т. е. при составлении схемы обмотки при переходе от одной секции к другой сдвиг по якорю должен равняться сдвигу по коллектору. Применительно к простой петлевой обмотке,выводы или концы любой секции всегда присоединяются к двум соседним коллекторным пластинам.

В качестве примера составим развернутую схему простой петлевой обмотки со следующими данными: число секций обмотки якоря =15, число коллекторных пластин всегда равно числу секций и поэтому =15 и число зубцов (пазов) якоря =15, т.е. в каждом пазу размещаются только две активные стороны двух различных секций. Число полюсов машины =4.

При составлении схемы любой обмотки якоря необходимо выполнить в учебных целях следующие действия:

1) рассчитать все шаги обмотки;

2) составить развернутую схему обмотки;

3) расставить на схеме геометрические нейтрали и полюсы;

4)выбрать направление перемещения схемы обмотки и указать направление ЭДС в активных сторонах секций обмотки якоря;

5) составить электрическую схему соединений секций обмотки якоряс указанием направлений ЭДС в секциях;

6) расставить щетки на коллекторе на развернутой схеме;

7) составить вторую электрическую схему соединений секций обмотки, указав на ней параллельные ветви;

сформулировать основные свойства простой петлевой обмотки.

Рассчитаем шаги обмотки якоря. Первый частичный шаг = /2p

== =3 или 4. Выбираем укороченный шаг =3. Для простой петлевой обмотки результирующий шаг =1, и тогда второй частичный шаг в соответствии с выражением (2.3) = – =3 – 1=2. Шаг обмотки по коллектору для любой якорной обмоткис учетом выражения (2.5) =1. По этим данным составляем развернутую схему обмотки, которая представлена на рис. 2.5.

Рис.2.5
Составление схемы начинаем с паза 1

, в котором размещаем начальную активную сторону секции
1
, а ее конечная активная сторона располагается в соответствии с первым частичным шагом =3 в пазу
4
. Выводы секции
1
присоединены к коллекторным пластинам
1
и
2
в соответствии с шагомобмотки по коллектору =1. С учетом шагов и =1 размещаем секцию
2
, занимающую пазы
2
и
5
. Начало секции
2
через коллекторную пластину
2
соединено с концом секции
1
. И в таком порядке составление схемы продолжается до последней секции
15
. Конечная активная сторона этой секции через коллекторную пластину
1
соединяется с началом секции
1
.Таким образом,после укладки всех 15 секций простая петлевая обмотка оказывается замкнутой, т.е. образует замкнутый электрический контур.

Полюсный шаг в зубцах = /2p

=15/4=3 , и на развернутой схеме размещаем геометрические нейтрали ГН с интервалом друг относительно друга. Затем наносим контуры полюсов в виде прямоугольников с интервалом , полагая, что они размещаются над проводниками.

Предположим,что якорь вместе с обмоткой перемещается относитель-

но неподвижных полюсов слева направо с линейной скоростью . Для удобства выберем такой момент времени взаимного расположения движущегося якоря и неподвижных полюсов, когда один из полюсов, например, северный N

, размещается симметрично относительно секции
2
, т.е. оси секции
2
и полюса
N
совпадают. По правилу правой руки определяем направление ЭДС в активных сторонах секций и на схеме указываем это направление стрелками. В проводниках, расположенных под северными полюсами, ЭДС направлена вверх, а в проводниках под южными полюсами – вниз.

На основании развернутой схемы составим электрическую схему этой обмотки, представленную на рис. 2.6. Эта схема составлена в полном соответствии с развернутой схемой, и секции на ней соединены последовательно в том же порядке. При этом предполагалось, что начало любой секции находится слева от нее, если делать обход по часовой стрелке. Электрическая схема, как и развернутая, образует замкнутый контур. Из электрической схемы видно, что простая петлевая обмотка состоит из нескольких участков, в пределах каждого из которых последовательно соединенные секции имеют одинаковое направление ЭДС, а результирующие ЭДС соседних участковнаходятся в противофазе.Каждый из этих участков состоит из секций,расположенных в данный момент времени под одним из полюсов. Так, например, секции 13

,
14
,
15
и
1
расположены под левым южным полюсом, а секции
2,3
,
4
и
5
– под соседним справа северным полюсом, что и обуславливает смену направления ЭДС в секциях
2–5
относительно секций
13–1
.

В данном случае число участков обмотки с одинаковым направлением ЭДС равно 4, как и 2р

= 4. Если увеличим число секций обмотки якоря при фиксированном числе полюсов, то возрастет число секций, приходящихся на один полюс, следовательно, увеличится длина каждого участка из секций с одинаковым направлением ЭДС, а число участков не изменится. Если же при фиксированном числе увеличить число полюсов, то уменьшится число секций обмотки под каждым полюсом, но возрастет число участков. Таким образом, в простой петлевой обмотке число участков обмотки, состоящих из секций с одинаковым направлением ЭДС,всегда равно числу полюсов.

Значение и направление ЭДС в секциях обмотки якоря определяется законом электромагнитной индукции и не зависит от положения щеток на коллекторе, а разность потенциаловмежду соседними разнополярными щетками существенно зависит от положения щеток на коллекторе. Эта разность потенциалов будет наибольшей, когда между соседними щетками будут находиться секции с одинаковым направлением ЭДС в них.

Исходя из этого, нетрудно сформулировать общее правило установки щеток на коллекторе. Щетки на коллекторе необходимо устанавливать на тех пластинах, относительно которых происходит смена направления ЭДС в секциях, присоединенных к этим пластинам. Из схемы на рис. 2.5 видно, что такие секции располагаются в зоне геометрических нейтралей слева и справа относительно каждой нейтрали,поэтому в общем случае каждую щетку необходимо размещать на коллекторе по линии геометрической нейтрали, которая на коллекторе смещена относительно геометрической нейтрали на якоре на половину полюсного деления при условии симметрии лобовых частей секций обмотки,поэтому,соответственно, щетки размещаются по осям главных полюсов. При данном условии между соседними щетками всегда будут находиться секции с одинаковым направлением ЭДС, а разность потенциалов между щетками будет максимально возможной. В простой петлевой обмотке ширина щетки принимается равной ширине коллекторного деления . Как видно из схемы на рис. 2.6,ЭДС соседних участков находятся в противофазе.

С другой стороны, если на рис. 2.6 все щетки одновременно сместить сгеометрических нейтралей в ту или другую сторону, то участки обмотки между щетками будут содержать секции с разным направлением ЭДС, а это приведет к уменьшению разности потенциалов между щетками.Чтобы снять ЭДС со всех участков обмотки, необходимо на коллекторе установить полный комплект щеток , т.е. по числу пар полюсов, и тогда для простой петлевой обмотки =2р

. Так как соседние участки обмотки расположены под разноименными полюсами, то результирующие ЭДС этих соседних участков находятся в противофазе.

На основании электрической схемы рис. 2.6 можно составить еще одну электрическую схему (рис. 2.7). В данном случае три участка обмотки содержат по четыре секции, а один – только три (10

,
11
и
12
). Поэтому в замкнутом контуре простой петлевой обмотки в общем случае может действовать небольшая результирующая ЭДС, способная создать в этом контуре уравнительный ток. Как видно из электрической схемы на рис. 2.7, приустановке щеток строго на линиях геометрических нейтралей три секции обмотки якоря
2
,
6
и
13
оказываются замкнутыми накоротко через щетки. В результате все участки обмотки будут содержать по три последовательно соединенные секции с одинаковым направлением ЭДС. Можно предположить, что теперь результирующие ЭДС этих участков будут одинаковыми, результирующая ЭДС в замкнутом контуре обмотки будет равна нулю и уравнительный ток в обмотке отсутствует.

При вращении обмотки с коллектором относительно неподвижных щеток (см. рис. 2.6) будет происходить изменение состава секций в участках междущетками и изменение направления ЭДС в секциях, переходящих из одного участка в другой, так что в целом разность потенциалов между соседними щетками будет оставаться постоянной.

На развернутой схеме обмотки щетки располагаются по осям полюсов, следовательно, расстояние между серединами соседних щеток равно полюсному шагу в зубцах . Однополярные щетки , и , соединены между собой общими шинами. Условимся считать щетку положительной, если ток от нее идет во внешнюю цепь. Тогда щетки , будут отрицательными, а щетки , – положительными.

Если на электрической схеме простой петлевой обмотки (см. рис. 2.6) соединить между собой однополярные щетки, то получим вторую электрическую схему простой петлевой обмотки, представленную на рис. 2.7. На этой схеме относительно внешних зажимов обмотки якоря и простая петлевая обмотка якоря образует четыре параллельные ветви. Параллельная ветвь– это участок обмотки, состоящий из последовательно соединенных секций с одинаковым направлением ЭДС (тока) в них. Если щетки размещены на геометрических нейтралях, то параллельные ветви будут состоять из секций с одинаковым направлением ЭДС.

На рис. 2.7каждая из параллельных ветвей состоит из трех последовательно соединенных секций: 3

,
4
,
5
;
7
,
8
,
9
;
10
,
11
,
12
и
14
,
15
,
1
, а секции
2
,
6
и
13
замкнуты накоротко через соответствующие щетки. Электрическая схема, представленная на рис. 2.7, наглядно показывает распределение тока обмотки якоря и распределение секций этой обмотки по параллельным ветвям.

Числопараллельных ветвей обмотки якоряобозначается 2а

, и для простой петлевой обмотки всегда 2
а
=2
р
, так как каждая из параллельных ветвейобразована секциями, расположенными под соответствующим полюсом. Обозначим через ток одной параллельной ветви обмотки якоря и через полный ток обмотки якоря. Тогда получим следующие соотношения между этими токами: = 2
а
и = /2
a.
Каждая пара щеток обеспечивает работу соответствующей пары параллельных ветвей обмотки. Поэтому при неполном комплекте щеток ухудшается использование обмотки. В процессе эксплуатации возможны случаи нарушения щеточного контакта, т.е. отключение одной или нескольких щеток, что сопровождается снижением тока машины при работе ее генератором.

На основании изложенного можно сформулировать основные свойства простой петлевой обмотки:

· последовательно соединенные секции располагаются в соседних пазах,что определяется результирующим шагом обмотки ;

· концыкаждой секции обмотки присоединяются к соседним коллекторным пластинам в соответствии с шагомпростойпетлевой обмотки по коллектору ;

· число параллельных ветвей обмотки якоря 2а

· число щеток на коллекторе =2р.

Для получения тока обмотки якоря более значительного, чем при простой петлевой обмотке и при ограниченном числе пар полюсов, необходимо увеличить число параллельных ветвей обмотки. С этой целью применяют сложные петлевые обмотки. Число параллельных ветвей в сложной петлевой обмотке 2а

= 2
рm
, где
m–
число простых петлевых обмоток, из которых составлена сложная петлевая обмотка. Обычно
m
=2. Простые петлевые обмотки, образующие сложную петлевую обмотку, соединяются между собой параллельно с помощью щеток.

Шаги сложной петлевой обмотки по якорю и коллектору определяются выражениями

Извыражений(2.6) и (2.8)следует,чтопервыйи второйчастичныешагиобмотки определяютсяодними тем же выражением для простой и сложной петлевых обмоток.Выражение (2.7) показывает,что в сложной петлевой обмотке, во-первых, последовательно соединенные секции сдвинуты по якорю друг относительно друга на m

зубцовых делений, т.е. расстояние между начальными активными сторонами двух последовательно соединенных секций составляет
m
зубцов, и, во-вторых, расстояниемежду серединами коллекторных пластин, к которым присоединенывыводы одной секции, равно
m
коллекторным делениям. Ширина щетки в сложной петлевой обмотке принимается равной
m ,
т.е.
=m
, где
–
ширина коллекторного деления.