ТЕОРИЯ ЯКОРНЫХ ОБМОТОК МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

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:

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

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?