Обмотки якоря машин постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обмотки якоря машин постоянного тока

1. Петлевые обмотки якоря

Основные понятия. Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору.

Элементом обмотки якоря является секция (катушка), присоединенная к двум коллекторным пластинам. Расстояние между пазовыми частями секции должно быть равно или мало отличаться от полюсного деления (рис. 1):

. (1)

Здесь -- диаметр сердечника якоря, мм.

Рис. 1. Расположение пазовых сторон секции на сердечнике якоря

Обмотки якоря обычно выполняют двухслойными. Они характеризуются следующими параметрами: числом секций S; числом пазов (реальных) Z; числом секций, приходящихся на один паз, ; числом витков секции ; числом пазовых сторон в обмотке N; числом пазовых сторон в одном пазу . Верхняя пазовая сторона одной секции и нижняя пазовая сторона другой секции, лежащие в одном пазу, образуют элементарный паз. Число элементарных пазов в реальном пазе определяется числом секций, приходящихся на один паз: (рис. 2).

Рис. 2. Элементарные пазы

Схемы обмоток якоря делают развернутыми, при этом все секции показывают одновитковыми. В этом случае каждой секции, содержащей две пазовые стороны, соответствует один элементарный паз. Концы секций присоединяют к коллекторным пластинам, при этом к каждой пластине присоединяют начало одной секции и конец другой, т. е. на каждую секцию приходится одна коллекторная пластина. Таким образом, для обмотки якоря справедливо , где -- число элементарных пазов; К -- число коллекторных пластин в коллекторе. Число секций, приходящихся на один реальный паз, определяется отношением .

Простая петлевая обмотка якоря. В простой петлевой обмотке якоря каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. При укладке секций на сердечнике якоря начало каждой последующей секции соединяется с концом предыдущей, постепенно перемещаясь при этом по поверхности якоря (и коллектора) так, что за один обход якоря укладывают все секции обмотки. В результате конец последней секции оказывается присоединенным к началу первой секции, т. е. обмотка якоря замыкается.

На рис. 3, а, б изображены части развернутой схемы простой петлевой обмотки, на которых показаны шаги обмотки -- расстояния между пазовыми сторонами секций по якорю: первый частичный шаг по якорю , второй частичный шаг по якорю и результирующий шаг по якорю .

Если укладка секций обмотки ведется слева направо по якорю, то обмотка называется правоходовой (рис. 3, а), а если укладка секций ведется справа налево, то обмотка называется левоходовой (рис. 3,). Для правоходовой обмотки результирующий шаг

. (2)

Рис. 3. Простая петлевая обмотка: а -- правоходовая; б -- левоходовая; в -- развернутая схема

Расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым присоединены начало и конец одной секции, называют шагом обмотки по коллектору у_к. Шаги обмотки по якорю выражают в элементарных пазах, а шаг по коллектору -- в коллекторных делениях (пластинах).

Начало и конец каждой секции в простой петлевой обмотке присоединены к рядом лежащим коллекторным пластинам, следовательно, , где знак плюс соответствует правоходовой обмотке, а знак минус -- левоходовой.

Для определения всех шагов простой петлевой обмотки достаточно рассчитать первый частичный шаг по якорю:

, (3)

где -- некоторая величина, меньшая единицы, вычитая или суммируя которую получают значение шага , равное целому числу.

Второй частичный шаг обмотки по якорю

(4)

Рассчитать шаги и выполнить развернутую схему простой петлевой обмотки якоря для четырехполюсной машины (2 = 4) постоянного тока. Обмотка правоходовая, содержит 12 секций.

Решение. Первый частичный шаг по якорю по (3)

3 паза.

Второй частичный шаг по якорю по (4)

=2 паза.

Прежде чем приступить к выполнению схемы обмотки, необходимо отметить и пронумеровать все пазы и секции, нанести на предполагаемую схему контуры магнитных полюсов и указать их полярность (3, в). При этом нужно иметь в виду, что отмеченный на схеме контур является не полюсом, а зеркальным отображением полюса, находящегося над якорем. Затем изображают коллекторные пластины и наносят на схему первую секцию, пазовые части которой располагают в пазах 1 и 4. Коллекторные пластины, к которым присоединены начало и конец этой секции, обозначают 1 и 2. Затем нумеруют все остальные пластины и наносят на схему остальные секции (2, 3, 4 и т. д.). Последняя секция 12 должна замкнуть обмотку, что будет свидетельствовать о правильном выполнении схемы.

Далее на схеме изображают щетки. Расстояние между щетками А и В должно быть равно К/(2) = 12/4 = 3, т. е. должно соответствовать полюсному делению. Что же касается расположения щеток на коллекторе, то при этом следует руководствоваться следующим. Предположим, что электрический контакт обмотки якоря с внешней цепью осуществляется не через коллектор, а непосредственно через пазовые части обмотки, на которые наложены «условные» щетки (рис. 4, а). В этом случае наибольшая ЭДС машины соответствует положению «условных» щеток на геометрической нейтрали (см. § 4). Но так как коллекторные пластины смещены относительно пазовых сторон соединенных с ними секций на 0,5 (рис. 4, б), то, переходя к реальным щеткам, их следует расположить на коллекторе по оси главных полюсов, как это показано на рис. 3, в.

Рис. 4. Расположение условных () и реальных (б) щеток

При определении полярности щеток предполагают, что машина работает в генераторном режиме и ее якорь вращается в направлении стрелки (см. рис. 3, в). Воспользовавшись правилом «правой руки», находят направление ЭДС (тока), наведенной в секциях. В итоге получаем, что щетки и , от которых ток отводится во внешнюю цепь, являются положительными, а щетки и B₂ -- отрицательными. Щетки одинаковой полярности присоединяют параллельно к выводам соответствующей полярности.

Параллельные ветви обмотки якоря. Если проследить за прохождением тока в секциях обмотки якоря (см. рис. 3, в), то можно заметить, что обмотка состоит из четырех участков, соединенных параллельно друг другу и называемых параллельными ветвями. Каждая параллельная ветвь содержит несколько последовательно соединенных секций с одинаковым направлением тока в них. Распределение секций в параллельных ветвях показано на электрической схеме обмотки (рис. 5). Эту схему получают из развернутой схемы обмотки (см. рис. 3,) следующим образом. На листе бумаги изображают щетки и имеющие с ними контакт коллекторные пластины, как это показано на рис. 5. Затем совершают обход секций обмотки начиная с секции 1, которая оказывается замкнутой накоротко щеткой . Далее идут секции 2 и 3, которые образуют параллельную ветвь. Таким же образом обходят все остальные секции. В результате получаем схему с четырьмя параллельными ветвями, по две секции в каждой ветви.

Рис. 5. Электрическая схема обмотки рис. 3, в.

Из полученной схемы следует, что ЭДС обмотки якоря определяется значением ЭДС одной параллельной ветви, тогда как значение тока обмотки определяется суммой токов всех ветвей обмотки:

, (5)

где 2 -- число параллельных ветвей обмотки якоря; -- ток одной параллельной ветви.

В простой петлевой обмотке число параллельных ветвей равно числу главных полюсов машины: 2 = 2.

Нетрудно заметить, что число параллельных ветвей в обмотке якоря определяет значение основных параметров машины -- тока и напряжения.

Шестиполюсная машина постоянного тока имеет на якоре простую петлевую обмотку из 36 секций. Определить ЭДС и силу тока в обмотке якоря машины, если в каждой секции наводится ЭДС 10 В, а сечение провода секции рассчитано на ток не более 15 А.

Решение. Число параллельных ветвей в обмотке 2 = 2 = 6, при этом в каждой параллельной ветви = 36/6 = 6 секций. Следовательно, ЭДС обмотки якоря = 6•10 = 60 В, а допустимый ток машины = 6•15 = 90 А.

Если бы машина при прочих неизменных условиях имела восемь полюсов, то ее ЭДС уменьшилась бы до 40 В, а ток увеличился бы до 120 А.

Сложная петлевая обмотка. При необходимости получить петлевую обмотку с большим числом параллельных ветвей, как это требуется, например, низковольтных машинах постоянного тока, применяют сложную петлевую обмотку. Такая обмотка представляет собой несколько (обычно две) простых петлевых обмоток, уложенных на одном якоре и присоединенных к одному коллектору. Число параллельных ветвей в сложной петлевой обмотке 2 = 2, где т -- число простых петлевых обмоток, из которых составлена сложная обмотка (обычно т = 2). Ширина щеток при сложной петлевой обмотке принимается такой, чтобы каждая щетка одновременно перекрывала т коллекторных пластин, т. е. столько пластин, сколько простых обмоток в сложной. При этом простые обмотки оказываются присоединенными параллельно друг другу. На рис. 6 показана развернутая схема сложной петлевой обмотки, состоящей из двух простых (т = 2): 2 = 4; = 16. Результирующий шаг обмотки по якорю и шаг по коллектору сложной петлевой обмотки принимают равным у = у_к = т. Первый частичный шаг по якорю определяют по (3).

Четырехполюсная машина имеет сложную петлевую обмотку якоря из 16 секций. Выполнить развернутую схему этой обмотки, приняв т - 2. Решение. Шаги обмотки: = =16/4 = 4 паза; у = = 2 паза; =- у = 4-2 = 2 паза.

Сначала располагаем все секции одной из простых обмоток (секции с нечетными номерами: 1, 3, 5 и т. д.), а концы этих секций присоединением к нечетным пластинам коллектора (рис. 6). Затем располагаем на якоре секции другой петлевой обмотки с номерами 2, 4, 6 и т. д. Изображаем на схеме щетки шириной в два коллекторных деления. Число параллельных ветвей обмотки 2 = 2 = 4-2 = 8.

Рис. 6. Развернутая схема сложной петлевой обмотки

2. Волновые обмотки якоря

Простая волновая обмотка. Простую волновую обмотку получают при последовательном соединении секций, находящихся под разными парами полюсов (рис. 7). Концы секций простой волновой обмотки присоединены к коллекторным пластинам, удаленным друг от друга на расстояние шага обмотки по коллектору у_к =у. За один обход по якорю укладывают столько секций, сколько пар полюсов имеет машина, при этом конец последней по обходу секции присоединяют к пластине, расположенной радом с исходной. Простую волновую обмотку называют левоходовой, если конец последней по обходу секций присоединяется к пластине, находящейся слева от исходной (рис. 7, а). Если же эта пластина находится справа от исходной, то обмотку называют правоходовой (рис. 7, б). Секции волновой обмотки могут быть одновитковыми и многовитковыми. Шаг простой волновой обмотки по коллектору

(6)

Знак минус соответствует левоходовой обмотке, а знак плюс -- правоходовой. Правоходовая обмотка не получила практического применения, так как ее выполнение связано с дополнительным расходом меди на перекрещивание лобовых частей.

Первый частичный шаг обмотки определяют по (3), а второй частичный шаг .Машина постоянного тока имеет простую волновую обмотку якоря из 13 секций. Построить развернутую схему и схему параллельных ветвей этой обмотки.

Решение. Шаги обмотки: пазов; паза; паза.

При первом обходе по якорю укладываем секции 1 и 7 (рис. 7, в). При втором обходе укладываем секции 13 и 6 и т. д., пока не будут уложены все 13 секций и обмотка не окажется замкнутой. Секции 3, 6 и 9 в рассматриваемый момент времени замкнуты на коротко через щетки одинаковой полярности и провода, соединяющие их.

Рис. 7. Простая волновая обмотка: а -- правоходовая, б -- левоходовая; в -- развернутая схема

Рис. 8. Электрическая схема обмотки рис. 7, в

Затем определяем полярность щеток. Далее выполняем электрическую схему (схему параллельных ветвей), из которой видно (рис. 8), что обмотка состоит из двух параллельных ветвей (2 = 2). Это является характерным для простых волновых обмоток, у которых число параллельных ветвей не зависит от числа полюсов и всегда равно двум.

Из рассмотренных схем видно, что секции, входящие в одну параллельную ветвь, равномерно распределены под всеми полюсами машины. Следует также отметить, что в простой волновой обмотке можно было бы обойтись двумя щетками, например щетками и . Но в этом случае нарушилась бы симметрия обмотки, и число секций в параллельных ветвях стало бы неодинаковым: в одной ветви семь секций, а в другой -- шесть. Поэтому в машинах с простыми волновыми обмотками устанавливают полный комплект щеток, столько же, сколько главных полюсов, тем более что это позволяет уменьшить значение тока, приходящегося на каждую щетку, а следовательно, уменьшить размеры коллектора.

Сложная волновая обмотка (рис. 9). Несколько простых волновых обмоток (обычно две), уложенных на одном якоре, образуют сложную волновую обмотку.

Рис. 9. Развернутая схема сложной волновой обмотки

Число параллельных ветвей в сложной волновой обмотке 2 = 2 (обычно 2 = 4), где т -- число простых обмоток в сложной (обычно т = 2). Простые обмотки, входящие в сложную, соединяют параллельно посредством щеток. Шаг по коллектору, а следовательно, и результирующий шаг по якорю

. (7)

Первый частичный шаг по якорю определяют по (3).

Сложная волновая обмотка с = 2 состоит из 18 секций.

Выполнить развернутую схему этой обмотки, если 2 = 4.

Решение. Шаги обмотки: паза, пазов; паза.

Порядок выполнения схемы обмотки такой же, как и при сложной петлевой обмотке: сначала укладывают в пазы якоря одну простую обмотку, состоящую из нечетных секций, а затем другую, состоящую из четных секций (рис. 9) Число параллельных ветвей в обмотке 2 = 4.

3. Уравнительные соединения и комбинированная обмотка якоря

Условия симметрии обмотки якоря. Обмотку якоря называют симметричной, если ее параллельные ветви обладают одинаковыми электрическими свойствами: имеют одинаковые электрические сопротивления и в них индуцируются одинаковые ЭДС. В несимметричной обмотке якоря ток якоря распределяется в параллельных ветвях неодинаково, что влечет за собой перегрузку одних ветвей в недогрузку других. В результате растут электрические потери в обмотке якоря, а полезная мощность машины уменьшается.

Обмотка якоря становится симметричной лишь при соблюдении определенных условий, называемых условиями симметрии.

Первое условие. Каждая пара параллельных ветвей обмотки должна состоять из одинакового числа секций. Это условие выполняется, если на каждую пару параллельных ветвей приходится одинаковое число секций, т. е. отношение числа секций S к числу пар параллельных ветвей а обмотки якоря равно целому числу (ц. ч.):

ц.ч. (8)

Нетрудно убедиться, что при несоблюдении этого условия электрическое сопротивление параллельных ветвей, а также их ЭДС становятся неодинаковыми. Это привело бы к неравномерному распределению токов в параллельных ветвях со всеми нежелательными последствиями.

Второе условие. Секции каждой пары параллельных ветвей должны занимать на якоре одинаковое число пазов:

ц.ч. (9)

Третье условие. Каждая пара параллельных ветвей обмотки должна занимать одинаковое положение относительно системы главных полюсов, что выполнимо при

= ц. ч. (10)

Для сложной петлевой обмотки . Подставляя это в (10), получим

ц. ч.

Отсюда следует, что сложная петлевая обмотка будет симметричной только при т = 2.

Уравнительные соединения. Даже при соблюдении всех условий симметрии обмоток ЭДС параллельных ветвей обмотки якоря в многополюсных машинах могут оказаться неодинаковыми. Причина этого -- магнитная несимметрия, из-за нее магнитные потоки одноименных полюсов оказываются неодинаковыми. Происходит это из-за дефектов, возникающих при изготовлении машины: наличия раковин в отливке станины, некачественной сборки полюсов, неправильной центровки якоря, т. е. его перекоса, отчего воздушный зазор под полюсами становится неодинаковым.

Влияние магнитной несимметрии на работу машины зависит от типа обмотки якоря. В волновых обмотках секции каждой параллельной ветви равномерно распределены под всеми полюсами машины, поэтому магнитная несимметрия не влечет за собой неравенства ЭДС в параллельных ветвях, так как она одинаково влияет на все параллельные ветви обмотки.

В петлевых обмотках якоря секции, образующие параллельную ветвь, расположены под смежной парой полюсов. Поэтому при 2 > 2 магнитная несимметрия становится причиной неравенства ЭДС параллельных ветвей, что ведет к появлению в обмотке якоря уравнительных токов.

Рис. 10. Уравнительные токи в параллельных ветвях простой петлевой обмотки якоря при магнитной несимметрии

Например, при неправильной центровке якоря (рис. 10, а) ЭДС первой и четвертой параллельных ветвей становятся меньше ЭДС второй и третьей ветвей (зазор под нижним полюсом меньше, чем под верхним). При этом потенциалы щеток и оказываются неодинаковыми и в параллельных ветвях обмотки появляются уравнительные токи (рис. 10, б). Эти токи замыкаются через шину, соединяющую указанные щетки, и во внешнюю цепь машины не выходят. Следует обратить внимание, что даже при незначительной разности потенциалов между щетками и ток может оказаться весьма значительным, так как электрическое сопротивление параллельной ветви невелико. Например, при = 2 В и = 0,01 Ом уравнительный ток = 2/(2·0,01) = 100 А.

Если при этом нагрузочный ток в параллельной ветви = 200 А, то токи в параллельных ветвях обмотки становятся неодинаковыми: = 200 -100 = 100 А; =200 + 100 = 300 А.

Неравномерная нагрузка параллельных ветвей ведет к перегреву обмотки и увеличению электрических потерь в ней. Перечисленные явления нарушают нормальную работу машины, например, перегружаются некоторые щетки (в рассматриваемом случае -- щетка ), что вызывает интенсивное искрение на коллекторе (см. § 27.3). Для уменьшения неравномерной нагрузки щеток в простых петлевых обмотках поступают следующим образом: точки обмотки якоря, потенциалы которых теоретически должны быть одинаковыми, электрически соединяют между собой. В этом случае возникающие в обмотке уравнительные токи замыкаются внутри обмотки без выхода на щетки.

Указанные соединения выполняют медными проводами и называют уравнительными соединениями первого рода (уравнителями). Практически доступными для соединения точками равного потенциала являются концы секций, присоединяемые к коллекторным пластинам, или лобовые части обмотки со стороны, обратной коллектору.

Количество точек в обмотке, имеющих одинаковый потенциал, равно числу полюсов в машине. Расстояние между двумя соседними точками равного потенциала называют потенциальным шагом . При расположении уравнительных соединений со стороны коллектора потенциальный шаг выражается числом коллекторных делений:

. (11)

Полное число уравнителей первого рода, которое можно установить в машине, равно

. (12)

Однако такое количество уравнительных соединений применяют только в машинах большой мощности, например в двигателях прокатных станов. В целях экономии меди и упрощения конструкции машины обычно применяют неполное число уравнителей. Например, в четырехполюсных двигателях делают 3--4 уравнительных соединения. Уравнительные соединения выполняют проводом, сечение которого составляет 25--50 % сечения провода обмотки якоря.

В машине с 2= 4 и простой петлевой обмоткой якоря из 12 секций необходимо установить уравнители первого рода, снабдив ими каждую вторую пластину.

Решение. Потенциальный шаг = 12/2 = 6. Полное число уравнителей = 12/2 = 6.

В соответствии с условием задачи показываем на схеме 0,5= 3 уравнителя, расположив их со стороны коллектора (рис. 11) и соединив с пластинами следующим образом: первый уравнитель соединяем с пластинами 1 и 7, второй --с 3 и 9, третий -- с 5 и 11.

Рис. 11. Уравнительные соединения первого рода: а -- развернутая схема обмотки, б -- вид со стороны коллектора

В сложных петлевых и волновых обмотках простые обмотки, образующие сложную, соединены параллельно через щеточный контакт. Но обеспечить одинаковый контакт щеток со всеми простыми обмотками практически невозможно, поэтому ток между простыми обмотками распределяется неодинаково, что нарушает равномерное распределение потенциала по коллектору и можем вызвать на нем искрение. Для устранения этого нежелательного явления применяют уравнительные соединения (уравнители) второго рода, с помощью которых простые обмотки, входящие в сложную, электрически соединяют между собой в точках равного потенциала. Таким образом, если уравнители первого рода устраняют нежелательные последствия магнитной несимметрии, то уравнители второго рода устраняют неравномерность в распределении потенциала по коллектору при сложных обмотках якоря.

На рис. 9 представлена схема сложной волновой обмотки с уравнителями второго рода, соединяющими точки равного потенциала на лобовых частях обмотки со стороны, противоположной коллектору. Эти точки отстоят друг от друга на расстоянии потенциального шага

.

Секцию 2 соединяют с секцией 11, секцию 3 -- с секцией 12 и т. д. (на схеме показаны лишь два уравнителя). Полное число уравнителей определяется по (12), но из соображения экономии меди обычно делают неполное число уравнителей второго рода.

В сложных петлевых обмотках уравнители второго рода выполняют, как показано на рис. 12. Ввиду того что в этой обмотке каждую секцию одной из простых обмоток присоединяют к пластинам коллектора, расположенным через одну (например, к нечетным пластинам), то пластины, находящиеся между ними (например, четные), делят напряжение каждой секции на две части. Для обеспечения равномерного распределения напряжения между пластинами необходимо, чтобы эти части были одинаковыми, т. е. чтобы напряжение между каждой парой рядом лежащих пластин (например 1 и 2) было равно половине напряжения секции. С этой целью в обмотке применяют уравнители второго рода, с помощью которых середину секции со стороны, противоположной коллектору, соединяет с промежуточной пластиной (например, середину секции, присоединенной к пластинам 1 и 3, соединяют с пластиной 2, как это показано на рис. 12). Такой уравнитель приходится «протягивать» между валом и сердечником якоря через специальное отверстие.

Таким образом, если в сложных волновых обмотках применяют лишь уравнители второго рода, то в сложных петлевых обмотках необходимы как уравнители первого, так и уравнители второго рода.

Рис. 12. Уравнительные соединения второго рода в сложной петлевой обмотке якоря

Комбинированная обмотка. Комбинированная (лягушачья) обмотка представляет собой сочетание петлевой и волновой обмоток, расположенных в одних пазах и присоединенных к общему коллектору. Секция этой обмотки

показана на рис. 13, а. Так как каждая из составляющих обмоток двухслойная, то комбинированную обмотку укладывают в пазах якоря в четыре слоя, а к каждой пластине коллектора припаивают по четыре проводника.

Достоинство комбинированной обмотки -- большое число параллельных ветвей при отсутствии уравнительных соединений. Однако некоторая технологическая трудность в выполнении комбинированных обмоток ограничивает их применение машинами постоянного тока большой мощности, а также быстроходными машинами, в которых выполнение уравнителей затруднено.

Рис. 13. Комбинированная обмотка якоря

На рис. 13, б показана часть развернутой схемы комбинированной обмотки. Шаги секций комбинированной обмотки принимают одинаковыми . Шаг по якорю комбинированной обмотки равен сумме шагов составляющих обмоток:

,

т. е. шаг комбинированной обмотки по якорю равен потенциальному шагу [см. (11)]. Поэтому пластины коллектора, которые должны быть соединены уравнителями, в комбинированной обмотке оказываются соединенными секциями.

Следует обратить внимание, что комбинированная обмотка выполнима лишь при условии равенства чисел параллельных ветвей в волновой и петлевой составляющих обмотках. При этом ЭДС параллельных ветвей обмоток должны быть одинаковыми. В петлевой обмотке число параллельных ветвей 2 = 2, в волновой обмотке 2=2. Для получения одинакового числа параллельных ветвей в обмотках волновую обмотку выполняют сложной с числом = р. Число параллельных ветвей в комбинированной обмотке 2 = 2 + 2 = 4.

4. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока

Электродвижущая сила. Она наводится в обмотке якоря основным магнитным потоком. Для получения выражения этого потока обратимся к графику распределения индукции в зазоре машины (в поперечном сечении), который при равномерном зазоре в пределах каждого полюса имеет вид криволинейной трапеции (рис. 14, а, график 1). Заменим действительное распределение индукции в зазоре прямоугольным (график 2), при этом высоту прямоугольника примем равной максимальному значению индукции , а ширину -- равной величине , при которой площадь прямоугольника равна площади, ограниченной криволинейной трапецией. Величина называется расчетной полюсной дугой. В машинах постоянного тока расчетная полюсная дуга мало отличается от полюсной дуги :

, (13)

или, воспользовавшись коэффициентом полюсного перекрытия , получим

(14)

С учетом (14) основной магнитный поток (Вб)

(15)

Здесь -- полюсное деление, мм; -- расчетная длина якоря, мм.

Рис. 14. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока

Коэффициент полюсного перекрытия имеет большое влияние на свойства машины постоянного тока. На первый взгляд кажется целесообразным выбрать наибольшее значение , так как это способствует увеличению потока Ф, а следовательно, и увеличению мощности машины (при заданных размерах). Однако слишком большое , приведет к сближению полюсных наконечников полюсов, что будет способствовать росту магнитного потока рассеяния и неблагоприятно отразится на других свойствах машины. При этом полезный поток машины может оказаться даже меньше предполагаемого значения (см. § 26.1). Обычно = 0,6ч0,8, при этом меньшие значения соответствуют машинам малой мощности.

На рис. 14, б показан продольный разрез главного полюса и якоря с радиальными вентиляционными каналами. График распределения магнитной индукции в воздушном зазоре по продольному разрезу машины имеет вид зубчатой кривой (кривая 1). Заменим эту кривую прямоугольником высотой и основанием , величина которого такова, что площадь прямоугольника равна площади, ограниченной зубчатой кривой. Это основание представляет собой расчетную длину якоря (мм)

, (16)

где -- длина полюса, мм;

(17)

-- длина якоря без радиальных вентиляционных каналов, мм; -- общая длина якоря, включая вентиляционные каналы, мм; -- ширина вентиляционного канала (обычно 10 мм), мм.

При выводе формулы ЭДС будем исходить из прямоугольного закона распределения индукции в зазоре, при этом магнитная индукция на участке расчетной полюсной дуги равна , а за ее пределами равна нулю и в проводниках, расположенных за пределами , ЭДС не наводится. Это эквивалентно уменьшению общего числа пазовых проводников в обмотке якоря до значения . Исходя из этого и учитывая, что ЭДС обмотки определяем с суммой ЭДС секций, входящих лишь в одну параллельную ветвь с числом пазовых проводников , запишем

, (18)

(19)

-- ЭДС одного пазового проводника обмотки, активная длина которого .

Окружную скорость вращающегося якоря (м/с) заменим частотой вращения (об/мин): , где .

С учетом (18), (19) получим

или, учитывая, что произведение , получим выражение ЭДС машины постоянного тока (В): ток электрический магнитный

, (20)

(21)

-- постоянная для данной машины величина; Ф -- основной магнитный поток, Вб; -- частота вращения якоря, об/мин.

Значение ЭДС обмотки якоря зависит от ширины секции . Наибольшее значение ЭДС соответствует полному (диаметральному) шагу , так как в этом случае с каждой секцией обмотки сцепляется весь основной магнитный поток Ф. Если же секция укорочена (у < ), то каждая секция сцепляется лишь с частью основного потока, а поэтому ЭДС обмотки якоря уменьшается. Таков же эффект при удлиненном шаге секций (у > ), так как в этом случае каждая секция обмотки сцепляется с основным потоком одной пары полюсов и частично с потоком соседней пары, имеющим противоположное направление, так что результирующий поток, сцепленный с каждой секцией, становится меньше потока одной пары полюсов. По этой причине в машинах постоянного тока практическое применение получили секции с полным или укороченным шагом.

На ЭДС машины влияет положение щеток: при нахождении щеток на геометрической нейтрали ЭДС наибольшая, так как в этом случае в каждой параллельной ветви обмотки все секции имеют одинаковое направление ЭДС; если же щетки сместить с нейтрали, то в параллельных ветвях окажутся секции с противоположным направлением ЭДС, в результате ЭДС обмотки якоря будет уменьшена.

При достаточно большом числе коллекторных пластин уменьшения ЭДС машины при сдвиге щеток с нейтрали учитывается множителем :

, (22)

где -- угол смещения оси щеток относительно нейтрали (рис. 15).

Рис. 15. Наведение ЭДС в обмотке якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали на угол

Электромагнитный момент. При прохождении по пазовым проводникам обмотки якоря тока на каждом из проводников появляется электромагнитная сила

. (23)

Совокупность всех электромагнитных сил на якоре, действующих на плечо, равное радиусу сердечника якоря , создает на якоре электромагнитный момент М.

Исходя из прямоугольного закона распределения магнитной индукции в зазоре (см. рис. 14, а, график 2), следует считать, что сила одновременно действует на число пазовых проводников . Следовательно, электромагнитный момент машины постоянного тока (Н•м)

Учитывая, что , а также что ток параллельной ветви , получим

.

Используя выражение основного магнитного потока (15), а также имея в виду, что , получим выражение электромагнитного момента (Н·м):

, (24)

где -- ток якоря, А;

(25)

-- величина, постоянная для данной машины.

Электромагнитный момент машины при ее работе в двигательном режиме является вращающим, а при генераторном режиме -- тормозящим по отношению к вращающему моменту приводного двигателя.

Подставив из (20) в (24) выражение основного магнитного потока , получим еще одно выражение электромагнитного момента:

, (26)

где -- угловая скорость вращения;

(27)

-- электромагнитная мощность машины постоянного тока, Вт.

Из (26) следует, что в машинах равной мощности электромагнитный момент больше у машины с меньшей частотой вращения якоря.

5. Выбор типа обмотки якоря

Применение в машине постоянного тока того или иного типа обмотки якоря определяется технико-экономическими требованиями. Выбранный тип обмотки должен обеспечивать в машине необходимую ЭДС при заданном токе. При этом следует стремиться к минимальному числу уравнительных соединений. Требования экономического характера при выборе типа обмотки сводятся к возможно лучшему использованию пазов сердечника якоря, что определяется значением коэффициента заполнения паза медью [см. (8.4)].

Выбранный тип обмотки должен содержать возможно меньшее число пазовых проводников N, так как в противном случае значительная часть площади паза будет занята изоляцией этих проводников. Преобразуя выражения (20), получим

.(28)

Отсюда следует, что при заданных и число проводников в обмотке прямо пропорционально числу пар параллельных ветвей. Поэтому при выборе типа обмотки следует отдавать предпочтение обмоткам якоря с минимальным числом параллельных ветвей, например, простой волновой обмотке с 2 = 2, которая к тому же не требует уравнительных соединений. В табл. 1 приведены рекомендации по выбору типа обмотки якоря для двигателей постоянного тока общепромышленного назначения в зависимости от числа полюсов и силы тока якоря.

Число полюсов 2	Ток якоря ,, А	Тип обмотки якоря
2	--	Простая петлевая
4	До 700	» волновая
4	Свыше 700 до 1400	» петлевая или комбинированная
4	Свыше 1400	Сложная петлевая ( = 2) или комбинированная

К условиям, ограничивающим применение простой волновой обмотки, следует отнести в первую очередь предельно допустимое значение тока в параллельной ветви (300--400 А) и среднее значение напряжения между смежными коллекторными пластинами , которое не должно превышать (В):

Машины мощностью до 1 кВт	25--30
Машины мощностью более 1 кВт без компенсационной обмотки	16
Машины с компенсационной обмоткой	20

Указанные предельные значения распространяются и на обмотки якоря других типов. При превышении указанных пределов появляется вероятность возникновения в машине опасного явления, называемого круговым огнем.

Размещено на Allbest.ru