Краткие сведения об обмотках якорей. Принцип действия машин постоянного тока

Прежде чем рассматривать обмотки якорей, необходимо обратить внимание на следующее. Благодаря полюсным наконечникам магнитная индукция в воздушном зазоре распределяется примерно по трапецеидальному закону (рис. 9.2, а и б). У поверхности якоря при α = 0 магнитная индукция В = 0; с увеличением α магнитная индукция сначала возрастает, под большей частью северного полюса имеет постоянное значение, а при α = 180° уменьшается до нуля. В пределах от α = 180° до 360° магнитная индукция изменяется по такому же закону, но условно считается отрицательной.

Направление ЭДС проводника, находящегося в пазу магнитопровода якоря, определяется по правилу правой руки, а ее значение В — по формуле

(9,1)

e _пр = Blv,

где В — магнитная индукция, Тл; l — длина проводника, м; v — скорость перемещения проводника, м/с.

Очевидно, при v = const е_пр ~ kB и график В (α) в другом масштабе представляет собой график e _пр(α). Изменение знака ЭДС e _пр означает изменение ее направления по сравнению с положительным направлением, показанным на рис. 9.2, а.

Если в пазах, находящихся под северным полюсом, имеется несколько проводников, то ЭДС всех проводников будут иметь, очевидно, одно и то же направление; во всех проводниках якоря у южного полюса ЭДС будут направлены в противоположную сторону.

Устройство обмоток якорей. Обмотки якорей машин постоянного тока состоят из отдельных секций, имеющих одинаковые числа витков. Каждая секция размещается в двух пазах магнитопровода якоря, находящихся под разными полюсами. Часть секции, расположенная в одном пазу, называется секционной стороной. Выводы каждой секции присоединяются к двум коллекторным пластинам, к каждой из которых присоединяется еще по одному выводу от других секций.

Рис. 9 2. К вопросу распределения магнитной индукции в воздушном зазоре и характер изменения ЭДС проводника

Рис. 9.3. Секция петлевой обмотки якоря

Рис. 9 4. Секция волновой обмотки якоря

В зависимости от номинальных значений мощности, напряжения и частоты вращения находят применение различные типы обмоток якорей. Простейшими из них являются петлевая и волновая обмотки. Двухвитковые секции указанных обмоток показаны соответственно на рис. 9.3 и 9.4. Петлевая и волновая обмотки отличаются порядком соединения с коллекторными пластинами и друг с другом.

На рис. 9.5 приведен эскиз упрощенной машины постоянного тока, имеющей простейшую обмотку якоря, состоящую всего из четырех секций, каждая из которых имеет по одному витку; секции размещены в пазах 1—4 магнитопровода якоря.

Для удобства изготовления и монтажа обмотки в каждом пазу размещают обычно в два слоя секционные стороны, принадлежащие двум секциям. Секционные стороны, находящиеся в верхнем слое, обозначены на рис. 9.5 теми же цифрами 1—4, что и пазы; находящиеся в нижнем слое — цифрами 1' — 4'.

Рис 9.5. Эскиз упрощенной машины постоянного тока

Рис. 9.6. Развернутая схема обмотки якоря

Рис. 9.7. Упрощенная схема обмотки якоря

На рис. 9.6 дана развернутая на плоскость схема рассматриваемой обмотки, а на рис. 9.7 — более простое ее изображение, на котором секции обмотки заменены катушками.

Как нетрудно установить по приведенным рисункам, рассматриваемая обмотка оказывается замкнутой, что является характерным и для других обмоток якорей машин постоянного тока.

При указанном на рис. 9.5 — 9.7 положении обмотки и коллектора щетки делят обмотку на две параллельные ветви:

1) щетка Щ₂, коллекторная пластина I, секция 1—3', коллекторная пластина II, секция 2—4', коллекторная пластина III, щетка Щ₁;

2) щетка Щ₂, коллекторная пластина I, секция 2'— 4, коллекторная пластина IV, секция 1' — 3, коллекторная пластина III, щетка Щ₁.

Как видно, каждая параллельно соединенная ветвь содержит по две секции с одинаковым направлением ЭДС. Очевидно, ЭДС между щетками равна ЭДС любой параллельной ветви, т. е.

е = е _пар. (9.2)

В рассматриваемом положении якоря е = е _пар = 2 е _с.

При этом щетка Щ₂ имеет меньший потенциал, чем щетка Щ₁, ЭДС е направлена от Щ₂ к Щ₁.

С помощью приведенных рисунков можно установить, что при вращении якоря происходит следующее: секции поочередно переходят из одной параллельной ветви в другую, что сопровождается изменением направления ЭДС в секциях на противоположное; в процессе перехода в другую параллельную ветвь секции на короткое время замыкаются щетками накоротко, однако ЭДС в этом случае в секциях не индуктируется, так как секции находятся при этом на линии ab (см. рис. 9.5), где магнитная индукция B = 0; число секций в параллельных ветвях в рассматриваемой машине изменяется от 1 до 2, вследствие чего изменяется и значение ЭДС между щетками; направление ЭДС между щетками остается постоянным.

Например, если из указанного на рис. 9.5 — 9.7 положения повернуть якорь на 45°, то в первой параллельной ветви оста­нется секция 1—3', во второй — секция 1' — 3; секции 2 — 4' и 2' — 4 будут замкнуты щетками накоротко; ЭДС между щетками будет е' = е' _пар = е _с .

В большинстве случаев якорь машин постоянного тока имеет не четыре паза, в которые закладывается обмотка якоря, не четыре секции и коллекторные пластины, а значительно большее их число; кроме того, секции состоят обычно из нескольких витков. Вследствие этого оказывается возможным получить намного большую ЭДС между щетками, а значение ЭДС при вращении якоря остается практически неизменным.

Следует заметить, что значение ЭДС между щетками зависит от места расположения последних. Для получения наибольшей ЭДС щетки следует устанавливать таким образом, чтобы ЭДС всех секций в пределах одной параллельной ветви были направлены в одну и ту же сторону (см. рис. 9.7). Этому условию удовлетворяет установка щеток на геометрической нейтрали, под которой понимают линию, проходящую через ось машины и те точки поверхности якоря, где магнитная индукция поля главных полюсов равна нулю. Геометрическая нейтраль двухполюсной машины расположена перпендикулярно оси главных полюсов. На рис. 9.5 это линия ab. Следует учесть, что выражение «установка щеток на геометрической нейтрали» является условным и на самом деле означает, что щетки должны располагаться в таком месте, чтобы они замыкали накоротко секции, находящиеся на геометрической нейтрали.

При сдвиге щеток с геометрической нейтрали ЭДС между щетками уменьшается, так как в параллельно соединенных ветвях появляются секции с противоположными направлениями ЭДС. Например, если щетки машины, обмотка которой изображена на рис. 9.7, установить на коллекторные пластины II и IV, то ЭДС между щетками будет равна нулю.

Принцип действия генератора. Допустим, что якорь машины (см. рис. 9.5) вращается с помощью какого-то двигателя в направлении, указанном стрелкой. Если щетки генератора соединить с каким-либо приемником r, то под действием ЭДС генератора в обмотке якоря и приемника появится ток, приемник начнет потреблять электрическую энергию, а машина будет ее отдавать, т. е. будет работать в качестве генератора. Естественно, что электрическая энергия, вырабатываемая генератором, преобразуется из механической энергии двигателя, вращающего якорь генератора.

Направление тока в проводниках обмотки якоря генератора совпадает, конечно, с направлением ЭДС проводников и при вращении якоря изменяется. Однако с помощью коллектора изменяющийся по направлению ток проводников преобразуется в неизменные по направлению токи параллельных ветвей i _пар и ток внешней цепи i _я, называемый током якоря. Согласно первому закону Кирхгофа для рассматриваемого генератора i _я = 2 i _пар. Машины постоянного тока могут иметь число параллельных ветвей больше двух. Обозначив в общем случае число параллельных ветвей 2 а, получим

i _я = 2 аi _пар . (9.3)

Если воспользоваться правилом левой руки, нетрудно установить, что генератор развивает электромагнитный момент, направленный против направления вращения, т. е. является тормозящим.

Изменение полярности щеток и, следовательно, направ­лений ЭДС, напряжения и тока во внешней цепи генератора возможно произвести одним из двух способов:

1) изменением направления магнитного поля главных полюсов, что осуществляется изменением направления тока обмотки возбуждения, располагаемой на главных полюсах;

2) изменением направления вращения якоря генератора с помощью приводного двигателя.

Обычно используется первый способ.

Принцип действия двигателя. Предположим, что якорь той же машины (см. рис. 9.5) неподвижен. Если от источника постоянного тока подвести к якорю двигателя напряжение, например указанной на рис. 9.5 полярности, то во внешней цепи и в обмотке якоря возникнут токи, направление которых будет противоположным указанным на рисунке. С помощью правила левой руки можно установить, что на якорь будет действовать вращающий электромагнитный момент и якорь начнет вращаться против часовой стрелки. При вращении в обмотке якоря возникнет ЭДС, которая согласно правилу правой руки будет направлена, как указано на рис. 9.5, т. е. против тока двигателя. Противоположные направления тока и ЭДС говорят о том, что в машине происходит преобразование электрической энергии в механическую. Двигатель разгонится до такой частоты вращения, при которой его момент станет равным моменту, обусловленному нагрузкой.

Говоря о принципе действия двигателя, нельзя не остановиться на назначении коллектора в этом случае. Коллектор необходим для того, чтобы неизменный по направлению ток внешней цепи преобразовывать в изменяющийся по направлению ток в проводниках обмотки якоря при его вращении. Только благодаря коллектору ток всех проводников, находящихся под одним полюсом, имеет одно и то же направление. Вследствие этого остается неизменным и направление вращающего момента, развиваемого двигателем.

Для изменения направления вращения двигателя необходимо изменить направление развиваемого им вращающего момента. Это можно сделать одним из двух способов:

1. изменением полярности напряжения, подводимого к якорю двигателя и, следовательно, направления тока якоря;

2. изменением направления магнитного потока главных полюсов.

Обычно используется первый способ.

Рассмотрев принципы действия генератора и двигателя, можно сделать вывод о том, что машины постоянного тока обратимы. Это значит, что при определенных условиях генераторы могут работать в качестве двигателей и наоборот. Возможность двигателей работать в качестве генераторов и. следовательно, развивать тормозящий момент широко используется на практике (см. § 9.19).