Якорные обмотки машин постоянного тока

а) Общие определения

Кольцевой якорь со спиральной обмоткой в настоящее время не применяется, так как более выгодным и надежным является барабанный якорь с обмоткой, все проводники которой укладываются на его внешней поверхности.

При барабанном якоре обмотка состоит из витков, имеющих ширину, равную (или почти равную) полюсному делению. Здесь виток охватывает весь поток Ф, вступающий в якорь, и ЭДС в нем получается в 2 раза больше, чем в витке спиральной обмотки, где максимальный поток, охватываемый витком, равен половине потока, вступающего в якорь. Поэтому для получения одной и той же ЭДС при барабанной обмотке требуется витков в 2 раза меньше, чем при кольцевой. К тому же изготовление кольцевой обмотки гораздо сложнее и условия ее охлаждения хуже, чем барабанной обмотки.

Проводники барабанной обмотки укладываются в пазы. Они называются активными проводниками. Два активных проводника, соединенных друг с другом, образуют виток. Витки соединяются между собой и с коллекторными пластинами и образуют замкнутый контур.

Часть обмотки, находящаяся при ее обходе между следующими друг за другом коллекторными пластинами, называется секцией. Секция может состоять из одного или нескольких витков (рис. 4.9). Ширину секции следует выбирать или равной полюсному делению (расстояние по окружности якоря между осями соседних полюсов), или близкой к нему. Секционные стороны в пазах обычно размещают в два слоя. На рисунке 4.10 показаны пазы якоря с размещенными в них секционными сторонами. Здесь прямоугольниками изображены секционные стороны, которые могут состоять из одного или нескольких активных проводников.

Рис. 4.9. Одновитковая секция (а), заложенная в пазы,

и трехвитковая секция (б)

Для того чтобы правильно соединить секции обмотки между собой и с коллекторными пластинами, нужно найти шаги обмотки. Их целесообразно измерять числом элементарных пазов, причем под последними понимаются условные пазы с двумя секционными сторонами, расположенными одна над другой. На рисунке 4.10,а показаны реальные пазы, которые в то же время являются и элементарными. На рисунке 4.10,6 и в показаны пазы, из которых каждый состоит соответственно из двух и трех элементарных пазов. Нумерация элементарных пазов производится так, как показано на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Пазы якоря

Секция обмотки укладывается в пазы таким образом, чтобы одна ее сторона находилась в верхнем слое паза, а другая сторона в нижнем слое. На рисунке 4.11 изображены секции обмоток. Здесь часть секции, находящаяся в верхнем слое, изображена сплошной линией, а часть секции, находящаяся в нижнем слое, - пунктирной линией.

Рис. 4.11. Секции якорных обмоток

Барабанные обмотки делятся на петлевые и волновые. Секции петлевой обмотки показаны на рисунке 4.11,а и волновой обмотки - на рисунке 4.11,б.

Различают следующие шаги обмоток (рис. 4.11):

у₁ - первый шаг, равный ширине секции или расстоянию между начальной и конечной сторонами секции;

у₂ - второй шаг, равный расстоянию между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции;

у - результирующий шаг, равный расстоянию между начальными сторонами следующих друг за другом секций;

у_к - шаг по коллектору, равный расстоянию между началом и кон­ом секции по окружности коллектора (измеряется числом коллекторных делений, т. е. расстояний между серединами соседних коллекторных пластин).

Если у измеряется числом делений элементарных пазов, то у и у_к выражаются одним и тем же числом, т. е:

y=y_к. (4.1)

Если обозначить: S — число секций, K - число коллекторных пластин, Z_э - число элементарных пазов, то:

S=K=Z_э. (4.2)

Минимальное число параллельных ветвей 2а замкнутой обмотки равно двум, т. е:

2a≥2. (4.3)

Для обеспечения симметрии обмотки общее число секций выбирается таким образом, чтобы на каждую пару параллельных ветвей приходилось целое число секций. В этом случае имеем:

целому числу. (4.4)

б) Петлевая обмотка

При петлевой обмотке первый шаг делается по окружности якоря в одну сторону, второй шаг — в противоположную (рис. 4.11,а), поэтому шаги петлевой обмотки связаны соотношением

y₁–y₂=y=y_к. (4.5)

Обычно у₁>y₂ и y>0. Такая обмотка называется неперекрещенной или правой. Здесь при обходе секций мы будем все время смещаться вправо. При у₁< у₂ и у<0 получается перекрещенная или левая петлевая обмотка. В этом случае при обходе обмотки будем все время смещаться влево. Левая обмотка на практике почти не встречается.

Число параллельных ветвей петлевой обмотки определяется числом полюсов 2р и значением результирующего шага у. В общем случае число параллельных ветвей петлевой обмотки равно:

2a=2py. (4.6)

На рисунке 4.11,а показаны две секции петлевой обмотки с шагом у=у_к=1. Такая обмотка называется простои петлевой. Она имеет число параллельных ветвей, равное числу полюсов: 2а=2р. Простые петлевые обмотки применяются для машин средней и большой мощности.

Если у>1, то получается сложная петлевая обмотка. Петлевую обмотку называют также параллельной, и соответственно различают простую и сложную параллельные обмотки.

На рисунке 4.12 приведена схема — развертка простой петлевой обмотки при Z_э = S = K = 24, 2p = 2a = 4.

Рис. 4.12. Схема-развертка простой петлевой обмотки:
Z_э = S = K = 24; 2p = 2a = 4; y = y_к = 1; y₁ = 6; y₂ = 5

Шаги обмотки взяты равными:

y = y_к = 1; ;

y₁ = 6; y₂ = y₁ – y; y₂ = 5.

Если схему начертить на полосе бумаги и обернуть ею цилиндр подходящих размеров, то мы получим наглядное представление о соединении секций между собой и с коллекторными пластинами.

Для той же самой обмотки на рисунке 4.12,а представлена так называемая радиальная схема.

На рисунке 4.12 показаны полюсы и ЭДС, наведенные в секционных сторонах. Мы приняли, что полюсы расположены над обмоткой и что якорь относительно полюсов и щеток движется вправо.

При выбранном положении якоря относительно полюсов получаются четыре параллельные ветви (2а=2р=4); они показаны на рисунке 4.13, где цифрами без штриха обозначены верхние секционные стороны, а цифрами со штрихом - нижние.

Рис. 4.12а. Радиальная схема простой петлевой обмотки (кривые вне якоря условно показывают лобовые соединения на задней стороне машины, кривые внутри якоря - лобовые соединения на ее передней стороне; см. рис. 4.12)

Рис. 4.13. Параллельные ветви простой петлевой обмотки (см. рис. 4.12)

При перемещении якоря некоторые секции замыкаются щетками. Они в это время не участвуют в создании ЭДС параллельной ветви. Для рассматриваемого случая мы будем иметь то 6, то 5 секций в каждой параллельной ветви. В соответствии с этим напряжение на щетках будет несколько изменяться по величине, оставаясь постоянным по направлению. В практических случаях, когда взято на параллельную ветвь обмотки 15—20 и больше секций, коллекторные пульсации напряжения на щетках получаются меньше 1%.

Щетки на рисунках 4.12 и 4.12,а соприкасаются с коллекторными пластинами, соединенными с секционными сторонами, находящимися приблизительно посередине между главными полюсами, т. е. вблизи геометрической нейтрали. В этом случае считают, что щетки находятся приблизительно на геометрической нейтрали, имея в виду положение щеток не относительно полюсов, а относительно секционных сторон, с которыми они соединены. Щетки устанавливаются на геометрической нейтрали не только для того, чтобы иметь наибольшую ЭДС в параллельной ветви, но и для того, чтобы в секциях, замыкаемых щетками почти накоротко, не могли образоваться большие токи.

Из сложных петлевых обмоток применяются иногда обмотки при у=2 для машин на большие токи, для которых увеличение числа параллельных ветвей за счет увеличения числа полюсов невозможно или невыгодно.

Сложную петлевую обмотку можно представить себе, как две простые петлевые обмотки, уложенные на один и тот же якорь и смещенные одна относительно другой (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Секции сложной петлевой обмотки (у = у_к = 2)

При исследовании якорных обмоток машин постоянного тока, так же как якорных обмоток машин переменного тока, применяются векторные диаграммы ЭДС обмоток. Такие диаграммы можно построить, приняв, что кривая распределения индукции вдоль окружности якоря (кривая поля машины) синусоидальна. Тогда мы можем ЭДС, наведенные в секционных сторонах, изобразить временными векторами. Следовательно, ЭДС одной какой-либо секции также изобразится вектором, равным разности векторов ЭДС, наведенных в сторонах этой секции.

Электродвижущие силы секций, следующих одна за другой, сдвинуты по фазе в соответствии с их сдвигом в магнитном поле. Этот сдвиг легко найти, так как сдвигу в магнитном поле на полюсное деление т соответствует сдвиг по фазе на 180°.

Для петлевой обмотки сдвиг между следующими одна за другой секциями равен у делений элементарных пазов, чему соответствует:

. (4.7)

Для обмотки, схема которой показана на рис. 4-12, имеем (y = 1, t = Z_э/2р = 24/4 = 6, следовательно, .

Складывая при обходе обмотки векторы ЭДС отдельных секций, мы получим многоугольники ЭДС, каждый из которых соответствует одной паре параллельных ветвей обмотки. Они называются многоугольниками ЭДС секций обмотки (или потенциальными многоугольниками обмотки).

Для обмотки рисунка 4.12 мы получим два равных друг другу многоугольника ЭДС обмотки (а = 2) с числом сторон , показанных на рисунке 4.15. Здесь цифрами обозначены номера секций, соответствующие номерам коллекторных пластин.

Рис. 4.15. Многоугольник ЭДС обмотки (см. рис. 4.12)

При помощи рисунка 4.15 можно найти пульсацию ЭДС на щетках. Она равна:

где ;

для данного случая DE%» 1,2%

Очевидно, что при K/a, равном нечетному числу, которое обычно и выбирается, пульсация ЭДС на щетках будет относительно меньше.

При увеличении числа секций в параллельной ветви многоугольник приближается к окружности.

Из схем обмоток и соответствующих многоугольников ЭДС следует, что если мы при обходе некоторого числа секций обмотки смещаемся в магнитном поле на t, то получаем при этом одну параллельную ветвь. Таким образом, число параллельных ветвей равно общему сдвигу в магнитном поле при обходе всех секций обмотки, поделенному на t. Для петлевой обмотки общий сдвиг в магнитном поле равен yS, а число параллельных ветвей

.

в) Волновая обмотка

При волновой обмотке второй шаг y₂ делается в ту же сторону, что и первый шаг y₁ (рис. 4.11,б), поэтому шаги обмотки связаны соотношением

y₁ + y₂ = y = y_к. (4.8)

Результирующий шаг у должен быть больше или меньше, чем двойное полюсное деление 2t, чтобы при обходе секций все они были включены в обмотку. Поэтому, делая один обход по окружности якоря, мы попадаем в элементарный паз, сдвинутый вправо или влево от начала обхода на х делений элементарных пазов (рис. 4.11,б). Так как мы должны при этом сделать столько результирующих шагов у, сколько имеется пар полюсов, то yp±x = Z_э = S. Отсюда получаем:

(4.9)

Число параллельных ветвей волновой обмотки зависит только от х, оно равно 2а = 2х. В этом можно убедиться, рассматривая схемы обмоток.

Формула для результирующего шага пишется следующим образом

. (4.10)

Верхний знак соответствует неперекрещенной обмотке, нижний знак - перекрещенной.

При а=1 получается простая волновая обмотка или простая последовательная обмотка. При а>1 получается сложная волновая или сложная последовательная обмотка.

На рисунке 4.16 приведена схема-развертка простой волновой обмотки:

2p = 4; Z_э = S = K = 19; 2a = 2;

y₂ = y – y₁ = 4.

Рис. 4.16. Схема-развертка простой волновой обмотки
Z_э = S = K = 19; 2р = 4; у = y_к = 9; y₁ = 5; y₂ = 4; а = 1

Радиальная схема той же обмотки приведена на рисунке 4.16а.

Рис. 4.16а. Радиальная схема простой волновой обмотки (кривые линии вне якоря условно показывают лобовые соединения на задней стороне машины, кривые внутри якоря - лобовые соединения на ее передней стороне (см рис.4.16)

На рисунке 4.17 представлены параллельные ветви обмотки, соответствующие положению якоря и коллектора относительно полюсов и щеток, показанному на рисунке 4.16. Получаются две параллельные ветви. Для любой волновой обмотки можно взять только две щетки (заштрихованные на рисунках 4.16 и 4.17). Однако в обычных случаях берут число щеток равным числу полюсов, так как в этом случае поверхность коллектора лучше используется и его размеры можно сократить. Выключаемые при этом секции (замкнутые щетками) практически не изменяют (при большом числе секций в параллельной ветви) ее ЭДС.

Рис. 4.17. Параллельные ветви простой волновой обмотки (см. рис. 4.16) при двух щетках и при четырех щетках

Сложную волновую обмотку можно представить себе как n простых волновых обмоток, уложенных на якоре, имеющем число пазов и число коллекторных пластин в n раз больше, чем это нужно для одной простой волновой обмотки. Сложные волновые обмотки на практике встречаются сравнительно редко.

Простая волновая обмотка находит себе самое широкое применение для нормальных машин небольшой и средней мощности при 2р=4 и 6. Ее преимущество перед простой петлевой обмоткой заключается в том, что она при любом числе полюсов имеет только две параллельные ветви и, следовательно, при 2р>2 требует меньше проводников. При этом сечение проводников должно быть взято больше, чем при петлевой обмотке, но при меньшем числе проводников изготовление обмотки облегчается. Другим важным преимуществом простой волновой обмотки является то, что она не требует уравнительных соединений, тогда как петлевая обмотка при 2р>2 должна быть снабжена уравнительными соединениями.

Число параллельных ветвей волновой обмотки, как отмечалось, зависит только от х коллекторных делений между началом и концом одного обхода по окружности коллектора. Это можно доказать, пользуясь теми же рассуждениями, что и в отношении петлевой обмотки. Для волновой обмотки можно также построить векторные диаграммы ЭДС - многоугольники ЭДС обмотки. Здесь сдвиг по фазе ЭДС секций, следующих одна за другой при обходе обмотки, соответствует их сдвигу в магнитном поле, равному 2t-у (см. рис. 4.11,б). Так как число параллельных ветвей 2а равно общему сдвигу в магнитном поле при обходе всех секций обмотки, т. е. (2t-y)S, поделенному на t, то получим: 2а = (2t-y)S:t. Подставляя сюда (4-8) и t=S/2р, будем иметь:

(здесь знак минус опускаем, так как 2а - число существенно положительное).