2015-04-17
2991
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 (25.20), получим
. (25.28)
Отсюда следует, что при заданных 
ичисло 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. 25.1 приведены рекомендации по выбору типа обмотки якоря для двигателей постоянного тока общепромышленного назначения в зависимости от числа полюсов и силы тока якоря.
|
|
|
Таблица 25.1
| Число полюсов 2 | Ток якоря,, А | Тип обмотки якоря |
| — | Простая петлевая | |
| До 700 | » волновая | |
| Свыше 700 до 1400 | » петлевая или комбинированная | |
| 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 | |
| Машины с компенсационной обмоткой |
Указанные предельные значения 
распространяются и на обмотки якоря других типов. При превышении указанных пределов появляется вероятность возникновения в машине опасного явления, называемого круговым огнем (см. § 27.4).
30.Магнитная цепь МПТ. Реакция якоря МПТ.
Для получения в машине постоянного тока номинальных данных в ней необходимо наличие магнитного потока Ф. Требуемая величина магнитного потока может быть определена из формулы
Магнитный поток в машинах постоянного тока создается под действием
Рис. 1 — Магнитная цепь пары полюсов четырехполюсной машины
магнитодвижущей силы (МДС) обмоток возбуждения главных полюсов. Магнитный поток замыкается в машине между разноименными полюсами по определенному пути, который называется магнитной цепью машины.На рисунке 1.25 показана магнитная цепь пары полюсов четырехполюсной машины. Магнитная цепь машины обычно симметрична и имеет пять характерных однородных участков: главные полюса hп, воздушный зазор δ, зубцы якоря hz, сердечник якоря lя и станину lc машины. Поток, создаваемый каждым из полюсов,, делится относительно продольной оси полюса на две части, образующие вместе с соседними полюсами два одинаковых магнитных контура. Число таких контуров равно числу полюсов. Расчет магнитной цепи машины постоянного тока заключается в определении МДС, необходимой для создания под полюсами машины основного магнитного потока требуемой величины. Расчет ведут обычно на одну пару полюсов ввиду симметричности машины. Магнитную цепь можно рассчитать на основе закона полного тока для средней магнитной линии
|
|
|
где 
– напряженность магнитного поля;
– элемент длины магнитной линии;
– полный ток, охватываемый магнитной линией.
Предположив, что на протяжении каждого однородного участка Н постоянна, заменяем интеграл суммой
где Hk – напряженность магнитного поля в каждом однородном участке;
lk – средняя длина однородного участка;
F 0 – полная МДС пары полюсов, действующая в контуре цепи.
Таким образом, общую МДС, действующую в контуре, можно представить суммой МДС, необходимых для проведения магнитного потока на заданных участках
Коэффициент Kδ учитывает возрастание среднего воздушного зазора, называется коэффициентом воздушного зазора (коэффициентом Картера) и равен 1,1÷1,5. Величину напряженности поля в K–ом участке можно определить по формуле
где Bk – индукция магнитного поля в участке;
μk – магнитная проницаемость участка.
Для участков из ферромагнитных материалов Н k находится по кривым намагничивания В = f (H), так как для них μ = var.
Индукцию Bk определяют по величине потока Фk и сечению участка Sk
Подставив найденные значения H k и lk в формулу общей МДС получим полную МДС пары полюсов.Расчетное значение МДС возбуждения зависит от потока Ф, который необходимо создать в машине. Задаваясь различными значениями основного потока, например 0,5Ф, 0,75Ф, 1,0Ф, 1,25Ф можно рассчитать соответствующие им МДС обмотки возбуждения и построить графически зависимость Ф = f (Fo).
Эта зависимость (рис.2) носит название характеристики намагничивания машины. Степень насыщения магнитной системы машины характеризуется коэффициентом насыщения, который находится расчетным путем или из кривой намагничивания
Коэффициент насыщения для различных машин находится в пределах 1,25÷1,75. Характеристика намагничивания, выраженная в другом масштабе, представляет собой характеристику холостого хода машины Eo= f (Iв), т.е. завиcимость ЭДС от тока возбуждения при постоянной частоте вращения n = const.
Реакция якоря. При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, вследствие чего возникает МДС якоря. Воздействие МДС якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Для упрощения анализа явления реакции якоря будем пренебрегать насыщением магнитной цепи машины и считать, что МДС F в обмотки возбуждения и МДС Faq обмотки якоря расходуются на преодоление магнитными потоками воздушного зазора. В этом случае вместо указанных МДС можно рассматривать соответствующие потоки: возбуждения Фви реакции якоря Ф aq .
| Рис. 8.21. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме холостого хода: 1 — полюс; 2 — обмотка возбуждения; 3 — якорь; 4 — корпус (станина) |
|
| Рис.8.22. Магнитная характеристика машины постоянного тока (а) и графикдля определения размагничивающего действия поперечного поля реакции якоря (б) |
|
| Рис. 8.23. Характер магнитного поля машины постоянного тока,: создаваемые обмоткой возбуждения (а), обмоткой якоря (б)и результирующего поля (в) |
При холостом ходе магнитный поток возбуждения направлен по продольной оси машины (рис. 8.23, а). При работе под нагрузкой магнитный поток Фaq, созданный МДС якоря F aq, в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали направлен по поперечной оси машины (см. рис. 8.23,б), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным. В результате действия реакции якоря симметричное распределение магнитного поля машины относительно оси главных полюсов искажается и результирующее поле оказывается смещенным к одному из краев каждого главного полюса (см. рис. 8.23, в). При этом физическая нейтраль О' —О' (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали О — О на некоторый угол β. В генераторах (обозначение Г на рис. 8.23, в) физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях (обозначение Д) — против направления вращения.
|
|
|
Чтобы построить кривую В рез = f (х) распределения результирующей индукции вдоль окружности якоря, применим метод суперпозиции. Его можно использовать, если пренебречь насыщением магнитной цепи машины и считать, что МДС F в и Faq расходуются на компенсацию разности магнитных потенциалов в воздушном зазоре. Так как обмотка возбуждения является сосредоточенной, то кривая распределения создаваемой ею МДС F' в =f (x) имеет форму прямоугольника, где F' в = 0,5 F в — МДС, приходящаяся на один воздушный зазор. В этом случае кривая индукции В в = f (x) имеет форму криволинейной трапеции (рис. 8.24, а).
Для построения кривой МДС Faqx = f (x) и создаваемой ею индукции Baqx =f (x) примем,
|
| Рис. 8.24. Кривые распределения индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока |
что обмотка якоря равномерно распределена по его окружности. Тогда на основании закона полного тока МДС якоря, действующая вдоль контура обхода через точки воздушного зазора на расстояния х от оси главных полюсов,
|
|
|
(8.11)
2Faqx = 2xA,
а МДС, приходящаяся на один зазор,
(8.12)
Faqx = ± xA,
где А = ia N/(πDa) - линейная нагрузка якоря (число ампер, приходящихся на 1 см окружности якоря).
Следовательно, МДС якоря Faqx изменяется линейно вдоль его окружности (рис. 8.24, б); под серединой главного полюса она равна нулю, а в точках, где установлены щетки, имеет максимальное значение. При ненасыщенной магнитной системе магнитная индукция в воздушном зазоре
(8.13)
Baqx = μ0Faqx/δx = μ0 (x/δx ) А
где δx — величина воздушного зазора в точке х.
Из (8.12) следует, что под полюсом при
δx = const индукция B aqx изменяется линейно вдоль окружности якоря. Но в межполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т. е. воздушный зазор δx, и поэтому резко уменьшается индукция Baqx = f(x). В результате кривая распределения индукции Baqx = f(x) приобретает седлообразную форму.
Кривую распределения результирующей индукции В рез = f(x) можно получить алгебраическим сложением ординат кривых B в = f(x) и
B aqx = f(x). Как видно из рис. 8.24, в, эта кривая имеет пики индукции В max под краями главных полюсов.
Таким образом, реакция якоря оказывает неблагоприятное влияние на работу машины постоянного тока: а) физическая нейтраль О' - О' (см. рис. 8.23, в) смещается относительно геометрической нейтрали О - О на некоторый угол β; б) искажается кривая распределения индукции В рез = f(x) в воздушном зазоре и возрастает индукция под одним из краев главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, когда их стороны проходят зоны с увеличенной индукцией. Кроме того, как показано ниже, результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается.
31.Учет размагничивающего влияния реакции якоря. Устранение вредного влияния реакции якоря.
Учет размагничивающего влияния реакции якоря Размагничивающее влияние реакции якоря при нагрузке машины постоянного тока учитывают при расчете числа витков полюсных катушек возбуждения. С этой целью при расчете числа витков такой катушки, используют значение МДС обмотки возбуждения, соответствующее номинальной нагрузке машины:, (26.8) где — ток в обмотке возбуждения, А. Значение МДС обмотки возбуждения на пару полюсов должно быть таким, чтобы ЭДС якоря при работе машины с номинальной нагрузкой была такой же, что и в режиме холостого хода, когда МДС возбуждения [см. (26.1)]. В современных машинах постоянного тока щетки устанавливают на геометрической нейтрали. В этом случае МДС обмотки возбуждения при нагрузке машины:. (26.9) Здесь представляет собой приращение МДС обмотки возбуждения, компенсирующее размагничивающее влияние реакции якоря по поперечной оси на пару полюсов (А). Количественный учет размагничивающего действия реакции якоря усложнен тем, что МДС поперечной реакции якоря действует перпендикулярно оси главных полюсов и вызывает искажение магнитного потока обмотки возбуждения. Возникающее при этом размагничивание машины происходит из-за магнитного насыщения элементов магнитной цепи машины, в первую очередь зубцов сердечника якоря. Рис. 26.6. График Размагничивающее действие реакции якоря по поперечной оси учитывают введением коэффициента реакции якоря. Этот коэффициент получен в результате исследования большого количества некомпенсированных машин постоянного тока при различных значениях магнитной индукции в зубцах якоря. Приращение МДС, компенсирующее реакцию якоря по поперечной оси (А),, (26.10) где — МДС обмотки якоря на пару полюсов (26.6), А. Для большинства машин постоянного тока магнитная индукция в зубцах якоря Тл. Приращение МДС определяют по графику (рис. 26.6), где нижняя граница графика соответствует = 1,7 Тл, а верхняя — = 2,3 Тл. Значение тока в обмотке возбуждения [см. (26.8)] принимают в зависимости от вида возбуждения машины постоянного тока: при параллельном возбуждении при мощности машин от 10 до 1000 кВт ток принимают соответственно от 4,0 до 1,0% от номинального тока машины, а в машинах мощностью от 1 до 10 кВт -соответственно от 8,0 до 4,0%; в машинах последовательного возбуждения ток возбуждения принимают равным току якоря (см. § 29.6). В машинах постоянного тока с компенсационной обмоткой (см. § 26.4), т. е. расчет числа витков полюсной катушки (26.8) ведут по величине.
Устранение вредного влияния реакции якоря В связи с тем что реакция якоря неблагоприятно влияет на рабочие свойства машины постоянного тока 1, при проектировании машины принимают меры к устранению реакции якоря или хотя бы к ослаблению ее влияния до допустимых пределов. Компенсационная обмотка. Наиболее эффективным средством подавления влияния реакции якоря по поперечной оси является применение в машине компенсационной обмотки. Эту обмотку укладывают в пазы полюсных наконечников (рис. 26.7) и включают последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы МДС компенсационной обмотки была противоположна по направлению МДС обмотки якоря. Компенсационную обмотку делают распределенной по поверхности полюсного наконечника всех главных полюсов машины. При этом линейную нагрузку для компенсационной обмотки принимают равной линейной нагрузке обмотки якоря. Включение компенсационной обмотки последовательно в цепь якоря обеспечивает автоматичность компенсации МДС якоря при любой (в пределах номинальной) нагрузке машины. Таким образом, в машине постоянного тока с компенсационной обмоткой при переходе от холостого хода к режиму нагрузки закон распределения магнитной индукции в зазоре главных полюсов остается практически неизменным. Однако в межполюсном пространстве часть МДС якоря остается нескомпенсированной. Нежелательное влияние этой МДС на работу щеточного контакта устраняют применением в машине добавочных полюсов (см. § 27.4). Компенсационные обмотки применяют лишь в машинах средней и большой мощности — более 150—500 кВт при > 440 В, работающих с резкими колебаниями нагрузки, например в двигателях для прокатных станов. Объясняется это тем, что компенсационная обмотка удорожает и усложняет машину и ее применение в некоторых случаях экономически не оправдывается. 1 Исключение составляют машины постоянного тока, в которых поперечное поле' якоря используется полезно, например электромашинные усилители поперечного поля (см. § 30.1). Рис. 26.7. Компенсационная обмотка Увеличение воздушного зазора под главными полюсами. В машинах малой и средней мощности, не имеющих компенсационной обмотки, вредное влияние реакции якоря по поперечной оси ослабляют соответствующим выбором воздушного зазора под главными полюсами. При этом следует иметь в виду, что при достаточно малом воздушном зазоре и значительной линейной нагрузке реакция якоря по поперечной оси может не только ослабить магнитное поле под одной из частей главного полюса, но и перемагнитить его, т. е. изменить полярность — «опрокинуть поле». Некоторое увеличение воздушного зазора под главными полюсами, особенно на их краях, значительно ослабляет действие реакции якоря. Однако не следует забывать, что увеличение воздушного зазора ведет к необходимости повышения МДС обмотки главных полюсов, а следовательно, и к увеличению размеров полюсных катушек, полюсов и габарита машины в целом. На этом же принципе уменьшения МДС поперечной реакции якоря за счет повышенного магнитного сопротивления на пути ее действия основан и другой способ ослабления действия реакции коря. Этот способ состоит в том, что сердечники главных полюсов делают из листовой анизотропной (холоднокатаной) стали (обычно применяют сталь марки 3411). Эта сталь в направлении проката обладает повышенной магнитной проницаемостью, а «поперек проката» — небольшой магнитной проницаемостью. Штамповать пластины полюсов из такой стали следует так, чтобы ось полюса совпадала с направлением проката листа стали.
32.Способы возбуждения машин постоянного тока. Причины, вызывающие искрение на коллекторе. Прямолинейная коммутация. Криволинейная замедленная коммутация.
