Глава 25. Обмотки якоря машин постоянного тока
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 т [см. (7.1)] (рис. 25.1):
Здесь Da —диаметр сердечника якоря, мм.
Обмотки якоря обычно выполняют двухслойными. Они характеризуются следующими параметрами: числом секций S; числом пазов (реальных) Z; числом секций, приходящихся на один паз, Sп=S/Z; числом витков секции wc; числом пазовых сторон в обмотке N; числом пазовых сторон в одном пазу nп=N/Z = 2wcSп. Верхняя пазовая сторона одной секции и нижняя пазовая сторона другой секции, лежащие в одном пазу, образуют элементарный паз. Число элементарных пазов в реальном пазе Z определяется числом секций, приходящихся на один паз: Sп = S/Z (рис. 25.2).
Схемы обмоток якоря делают развернутыми, принтом все секции показывают одновитковыми. В этом случае каждой секции, содержащей две пазовые стороны, соответствует один элементарный паз. Концы секции 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 S=Zэ = K, где Zэ — число элементарных пазов; К — число коллекторных пластин в коллекторе. Число секций, приходящихся на один реальный паз, определяется отношением Zэ/Z. Секции, укладываемые в два реальных паза, имеют общую изоляцию (рис. 25.3).
В машинах постоянного тока применяют обмотки якоря следующих типов: простая петлевая, сложная петлевая, простая волновая, сложная волновая и комбинированная.
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. 25.4 изображена часть развернутой схемы простой петлевой обмотки, на которой показаны шаги обмотки — расстояния между пазовыми сторонами секций по якорю: первый частичный шаг — по якорю у1 второй частичный шаг — по якорю у2 и результирующий шаг — по якорю у.
Если укладка секций обмотки ведется слева направо по якорю, то обмотка называется правоходовой (рис. 25.4, а), а если укладка секций ведется справа налево, то обмотка называется левоходовой (рис. 25.4, б). Для правоходовой обмотки результирующий шаг
y = y1—y2. (25.2)
Расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым присоединены начало и конец одной секции, называют шагом обмотки по коллектору ук. Шаги обмотки по якорю выражают вэлементарных 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, у = ук=±1, где знак плюс соответствует правоходовой обмотке, а знак минус — левоходовой.
Рис. 25.5. Развернутая схема простой петлевой обмотки
Для определения всех шагов простой петлевой обмотки достаточно рассчитать первый частичный шаг по якорю:
где ε — некоторая величина, меньшая единицы, вычитая или суммируя которую получают значение шага у\, равное целому числу. Второй частичный шаг обмотки по якорю
y2=y1 ± y= y1 ± 1. (25.4)
Пример 25.1. Рассчитать шаги и выполнить развернутую схему простой петлевой обмотки якоря для четырехполюсной (2р=4) машины постоянного тока. Обмотка правоходовая, содержит 12 секций.
Решение. Первый частичный шаг по якорю по (25.3) у1— (Za/2p)4 ±ε = 12/4 = 3 паза.
Второй частичный шаг по якорю по (25.4) y2 = y1—y=3—1=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 (рис. 25.5). При этом нужно иметь в виду, что отмеченный па 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/(2р) =12/4=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. 25.6, а).
Рис. 25.6. Расположение условных (а) и реальных (б) щеток
В этом случае наибольшая ЭДС машины соответствует положению «условных» щеток на геометрической нейтрали (см. § 25.4). Но так как коллекторные пластины смещены относительно активных сторон соединенных с ними секций на 0,5т (рис. 25.6, б), то, переходя к реальным щеткам, их следует расположить на коллекторе по оси главных полюсов, как это показано на рис. 25.5.
При определении полярности щеток предполагают, что машина работает в генераторном режиме и ее якорь вращается в направлении стрелки (см. рис. 25.5). Воспользовавшись правилом «правой руки», находят направление ЭДС (тока), наведенной в секциях. В итоге получаем, что щетки А1 и А2, от которых ток отводится во внешнюю цепь, являются положительными, а щетки В1 и В2 — отрицательными. Щетки одинаковой полярности присоединяют параллельно к выводам соответствующей полярности.
Параллельные ветви обмотки якоря. Если проследить за прохождением тока в секциях обмотки якоря (рис. 25.5), 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. 25.7). Эту схему получают из развернутой схемы обмотки (см. рис. 25.5) следующим образом. На листе бумаги изображают щетки и имеющие с ними контакт коллекторные пластины, как это показано на рис. 25.7. Затем совершают обход секций обмотки, начиная с секции 1, которая оказывается замкнутой накоротко щеткой В1. 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.
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:
Ia=2aia, (25.5)
где 2а — число параллельных ветвей обмотки якоря; ia — ток одной параллельной ветви.
В простой петлевой обмотке число параллельных ветвей равно числу главных полюсов машины: 2а = 2р.
Нетрудно заметить, что число параллельных ветвей в обмотке якоря определяет значение основных параметров машины — тока и напряжения-
Рис. 25.7. Электрическая схема обмотки, изображенной на рис. 25.5
Пример 25.2. Шестиполюсная машина постоянного тока имеет на якоре простую петлевую обмотку из 36 секций. Определить ЭДС и величину тока 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 2а = 2р=6, при этом в каждой ветви Sп.в=S/(2а) =36/6=6 секций. Следовательно, ЭДС машины Еа = =6*10=60 В, а допустимый ток машины Ia = 6*15=90 А.
Если машина при прочих неизменных условиях имела бы 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, в 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 2а = 2рm, где m — число простых петлевых обмоток, из которых составлена сложная обмотка (обычно m=2). Ширина щеток при сложной петлевой обмотке принимается такой, чтобы каждая щетка одновременно перекрывала m коллекторных пластин, т. е. столько пластин, сколько простых обмоток в сложной. При этом простые обмотки оказываются присоединенными параллельно друг другу. На рис. 25.8 показана развернутая схема сложной петлевой обмотки, состоящей из двух простых (m=2): 2p=4; Zэ=16. Результирующий шаг обмотки по якорю и шаг по коллектору сложной петлевой обмотки принимают равным у=ук=т. Первый частичный шаг по якорю определяют по (25.3).
Пример 25.3. Четырехполюсная машина постоянного тока имеет сложную петлевую обмотку якоря из 16 секций. Выполнить развернутую схему этой обмотки, приняв т=2.
Решение. Шаги обмотки: у1 = (Zэ/2p) =16/4 = 4 паза; у=ук = т=2 паза; y2=y1—y=4—2=2 паза.
Рис. 25.8. Развернутая схема сложной петлевой обмотки
Прежде всего располагаем все секции одной из простых обмоток (секции с нечетными номерами: 1, 3, 5 и т. д.). Концы этих секций присоединяют к нечетным пластинам коллектора (рис. 25.8). Затем располагаем на якоре секции другой петлевой обмотки (секции с четными номерами: 2, 4, 6 и т. д.). Изображаем на схеме щетки шириной в два коллекторных деления и определяем полярность щеток, как это описано в § 25.2. Число параллельных ветвей обмотки 2а=2рm=4*2=8.
Обмотчик электрических машин — Основные элементы и обозначения обмоток якорей машин постоянного тока
ГЛАВА IX
КОНСТРУКЦИЯ И СХЕМЫ ОБМОТОК ЯКОРЕЙ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
§ 41. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ОБОЗНАЧЕНИЯ ОБМОТОК ЯКОРЕЙ
Обмотки якорей машин постоянного тока по своей конструкции отличаются от рассмотренных в предыдущих главах обмоток машин переменного тока. Основным элементом в них является не катушка, а секция, состоящая из одного или нескольких витков. Выводные концы каждой секции соединяются с пластинами коллектора. С каждой пластиной соединяется конец одной и начало другой секции, поэтому число пластин в коллекторе равно числу секций в обмотке. Обмотка якоря выполняется двухслойной.
Рис. 115. Катушки якоря, состоящие из трех секций:
а — петлевой обмотки, б — волновой обмотки
В каждом слое паза — верхнем и нижнем — располагаются стороны нескольких секций. Это делается для того, чтобы уменьшить число пазов в якоре. Секции, стороны которых находятся в одних и тех же пазах, конструктивно объединяются в катушку обмотки, выводными концами которой являются выводные концы секций (рис. 115). Таким образом, катушка, состоящая, например, из трех секций, имеет три пары выводных концов: три начала и три конца каждой секции. Так как с коллектором соединяются все секции, то число коллекторных пластин больше числа пазов якоря: К = unz, где К — число пластин коллектора; uп— число секций в одной катушке или, что то же самое, число сторон секций, расположенных в одном слое паза якоря.
Катушки петлевой и волновой обмоток могут выполняться из круглого или прямоугольного провода. Обмотки из круглого провода укладываются в полузакрытые грушевидные пазы якорей машин мощностью до 20—30 кВт. Проводники, лежащие в верхнем и нижнем слоях паза, как и в двухслойных обмотках машин переменного тока, разделяются изоляционными прокладками (рис. 116, а).
Рис. 116. Поперечные сечения пазов якоря:
а — с об моткой из круглого провода, б — с катушечной обмоткой из прямоугольного провода, в — со стержневой обмоткой; 1 — корпусная изоляция, 2 — проводники обмотки, 3 — прокладка между слоями обмотки, 4 — прокладка под клин, 5 — клин, 6 — проволока бандажа, 7 — прокладка под проволочный бандаж, 8 — прокладка на дно паза
Обмотку машин большей мощности делают из прямоугольного провода. Катушки, намотанные прямоугольным проводом, называют жесткими. Секции жесткой катушки состоят из одного (рис. 116, в) или нескольких витков (рис. 116, б). Одновитковые секции для упрощения их изготовления и укладки часто разделяют на два стержня и обмотку называют стержневой. Иногда обмотку из одновитковых секций также называют стержневой, несмотря на то, что она выполнена из цельных, неподразделенных на стержни секций.
В отличие от обмоток машин переменного тока проводники в пазах якоря располагаются большей стороной вдоль стенок паза (см. рис. 116, б). Проводники разных секций укладывают рядом друг с другом на одной высоте от дна паза, чтобы все секции имели одинаковое индуктивное сопротивление.
Пазовая изоляция охватывает одновременно все секции одной катушки. Иначе пришлось бы изолировать от корпуса пазовые части всех секций в отдельности, что привело бы к излишнему расходу дорогостоящей изоляции и к увеличению места в пазах для размещения этой изоляции.
Обозначение выводов, наиболее часто встречающихся в машинах постоянного тока обмоток, приведено в табл. 7.
Обозначения выводов должны быть выполнены так, чтобы при правом (по часовой стрелке) вращении якоря в режиме двигателя ток во всех обмотках протекал в направлении от начал обмоток (цифры 1) к их концам (цифры 2). Исключение составляет только обмотка последовательного возбуждения, если она включена как размагничивающая.
Таблица 7. Обозначение выводов обмоток машин постоянного тока
Обмотка добавочных полюсов
Последовательная обмотка возбуждения
Красный с черным
Независимая обмотка возбуждения
Параллельная обмотка возбуждения
Зеленый с черным
Обмотка особого назначения
Примечание. Цветовые обозначения допускается применять при отсутствии достаточного места для нанесения буквенных обозначений.
Рис. 117. Схема простой петлевой обмотки якоря с Z=14, 2р=4, К= 42
В машинах постоянного тока малой мощности добавочных полюсов, компенсационных обмоток, независимых обмоток возбуждения и обмоток особого назначения не устанавливают. Поэтому в ГОСТе не предусматривается цветовых обозначений выводов обмоток.
Схемы обмоток якорей машин постоянного тока изображаются на чертежах так же, как и схемы машин переменного тока, т. е. в виде торцовых (вид со стороны коллектора) или развернутых схем. Наибольшее распространение получили развернутые схемы. Их изображение по сравнению со схемами обмоток статоров машин переменного тока имеет ряд особенностей.
Каждая катушка обмотки якорей машин постоянного тока состоит из нескольких секций и имеет столько пар выводных концов, сколько секций в ней содержится. Выводные концы секций соединены с разными пластинами коллекторов. Поэтому на схеме обмотки якоря нужно либо каждую секцию изображать отдельным многоугольником, либо показывать пазовые части секций, входящих в одну катушку, одной линией, так как они располагаются в одном пазу, а лобовые части каждой секции изображать отдельными линиями. Последний способ более употребителен. На рис. 117 дана развернутая схема простой петлевой обмотки, каждая катушка которой содержит три секции. Пазовые части катушки изображены одной сплошной или пунктирной линией в зависимости от положения в пазу, а в лобовых частях от каждой линии паза отходит три линии, обозначающие лобовые части секций, входящих в катушку. Начало и конец каждой секции соединяются с коллекторными пластинами.
Пазы и коллекторные пластины обязательно нумеруются, и на коллекторных пластинах показывают места расположения щеток.
Схемы симметричных обмоток якоря состоят из ряда повторяющихся элементов, поэтому для укладки обмотки используют более простые так называемые практические схемы. В них отдельно вычерчивают секции только одной катушки: их расположение в пазах якоря и соединение с пластинами коллектора. На рис. 118 приведена практическая схема обмотки, развернутая схема которой по
казана на рис. 117. Три стороны секций, расположенные в верхнем слое 1-го паза, обозначены сплошными линиями, и три, лежащие в нижнем слое 4-го паза, — пунктирными. Остальные секции располагаются в пазах якоря и соединяются с коллектором точно так же, как показано на практической схеме.
Для изучения схем обмоток якорей значительно удобнее представлять их в условном виде, считая, что в каждом пазу располагается только по две стороны секций: одна — в верхнем, другая — в нижнем слое. Такие пазы называют элементарными; их число обозначают Z3. Число сторон секций в одном слое реального паза обозначают буквой uп, а число пластин коллектора — буквой К. Число элементарных пазов всегда равно числу реальных пазов якоря, умноженному на , и числу пластин коллектора Z3 = Zuп= К.
Рис. 119. Обозначения шагов в петлевых обмотках: а — при ук= +1, б — при ук= — 1
Рис. 118. Практическая схема простой петлевой обмотки с 3, у=9
Так, например, на схеме (см. рис. 117) изображена обмотка с Z = 14 и uп= 3, следовательно, число пластин коллектора и число элементарных пазов и число секций в обмотке будет равно K= Zuп= 14·3 = 42.
В обмотке якоря, так же как и в обмотке машин переменного тока, ширина катушки выражается шагом по пазам уz. Кроме того, секции якоря (рис. 119) характеризуются первым у1, вторым у2, частичными и результирующим у шагами, которые выражаются в элементарных пазах. Все начала и концы секций соединяются с коллекторными пластинами, поэтому расстояние между началом следующих друг за другом по схеме обмотки секций называют шагом по коллектору. Его выражают числом коллекторных пластин. Так как число пластин коллектора равно числу секций обмотки и числу элементарных пазов якоря, то числа, определяющие результирующий шаг и шаг по коллектору, совпадают, т. е. всегда у = ук.
Соотношения между частичными и результирующим шагами зависят от типа обмоток, которые по направлению отгиба лобовых частей секций подразделяются на петлевые и волновые. Петлевые обмотки часто называют параллельными, а волновые — последовательными. Обмотки могут быть также простыми и сложными. Рассмотрим вначале схемы петлевых обмоток.
Устройство электрических машин постоянного тока
Электрическая машина постоянного тока — машина, в которой при установившемся режиме ее работы электрическая энергия, участвующая в ее энергопреобразовательном процессе, является энергией практически постоянного тока.
Закон электромагнитной индукции количественно описывает ЭДС, индуктируемые (наводимые) изменяющимися во времени магнитными полями. Электромеханическое преобразование энергии имеет место, когда эти изменения магнитного поля обусловлены механическим движением.
В электрических машинах ЭДС в проводниках или катушках обмоток наводятся либо вследствие их механического вращения в магнитном поле, либо потому, что магнитное сопротивление магнитопровода машины изменяется при вращении ротора.
В любом случае магнитный поток, сцепленный с каждым проводником или катушкой, циклично изменяется и наводится ЭДС. Совокупность проводников или катушек, соединенных между собой так, что их ЭДС суммируются, называется обмоткой якоря.
Якорь машины постоянного тока является вращающейся частью или ротором. Так как якорь подвергается действию переменного магнитного потока, в его ферромагнитном сердечнике (магнитопроводе) наводятся вихревые токи. Имеет место также магнитный гистерезис.
Для уменьшения потерь энергии от них сердечник якоря выполняется шихтованным, набранным из листов электротехнической стали.
Вращающаяся (ротор) и неподвижная (статор) части электрической машины отделены друг от друга воздушным зазором.
На части, противоположной якорю, обычно помещается обмотка возбуждения, служащая для создания первичного магнитного потока. В машинах малой мощности для этого иногда используют постоянные магниты.
Устройство машин постоянного тока
Любая электрическая машина состоит, как правило, из двух составных частей: неподвижной части — статора, располагаемой обычно снаружи, и вращающейся внутренней части — ротора. Ротор современной машины постоянного тока малой и средней мощности состоит из вала и насаженных на него якоря, коллектора и вентилятора для охлаждения машины.
В тихоходных больших машинах постоянного тока охлаждение достигается независимым вентилятором, в больших быстроходных машинах постоянного тока открытого исполнения достаточное охлаждение достигается вентилирующим действием вращения якоря. При закрытом исполнении машин применяют наружную вентиляцию.
Не практике термин ротор в применении к машинам постоянного тока не используется. Всю вышеперечисленную совокупность вращающихся деталей называют по имени главной из них якорем. Таким образом, на практике термин якорь имеет двоякое значение: во-первых, совокупность вращающихся частей машины постоянного тока, во-вторых, собственно якорь.
Статор современной машины постоянного тока состоит из: ярма, главных, или основных, магнитных полюсов с намагничивающими их катушками из изолированного или голого медного провода круглого или прямоугольного сечения и из добавочных, или коммутационных, магнитных полюсов с намагничивающими их катушками из изолированного или из голого (с изоляционными прокладками) медного провода круглого или прямоугольного сечения.
Термин статор в применении к машинам постоянного тока на практике не используется, вместо него пользуются термином магнитная система или индуктор. Термин ярмо также заменяют на практике термином машины постоянного тока, так как в качестве конструктивной части машины ярмо выполняет эту роль.
Коллекторный скользящий контакт
Электромашинный коллектор, являющийся вращающейся частью коллекторного скользящего электрического контакта, состоит из токопроводящих медных сегментообразных пластин, собранных на валу в цилиндр и изолированных друг от друга и от вала, на котором они укрепляются неподвижно. Каждая коллекторная пластина соединяется электрически неравномерно распределенными по обмотке точками. Неподвижная часть коллекторного контакта состоит из таких же неподвижных электромашинных щеток. Число щеток берется по числу нужных ответвлений от обмотки.
Особенности машин постоянного тока
Являясь одноякорной электрической машиной, коллекторная машина постоянного тока может быть с параллельным, с последовательным, а также с последовательно-параллельным, или смешанным, возбуждением.
В машине со смешанным возбуждением на индукторе имеется либо основная индукторная обмотка, соединяемая параллельно с якорной обмоткой, и вспомогательная возбуждающая обмотка, соединяемая последовательно с якорной обмоткой, либо основная индукторная обмотка, соединяемая с якорной обмоткой последовательно, и вспомогательная возбуждающая обмотка, соединенная параллельно с якорной обмоткой.
Возможно также устройство машины постоянного тока с независимым возбуждением. Она получается если в ней индукторную, возбуждающую обмотку отсоединить от якоря и присоединить к независимому источнику постоянного тока неизменного напряжения.
Генераторы постоянного тока делают или с независимым возбуждением или с самовозбуждением. При независимом возбуждении цепь возбуждающей обмотки питается от независимого источника постоянного тока, т. е. либо от сети постоянного тока, питаемой другим генератором постоянного тока, либо от аккумуляторной батареи, либо от генератора постоянного тока, специально предназначенного для питания возбуждающей обмотки данного генератора.
Мощность такого вспомогательного генератора, называемого возбудителем, составляет всего несколько процентов от мощности того генератора, обмотку возбуждения которого он питает. Если возбудитель жестко соединяется с возбуждаемым генератором, то его называют пристроенным возбудителем.
Если цепь возбуждающей обмотки присоединена к зажимам генератора, то имеем генератор с параллельным возбуждением (или генератор параллельного возбуждения), или параллельный генератор. Обычно его называют шунтовым генератором постоянного тока.
Если цепь возбуждающей обмотки соединяется с цепью якоря последовательно, то имеем генератор с последовательным возбуждением (или генератор последовательного возбуждения), или последовательный генератор. Иногда его называют сериесным генератором постоянного тока.
Главные детали машины
Собственно якорь представляет собой цилиндрической формы, состоящее из большого числа дисков специальной тонкой листовой электротехнической стали, плотно спрессованных.
По наружной окружности якоря равномерно располагаются полученные путем штамповки пазы или впадины, в которых укладывается и укрепляется составленная по определенным правилам электрическая цепь из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения, называемая обмоткой якоря. Обмотка якоря является той частью машины постоянного тока, в которой индуктируется электродвижущая сила и протекает ток.
Коллектор имеет цилиндрическую форму и состоит из медных пластин, изолированных друг от друга и от крепящих их частей. Пластины коллектора электрически соединяются с определенными точками якорной обмотки равномерно распределенными по окружности якоря.
Главные, или основные, магнитные полюсы состоят из сердечников полюсов и уширенной в сторону якоря торцевой части полюса, называемой полюсным наконечником, или полюсным башмаком.
Сердечник и башмак штампуют совместно из листовой электротехнической стали в виде пластин соответствующей формы, которые затем спрессовывают и скрепляют в монолитное тело. Главные магнитные полюсы создают основной магнитный поток машины, от перерезывания которого вращающейся якорной обмоткой в ней индуктируется э д. с. машины.
Добавочные магнитные полюса, имеющие узкую форму и располагаемые в промежутках между главными магнитными полюсами, делают из катаной стали, иногда их штампуют из тонких листов электротехнической стали, как и главные полюсы. С торца, обращенного к якорю, их снабжают иногда полюсным башмаком прямоугольной формы, со скосами или без них. Добавочные магнитные полюса служат для обеспечения безискровой работы коллектора.
В больших машинах постоянного тока, предназначаемых для тяжелых условий работы, в полюсных башмаках главных магнитных полюсов, которым в этом случае придают особо развитую форму, проштамповывают ряд пазов для укладки в них компенсационной обмотки. Она предназначается для воспрепятствования искажению формы распределения индукции основного магнитного потока в пространстве, отделяющем полюсный башмак от якоря. Это пространство называется междужелезным пространством, или главным электромашинным зазором.
Компенсационная обмотка выполняется, как и прочие обмотки машины, из меди и изолируется. Обмотки добавочных полюсов и компенсационная обмотка соединяются с обмоткой якоря последовательно.
На коллектор опираются щетки, как правило, угольные, имеющие прямоугольную форму сечения. Их устанавливают по образующим цилиндрической поверхности коллектора, называемым коммутационными зонами. Обычно число коммутационных зон равно числу полюсов машины.
Щетки вставляют в обоймы щеткодержателей с пружинами, прижимающими щетки к поверхности коллектора. Щетки одного и того же зонного комплекта электрически соединяют друг с другом, а зонные комплекты одной и той же полярности (т. е. через зону) соединяют электрически друг с другом и присоединяют к соответствующему внешнему зажиму машины.
Внешние зажимы машины укрепляют на доске зажимов, которую скрепляют к ярму машины и прикрывают предохранительной крышкой с отверстием внизу для соединения к зажимам проводов от электрической сети. Зажимы с крышкой образуют так называемую коробку зажимов.
Часто вместо «зонный комплект щеток» обычно говорят «щетка», подразумевая под этим совокупность всех щеток одной коммутационной зоны. Совокупность всех зонных комплектов щеток данной машины образует ее полный комплект щеток, который обычно называют сокращенно комплектом щеток.
Щетки, щеткодержатели, пальцы (или бракеты) и траверса (или суппорт) составляют так называемый токособирательный аппарат машины постоянного тока. В него входят также соединения между собой зонных комплектов щеток одной и той же полярности.
Концы вала якоря машины, называемые шейками вала, вставляют в подшипники. В небольших и средних машинах подшипники укрепляют в подшипниковых щитах, которые в то же время выполняют роль защиты машины от внешних воздействий, а также служат для полного закрытия машины, если она выполняется закрытой.
Малые машины постоянного тока с подшипниковыми щитами не имеют, как правило, фундаментной плиты, их устанавливают на болтах, которые крепят к бетонному или кирпичному фундаменту, или к полу, или на особых балочках, называемых салазками.
Иногда генераторы, а также двигатели, имеют всего один подшипник. Другой конец вала имеет фланец или обрабатывается под насадку полумуфты для соединений со свободным концом вала приводного двигателя (в случае генератора) или механизма (в случае двигателя).
Мощность машин постоянного тока
Один из наиболее важных и общих вопросов, возникающих при использовании машин, таков: «Какую наибольшую выходную мощность может обеспечить машина?»
Ответ зависит от многих факторов, но общее требование таково, что срок службы машины не должен уменьшаться из-за чрезмерных перегревов. Поэтому при определении номинальной мощности учитывают увеличение температуры, обусловленное потерями. Рабочая температура машины связана с ожидаемым сроком службы, поскольку старение изоляции обмоток есть функция времени и температуры.
На практике можно пользоваться приближенным правилом, согласно которому время разрушения органической изоляции уменьшается вдвое при каждом увеличении температуры на 8 — 10°С. Соотношения «долговечность—температура», получаемые опытным путем, позволяют классифицировать изоляцию по допустимым превышениям температур (над температурой окружающей среды).
Установлены следующие превышения температур при температуре окружающей среды +35 °С: класс изоляции А — 65 °С, класс Е — 75 °С, класс В — 85 °С, класс F — 105 °С, класс Н — 130 °С.
Номинальная мощность машины устанавливается из условия, что рабочая температура обмотки не превышает допустимую для данного класса изоляции.
Наиболее часто применяется номинальная продолжительная мощность, определяющая выходную мощность (в кВт для генераторов постоянного тока и двигателей, в кВА при заданном коэффициенте мощности для машин переменного тока), которую может обеспечить машина в течение сколь угодно продолжительного времени без превышения допустимой температуры изоляции.
Преимущества электродвигателей постоянного тока
Двигатели постоянного тока более пригодны для работы с изменяющейся скоростью, чем двигатели переменного тока, механическая скорость вращения которых более или менее жестко связана с постоянной скоростью вращающегося магнитного поля в воздушном зазоре.
В этом одна из главных причин высокой конкурентоспособности машин постоянного тока, которые до недавнего времени использовались практически всюду, где необходимо плавное регулирование скорости в широком диапазоне.
Генераторы постоянного тока
Скорость генератора обычно задастся первичным двигателем и считается постоянной. Анализ заключается в определении напряжения на зажимах, соответствующего данной нагрузке и току возбуждения, или нахождению тока возбуждения, требуемого при данных нагрузке и напряжении на зажимах.
Подробно про устройство и принцип действия генераторов постоянного тока смотрите здесь: Генераторы постоянного тока и здесь: Как устроены генераторы постоянного и переменного тока
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Якорные обмотки машины постоянного тока
3. Якорные обмотки машины постоянного тока (Тема 40) 3.1. Общие сведения о якорных обмотках машин постоянного тока Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и должна удовлетворять следующим требованиям: — соответствие заданным величинам напряжения и тока нагрузки, — необходимая электрическая, механическая и термическая прочность, обеспечивающая достаточно продолжительный срок службы машины (до 15-20 лет); — удовлетворительные условия токосъема с коллектора, без вредного искрения;
Рекомендуемые материалы
Маран Программная инженерия
Программная инженерия
Техническое задание
Инженерная графика
КМ-2. Однофазные цепи синусоидального тока
Электротехника (ЭлТех)
2490 1990 руб.
КМ-1 + КМ-3 выполнение письменных заданий под ключ.
Разработка программного обеспечения систем управления
Все письменные КМ под ключ за 7 суток! (КМ-1 + КМ-2 + КМ-3 + КМ-4 + КМ-5)
WEB-технологии
КМ-3. ИДЗ-1 + КМ-4. ИДЗ 2 + КМ-5. ИДЗ-3 — Выполнение всех лаб по СПО в кратчайшие сроки!
Системное программное обеспечение (СПО)
8270 7490 руб.
— минимальный расход материалов при заданных эксплуатационных показателях (КПД и др.); — по возможности простая технология изготовления. В современных машинах постоянного тока якорную обмотку укладывают в пазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки называются барабанными. Обмотки якорей подразделяются на волновые и петлевые. Существуют также обмотки, представляющие собой сочетание этих двух обмоток. Два последовательно соединенных проводника называют витком (рис. 3.1). Часть проводника 1, расположенную в пазу, называют активной частью (в ней наводится ЭДС). Проводники 2, соединяющие активные части (стороны) в витки, называют лобовыми частями. Эта часть неактивная. Для получения максимальной ЭДС секции, а следовательно, 
и всей обмотки в виток соединяют проводники, отстоящие друг от друга на расстоянии полюсного деления 
(рис. 3.1). Несколько витков, соединенных друг с другом и подключенных к пластинам коллектора или включенных в схему обмотки, называют секцией (рис. 3.2 и 3.3). Секция может быть и одновитковой (рис.3.2,а и 3.3,а). 3.2 Способы соединения проводников Существует два способа соединения проводников в витки (секции): — концы витков (секций) сводят вместе (для подключения к соседним пластинам коллектора или включения в схему обмотки. Такую обмотку называют петлевой (рис. 3.2, а, б); — концы витков (секций) разводят на расстояние, близкое к двойному полюсному делению. Соединенную так обмотку называют волновой (рис. 3.3, а, б). В принципе построения петлевые и волновые обмотки отличий не имеют, но по своим техническим свойствам различны. В петлевых обмотках столько параллельных ветвей, сколько полюсов. Поэтому петлевые обмотки применяют в машинах с большими токовыми нагрузками, уменьшая тем самым сечение проводников обмотки. 
В волновых обмотках параллельных ветвей только две (независимо от количества полюсов). В отличие от петлевых обмоток волновые нечувствительны к магнитной асимметрии машины. Применяют эти обмотки в машинах высоковольтных (витки обмотки соединяются последо-вательно и при-ходящееся на виток напряжение ниже приложенного к якорю, что уменьшает расход изоляционных материалов). Вследствие нечувствительности машины к магнитной асимметрии и отсутствия уравнительных соединений, волновые обмотки применяют в машинах малой мощности. В каждом пазу, независимо от типа обмотки, располагают одну группу проводников (один проводник), принадлежащих одной секции или две группы, принадлежащие разным секциям. Первую обмотку называют однослойной, вторую – двухслойной. Секции обмотки соединяются друг с другом в последовательную цепь (см. рис. 3.6, а, б), так, что начало (н) последующей секции присоединяется вместе с концом (к) предыдущей секции к общей коллекторной пластине. Поскольку каждая секция имеет два конца и к каждой коллекторной пластине присоединены также два конца секций, то общее количество пластин коллектора К равно количеству секций обмотки S: K = S (3.1) Для уменьшения пульсаций выпрямленного тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрезмерно большого на- пряжения между соседними коллекторными пластинами число пластин должно быть достаточно большим. Обычно при номинальном напряжении 
= 110 – 220 В 
. Изготовление якорей с большим числом пазов нецелесообразно, так как усложнение штамповочных работ и увеличение расхода изо- ляционных материалов вызовут удорожание машины, а мелкие зубцы при этом будут непрочными. По этим причинам обычно в каждом слое паза располагают рядом несколько секционных сторон 
. При этом 
(3.2) В данном случае говорят, что в каждом реальном пазу имеется 
элементарных пазов, так что в каждом слое элементарного паза имеется одна секционная сторона. Общее число элементарных пазов якоря 
(3.3) 
При > 1 либо все секции имеют равную ширину, либо же часть секции имеет большую, а часть — меньшую ширину. В первом случае обмотку называют равносекционной (рис. 3.4, а), а во втором – ступенчатой (рис. 3.4, б). При ступенчатой обмотке условия токосъема с коллектора улучшаются, однако эта обмотка сложнее и дороже и поэтому применяется в машинах большой мощности. 3.3. Шаги обмоток В дальнейшем будем представлять, что якорь машины разрезан по 
образующей и развернут так, что пазы и обмотка якоря лежат в одной плоскости. Предположим также, что развернутый якорь движется от-носительно неподвижных полюсов справа налево, а полюсы находятся перед плоскостью чертежа (рис. 3.5, а). ЭДС в проводниках секций направлены под южным полюсом вверх, а под северным – вниз. Индуктируемая в секциях ЭДС максимальна, если ширина секций равна полюсному делению t, так как при этом макси-мальное потоко-сцепление секции определяется полным потоком полюсов в воздушном зазоре (рис. 3.5. б) Стороны секций при любом положении вращающегося якоря находятся под разноименными полюсами, в них индуктируются ЭДС противоположных направлений, которые по контуру секции суммируются. Тем не менее, обычно обмотку выполняют с шагом 
(см. рис.3.5), несколько отличающимся от 
, так как при этом величина ЭДС существенным образом не меняется, а условия токосъема с коллектора улучшаются. При 
шаг называют полным или диаметральным, при укороченным, а при > 
удлиненным. Выполнения обмоток с удлиненным шагом избегают, из-за увеличения расхода меди на лобовые части обмотки. Возможный вариант последовательного соединения секций простой петлевой обмотки представлены на рис. 3,6, а. Эта обмотка образует столько параллельных ветвей (2а), сколько полюсов в машине (2р), поэтому ее называют параллельной. Взаимное расположение на якоре сторон секций относительно друг друга определяют шаги обмоток 
(рис. 3.6, а), которые определяют по элементарным пазам. Первый частичный шаг — расстояние между активными сторонами одной и той же 
секции. Для всех видов обмоток этот шаг выбирают близким к полюсному делению: 
(3.4) где e — некоторая дробь, округляющая шаг до целого числа. Второй частичный шаг 
указывает расстояние между разноименными сторонами двух, следующих друг за другом, секций. Так как в петлевой обмотке движение при переходе от конечной стороны предыдущей секции к начальной последующей совершается влево, то шаг в петлевой обмотке будем считать отрицательным. Результирующий шаг обмотки 
(3.5) определяет расстояние между начальными сторонами данной и последующей секций. Коллекторным делением называют ширину коллекторной пластины вместе с шириной изоляционной прокладки между пластинами. Шаг по коллектору 
определяет расстояние в коллекторных делениях между серединами коллекторных пластин, к которым присоединены концы данной секции. В якорных обмотках машин постоянного тока 
(3.6) Соотношения (3.4), (3.5) и (3.6) применимы для всех типов обмоток. В простой петлевой обмотке 
. (3.7) На рис. 3.7 выполнена схема простой петлевой обмотки якоря со следующими данными: 2р = 4, Z = ZЭ = S = K = 18; 
На схеме простой петлевой обмотки, вычерченной по рассчитанным шагам (рис. 3.7) проставлены номера пазов и присвоены коллекторным пластинам номера тех секций, с началом которых они соединены. Линия на поверхности якоря, проходящая в осевом направлении между соседними полюсами, называется линией геометрической нейтрали или геометрической нейтралью, так как вдоль этой линии магнитная индукция 
. При вращении якоря некоторая часть секций, выделенных на рис. 3.7 жирными линиями, оказывается замкнута накоротко щетками. Чтобы индуктируемые в этих секциях ЭДС были минимальными и не возникало чрезмерно больших токов, эти секции должны находиться на линии геометрической нейтрали или вблизи этой линии. В простой петлевой обмотке секции, расположенные под каждой парой полюсов, образуют две параллельные ветви. В каждую из параллельных ветвей входит 
секций, поэтому число параллельных ветвей во всей обмотке 
(3.8) Условие 
выражает основное свойство простой петлевой обмотки: чем больше полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет обмотка и больше щеточных пальцев. Простую петлевую обмотку называют параллельной. При простой волновой обмотке секции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 3.6,б). При этом после одного обхода окружности якоря, то есть последовательного соединения р секций, приходят к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной. Частичные шаги обмотки 
и 
(рис. 3.6,б) приблизительно равны полюсному делению . Шаги волновой обмотки рассчитываются по (3.4) и (3.5). Шаг по коллектору равен двойному полюсному делению. Между шагом по коллектору 
и количеством коллекторных пластин К , при таком способе соединения проводников обмотки, существует зависимость 
, откуда 
. (3.9) Так как величина 
целое число, то число коллекторных пластин К должно быть нечетным числом. Для уменьшения расхода меди предпочтительнее брать 
(неперекрещенная обмотка). Направление ЭДС сохраняется неизменным во всех сторонах секций, расположенных в пределах одного полюсного деления, т.е. в 
сторонах секций. В простой волновой обмотке при одном обходе окружности якоря соединяют последовательно 2р сторон секций, поэтому количество секций в каждой параллельной ветви 
, а число параллельных ветвей обмотки 
(3.10) Таким образом, число параллельных ветвей при простой волновой обмотке не зависит от числа полюсов и всегда равно двум. Эту обмотку часто называют последовательной. Последовательность соединения отдельных секций волновой обмотки показаны на рис. 3.8 на примере простой волновой обмотки четырехполюсной машины, имеющей 17 секций. При волновой обмотке в машинах возможна установка двух щеточных пальцев. Для уменьшения плотности тока под щетками и улучшения токосъема часто ставят полный комплект (2р) щеточных пальцев. 3.4. Условия симметрии обмоток. Уравнительные соединения Последовательно соединенные секции якорных обмоток образуют замкнутую на себя цепь. Такая обмотка схематически изображена на рис. 3.9 в виде спирали, по поверхности которой скользят щетки. Если ЭДС параллельных ветвей обмотки и их сопротивления одинаковы, то равны между собой и токи этих ветвей: 
. (3.11) Это возможно в том случае, если магнитная цепь симметрична по устройству и потоки полюсов равны, а все пары параллельных ветвей обмотки эквивалентны, т. е. расположены в магнитном поле идентично. Обмотку, удовлетворяющую этим условиям, называют симметричной. В ней на каждую пару параллельных ветвей приходится одинаковое целое число секций и коллекторных пластин: 
(3.12) Люди также интересуются этой лекцией: 5.2 Начало периода раздробленности и его общая характеристика. 
Для симметричного расположения параллельных ветвей в магнитном поле необходимо, чтобы 
(3.13) 
(3.14) Соотношения (3.12) — (3.14) определяют условия симметрии обмоток. Последние проектируются с их учетом. При нарушении этих условий в параллельных ветвях обмотки будут индуктироваться различные по величине ЭДС, что приведет к появлению уравнительного тока и нарушению работы щеточных контактов. Уравнительные токи могут возникать и в симметрично выполненной петлевой обмотке. Из-за технологических допусков в величинах воздушного зазора под разными полюсами, дефектов литья, износа подшипников и других причин магнитные потоки отдельных полюсов несколько различаются между собой, поэтому в параллельных ветвях индуцируются неодинаковые ЭДС. Разница между ними составляет 3 – 5 %, но вследствие небольшого сопротивления обмотки якоря эта ЭДС оказывается достаточной для того, чтобы по параллельным ветвям даже при холостом ходе проходили довольно значительные уравнительные токи, замыкающиеся через щетки одинаковой полярности и соединительные провода между ними (см. рис. 3.9) и способствующие возникновению искрения на коллекторе. Объединив теоретически равнопотенциальные точки специальными соединениями, называемыми уравнительными (штриховая линия а-б на рис. 3.9), можно создать уравнительным токам замкнутые контуры внутри обмотки, освободив от дополнительных токов щетки. Одно из таких соединений показано штриховыми линиями на рис. 3.7. Практически достаточно снабжать уравнителями половину или третью часть коллекторных пластин. Уравнительные соединения располагают обычно под лобовыми частями обмотки рядом с коллектором. В этом случае они находятся вне поля главных полюсов и в них ЭДС не индуцируется. При простой волновой обмотке уравнительных соединений не требуется, так как в каждую параллельную ветвь входят секции, стороны которых расположены под всеми полюсами. В результате неравенство потоков отдельных полюсов не вызывает неравенства ЭДС в параллельных ветвях. Поэтому в большинстве четырехполюсных машин малой и средней мощности применяют волновую обмотку. Петлевые обмотки используют при токах якорных обмоток не менее 250 – 300 А.
Поделитесь ссылкой:
Рекомендуемые лекции
- ГЕСИОД
- 5.2 Начало периода раздробленности и его общая характеристика
- 6. Общие принципы проектирования АС
- 7 Обогащенные, комбинированные и искусственные продукты питания
- 31 Каков порядок возмещения вреда, причиненного нарушением земельного законодательства