Электрические машины: машины постоянного тока

Подождите немного. Документ загружается.

2.2 Электромагнитный момент машины постоянного тока

При прохождении тока

по проводникам обмотки якоря на каждый про-

водник действует электромагнитная сила

ЭМ

= Bx⋅la⋅i

. (4)

Совокупность всех электромагнитных сил

ЭМ

на якоре, действующих на

⎛

⎞

плече, равном радиусу сердечника якоря

⎜

⎝

⎟

⎠

, создает на якоре электромагнит-

ный момент

М:

M =

2πa

ΦI

= С⋅Φ⋅I

, (5)

где

– ток якоря.

При работе машины в двигательном режиме электромагнитный момент

является

вращающим, а в генераторном режиме − тормозным.

3 Якорные обмотки машин постоянного тока

3.1 Устройство обмоток

Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и должна удов-

летворять следующим

требованиям:

1) обмотка должна быть рассчитана на заданные значения напряжения и

тока

нагрузки, соответствующие номинальной мощности;

2) обмотка должна иметь необходимую электрическую, механическую и

термическую

прочность, обеспечивающую достаточно продолжительный срок

службы

машины (до 15–20 лет);

3) конструкция обмотки должна обеспечить удовлетворительные условия

токосъема с

коллектора, без вредного искрения;

4) расход материала при заданных эксплуатационных показателях (КПД и

др.) должен быть минимальным;

5) технология изготовления обмотки должна быть по возможности простой.

В современных машинах постоянного тока якорная обмотка укладывается

в пазах на внешней поверхности

якоря. Такие обмотки называются барабанны

ми. Обмотки якорей подразделяются на петлевые и волновые (рисунки 11, 12).

Они так названы по внешнему очертанию

контуров, образуемых последова-

тельно соединенными

секциями. Существуют также обмотки, которые пред-

ставляют собой сочетание этих двух

обмоток.

Рисунок 11 − Одновитковая и двухвитковая секции петлевой обмотки

Рисунок 12 − Одновитковая и двухвитковая секции волновой обмотки

Формы якорных катушек петлевой и волновой обмоток (при двухвитко-

вых

секциях) показаны на рисунке 13.

Рисунок 13 – Катушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

Основным элементом каждой обмотки якоря является секция, которая в

зависимости от размеров якоря и напряжения машины состоит из одного или

нескольких соединенных последовательно витков и присоединена своими

кон-

цами к коллекторным пластинам. В обмотке обычно все секции имеют одина-

ковое число

витков. Для удобства размещения лобовых частей обмотку якоря

выполняют

двухслойной, т. е. одну сторону катушки (например, правую) укла-

дывают на дно

паза, а вторую (левую) располагают над нижней стороной дру-

гой

катушки, с переходом из нижнего слоя в верхний по середине лобовой

час-

ти (рисунок 14). Катушка, собранная из таких секций, занимает нижнюю поло-

вину одного паза и верхнюю половину

другого.

Рисунок 14 − Расположение сторон секции в пазу

В каждом витке можно выделить две активные стороны

1 и 2, располо-

женные в пазах

5 сердечника якоря, и лобовые части 3, 4 по торцам этого сер-

дечника. Секции обмотки соединяются друг с другом в последовательную цепь

(рисунок 15) таким образом, что начало последующей секций присоединяется

вместе с концом предыдущей секции к общей коллекторной

пластине.

Рисунок 15 – Схема соединения секций петлевой обмотки

Поскольку каждая секция имеет два конца и к каждой коллекторной пла-

стине присоединены также два конца

секций, то общее число пластин коллек-

тора

K равно числу секций обмотки S: K = S. В простейшем случае в пазу на-

ходятся две секционные

стороны: одна в верхнем и другая в нижнем слое. При

этом число пазов якоря

Z = K = S. Однослойные якорные обмотки по принци-

пу устройства не отличаются от

двухслойных.

При большом количестве секций изготовление якоря с большим числом

пазов нецелесообразно, так как при этом пазы будут узкими, значительная

часть их площади будет занята изоляцией секций от

корпуса, для проводников

останется мало

места, и в итоге получится проигрыш в мощности машины.

Кроме

того, большой расход изоляционных материалов и увеличение штампо-

вочных работ вызовут удорожание

машины, а мелкие зубцы будут непрочны

ми. Поэтому количество пазов в сердечнике якоря обычно выполняют меньше

количества

секций, и несколько рядом лежащих пазов (от двух до пяти) объе-

диняют в катушку с общей изоляцией от сердечника

якоря. Число элементар-

ных пазов в реальном пазе

Zп определяется числом секций, приходящихся на

один паз:

Sп = S/Z. На рисунке 16 показан реальный паз, состоящий из одного,

двух и трех

элементарных. Таким образом, для обмотки якоря справедливо

S = Zэ = K, где Zэ – число элементарных пазов.

1 — сторона секции верхнего слоя; 2 — сторона секции нижнего слоя

Рисунок 16 − Укладка обмотки в пазу

В машинах малой мощности, когда ток параллельной ветви не превышает

60–75 А, катушки изготовляются из круглых изолированных проводников. В

этом случае пазы делают

трапециевидными (рисунок 17, а), чтобы получить

зубцы с неизменным по высоте сечением и тем самым избежать сильного

на-

сыщения корня

зубца. Проводники катушки при этом опускаются в паз по од-

ному через узкую щель открытия

паза. Такие пазы называются

полузакры-

тыми

, и изоляция таких обмоток чаще всего выполняется класса B или F. В

случае применения проводников прямоугольного сечения паз также

выполня-

ется

прямоугольным (рисунок 17, б) и тогда ширина открытия паза равна при-

мерно половине ширины

паза. Такие пазы называются

полуоткрытыми. При

изоляции классов

F и Н заранее полностью изолированные катушки укладыва-

ются в полностью

открытые пазы (рисунок 17, б).

а – полузакрытый паз; б – открытый паз

Рисунок 17 − Пазовая изоляция класса F

При полузакрытом пазе (рисунок 17, а): 1 – клин стеклотекстлитовый;

2 – изолированные проводники; 3 – прокладка из стеклолакоткани 0,18 мм;

4 – прокладка из пленкосинтокартона 0,4 мм (марка 51П); 5 – пленкосинто-

картон 0,25 мм; 6 – электронит 0,3 мм

При открытом пазе (рисунок 17, б): 1 – клин стеклотекстолитовый;

2 – прокладка из пленкосинтокартона; 3 – изолированный проводник;

4 – пленкосинтокартон или синтетическая лента 0,25 мм к обмотке; 5 – мика-

фолий или синтетическая

пленка 0,15

мм; 6 – пленкосинтокартон; 7 – стекло-

лента; 8 – электронит 0,3 мм (к стенке паза) – общая гильза.

Обмотки в пазах укрепляются с помощью проволочных бандажей или

бандажей из

стеклоленты, пропитанной лаком. При полуоткрытых и открытых

пазах применяются клинья из

синтофлекса, стеклотекстолита или металлокера-

мики.

Плотность тока в проводниках обмотки якоря при номинальной нагрузке

находится в пределах

4–10 А/мм

. Меньшая цифра относится к крупным ма-

шинам, большая – к малым.

3.2 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

соедине-

ний. Требования экономического характера при выборе типа обмотки сводятся

к возможно лучшему использованию

пазов, что определяется значением коэф-

фициента заполнения паза

медью.

Выбранный тип обмотки должен содержать возможно меньшее число па-

зовых проводников N, так как в противном случае значительная часть площади

паза будет занята изоляцией этих

проводников.

Так как число проводников в обмотке прямо пропорционально числу пар

параллельных

ветвей, то при выборе типа обмотки следует отдавать предпочте-

ние обмоткам якоря с минимальным числом параллельных

ветвей, например

простой волновой обмотке с

2а = 2, которая к тому же не требует уравнитель-

ных

соединений. В таблице 2 приведены рекомендации по выбору типа обмот-

ки якоря для двигателей постоянного тока общепромышленного назначения в

зависимости от числа полюсов и силы тока

якоря.

Таблица 2 – Рекомендации по выбору типа обмоток

Число полюсов 2р Ток якоря I

, А Тип обмотки якоря

2 – Простая петлевая

4 До 700 Простая волновая

4 Свыше 700 до 1400 Простая петлевая или комбинированная

4 Свыше 1400 Сложная петлевая (m = 2) или комбинированная

К условиям, ограничивающим применение

простой волновой обмот-

ки

, следует отнести в первую очередь предельно допустимое значение тока в

параллельной

ветви (300–400 А) и среднее значение напряжения между смеж-

ными коллекторными пластинами

К СР

Таблица 3 – Предельные значения

ср

Мощность

Напряжение

ср

, В

Машины мощностью до 1 кВт 25—30

Машины мощностью более 1 кВт без компенсационной

обмотки

Машины с компенсационной обмоткой 20

Указанные предельные значения

К СР

распространяются и на обмотки

якоря других

типов. При превышении указанных пределов появляется вероят-

ность возникновения в машине опасного

явления, называемого круговым ог-

нем.

4 Реакция якоря машины постоянного тока

4.1 Поперечная реакция якоря

При холостом ходе машины магнитный поток создается током, проте-

кающим по обмотке

возбуждения. Магнитный поток направлен вдоль оси по-

люсов (рисунок 18).

Рисунок 18 − Магнитное поле машины постоянного тока при холостом ходе

При нагрузке машины, когда цепь якоря замкнута, по его обмотке будет

протекать ток

. Этот ток создает свой магнитный поток, который, накладыва-

ясь на поток

возбуждения, образует результирующий магнитный поток. Про-

странственное распределение результирующего потока и его значение при

на-

грузке будут

иными, чем при холостом ходе. Воздействие поля якоря на поле

возбуждения носит название реакции

якоря. Рассмотрим реакцию якоря в ма-

шинах постоянного

тока, когда щетки установлены на геометрической нейтра-

ли.

Если по обмотке якоря при отсутствии возбуждения (

= 0) пропустить

ток

, то он создаст магнитное поле, примерный характер распределения кото-

рого показан на

рисунке 19, а. Это поле направлено поперек полюсов, а его ось

совпадает с геометрической

нейтралью. По этой причине магнитное поле якоря

при

щетках, стоящих на геометрической нейтрали, называют полем поперечной

реакции

якоря. Оно будет неподвижно в пространстве, так как при вращении

якоря при любом его положении распределение тока по проводникам будет

та-

ким

же, как показано на рисунке 19, а. При возбужденной и нагруженной ма-

шине (когда

≠ 0 и I

≠ 0) поле якоря накладывается на поле возбуждения, в

результате чего образуется результирующее магнитное поле

машины, пример-

ный характер которого показан на

рисунке 19, б. При нагрузке машины в ре-

зультате действия поперечной реакции якоря происходит искажение

магнитно-

го

поля. Результирующее поле оказывается смещенным к одному из краев каж-

дого главного

полюса, под одним краем полюса оно

усиливается, а под другим

ослабляется. При работе машины в качестве генератора ослабление поля про-

исходит на набегающем крае

полюса, а усиление — на сбегающем. В двига-

тельном режиме картина

обратная. В результате возрастает напряжение между

смежными коллекторными пластинами

. Таким образом, реакция якоря ока-

зывает неблагоприятное влияние на работу машины постоянного

тока.

а) б)

Рисунок 19 − Магнитное поле, созданное током якоря (а), и результирующее магнит-

ное поле машины постоянного тока при

нагрузке (б)

На проявление реакции якоря в машинах постоянного тока сильное влия-

ние оказывает положение щеток на

коллекторе, так как от этого зависит рас-

пределение тока по проводникам обмотки якоря и магнитного

поля, созданного

им. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против на-

правления вращения

электродвигателя, то возникающая продольная состав-

ляющая реакции якоря размагничивает

машину. При сдвиге щеток в обратном

направлении продольная реакция якоря подмагничивает

машину.

Компенсационная обмотка в машинах постоянного тока предназна-

чается для компенсации поперечной реакции

якоря. При компенсации реакции

якоря кривая распределения индукции в воздушном зазоре под полюсом при

нагрузке машины сохраняет тот же

вид, что и при холостом ходе. Вследствие

этого напряжение между соседними коллекторными пластинами при нагрузке

не будет

увеличиваться, что сделает работу машины более

надежной, так как

уменьшается опасность возникновения кругового

огня. Кроме того, при нали-

чии компенсационной обмотки не будет проявляться размагничивающее

дейст-

вие поперечной реакции

якоря.

Компенсационную обмотку располагают на основных полюсах машины.

Для более полной компенсации магнитные

поля, создаваемые компенсацион-

ной обмоткой и обмоткой

якоря, должны иметь одинаковое пространственное

распределение в зазоре под полюсным наконечником и противоположные

на-

правления. Поэтому компенсационную обмотку, как и обмотку якоря, выпол-

няют распределенной и укладывают в

пазы, проштампованные в полюсных на-

конечниках (рисунок 20).

а) б) в)

1 – главный полюс; 2 – обмотка возбуждения; 3 – компенсационная обмотка; 4 – добавочный полюс;

5 – обмотка добавочного полюса; 6 – якорь

Рисунок 20 − Полюс с пазами для компенсационной обмотки (а), принципиальная схе-

ма (б) и схема расположения в машине (в) компенсационной обмотки

Применяется компенсационная обмотка в машинах большой мощности, а

также в

машинах, работающих при резкопеременных нагрузках и в двигателях

с широким диапазоном регулирования

скорости. При наличии компенсацион-

ной обмотки воздушный зазор между полюсами и якорем стараются выполнить

минимально возможным по конструктивным

соображениям, что приводит к

уменьшению МДС обмотки

возбуждения, ее размеров и размеров

полюсов.

Вследствие этого габаритные размеры и масса машины

сокращаются. С этой

целью в машинах постоянного тока общего назначения компенсационную

об-

мотку

применяют, начиная с машин малой мощности.

Для автоматической компенсации реакции якоря при любых токах

компенсационную обмотку включают последовательно с якорем, при этом пол-

ная компенсация реакции якоря происходит только в пределах полюсного

на-

конечника. Витки компенсационной обмотки выбирают из предположения, что

ее линейная нагрузка должна быть равна линейной нагрузке

якоря.

4.2 Причины возникновения кругового огня

При эксплуатации машины постоянного тока на коллекторе иногда воз

никает электрическая дуга или множество мелких электрических

разрядов. Это

явление называют круговым

огнем. Причиной возникновения кругового огня

является чрезмерно высокое напряжение между смежными

пластинами. В про-

цессе эксплуатации изоляционные промежутки между смежными

коллектор-

ными пластинами перекрываются угольной пылью от

щеток, которая может

замыкать между собой

пластины, образуя «токопроводящие мостики».

В машинах малой

мощности, у которых секции обмотки якоря имеют до-

вольно большое активное сопротивление и

индуктивность, явление кругового огня

протекает сравнительно

безвредно. В этом случае на коллекторе наблюдается не-

большое

искрение, которое иногда называют потенциальным искрением, так как

оно обусловлено повышенной разностью потенциалов между пластинами

коллек-

тора. При большем токе происходит оплавление смежных пластин, при этом обра-

зуются кратеры

диаметром 2–3 мм, и на коллекторе наблюдаются так называемые

вспышки. Это явление опасно, так как оплавленные края коллекторных пластин

вызывают быстрый износ

щеток, а иногда их полное разрушение.

В машинах большой мощности, а также в машинах средней и малой

мощ-

ностей с высокими значениями напряжения между коллекторными пластинами

круговой огонь представляет собой мощную электрическую дугу на

коллекторе.

Эта дуга перекрывает значительную часть коллектора или даже замыкает

нако-

ротко щеткодержатели разной

полярности (перекрытие коллектора). Возникнове-

ние мощной дуги на коллекторе сопровождается сильным световым и звуковым

эффектом (в крупных машинах это похоже на

взрыв). Большой ток якоря, возни-

кающий при перекрытии

коллектора, вызывает срабатывание защиты и поврежда-

ет поверхность

коллектора, изоляторы щеткодержателей и т. п., то есть выводит

машину из

строя. Было установлено, что в машинах большой мощности круговой

огонь развивается из единичной вспышки между смежными коллекторными

пла-

стинами, возникающей в результате замыкания изоляции между

пластинами, вы-

званного угольной

пылью, осколками щеток или медными заусенцами. Превра-

щение единичной вспышки в круговой огонь происходит в несколько

этапов.

Сначала

из-за наличия мостика между смежными пластинами возникает первич-

ная короткая

дуга. Ток в дуге быстро увеличивается и пространство над коллекто-

ром

ионизируется, то есть заполняется раскаленными светящимися парами меди и

угольной

пыли. По мере перемещения короткой дуги вместе с коллектором все

большее пространство становится

ионизированным. В результате дуга перекрыва-

ет несколько

пластин, что ведет к еще большему возрастанию тока. Дальнейшее

развитие процесса носит случайный

характер, но всегда сопровождается повреж-

дением коллектора и других деталей

машины

Способы предотвращения кругового огня. Для уменьшения вероят-

ности возникновения кругового огня необходимо снижать максимальное

на-

пряжение между смежными коллекторными пластинами до

15–18 В. Для этого

в крупных машинах используют обмотки якоря с одновитковыми

секциями, ог-

раничивают активную длину якоря и принимают меры для уменьшения

иска-

жающего действия реакции

якоря, увеличив воздушный зазор. Поэтому маши-

ны постоянного тока обычно выполняют с

бóльшим воздушным зазором, чем

синхронные и

асинхронные. Однако увеличение воздушного зазора требует

со-

ответствующего повышения МДС обмотки

возбуждения (для создания необхо-

димого магнитного

потока), что приводит к увеличению размеров статора и

всей

машины. Предпочтительнее применить воздушный зазор, минимальный

под серединой полюса и расширяющийся к

краям, где возрастает МДС якоря.

При этом магнитное сопротивление для потока главных полюсов увеличивается

в меньшей

степени, чем для

потока, создаваемого поперечной реакцией якоря.