Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины т 2

Подождите немного. Документ загружается.

270

рого она выполнена; числом пазов якоря Z; числом секций в катушке

или пазу u

= Z

/Z; числом эффективных проводников N = 2w

; чис-

лом эффективных проводников в пазу u

= N /Z = 2w

В зависимости от способа присоединения секций к коллекторным

пластинам различают якорные обмотки трех основных типов: петле-

вые, волновые и комбинированные (лягушачьи).

Петлевые обмотки. Петлевая коллекторная обмотка состоит из

таких же по форме секций (катушек), как и петлевая многофазная об-

мотка переменного тока (см. § 22.2, рис. 22.5). Ширина секции или

первый шаг обмотки y

в петлевой обмотке выбирается близкой к

полюсному (обычно несколько меньшей, чем полюсное деление). Из-

меряя ширину секции в элементарных пазах, находим

≤ Z

/(2p), (64.1)

где Z

/(2p) = τ — число элементарных пазов, приходящихся на по-

люсное деление.

При таком выборе ширины секции амплитуда индуктированной в

ней переменной ЭДС получается максимальной.

Простая петлевая обмотка, схема которой показана на рис. 64.9, a,

образуется путем последовательного соединения соседних следую-

щих друг за другом секций. Таким образом, на коллекторной пластине

2 соединяются между собой вывод нижней (правой) стороны какой-

либо секции (например, 1) и вывод верхней (левой) стороны соседней

секции, смещенной на один элементарный паз (например, 2).

Сеция1 Сеция2

Сеция

Сеционная

сторона

ВС

НС

Катуша

Паз

Элементарный

паз

а) б) в)

12 34

Рис. 64.8. Конструкция катушек и секций обмоток якорей:

а — катушка петлевой обмотки из одновитковых секций; б — образование элемен-

тарных пазов; в — двухвитковая секция волновой обмотки

271

Смещение секций,

следующих друг за дру-

гом при обходе по кон-

туру обмотки, называ-

ется результирующим

шагом обмотки и обо-

значается y. Как мы ви-

дели, для простой пет-

левой обмотки y = 1.

Расстояние между ниж-

ней (правой) стороной одной из секций и верхней (левой) стороной

следующей по обходу секции называется вторым шагом обмотки и

обозначается y

. Как видно из рис. 64.9, а, шаги петлевой обмотки свя-

заны уравнением

y = y

– y

.(64.2)

Для простой петлевой обмотки по рис. 64.9 приняты: ширина сек-

ции y

= 12/4 = 3 и второй шаг обмотки y

= y

– y = 3 – 1 = 2. При по-

следовательном соединении всех секций якоря образуется замкнутая

сама на себя обмотка. Поскольку при смещении на одно полюсное де-

ление τ направление магнитного поля изменяется на противополож-

ное, сумма ЭДС в контуре обмотки оказывается равной нулю (дейст-

вительно, ЭДС каждой секции, например 2, уравновешивается ЭДС в

секции, смещенной на полюсное деление τ = 3, т.е. в секции 2 + 3 = 5,

= –e

и т.д.). При симметричных секциях щетки должны быть рас-

положены против середин полюсов на расстоянии y

= K /(2p) коллек-

торных пластин. На рис. 64.9, б показана упрощенная схема обмотки,

на которой сплошными линиями условно изображены секции обмо-

ток, а штриховыми — коллекторные пластины. При этом секции обо-

значены указанными вверху и внизу номерами элементарных пазов,

в которых лежат их стороны, а номера коллекторных пластин соот-

ветствуют цифрам, указанным над ними.

/(2a)

а)

б)

VVV

123 4

123456

1234

123 4 5 6 7 8 10 11 12 129

Рис. 64.9. Схемы простой

петлевой обмотки (Z

= 12,

2p = 2a = 4, y

= 3, y

= 2, y = 1,

= 3):

а — полная; б — упрощен-

ная

272

Как видно из рисунка, по отношению к щеткам простая петлевая

обмотка распадается на

2a = 2p (64.3)

параллельных ветвей, число которых равно числу полюсов машины

(на рис. 64.9) 2a = 4.

При идеальной магнитной симметрии ЭДС всех параллельных

ветвей оказываются одинаковыми, так как в них входят секции, сме-

щенные на τ [e

+ e

= –(e

+ e

) = e

+ e

= –(e

+ e

)]. В этом случае

отсутствуют уравнительные токи, связанные с различием этих ЭДС и

замыкающиеся через щетки.

При вращении якоря секции непрерывно переключаются из одной

параллельной ветви в другую. Однако сумма мгновенных значений

ЭДС секций, включенных в параллельную ветвь, примерно постоян-

на. Если число секций мало, ЭДС параллельной ветви содержит кро-

ме постоянной и небольшую переменную составляющую, появление

которой связано с изменением ЭДС секций, включенных в данное

мгновение в параллельную ветвь. С увеличением числа секций пере-

менная составляющая практически исчезает и между щетками раз-

личной полярности появляется постоянная ЭДС, равная ЭДС парал-

лельной ветви. При подключении к щеткам нагрузки в виде омиче-

ского сопротивления через это сопротивление потечет постоянный

ток I

. Между параллельными ветвями ток распределится поровну, и

в каждой из них будет ток i

= I

/(2a). Часть секций обмотки, находя-

щихся в стадии коммутации или, иными словами, переключения из

одной параллельной ветви в другую, замыкается щетками накоротко

(секции 1, 4, 7, 10 на рис. 64.9).

Наряду с простыми петлевыми обмотками получили применение

сложные петлевые обмотки, в которых результирующий шаг обмот-

ки y, принимается равным 2 (в исключительных случаях 3). Такая об-

мотка представляет собой совокупность m = y простых петлевых об-

моток, присоединенных к одному коллектору, и называется m-ходо-

вой обмоткой. Число параллельных ветвей такой обмотки

2a = 2pm.(64.4)

Схема сложной петлевой двухходовой обмотки показана на

рис. 64.10 (подробнее о сложных обмотках см. [65, 66]).

Волновые обмотки. Волновая коллекторная обмотка состоит из

таких же по форме секций (катушек), как и волновая многофазная об-

мотка переменного тока (см. § 22.4, рис. 22.7). Секции этой обмотки

отличаются от секций петлевой обмотки только формой выводов (см.

рис. 64.4). Ширина секции y

, как и в других коллекторных обмотках,

выбирается несколько меньшей, чем полюсное деление y

≤ τ = Z

/(2p).

273

Простая волновая обмотка, схема которой показана на

рис. 64.11, а, образуется путем последовательного соединения сек-

ций, смещенных одна относительно другой примерно на два полюс-

ных деления 2τ = Z

/p. Результирующий шаг обмотки y ≈ Z

/p, под ко-

торым мы условились понимать смещение следующих друг за другом

секций при обходе по контуру обмотки, должен быть выбран таким

образом, чтобы после одного волнового обхода обмотка не замыка-

лась сама на себя, а начинался следующий обход. Для образования

однократно замкнутой простой петлевой обмотки, включающей все

секции якоря, нужно, чтобы один обход соответствовал перемеще-

нию на Z

± 1 элементарный паз (если бы обход составил Z

пазов, об-

мотка замкнулась бы после его завершения). В такой волновой обход

входит p секций (по одной секции от каждой пары полюсных делений).

На рис. 64.11, а секции одного из волновых обходов, а именно секции

1 и 7, показаны утолщенными линиями. Видно, что протяженность

обхода yp = 6æ2 = 12 пазов, и следующий обход начинается с секции

/(2a)

а)

б)

1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 15 16 17 18

1234567 13

81011129

810

1814 164681012

13 15 173357 119

–

Рис. 64.10. Схемы сложной петлевой двухходовой обмотки (Z

= 18, 2p = 4, y

= 4,

= 2, y = 2, y

= τ = 9/2):

а — полная; б — упрощенная

274

13, смещенной на один элементарный паз относительно секции 1 [на-

помним, что номер секции совпадает с номером ее левой (верхней)

стороны].

Протяженность одного обхода, включающего p результирующих

шагов y, должна соответствовать сформулированному условию py =

= Z

± 1.

Поэтому результирующий шаг волновой обмотки выбирается по

формуле

y = (Z

± 1) /p.(64.5)

Второй шаг волновой обмотки, под которым понимается расстоя-

ние между нижней (правой) стороной одной из секций и верхней (ле-

вой) стороной следующей по обходу секции, как видно из рисунка,

= y – y

.(64.6)

В рассматриваемом примере y = (13 – 1)/2 = 6, ширина секции y

= 3 ≈ τ = 13/4, второй шаг обмотки y

= 6 – 3 = 3. На рис. 64.11 приве-

дена упрощенная схема обмотки, на которую нанесены те же симво-

лы, что и на рис 64.9, б. Сплошными линиями показаны секции об-

мотки, обозначенные номерами пазов, в которых лежат их стороны;

штриховыми — коллекторные пластины, номер которых соответству-

ет номеру верхней (левой) стороны присоединенной к ним секции;

/(2a)

а)

б)

810

1111

1234567 1313 8 10 11 129

12 9

Рис. 64.11. Схема простой волновой обмотки (Z

= 13, 2p = 4, 2a = 2, y

= 3, y

= 3,

y = 6, y

= τ = 13/4):

а — полная; б — упрощенная

275

номера верхних (левых) сторон секций указаны над схемой, номера

нижних (правых) сторон секций — под схемой. По отношению к щет-

кам простая волновая обмотка распадается на

2a = 2(64.7)

параллельных ветвей. По каждой из параллельных ветвей течет ток

= I

/(2a) = I

/2. Часть секций обмотки, находящихся в стадии ком-

мутации, замыкается щетками одинаковой полярности накоротко

(секции 8, 1, 7 и 5, 11, 4 на рис. 64.11).

Наряду с простыми волновыми обмотками получили применение

сложные m-ходовые волновые обмотки, которые представляют собой

совокупность из m простых волновых обмоток. Обход сложной об-

мотки, состоящий из результирующих шагов y, должен быть короче

или длиннее окружности якоря на m элементарных пазов yp = Z

± m,

откуда результирующий шаг m-ходовой волновой обмотки

y = (Z

± m)/p.(64.8)

В промежутках между элементарными пазами, занятыми одной из

простых обмоток, размещаются m = 1 других простых обмоток, обра-

зующих сложную обмотку.

Схема сложной двухходовой волновой обмотки (Z

= 20, m = 2, 2p =

= 4) приведена на рис. 64.12. Результирующий шаг обмотки опреде-

лятся по (64.8): y = (20 – 2)/2 = 9; ширина секции y

= 5 = 20/4; второй

шаг обмотки определяется по (64.6): y

= 9 – 5 = 4. Как видно из упро-

щенной схемы на рис. 64.12, б, по отношению к щеткам обмотка рас-

падается на 2æ2 = 4 параллельные ветви. В общем случае число

параллельных ветвей сложной m-ходовой волновой обмотки

2a = 2m.(64.9)

Комбинированные обмотки. Комбинированная обмотка пред-

ставляет собой совокупность сложной петлевой и сложной волновой

обмоток, уложенных в одни и те же пазы и присоединенных к общему

коллектору. Секция такой обмотки, показанная утолщенными линия-

ми на рис. 64.13, образуется из сложенных вместе секций волновой и

петлевой обмоток, имеющих одинаковую ширину ( ) и состоя-

щих из одинакового количества витков. По своим очертаниям она

напоминает лягушку. Поэтому комбинированную обмотку иногда об-

разно называют лягушачьей. Поскольку каждая из обмоток, образую-

щих рассматриваемую обмотку, выполняется двухслойной, комбини-

рованная обмотка в целом получается четырехслойной. Параметры

петлевой и волновой обмоток должны быть выбраны таким образом,

′ y

″=

276

чтобы токи в параллельных ветвях обмоток были одинаковыми. Для

этого нужно, чтобы петлевая и волновая обмотки имели одинаковое

число параллельных ветвей [см. (64.4), (64.9)]:

или pm′ = m″, (64.10)

где m′ = y ′ — число ходов петлевой обмотки; m″ — число ходов вол-

новой обмотки.

Кроме того, нужно, чтобы в контурах, образованных секциями об-

моток, не возникали уравнительные токи. Для этого необходимо со-

блюсти следующие условия:

; ; y ′ + y ″ = Z

/ p. (64.11)

Схема комбинированной обмотки (Z

= 24, 2p = 6, 2a = 12) приве-

дена на рис. 64.13. Число ходов петлевой обмотки m′ = y′ = 1. Число

/(2a)

а)

б)

1234

13 14 15 168101112920191817

1234567 13141516810111292019 1817

12 3456713 1415 16810 11 1292019 1817

1810 19 1723456713 1415 1611 12920 1817

Рис. 64.12. Схемы сложной волновой обмотки (Z

= 20, 2p = 4, m = 2, y

= 5, y

= 4,

y = 9, y

= τ = 5; 2a = 4):

а — полная; б — упрощенная

2a′ 2pm′ 2m″ 2a″===

′ y

″ Z

2p()⁄== y

′ y

″=

277

ходов волновой обмотки по (64.10) равно m″ = pm′ = 3; ширина секции

по (64.11) = 24/6 = 4; результирующий шаг волновой обмотки

y ″ = (Z

± m″)/p = (24 – 3)/ 3 = 7;

сумма шагов удовлетворяет условию (64.11) т.е., y′ + y″ = 1 + 7 =

= 24/3 = Z

/p. Как видно из рисунка, из-за удовлетворения условий

(64.11) равна нулю сумма ЭДС в секции 1 петлевой обмотки и в сек-

ции 5 волновой обмотки, включенных последовательно и замкнутых

накоротко щетками одной полярности. На рис. 64.13, б показана уп-

рощенная схема обмотки, на которую нанесены те же символы, что и

на предыдущих рисунках, с тем отличием, что коллекторной пласти-

не присвоен номер левой (верхней) стороны присоединенной к ней

y v

/(2a)

а)

б)



y

m

123421 22 23 24 5 6 7 13 14 15 168101112920191817

123 4421222324567 131415168101112920191817

1234 2122 23 2456 713 1415 1681011 12 9 201918 17

1 123 42122 23 2456713 1415 168101112 9 20

Волноваяобмота

Петлеваяобмота

19 1817

1 2 3 4 21 22 23 24567 131415168101112920191817

21 22

20191817

–

–– – –––– ––– ––– –– ––––– –––––

–––––––––––––––––––––––

Рис. 64.13. Схемы комбинированной обмотки (Z

= 24, 2p = 6, = = 4, =

= = 1, = 7, = 3, = 3):

a — полная; б — упрощенная

′ y

″ y′

m′ y″ y

′ y

″

′ y

″=

278

секции петлевой обмотки. Номера коллекторных пластин (штрихо-

вые линии на схеме) даны с чертой над цифрами. Из рис. 64.13 ясно,

что данная комбинированная обмотка состоит из 6×2 = 12 параллель-

ных ветвей, ток между которыми распределяется поровну. В общем

случае комбинированная обмотка имеет

2a = 2a′ + 2a″ = 2æ2a′ = 4pm′ (64.12)

параллельных ветвей.

Уравнительные соединения в якорных обмотках. Рассмотрев

простую петлевую обмотку, можно сделать вывод, что при идеальной

магнитной симметрии, ЭДС параллельных ветвей одинаковы и токи

распределяются между ними поровну. Однако в реальных условиях

идеальная магнитная симметрия недостижима. Зазоры и индукция

магнитного поля под отдельными полюсами могут быть различными

и ЭДС параллельных ветвей будут существенно отличаться друг от

друга. При этом в контурах, образованных параллельными ветвями и

соединениями между щетками одной полярности, возникают уравни-

тельные токи, замыкающиеся через скользящий щеточный контакт.

Последнее неблагоприятно сказывается на работе контакта и приво-

дит к искрению щетки. Для исключения этого нежелательного явле-

ния простая петлевая обмотка снабжается уравнительными соедине-

ниями, называемыми уравнительными соединениями первого рода.

Уравнительные соединения электрически объединяют теоретически

равнопотенциальные точки обмотки, которые должны быть смещены

на один период поля и на два полюсных деления 2τ. Расстояние между

равнопотенциальными точками в элементарных пазах или в коллек-

торных пластинах называется шагом уравнительных соединений y

= 2τ = Z

/p = K/p, где K — количество коллекторных пластин. При иде-

альной симметрии магнитного поля объединяемые уравнителями точ-

ки действительно имеют одинаковые потенциалы и ток в уравнителях

отсутствует. При возникновении несимметрии появляющиеся уравни-

тельные токи замыкаются через уравнительные соединения, минуя

щеточные контакты. Равнопотенциальные точки выбираются обычно

на коллекторных пластинах или на лобовых соединениях со стороны

противоположной коллектору. В обмотке по рис. 64.9 равные потен-

циалы имеют коллекторные пластины, смещенные на y

= Z

/p =

= 12/2 = 6. Если уравнительные соединения присоединить к каждой

коллекторной пластине, то всего на якоре их будет Z

/p (в данном слу-

чае 6). Практически достаточно установить в 2—3 раза меньшее число

уравнительных соединений, например в обмотке по рис. 64.9 объеди-

нить электрически коллекторные пластины 1 и 7, 3 и 9, 5 и 11. В про-

стых волновых обмотках секции каждой из параллельных ветвей рас-

279

полагаются под всеми полюсами, поэтому уравнительные токи при

возникновении магнитной асимметрии не появляются. Уравнитель-

ные соединения здесь не требуются.

В сложных петлевых и сложных волновых обмотках, состоящих из

нескольких простых обмоток, распределение тока между простыми

обмотками, объединенными электрически только через щеточный

контакт, будет зависеть от состояния последнего и от положения ще-

ток относительно коллекторных пластин. По той же причине напря-

жение между соседними коллекторными пластинами, принадлежа-

щими различным простым обмоткам, может превысить допустимое

значение. Для исключения этих нежелательных явлений равнопотен-

циальные точки простых обмоток электрически объединяются с по-

мощью уравнительных соединений второго рода.

При выполнении этих уравнительных соединений в двухходовых

обмотках коллекторная пластина K одной из простых обмоток долж-

на быть соединена с такой точкой n другой простой обмотки, в кото-

рой напряжение между коллекторными пластинами K – 1 и K + 1 де-

лится пополам. В двухходовых петлевых обмотках при Z

/p = K /p,

равном нечетному числу, уравнительные соединения второго рода с

шагом y

= K/p, соединяющие две простые обмотки, служат одновре-

менно и уравнителями первого рода. Такие уравнители могут быть

выполнены в обмотке по рис. 64.10 (с шагом y

= Z

/p = 18 / 2 = 9 долж-

ны быть электрически соединены каждая третья пластина, т.е. пла-

стины 1 и 10, 4 и 13, 7 и 16). При K/p, равном четному числу, в двух-

ходовой петлевой обмотке имеются уравнители первого рода и урав-

нители второго рода.

При этом последние проходят сквозь якорь и соединяют коллек-

торную пластину K одной из простых обмоток с противолежащей ло-

бовой частью секции другой простой обмотки, припаянной к пласти-

нам K – 1 и K + 1. В m-ходовых волновых обмотках уравнители пер-

вого рода отсутствуют, а уравнители второго рода выполняются с ша-

гом y

= Z

/m = K / m. При этом точка n, с которой должна быть соеди-

нена коллекторная пластина K, находится на коллекторе (если p/m —

целое число) или на противоположной лобовой части (если p/m не

равно целому числу). В двухходовой волновой обмотке по рис. 64.12

отношение p/m равно 2/ 2 = 1 и уравнительные соединения с шагом

= Z

/m = 20/2 = 10 могут быть выполнены на коллекторе (должна

быть электрически соединена, например, каждая вторая пластина, т.е.

пластины 1 и 11, 3 и 13, 5 и 15, 7 и 17, 9 и 19).

В комбинированных обмотках уравнительные соединения не тре-

буются, так как (см. рис. 64.13) секции петлевой обмотки служат для

сложной волновой обмотки уравнителями второго рода, а секции вол-