Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Обозначим координаты расположения пазов вдоль воздушного зазора: x

— координата

паза, в котором расположена активная сторона 1, и х

— координата паза, в котором

расположена активная сторона 2. Предполагая, что магнитная индукция В по длине пакета

l остается неизменной, получим выражение охватываемого витком потока:

Рис. 1.10. Расположение витка об мотки в пазах якоря: 1 и 2 — активные стороны; 3 — лобовые части

В общем случае значение связанного с витком потока может меняться как от положения

витка, так и во времени, поэтому поток следует рассматривать относительно витка как

функцию двух переменных: времени t и пространственной координаты х. Таким образом,

э. д. с. витка

Из (1.8) следует, что в общем случае э. д. с. е витка состоит из двух различных по своему

происхождению э. д. с. е

тр

и е

вр

. Электродвижущая сила е

тр

возникает в случае, если поток

машины, охватываемый витком, изменяется во времени по величине независимо от

его механического перемещения. Такая э. д. с. индуктируется в неподвижной обмотке

трансформатора и называется

Рис. 1.11. Правило правой руки Рис. 1.12. Правило нанизывания силовых линий

трансформаторной. Электродвижущая сила е

вр

возникает при движении витков обмотки в

магнитном поле, которое имеет место в случае вращения ротора, и называется э. д. с.

вращения. Она представляет собой геометрическую разность э. д. с, индуктируемых в

активных сторонах 1 и 2 витка вследствие их механического перемещения.

Индуктируемая в одном активном проводнике э. д. с. вращения равна

Направление действия э. д. с. вращения каждого проводника можно определить по

правилу правой руки: если правую руку расположить так, чтобы линии магнитной

индукции входили в ладонь, а отогнутый в плоскости ладони на 90° большой палец был

обращен в сторону движения проводника, то остальные вытянутые пальцы покажут

направление э. д. с. (рис. 1.11).

В некоторых случаях проводник остается неподвижным, а перемещается поле, тогда при

пользовании правилом правой руки следует считать, что проводник движется в сторону,

обратную перемещению поля.

Более наглядным является правило нанизывания линий индукции, согласно которому при

пересечении проводником линий магнитной индукции от них как бы отделяются кольца,

которые нанизываются на движущийся проводник. Направление тока и э. д. с. в этом

случае следует определять по правилу буравчика (рис. 1.12).

Направление действия трансформаторной э. д. с. определяют, пользуясь законом Ленца,

согласно которому ток витка, вызванный э. д. с. е

тр

создает поток, направленный встречно

изменению вызвавшего его потока. Сначала по закону Ленца определяют направление

магнитного потока, который должен возникнуть от тока в замкнутом витке, а затем

находят направление этого тока и вызвавшей его трансформаторной э. д. с. е

тр

Рис. 1.13. Правило левой руки

Из (1.10) следует, что электромагнитная сила, действующая на прямолинейный проводник

длиной l, который расположен под прямым углом к вектору индукции магнитного поля,

равна

f = ВlI. (1.11)

Направление электромагнитной силы определяют по правилу левой руки: если левую руку

расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ее ладонь, а вытянутые в

плоскости ладони пальцы указывали направление тока проводника I, то отогнутый в

плоскости ладони на 90° большой палец покажет направление действия

электромагнитной силы f (рис. 1.13).

Более наглядным является правило, согласно которому электромагнитная сила

действует в сторону, обратную сгущению линий магнитной индукции. Поле,

образованное проводником с током (рис. 1.14, а), накладывается на основное магнитное

поле (рис.

1.14, б) и деформирует его (рис. 1.14, в). В области, где линии магнитной индукции

направлены встречно, они как бы компенсируют друг друга и поле ослабляется, а в

области, где линии магнитной

Рис. 1.14. Сгущение линий магнитной индукции при прохождении тока по проводнику в машинном поле

индукции направлены согласно, они сгущаются, и поле усиливается. Действие линий

магнитной индукции можно сравнить с действием упругих резиновых нитей, которые,

стремятся сократиться. Электромагнитная сила f направлена в сторону, обратную

сгущению линий магнитной индукции; она стремится вытолкнуть проводник с током из

области магнитного поля.



Глава II

КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА И

УНИВЕРСАЛЬНЫЕ

§ 2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАШИНАХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Области применения. Первыми электрическими машинами были машины постоянного

тока. Однако изобретенные М. О. Доливо-Добровольским асинхронные двигатели

оказались проще, дешевле и надежнее в работе, поэтому асинхронные двигатели

получили преимущественное распространение.

Двигатели постоянного тока имеют ряд преимуществ, благодаря которым они сохранили

свое значение в автоматике, некоторых областях промышленности и на транспорте.

Основным достоинством этих двигателей является возможность плавного и экономичного

регулирования скорости вращения в широких пределах. Микромашины постоянного тока

широко используются в системах автоматики в качестве исполнительных двигателей,

двигателей для привода лентопротяжных самозаписывающих механизмов, в качестве

тахогенераторов и электромашинных усилителей. Двигатели постоянного тока находят

применение на транспорте, для привода металлургических станков, в крановых,

подъемно-транспортных и других механизмах. Генераторы постоянного тока

применяются главным образом для питания радиостанций, двигателей постоянного тока,

зарядки аккумуляторных батарей, сварки, электрохимических низковольтных установок, а

также в качестве возбудителей синхронных машин.

Устройство. На рис. 2.1 представлена схема двухполюсной машины постоянного тока.

Магнитный поток создается обмотками возбуждения 1, которые представляют собой

катушки, надетые на

Рис. 2.1. Устройство машины постоянного тока: 1 — обмотки возбуждения; 2 — полюсы; 3 —

магнитопроводящее ярмо; 4 — полюсные наконечники; 5 — якорь; 6 — пазы, в которых заложены

проводники якоря

полюсы 2, набранные из листовой электротехнической стали. Полюсы крепятся к

магнитопроводящему ярму 3. Другая сторона полюсов заканчивается полюсными

наконечниками 4, между которыми находится вращающийся якорь 5. Полюсы

представляют собой пакет, набранный из листов электротехнической стали. У

микромашин часто полюсы и ярмо штампуются как одно целое из одного листа. В пазах 6

якоря заложены проводники якорной обмотки. Якорь имеет цилиндрическую форму и

набран из штампованных

Рис. 2.2. Машина постоянного тока:

1 — подшипниковые щиты; 2—щетки; 3 — катушка обмотки возбуждения; 4 — корпус; 5 — полюс; 6 —

вал; 7 — сердечник якоря; 8 — полюсный наконечник; 9 — обмотка якоря; 10 — коллектор; 11 —

подшипник

листов электротехнической стали. Между полюсными наконечниками и якорем имеется

воздушный зазор, величина которого обычно имеет значение от долей миллиметра до

нескольких миллиметров. На рис. 2.2 показано устройство микромашины постоянного

тока, которая обычно имеет закрытое исполнение.

Магнитный поток полюсов. При прохождении электрического тока по обмотке

возбуждения создается магнитный поток. Основная его часть проходит следующий путь:

северный полюс N, заканчивающийся полюсным наконечником, воздушный зазор, зубцы

и спинка якоря, после чего поток идет в обратной последовательности к соседнему

южному полюсу S и через ярмо возвращается к северному полюсу N. Магнитный поток

проходит замкнутый, путь, который показан на рис. 2.1 линиями магнитной индукции.

Полярность полюсов чередуется через один (северный, южный, северный, южный и т. д.).

В точке О, находящейся посередине между полюсами, значение индукции потока

возбуждения равно нулю (рис. 2.3). По мере приближения к полюсному наконечнику

индукция возрастает сначала медленно (до точки а), затем — непо-

средственно у края полюсного наконечника — резко. Под серединой полюсного

наконечника индукция имеет наибольшее значение. Кривая распределения индукции

симметрична относительно оси полюса.

В точке b, находящейся посередине между полюсами, кривая проходит через нуль, затем

индукция меняет знак. Кривая cde является зеркальным отображением относительно оси

абсцисс кривой oabc. Области, в которых индукция имеет положительное и отрицательное

значения, чередуются, так как они соответственно располагаются под северными и

южными полюсами. Приходящаяся на один полюс часть поверхности якоря, в которой

индукция сохраняет свой знак (рис. 2.3, а), называется полюсным делением и

обозначается τ.

где D

— внешний диаметр якоря;

2р — число полюсов машины.

Рис. 2.3. Кривые изменения магнитной индукции в пространстве и э. д. с. проводника якоря во времени: а —

распределение индукции под полюсом; б — э. д. с. проводника в функции времени; в — выпрямленная при

помощи коллектора э. д. с. витка

Электродвижущая сила обмотки якоря. Независимо от режима работы при вращении

якоря машины в магнитном поле в проводниках его обмотки индуктируется э. д. с. При

равномерной скорости v вращения изменение во времени э. д. с. активного проводника

длиной l согласно (1.9) совершенно точно повторяет кривую распределения индукции В в

воздушном зазоре. Следовательно, при равномерном вращении кривая изменения

инду

кции в пространстве В = f(x) (рис. 2, 3, а) определяет зависимость электродвижущей

силы е проводника в функции времени е = f(t) (рис. 2.3, б). Области, в которых кривая

распределения индукции имеет положительное и отрицательное значение, чередуются.

Поэтому в проводниках обмотки якоря машины постоянного тока индуктируется

переменная э. д. с. Для ее выпрямления применяется коллектор, представляющий собой

механический выпрямитель. Коллектор является сложным и дорогим устройством,

требующим тщательного ухода. Его повреждения часто служат причиной серьезных

аварий. Предпринимались многочисленные попытки создать бесколлекторную машину

постоянного тока. Однако построить ее принципиально не-

возможно, так как в обмотке многовиткового якоря в любом случае наводится переменная

э. д. с, для выпрямления которой необходимо особое устройство.

Простейший коллектор состоит из двух изолированных между собой медных пластин,

выполненных в форме полуколец 1 (рис. 2.4), к которым присоединены концы витка 2

обмотки якоря. Пластины коллектора соприкасаются с неподвижными контактными

щетками 3, которые связаны с внешней электрической цепью 4. При работе машины

коллектор вращается вместе с витками обмотки якоря. Щетки устанавливаются таким

образом, что в то время, когда э. д. с. витка меняет свой знак на обратный, коллекторная

пластина

Рис. 2.4. Выпрямление э. д. с. витка при помощи коллектора: 1 — медные пластины; 2 — виток обмотки

якоря; 3 — щетки; 4 — внешняя электрическая цепь

Рис. 2.5. Устройство коллектора: 1 — коллекторные пластины; 2 — пластмасса; 3 — стальная втулка

перемещается от одной полярности к другой, приходя в соприкосновение со щеткой

другой полярности. В результате этого на щетках возникает пульсирующее

напряжение, постоянное по направлению (сплошная кривая 1 на рис. 2.3, в).

Обычно обмотка якоря состоит из большого числа секций, которые представляют собой

один или несколько последовательно соединенных витков. Конец каждой секции

присоединяется к пластине коллектора (рис. 2.5). Электродвиж

ущая сила каждой секции

отстает от соседней по фазе на угол

По мере увеличения числа витков уменьшается пульсация напряжения на щетках (рис.

2.6). При восьми коллекторных пластинах на пару полюсов разница между максимальным

и минимальным значением напряжения на щетках, отнесенная к среднему значению, не

превышает одного процента. У микромашин из-за малого диаметра

якоря число коллекторных пластин получается небольшим, вследствие чего имеет место

заметная пульсация э. д. с.

Для вывода уравнения э. д. с. воспользуемся средним значением индукции под полюсом

ср

, которая определяется из условия равенства площадей кривой распределения

индукции оавс и прямоугольника, имеющего основание т и высоту B

ср

(см. рис. 2.3, а).

Согласно (1.9) э. д. с. одного активного проводника равна

Рис. 2.6. Выпрямленная коллектором э. д. с. машины постоянного тока: а — при двух витках на полюс; б —

при большом количестве витков

Обмотка якоря машины содержит большое число активных проводников, которые могут

быть соединены в несколько параллельных групп, состоящих из последовательно

соединенных проводников. Электродвижущая сила последовательно соединенных

проводников обмотки, входящих в параллельную группу, составляет э. д. с. Е обмотки

якоря. С учетом (2.2, а) имеем

где N — число всех активных проводников обмотки;

2а — число параллельных ветвей;

а — число пар параллельных ветвей;

р — число пар полюсов.

Из (2.4, а) следует, что э. д. с. обмотки пропорциональна потоку Ф и скорости вращения п.

Электромагнитный момент. Вращающий момент равен отношению мощности Р к

угловой скорости ω. Поэтому с учетом (2.4) имеем

Рис. 2.7. Магнитная система четырехполюсной машины постоянного тока: 1 — воздушные зазоры; 2 —

зубцы якоря; 3 — сердечник якоря; 4 — полюсы; 5 — ярмо статора

Таким образом, электромагнитный момент пропорционален магнитному потоку и току

якоря.

Понятие о расчете магнитной цепи и характеристике холостого хода. Расчет

магнитной цепи производится для определения магнитодвижущей силы (м. д. с.) обмотки