Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

возбуждения, обеспечивающей создание необходимой э. д. с. якоря при номинальной

скорости вращения. Учитывая закон полного тока, имеем на пару полюсов (рис. 2.1)

Обычно путь потока разбивают на отдельные участки (рис. 2.7), на каждом из которых

величина напряженности магнитного поля Н сохраняется постоянной. При расчете длину

пути каждого участка обычно выражают в сантиметрах, напряженность в амперах на

сантиметр. Если принять контур интегрирования совпадающим

Если при расчете магнитной цепи задаваться различными значениями э. д. с. Е (обычно от

0,5 до 1,25 U

), то можно построить зависимость э. д. с. от тока возбуждения

E=f(I

)

которая называется характеристикой холостого хода (рис. 2.9).

Характеристика холостого хода является основной характеристикой, определяющей

работу машины при отсутствии тока нагрузки (I

=0). В начальной части характеристика

имеет линейный характер. Это объясняется тем, что при малых значениях э. д. с. поток

невелик, и поэтому сталь магнитопровода насыщена незначительно. В этом случае м. д. с.

практически расходуется лишь на проведение магнитного потока через воздушный зазор,

магнитная проницаемость которого постоянна. По мере увеличения э. д. с. поток

возрастает и сталь магнитопровода насыщается.

Вследствие этого уменьшается наклон характеристики, так как значительная часть м. д. с.

тратится на проведение потока по участкам стали. Эта часть м. д. с. характеризуется

отрезком бв (рис. 2.9.).

Рис. 2.8. Кривая намагничивания электротехнической листовой стали

Рис. 2.9. Характеристика холостого хода

По отношению отрезков бв и аб можно судить о степени насыщения стали.

Характеристика холостого хода представляет собой в некотором масштабе

характеристику намагничивания машины Ф = f(F

). Меняя величину индукции на

отдельных участках магнитной цепи, можно изменить вид характеристики холостого

хода.

ВОПРОСЫ

1. Где при холостом ходе располагается проводник вращающегося якоря, в котором индуктируется

максимальная э. д. с. и э. д. с, равная нулю? Как распределяется индукция в воздушном зазоре? Какую

величину потока полюсов охватывает виток, стороны которого расположены на осях полюсов?

2. В результате чего напряжение на щетках машины является постоянным? Какая э. д. с. (переменная или

постоянная) индуктируется в обмотке якоря машины постоянного тока?

3. Какая существует зависимость между э. д. с, магнитным потоком полюсов, током возбуждения и

скоростью вращения якоря? Почему нарушается линейная зависимость между током возбуждения и

электромагнитным моментом?

4. Какой вид имела бы характеристика холостого хода при отсутствии насыщения стали магнитопровода

машины? Что определяют в результате расчета магнитной цепи? Из каких элементов состоит магнитная

цепь?



§ 2.2. ОБМОТКА ЯКОРЯ

Основные сведения. В машинах постоянного тока применяется двухслойная обмотка, у

которой одна активная сторона каждого витка закладывается в верхнем слое одного паза,

другая — в нижнем слое паза, отстоящего от первого приблизительно на расстоянии

полюсного деления τ (рис. 2.10). Таким образом, в каждом пазу имеется два слоя обмотки,

отсюда и название: двухслойная обмотка.

Часть обмотки, состоящая из одного или нескольких витков

между двумя коллекторными пластинами, следующими друг за другом по схеме обмотки,

называется секцией. Концы секций припаиваются к коллекторным пластинам таким

образом, чтобы к концу одной секции присоединялось начало следующей. В результате

вся обмотка будет состоять из последовательно соединенных секций.

Рис. 2.10. Расположение витков двухслойной обмотки

Рис. 2.11. Расположение секций обмоток в пазах якоря: а — равносекционная обмотка; б — ступенчатая

обмотка

Рис. 2.12. Действительные и элементарные пазы

В машинах, мощность которых превышает 0,6 квт, секции обмотки обычно

изготовляются с помощью шаблона. Для этого необходимо, чтобы все секции из верхнего

слоя паза шли в нижний слой одного паза (рис. 2.11, а), такая обмотка называется

равносекционной. При несоблюдении этого условия обмотка называется ступенчатой

(рис. 2.11, б). В микромашинах обмотка закладывается через прорези в пазах якоря. Такая

обмотка называется всыпной.

Две стороны разных секций, располагающиеся одна над другой в верхнем и нижнем

слоях, образуют элементарный паз.

Часто действительные пазы якоря выполняют таким образом, чтобы в них помещалось

несколько элементарных пазов (рис. 2.12).

Расстояние, на котором располагаются активные проводники в порядке их следования по

схеме обмотки, называются шагами обмотки. Расстояние между первым и вторым

активными проводниками одной секции называется первым частичным шагом обмотки и

обозначается y

. Расстояние между вторым активным проводником секции и первым

активным проводником следующей по схеме обмотки секции называется вторым

частичным шагом и обозначается у

Расстояние между первыми активными сторонами следующих друг за другом по схеме

обмотки секций называется результирующим, или полным шагом обмотки и обозначается

у. Полный шаг обмотки получается в результате прохождения

первого и второго частичных шагов. Первый частичный, второй частичный и

результирующий шаги обмотки измеряются числом элементарных пазов.

Расстояние между коллекторными пластинами, к которым присоединяются стороны

одной секции, называется шагом обмотки по коллектору или коллекторным шагом и

обозначается у

. Коллекторный шаг у

измеряется числом коллекторных пластин.

Рис. 2.13. Схема простой петлевой обмотки: а — схема обмотки; б — таблица схемы

Число коллекторных пластин всей обмотки обычно обозначается буквой К, число секций

— S и число элементарных пазов — Z

. В обмотках постоянного тока соблюдается

равенство

K=S=Z

Петлевая обмотка. На рис. 2.13, а показана схема соединения трех секций простой

петлевой обмотки. Верхние стороны секций показаны сплошными линиями, нижние —

пунктирными. Первый частичный шаг у

: из верхнего слоя элементарного паза 1 в нижний

слой элементарного паза, имеющего номер 1 + y

второй частичный шаг у

из нижнего

слоя элементарного паза 1 + y

в верхний слой элементарного паза 2 = (1 + у) — у

Результирующий шаг у: из верхнего слоя элементарного паза 1 в верхний слой

элементарного паза 2. Таким образом, после результирующего шага у,

состоящего из первого и второго частичных шагов, первые активные стороны секций,

следующих друг за другом по схеме обмотки, сдвинуты на один элементарный паз. В

простой петлевой обмотке результирующий шаг

у = 1. (2.8)

Рассматривая дальше схему обмотки, видим, что каждый проводник, лежащий в верхнем

слое, соединен с проводником, лежащим на расстоянии y

в нижнем слое, а каждый

проводник, лежащий в нижнем слое, соединен с проводником, лежащим на расстоянии у

в верхнем слое. Первые проводники секций, следующих друг за другом по схеме обмотки,

смещены на шаг у = 1. Шаг по коллектору

=y=1. (2.9)

Равносекционную обмотку рассчитывают в следующем порядке. Сначала определяют

число элементарных пазов в одном действительном пазу

После определения шагов у

, у

, у и у

вычисляют номера элементарных пазов, в которых

располагаются секции, составляют таблицу схемы (рис. 2.13, б) и строят схему обмотки.

В случаях, когда нет необходимости специально рассчитывать равносекционную обмотку,

первый частичный шаг может быть определен по формуле

Остальные шаги рассчитываются так же, как в предыдущем случае.

Составление таблицы обмотки (рис. 2.14, а) начинают с секции, лежащей в верхнем слое

элементарного паза 1. Первый частичный шаг y

: из верхнего слоя паза 1 в нижний слой

паза 5. Второй частичный шаг у

: из нижнего слоя паза 5 в верхний слой паза 2.

Аналогичным образом рассчитываются другие шаги. Некоторые особенности встречаются

при определении двадцать пятого шага рассматриваемой обмотки, а именно: вычисляем

частичный шаг y

— из верхнего слоя паза 13 в нижний слой паза 13 + 4. По условию

секции обмотки размещаются в шестнадцати элементарных пазах, поэтому из 13 + 4 = 17

надо вычесть 16. Следовательно, шаг обмотки должен быть таким: из верхнего слоя паза

13 в нижний слой паза 1. Результаты расчета сведены на рис. 2.14, а, номера

элементарных пазов, в которых секции обмотки расположены в нижнем слое, отмечены

штрихом.

По данным таблицы вычерчивают схему обмотки (рис. 2.14, б). На схеме арабскими

цифрами отмечены элементарные пазы, римскими — действительные. Для данного

момента времени на схеме размечено расположение полюсов, под которыми находится

обмотка, и показано размещение щеток. Стрелками указаны направления э. д. с,

индуктируемых в активных проводниках.

Анализируя схему обмотки, видим, что секции, верхние стороны которых расположены

под одним полюсом, образуют отдельную параллельную ветвь обмотки. Например,

секции 1,2,3 и 4 образуют одну ветвь, секции 5, 6, 7 и 8 — другую (рис. 2.14, в). На схеме

видно, что четырехполюсная обмотка имеет четыре параллельные ветви. В петлевой

обмотке всегда образуется столько параллельных ветвей а, сколько полюсов р имеет

машина, т. е. 2а = 2р, поэтому петлевую обмотку часто называют параллельной. В

петлевой обмотке число щеток равно числу параллельных ветвей 2а.

Волновая обмотка. Первый частичный шаг y

волновой обмотки (ряс. 2.15) такой же, как у

петлевой. Второй частичный шаг у

определяется следующим образом: из нижнего слоя

паза 1 + y

переходят в верхний слой (1 + y

)+ y

= 1 + y. Результирующий шаг у,

определяющий расстояние между верхними сторонами последовательно соединенных

секций, равен сумме частичных шагов у = у

+ у

. Таким образом, первые активные

стороны секций, следующих друг за другом по схеме обмотки, сдвинуты по окружности

якоря на расстояние приблизительно равное двум полюсным делениям. Для

двухполюсных машин волновая и петлевая обмотки являются идентичными. Если

рассматривать последовательно секции обмотки (рис. 2.15), то они имеют вид волны,

бегущей вдоль поверхности якоря, отсюда и ее название — волновая обмотка.

Рис. 2.14. Петлевая обмотка (Z

=16, Z=8, 2p=4, y

=4, y

=3, у=1): а - таблица схемы; б — схема обмотки; в —

схема параллельного соединения ветвей обмотки

Первый частичный шаг волновой обмотки y

определяется по формуле (2.10).

Результирующий шаг у, шаг по коллектору у

и второй частичный шаг у

определяются по

формулам

Представленная таблица (рис. 2.16, а) и схема (рис. 2.16, в) обмотки составлены по

данным расчета. Анализируя схему параллельных ветвей (рис. 2.16, б) и схему обмотки

(рис. 2.16, в), видим, что секции расположены последовательно под всеми полюсами

машины. Вследствие этого волновая обмотка независимо от числа полюсов всегда имеет

две параллельные ветви, т. е. соблюдается равенство 2а = 2, поэтому волнову

ю обмотку

часто называют последовательной.

В случае применения волновой обмотки можно использовать всего две щетки (например,

щетки, соединенные с коллекторными

пластинами 7 и 14). Однако обычно берут число щеток, равным числу полюсов машины,

так как иначе коллектор плохо используется и обмотка может быть несимметричной (в

данном случае в одной параллельной ветви оказалось бы 13 секций, в другой — 14).

Понятие о сложных обмотках и уравнительных соединениях. Сложная обмотка

представляет собой несколько простых обмоток, уложенных на одном якоре.

Результирующий шаг сложной петлевой больше 1, т. е.

y=y

=m = ц. ч.,

где т — коэффициент кратности обмотки, т>1; т = 2, 3 ...

Число параллельных ветвей в сложной петлевой обмотке 2а = 2рт. Такую обмотку

выполняют для получения большого числа параллельных ветвей, что желательно иметь в

машине, по якорю которой проходит большой ток.

Волновая обмотка также может быть выполнена как сложная, состоящая из т простых

обмоток. В сложной волновой обмотке число параллельных ветвей 2а = 2т.

Если, обходя последовательно соединенные секции, проследить схему волновой обмотки,

то можно заметить, что после полного обхода по окружности якоря первые активные

стороны секций оказываются размещенными не в соседних элементарных пазах, как в

простой волновой обмотке, а смещены друг от друга на т элементарных пазов.

В микромашинах сложные обмотки обычно не применяются.

Эксцентриситет и перекосы якоря, неоднородность материала полюсов и другие причины

вызывают магнитную несимметрию машины. Из-за магнитной несимметрии потоки

разных полюсов неодинаковы. Вследствие этого распределение токов по парам

параллельных ветвей может оказаться различным.

В петлевой обмотке каждая пара параллельных ветвей располагается под отдельной парой

полюсов. В результате этого э. д. с, индуктируемые в разных парах параллельных ветвей

обмотки, могут быть различными, а между параллельными ветвями будут протекать

уравнительные токи, которые замыкаются через щетки одноименной полярности и

соединяющие их перемычки. На рис. 2.14, в показан путь уравнительного тока I

ур

предположении, что э. д. с. ветви, состоящей из секций 8, 7, 6, 5, меньше, чем э. д. с.

ветви, в которую входят секции 9, 10, 11, 12. В результате действия уравнительного тока

щетка, присоединенная к коллекторной пластине 5, оказывается недогруженной, а щетка,

присоединенная к коллекторной пластине 13, — перегруженной и может сильно искрить.

Для уничтожения уравнительных токов точки обмотки с теоретически равными

потенциалами соединя

ют проводниками, кото-