Кулик Ю.А. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 2.16. Волновая обмотка (Z

=27, Z=9, 2р = 4, y

= 6, y

=7, y=13): а — таблица схемы; б — схема

параллельного соединения ветвей; в — схема обмотки

рые называются уравнительными соединениями. Шаг уравнительных соединений

Соединения, применяемые в простой петлевой обмотке, называются уравнительными

соединениями первого рода. На рис. 2.14, в пунктиром показано уравнительное

соединение между точками а и б. Иногда уравнительные соединения выполняются на

лобовых частях обмотки со стороны, противоположной коллектору. В обмотке может

быть соединено одним уравнительным соединением а точек, так как каждая пара

параллельных ветвей обмотки имеет одну точку данного потенциала.

Магнитная несимметрия не оказывает влияния на волновые обмотки, так как ее секции

последовательно располагаются под всеми полюсами машины, как с усиленным, так и с

ослабленным потоком.

В сложных петлевых и волновых обмотках простые обмотки соединены параллельно

через щеточный контакт. Обеспечить одинаковый контакт щеток на коллекторе с каждой

простой обмоткой трудно, поэтому ток между ними распределяется неравномерно. Для

равномерного распределения тока применяют уравнительные соединения второго рода,

при помощи которых в простых обмотках соединяют точки равного потенциала.

Из-за недостатка места в микромашинах не делают уравнительных соединений.

Вследствие этого в микромашинах не применяют петлевой обмотки при числе пар

полюсов больше двух.

ВОПРОСЫ

1. В чем состоит различие между петлевой и волновой обмотками? Чем отличаются первые частичные

шаги петлевой и волновой обмоток? Чем отличаются вторые частичные шаги? Куда в петлевой и волновой

обмотках многополюсной машины попадает проводник секции после первого и второго частичных шагов?

2. Каким условиям должны удовлетворять шаги для возможности выполнения шаблонной

равносекционной обмотки? Какая разница между элементарными и действительными пазами якоря?



§ 2.3. РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ

Поле машины при холостом ходе. При холостом ходе (I

= 0) магнитный поток машины

создается м. д. с. возбуждения. Направление потока в якоре на рис. 2.17, а показано

стрелкой. Поток жестко связан с полюсами и направлен по оси полюсов, независимо ни от

скорости вращения якоря, ни от положения щеток. На рис. 2.3,а представлено

распределение индукции В потока полюсов в воздушном зазоре, кривая 1 на рис. 2.18, в

повторяет это распределение.

Точки, в которых кривая распределения индукции проходит через нуль, определяют

положение так называемой нейтрали. Кривая 1 индукции B

ох

, обусловленной потоком,

создаваемым полюсами, проходит через нуль в точке г (рис. 2.18, в), которая находится

посередине между полюсами. Определяемая этой точкой нейтраль гг' (рис. 2.17, б)

называется геометрической, ее положение связано с геометрией машины и не изменяется

при работе.

Расположение щеток на геометрической нейтрали в генераторном режиме. При вращении

якоря в активных проводниках обмотки

Рис. 2.17. Реакция якоря при положении щеток на геометрической нейтрали: а — направление потока

полюсов; б — направление потока реакции якоря; в — направление потока машины при нагрузке (гг' —

геометрическая нейтраль, фф' — физическая нейтраль)

индуктируется э. д. с. Если щетки замкнуты на нагрузочное сопротивление, то по обмотке

якоря проходит ток, направление которого в проводниках (рис. 2.17, б) совпадает с

направлением индуктируемых в них э. д. с. Такой режим работы называется

генераторным. Определяя направление линий магнитной индукции, видим, что поток,

вызываемый м. д. с. якоря, направлен по оси щеток (поле якоря напоминает поле

электромагнита с осью, совпадающей с линией щеток). Если щетки расположены на

геометрической нейтрали, то ось потока якоря сдвинута на 90° относительно оси полюсов.

Такой поток называют поперечным.

* Во многих случаях в литературе также применяется термин «намагничивающая сила».

2.18, а). При дальнейшем увеличении х м. д. с. убывает и под серединой полюса проходит

через нуль, а затем меняет знак. Приближенно можно считать, что м. д. с. F

изменяется

по закону прямой линии (рис. 2.18, б). Если бы воздушный зазор был равномерным, то

кривая 2 индукции В

ах

поля якоря (рис. 2.18, б) повторяла бы в соответствующем

масштабе кривую м. д. с. F

(рис. 2.18, б) и имела бы вид треугольника с вершиной на оси

щеток. Вследствие того что воздушный зазор между полюсами значительно больше, чем

под полюсом, кривая индукции В

ах

имеет между полюсами провал;

Если машина возбуждается постоянными магнитами, то путь потока поперечной реакции

якоря имеет большое сопротивление, так как магнитная проницаемость постоянных

магнитов мала. Поэтому поток поперечной реакции якоря в машинах с постоянными

магнитами незначителен и его обычно не учитывают. В машинах с электромагнитным

возбуждением поток поперечной реакции якоря может достигать большой величины.

Рис. 2.18. Реакция якоря при положении щеток на геометрической нейтрали: а — развернутый якорь с

равномерно распределенным слоем проводников; б — м.д.с. реакции якоря; в — распределение индукции в

воздушном зазоре

При прохождении тока по обмотке якоря поток машины создается м. д. с, которая

складывается из м. д. с. обмоток возбуждения и якоря. Воздействие магнитодвижущей

силы якоря на поле машины называется реакцией якоря.

Для получения общей картины поля при нагрузке пользуются методом наложения полей

обмотки возбуждения и реакции якоря. На рис. 2.17, в линии магнитной индукции

изображают поток машины при нагрузке, а на рис. 2.18, в кривая 3 показывает

распределение индукции В

ôx

в воздушном зазоре. Из сравнения распределения потока и

индукции В

ôx

при холостом ходе и при нагрузке следует, что при нагрузке поток машины

и нейтраль смещаются относительно оси полюсов в сторону вращения якоря. При этом

индукция под набегающим краем полюсного наконечника уменьшается, а под сбегающим

— увеличивается. Смещенная при нагрузке машины нейтраль называется физической. С

изменением нагрузки ее положение меняется. Новое положение нейтрали фф' (рис. 2.17,

в) определяется на рис. 2.18, в точкой ф.

Если сталь полюсов не насыщена, то уменьшение потока под набегающим краем

компенсируется увеличением его под сбегающим краем полюсного наконечника. При

насыщении стали такой компенсации нет, в результате чего поток машины уменьшается.

Размагничивающее действие поперечной реакции якоря объясняется тем, что на

набегающем крае сталь полюсного наконечника обычно не насыщена, и здесь имеет место

значительное уменьшение потока, а на сбегающем крае сталь насыщена, поэтому здесь

наблюдается лишь незначительное увеличение потока. В результате общий

Рис. 2.19. Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали: а — распределение тока в обмотке

якоря; б — витки обмотки, создающие поперечную реакцию якоря; в — витки обмотки, создающие

продольную реакцию якоря

поток машины под полюсом существенно уменьшается, и для его поддержания при

нагрузке необходимо увеличивать ток возбуждения.

Сдвиг щеток в генераторном режиме. При сдвиге щеток токораспределение обмотки

якоря меняется и направление м. д. с. якоря совпадает с новым положением оси щеток.

Сравнивая распределение тока в якоре при щетках, расположенных на геометрической

нейтрали (см. рис. 2.17, в) и в случае их сдвига (рис. 2.19, а) видим, что направление тока

в проводниках обмотки, расположенных по соответствующей сдвигу дуге в изменяется на

обратное. Следует иметь в виду, что расстояние между осями двух одноименных полюсов

соответствует 360 эл. град. Поэтому в случае многополюсной машины угол α

соответствующий электрическим градусам, в р раз больше угла αа

, выраженного в

геометрических градусах, т. е. α

ээ

= рα

эГ

. Положение щеток при сдвиге на 90 эл. град (что

соответствует сдвигу на половину полюсного деления τ) называется продольным (рис.

2.20).

Распределение тока в обмотке якоря при продольном положении щеток можно получить и

при неподвижном якоре, если к щеткам подвести напряжение от внешнего источника

питания. При

Рис. 2.20. Реакция якоря при продольном положении щеток: а — размагничивающая; б —

намагничивающая

продольном положении щеток максимальное значение F

м. д. с. реакции якоря F

располагается по оси полюсов (рис. 2.21). Определяя направление потока, создаваемого

током якоря, видим, что при сдвиге щеток на 90 эл. град в сторону вращения генератора

(рис. 2.20, а) поток реакции якоря направлен встречно потоку полюсов и размагничивает

машину. Такая реакция якоря называется продольно-размагничивающей. При сдвиге

щеток в сторону, обратную вращению генератора (рис. 2.20, б), поток якоря усиливает

поток полюсов машины. Такая реакция называется продольно-намагничивающей.

Заметим, что поскольку физическая нейтраль при нагрузке машины в генераторном

режиме сдвигается по вращению, то для уменьшения искрения коллектора, надо сдвинуть

щетки в сторону вращения. В этом случае поток реакции якоря размагничивает машину.

При сдвиге щеток в обратном направлении возникло бы сильное искрение.

В реальных случаях щетки сдвигают на угол меньше 90 эл. град. При этом для удобства

анализа действительное распределение тока якоря условно заменяют двумя системами

тока. Токи проводников обмотки якоря, расположенных по дуге τ — 2в (рис. 2.19, б),

образуют систему, создающую поперечную реакцию якоря. Токи проводников обмотки

якоря, расположенных по ду

ге 2в (рис. 2.19, в), образуют систему, создающую

продольную реакцию якоря. Таким образом, при сдвиге щеток м. д. с. реакции якоря

имеет две составляющие: поперечную и продольную. В результате действия поперечной

составляющей реакции якоря поток машины смещается в сторону вращения (при наличии

насыщения поток уменьшается). В результате действия продольной составляющей

изменяется величина по

тока. Поэтому при сдвиге щеток в сто.

Рис. 2.21. Распределение м. д. с. продольно размагничивающей реакции якоря

рону вращения поток генератора уменьшается, что приводит к уменьшению э. д. с. Чтобы

сохранить величину э. д. с, необходимо увеличить ток возбуждения.

Двигательный режим. В двигательном режиме э. д. с. обмотки якоря направлена встречно

по отношению к подведенному напряжению сети. При этом напряжение всегда больше,

чем э. д. с. В результате ток в якоре двигателя направлен встречно по отношению к э. д. с,

т. е. он имеет обратное направление по отношению к тому, какое имел в генераторном

режиме. Поэтому действие реакции якоря машины постоянного тока в двигательном

режиме противоположно тому, какое имело место в генераторном. Таким образом,

поперечная реакция якоря, возникающая при положении щеток на геометрической

нейтрали, смещает поток машины и нейтраль в сторону, обратную вращению. При этом

индукция под набегающим краем полюсного наконечника увеличивается, а под

сбегающим — уменьшается.

При сдвиге щеток с геометрической нейтрали, помимо поперечной, имеет место также

продольная реакция якоря. При сдвиге щеток в сторону, обратную вращению якоря,

возникает продольно-размагничивающая, а при сдвиге в сторону вращения — продольно-

намагничивающая реакция якоря.

У микродвигателей щетки закрепляют на геометрической нейтрали, поэтому продольная

реакция якоря у них отсутствует. Для микродвигателей характерно большое

размагничивающее действие поперечной реакции якоря.

ВОПРОСЫ

1. В каких случаях возникает только поперечная и только продольная реакции якоря? Как изменяется

поперечная реакция якоря при сдвиге щеток?

2. В каких случаях возникают продольно-размагничивающая и в каких продольно-намагничивающая

реакция якоря? Какой вид продольной реакции якоря возникает при сдвиге щеток (для уменьшения

искрения) с геометрической нейтрали в физическую в генераторном и двигательном режимах? При каком

режиме физическая нейтраль совпадает с геометрической?



§ 2.4. КОММУТАЦИЯ

Уравнение тока коммутируемой секции. Секции обмотки, коллекторные пластины

которых соприкасаются со щетками, при вращении якоря переходят из одной

параллельной ветви в другую. При этом в секции меняется направление тока. Процессы,

связанные с этим явлением, называются коммутацией.

До начала коммутации (рис. 2.22, а) через коллекторную пластину 1 к щетке подходит ток

из двух параллельных ветвей: справа и слева. По секции проходит ток I, который равен

току параллельной ветви I

. Когда коллекторная пластина 2 вступает в контакт со щеткой

(рис. 2.22, б), начинается коммутация секции, которая

замыкается накоротко щеткой через коллекторные пластины. Ток проходит в щетку по

коллекторным пластинам 1 и 2. В течение всего времени коммутации сумма токов,

проходящих в щетку по коллекторным пластинам 1 и 2, остается постоянной и равной 2I

Вследствие поворота якоря площадь соприкосновения щетки с пластиной 1 уменьшается.

В дальнейшем пластина 1 выходит из-

Рис. 2.22. Ток в коммутируемой секции: а — направление тока в секции до начала коммутации; б —

направление тока во время коммутации; в — направление тока после коммутации; г — изменение тока в

секции обмотки за время ее прохождения под двумя полюсами

под щетки, в результате чего контакт с ней прекращается (рис. 2.22, б) и коммутация

секции заканчивается. В этот момент ток проходит в щетку только по коллекторной

пластине 2 и ток I в секции опять равен I

, как и до начала коммутации, но имеет обратное

направление. Таким образом, за время коммутации Т

направление тока в секции меняется

на обратное, а его значение изменяется на 2I

(рис. 2.22, г).

Для токов коммутируемой секции (рис. 2.22,б) согласно первому закону Кирхгофа можно

написать следующие уравнения:

По сравнению с сопротивлением щёточного контакта активное сопротивление провода

коммутируемой секции мало, поэтому при анализе им можно пренебречь. Сопротивление

щеточного контакта под первой коллекторной пластиной обозначим r

, под второй — r

Согласно второму закону Кирхгофа в соответствии с рис. 2.22, б для короткозамкнутой

секции

где ΣЕ — сумма э. д. с, наведенных в коммутируемой секции.

В ΣЕ входят э. д. с. самоиндукции секции и э. д. с. вращения от внешнего поля, имеющего

место в коммутационной зоне, в которой расположены проводники короткозамкнутой

секции. Если ширина щетки больше ширины коллекторной пластины, то одновременно

замыкаются накоротко несколько секций. В этом случае ΣE включает в себя э. д. с.

взаимоиндукции, которая имеет место в результате взаимодействия соседних

короткозамкнутых секций. Сумма э. д. с. самоиндукции а взаимоиндукции

короткозамкнутой коммутируемой секции называется реактивной э. д. с.

Подставляя (2.14) в (2.15), получаем выражение для тока коммутируемой секции

В случае равномерного вращения якоря щетка с постоянной скоростью набегает на

коллекторную пластину 2. Поэтому во время коммутации площадь S

соприкосновения

щетки с пластиной 2 возрастает пропорционально времени t:

где b

— ширина щетки;

— длина щетки в осевом направлении машины. В то же время щетка сбегает с

коллекторной пластины 1, при этом в начале коммутации (t = 0) площадь S

соприкосновения щетки с пластиной 1 имеет максимальное значение, а затем

уменьшается, и при t = Т

равна нулю. Таким образом,

Сопротивления щеточных контактов обратно пропорциональны площадям их

соприкосновения с коллекторными пластинами, следовательно,