Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Определив по В

значение #

, находим

= H

(2-30)

Длину средней магнитной линии в ярме можно вычислить по

приближенной формуле (см. рис. 2-1)

я[Р

+2(б + Л

) + Л

]

4 р

(2-31)

где h„ — высота (толщина) ярма.

Выше предполагалось, что пазы в полюсных наконечниках от-

сутствуют. При наличии таких пазов рассчитывается также н. с.

для зубцового слоя полюсных наконечников, a h

в выражении (2-28)

соответственно уменьшается.

§ 2-5. Полная намагничивающая сила и магнитная

характеристика машины

Сложив вычисленные н. с. участков магнитной цепи, получим

н. с. машины на один полюс:

причем

= F

+ F

= wJ

(2-32)

(2-33)

Если повторить расчет F

для ряда значений основного потока Ф

то можно построить (рис. 2-11, кривая 1) зависимости Ф

— f (F

)

или Фц — f ((

), которые отличаются только масштабом по оси абс-

цисс. Такие зависимости называются кривыми намагни-

чивания или магнитными характеристиками

машины.

Начальная, прямолинейная, часть магнитной характеристики

соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи, когда

н. с. ферромагнитных участков этой цепи весьма малы по сравнению

с Fh- Поэтому, если провести касательную 2 к начальной части

кривой 1 рис. 2-11, то она представит собой зависимость Ф

= f (F

Разность абсцисс кривой 1 и прямой 2 равна сумме н. с. ферромаг-

нитных участков магнитной цепи.

Степень насыщения магнитной цепи характеризуется коэф-

фициентом насыщения

(2-34)

который можно определить также по магнитнои характеристике

машины (рис. 2-11):

АС , , ВС

АВ '

—

АВ

= ! + •

Строить машину с ненасыщенной магнитной цепью невыгодно,

так как при этом материалы будут недоиспользованы и машина

получится тяжелой. Нецелесообразно

также строить машину с чрезвычайно

насыщенной магнитной цепью, так как

в этом случае F

велико и необходимо

выполнить мощную обмотку возбуж-

дения с большим расходом меди или

алюминия и с большими потерями

мощности на возбуждение. По этим

причинам электрические машины из-

готовляются с умеренным насыще-

нием при номинальном режиме. При

этом рабочая точка лежит несколько

выше колена магнитной характери-

стики (около точки С на рис. 2-11).

Обычно при номинальном магнитном

потоке ftp, = 1,20 -f- 1,35, а в некоторых случаях ftp, = 1,7 -т- 2,0.

При проектировании машины сечения участков магнитной цепи

выбираются обычно таким образом, чтобы при номинальном режиме

Рис. 2-11. Магнитная характе-

ристика машины

Таблица 2-1

Значения индукции в машинах

постоянного тока

значения индукции находи-

лись в пределах, указанных

в табл. 2-1. В последнее

время для изготовления по-

люсов применяется также хо-

лоднокатная электротехниче-

ская сталь. При этом в по-

люсах допускается В

= 1,8 тл. Плотность тока в

медной обмотке возбуждения

обычно находится в пределах

2,0—3,5 а/мм

, а в алюми-

ниевых обмотках примерно

на 20% меньше.

Для ориентировки во

встречающихся соотношениях

приведем- сводные значения

данных расчета магнитной цепи двигателя постоянного тока на

14 кет, 220 е, 1000 об/мин, имеющего геометрические размеры:

= 24,5 см; 1

= 12,5 см; б = 0,22 см. Для этого двигателя при

Значения

Участки магнитной цепи

индук-

ции, тл

Сердечник якоря

1,0-1,5

Зубцы якоря в наименьшем

1,8—2,5

сечении

Полюс 1,2-1,6

Ярмо станины:

1,1-1,2 а) стальное литье и сталь- 1,1-1,2

ной прокат

0,5-0,7

б) чугунное литье

0,5-0,7

Воздушный зазор

0,5-1,0

номинальном потоке н. с. на один полюс равны: = 1720 а,

= 350 a, F

= 35 a, F

= 110 a, F

= 230 а и F

= 2445 а. При

этом = 1,42.

Отметим, что иногда расчет магнитной цепи ведут на два

полюса.

Глава третья

ЯКОРНЫЕ ОБМОТКИ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

§ 3-1. Общие сведения о якорных обмотках машин

постоянного тока

Устройство обмоток

Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и

должна удовлетворять следующим требованиям:

1) обмотка должна быть рассчитана на заданные величины на-

пряжения и тока нагрузки, соответствующие номинальной мощ-

ности;

2) обмотка должна иметь необходимую электрическую, меха-

ническую и термическую прочность, обеспечивающую достаточно

продолжительный срок службы машины (до 15—20 лет);

3) конструкция обмотки должна обеспечить удовлетворитель-

ные условия токосъема с коллектора, без вредного искрения;

4) расход материала при заданных эксплуатационных пока-

зателях (к. п. д. и др.) должен быть минимальным;

5) технология изготовления обмотки должна быть по возмож-

ности простой.

В современных машинах постоянного тока якорная обмотка укла-

дывается в пазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки

называются барабанными. Обмотки якорей подразделяются

на петлевые и волновые. Существуют также обмотки,

которые представляют собой сочетание этих двух обмоток.

Основным элементом каждой обмотки якоря является сек-

ция, которая состоит из одного или некоторого количества после-

довательно соединенных витков и присоединена своими концами

к коллекторным пластинам (рис. 3-1, 3-2).

В обмотке обычно все секции имеют одинаковое количество

витков. На схемах обмоток секции для простоты изображаются

всегда одновитковыми.

54 Машины постоянного тока [Разд. I

Для удобного расположения выходящих из пазов лобовых ча-

стей (см. рис. 1-9) обмотки якоря выполняются двухслойными.

При этом в каждом пазу секции располагаются в два слоя (рис. 3-3):

одна сторона каждой секции — в верхнем слое одного паза, а дру-

гая — в нижнем слое другого паза. На схемах обмоток стороны

секций, находящиеся в верхнем слое, будем изображать сплош-

/Ч УХ

и>е=2

УХ

V Y { \<ГЛ

Рис. 3-1. Одновитковая

и двухвитковая сек-

ции петлевой обмотки

Рис. 3-2. Одновитковая и двухвит-

ковая секции волновой обмотки

ными линиями, а стороны, расположенные в нижнем слое, —

штриховыми линиями (рис. 3-4). Однослойные якорные об-

мотки по принципу устройства не отличаются от двухслойных

и применяются только при Р

< 0,5 кет.

Секции обмотки соединяются друг с дру-

гом в последовательную цепь (рис. 3-4) таким

образом, что начало («) последующей секции

присоединяется вместе с концом (к) предыду-

щей секции к общей коллекторной пластине.

Обмотки — петлевая и волновая — названы

по внешнему очертанию контуров, образуе-

мых последовательно соединенными секциями.

Поскольку каждая секция имеет два конца

и к каждой коллекторной пластине присоеди-

нены также два конца секций, то общее ко-

личество пластин коллектора К. равно количе-

ству секций обмотки S:

K = s. (3-1)

В простейшем случае в пазу находятся две секционные стороны:

одна в верхнем и другая в нижнем слое. При этом число пазов

якоря Z = S = fС. Однако для уменьшения пульсаций выпрямлен-

ного тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрез-

мерно большого напряжения между соседними коллекторными пла-

стинами число пластин должно быть достаточно большим. Обычно

при U„ = 110 ч- 220 в

= 12

-s-

35.

Рис. 3-3. Укладка об-

мотки в пазу

1 —сторона секции верх-

него слоя; 2 — сторона

секция нижнего слоя

Гл. 3] Якорные обмотки

С другой стороны, изготовление якорей с большим числом пазов

нецелесообразно, так как при этом пазы будут узкими, значитель-

ная часть их площади будет занята изоляцией секций от корпуса,

для проводников останется мало места и в итоге получится проиг-

рыш в мощности машины. Кроме того, большой расход изоляцион-

ных материалов и увеличение штамповочных работ вызовут удоро-

жание машнны, а мелкие зубцы будут непрочными.

а)

/ч

j I I I

Рис. 3-4. Соединение секций петлевой (а) и волновой (б)

обмоток

По этим причинам обычно в каждом слое паза располагают

рядом несколько (и

= 2, 3, 4, 5) секционных сторон (на рис. 3-3

= 2). При этом

K = S = u

Z. (3-2)

В данном случае говорят, что в каждом реальном пазу имеется

элементарных пазов, так что в каждом слое элемен-

тарного паза имеется одна секционная сторона. Очевидно, что общее

число элементарных пазов

якоря "

= u

Z = S = K. (3-3)

Когда ы

> 1, либо все |dbJ Ц Щ

секции имеют равную ши-

рину (рис. 3-5, а), либо же Рис. 3-5. Укладка секций равносекционной (а)

часть секций имеет мень-

ступенчатой (б) обмоток при и

= 2

шую, а часть — большую

ширину (рис. 3-5, б). В первом случае обмотка называется рав-

носекционной, а во втором — ступенчатой. При

ступенчатой обмотке условия токосъема с коллектора улучшаются

(см. §6-6), однако эта обмотка сложнее и дороже и поэтому

применяется реже, притом только в машинах большой мощности

(Р

« 500 mm и выше).

В равносекционных обмотках и

секций, стороны которых лежат

рядом в общих пазах, объединяются в катушку (рис. 3-6) и имеют

общую изоляцию от стенок паза. Одновитковые секции при больших

токах изготовляются из стержней, концы которых на противополож-

ной от коллектора стороне якоря запаиваются с помощью хомути-

ков после укладки й пазы. Стержни и„ секций объединяются в полу-

катушку (рис. 3-7). Секции ступенчатой обмотки являются всегда

стержневыми.

Рис 3-6 Катушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

На рис. 3-8 приведены примеры выполнения изоляции пазовой

части обмотки.

В машинах малой мощности, когда ток параллельной ветви не

превышает 60—75 а, катушки изготовляются из круглых изолиро-

ванных проводников. В этом случае пазы делают трапецевидными

Рис. 3-7. Полукатушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

(рис. 3-8, а), чтобы получить зубцы с неизменным по высоте сече-

нием и тем самым избежать сильного насыщения корня зубца.

Проводники катушки при этом опускаются в паз по одному через уз-

кую щель открытия паза. Такие пазы называются полузакрытыми,

и изоляция таких обмоток чаще всего выполняется класса А или Е.

В случае применения проводников прямоугольного сечения

паз также выполняется прямоугольным (рис. 3-8, б). Такие обмотки

изготовляются с различными классами изоляции. При изоляции

классов А и Е проводники обмотки могут также опускаться в паз

по одном), и тогда ширина открытия паза равна примерно половине

ширины паза. Такие пазы называются полуоткрытыми. При изоля-

ции классов В, F и Н заранее полностью изолированные катушки

укладываются в полностью открытые пазы (рис. 3-8, б).

При D

40 см и v

35 м/сек обмотки в пазах укрепляются

с помощью проволочных бандажей. Во всех остальных случаях

применяются клинья из

твердых пород дерева

(бук и др.), гетинакса,

текстолита, стеклотек-

столита и др.

Плотность тока в про-

водниках обмотки якоря

при номинальной на-

грузке находится в пре-

делах 4—10 а/мм

. Мень-

шая цифра относится

к крупным машинам,

большая — к малым.

Условия симметрии

обмоток. В современных

якорных обмотках соеди-

ненные последовательно

друг с другом секции

образуют замкнутую на

себя цепь. Такую об-

мотку можно изобразить

схематически в виде

замкнутой спирали (рис.

3-9), по поверхности ко-

торой скользят щетки.

В изображенном на рис.

3-9 простейшем случае

обмотка имеет одну пару

(а = 1) параллельных

ветвей. В общем случае

а = 1,2, 3..., и тогда

машину можно рассматривать состоящей из а параллельно ра-

ботающих элементарных машин, каждая из которых имеет две

параллельные ветви.

Для обеспечения наилучших условий работы машины необхо-

димо, чтобы э. д. с. Е

всех ветвей обмотки и их сопротивления

были равны. В этом случае токи всех параллельных ветвей i

также будут равны:

Рис. 3-8. Пазовая изоляция класса А:

а — полузакрытый паз

1 — клин гетннаксовый; 2 — изолированные провод-

ники, 3 — прокладка из стеклолакоткани 0,18 мм;

4 — прокладка из электрокартона 0,2 мм\ 5 — стекло-

лакоткаиь эскапоповая 0,18 мм; 6 —электрокар-

тон 0,2 мм

б — открытый паз

1 — клии деревянный. 2 — прокладка из электро-

картоиа; 3 —• изолированный проводник; 4 — мика-

леита или синтетическая леита 0,13 мм; 5 — микафо-

лий или синтетическая пленка 0,15 мм; 6 — телефон-

ная бумага; 7 — электрокартои 0,2 мм; 8 — про-

кладка из элеитрокартона

Для удовлетворения этих условий необходимо, во-первых,

чтобы магнитная цепь была симметричной по устройству и потоки

всех полюсов были равны, во-вторых, чтобы все пары параллель-

ных ветвей обмотки были эквивалентны, т. е. чтобы они распо-

лагались в магнитном поле идентичным образом. Обмотка, удо-

влетворяющая этим требованиям, называется симметричной.

При нарушении указанных требований разные ветви обмотки

будут нагружаться различными по величине токами, что может

вызвать нарушение работы щеточ-

ных контактов, а кроме того, воз-

растут также потери в обмотке.

Чтобы обмотка была симметрич-

ной, на каждую пару параллель-

ных ветвей должно приходиться

одинаковое целое число (ц. ч.) сек-

ций и коллекторных пластин:

Рис. 3-9. Цепь простейшей якор-

ной обмотки

(3-5)

Для симметричного расположения параллельных ветвей в маг-

нитном поле необходимо, чтобы

Z/a

—

ц. ч.

(3-6)

2р/а =

ц.

ч. (3-7)

Соотношения (3-5), (3-6) и (3-7) представляют собой условия

симметрии обмоток, и последние проектируются с их учетом. Однако

в отдельных случаях допускаются определенные, не слишком боль-

шие отступления от этих требований, не вызывающие заметного

ухудшения условий работы машины.

§ 3-2. Э. д. с. секций

Шаг секции. В дальнейшем будем представлять себе, что якорь

разрезан по осевой плоскости и выпрямлен так, что пазы и обмотка

якоря лежат в одной плоскости. Кроме того, будем предполагать,

что такой развернутый якорь будет двигаться относительно непо-

движных полюсов справа налево (рис. 3-10, а), а полюсы находятся

перед плоскостью чертежа. При этом э. д. с. в проводниках обмотки

Гл. 3] Якорные обмотки 39

будут направлены под северными полюсами вниз, а под южными

вверх.

Индуктируемая в секции э. д. с. максимальна, если ширина

секции (или первый частичный шаг обмотки г/

) равна полюсному

делению г, так как при этом максимальное потокосцепление секции

определяется полным потоком полюса в воздушном зазоре (рис. 3-10).

В данном случае при любом положе-

нии вращающегося якоря стороны

секции находятся под разноименными

полюсами и в них индуктируются

э. д. с. противоположных направле-

ний, которые по контуру секции скла-

дываются.

Тем не менее, обычно обмотка вы-

полняется с у

, несколько отличаю-

щимся от т, так как при этом вели-

чина э. д. с. существенным образом

не изменяется, а условия токосъема

с коллектора улучшаются (см. § 6-6).

При Ух = т шаг называется пол-

ным или диаметральным,

при j/i>t — удлиненным, а при

Ух<.т — укороченным. Вы-

полнения обмоток с удлиненным ша-

гом обычно избегают, так как за счет

удлинения лобовых частей в петлевых

обмотках несколько увеличивается

расход меди.

Шаг секции может быть выражен

в пазовых или зубцовых делениях:

й,= -£р±в„ (3-8)

Рис. 3-10. Секции

шагом

будет

где е

< 1 представляет собой такую дробь, при которой у

целым числом. При е = 0 шаг является полным.

Шаг секции может быть определен также по элементарным па-

зам:

(3-9)

Очевидно, что при равносекционной обмотке у

= и

1г

и е =

= ч

Звезда э. д. с. В секциях и во всей обмотке индуктируются

переменные э. д. с. Как известно, синусоидальные э. д. с. могут быть

изображены на векторных диаграммах в виде векторов. Для изу-

чения свойств якорных обмоток машин постоянного тока также

целесообразно пользоваться подобными векторными диаграммами.

Однако при этом ввиду несинусоидальной формы э. д. с. проводни-

ков, витков и секций обмотки якоря необходимо рассматриватьтолько

основные гармоники этих э. д. е., т. е. первую гармонику кривой

вида рис. 1-4, а.

В кривой поля под полюсами Вц (рис. 3-10, б) можно выделить

первую, или основную, гармонику Вц, период которой будет равен

двойному полюсному делению 2т. Таким образом, в электромагнит-

ном отношении дуга окружности машины, соответствующая 2т,

равна 360 градусам, которые называются электрическими (360° эл.).

Рис. 3-11. Схема (а), звезда э. д. с. пазов и секций (б) и векторная диаграмма

э д. с. (в) обмотки с Z = Z

= 18, 2р = 4

Очевидно, что полная окружность якоря, или геометрический

угол 360°, соответствует электрическому углу р -360° эл.

Различные пазы якоря располагаются относительно основной

гармоники поля полюсов различным образом, и поэтому основные

гармоники э. д.с. проводников различных пазов будут сдвинуты

по фазе. Угол сдвига между э. д. с. проводников соседних пазов

* = (3-10)

Если вычертить векторы э. д. с. проводников всех пазов, то по-

лучим звезду пазовых э. д. с. На рис. 3-11,6 изображена такая

звезда при 2р = 4 и Z = 18, когда

360° .

п0

Векторы рис. 3-11,6 вращаются с угловой скоростью

и = 2я f

—

2я рп

против часовой стрелки, и их проекции на неподвижную ось вре-

мени равны мгновенным значениям э. д. с. Обычно ось времени