Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

направлена вертикально вверх, и тогда в момент времени, изобра-

женный на рис. 3-11, а, э. д. с. проводников пазов 1 и 10 имеют

максимальное положительное значение.

Звезда пазовых э. д. с. имеет Z векторов, но отдельные векторы

могут совпадать по фазе, и число лучей поэтому может быть меньше

Z, так как при построении звезды и обходе векторов э. д. с. всех

пазов совершается р полных оборотов. Если, например, Zip = ц. ч.,

то и число лучей равно этой величине, и диаграмма состоит из р

совпадающих или накладывающихся друг на друга звезд.

Э. д. с. проводников витка и проводников двух сторон секции

сдвинуты на угол

= г/

1г

а,

который на основании выражений (3-8) и (3-10) составляет

= 180° ±

|°°Р . (

.11)

При е

= 0, т. е. при полном шаге, векторы этих э. д. с. сдвинуты

на 180°.

При Z = 18 и 2р = 4, что соответствует рис. 3-11, а, шаг секций

по формуле (3-8) будет

У1г 4 — 2 2 — 2 '

т. е. можно взять у

= 5 или у

= 4. Возьмем у

= 4 (рис. 3-11, а),

тогда по формуле (3-11)

180°

- у

•

180°

- 20° = 160°

или

+ Zy

a = 4

•

40° = 160°

и векторы проводников секции, находящейся в пазах 1 и 1 + 4 =

= 5, будут взаимно расположены так, как показано на рис. 3-11, в.

На рис. 3-11, в, а также на всех последующих рисунках с одним

штрихом обозначены векторы сторон секций, лежащих в верхнем

слое паза, а с двумя штрихами — векторы сторон в нижнем

слое.

При построении звезды (рис. 3-11, б) для э. д. с. проводников

всех пазов было принято одинаковое положительное направление

(например, снизу вверх на рис. 3-10, а). Поэтому по контуру витка

э..д. с. двух его составляющих проводников вычитаются, и для слу-

чая, показанного на рис. 3-11, в, э. д. с. витка Е

равна разности

векторов Г и 5". В другом масштабе вектор Е

на рис. 3-11, в пред-

ставляет собой также э. д. с. секции Е

Будем присваивать секции номер того паза, в котором она ле-

жит своей верхней стороной.

Очевидно, что векторы э. д. с. двух секций, лежащих своими

сторонами в соседних пазах, сдвинуты относительно друг друга

на такой же угол а, как и э. д. с. проводников двух сосед-

них пазов. Поэтому звезда

) . б) . . э. д. с. секций аналогична

звезде пазовых э. д. с. на

рис. 3-11, б.

Применение векторных

диаграмм для анализа свойств

обмоток будет рассмотрено

ниже.

Зубцовые пульсации э. д. с.

Зубчатое строение якцря

секций и э. д. с. обмотки

rj Ц

Рис. 3-12. Продольные пульсации маг-

нитного потока

пульсации э. д. с.

способствует

в целом.

Если ширина полюсного наконечника не кратна зубцовому

делению (рис.'3-12, а и б), то магнитное сопротивление воздушного

зазора между полюсом и якорем при повороте последнего меняется.

_ Полюс

I б)

Рис. 3-13. Поперечные пульсации магнит-

ного потока

Пазы

Рис. 3-14. Скос па-

зов относительно

полюсного наконеч-

ника

В результате возникают пульсации величин магнитного потока

полюсов с частотой

= Zn

и как следствие пульсации э. д. с. с такой же частотой в обмотке.

Во избежание этого выбирают Zip равным нечетному числу. При

этом сумма магнитных сопротивлений воздушных зазоров под двумя

соседними полюсами при повороте якоря изменяться не будет и

пульсации магнитного потока исчезнут.

Пульсации потока рассмотренного вида называются продоль-

ными. Кроме них, при движении якоря возникают также попереч-

Гл. 3] Якорные обмотки

ные пульсации потока, выражающиеся в том, что ось магнитного

потока полюсов в зазоре колеблется с частотой /

около среднего

положения (рис. 3-13, а и б). Вследствие этого потокосцепление

обмотки и ее э. д. с. пульсируют с такой же частотой.

Эффективной мерой против влияния поперечных пульсаций

потока является скос пазов относительно полюсного наконечника

(рис. 3-14) или скос полюсного наконечника относительно оси ма-

шины при нескошенных пазах на якоре. Скос пазов производится

на 0,5—1,0 зубцового деления и применяется в машинах мощностью

до 30—40 кет. При скосе пазов снижается также шум машины.

§ 3-3. Простая петлевая обмотка

у-

• I

1 1

L -JLJ

Шаги обмотки. На рис. 3-15 представлены два возможных ва-

рианта последовательного соединения секций простой петлевой

обмотки. Эту обмотку называют также параллельной. На рис. 3-15

показаны шаги у

, у рассматриваемой обмотки, которые будем

определять по элементарным пазам.

Первый частичный шаг^

вычисляется по формуле (3-9) и опре-

деляет расстояние по поверхности

якоря между начальной и конечной

сторонами секции. Второй час-

тичный шаг обмотки у

опреде-

ляет расстояние между конечной сто-

роной данной секции и начальной

стороной последующей за ней по

схеме обмотки секции. Направление

движения по якорю и коллектору

вправо будем считать положитель-

ным. Так как в петлевой обмотке

движение при переходе от конечной

стороны предыдущей секции к начальной стороне последующей

совершается влево, то шаг у

в петлевой обмотке будем считать от-

рицательным числом. Результирующий шаг обмотки

гттт

\M--t

Рис. 3-15. Секции неперекрещен-

ной (а) и перекрещенной (б) про-

стой петлевой обмотки

У = У1 + У*

(3-12)

определяет расстояние между начальными сторонами данной и по-

следующей за ней секцией.

Коллекторным делением называется ширина кол-

лекторной пластины плюс ширина одной изоляционной прокладки

между пластинами. Шаг по коллектору у

определяет расстояние

в коллекторных делениях между серединами коллекторных пла-

стин, к которым присоединены концы данной секции или, что то

же самое, начала данной и последующей за ней секций. Очевидно,

У&

= У-

(3-13)

Соотношения (3-9), (3-12) и (3-13) применимы для всех типов

обмоток.

Отличительным свойством простой петлевой обмотки является

то, что для нее

= у

= ± 1.

(3-14)

Знак плюс соответствует случаю \Уг\> Уг, и такие обмотки

называются неперекрещенными (рис. 3-15, а). Знак ми-

Рис. 3-16. Таблица соединений секционных сторон простой пет-

левой обмотки, изображенной на рис. 3-17

нус соответствует случаю \у

> Уъ и такие обмотки называются

перекрещенными (рис. 3-15, б). Во втором случае расход

меди несколько больше, и поэтому выполнения таких петлевых об-

моток избегают. В электромагнитном отношении эти обмотки рав-

ноценны и различаются только тем, что при той же полярности по-

люсов и том же направлении вращения полярности щеток противо-

положны.

Схема и основные свойства обмотки. Рассмотрим симметричную

простую петлевую обмотку с данными:

18 1

2р = 4; Z = Z

= S = /( = 18;

У1

У2 = У~У1=

-4 = —3;

— е

' 2р 4

0 = 0ж=+1-

Будем присваивать секционным сторонам номера тех элементар-

ных пазов, в которых они лежат. Тогда по известным значениям

шагов можно составить таблицу соединений секционных сторон

обмотки (рис. 3-16), исходя из определенного элементарного паза

и прибавляя к номеру этого паза значение первого частичного

шага, значение второго шага, затем опять первого и т. д. Номера

верхних сторон секций, изображенных сплошными линиями, про-

ставлены в таблице на рис. 3-16 сверху, а номера нижних сторон

секций, изображенных штриховыми линиями, — снизу. От нижней

секционной стороны 4" (справа на рис. 3-16) по ходу обмотки вер-

немся опять к верхней стороне так как 4 + ^ — 4 — 3 = 1.

Таким образом, обмотка является замкнутой.

По известным шагам или таблице соединений секционных сто-

рон можно начертить также схему обмотки (рис. 3-17).

На рис. 3-17 проставлены номера элементарных пазов. Усло-

вимся, как это сделано на рис. 3-17, присваивать коллекторной

Рис. 3-17. Схема простой петлевой обмотки с 2р = 4, 1 = Z

— S = К = 18,

У\ = 4, й = —3, у = у

= +1

пластине номер той секции, с началом которой соединена эта пла-

стина.

Линия на поверхности якоря, проходящая в осевом направлении

посередине между двумя соседними полюсами, называется линией

геометрической нейтрали или геометриче-

ской нейтралью, так как вдоль этой линии магнитная

индукция 5 = 0.

При вращении якоря некоторая часть секций, выделенных на

рис. 3-17 жирными линиями, оказывается неизбежно замкнутой

накоротко через щетки. Чтобы индуктируемые в этих секциях

э. д. с. были минимальны и в секциях не возникало чрезмерных

токов, которые вызовут перегрузку щеточных контактов, такие

короткозамкнутые секции должны находиться на линии геометри-

ческой нейтрали или в ближайшей от этой линии нейтральной зоне.

Для этого щетки устанавливаются так, чтобы в середине периода

короткого замыкания стороны секции располагались симметрично

относительно середины полюса. Тогда говорят, что щетки установ-

лены на нейтрали. При симметричной форме лобовых частей сек-

ций щетки расположены по осям полюсов (рис. 3-17).

Совершим обход цепи обмотки (рис. 3-17) слева направо, начи-

ная с секции 2. Проходя последовательно, начиная от щетки В\,

секции 2, 3, 4 и 5, мы мысленно движемся по направлению индук-

тируемых э. д. с. и выходим к щетке А1. Следовательно, эти секции

составляют одну параллельную ветвь, э. д. с. которой равна сумме

э. д. с. этих секций. Проходя затем от щетки А1 к щетке В2 по кон-

туру секций 6, 7, 8, 9, мы обойдем вторую параллельную ветвь,

двигаясь против направления индуктируемых э. д. с. Секция 10

замкнута накоротко. Секции 11, 12, 13 и 14, расположенные между

щетками В2 и А2, составляют третью ветвь, а секции 15, 16, 17 и 18,

расположенные между щетками А2 и В1, — четвертую ветвь. Обход

этой последней ветви также совершается против направления э. д. с-,

причем после нее мы приходим к пластине 1. Секция 1 также зам-

кнута накоротко. Через каждую щетку простой петлевой обмотки

протекают токи двух параллельных ветвей.

Верхние стороны секций каждой параллельной ветви находятся

под одним полюсом, а нижние — под другим. На рис. 3-16 коротко-

замкнутые секции обведены штриховыми прямоугольниками.

Таким образом, обмотка на рис. 3-17 имеет четйре параллельные

ветви, а в общем случае простая петлевая обмотка содержит

2а = 2р (3-15)

параллельных ветвей, что является характерной особенностью

этой обмотки. Очевидно, что условия симметрии (3-5), (3-6) и (3-7)

для обмотки, изображенной на рис. 3-17, удовлетворяются.

Если машина работает в режиме генератора, стрелки на рис. 3-17

указывают также направление токов в обмотке. При этом полный

ток якоря /„ тоже распределяется по четырем ветвям. В соответ-

ствии с изложенным цепь обмотки (рис. 3-17) можно изобразить

упрощенно, как показано на рис. 3-18, где ветви обмотки и рас-

пределение тока выглядят более наглядно.

На основании рассмотрения рис. 3-17 можно установить также

следующее. Если обмотка имеет полный шаг и щетки установлены

на нейтрали, то э. д. с. ветви будет наибольшей. Кроме того, при

этом направлении токов всех проводников, лежащих под одним полю-

сом, будут одинаковы, и поэтому развиваемый электромагнитный

момент будет максимальным. Следовательно, такое устройство об-

мотки и такое расположение щеток являются наиболее выгодными.

Небольшое отклонение шага yi от полного не оказывает заметного

влияния на величину э. д. с. и вращающего момента, так вдк изме-

нение направлений э. д. с. и токов при этом происходит только в та-

ких проводниках параллельной ветви, которые располагаются вбли-

зи нейтрали, т. е. в зоне слабого магнитного поля.

Расположение параллельных ветвей в пространстве относительно

неподвижных полюсов определяется положением щеток и также

неизменно. При вращении якоря секции переходят попеременно из

одной ветви в другую, причем во время такого перехода секция

замыкается накоротко щеткой и в ней происходит изменение напра-

вления тока, например, от значения +i

до значения —i

. Это яв-

ление называется комму-

тацией секции. Явле-

ния в короткозамкнутой сек-

ции влияют, как уже указы-

валось, на величину токов

в щеточном контакте и на ра-

боту щеток. Совокупность

явлений, связанных с замы-

канием секций накоротко щет-

ками, переходом этих секций

из одних параллельных вет-

вей обмотки в другие и пере-

дачей тока через скользящий

контакт между коллектором

и щеткой, называется ком-

мутацией машины.

Подробно вопросы коммута-

ции рассматриваются в гл. 6.

Векторная диаграмма

э. д. с. обмотки. Пользуясь

рассмотренной в § 3-2 звездой э. д. с. секций, можно построить

векторную диаграмму э. д. с. обмотки, складывая векторы э. д. с.

секций в той последовательности, в какой секции расположены

по контуру обмотки.

Такая диаграмма вместе со звездой э. д. с. секций для обмотки,

показанной на рис. 3-17, изображена на рис. 3-19. Поскольку век-

торы э. д. с. соседних секций при Z = 18 и 2р = 4 сдвинуты на 40°

(см. § 3-2), то после построения векторов девяти секций происхо-

дит поворот на 9 »40° = 360° и многоугольник э. д. с. замыкается.

После обхода остальных девяти секций получается второй много-

угольник, накладывающийся на первый,

Каждый многоугольник э. д. с. соответствует одной паре парал-

лельных ветвей. В общем случае при простой петлевой обмотке по-

лучается р многоугольников, которые при полной идентичности всех

пар параллельных ветвей накладываются друг на друга, что свиде-

тельствует о симметрии обмотки.

Рис 3-18 Упрощенное представление цепи

обмотки, показанной на рис. 3-17

Начала векторов 1, 2, 3 ... на рис. 3-19 представляют собой по-

тенциалы начал секций 1, 2, 3 ..., а также потенциалы коллектор-

ных пластин 1, 2, 3... Совпадение концов и начал векторов обоих

многоугольников на рис. 3-19 указывает на наличие в обмот-

ке равнопотенциальных точек. Например, равные потенциалы

имеют коллекторные пластины 1 и 10, 2 и Л и т. д., т. е.

вообще пластины, удаленные друг

от друга на

Уп

= К/р

(3-16)

Рис. 3-19. Векторная диаграмма

э. д. с. обмотки, показанной на

рис. 3-17

коллекторных делений. Такой вы-

вод для симметричной обмотки

вполне естествен, так как стороны

секций, сдвинутых на у

элемен-

тарных пазов, находятся под по-

люсами одинаковой полярности,

в одинаковом магнитном поле. Ве-

личина у

называется потен-

циальным шагом.

На диаграмме э. д. с. можно

показать условно также щетки,

как это сделано на рис. 3-19 для

положения обмотки относительно

щеток согласно рис. 3-17. Много-

угольник э. д. с. надо представлять

себе вращающимся, и сумма проек-

ций векторов одной ветви или

одной половины многоугольника на вертикальную ось щеток будет

равна э. д. с. ветви и обмотки в целом. Величина этой э. д. с. пуль-

сирует ' между значениями, которые соответствуют длинам двух

штрих-пунктирных линий на рис. 3-19. Можно показать, что уже

при К12р = 10 эти пульсации составляют менее 1%. В действитель-

ности эти пульсации еще меньше вследствие того, что вблизи гео-

метрической нейтрали индукция поля полюсов значительно меньше

его основной гармоники.

Уравнительные соединения. В идеальных условиях, когда об-

мотка симметрична и потоки всех полюсов равны, э. д. с. всех вет-

вей также равны и ветви загружаются токами равномерно. Однако

в действительности из-за производственных и иных отклонений

(неодинаковая величина воздушного зазора под разными полюсами,

неоднородность материалов сердечников и т. п.) потоки отдельных

полюсов не будут в точности равны. При этом э. д. с. вет-

вей простой петлевой обмотки также не будут равны, так как

ветви сдвинуты относительно друг друга на одно полюсное деле-

ние (рис. 3-17).

Предположим, что на рис. 3-18 э. д. с. нижних ветвей больше,

чем э. д. с. верхних ветвей. При этом уже при холостом ходе гене-

ратора, когда /

= i

= 0, внутри обмотки будут циркулировать

уравнительные токи которые замыкаются через щетки одина-

ковой полярности и соединительные провода или шины между

ними. Так как внутреннее сопротивление обмотки мало, то эти

токи могут быть значительными уже при небольшой разнице в по-

токах отдельных полюсов. При работе машины токи нагрузки ще-

ток 2i

будут алгебраически складываться с токами 2/

ур

, в резуль-

тате чего щетки Bl, В2 окажутся перегруженными, а щетки А1,

А2 — недогруженными. Правильная работа щеток при этом может

нарушиться. Еще более серьезное влияние на условия работы щеток

оказывает нарушение баланса э. д. с. в короткозамкнутых секциях,

вызванное уравнительными токами (см. § 6-6).

Для того чтобы разгрузить щетки от уравнительных токов

и дать этим токам возможность замыкаться внутри самой обмотки,

обмотка снабжается уравнительными соединениями, или уравни-

телями. Уравнители соединяют внутри обмотки точки, которые

теоретически имеют равные потенциалы.

Как было установлено выше, эти точки сдвинуты на пару полю-

сов или при 2р = 4 на половину окружности якоря или коллек-

тора. Одно уравнительное соединение показано на рис. 3-18 штри-

ховой линией аб по вертикальному диаметру. Так как сопротивление

щеточных контактов значительно больше сопротивления уравни-

тельного провода, то токи i

замыкаются по этому проводу, минуя

щетки, как показано на рис. 3-18. Такие соединения, применяе-

мые в простых петлевых обмотках, называются уравните-

лями первого рода.

На векторных диаграммах при наличии равнопотенциальных

точек концы или начала векторов соответствующих секций совпа-

дают.

Уравнители выполняются либо на стороне коллектора (и тогда

они соединяют пластины с равными потенциалами), либо на проти-

воположной от коллектора стороне (и тогда они соединяют равно-

потенциальные точки лобовых частей секций). Шаг уравнителей

Ур

равен потенциальному шагу обмотки у

При равенстве потоков полюсов токи в уравнителях не возни-

кают. На рис. 3-17 штрйховыми линиями показаны два уравнителя

первого рода.

</у

= К/р.

(3-17)

Машины постоянного тока [Разд. 1

Для достижения надлежащего эффекта при всех положениях

вращающегося якоря обмотку нужно снабдить достаточным коли-

чеством уравнителей. Из рассмотрения многоугольника э. д. с.

(рис. 3-19) видно, что максимальное

число возможных уравнителей первого

рода на одной стороне якоря равно

Юр, причем каждый из них соединяет

р точек равного потенциала. Полным

количеством уравнителей снабжаются

только крупные машины с тяжелыми

условиями коммутации тока. В осталь-

ных случаях выполняют от

до

всех возможных уравнителей или один

уравнитель на один-два паза машины.

При этом их размещают равномерно

по окружности якоря. Сечение урав-

нителей берут равным 20—50% сече-

ния витка обмотки якоря. На рис. 3-20

показан один из вариантов конструктивного выполнения урав-

нителей.

Протекающие по обмотке уравнительные токи являются пере-

менными, и по правилу Ленца они создают магнитное поле, кото-

рое стремится устранить неравенство потоков полюсов. Поэтому

Рис. 3-20 -уравнители (2),

размещенные под лобовыми

частями (I) на стороне яко-

ря, противоположной кол-

лектору

)

\J!L ^

' ш

'|>ч|

иг

ЩЩ}Ш

!*!

J J

til

ШШ

Шаж

Рис. 3-21. Варианты изображений схемы равносекционной

обмотки с 2р = 4, Z = 18, и

= 2, Z, = S = К = 36,

У1

= 8, y

= — 8, у = у

= +1

наличие уравнителей приводит также к значительному ослаблению

уравнительных токов.

Простые петлевые обмотки с и

> 1. Обмотка на рис. 3-17 имела

2р = 4, Z = Z

= 5 = К = 18 и м

= 1. Рассмотрим теперь об-

мотку при тех же 2р = 4 и Z = 18, но и„ = 2 и Z, = S = К =*= 36.