Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

Полученный вывод носит общий характер: всякая простая вол-

новая обмотка имеет число параллельных ветвей

2а = 2, (3-22)

и векторная диаграмма э. д. с. такой обмотки всегда состоит из

одного многоугольника,

Поскольку каждая из ветвей простой волновой обмотки

проходит под всеми полюсами, то неравенство потоков полюсов

не вызывает неравенства э. д. с. и токов параллельных ветвей.

Поэтому такая обмотка не нуждается в уравнительных соеди-

нениях.

Более того, согласно выражениям (3-16) и (3-20), шаг у

в простой волновой обмотке является не целым числом и

поэтому равнопотенциальных точек не имеется, что видно также

из рис. 3-34.

При волновой обмотке на коллекторе можно установить только

два щеточных пальца, например А1 и В2 на рис. 3-33, так как все

щетки данной полярности соединены короткозамкнутыми секциями,

через которые ток нагрузки распределяется по параллельно рабо-

тающим щеткам каждой полярности. Два щеточных пальца примут

на себя весь ток нагрузки, и короткозамкнутых секций не будет,

Машины постоянного тока

[Раэд. 1

Эта возможность иногда используется в машинах мощностью до

0,5 кет, если доступ для ухода за щетками по всей окружности

коллектора затруднен. Однако условия коммутации при этом

ухудшаются. Кроме того, в более мощных машинах возникает

необходимость удлинять коллектор. Поэтому обычно ставится пол-

ный комплект (2р) щеточных пальцев.

При а = 1 условия симметрии

(3-5), (3-6) и (3-7) удовлетворяются

при любых р, Z, и

и К. Однако воз-

можности выбора этих величин огра-

ничиваются соотношением (3-20), ко-

торое при подстановке К = u

Z при-

нимает вид

Ук = У =

Z+ 1

(3-23)

Поскольку шаг у

должен быть

целым числом, то отсюда видно,

что, например, при четных р как Z,

так и и

должны быть нечетными

(и

= 1, 3, 5...).

Простая волновая обмотка с мертвой

секцией. Трудности в соблюдении равенства

(3-20) или (3-23) в ряде случаев обходят,

используя несимметричные обмотки. Напри-

мер, при четных р и Z

= u

Z можно при-

менить обмотку с К = Z

— 1 и оставить

одну секцию неиспользованной, или «мерт-

вой». У этой секции обрезаются концы,

и она не присоединяется к коллектору (секция оставляется на якоре, чтобы

не нарушать балансировки).

Схема такой обмотки для 2р = 4, Z

— 16 и К. — 15 показана на рис. 3-35,

причем принято, что

и и К-Н 15+1

Ук.

= —я———5— = 8, Уг-

Рис. 3-34. Векторная диаграм-

ма э. д. с. обмотки, изображен-

ной на рис. 3-33

При обходе обмотки и счете шагов стороны мертвой секции исключаются.

Искусственно замкнутая простая волновая обмотка. Предположим, что

= S = /С = 16 и 2р = 4. Шаги обмотки выберем из предположения, что Z

S и К на единицу больше, т. е. Z

— S = К = 17. При этом, согласно выражению

(3-20), можно взять

Ук^У--

17-1

= 8; & = 4; 4.

Исходя из таких значений шагов, составляем схему обмотки (рис. 3-36),

начиная, например, с пластины 1. При первом обходе вокруг якоря проходим

секции 1 и 1 + 8 = 9 и должны были бы прийти к пластине 9 + 8 = 17. Второй

обход должен был бы включать в себя секции 17 и 8. Однако, поскольку секции 17

и пластины 17 нет, то после завершения первого обхода конец секции 9 с помощью

Гл. 3] Якорные обмотки 83

обходной перемычки непосредственно соединяем с пластиной 8 и началом секции 8.

После этого ход обмотки следует по обычным правилам с тем лишь отличием, что

каждый второй результирующий шаг сокращается на единицу.

Рассмотренные несимметричные волновые обмотки находят применение

в машинах мощностью до нескольких десятков киловатт и работают вполне удовле-

творительно.

§ 3-6. Сложная волновая обмотка

Общие положения. Сложную волновую обмотку можно рассмат-

ривать как сочетание m простых волновых обмоток, которые вклю-

чаются на параллельную работу с помощью щеток. Число парал-

лельных ветвей такой обмотки соответственно в m раз больше числа

ветвей простой волновой обмотки:

2а = 2т.

(3-24)

Рассматриваемую обмотку называют также сложной последо-

вательной обмоткой.

Согласно соотношениям (3-7) и (3-24), выполнение симметрич-

ных m-ходовых волновых обмоток возможно при условии

2р/т

—

п. ч. (3-25)

Максимально возможное чи-

сло ходов при этом

т = 2р

и максимальное число ветвей

2 а = 4 р,

Мнти'/ / / / / / /

(£

г-й ход кх я; к в' к < к'

обмти у у V V У V У У У \

Lij 15" s" 13

з" ir г з* п*

Рис. 3-37. Таблица соединений секцион-

ных сторон сложной волновой обмотки,

изображенной на рис. 3-38

т. е. такое же, как у двух-

ходовой петлевой обмотки.

Секции и коллекторные пла-

стины т ходов обмотки по

окружности чередуются. Поэтому после одного обхода р последо-

вательно соединенных секций вокруг якоря мы должны выйти

не к соседней с исходной пластине коллектора, как при простой

волновой обмотке, а со сдвигом на т делений влево или вправо.

В соответствии с этим

ру

±т = К

Ук

У-

Ктт Кта

(3-26)

Шаги

у-х

и у

— у — ух определяются обычным образом. Крат-

ность замыкания обмотки равна общему наибольшему делителю

чисел т и К-

Рассмотрим двухходовую двукратнозамкнутую обмотку со сле-

дующими данными: 2р = 4, m = 2, 2а = 4, Z = Z

= S — К —

= 18. Условия симметрии (3-5)—(3-7) при этом удовлетворяются.

Выберем шаги:

18—2

18,1р.

Ук

= —2~ =

8; f/i

+ y =

5; г/

= 8-5 = 3.

На основании этих данных составлена таблица соединений сек-

ционных сторон обмотки (рис. 3-37) и схема обмотки (рис. 3-38).

Обмотка состоит из не связанных между собой двух простых вол-

новых обмоток, из которых одна охватывает нечетные секции и пла-

стины, а другая — четные. На основании рис. 3-37 и схемы рис. 3-38

на рис. 3-39 изображена звезда пазовых э. д. с. и векторная диа-

грамма э. д. с. обмотки. Диаграмма состоит из двух накладываю-

щихся друг на друга многоугольников.

Уравнительные соединения

Для равномерной нагрузки отдельных ходов сложной волно-

вой обмотки ее нужно снабдить уравнителями второго рода.

В рассмотренных выше случаях равнопотенциальный шаг

соответствует сдвигу по коллектору на два полюсных деления. Од-

нако в сложных волновых обмотках К1р, согласно соотношению

(3-26), может не равняться целому числу коллекторных делений.

Поэтому в общем случае сложной волновой обмотки ближайшие

равнопотенциальные коллекторные пластины могут отстоять друг

от друга на п = 1, 2, 3... пар по-

люсных делений. При этом

Уп —

пК/р,

(3-27)

Рис 3-39. Векторная диаграмма

э д с. обмотки, изображенной на

рис. 3-38

где ti — такое целое число, при

котором у

также является целым

числом.

Умножив выражение (3-26) на га,

можно заметить, что у

[см. фор-

мулу (3-27)] может быть целым

числом при таком наименьшем п,

когда

ап/р = 1,

откуда

п = £ (д-1, 2, 3, ...). (3-28)

Согласно формуле (3-27), при

соблюдении условия (3-28) равно-

потенциальный шаг сложной вол-

новой обмотки

= К/а.

(3-29)

Расположение уравнителей второго рода на одной стороне ма-

шины возможно только при соблюдении условия (3*28). При н„ >

>• 1 требуется также соблюдение условия

= ц. ч.

В случае, изображенном на рис. 3-38,

-К-.!®=9

а 2

что следует также из диаграммы э. д. с. на рис. 3-39.

На рис. 3-38 показан один уравнитель второго рода.

Применяются также обмотки с р = 3 и а — 2, для которых

условие (3-28) не соблюдается. В этом случае уравнители второю

рода располагаются своими концами на разных сторонах якоря

и проходят между валом и сердечником якоря.

§ 3-7. Комбинированная обмотка

Комбинированная, или лягушечья, обмотка впервые была предложена

Латуром в 1910 г. и представляет собой сочетание петлевой и волновой обмоток,

которые расположены в общих пазах, присоединяются к общему коллектору

и работают параллельно.

Так как каждая из обмоток двухслойная, то в пазу располагаются четыре

слоя обмотки. Каждая из обмоток рассчитывается на половину общего тока,

и их э. Д. с. должны быть равны. Таким образом, каждая обмотка рассчитывается

на половину мощности машииы.

Рассмотрим условия выполнения симметричной комбинированной обмотки

при минимально возможном числе ветвей. Величины, относящиеся к петлевой

и волновой обмоткам, будем при этом писать соответственно с индексом

«п» и «в».

Минимальное число ветвей имеет простая петлевая обмотка. Тогда т

= 1,

а„ = р и, согласно соотношению (3-5),

К/р=Ц. ч.

При этом иа основании формулы (3-26) должно быть

Р Р

Следовательно, минимальное число ветвей волновой обмотки а

— т

— р =

«п-

Таким образом, петлевая и волновая обмотки должны иметь равные числа

параллельных ветвей. Чтобы э. д. с. ветвей были равны, должны быть равны

также числа витков ветвей обеих обмоток, а следовательно, и общее число про-

водников в каждой обмотке. Из условия равенства токов следует, что сечения

проводников обеих обмоток также должны быть одинаковы.

Поскольку при т

> 2 петлевая обмотка уже не является симметричной, то

возможны только два варианта симметричной комбинированной обмотки: 1) т

= 1,

т„

= р; 2) т

= 2, пц,= 2р.

Так как петлевая и волновая обмотки присоединяются к общим коллектор-

ным пластинам, то необходимо иметь определенные соотношения между шагами

обмоток, чтобы не возникали уравнительные токи. Существуют два варианта

этих соотношений (рис. 3-40).

В схеме Латура, изображенной на рис. 3-40, а,

Ут+Уи^К/pi Ук.п+Ук.ъ^К/р. (3-30)

Для предотвращения возникновения уравнительных токов в схеме рис. 3-40, а

э. д. с. в контуре

абвгдежэ,

замкнутом через щетки и соединительную шину между

ними, должна равняться нулю. Это условие соблюдается, так как проводники

де и гв лежат в одном пазу и имеют разные по величине и направлению э. д. е.,

а проводники аб и зж также имеют равные по величине и направлению э. д. е.,

поскольку оии сдвинуты в магнитном поле на два полюсных деления.

Схему Латура—Перре (рис. 3-40, б) можно получить из схемы Латура

(рис. 3-40, а), если в последней шагн у

1п

и у

1в

являются полными:

- JL

Уш - Угв —

2р

~ 2р

и если проводники гв и зж перенести влево на одно зубцовое деление, т. е. уко-

ротить шаги у

1п

и у

1в

на одно зубцовое деление. Очевидно, что при этом сум-

ма э^ д. с. в контуре абвгдежз

а) также будет равна нулю.

^ Для схемы рис. 3-40, б суще-

ствуют следующие соотношения

между шагами:

У\ъ=Уы, Ук.п+Ук.в=К/Р• (3-31)

Потенциальный шаг на кол-

лекторе

Если выполнить

торе уравнительные

с таким шагом, то

на коллек-

соединения

они будут

Рис. 3-40. Два варианта выполне-

ния комбинированной обмотки

Рис. 3-41. Форма катушки

комбинированной обмотки

служить в качестве уравнителей первого рода для петлевой обмотки и одновре-

менно уравнителями второго рода для петлевой (если она сложная) и волно-

вой обмоток. Однако, как следует из рис. 3-40, а и б, коллекторные пластины,

расположенные на расстоянии шага у

, соединяются контуром абвгдежз секций

петлевой и волновой обмоток, причем сумма э. д. с. этого контура при равенстве

потоков полюсов равна нулю. Следовательно, сам этот контур играет роль

уравнителя, и поэтому надобности в специальном уравнительном соедине-

нии нет.

Таким образом, комбинированная обмотка не нуждается

особых уравнителях,

так как их роль выполняют элементы самой обмотки. Это является преимуществом

обмоток такого типа в случаях, когда требуется наличие полного или большого

числа уравнителей. Вместе с тем комбинированные обмотки сложны по конструк-

тивному исполнению, охлаждение их лобовых частей хуже, а их естественные

контуры для уравнительных токов имеют повышенную индуктивность, что

ухудшает коммутацию (см. § 6-4). Поэтому применение этих обмоток огра-

ничено.

Секции комбинированной обмотки часто объединяют в катушкн, форма ка-

тушки показана на рис. 3-41. Вследствие такой формы катушек комбинированную

обмотку часто называют лягушачьей.

Рассмотрим пример комбинированной обмотки с данными: 2р-~ 4,а

— а

—

= 2, Z=Z

= S = К — 18. Петлевая обмотка является простой, а волновая

обмотка — двухходовой двукратно-

замкнутой.

Шаги петлевой обмотки:

fn.n = + 1;

18 1 ,

г/

1п

-е =

—2=4;

Ут — Ук.п Ут

4 = 3.

Шаги волновой обмотки:

Ук. в =

К-а

18—2

= 8;

мам \ г\з \ 4\ s \ в \ 7 \ в m

1! If

, 18 . 1 ,

№ге=0к.в—г/1в = 8—5 = 3.

Условия (3-30) выполняются.

Элементы схемы обмотки изоб-

ражены на рис. 3-42, причем, как

и обычно, петлевая и волновая об-

мотки показаны по разным сторо-

нам от коллектора.

Входящие в рассматриваемую комбинированную обмотку простая петлевая

и сложная волновая обмотки имеют те же данные, что и обмотки, рассмотренные

в § 3-3 и 3-6 (см. рис. 3-16, 3-17 и 3-19; рис. 3-37, 3-38 и 3-39), и поэтому полная

схема ее представляет собой сочетание схем рис. 3-17 и 3-38. Векторные диаграммы

на рис. 3-19 и 3-39 одинаковы, что свидетельствует о правильном выборе данных

комбинированной обмотки и о ее хороших рабочих свойствах.

При сравнении схем рис. 3-38 и 3-42 следует иметь в виду, что на рис. 3-38

нумерация пазов выполнена так, как показано в нижней части рис. 3-42 в скобках.

Рнс. 3-42. Элементы схемы комбиниро-

ванной обмотки с 2р = 4, а

= а

= 2,

Z=Z

=S=K

—

§ 3-8. Выбор типа обмотки

Исходя из рациональных в практическом отношении размеров

пазов, проводников обмотки, коллекторных пластин и щеток, а так-

же из условий коммутации, ток параллельной ветви ограничивают

значениями i

— 300 -s- 350 а, а в отдельных случаях 1

= 400 ч-

450 а. С другой стороны, в машинах малой мощности для полу-

чения заданного значения С/

из-за малых значений Ф требуется

большое число витков в ветви обмотки, что ограничивает сечение

проводников и i

. Поэтому в таких машинах применяется

обмотка с минимальным числом ветвей, т. е. простая волно-

вая обмотка, а в машинах больших мощностей — другие типы

обмоток.

Соответственно этому при и

= 220 в простая волновая обмотка

используется до Р

— 80 -s- 100 кет, сложная волновая обмотка —

при Р

= 150 ч- 300 кет, а простая петлевая обмотка — при Р

- 100 -ь 500 кет и выше. Сложные петлевые обмотки применяются

в машинах низкого напряжения (U„ < 50 в) на большие токи и

в крупных машинах нормального и повышенного напряжения

(С/„ > 110 в). При других напряжениях указанные мощности из-

меняются пропорционально U„.

Комбинированные обмотки находят некоторое применение в ма-

шинах предельной мощности и при тяжелых режимах работы

(быстро меняющиеся нагрузки и т. д.). На выбор типа обмотки

влияет также число полюсов, скорость вращения и т. д.

Значение и„ = 1 используется только в машинах низкого напря-

жения при больших токах. При U

= 220 в и Р

> 30 -ь 50 кет

число витков в секции всегда равно единице.

Глава четвертая

ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ СООТНОШЕНИЯ

§ 4*1. Э. д. с. якоря и электромагнитный момент

Э. д. с. якоря. Обозначим буквой N число активных проводников

обмотки и рассчитаем э. д. с. якоря Е

в предположении, что у

= т и щетки установлены на геометрической нейтрали. Тогда э. д. с.

всех N/2a проводников параллельной ветвн складываются арифме-

тически и для вычисления Е

можно просуммировать э. д. с. N/2p

проводников, расположенных под одним полюсом, и умножить

результат на 2р/2а. Таким образом,

JV/2p Njlp

k=i k=\

где B

— значение индукции под k-м проводником на протяжении

полюсного деления (рис. 4-1).

При достаточно большом N/2p можно положить (рис. 4-1)

N/2p ^

4 = 1