Глава 2. Общие вопросы теории генераторов постоянного тока

2.1. Электродвижущая сила обмотки якоря

Для определения э.д.с. обмотки якоря примем трапецеидальное распределение магнитной индукции под полюсами машины (рис.2.1.).

Часть окружности якоря, приходящаяся на один полюс, на­зывается полюсным делением τ. Величина его определяется по формуле

где D — диаметр якоря;

р — число пар полюсов машины.

Рис. 2.1. Распределение магнитной индукции под полюсом

Под серединой полюса, где воздушный зазор между полюсом и якорем равномерен, индукция имеет значение B_δ. В связи с увеличением воздушного зазора и рассеянием к краям полюса индукция уменьшается, а в междуполюсной зоне резко падает. Площадь, ограниченная кривой ABCD и основанием τ, выражает величину магнитного потока под полюсом.

Среднее значение магнитной индукции под полюсом

Согласно закону электромагнитной индукции, средние значения э.д.с., индуктируемых в каждом проводнике обмотки якоря при его вращении со скоростьюV_{а ,} равны

Электродвижущая сила машины равна э.д.с., индуктируемой в одной параллельной ветви обмотки якоря. На одну параллельную ветвь обмотки приходится проводников(N — число проводников обмотки якоря). Следовательно, э.д.с. параллельной ветви

Скорость вращения якоря V_а можно записать в следующем виде:

(n – скорость вращения якоря в об/мин), а длину окружности якоря выразить через полюсное деление и число пар полюсов

Тогда

и

где l – длина активной части проводника обмотки (той части, которая пересекается магнитным потоком);

- магнитный поток пары полюсов.

Таким образом, в общем случае э.д.с. машины равна

Как видно из формулы (2.2.), э.д.с. машины не зависит от формы кривой магнитного поля под полюсом, а зависит лишь от величины полезного магнитного потока Ф.

Так как величина для данной машины является постоянной, то окончательную формулу э.д.с. обмотки якоря можно записать в следующем виде:

2.2. Электромагнитный момент

Электромагнитным моментом машины постоянного тока называется момент, обусловленный взаимодействием тока, протекающего по обмотке якоря, с магнитным потоком полюсов.

На проводник а обмотки якоря (рис.2.2.) с током i_a и длиной l по закону электромагнитных сил действует сила

Направление этой силы, как указывалось выше, определяется правилом левой руки. Если проводник расположен на поверхности якоря с диаметром D, то электромагнитный момент, создаваемый одним проводником, равен

Рис.2.2. Направление моментов машины постоянного тока:

а – в генераторном режиме; б – в двигательном режиме.

Электромагнитный момент, создаваемый всеми проводниками обмотки, расположенными в магнитном поле, будет

Учитывая, что получим

или

где - конструктивный коэффициент машины.

Из рисунка 2.2. следует, что у генератора электромагнитный момент направлен навстречу моменту приводного двигателя М_дв и потому является тормозящим (рис.2.2, а), а у двигателя электромагнитный момент является вращающим (рис.2.2, б).

2.3. Якорные обмотки машин постоянного тока

2.3.1. Классификация обмоток

Электродвижущие силы, наведенные в активных сторонах секции (части обмотки, имеющей отпайки на коллектор), должны складываться. Для этого активные стороны секции располагаются под разноименными полюсами статора. Ширина секции (y₁) выполняется равной или близкой к полюсному делению машины (τ), т.е.

чтобы охватить полный поток полюса.

Обмотки якоря делятся на петлевые, волновые и смешанные («лягушачьи»). Выбор типа обмотки зависит от потребного числа параллельных ветвей. При этом исходят из того, что допустимый ток в параллельной ветви обычно составляет 50…75 А в машинах длительного режима и 100…150 А - в машинах с кратковременным режимом работы.

Рис.2.3. Секции петлевой (а) и волновой (б) обмоток

Петлевые и волновые обмотки бывают простые и сложные. В авиационных электрических машинах постоянного тока обычно применяются простые петлевые и простые волновые обмотки. На­звание обмотки характеризует способ ее выполнения. Петлевая обмотка укладывается в пазы якоря таким образом, что каждый виток ее образует петлю (рис.2.3, а). Секции волновой обмотки напоминают волну (рис.2.3, б).

Петлевые обмотки могут укладываться на якорь двумя спосо­бами. При первом способе начало следующей секции лежит вправо от начала первой секции (рис. 2.3, а). Такая обмотка назы­вается правоходовой или неперекрещивающейся. При втором способе начало следующей секции лежит влево от начала первой секции. Такая обмотка называется левоходовой или перекрещивающейся.

Волновая обмотка получается левоходовой неперекрещиваю­щейся тогда, когда при обходе коллектора конец последней сек­ции присоединяется к коллекторной пластине, лежащей левее начальной (рис. 2.3, б). Если же при обходе коллектора перехо­дят исходную коллекторную пластину, то обмотка называется правоходовой перекрещивающейся.

В самолетных электрических машинах в целях экономии меди на выполнение лобовых частей и облегчения технологии их вы­полнения применяются неперекрещивающиеся обмотки.

Для удобства производства и размещения лобовых частей обмотка якоря обычно выполняется двухслойной (рис.2.4.). В этом случае одна сторона секции (правая) укладывается на дно паза, а вторая (левая) располагается в верхнем слое. Переход из верхнего слоя в нижний производится посередине лобовой части.

Рис. 2.4.Расположение сторон секции в двухслойной обмотке.

Паз с двумя секционными (активными) сторонами, лежащи­ми одна над другой, называют элементарным (рис.2.5, а). Реальный паз якоря электрической машины может быть разделен на несколько элементарных пазов (рис.2.5, б, в).

Рис.2.5. Элементарные и реальные пазы.

Для выполнения обмоток необходимо знать расстояния между различными частями обмотки. Эти расстояния называются шагами обмотки. Различают (см. рис.2.3.):

y₁ - первый частичный шаг, равный расстоянию между начальной и конечной сторонами секции;

y₂ - второй частичный шаг, равный расстоянию между конечной стороной предыдущей секции и начальной стороной последующей секции;

у - результирующий шаг, равный расстоянию между начальными сторонами следующих по схеме одна за другой сек­ций;

y_k - шаг по коллектору, равный расстоянию между началом и концом секции по окружности коллектора.

Шаги обмотки по якорю обычно измеряются числом элемен­тарных пазов, шаг по коллектору — числом коллекторных пла­стин.

Первый частичный шаг любой, обмотки определяется на осно­вании соотношения (2.5.) по формуле:

где z_эл— число элементарных пазов якоря;

р — число пар по­люсов.

Обмотка якоря может иметь полный или диаметраль­ный шаг (у₁=τ), укороченный шаг (у₁<τ) или удлинен­ный шаг (у₁>τ). Обычно применяются обмотки с диаметральным и укороченным шагом, что позволяет уменьшить расход меди на лобовые соединения.

В зависимости от типа и мощности машины секции как петлевой, так и волновой обмоток могут быть одновитковыми (рис.2.3.), двухвитковыми (рис.2.6.) и многовитковыми. Так как порядок соединения активных сторон секций не зависит от коли­чества витков в секции, то для простоты на схемах обычно изо­бражаются одновитковые секции.

Рис. 2.6. Двухвитковые секции