Zagryadtskiy_elektr_mashiny_3
.pdfмотку якоря. По способу укладки сторон секции в пазы обмотки машин постоянного тока выполняются двухслойными. Две активные стороны разных секций, располагающихся в пазу друг над другом, образуют элементарный паз (рис. 2.6).
Обмотки машин постоянного тока характеризуются следующими параметрами:
-числом полюсов 2р;
-числом элементарных пазов Zэ;
-числом секций S;
-числом коллекторных делений К;
-числом проводников обмотки якоря N;
-числом витков в секции w;
-первым шагом обмотки y1, первый шаг (шаг секции) представ-
ляет собой ширину витка;
- вторым шагом обмотки y2 , это расстояние между концом дан-
ной секции и началом следующей, с которой она соединяется;
- результирующим шагом y, представляющим расстояние между
началами двух секций, следующих друг за другом;
- шагом по коллектору yk , шаг по коллектору равен расстоянию
между двумя коллекторными пластинами, к которым присоединяются начало и конец секции.
Принято, что направление отчета пазов, секций и коллекторных пластин ведется по часовой стрелке, глядя со стороны коллектора.
Простая петлевая обмотка. Концы секций простой петлевой обмотки присоединяются к соседним коллекторным пластинам, а сами секции должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС в них складывались. С этой целью секции соединяются последовательно
(рис. 2.7).
Шаги простой петлевой обмотки определяются следующим образом:
Первый шаг определяется по формуле
y = |
Zэ |
. |
( |
|
|||
1 |
2 p |
2.5) |
|
|
|||
Он представляет собой расстояние (или число элементарных па- |
|||
зов) между активными сторонами секции. |
|
||
Второй шаг обмотки равен |
|
|
( |
y2 = y1 − y. |
|||
|
|
|
2.6) |
|
100 |
|
|
Он представляет собой расстояние между конечной стороной одной секции и последующей стороной другой секции.
Результирующий шаг
y = y1 − y2 = ±1. |
( |
|
2.7) |
Шаги обмотки показаны на рис. 2.7.
Шаг по коллектору yk измеряется в коллекторных пластинах. Так
как начала каждой секции присоединяются к рядом лежащим коллекторным пластинам, то
yk = y = ±1. |
( |
|
2.8) |
При знаке «+» имеет место правоходовая обмотка. При ее выполнении следующая за начальной секцией последующая секция укладывается направо. Знак «-» указывает на левоходовую обмотку (употребляется реже).
При определении шага обмотки по (2.5), может оказаться, что шаг выражается дробным числом. В этом случае формула для первого шага имеет вид
y = |
Zэ |
±ε, |
(2.9) |
|
|
|
|||
1 |
2 p |
|
|
|
|
|
|
||
где ε − дробь, превращающая y1 |
в целое число. |
|
||
Число элементарных пазов Zэ, число секций S |
|
|||
и число коллекторных делений K в машинах по- |
Рис. 2.7. Соедине- |
|||
стоянного тока связаны условием |
ние секций |
|||
|
Zэ = S = K. |
простой петлевой |
||
Проиллюстрируем построение простой петле- |
обмотки, шаги |
|||
обмотки |
||||
вой обмотки на примере простейшей обмотки со |
|
|||
следующими данными: число пар полюсов 2 р = 4, S = K = Zэ = 20, |
||||
Определим шаги обмотки
y1 = Z 2 p = 20 4 = 5, y = yk =1,
y2 = y1 − y = 5 −1 = 4.
Представим обмотку в виде развернутой схемы, показывающей стороны секций в пазах, соединение секций между собой и с коллектором, а также расстановку щеток. На рис. 2.8 показаны 20 элементарных (физических) пазов этой обмотки. Каждый паз содержит сто-
101
роны двух секций. Сторона секции, ближайшая к воздушному зазору показана сплошной линией, а сторона секции на дне паза – пунктирной линией. Положение полюсных наконечников показано прямоугольниками. Полюса находятся над обмоткой. Вращение обмотки принято по часовой стрелке.
Петлевая обмотка получается, если последовательно соединять следующие друг за другом рядом лежащие секции.
Построение обмотки ведется в следующем порядке. Верхняя сторона 1 первой секции (сплошная линия) соединяется с первой коллекторной пластиной и укладывается в первый паз, а ее вторая сторона (пунктирная линия) с шагом y1 = 5 помещается на дно 6 паза.
Рис. 2.8. Схема простой петлевой обмотки
Далее необходимо соединить вторую сторону первой секции со второй коллекторной пластиной и одновременно с верхней стороной второй секции, второй шаг y2 = y1 − y = 4 . Вторую сторону второй сек-
ции помещаем на дно седьмого паза и т.д. В итоге обмотка должна замкнуться сама на себя. Как следует из рис. 2.8, секции обмотки
102
имеют вид петель, соединенных последовательно. По этим признакам обмотка получила название петлевой обмотки.
Щетки на коллекторе, согласно рис. 2.8, должны располагаться под серединами главных полюсов. При этом секции, замкнутые накоротко щетками, лежат на нейтральной линии, т.е. между полюсами. Секции, расположенные между разноименными щетками, ток в которых имеет одинаковое направление, образуют параллельные ветви. Число параллельных ветвей 2а простой петлевой обмотки равно числу полюсов 2р. Число щеток равно числу полюсов. Как следует из (2.9), простая петлевая обмотка может быть выполнена для любого числа секций и полюсов.
Сложная петлевая обмотка. В тех случаях, когда требуется увеличить число параллельных ветвей, применяют сложную петлевую обмотку. Эта обмотка состоит из нескольких простых петлевых обмоток, соединенных между собой проводниками и щетками.
Рис. 2.9. Схема сложной петлевой обмотки
103
При образовании сложной петлевой обмотки производится соединение не рядом расположенных секций, а секций отстоящих друг от друга на m элементарных пазов. Таким образом, шаги обмотки равны:
y = yk = m, y1 = 2Zpэ −ε,
y2 = y1 − y.
Число параллельных ветвей равно 2a=2рm.
На рис. 2.9 приведена схема сложной петлевой обмотки со следующими данными: Z=16, p=4, m=2.
Рассчитаем шаги обмотки.
y = yk = 2.
y1 = 2Zp −ε = 164 −0 = 4.
y2 = y1 − y = 4 −2 = 2.
Построение обмотки производится в следующем порядке. Разместим одну сторону исходной секции в верхнем первом пазу, а вторую сторону с шагом y1 = 4 − в пятом нижнем пазу. Соединим начало
секции с коллекторной пластиной 1, а конец секции – с коллекторной пластиной 3, так как шаг по коллектору равен 2. Коллекторную пластину 3 соединяем с началом следующей секции, которое находится в верхнем 3 пазу и т.д. Щетки на коллекторе устанавливаются на равном расстоянии друг от друга таким образом, чтобы они соединялись с секциями, стороны которых проходят через нейтральные зоны.
Если числа Z и у имеют общий делитель, в нашем примере 2, то сложная петлевая обмотка получается двукратно замкнутой. Если это условие не выполняется, то обмотка является однократно замкнутой.
Простая волновая обмотка. При ее выполнении соединяются последовательно секции, расположенные под соседними парами полюсов (рис. 2.10). Каждая секция присоединяется к двум коллекторным пластинам, расстояние между которыми равно двойному полюсному делению.
При образовании обмотки необходимо сделать определенное число обходов вокруг якоря. При первом обходе, например, в четырехполюсной машине
Рис. 2.10. Образование простой |
104 |
|
волновой обмотки |
||
|
||
|
|
необходимо сделать два шага и соединить последовательно две секции, в шестиполюсной – три секции и т.д. После первого обхода вокруг
якоря, необходимо следующую секцию расположить рядом с исходной и начинать следующий обход вокруг якоря.
Определим шаги волновой обмотки. Результирующий шаг
y = y1 + y2.
Результирующий шаг волновой обмотки равен шагу по лектору
y = yk = S p±1 =ц.ч.
Первый шаг
y1≈ y
2.
(
2.10)
кол-
(
2.11)
(
2.12)
Из (2.11) следует, что волновая обмотка может быть выполнена только при определенном соотношении секций и пазов.
При четных S и p шаг обмотки не получается в виде целого числа. Для образования обмотки на якорь укладывают секцию, но не включают ее в схему обмотки. Такую обмотку называют волновой
с«мертвой» секцией.
Вкачестве примера построим схему простой волновой обмотки
со следующими данными: Zэ = S = K =19, 2p = 4.
Для определения шагов обмотки воспользуемся соотношениями
(2.10), (2.11) и (2.12). Определим шаги обмотки.
y = S p±1 = 192±1.
Выбираем y =9.
Первый шаг
y1 ≈ y 2 = 9 2 = 4,5.
Выбираем y1 = 5.
Второй шаг
y2 = y − y1 = 9 −5 = 4.
Шаг по коллектору
yk = y = 9.
105
На рис. 2.11 приведена развернутая схема обмотки. Построение обмотки начинаем с коллекторной пластины 1, которая соединена с верхней стороной секции 1. Ее вторая сторона с шагом y1 = 5 уло-
жена на дно 6-го паза и соединяется с шагом yк = 9 с коллекторной
пластиной 10. Шаг между пазом 6 и следующим по направлению обхода пазом 10 с началом второй секции равен y2 = 4.
Коллекторная пластина 10 соединяется с верхней стороной секции 10. Другая, нижняя, сторона секции 10 соединяется с коллекторной пластиной 19, лежащей слева от исходной коллекторной пластины 1. Далее начинается новый обход.
Расстановка щеток на коллекторе осуществляется таким образом, чтобы они соприкасались с коллекторными пластинами, к которым присоединялись секции расположенные на нейтрали или вблизи нее.
ЭДС всех секций, попадающих в один обход по якорю, складываются геометрически между собой. ЭДС отдельных обходов будут складываться. Особенностью простой волновой обмотки является то, что число параллельных ветвей ее 2а = 2 независимо от числа полюсов машины.
Рис. 2.11. Схема простой волновой обмотки
106
Поэтому число необходимых щеток на коллекторе в данной обмотке должно быть равно двум. Однако на практике число щеток на коллекторе обычно устанавливается равным числу полюсов для того чтобы снизить плотность тока под щетками.
Сложная волновая обмотка. Наряду с простыми волновыми обмотками применяются сложные волновые обмотки. В этом случае одна простая волновая обмотка может перейти автоматически в другую простую волновую обмотку, образуя одну однократнозамкнутую сложную волновую обмотку. Возможен вариант, когда каждая из простых обмоток замкнута сама на себя.
В машинах постоянного тока могут применяться и другие типы обмоткок [1,2].
2.3.2. Звезда и многоугольник ЭДС секций якоря
Предположим, что индукция под полюсами машины постоянного тока распределяется по синусоидальному закону. В этом случае при вращении машины в секциях якоря образуются ЭДС, изменяющиеся во времени по синусоидальному закону. Эти ЭДС могут быть представлены векторами ЭДС. Максимальное значение ЭДС имеет место по оси полюса. Так как секции расположены в пазах якоря, то ЭДС секций сдвинуты относительно друг друга по фазе на некоторый угол α, который называется электрическим углом. Он равен
α = 2πр
Z,
где p −число пар полюсов;
Z−число пазов.
Вдвухполюсной машине при р=1 электрический угол равен геометрическому углу между пазами. Определив направление векторов ЭДС всех секций, получим звезду пазовых ЭДС. При образовании обмотки векторы ЭДС секций складываются.
Так как обмотка замкнутая, то сложение ЭДС образует замкнутый многоугольник. На рис. 2.12, а представлена сдвоенная звезда пазо-
107
Рис. 2.12. Звезда (а) и многоугольник (б) ЭДС простой петлевой обмотки якоря (рис. 2.8)
вых ЭДС обмотки якоря, приведенной на рис. 2.8. Векторы 1 – 10 образуют первую звезду, векторы 11 – 20 – вторую звезду, вектора которой совпадают соответственно с векторами первой звезды. Каждая звезда ЭДС отвечает паре полюсов. В общем случае число звезд простой петлевой обмотки совпадает с числом пар полюсов.
При образовании обмотки ЭДС отдельных секций складываются. Так как обмотка якоря замкнута, то при сложении ЭДС секций получается замкнутый многоугольник (рис. 2.12, б).
Для получения наибольшего напряжения на щетках, они должны быть установлены по линии геометрической нейтрали. Щетки делят многоугольник на параллельные ветви.
При помощи многоугольника ЭДС можно найти величину пульсации ЭДС ∆Е % на щетках, которая образуется при вращении якоря
∆Е% = Емакс − Емин100 %, Еср
где Еср = (Емакс − Емин)
2.
2.3.3. Уравнительные соединения
Вмашинах постоянного тока возможна магнитная несимметрия машины – эксцентриситет и перекосы якоря, неоднородность материала участков магнитной цепи и т.д. В результате этого ЭДС, индуктируемые в разных парах параллельных ветвей, могут иметь различную величину, что приводит к возникновению в обмотках уравнительных токов.
Впростой петлевой обмотке каждая пара параллельных ветвей располагается под своей парой полюсов. Если ЭДС в разных парах
Рис. 2.13. Уравнительное соединение первого рода в простой петлевой обмотке (а) и второго рода
в сложной петлевой обмотке (б) 108
параллельных ветвей разные, то возникающий уравнительный ток замыкается через щетки одноименной полярности и соединяющие их перемычки, вызывая неравномерную нагрузку щеток, что приводит к ухудшению коммутации. Для нормальной ра-
боты машины необходимо замкнуть точки теоретически равного потенциала проводниками – уравнительными соединениями А-А (рис. 2.13, а). Уравнительные токи, протекающие по этим соединениям, минуют щетки и коллектор и частично выравнивают магнитную несимметрию. Соединения, применяемые в простой петлевой обмотке, называют уравнительными соединениями первого рода. Их максимальное число в машине равно К/p.
Магнитная несимметрия машины не оказывает влияния на простые волновые обмотки ввиду того, что все секции обмотки располагаются последовательно под всеми полюсами машины. Кроме того простая волновая обмотка не имеет точек равного потенциала. Поэтому уравнительные соединения в простых волновых обмотках не применяются.
В сложных петлевых и волновых обмотках составляющие их простые обмотки соединены параллельно через щеточный контакт. Ввиду того, что обеспечить щеточный контакт на коллекторе с каждой простой обмоткой сложно, ток между обмотками распределяется неравномерно. Это негативно отражается на коммутации. Для равномерного распределения тока применяют уравнительные соединения второго рода, связывающие электрически простые обмотки между собой в точках равного потенциала С-С (рис. 2.13, б).
Уравнительные соединения обычно располагаются в местах соединения обмотки с коллектором.
2.4.Электродвижущая сила вращения и электромагнитный момент
Для определения ЭДС в обмотке якоря с диаметральным шагом при холостом ходе воспользуемся формулой (2.1). При вращении ротора с частотой вращения n скорость проводника ν равна
ν =πDn
60.
Поэтому наведенная в проводнике ЭДС представится формулой
e =πDnBL
60. (
2.13)
ЭДС параллельной ветви обмотки можно определить как сумму ЭДС в проводниках ветви,
109