Петлевые обмотки якоря

Принцип работы электрической машины постоянного тока в режиме двигателя

(генератора).

Рисунок 38 Рисунок 39 Рисунок 40

Если проводник длиной L поместить в магнитное поле с индукцией В и пропустить по нему ток I, то появится электромагнитная сила Fэм (рисунок 38). Данная электромагнитная сила определяется по правилу левой руки. Левую руку надо расположить так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, 4 вытянутых пальца располагались по направлению тока в проводнике, тогда отогнутый на 90 большой палец укажет направление электромагнитной силы F (рисунок 39). На рисунке 40 представлена модель простейшего двигателя постоянного тока.

Классификация электрических машин и область их применения.

По способам возбуждения машины постоянного тока можно

классифицировать следующим образом:

- машины независимого возбуждения, в которых обмотка возбуждения (0В)

питается постоянным током от источника, электрически не связанного с обмоткой якоря (рисунок 41, а);

- машины параллельного возбуждения, в которых обмотка возбуждения и

обмотка якоря соединены параллельно (рисунок 41, б);

- машины последовательного возбуждения, в которых обмотка

возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно (рисунок 41, в);

- машины смешанного возбуждения, в которых имеются две обмотки

возбуждения - параллельная ОВ1 и последовательная ОВ2 (рисунок 41, г);

- машины с возбуждением постоянными магнитами (рисунок 41, д).

Все указанные машины (кроме последних) относятся к машинам с электромагнитным возбуждением, так как магнитное поле в них создается электрическим током, проходящим в обмотке возбуждения.

Рисунок 41 Схемы возбуждения машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока используются как в качестве

генераторов, так и в качестве двигателей. Наибольшее применение имеют

двигатели постоянного тока, области применения и диапазон мощности которых

достаточно широки: от долей ватт (для привода устройств автоматики) до

нескольких тысяч киловатт (для привода прокатных станов, шахтных

подъемников и других механизмов). Двигатели постоянного тока широко

используются для привода подъемных средств в качестве крановых двигателей и

привода транспортных средств в качестве тяговых двигателей.

Достоинства и недостатки электрических машин постоянного тока.

Основные преимущества двигателей постоянного тока по сравнению с

бесколлекторными двигателями переменного тока - хорошие пусковые и

регулировочные свойства, возможность получения частоты вращения более 3000

об/мин, а недостатки - относительно высокая стоимость, некоторая сложность в

изготовлении и пониженная надежность. Все эти недостатки машин постоянного

тока обусловлены наличием в них щеточно-коллекторного узла, который к тому

же является источником радиопомех и пожароопасности. Эти недостатки ог-

раничивают применение машин постоянного тока.

В последние годы созданы и успешно применяются двигатели постоянного

тока, у которых механический коллектор заменен бесконтактным коммутатором

на полупроводниковых элементах, однако подобные двигатели пока из-

готовляются на мощность не более 500 Вт.

Петлевые обмотки якоря

Основные понятия. Обмотка якоря машины постоянного тока представляет

собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на

сердечнике якоря и присоединенных к коллектору. Элементом обмотки якоря

является секция (катушка), присоединенная к двум коллекторным пластинам.

Расстояние между пазовыми частями секции должно быть равно или мало

отличаться от полюсного деления τ (рисунок 42):

τ=πDа/(2р) (1)

Здесь Dа -диаметр сердечника якоря, мм.

Обмотки якоря обычно выполняют двухслойными. Они характеризуются

следующими параметрами: числом секции S; числом пазов (реальных) Z; числом

секций, приходящихся на один паз, Sп = S/Z; числом витков секции wc; числом

пазовых сторон в обмотке N; числом пазовых сторон в одном пазу пп=N/Z=2wcSп.

Верхняя пазовая сторона одной секции и нижняя пазовая сторона другой секции,

лежащие в одном пазу, образуют элементарный паз. Число элементарных пазов

в реальном пазе Zп определяется числом секций, приходящихся на один паз: Sп =

S/Z (рисунок 43).

Схемы обмоток якоря делают развернутыми, при этом все секции показывают

одновитковыми. В этом случае каждой секции, содержащей две пазовые

стороны, соответствует один элементарный паз. Концы секций присоединяют к

коллекторным пластинам, при этом к каждой пластине присоединяют начало

одной секции и конец другой, т. е. на каждую секцию приходится одна

коллекторная пластина. Таким образом, для обмотки якоря справедливо S=Zэ=К,

где Zэ — число элементарных пазов; К — число коллекторных пластин в

коллекторе. Число секций, приходящихся на один реальный паз, определяется

отношением Zэ/Z.

Простая петлевая обмотка якоря. В простой петлевой обмотке якоря

каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным

пластинам. При укладке секций на сердечнике якоря начало каждой

последующей секции соединяется с концом предыдущей, постепенно

перемещаясь при этом но поверхности якоря (и коллектора) так, что за один

обход якоря укладывают все секции обмотки. В результате конец последней

секции оказывается присоединенным к началу нерпой секции, т. е. обмотка

якоря замыкается.

Рисунок 42 - Расположение пазовых сторон секции на сердечнике якоря

Рисунок 43 - Элементарные пазы

На рисунок 44, а, б изображены части развернутой схемы простой петлевой

обмотки, на которых показаны шаги обмотки — расстояния между пазовыми

сторонами секций по якорю: первый частичный шаг по якорю у1, второй

частичный шаг по якорю у2 и результирующий шаг по якорю у.

Если укладка секций обмотки ведется слева направо по якорю, то обмотка

называется правоходовой (рисунок 44, a), a если укладка секций ведется справа

налево, то обмотка называется левоходовой (рисунок 44,б). Для правоходовой

обмотки результирующий шаг:

У= у1- у2 (2)

Расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым

присоединены начало и конец одной секции, называют шагом обмотки по

коллектору ук . Шаги обмотки по якорю выражают в элементарных пазах, а шаг

по коллектору — в коллекторных делениях (пластинах). Начало и конец каждой

секции в простой петлевой обмотке присоединены к рядом лежащим

коллекторным пластинам, следовательно, у=ук=±1, где знак плюс соответствует

правоходовой обмотке, а знак минус левоходовой.

Для определения всех шагов простой петлевой обмотки достаточно рассчитать

первый частичный шаг по якорю:

у1= [Zэ /(2р)] ±ε (3)

где ε — некоторая величина, меньшая единицы, вычитая или суммируя которую

получают значение шага у1, равное целому числу. Второй частичный шаг обмотки

по якорю

у2= у1±у= у1 ±1 (4)

Пример 1. Рассчитать шаги и выполнить развернутую схему простои

петлевой обмотки якоря для четырехполюсной машины (2р = 4) постоянного

тока. Обмотка правоходовая, содержит 12 секций.

Решение. Первый частичный шаг по якорю по (3)

у1 = Zэ /(2p)± ε = (12/4) ±0 = 3 паза. Второй частичный шаг по якорю по (4)

у2 = у1— у = 3— 1 = 2 паза.

Рисунок 44 - Простая петлевая обмотка:

а – правоходовая; б – левоходовая; в – развернутая схема.

Прежде чем приступить к выполнению схемы обмотки, необходимо отметить и пронумеровать все пазы и секции, нанести на предполагаемую схему контуры магнитных полюсов и указать их полярность (45, в). При этом нужно иметь в виду, что отмеченный на схеме контур является не полюсом, а зеркальным отображением полюса, находящегося над якорем. Затем изображают коллекторные пластины и наносят на схему первую секцию, пазовые части которой располагают в пазах 1 и 4. Коллекторные пластины, к которым присоединены начало и конец этой секции, обозначают 1 и 2. Затем нумеруют все остальные пластины и наносят на схему остальные секции (2, 3, 4 и т. д.). Последняя секция 12 должна замкнуть обмотку, что будет свидетельствовать о правильном выполнении схемы.

Далее на схеме изображают щетки. Расстояние между щетками А к В должно быть равно К /(2р) = 12/4 = 3, т.е. должно соответствовать полюсному делению. Что же касается расположения щеток на коллекторе, то при этом следует руководствоваться следующим. Предположим, что электрический контакт обмотки якоря с внешней цепью осуществляется не через коллектор, а непосредственно через пазовые части обмотки, на которые наложены«условные» щетки (рисунке 45, а). В этом случае наибольшая ЭДС машины соответствует положению «условных» Щеток на геометрической нейтрали. Но так как коллекторные пластины смещены относительно пазовых сторон соединенных с ними секций на 0,5 τ (рисунок 45,б), то, переходя к реальным щеткам, их следует расположить на коллекторе по оси главных полюсов, как это показано на рисунке 45, в.

При определении полярности щеток предполагают, что машина работает в

генераторном режиме и ее якорь вращается в направлении часовой стрелки.

Воспользовавшись правилом «правой руки», находят направление ЭДС (тока),

наведенной в секциях. В итоге получаем, что щетки А1 и A2, от которых ток

отводится во внешнюю цепь, являются положительными, а щетки B1 и В2 -

отрицательными. Щетки одинаковой полярности присоединяют параллельно к

выводам соответствующей полярности.

Рисунок 45 - Расположение условных (а) и реальных (б) щеток

Параллельные ветви обмотки якоря. Если проследить за прохождением

тока в секциях обмотки якоря (см. рисунок 44, в), то можно заметить, что

обмотка состоит из четырех участков, соединенных параллельно друг другу и

называемых параллельными ветвями. Каждая параллельная ветвь содержит

несколько последовательно соединенных секций с одинаковым направлением

тока в них. Распределение секций в параллельных ветвях показано на

электрической схеме обмотки (рисунок 46). Эту схему получают из развернутой

схемы обмотки (см. рисунок 44, в) следующим образом. На листе бумаги

изображают щетки и имеющие с ними контакт коллекторные пластины, как это

показано на рисунке 46. Затем совершают обход секций обмотки начиная с

секции 1, которая оказывается замкнутой накоротко щеткой В1. Далее идут

секции 2 и 3, которые образуют параллельную ветвь. Таким же образом обходят

все остальные секции. В результате получаем схему с четырьмя параллельными

ветвями, по две секции в каждой ветви.

Из полученной схемы следует, что ЭДС обмотки якоря определяется

значением ЭДС одной параллельной ветви, тогда как значение тока обмотки

определяется суммой токов всех ветвей обмотки:

Iа = 2aia (5)

где 2а - число параллельных ветвей обмотки якоря;

iа - ток одной параллельной ветви.

В простой петлевой обмотке число параллельных ветвей равно числу

главных полюсов машины:2а = 2р.

Нетрудно заметить, что число параллельных ветвей в обмотке якоря

определяет значение основных параметров машины — тока и напряжения.

Пример 2. Шестиполюсная машина постоянного тока имеет на якоре прос-

тую петлевую обмотку из 36 секций. Определить ЭДС и силу тока в обмотке

якоря машины, если в каждой секции наводится ЭДС 10 В, а сечение провода

секции рассчитано на ток не более 15 А.

Решение. Число параллельных ветвей в обмотке 2а=2р= 6, при этом а

каждой параллельной ветви Sп = S/(2a) = 36/6 = 6 секций. Следовательно, ЭДС

обмотки якоря Еа = 6*10 = 60 В, а допустимый ток машины Iа = 6*15=90 А.

Если бы машина при прочих неизменных условиях имела восемь полюсов,

то ее ЭДС уменьшилась бы до 40 В, а ток увеличился бы до 120 А.

Рисунок 46 - Электрическая схема обмотки