Якорные обмотки машин постоянного тока. Общие сведения о якорных обмотках МПТ

Г Л А В А ТРЕТЬЯ ЯКОРНЫЕ ОБМОТКИ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА. 3.1 Общие сведения о якорных обмотках МПТ Устройство обмоток. Обмотка якоря должна удовлетворять следующим требованиям: - обмотка должна быть рассчитана на заданные значения напряжения и тока нагрузки, соответствующие номинальным значениям; - обмотка должна иметь необходимую электрическую, механическую и термическую прочность, соответсвующую достаточно продолжительный срок службы машины (до 15-20 лет); - конструкция обмотки должна обеспечивать удовлетворительные условия токосъема с коллектора, без вредного искрения; - расход материала при заданных эксплуатационных показателях (кпд и др.) должен быть минимальным; - технология изготовления обмотки должна быть по возможности простой. В современных МПТ якорная обмотка укладывается в пазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки называются барабанными. Обмотки якорей подразделяются на петлевые и волновые. Существуют также обмотки, которые представляют собой сочетание этих двух обмоток. Основным элементом каждой обмотки якоря является секция, которая состоит из одного или некоторого числа последовательно соединенных витков и присоединена своими концами к коллекторным пластинам (рис.3.1, рис.3.2). В обмотках обычно все секции имеют одинаковое число витков. На схемах обмоток секции для простоты изображаются всегда одновитковыми. wc = 1 wc = 2 Рис. 3.1. wc = 1 wc = 2 Рис. 3.2. Для удобного расположения выходящих из пазов лобовых частей обмотки якоря выполняются двухслойными. При этом в каждом пазу секции располагаются в два слоя (рис.3.3): одна сторона каждой секции – в верхнем слое одного паза, а другая - в нижнем слое другого паза. На схемах обмоток стороны секций, находящиеся в верхнем слое, изображаются сплошными линиями, а стороны, расположенные в нижнем слое, штрихованными линиями (рис.3.4). 1 2 Рис. 3.3. б а н к к н Рис. 3.4. к н к н Секции обмотки соединяются друг с другом в последовательную цепь (рис.3.4) таким образом, что начало (н) последующей секции присоединяется вместе с концом (к) предыдущей секции к общей коллекторной пластине. Поскольку каждая секция имеет 2 конца и к каждой коллекторной пластине присоединены также 2 конца секций, то общее число пластин коллектора К равно числу секций обмоток S: К=S. Обычно в каждом слое паза располагаются рядом несколько (uп=2,3,4) секционных сторон (на рис.3.3 uп=3). При этом K=S=uпZ. В данном случае говорят, что в каждом реальном пазу имеется uп элементарных пазов. Когда uп > 1, либо все секции имеют равную ширину (рис.3.5а), либо же часть секций имеет меньшую, а часть – большую ширину (рис.3.5б). В первом случае обмотка называется равносекционной, а во втором – ступенчатой. При ступенчатой обмотке условия токосъема с коллектора улучшаются, однако эта обмотка сложнее и дороже и поэтому применяется реже, притом только в МПТ большой мощности (Р > 500 кВт). б а Рис. 3.5. В равносекционных обмотках стороны секций, которые лежат рядом в общих пазах, объединяются в катушку (рис.3.6) и имеют общую изоляцию от стенок паза. 3.2. ЭДС секций Будем считать, что ЭДС в проводниках обмотки будут направлены под северными полюсами вниз, а под южными – вверх. Индуктируемая в секции ЭДС максимальна, если ширина секции (или первый частичный шаг обмотки у1) равна полюсному делению, т.к. при этом максимальное потокосцепление секции определяется полным потоком полюса в воздушном зазоре (рис.3.7). В данном случае при любом положении вращающего якоря стороны секции находятся под разноименными полюсами и в них индуктируются ЭДС противоположных направлений, которые по контуру секции складываются.   n а y1 =  S y1 =  N б B B   Рис. 3.7 Тем не менее, обычно обмотка выполняется с у1 несколько отличающимся от значения полюсного деления, т.к при этом ЭДС существенным образом не изменяется, а условия токосъема с коллектора улучшаются. При y 1  шаг называется полным или диаметральным, при y 1   - удлиненным, а при y 1   - укороченным. Шаг секции определяется по элементарным пазам: y1  Zэ  2 p где  - представляет собой дробь, при которой у1 будет целым числом. При  =0 шаг является полным. 3.3. Простая петлевая обмотка На рис.3.8 представлены два возможных варианта последовательного соединения секций простой петлевой обмотки. Первый частичный шаг у1 определяет расстояние по поверхности якоря между начальной и конечной сторонами секции. Второй частичный шаг у2 определяет расстояние между конечной стороной секции и начальной стороной следующей за ней по схеме обмотки секции. Результирующий шаг у обмотки определяет расстояние между начальными сторонами данной и следующей за ней секцией. а y1 y б y y2 y1 y2 Рис. 3.8. Линия на поверхности якоря, проходящая в осевом направлении посередине между двумя соседними полюсами, называется линией геометрической нейтрали или геометрической нейтралью, т.к. вдоль этой линии магнитная индукция равна нулю В=0. Характерной особенностью простой петлевой обмотки является: 2р = 2а Если обмотка имеет полный шаг и щетки установлены на нейтрали, то ЭДС ветви будет наибольшей. Кроме того, при этом направления токов всех проводников, лежащих под одним полюсом, будут одинаковы, и поэтому развиваемый электромагнитный момент будет максимальным. Следовательно, такое устройство обмотки и такое расположение щеток является наиболее выгодными. 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 направления тока, от значения +ia до значения –ia. Это явление называется коммутацией секции. Явления в короткозамкнутой секции влияют на значения токов в щеточном контакте и на работу щеток. Совокупность явлений, связанных с замыканием секций накоротко щетками, переходом этих секций из одних параллельных ветвей обмотки в другие и передачей тока через скользящий контакт между коллектором и щеткой, называется коммутацией машины. Иногда применяют сложную петлевую обмотку, являющуюся сочетанием нескольких (m =2,3, …) простых петлевых обмоток. Число параллельных ветвей сложной петлевой обмотки 2а = 2pm 3.5. Простая волновая обмотка Простая волновая обмотка изображена на рис.3.9. Обходя последовательно соединенные секции простой волновой обмотки, мы совершаем волнообразный обход якоря, причем каждый обход включает р секций и заканчивается на коллекторной пластине, которая находится слева или справа рядом с исходной. В первом случае (рис.3.9а) получается неперекрещенная обмотка, а во втором (рис.3.9б) – перекрещенная. Простая волновая обмотка имеет число параллельных ветвей 2а = 2 а y1 y2 y yк б y1 y2 y yк Рис. 3.9. 3.6. Сложная волновая обмотка Сложную волновую обмотку можно рассматривать как сочетание m простых волновых обмоток, которые включаются на параллельную работу с помощью щеток. Число параллельных ветвей такой обмотки соответственно в m раз больше числа ветвей простой волновой обмотки: 2a = 2m. 3.7. Комбинированная обмотка Комбинированная, или лягушечья, обмотка 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, а их ЭДС должны быть равны. Таким образом, каждая обмотка рассчитывается на половину мощности машины.