Волновые обмотки якоря

Простая волновая обмотка. Простую волновую обмотку полу­чают при последовательном соединении секций, находящихся под разными парами полюсов (рисунок 15). Концы секций простой волновой обмотки присоединены к коллекторным пластинам, уда­ленным друг от друга па расстояние шага обмотки по коллекто­ру у_к = у. За один обход по якорю укладывают столько секций, сколько пар полюсов имеет машина, при этом конец последней по обходу секции присоединяют к пластине, расположенной ря­дом с исходной.

Простую волновую обмотку называют левоходовой, если ко­нец последней по обходу секций присоединяется к пластине, находящейся слева от исходной (рисунок 15, а). Если же эта плас­тина находится справа от исходной, то обмотку называют правоходовой (рисунок 15,б). Секции волновой обмотки могут быть од-новитковыми и многовитковыми. Шаг простой волновой обмотки по коллектору

у_к= у=( К± 1)=( К±1)/р (6)

Знак минус соответствует левоходовой обмотке, а знак плюс правоходовой. Правоходовая обмотка не получила прак­тического применения, так как ее выполнение связано с дополни­тельным расходом меди на перекрещивание лобовых частей.

Первый частичный шаг обмотки определяют по (3), а второй частичный шаг у₂ = у — у₁.

Пример 3. Четырехполюсная машина постоянного тока имеет простую волновую обмотку якоря из 13 секций. Построить развернутую схему и схему параллельных ветвей этой обмотки.

Решение. Шаги обмотки: у_к= у = (К ±1)/р = (13 — 1)/2 = 6 пазов; у₁= [Z_э,/(2р)]± ε = 13/4 - 0,25 = 3паза; у₂=у- у₂, = 6-3 = 3паза.

При первом обходе по якорю укладываем секции 1 и 7 (рисунок 15, в). При втором обходе укладываем секции 13 к 6 и т. д., пока не будут уложены все 13 секций и обмотка не ока­жется замкнутой. Секции 3, 6 и 9 в рассматриваемый момент времени замкнуты накоротко через щетки одинаковой полярности и провода, соединяющие их. Затем определяем полярность ще­ток. Далее выполняем электрическую схему (схему параллельных ветвей), из которой видно (рисунок 16), что обмотка состоит из двух параллельных ветвей (2а = 2). Это является характерным для простых волновых обмоток, у которых число параллельных ветвей не зависит от числа полюсов и всегда равно двум.

Рисунок 15 - Простая волновая: а – правоходовая; б – левоходавая; в – развернутая.

Рисунок 16 - Электрическая схема обмотки

Из рассмотренных схем видно, что секции, входящие в одну параллельную ветвь, равномерно распределены под всеми полю­сами машины. Следует также отметить, что в простой волновой обмотке можно было бы обойтись двумя щетками, например щет­ками В₂ и А₂. Но в этом случае нарушилась бы симметрия обмотки и число секций в параллельных ветвях стало бы неоди­наковым: в одной ветви семь секций, а в другой — шесть. Поэто­му в машинах с простыми волновыми обмотками устанавливают полный комплект щеток, столько же, сколько главных полюсов, тем более что это позволяет уменьшить значение тока, приходя­щегося на каждую щетку, а следовательно, уменьшить размеры коллектора.

Тема: Реакция якоря машины постоянного тока

Приработе машины в режиме х.х. ток в обмотке якоря практически отсутствует, а поэтому в машине действует лишь МДС обмотки возбуждения FВ0. Магнитное поле машины в этом случае симметрично относительно оси полюсов (рисунок 17,а). График распределения магнитной индукции в воздушном зазоре представляет собой кривую, близкую к трапеции.

Если же машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток, который создаст в магнитной системе машины МДС якоря F_a. Допустим, что МДС возбуждения равна нулю и в машине дей­ствует лишь МДС якоря. Тогда магнитное поле, созданное этой МДС, будет иметь вид, представленный на рисуноке 17, б. Из этого рисунка видно, что МДС обмотки якоря направлена по линии щеток (в данном случае по геометрической нейтрали). Несмотря на то, что якорь вращается, пространственное положение МДС обмотки якоря остается неизменным, так как направление этой МДС определяется положением щеток.

Наибольшее значение МДС якоря — на линии щеток (рисунок 17,б кривая 1), а по оси полюсов эта МДС равна нулю. Однако распределение магнитной индукции в зазоре от потока якоря совпадает с графиком МДС лишь в пределах полюсных наконечников. В межполюсном пространстве магнитная индукция резко ослабляется (рисунок 17,б кривая 2). Объясняется это увеличением магнитного сопротивления потоку якоря в межпо­лосном пространстве. МДС обмотки якоря "на пару полюсов пропорциональна числу проводников в обмотке N и току якоря Ia:

F_a= NI_a /(4ap) (7)

Введем понятие линейной нагрузки (А/м), представляющей собой суммарный ток якоря, приходящийся на единицу длины его окружности по наружному диаметру якоря D_a:

А = Nia/( D_a), (8)

где i_a = la/(2a) — ток одного проводника обмотки, А.

Значение линейной нагрузки для машин постоянного тока об­щего назначения в зависимости от их мощности может быть (100ч 500) 10² А/м. Воспользовавшись линейной нагрузкой, запишем выражение для МДС якоря: F_a = A . Таким образом, в нагружен­ной машине постоянного тока действуют две МДС: возбуждения Fв0 и якоря F_a.

Влияние МДС обмотки якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Реакция якоря искажает магнитное поле машины, делает его несимметричным относительно оси полюсов.

Рисунок 17 - Магнитное поле машины и распределение магнитной индукции в воздушном зазоре

На рисунке 17, в показано распределение магнитных силовых линий результирующего поля машины, работающей в генератор­ном режиме при вращении якоря по часовой стрелке. Такое же распределение магнитных линий соответствует работе маши­ны в режиме двигателя, но при вращении якоря против часовой стрелки. Если принять, что магнитная система машины не насыщена, то реакция якоря будет лишь искажать результи­рующий магнитный поток, не изменяя его значения: край полюса и находящийся по ним зубцовый слой якоря, где МДС якоря совпадает по направлению с МДС возбуждения, подмагничиваются; другой край полюса и зубцовый слой якоря, где МДС направлена против МДС возбуждения, размагничиваются. При этом результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси главных полюсов на некоторый угол, а физи­ческая нейтраль mm' (линия, проходящая через точки на якоре, в которых индукция равна нулю) смещается относительно гео­метрической нейтрали nn' на угол . Чем больше нагрузка машины, тем сильнее искажение результирующего поля, а сле­довательно, тем больше угол смещения физической нейтрали.

При работе машины в режиме генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а при работе дви­гателем - против вращения якоря.

Искажение результирующего поля машины неблагоприятно отражается на ее рабочих свойствах. Во-первых, сдвиг физи­ческой нейтрали относительно геометрической приводит к более тяжелым условиям работы щеточного контакта и может послу­жить причиной усиления искрения на коллекторе. Во-вторых, искажение результирующего поля машины влечет за собой перераспределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины. На рисунке 17, в показан график распределения результирующего поля в зазоре, полученный совмещением кри­вых, изображенных на рисунке 17 , а, б. Из этого графика следует, что магнитная индукция в зазоре машины распределяется не­симметрично относительно оси полюсов, резко увеличиваясь под подмагниченными краями полюсов. Это приводит к тому, что мгновенные значения ЭДС секций обмотки якоря в моменты попадания их пазовых сторон в зоны максимальных значений магнитной индукции (под подмагниченные края полюсных нако­нечников) резко повышаются. В результате возрастает напря­жение между смежными коллекторными пластинами U_к. При значительных нагрузках машины напряжение U_K может превзой­ти допустимые пределы и миканитовая прокладка между смежными пластинами будет перекрыта электрической дугой. Имеющиеся на коллекторе частицы графита будут спо­собствовать развитию электрической дуги, что приведет к возник­новению мощной электрической дуги, перекрывающей весь кол лектор или значительную его часть, - явления чрезвычайно опасного.

Таковы последствия влияния реакции якоря на машину с ненасыщенной магнитной системой. Если же магнитная система машины насыщена, что имеет место у большинства элек­трических машин, то подмагничивание одного края полюсного наконечника и находящегося под ним зубцового слоя якоря происходит в меньшей степени, чем размагни­чивание другого края и находящегося под ним зубцового слоя якоря происходит в меньшей степени, чем размагничивание другого края находящегося под ним зубцового слоя якоря.

Это благоприятно ска­зывается на распреде­лении магнитной индук­ции в зазоре, которое становится более рав­номерным, так как мак­симальное значение ин­дукции под подмагничиваемым краем полюс­ного наконечника умень­шается на величину,определяемую высотой участка 1 на рисунке 17, в. Однако резуль­тирующий магнитный поток машины при этом уменьшается. Таким образом, реакция якоря в машине с насыщенной магнитной системой размагничивает машину (так же как и у синхронной ма­шины при активной нагрузке). В результате ухудшаются рабочие свойства машины: у генераторов снижается ЭДС, у двигателей уменьшается вращающий момент.

Рисунок 18 - Разложение МДС обмотки якоря на продольную и поперечную составляющие

Влияние реакции якоря на работу машины усиливается при смещении щеток с геометрической нейтрали. Объясняется это тем, что вместе со щетками смещается и вектор МДС якоря (рисунок 18, а). При этом МДС якоря F_a помимо поперечной составляющей Faq = Fa cos приобретает и продольную состав­ляющую Fad = F_a sin , направленную по оси полюсов. Если машина работает в генераторном режиме, то при сме­щении щеток в направлении вращения якоря продольная со­ставляющая МДС якоря действует встречно МДС обмотки воз­буждения Fво, что ослабляет основной магнитный поток машины; при смещении щеток против вращения якоря продольная состав­ляющая МДС якоря Fad действует согласованно с МДС F_b0, что вызывает некоторое подмагничивание машины и может явиться причиной искрения на коллекторе. Если машина работает в двигательном режиме, то при смещении щеток по направлению вращения якоря продольная составляющая МДС якоря F_ad подмагничивает машину, а при смещении щеток против вращения якоря продольная состав­ляющая Fad размагничивает машину. При дальнейшем рассмотрении вопросов, связанных с действием продольной составляю­щей МДС якоря, будем иметь в виду лишь ее размагничиваю­щее действие, так как подмагничивающее действие Fad в машинах постоянного тока общего назначения недопустимо из-за нару­шения работы щеточного контакта.

Следует обратить внимание на то, что смещение щеток с гео­метрической нейтрали влияет и на поперечную составляющую

МДС якоря - величину, зависящую от угла , c ростом которого она уменьшается (F_aq = F_acosfi). Таким образом, в коллекторных машинах возможны два случая:

1) щетки установлены на геомет­рической нейтрали и реакция якоря является только поперечной;

2) щетки смещены с геометрической нейтрали и реакция якоря имеет две составляющие — поперечную и продольную (размагни­чивающую). Принципиально также возможен случай, когда реак­ция якоря по поперечной оси отсутствует. Это имеет место, когда щетки расположены по оси, перпендикулярной геометрической нейтрали, т. е. когда = 90° (рисунок 18, б). Однако такой случай не имеет практического применения, так как машина становится неработоспособной: в генераторном режиме ЭДС машины равна нулю, так как в параллельную ветвь обмотки входит равное число секций со встречным направлением ЭДС, а в двигательном режиме электромагнитные силы активных сторон обмотки якоря, дейст­вующие слева и справа от оси щеток, равны и противоположно направлены, а поэтому вращающего момента не создают.