Применение петлевой и волновой обмотки.

Каждая из обмоток – петлевая и волновая – имеет свои преимущества. При одном и том же числе проводников в обмотке якоря и числе полюсов простая петлевая обмотка будет иметь в р раз больше параллельных ветвей, чем волновая. Она может пропускать значительно больший ток I_я=2аi_я, чем волновая обмотка (здесь i_я – ток в параллельной ветви) (рис. 5.13). Число же витков в каждой параллельной ветви при петлевой обмотке в р раз меньше, чем при волновой. Так как напряжение машины определяется числом последовательно включённых витков с каждой параллельной ветви, то в машине с петлевой обмоткой напряжение будет в р раз меньше, чем с волновой обмоткой.

Рисунок 5.13. Схема параллельных ветвей в четырёхполюсной машине при петлевой (а) и волновой (б) обмотках:

1 – коллекторные пластины; 2 – секции обмотки

В машинах, работающих при высоких напряжениях, целесообразно применять волновую обмотку (на электровозах, электропоездах, которые рассчитаны для работы при напряжении 1500 – 3000 В). В машинах, работающих при больших токах, применяют петлевую обмотку (тяговые двигатели электровозов и тепловозов). Машины постоянного тока небольшой мощности обычно выполняют двухполюсными. При двух полюсах петлевая и волновая обмотки не различаются.

Назначение коллектора в генераторе.

В простейшем генераторе (рис. 5.14) при вращении витка в магнитном поле его рабочие (активные) стороны 1 и 2 пересекают магнитные силовые линии. В них индуцируется э.д.с. Если к кольцам, к которым припаяны концы витка, присоединить внешнюю цепь с некоторым приёмником электрической энергии, то по нему пойдёт переменный ток i. Участки 3 и 4 витка являются нерабочими, т.к. не пересекают магнитных силовых линий и в создании э.д.с. не участвуют. Эти участки витка называют лобовыми частями. В положении, показанном на рис. 5.14.а, виток не пересекает силовых линий магнитного поля, э.д.с. в нём не индуцируется и тока нет.

При повороте витка по часовой стрелке на 90° (рис. 5.14.б) обе стороны его будут

Рисунок 5.14. Процесс индуцирования э.д.с. в простейшем электрическом генераторе при наличии на нём коллектора (а-г) и график изменения его напряжения u и тока i во внешней цепи (д)

пересекать магнитное поле, при этом в активных сторонах 1 и 2 индуцируется э.д.с. е и по витку и внешней цепи начинает проходить ток i. Применяя правило правой руки, устанавливаем, что э.д.с., индуцированная в стороне 1 витка, будет направлена от нас, а в стороне 2 – к нам. То есть во внешней цепи ток пойдёт от щётки А, имеющей положительный потенциал, к щётке Б с отрицательным потенциалом.

В положении, показанном на рис. 5.14.в, виток не пересекает силовые линии поля, поэтому э.д.с. и ток уменьшаются до нуля.

При повороте витка на 270° (рис. 5.14.г) под северный полюс подходит сторона 2 витка, а под южный – сторона 1. Поэтому направление э.д.с. в рабочих сторонах 1 и 2 изменяется на противоположное по сравнению с направлением его в положении, показанном на рис. 5.15.б. В результате изменяются полярность щёток А и Б и направление тока i во внешней цепи.

Как следует из закона электромагнитной индукции, значение индуцированной э.д.с. е пропорционально числу силовых магнитных линий, пересекаемых сторонами витка в единицу времени. При перемещении рабочих сторон витка под полюсами э.д.с. е, напряжения u, действующие между щётками А и Б, и ток i будут иметь некоторые постоянные значения (рис. 5.14.б). При переходе от одного полюса к другому направления е, u и i будут изменяться.

Для получения во внешней цепи постоянных по направлению э.д.с., напряжения и тока в простейшем генераторе виток присоединяют не к двум кольцам, как показано на рисунке 5.14, а к одному кольцу, разрезанному на две изолированные одна от другой части. Начало от витка присоединяют к одной половине кольца, конец – к другой (рис.5.15). Такую конструкцию называют коллектором, а отдельные изолированные части его (в данном случае полукольца) – коллекторными пластинами.

В положении, показанном на рис. 5.15.а, э.д.с. в витке не индуцируется и тока в цепи нет. При повороте витка на 90° (рис. 5.15.б) в его рабочих сторонах 1 и 2 индуцируется э.д.с е и во внешней цепи начинает проходить ток i от щётки Б к щётке А. В положении, показанном на рисунке 5.15.в., э.д.с. в витке не индуцируется и ток во внешней цепи равен нулю.

При повороте витка на 270° (рис. 5.15.г) направление э.д.с. в рабочих сторонах 1 и 2 витка изменяется по сравнению с положением, показанным на рис. 5.15.б. Однако направление тока во внешней цепи остаётся неизменным, т.к. одновременно с поворотом витка меняются местами и коллекторные пластины, вследствие чего к щётке Б подходит пластина, связанная со стороной 2 витка, а к щётке А – пластина, связанная со стороной 1. Потенциалы щёток, т.е. напряжение u, сохранятся такими же, как на рис. 5.15.б, и ток i во внешней цепи будет протекать в прежнем направлении.

Таким образом, при замене двух контактных колец двумя изолированными одна от другой коллекторными пластинами происходит выпрямление напряжения u, действующего между щётками А и Б, а следовательно, и тока i во внешней цепи. Характер изменения напряжения u на щётках и тока i поясняется на рис. 5.15.д. Напряжение и ток получаются постоянными по направлению, но переменными по значению. Такой ток и напряжение называются пульсирующими.

Рисунок 5.15. Процесс индуцирования э.д.с. в простейшем электрическом генераторе (а - г) и кривые изменения э.д.с. е в проводниках обмотки якоря, напряжения u и тока i (д) во внешней цепи

Пульсирующий ток мало пригоден для практических целей. Для сглаживания пульсации в обмотке якоря увеличивают число витков и соответственно, число коллекторных пластин.

Для лучшего использования обмотки якоря 1 (рис. 5.16) отдельные витки соединяют друг с другом последовательно. К каждой коллекторной пластине 2 присоединяют конец предыдущего и начало следующего витка. В результате получают замкнутую обмотку (рис. 5.16.а). При вращении якоря между любыми точками такой обмотки, например, между а и б (рис. 5.16.б) действует переменная э.д.с. е_аб. Однако во внешней цепи между неподвижными щётками А и Б действует постоянная по направлению и значению э.д.с. Е, равная сумме э.д.с., индуцированных во всех последовательно соединённых витках якоря, расположенных между этими щётками.

Рисунок 5.16. Схемы подключения обмотки якоря к пластинам коллектора

Следовательно, коллектор осуществляет преобразование изменяющихся э.д.с. и тока в обмотке якоря в постоянные по величине и направлению э.д.с. и ток, действующие во внешней цепи, т.е. работает в качестве механического выпрямителя.

Чем больше витков в обмотке якоря и коллекторных пластин, тем меньше пульсируют э.д.с. и ток. Полностью освободиться от пульсации невозможно. Для большей части электрических потребителей эти пульсации не играют никакой роли и не отражаются на их работе.

Назначение коллектора в электродвигателе.

Электродвигатель питается от сети постоянного напряжения и к его якорю подаётся постоянный ток. По проводникам же обмотки якоря протекает переменный ток. Следовательно, в электродвигателе коллектор работает в качестве механического преобразователя постоянного тока в переменный, обеспечивая питание обмотки якоря переменным током от внешнего источника постоянного тока.

При вращении якоря проводники его обмотки перемещаются под полюсами машины, переходя от северного полюса к южному, затем снова к северному и т.д. Переход должен сопровождаться изменением направления тока в проводниках, чтобы электромагнитный момент машины действовал всё время в одном и том же направлении.

Благодаря коллектору по всем проводникам, расположенным под северным полюсом, ток проходит в одном направлении, а по проводникам, расположенным под южным полюсом, - в другом. При возвращении якоря проводники меняются местами (переходят под полюсы другой полярности), направление тока в них также меняется на противоположное.

Рисунок 5.17. Распределение тока по проводникам обмотки якоря при его вращении

Например, в положении, показанном на рисунке 5.17.а, ток i проходит по витку 1. Возникающий при этом электромагнитный момент М направлен по часовой стрелке. Когда виток 1 в процессе поворота якоря займёт положение, показанное на рис. 5.17.б, коллекторные пластины, к которым присоединён этот виток, выйдут из-под щёток, и ток перестанет проходить по витку 1. Однако под щётками окажется вторая пара коллекторных пластин, соединённых с витком 2, и ток начнёт проходить по этому витку. Электромагнитный момент М будет действовать в том же направлении, что и при положении якоря, показанном на рисунке 5.17.а. при повороте каждого витка на 180° всё повторится, когда рабочие стороны витка перейдут под полюсы другой полярности.

Реакция якоря.

Рис.5.18. Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока

а) от обмотки возбуждения; б) от обмотки якоря; в) результирующее

Вредные последствия реакции якоря:

1. Физическая нейтраль б-б (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали а-а на некоторый угол, что ухудшает коммутацию машины и приводит к искрению под щётками.

2. Результирующий магнитный поток Ф_рез при насыщении магнитной цепи уменьшается, т.е. уменьшается и э.д.с., индуцированная при нагрузке, по сравнению с э.д.с. при холостом ходе.

3. В кривой распределения результирующей индукции в воздушном зазоре возникают пики индукции В_мах под краями главных полюсов, способствующие образованию в машине кругового огня.

Уничтожение магнитного потока реакции якоря достигается с помощью компенсационной обмотки, уложенной в пазах сердечника главных полюсов и соединенной последовательно с обмоткой якоря. Эта обмотка создает магнитный поток, направленный против магнитного потока реакции якоря.

Контрольные вопросы

1. Из каких основных частей состоит машина постоянного тока?

2. Каково назначение и устройство коллектора?

3. Каково назначение щёток?

4. Что такое полюсный наконечник?

5. Какие элементы конструкции составляют магнитную систему машины?

6. Каково назначение полюсного наконечника?

7. Что такое реакция якоря?

8. Как реакция якоря влияет на работу машин постоянного тока?

9. Как уменьшить влияние якоря?