Лекции / Лекция 27 Конструкция и принцип работы МПТ

Пронумеруем по порядку элементарные пазы (рис. 1.9) и будем считать, что сторона секции, лежащая вверху паза (начало секции), имеет номер паза, а сторона секции, лежащая внизу паза (конец секции), – номер паза со штрихом. Соединение проводников начнем с первого паза. Начало секции, лежащее вверху этого паза, соединяется с концом секции, лежащим внизу пятого паза (1 + 4 = 5). Конец этой первой секции, лежащий внизу пятого паза, соединяется с началом следующей секции, лежащей вверху второго паза (5 3 = 2) и т.д. На рис. 1.9, б приведена схема-развертка этой обмотки.

Обмотка якоря соединяется с коллектором. К каждой коллекторной пластине подходят два вывода: от конца одной секции и от начала следующей за ней секции. Условимся коллекторной пластине присваивать номер той секции, с началом которой она соединена.

Для размещения щеток на коллекторе необходимо знать расположение полюсов. Наметим на рисунке контуры главных полюсов, для чего произвольно разобьем якорь на 2p равных частей (в данном слу-

чае на четыре части). Линии раздела между полюсами являются геометрическими нейтралями ГН, и расстояние между соседними нейтралями равно полюсному делению .

Щетки размещаются на коллекторе таким образом, чтобы они соприкасались с пластинами, к которым подсоединены секции, расположенные вблизи от геометрических нейтралей. При симметричной форме лобовых частей щетки геометрически оказываются расположенными по оси полюсов (по продольной оси d ). Однако и в этом случае говорят, что щетки установлены на геометрической нейтрали, понимая под этим то, что они электрически соединены с секциями, расположенными в нейтрали или вблизи нее. Как видно из рис.1.9, б, некоторые щетки будут перекрывать две соседние коллекторные пластины и замыкать накоротко секцию, подсоединенную к ним. Такие секции называются короткозамкнутыми или коммутируемыми.

При вращении якоря со скоростью va в проводниках его обмот-

ки будет наводиться ЭДС, направление которой показано на рис. 1.9, б стрелками. Электродвижущие силы в проводниках, расположенных под соседними полюсами, имеют противоположные направления вследствие разной полярности полюсов. В короткозамкнутых секциях

ЭДС наводиться не будет, так как стороны этих секций лежат вблизи нейтралей, где индукция магнитного поля практически равна нулю.

Рис. 1.10. Схема образования параллельных ветвей петлевой обмотки, показанной на рис. 1.9, б

По отношению к выводам машины обмотка якоря оказывается разделенной на несколько параллельных ветвей, схема соединения которых показана на рис. 1.10. Сопоставляя рис. 1.10 с рис. 1.9, б, можно обнаружить, что в каждую параллельную ветвь входят секции, начала которых располагаются под одним и тем же полюсом. Поэтому в общем случае число параллельных ветвей обмотки 2a равно числу полюсов 2p машины: 2a 2p. Это соотношение является характер-

ной особенностью петлевых обмоток. В рассмотренном примере

2a 2p 4 .

Сложные петлевые обмотки представляют из себя совокупность m простых петлевых обмоток уложенных в соседних элементарных пазах. Они применяются в случае необходимости увеличения числа параллельных ветвей, число которых будет равно 2a 2pm. При образовании сложной обмотки производится соединение секций, от-

Щетки в случае применения сложной петлевой обмотки выбираются более широкими, чем в случае применения простой петлевой обмотки, так как они должны перекрывать не одну, а минимум m коллекторных пластин.

Если при расчете результирующего шага по этой формуле перед единицей принимается знак минус, то после обхода якоря обмотка не доходит на один паз до исходного (см. рис. 1.11, а), а при знаке плюс переходит ее на один паз (см. рис. 1.11, б). В первом случае обмотка будет неперекрещивающейся, а во втором – перекрещивающейся. Как и для петлевой обмотки для волновой обмотки применяется неперекрещивающийся вариант построения обмотки. Так как число секций равно числу элементарных пазов Zэ S , то результирующий шаг волновой обмотки будет определяться по формуле

показана на рис. 1.12, а, а схема-развертка – на рис. 1.12, б. Расстановка щеток на коллекторе производится так же, как и для петлевых обмоток: щетки должны соприкасаться с пластинами, к которым подсоединяются секции, расположенные на нейтрали или вблизи нее.

По схеме-развертке (рис. 1.12, б) построена схема параллельных ветвей обмотки, представленная на рис.1.13, из которой видно, что обмотка по отношению к выводам машины имеет всего две параллельные ветви – 2a 2 .

По схеме-развертке (рис. 1.12, б) построена схема параллельных ветвей обмотки, представленная на рис.1.13, из которой видно, что обмотка по отношению к выводам машины имеет всего две параллельные ветви 2a 2 .

б

Рис. 1.12. Последовательность соединения проводников (а) и схемаразвертка (б) простой волновой обмотки с Zэ S K 21 и 2p 4

Рис.1.13. Схема образования параллельных ветвей простой волновой обмотки, показанной на рис. 1.12, б

Характерной особенностью волновых обмоток является независимость числа параллельных ветвей от числа полюсов машины. При любом числе полюсов число параллельных ветвей волновой обмотки равно двум. На примере рассмотренной обмотки можно установить, что в одну параллельную ветвь будут включены все секции, начала которых располагаются на полюсных делениях одной полярности, а в другую – все секции, начала которых располагаются на полюсных делениях противоположной полярности.

Так как волновая обмотка имеет две параллельные ветви, то число щеточных болтов в машине может быть уменьшено до двух. Распределение секций по параллельным ветвям в этом случае практически сохраняется таким же, как и при полном комплекте щеток.

Сложные волновые обмотки представляют из себя совокупность m простых волновых обмоток уложенных в соседних элементарных пазах. Они применяются в случае необходимости увеличения числа параллельных ветвей, число которых будет равно 2a 2m. При выполнении такой обмотки после обхода якоря проводник должен подойти не к соседнему с начальным элементарному пазу, а к пазу, отстоящему от него на m элементарных пазов. Поскольку Zэ S , то для сложной волновой обмотки справедливы следующие соотношения

y2 y y1,

y y.к

Щетки в случае применения сложной волновой обмотки выбираются более широкими, чем в случае применения простой волновой обмотки, так как они должны перекрывать не одну, а минимум m коллекторных пластин.

Условия симметрии обмоток. Под симметричной обмоткой якоря понимают такую обмотку, в которой для любого момента времени ЭДС и сопротивления ее параллельных ветвей будут одинаковы. При невыполнении этого условия по обмотке и щеткам будут протекать уравнительные токи, которые увеличивают потери в якоре и могут вызвать нарушение работы щеточного контакта. Условия симметрии можно сформулировать, исходя из следующих соображений.

1. Прежде всего, необходимо, чтобы в каждом реальном пазу якоря находилось одинаковое целое число секционных сторон, т.е.

вей, можно представить состоящей из а включенных параллельно эле-

ментарных машин, каждая из которых имеет две параллельные ветви. Для того чтобы эти а элементарных машин были одинаковы, на каждую из них должно приходиться одинаковое целое число секций, коллекторных пластин и элементарных пазов. Отсюда следует, что

где c2 – целое число.

3. Для симметричного расположения машин в магнитном поле необходимо, чтобы соблюдались условия:

где c3 и c4 – целые числа.

Соотношения (1.7) – (1.9) представляют собой условия симметрии обмоток. В отдельных случаях при проектировании машин постоянного тока возможно некоторое отступление от этих условий.

Уравнительные соединения. Для улучшения работы машин постоянного тока в некоторых типах обмоток якоря применяются

топровода и т. п.) потоки отдельных полюсов не одинаковы. Вследствие этого неодинаковы будут и ЭДС параллельных ветвей. Поэтому внутри обмотки через проводники, соединяющие щетки одноименной полярности, потекут уравнительные токи. Покажем это на примере четырехполюсной машины с петлевой обмоткой на якоре (рис. 1.14).

Предположим, что воздушный зазор под верхними полюсами больше, чем под нижними. Тогда потоки этих полюсов будут меньше потоков нижних полюсов из-за большего магнитного сопротивления. Следовательно, ЭДС параллельных ветвей E1 и E2 будут меньше

ЭДС параллельных ветвей E3 и E4 . Между щетками положительной полярности возникнет разность потенциалов, что приведет к появлению уравнительного тока Iур , замыкающегося через провод, соеди-

няющий щетки одинаковой полярности, сами щетки и обмотку якоря. Уравнительный ток будет вызывать дополнительные электрические потери в обмотке якоря, уменьшение КПД и повышение нагрева машины. Кроме того уравнительный ток, суммируясь с током нагрузки в отдельных щетках, может вызвать их искрение. Поскольку сопротивление обмотки якоря относительно мало, уравнительный ток может достигать значительной величины, даже при небольшой разности ЭДС параллельных ветвей. Для уменьшения этих отрицательных последст-

вий и применяют уравнительные соединения первого рода. Уравнительное соединение представляет собой проводник, со-

единяющий внутри обмотки проводники или секции, ЭДС которых теоретически должна быть одинаковой. Это – проводники (или секции), находящиеся в одинаковых условиях в магнитном отношении, т.е. в точках с равной магнитной индукцией. Эти проводники (секции) должны быть сдвинуты по отношению друг к другу на два полюсных деления или на один период поля возбуждения. На рис. 1.14. показано одно из уравнительных соединений. Так как его сопротивление делают значительно меньше переходного сопротивления щеточного контакта, то уравнительный ток будет замыкаться по нему и по обмотке, не проходя через щетки и коллектор.

Максимальное число уравнительных соединений первого рода

равно

nур.max K S Zэ

p p p

и каждое из них будет соединять p проводников (секций), имеющих теоретически равные ЭДС. Максимальное число уравнительных соединений nур.max выполняют обычно только в мощных высокоисполь-

зованных машинах. Место присоединения уравнительных соединений выбирают либо на коллекторе, либо в середине лобовых частей со стороны якоря, противоположной коллектору. Расстояние между точками присоединения уравнительных соединений шагом yур . Этот шаг равен

В простых волновых обмотках необходимость в применении уравнительных соединений первого рода отпадает, поскольку в каждой параллельной ветви находятся секции, расположенные под всеми полюсами. Поэтому возможная магнитная асимметрия не сказывается на равенстве ЭДС двух параллельных ветвей простой волновой обмотки.

Уравнительные соединения второго рода. Как отмечалось, m простых обмоток, составляющих одну сложную, электрически соединены параллельно с помощью щеток. Если переходное сопротивление между щеткой и отдельными коллекторными пластинами, к которым подсоединены m простых обмоток, будут различны, то ток нагрузки распределится между этими обмотками неравномерно. Это, в свою очередь, приведет к неравномерному распределению напряжений между соседними коллекторными пластинами и появлению искрения.

Для устранения этих явлений применяются уравнительные соединения второго рода. С их помощью соединяют проводники (секции), принадлежащие m разным простым обмоткам и имеющие теоретически одинаковую ЭДС. При наличии этих соединений ток между простыми обмотками распределяется равномерно вне зависимости от состояния переходных сопротивлений.

Электродвижущая сила обмотки якоря. При холостом ходе машины, когда ток в якоре Ia равен нулю, магнитный поток создается

только обмоткой возбуждения. Поскольку воздушный зазор между якорем и полюсным наконечником мал, то бoльшая часть потока будет замыкаться под полюсным наконечником.

На рис. 1.15 (кривая 1) показано распределение магнитной индукции B (x) на полюсном делении при неизменном воздушном зазоре между якорем и полюсным наконечником. В этом случае маг-