6.3. Обмотки якорей машин постоянного тока
Обмотка якоря должна удовлетворять следующим требованиям:
- быть рассчитана на напряжение и токи нагрузки, соответствующие номинальной мощности машины;
- иметь необходимую электрическую, механическую и термическую стойкость;
- иметь конструкцию, обеспечивающую удовлетворительные условия токосъема с коллектора;
- соответствовать минимальному расходу материала при заданных показателях работы машины;
- технология изготовления обмотки должна быть по возможности простой.
О
бычно
обмотки якоря выполняют
двухслойными. При этом одна активная
сторона находится в нижнем слое одного
паза, а другая – в верхнем слое другого
паза. Различают петлевые и волновые
обмотки якоря (рис. 6.12). В машинах большой
мощности применяют обмотки, представляющие
сочетание петлевой и волновой обмоток.
Основной частью каждой обмотки является
секция, состоящая из одного или нескольких
последовательно соединенных витков.
Концы секции присоединены к «петушкам»
коллекторных пластин. Две стороны разных
секций, располагаются одна над другой
и образуют элементарный паз. Число
пластин коллектора
равно числу секций обмотки
и числу пазов
.
Число коллекторных пластин по возможности
должно быть большим для уменьшения
пульсаций тока и эдс. При этом уменьшается
разность потенциалов между ними.
Практически в низковольтных машинах
постоянного тока имеет место отношение
.
Однако, при изготовлении якорей с большим
числом
пазы получаются узкими, снижается их
прочность. Изоляция обмоток занимает
значительную часть сечения паза,
уменьшается сечение проводников. Это
ведёт к снижению мощности машины и ее
удорожанию. Во избежание этого в каждом
слое паза размещают рядом несколько
элементарных пазов
.
В каждом слое элементарного паза
располагается одна секционная сторона
(рис. 6.13). Общее число элементарных пазов
якоря определяется выражением
.
(6.3)
Пазовые стороны секций расположены в пазах сердечника якоря. Расстояние между пазовыми сторонами секции примерно равно полюсному делению
,
(6.4)
г
де
–
диаметр сердечника якоря.
Секции
обмоток якоря соединёны последовательно
друг с другом и образуют замкнутую на
себя цепь (рис. 6.14). В этом случае обмотка
имеет одну пару (
)
параллельных ветвей. Машина может иметь
Для обеспечения наилучших условий
работы требуется, чтобы эдс всех ветвей
обмотки и их сопротивления были равны.
В этом случае токи всех параллельных
ветвей также будут равны
.
(6.5)
О
бмотка
якоря считаются симметричной, если
симметрична магнитная цепь и все пары
параллельных ветвей располагаются в
магнитном поле идентичным образом. При
нарушении указанных требований разные
ветви обмотки нагружаются различными
по значению токами. Это вызывает нарушение
работы щеточных контактов и рост потерь
в обмотке.
На схемах обмоток стороны секций, находящиеся в верхнем слое, изображаются сплошными линиями, а стороны, расположенные в нижнем слое, – штриховыми линиями. В простой волновой обмотке (рис. 6.15) концы каждой секции присоединены к пластинам коллектора. Пластины находятся на расстоянии, которое называется шагом обмотки по коллектору
.
(6.6)
В
схеме рис. 6.15
– первый частичный шаг, который определяет
расстояние по поверхности якоря между
начальной и конечной сторонами секции.
Второй частичный шаг
определяет расстояние между конечной
стороной данной секции и начальной
стороной следующей за ней секции.
Результирующий шаг обмотки
.
Число параллельных ветвей
.
В
простой петлевой обмотке (рис. 6.16) каждая
секция присоединена к двум рядом лежащим
коллекторным пластинам. Результирующий
шаг обмотки
.
Шаг обмотки по коллектору
.
Число параллельных ветвей равно числу
полюсов
[1].
Э
дс,
наводимые во всех параллельных ветвях
петлевой обмотки, должны быть равны.
Однако, из-за технологических допусков
в величинах воздушного зазора под
разными полюсами, дефектов литья в
корпусе и других причин магнитные потоки
отдельных полюсов различаются между
собой. При этом в параллельных ветвях
индуцируются неодинаковые эдс. Эти эдс
могут оказаться достаточными для того,
чтобы по параллельным ветвям протекали
уравнительные токи. Из-за малого
сопротивления обмотки якоря они
оказываются значительными, даже на
холостом ходу машины. Уравнительные
токи нагружают щетки и вызывают искрение
на коллекторе. Поэтому в петлевых
обмотках выполняются уравнительные
соединения точек обмотки, которые имеют
теоретически равные потенциалы.
Уравнительные соединения располагают
обычно под лобовыми частями обмотки
рядом с коллектором. При этом они
находятся вне магнитного поля главных
полюсов и эдс в них не наводятся. Токи,
проходящие по уравнительным соединениям,
создают магнитодвижущие силы, которые
уменьшают неравенство магнитных потоков
отдельных полюсов.
Схема простой петлевой обмотки показана на рис. 6.17 [19].
Уравнительные соединения для простой волновой обмотки не требуются. У таких обмоток в каждую параллельную ветвь входят секции, стороны которых расположены под всеми полюсами. При этом неравенство потоков отдельных полюсов не вызывает неравенства эдс в параллельных ветвях. Схема простой волновой обмотки показана на рис. 6.18 [19].
Простые петлевые обмотки применяются в машинах с мощностями 50 – 500 кВт при напряжении до 440 В и большой мощности при напряжении до 600 В. При этом уменьшается величина тока в параллельной ветви. В мощных машинах этот ток не должен превышать определенных значений. При этом по (6.5) с увеличением мощности и тока машины увеличивают число полюсов. Простые волновые обмотки используются в машинах малой и средней мощности (до 200 – 300 кВт) при напряжениях 750 В и выше. В машинах мощностью более 1000 кВт применяют сложные петлевые и волновые обмотки, а также обмотки комбинированного типа [9].