14.3. Обмотки якорей машин постоянного тока

Современные электрические машины имеют барабанный якорь с об­моткой, проводники которой укладываются в пазы, имеющиеся на его внешней поверхности. Обычно проводники обмотки укладывают в два слоя и проводники, расположенные в пазах, называютактивными. Два активных проводника, соединенные между собой, образуют виток. Обмотка якоря состоит из отдельных секций, состоящих из одного или нескольких последовательно соединен­ных витков. Начало и конец секции присоединяют к кол­лекторным пластинам, поэто­му секцией можно также называть часть обмотки яко­ря, заключенную между дву­мя коллекторными пластина­ми (рис. 14.6,a,б). Часть секции, уложенная в паз и при вращении якоря пересекаемая линиями магнитного поля, называетсяактивной стороной секции. Секции имеют две активные стороны, расположенные под полюсами различной поляр­ности. Такое расположение активных сторон секции необходимо для того, чтобы э. д. с., индуцированные в сторонах каждого витка, скла­дывались. Части витков секций, выступающие за пределы пазов, не участвующие в наведении э. д. с. и предназначенные для соединения между собой активных сторон секций, называются лобовыми частями обмотки. Все секции обмотки, как правило, имеют одинаковое число витков.

Итак, на каждую секцию приходится одна коллекторная пластина, т. е. число секций s всегда равно числу коллекторных пластин k.

Якорные обмотки машин постоянного тока подразделяют на два основных типа: петлевые (параллельные) (рис. 14.7) и волновые (после­довательные) (рис. 14.8). В машинах значительной мощности при­меняют и более сложные «лягушачьи» обмотки, представляющие собой сочетание элементов петлевой и волновой обмоток. Ширину, или шаг, секции y₁, называемую также основным или первым частичным шагом обмотки, выбирают равной полюсному делению τ или близкой к нему. При у₁ = τ шаг называют диаметральным, при y₁ < τ — укорочен­ным, при y₁ > τ — удлиненным. На рис. 14.7 и 14.8 у₂ — второй частичный шаг обмотки, у₁ — результирующий шаг обмотки, y_k — шаг по коллектору.

14.4. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока

Под э. д. с. Е машины понимают э. д. с. одной параллельной ветви якорной обмотки, так как независимо от числа параллельных ветвей все они параллельно подсоединены к общим зажимам машины через щетки и коллектор. Э. д. с. одной параллельной ветви Е слагается из э. д. с., наводимых во всех последовательно соединенных активных проводниках, входящих в эту ветвь. Если в пазы якоря уложено N активных проводников, то в одной параллельной ветви число последо­вательно соединенных активных проводников равно N/(2a), а э. д. с. машины

(14.1)

где - среднее значение э. д. с. одного проводника; В_ср —среднее значение магнитной индукции; l_а — активная длина проводника обмотки якоря; v_а — линейная скорость якоря; 2а — число параллельных ветвей.

Среднее значение магнитной индукции В_ср есть отношение магнит­ного потока Ф одного полюса к пронизываемой им площади (рис. 14.9):

где τ = πD_a/(2p); р — число полюсов машины; D_a — диаметр сердеч­ника якоря.

Линейная скорость якоря связана с частотой его вращения n (об/мин) соотношением Учитывая полученные выражения для В_ср и v_a, находим среднее значение э. д. с. проводника:

(14.2)

Подставив значение E_пр из (14.2) в (14.1), получим

Принимая во внимание, что представляет собой некоторую конструктивную постоянную С_e, для данной машины, можно окончательно записать выражение для определения э. д. с. машины:

(14.3)

Из (14.3) следует, что э. д. с. машины постоянного тока прямо пропорциональна частоте вращения якоря n и магнитному потоку Ф. Следовательно, э. д. с. якоря Е можно регулировать путем изменения магнитного потока, или измене­ния частоты вращения якоря. Формула (14.3) справедлива для определения э. д. с. как генераторов, так и двигателей. В генера­торах э. д. с. якоря создает ток во внешней цепи, присоединенной к зажимам щеток, а в двигателях эта э. д. с. направлена против тока и поэтому является противоэлектродвижущей силой.

Ток якоря, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает электромагнитный момент. При работе машины в режиме ге­нератора электромагнитный момент, противодействуя вращению якоря, создает тормозной момент, который преодолевает первичный двигатель. При работе машины в двигатель­ном режиме электромагнитный момент является вращающим.

На каждый проводник обмотки якоря, по которому проходит ток I_а/(2а), действует электромагнитный момент

где Ф_ср - сила, действующая на проводник. Учитывая, что получаем, что момент одного проводника

(14.4)

Электромагнитный момент М, действующий на якорь машины, обра­зуется всеми N проводниками, поэтому

(14.5)

где — коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины.

Из (14.5) следует, что электромагнитный момент машины постоянно­го тока прямо пропорционален току якоря I_а и магнитному потоку полюса машины Ф.