4.5 Обмотки якоря электрических машин
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Обмотка якоря - это замкнутая система проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору.
Обмотка якоря является важным элементом ЭМПТ, т.к. в ней наводится ЭДС и через нее протекает ток нагрузки, именно обмоткой якоря определяются номинальные значения напряжения, тока и мощности.
Простейшим элементом обмотки является виток. Витки составляют катушки (секции) обмотки якоря, концы катушек (секций) присоединяются к коллекторным пластинам.
Расстояние между пазовыми проводниками одной секции должно мало отличаться от полюсного деления: да
= _____ , (241)
2 р
где да - диаметр сердечника якоря;
2 р - число главных полюсов.
Каждая секция может состоять из одного или нескольких витков. Элементы секции соединяющие пазовые проводники вне пазов сердечника якоря называются лобовыми частями.
Число коллекторных пластин равно числу секций.
Чаще всего ( особенно в машинах средней и большой мощности) обмотки якоря делаются двухслойными, т.е. один пазовый проводник секции укладывается в верхнем слое одного паза, а другой в нижнем слое другого паза.
Верхний пазовый проводник одной секции и нижний пазовый проводник другой секции, лежащие в одном пазу образуют элементарный паз. Число элементарных пазов обозначается Zэ.
Обычно при анализе обмоток якоря пользуются их развернутыми схемами, построенными аналогично обмоткам статора асинхронного двигателя.
Однако, иногда используются и круговые схемы, см. с.40 [14].
В зависимости от последовательности соединения секций обмотки бывают следующих типов: петлевые, волновые, комбинированные.
4.5.1 Простая петлевая обмотка (параллельная)
В простой петлевой обмотке (ППО) каждая секция присоединяется к двум рядом лежащим коллекторным пластинам (рис.102).
Начало каждой последующей секции с концом предыдущей, т.е. секции постепенно перемещаются по поверхности якоря (коллектора) так, что за один обход якоря укладываются все секции обмотки.
Рисунок 102.
В результате конец последней секции присоединяется к началу первой и таким образом, обмотка якоря замыкается. На рис.102 у1 - первый частичный шаг по якорю, т.е. расстояние между двумя сторонами каждой секции (шаг секции).
Zэ
у1 = ______ ε (242)
2 р
где ε - некоторая величина меньшая единицы, вычитая или суммируя которую можно получить у1 равный целому числу;
плюс - при левоходовой обмотке.
минус - при правоходовой обмотке;
у2 - второй частичный шаг по якорю, т.е. расстояние между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции.
у2 = у1 у ; (243)
где у - шаг обмотки по якорю.
Для ППО у = у1- у2 = ук = 1, т.к. концы секций присоединяются к рядом расположенным коллекторным пластинам.
ук - это шаг обмотки по коллектору, т.е. расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым присоединены начало и конец одной секции (выражается в коллекторных делениях).
Порядок выполнения развернутой схемы ППО (рис.103):
1) по известным значениям числа главных полюсов 2р, числа элементарных пазов Zэ рассчитываются у1 ; у2 ; по (241), (242), (243);
2) наносятся и нумеруются все пазы;
3) на схему наносятся контуры магнитных полюсов (их зеркальные отображения), указывается их полярность;
4) изображаются коллекторные пластины, причем их необходимо сместить относительно пазов на 0,5 - для симметричного расположения секций;
5) наносится на схему первая секция, пазовые проводники которой располагаются в первом пазу ( в верхнем слое) и в пазе отстающем от первого на величину у1 ; коллекторные пластины, к которым присоединяются начало и конец этой секции обозначаются цифрами 1 и 2;
6) нумеруются все остальные коллекторные пластины и наносятся на схему остальные секции по порядку, последняя секция должна замкнуть обмотку;
7) на схеме изображаются щетки А и В, расстояние между ними определяется из соотношения : К
АВ = ____ , (244)
2р
где К - число коллекторных пластин.
В п.4.2.1 было сказано, что щетки устанавливаются в тех местах, где ЭДС в пазовых проводниках меняет направление, т.е. на геометрической нейтрале ( в середине межполюсного промежутка), но при симметричной форме лобовых частей секций обмотки коллекторные пластины смещены на 0,5 относительно пазовых проводников секций, поэтому щетки в этом случае должны быть расположены по оси главных полюсов, однако и в этом случае говорят, что щетки установлены на геометрической нейтрали, понимая под этим, что они соприкасаются с секциями, расположенными в нейтрали или вблизи ее.
Пример развернутой схемы ППО приведен на рисунке 103
Рисунок 103.
Показанную на рисунке 103 обмотку якоря можно изобразить в виде упрощенной круговой схемы, см.рис.104. На круговой схеме каждая секция условно изображена в виде петли(секции пронумерованы римскими цифрами,а коллекторные пластины пронумерованы арабскими цифрами).
Рисунок 104.
В данном примере обмотка состоит из двух разделенных щетками параллельных участков, называемых параллельными ветвями.
Каждая параллельная ветвь содержит несколько последовательно соединенных секций с одинаковым направлением тока в них.
Например, на рис.104 одна ветвь содержит 1,2 и 3 секции, а другая 4,5 и 6 секций (для показанного положения щеток в данный момент времени). В следующий момент времени якорь повернется и щетки относительно секций займут другое положение, но число секций в каждой ветви будет также равно трем, однако секции будут другие.
Из полученной круговой схемы видно, что ЭДС обмотки якоря определяется значением ЭДС одной ветви, тогда как значение тока обмотки якоря определится суммой токов всех ветвей обмотки, т.е. Іа = 2 а іа ; (245)
где а - число пар параллельных ветвей;
іа - ток в одной параллельной ветви.
В ППО число параллельных ветвей равно числу главных полюсов
2а = 2р (246)
Число 2а определяет значение основных параметров электрической машины - тока и напряжения.
В низковольтных ЭМПТ применяются сложные петлевые обмотки (СПО), ввиду необходимости иметь большое число параллельных ветвей в таких машинах.
СПО - это две или несколько ППО уложенных на одном якоре.
Для СПО: 2а = 2рm ; (247)
где m - число ППО.
4.5.2 ПРОСТАЯ ВОЛНОВАЯ ОБМОТКА ЯКОРЯ (ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ)
Простая волновая обмотка якоря (ПВО) получается при последовательном соединении секций, начала которых лежат под следующими друг за другом одноименными полюсами (рис.105).
При таком соединении результирующий шаг у примерно равен двум полюсным делениям, т.е. у = 2.
Концы секций ПВО присоединяются к коллекторным пластинам удаленным друг от друга на расстоянии шага обмотки по коллектору ук равному результирующему шагу : К 1
ук = у = _________ ; (248)
р
где ( _ ) - левоходовая ПВО
( + ) - правоходовая ПВО
Рисунок 105.
Характерным для ПВО является то, что число параллельных ветвей не зависит от числа главных полюсов и всегда равно двум, т.е. 2а = 2 (249)
Несколько простых волновых обмоток, если их уложить на одном якоре, образуют сложную волновую обмотку (СВО).
Число параллельных ветвей в СВО 2а = 2m (250)
где m - число ПВО в СВО.
4.5.3 КОМБИНИРОВАННАЯ (ЛЯГУШАЧЬЯ) ОБМОТКА
Комбинированная обмотка (КО) представляет собой сочетание ППО и ПВО, расположенных в одних пазах и присоединенных к общему коллектору.
Поскольку каждая из составляющих обмоток двухслойная, то КО укладывается в пазах в 4 слоя, а к каждой пластине коллектора припаивается 4 проводника.
КО обычно применяются для ЭМ большой мощности или для быстроходных ЭМПТ.
4.6 РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ
При работе ЭМПТ в режиме идеально холостого хода, когда Іа = 0, магнитное поле создается током, протекающим по обмотке возбуждения. В этом случае магнитное поле симметрично относительно оси главных полюсов и направлено, как показано на рисунке 106, где также показан график расположения магнитной индукции Вб в зазоре между полюсными наконечниками и ротором, представляющий собой трапецеидальную кривую.
Рисунок 106.
При создании нагрузки в ЭМПТ, в обмотке якоря появится ток Іа, который создаст свое магнитное поле, которое, накладываясь на поле возбуждения, образует результирующий магнитный поток. Пространственное распределение и значение магнитного потока при нагрузке будут иными, чем при холостом ходе.