2.1 ЭДС машины постоянного тока

10

мотка состоит из большого числа витков, подключенных к пластинам коллектора так, что между каждой парой смежных коллекторных пластин включен один или несколько витков. При вращении якоря в проводниках, лежащих под

полюсами N и S, индуцируются ЭДС противоположного направления. В про-

водниках, расположенных на геометрической нейтрали О – О (оси симметрии, разделяющей полюсы), ЭДС не наводится. Чтобы подать от обмотки якоря во внешнюю цепь максимальное напряжение, эту цепь нужно присоединить к двум точкам обмотки якоря, между которыми имеется наибольшая разность потенциалов. Такими точками при холостом ходе машины являются точки А и Б (рисунок 10, б), расположенные на геометрической нейтрали, где и следует устанавливать щетки А и Б.

1 – обмотка якоря; 2 – коллектор

Рисунок 10 – Схема машины постоянного тока (а) и упрощенная схема ее обмотки якоря (б)

При вращении якоря с постоянной скоростью между щетками А и Б дей-

ствует постоянная по величине ЭДС Е, равная сумме ЭДС, индуцированных во всех последовательно соединенных витках обмотки якоря, которые включены между щетками. При вращении якоря секции обмотки якоря меняются, к щеткам подходят новые выводы обмотки, между которыми будет действовать ЭДС Е, поэтому ЭДС во внешней цепи неизменна по величине и направлению. Уменьшения пульсаций ЭДС Е при переходе щеток с одной коллекторной пластины на другую достигают путем установки большого числа коллекторных пластин; число коллекторных пластин, приходящихся на одну параллельную ветвь обмотки якоря, должно быть не менее восьми.

Щетки А и Б разделяют рассматриваемую обмотку на две параллельные ветви, в каждой из которых индуцируется ЭДС Е и проходят токи ia. При разомкнутой внешней цепи ток по обмотке не проходит, так как ЭДС, индуцированные в двух ее ветвях, направлены встречно и взаимно компенсируются. Полная компенсация, очевидно, происходит при строго симметричном выполнении обмотки и равенстве магнитных потоков полюсов; условие симметрии в

11

случае двухполюсной обмотки сводится к равномерному распределению проводников на внешней поверхности якоря.

Мгновенное значение ЭДС, индуцируемой в каждом активном проводнике,

где Вх – индукция в рассматриваемой точке воздушного зазора; va – окружная скорость якоря;

la – длина проводника в магнитном поле. Следовательно,

где N – общее число активных проводников обмотки якоря; 2а – число параллельных ветвей обмотки статора, 2а = 2; 2Na – число активных провод-

ников, входящих в одну параллельную ветвь; p – число пар полюсов машины; n – частота вращения якоря, об/мин; Се – конструктивная постоянная машины,

pN

Се = 60a; Φ – магнитный поток.

Формулу для ЭДС Е можно представить в ином виде, если правую часть выражения умножить и разделить на 2π, тогда

2πn

где ω – угловая скорость якоря, ω = 60 ;

С – коэффициент, определяемый конструктивными параметрами ма-

pN

шины и не зависящий от режима ее работы, С = 2πa.

Формулы (2) и (3) определяют среднее значение ЭДС Е. Мгновенное ее значение находится (пульсирует) между величинами Еmах и Еmin. На ЭДС машины также влияет положение щеток: при нахождении щеток на геометрической нейтрали ЭДС наибольшая; если же щетки сместить с нейтрали, то в параллельных ветвях окажутся секции с противоположным направлением ЭДС, в результате ЭДС обмотки якоря будет меньше.

12

2.2 Электромагнитный момент машины постоянного тока

При прохождении тока ia по проводникам обмотки якоря на каждый проводник действует электромагнитная сила

Совокупность всех электромагнитных сил FЭМ на якоре, действующих на

Da

плече, равном радиусу сердечника якоря 2 , создает на якоре электромагнит-

ный момент М:

где Ia – ток якоря.

При работе машины в двигательном режиме электромагнитный момент является вращающим, а в генераторном режиме − тормозным.

3 Якорные обмотки машин постоянного тока

3.1 Устройство обмоток

Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и должна удовлетворять следующим требованиям:

1)обмотка должна быть рассчитана на заданные значения напряжения и тока нагрузки, соответствующие номинальной мощности;

2)обмотка должна иметь необходимую электрическую, механическую и термическую прочность, обеспечивающую достаточно продолжительный срок службы машины (до 15–20 лет);

3)конструкция обмотки должна обеспечить удовлетворительные условия токосъема с коллектора, без вредного искрения;

4)расход материала при заданных эксплуатационных показателях (КПД и др.) должен быть минимальным;

5)технологияизготовленияобмоткидолжнабытьповозможностипростой. В современных машинах постоянного тока якорная обмотка укладывается

впазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки называются барабанными. Обмотки якорей подразделяются на петлевые и волновые (рисунки 11, 12). Они так названы по внешнему очертанию контуров, образуемых последовательно соединенными секциями. Существуют также обмотки, которые представляют собой сочетание этих двух обмоток.

14

цами к коллекторным пластинам. В обмотке обычно все секции имеют одинаковое число витков. Для удобства размещения лобовых частей обмотку якоря выполняют двухслойной, т. е. одну сторону катушки (например, правую) укладывают на дно паза, а вторую (левую) располагают над нижней стороной другой катушки, с переходом из нижнего слоя в верхний по середине лобовой части (рисунок 14). Катушка, собранная из таких секций, занимает нижнюю половину одного паза и верхнюю половину другого.

Рисунок 14 − Расположение сторон секции в пазу

В каждом витке можно выделить две активные стороны 1 и 2, располо-

женные в пазах 5 сердечника якоря, и лобовые части 3, 4 по торцам этого сердечника. Секции обмотки соединяются друг с другом в последовательную цепь (рисунок 15) таким образом, что начало последующей секций присоединяется вместе с концом предыдущей секции к общей коллекторной пластине.

Рисунок 15 – Схема соединения секций петлевой обмотки

Поскольку каждая секция имеет два конца и к каждой коллекторной пластине присоединены также два конца секций, то общее число пластин коллек-

тора K равно числу секций обмотки S: K = S. В простейшем случае в пазу находятся две секционные стороны: одна в верхнем и другая в нижнем слое. При этом число пазов якоря Z = K = S. Однослойные якорные обмотки по принципу устройства не отличаются от двухслойных.

При большом количестве секций изготовление якоря с большим числом

15

пазов нецелесообразно, так как при этом пазы будут узкими, значительная часть их площади будет занята изоляцией секций от корпуса, для проводников останется мало места, и в итоге получится проигрыш в мощности машины. Кроме того, большой расход изоляционных материалов и увеличение штамповочных работ вызовут удорожание машины, а мелкие зубцы будут непрочными. Поэтому количество пазов в сердечнике якоря обычно выполняют меньше количества секций, и несколько рядом лежащих пазов (от двух до пяти) объединяют в катушку с общей изоляцией от сердечника якоря. Число элементар-

ных пазов в реальном пазе Zп определяется числом секций, приходящихся на один паз: Sп = S/Z. На рисунке 16 показан реальный паз, состоящий из одного, двух и трех элементарных. Таким образом, для обмотки якоря справедливо S = Zэ = K, где Zэ – число элементарных пазов.

1 — сторона секции верхнего слоя; 2 — сторона секции нижнего слоя

Рисунок 16 − Укладка обмотки в пазу

В машинах малой мощности, когда ток параллельной ветви не превышает 60–75 А, катушки изготовляются из круглых изолированных проводников. В этом случае пазы делают трапециевидными (рисунок 17, а), чтобы получить зубцы с неизменным по высоте сечением и тем самым избежать сильного насыщения корня зубца. Проводники катушки при этом опускаются в паз по одному через узкую щель открытия паза. Такие пазы называются полузакрытыми, и изоляция таких обмоток чаще всего выполняется класса B или F. В случае применения проводников прямоугольного сечения паз также выполняется прямоугольным (рисунок 17, б) и тогда ширина открытия паза равна примерно половине ширины паза. Такие пазы называются полуоткрытыми. При изоляции классов F и Н заранее полностью изолированные катушки укладываются в полностью открытые пазы (рисунок 17, б).