16

а – полузакрытый паз; б – открытый паз

Рисунок 17 − Пазовая изоляция класса F

фолий или синтетическая пленка 0,15 мм; 6 – пленкосинтокартон; 7 – стеклолента; 8 – электронит 0,3 мм (к стенке паза) – общая гильза.

Обмотки в пазах укрепляются с помощью проволочных бандажей или бандажей из стеклоленты, пропитанной лаком. При полуоткрытых и открытых пазах применяются клинья из синтофлекса, стеклотекстолита или металлокерамики.

Плотность тока в проводниках обмотки якоря при номинальной нагрузке находится в пределах 4–10 А/мм2. Меньшая цифра относится к крупным машинам, большая – к малым.

3.2 Выбор типа обмотки якоря

Применение в машине постоянного тока того или иного типа обмотки якоря определяется технико-экономическими требованиями. Выбранный тип обмотки должен обеспечивать в машине необходимую ЭДС при заданном токе. При этом следует стремиться к минимальному числу уравнительных соединений. Требования экономического характера при выборе типа обмотки сводятся к возможно лучшему использованию пазов, что определяется значением коэффициента заполнения паза медью.

Выбранный тип обмотки должен содержать возможно меньшее число па-

17

зовых проводников N, так как в противном случае значительная часть площади паза будет занята изоляцией этих проводников.

Так как число проводников в обмотке прямо пропорционально числу пар параллельных ветвей, то при выборе типа обмотки следует отдавать предпочтение обмоткам якоря с минимальным числом параллельных ветвей, например

простой волновой обмотке с 2а = 2, которая к тому же не требует уравнительных соединений. В таблице 2 приведены рекомендации по выбору типа обмотки якоря для двигателей постоянного тока общепромышленного назначения в зависимости от числа полюсов и силы тока якоря.

Таблица 2 – Рекомендации по выбору типа обмоток

К условиям, ограничивающим применение простой волновой обмотки, следует отнести в первую очередь предельно допустимое значение тока в параллельной ветви (300–400 А) и среднее значение напряжения между смежными коллекторными пластинами UК СР.

Таблица 3 – Предельные значения UK ср

Указанные предельные значения UК СР распространяются и на обмотки якоря других типов. При превышении указанных пределов появляется вероятность возникновения в машине опасного явления, называемого круговым огнем.

4 Реакция якоря машины постоянного тока

4.1 Поперечная реакция якоря

При холостом ходе машины магнитный поток создается током, протекающим по обмотке возбуждения. Магнитный поток направлен вдоль оси полюсов (рисунок 18).

18

Рисунок 18 − Магнитное поле машины постоянного тока при холостом ходе

При нагрузке машины, когда цепь якоря замкнута, по его обмотке будет протекать ток Iа. Этот ток создает свой магнитный поток, который, накладываясь на поток возбуждения, образует результирующий магнитный поток. Пространственное распределение результирующего потока и его значение при нагрузке будут иными, чем при холостом ходе. Воздействие поля якоря на поле возбуждения носит название реакции якоря. Рассмотрим реакцию якоря в машинах постоянного тока, когда щетки установлены на геометрической нейтрали.

Если по обмотке якоря при отсутствии возбуждения (IВ = 0) пропустить ток Iа, то он создаст магнитное поле, примерный характер распределения которого показан на рисунке 19, а. Это поле направлено поперек полюсов, а его ось совпадает с геометрической нейтралью. По этой причине магнитное поле якоря при щетках, стоящих на геометрической нейтрали, называют полем поперечной реакции якоря. Оно будет неподвижно в пространстве, так как при вращении якоря при любом его положении распределение тока по проводникам будет таким же, как показано на рисунке 19, а. При возбужденной и нагруженной машине (когда IВ ≠ 0 и Iа ≠ 0) поле якоря накладывается на поле возбуждения, в результате чего образуется результирующее магнитное поле машины, примерный характер которого показан на рисунке 19, б. При нагрузке машины в результате действия поперечной реакции якоря происходит искажение магнитного поля. Результирующее поле оказывается смещенным к одному из краев каждого главного полюса, под одним краем полюса оно усиливается, а под другим ослабляется. При работе машины в качестве генератора ослабление поля происходит на набегающем крае полюса, а усиление — на сбегающем. В двигательном режиме картина обратная. В результате возрастает напряжение между смежными коллекторными пластинами UК. Таким образом, реакция якоря оказывает неблагоприятное влияние на работу машины постоянного тока.

19

Рисунок 19 − Магнитное поле, созданное током якоря (а), и результирующее магнитное поле машины постоянного тока при нагрузке (б)

На проявление реакции якоря в машинах постоянного тока сильное влияние оказывает положение щеток на коллекторе, так как от этого зависит распределение тока по проводникам обмотки якоря и магнитного поля, созданного им. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против направления вращения электродвигателя, то возникающая продольная составляющая реакции якоря размагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении продольная реакция якоря подмагничивает машину.

Компенсационная обмотка в машинах постоянного тока предназначается для компенсации поперечной реакции якоря. При компенсации реакции якоря кривая распределения индукции в воздушном зазоре под полюсом при нагрузке машины сохраняет тот же вид, что и при холостом ходе. Вследствие этого напряжение между соседними коллекторными пластинами при нагрузке не будет увеличиваться, что сделает работу машины более надежной, так как уменьшается опасность возникновения кругового огня. Кроме того, при наличии компенсационной обмотки не будет проявляться размагничивающее действие поперечной реакции якоря.

Компенсационную обмотку располагают на основных полюсах машины. Для более полной компенсации магнитные поля, создаваемые компенсационной обмоткой и обмоткой якоря, должны иметь одинаковое пространственное распределение в зазоре под полюсным наконечником и противоположные направления. Поэтому компенсационную обмотку, как и обмотку якоря, выполняют распределенной и укладывают в пазы, проштампованные в полюсных наконечниках (рисунок 20).

20

1 – главный полюс; 2 – обмотка возбуждения; 3 – компенсационная обмотка; 4 – добавочный полюс; 5 – обмотка добавочного полюса; 6 – якорь

Рисунок 20 − Полюс с пазами для компенсационной обмотки (а), принципиальная схема (б) и схема расположения в машине (в) компенсационной обмотки

Применяется компенсационная обмотка в машинах большой мощности, а также в машинах, работающих при резкопеременных нагрузках и в двигателях с широким диапазоном регулирования скорости. При наличии компенсационной обмотки воздушный зазор между полюсами и якорем стараются выполнить минимально возможным по конструктивным соображениям, что приводит к уменьшению МДС обмотки возбуждения, ее размеров и размеров полюсов. Вследствие этого габаритные размеры и масса машины сокращаются. С этой целью в машинах постоянного тока общего назначения компенсационную обмотку применяют, начиная с машин малой мощности.

Для автоматической компенсации реакции якоря при любых токах Iа компенсационную обмотку включают последовательно с якорем, при этом полная компенсация реакции якоря происходит только в пределах полюсного наконечника. Витки компенсационной обмотки выбирают из предположения, что ее линейная нагрузка должна быть равна линейной нагрузке якоря.

4.2 Причины возникновения кругового огня

При эксплуатации машины постоянного тока на коллекторе иногда возникает электрическая дуга или множество мелких электрических разрядов. Это явление называют круговым огнем. Причиной возникновения кругового огня является чрезмерно высокое напряжение между смежными пластинами. В процессе эксплуатации изоляционные промежутки между смежными коллекторными пластинами перекрываются угольной пылью от щеток, которая может замыкать между собой пластины, образуя «токопроводящие мостики».

В машинах малой мощности, у которых секции обмотки якоря имеют довольно большое активное сопротивление и индуктивность, явление кругового огня протекает сравнительно безвредно. В этом случае на коллекторе наблюдается небольшое искрение, которое иногда называют потенциальным искрением, так как оно обусловлено повышенной разностью потенциалов между пластинами коллек-

21

тора. При большем токе происходит оплавление смежных пластин, при этом образуются кратеры диаметром 2–3 мм, и на коллекторе наблюдаются так называемые вспышки. Это явление опасно, так как оплавленные края коллекторных пластин вызываютбыстрыйизносщеток, аиногдаихполноеразрушение.

В машинах большой мощности, а также в машинах средней и малой мощностей с высокими значениями напряжения между коллекторными пластинами круговой огонь представляет собой мощную электрическую дугу на коллекторе. Эта дуга перекрывает значительную часть коллектора или даже замыкает накоротко щеткодержатели разной полярности (перекрытие коллектора). Возникновение мощной дуги на коллекторе сопровождается сильным световым и звуковым эффектом (в крупных машинах это похоже на взрыв). Большой ток якоря, возникающий при перекрытии коллектора, вызывает срабатывание защиты и повреждает поверхность коллектора, изоляторы щеткодержателей и т. п., то есть выводит машину из строя. Было установлено, что в машинах большой мощности круговой огонь развивается из единичной вспышки между смежными коллекторными пластинами, возникающей в результате замыкания изоляции между пластинами, вызванного угольной пылью, осколками щеток или медными заусенцами. Превращение единичной вспышки в круговой огонь происходит в несколько этапов. Сначала из-за наличия мостика между смежными пластинами возникает первичная короткая дуга. Ток в дуге быстро увеличивается и пространство над коллектором ионизируется, то есть заполняется раскаленными светящимися парами меди и угольной пыли. По мере перемещения короткой дуги вместе с коллектором все большее пространство становится ионизированным. В результате дуга перекрывает несколько пластин, что ведет к еще большему возрастанию тока. Дальнейшее развитие процесса носит случайный характер, но всегда сопровождается повреждением коллектора и других деталей машины.

Способы предотвращения кругового огня. Для уменьшения вероят-

ности возникновения кругового огня необходимо снижать максимальное напряжение между смежными коллекторными пластинами до 15–18 В. Для этого

вкрупных машинах используют обмотки якоря с одновитковыми секциями, ограничивают активную длину якоря и принимают меры для уменьшения искажающего действия реакции якоря, увеличив воздушный зазор. Поэтому машины постоянного тока обычно выполняют с бóльшим воздушным зазором, чем синхронные и асинхронные. Однако увеличение воздушного зазора требует соответствующего повышения МДС обмотки возбуждения (для создания необходимого магнитного потока), что приводит к увеличению размеров статора и всей машины. Предпочтительнее применить воздушный зазор, минимальный под серединой полюса и расширяющийся к краям, где возрастает МДС якоря. При этом магнитное сопротивление для потока главных полюсов увеличивается

вменьшей степени, чем для потока, создаваемого поперечной реакцией якоря.