Карточка № 9.2. (230).

Принцип работы машины постоянного тока

§9.3. Понятие об обмотке якоря. Коллектор и его назначение

Основным элементом обмотки якоря является секция — часть обмотки, подсоединенная к двум коллекторным пластинам, которые следуют друг за другом по схеме обмотки (рис. 9.7).

располагаются под разноименными полюсами на расстоянии полюсного деления друг от друга (полюсным делением называют часть длины окружности якоря, приходящуюся на один полюс). При этом ЭДС, индуцируемые в активных сторонах секции, суммируются.

В современных машинах постоянного тока применяют двухслойные обмотки якоря, в каждом пазу которого укладываются две активные стороны двух различных секций. Очевидно, что в этом случае число пазов равно числу секций.

Для уменьшения пульсаций ЭДС секции обмотки соединяют последовательно: к коллекторной пластине припаивают конец одной секции и начало следующей.

Таким образом, число коллекторных пластин также оказывается равным числу секций. При проектировании и расчете обмоток якорей используют следующие понятия:

первый частичный шаг у1 (ширина секции) — число пазов, расположенных между активными сторонами секции;

второй частичный шаг у2 — число пазов между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции;

результирующий шаг у — число пазов между начальными сторонами двух последовательно соединенных секций;

шаг обметки по коллектору ук — число коллекторных пластин между началом и концом секции по ходу обмотки.

Взависимости от формы секции различают петлевые и волновые обмотки.

Впетлевой обмотке секция имеет форму петли, а начало и конец секции припаяны к двум соседним коллекторным пластинам (рис. 9.8).

Расчет простой петлевой двухслойной обмотки осуществляют по следующим формулам:

где z — число пазов якоря; р — число пар полюсов машины; b — дробь, которую отнимают или добавляют к значению у, чтобы оно стало целым числом.

Группы секций образуют параллельные ветви, число которых равно числу полюсов машины. Наличие параллельных ветвей позволяет уменьшить токовые нагрузки на щетки, что очень важно, так как коллекторно-щеточный контакт — самый уязвимый и ненадежный элемент электрической машины постоянного тока.

Рис. 9.9 Принцип построения простой волновой

обмотки

В волновой обмотке секция по форме напоминает волну (рис. 9.9).

Расчет простой волновой двухслойной обмотки осуществляется по формулам

где k — число коллекторных пластин.

Простая волновая обмотка всегда имеет одну пару параллельных ветвей.

Волновую обмотку, в которой половина секций всегда соединена последовательно, применяют в электрических машинах, рассчитанных на высокие напряжения.

В машинах, рассчитанных на сильные токи, используют петлевые обмотки с большим числом пар параллельных ветвей.

Для увеличения числа пар параллельных ветвей разработаны схемы сложных петлевых и волновых обмоток, состоящих из двух или нескольких простых обмоток.

Токи, индуцируемые в якорной обмотке, подводятся к потребителю электрической энергии через щеточно-коллекторный узел. Коллектор машины постоянного тока является самой ответственной в эксплуатации деталью, так как его скользящий контакт требует постоянного наблюдения и ухода, очистки от пыли, нагара и грязи, поддержания оптимального давления между трущимися поверхностями. Кроме того, коллектор является механическим выпрямителем переменного тока, который периодически меняет направление тока в каждой секции, сохраняя постоянство направления тока во внешней цепи.

Карточка № 9.3 (308).

Понятие об обмотке якоря. Коллектор и его назначение

§9.4. ЭДС, индуцируемая в обмотке якоря

Приведенные ранее формулировки закона электромагнитной индукции неудобны для практики, так как выражают ЭДС через переменные физические величины, которые сравнительно трудно рассчитать и измерить (скорость изменения магнитного потока, скорость пересечения силовых линий, магнитная индукция). Поэтому, применяя логические рассуждения и известные зависимости, ЭДС генератора выражают через магнитный поток возбуждения и частоту вращения машины.

Как указывалось, магнитная индукция распределена по окружности якоря неравномерно (трапецеидальный закон распределения), что вызывает пульсации ЭДС в каждой секции. Однако

при суммировании ЭДС большого числа секций обмотки якоря пульсации сглаживаются и на зажимах машины ЭДС имеет постоянное усредненное значение. Поэтому реальное магнитное

поле машины можно заменить равномерным с одинаковым средним значением магнитной индукции по всей боковой поверхности якоря.

Среднее значение магнитной индукции равно отношению магнитного потока полюса к площади, которую он пронизывает:

Вср=Ф/(τl),

где τ— полюсное деление; l — длина якоря, равная активной длине секции обмотки. Введя обозначение τ=πD/(2р), где D — диаметр якоря, получим

Bср = πФD l = πФDl

2 p

Среднее значение ЭДС, индуцируемой в одном активном проводнике обмотки, определим по формуле закона электромагнитной индукции: E1=Всрlv. Следовательно,

Линейная скорость движения проводников обмотки якоря в (м/с) v=pDn/60, где D — диаметр якоря, м; п — частота вращения якоря, об/мин. Следовательно,

генератора постоянного тока прямо пропорциональна частоте вращения якоря, магнитному потоку возбуждения и зависит от конструктивных особенностей машины, характеризуемых постоянной

сЕ.

§9.5. Реакция якоря

В режиме холостого хода магнитное поле машины создается только обмоткой возбуждения (рис. 9.10, а). При подключении нагрузки через обмотку якоря проходит ток, который создает свое магнитное поле (рис. 9.10, б).

На рисунках кружками показаны сечения проводников обмотки возбуждения и обмотки якоря. Ток в проводнике, текущий за плоскость рисунка, помечен кружком с крестиком, а ток, направленный «к нам»,— кружком с точкой. Направления магнитных силовых линий определены по правилу буравчика.

Рис. 9.10. Реакция якоря в генераторе постоянного тока

Реально существующее в нагруженной машине магнитное поле следует-рассматривать как результат наложения магнитных полей обмотки возбуждения и обмотки якоря (рис. 9.10, в).

Таким образом, магнитное поле машины, в котором движутся проводники обмотки якоря, создается не только обмоткой возбуждения, но и обмоткой якоря. При этом поле возбуждения стабильно, а поле якоря изменяется при изменении нагрузки машины.

Влияние магнитного поля якоря на поле возбуждения машины называют реакцией якоря. Вследствие реакции якоря (рис. 9.10, в) симметрия магнитного поля машины нарушается.

Происходит усиление магнитного потока под сбегающим краем полюса генератора и ослабление

— под набегающим краем (якорь генератора вращается по часовой стрелке; следовательно, левый край северного полюса и правый край южного полюса «набегают» на якорь).

Вследствие насыщения участков магнитной цепи усиление магнитного потока под одним краем полюса оказывается относительно меньшим, чем ослабление магнитного потока под другим краем. Это приводит к тому, что среднее значение магнитного потока в нагруженной машине становится меньше, чем в ненагруженной. Соответственно уменьшается и ЭДС, индуцируемая в обмотке якоря.

Назовем геометрической нейтралью воображаемую линию, которая проходит строго посередине между полюсами и лежит в плоскости, разделяющей магнитную систему машины на две симметричные части. Аналогичную линию, проходящую через диаметрально противоположные точки окружности якоря, в которых магнитная индукция равна нулю, назовем физической нейтралью. Магнитная индукция равна нулю в тех точках, где магнитные силовые линии касаются окружности якоря (не входя в него), а физическая нейтраль перпендикулярна магнитным силовым линиям.

Вненагруженной машине физическая нейтраль совпадает с геометрической.

Внагруженном генераторе (рис. 9.10, в) физическая нейтраль mm' поворачивается

относительно геометрической нейтрали пп' на угол α в сторону вращения якоря.

Мысленно представим себе, что на рис. 9.10 изображен не генератор, а двигатель. Тогда

при тех же направлениях токов в обмотках якоря и возбуждения ротор двигателя начал бы вращаться в другую сторону (против часовой стрелки), в чем нетрудно убедиться, применив правило левой руки. Правый край северного полюса и левый край южного полюса стали бы набегающими.

Следовательно, в нагруженном двигателе магнитный поток усиливается под набегающим краем полюса и ослабляется под сбегающим краем, а физическая нейтраль поворачивается на угол α против вращения якоря.