3.6 Магнитное поле в зазоре электрической машины

Если предположить, что поверхность якоря идеально цилиндрическая, как у рассмотренной в подразделе 3.1 простейшей машины (без зубцов), то распределение индукции В в зазоре δ имеет вид криволинейной трапеции (рисунок ). В целях упрощения эту трапецию заменяют прямо-угольником той же площади, предполагая индукцию неиз-менной в пределах полюсного расстояния τ и равной В_ср. Здесь  - полюсное расстояние; b_п – ширина полюса. Реальный якорь ЭМ=Т имеет зубцы и пазы, в которые уложена обмотка якоря Вследствие этого маг-нитные линии в воздушном зазоре δ искрив-ляются, и характеристика распределения индукции в зазоре приобретает зубчатый вид (см. рисунок ).

В ЭМ=Т большой мощности для улучшения теплоотдачи якорь имеет радиальные вентиляционные каналы, и в машинах такой конструкции кривая интенсивности магнитной индукции имеет зубчатый характер и в осевом направлении.

Вследствие зубчатого cтроения якоря и такого же вида распределения индукции В в зазоре изменение во времени индуцируемой при вращении якоря ЭДС Е_а имеет форму постоянной ЭДС с наложенными на нее пульсациями, которые называются зубцовыми. Различают два вида зубцовых пульсаций магнитной индукции В_δ в зазоре ЭМ=Т и, соответственно, потока магнитной индукции Ф_δ в том же зазоре: продольные и поперечные.

Если ширина полюсного наконечника не кратна зубцовому делению (т.е. на ней укладывается не целое число пар зубцов и пазов), то магнитное сопротивление R_м воздушного зазора δ между полюсом и якорем изменяется во времени при прохождении витков обмотки якоря под полюсом вследствие изменения площади S, пронизываемой магнитным потоком, следовательно, при постоянной намагничивающей силе полюсов (см. п. 1.1, е), изменяется и величина магнитного потока в зазоре Ф_δ (потокосцепления Ψ этого потока с обмоткой якоря). А раз так, то, в соответствии с п. 1.2, к) в обмотке якоря, потокосцепление которой изменяется во времени ( ), индуцируется ЭДС переменного тока с частотой f_z=zn, где z – число зубцов на поверхности якоря. Поскольку машина постоянного тока должна быть как можно ближе по свойствам к идеальным устройствам постоянного тока, с появлением во внешних цепях такой машины переменных составляющих напряжений и токов следует бороться. В частности, для устранения продольных пульсаций магнитного потока при конструировании ЭМ=Т выбирают соотношение z/p (отношение числа зубцов якоря к числу пар полюсов) нечетным целым числом. При этом сумма магнитных сопротивлений воздушных зазоров под двумя соседними полюсами при вращении якоря изменяться не будет, и рассмотренные выше продольные пульсации исчезнут (резко снизятся).

Если меры по устранению продольных пульсаций потока, описанные в предыдущем абзаце, приняты, возникает эффект колебания оси магнитного потока Ф_δ относительно среднего положения, совпадающего с осью симметрии полюса, с частотой f_z. Из-за этого потокосцепление обмотки якоря и ее ЭДС пульсируют с такой же частотой (эффект поперечной пульсации).

Для устранения поперечных пульсаций якорь ЭМ=Т выполняется со скошенными относительно полюсного наконечника пазами, или полюсный наконечник скашивается относительно зубцов ротора (см. рисунок ).

3.7. Магнитная характеристика ЭМ=Т

Магнитная характеристика (МХ) ЭМ=Т – это зависимость основного потока машины Ф_δ от намагничивающей силы (МДС) обмотки возбуждения F_в=I_вw_в.

Начальный участок МХ (см. рисунок ) при малых значениях F_в прямолинеен, поскольку в этом режиме магнитная цепь машины не насыщена, и ее магнитное сопротивление R_м определяется только воздушным зазором δ (см. соотношения п. 1.1, е). По мере возрастания F_в возрастает и поток Ф_δ, магнитная цепь машины начинает насыщаться (см. характеристику перемагничивания ферромагнитных материалов – петлю гистерезиса), ее магнитная проницаемость μ_а уменьшается, а магнитное сопротивление R_м возрастает, поэтому МХ начинает отклоняться от прямой и, в сущности, повторяет характеристику намагничивания ферромагнитных материалов, из которых выполнены ярмо, полюсы и якорь машины.

В большинстве ЭМ=Т точку С, соответствующую номинальному режиму, выбирают на изгибе (колене) МХ. Во-первых, при работе на линейном участке (т.е. с малой индукцией) плохо используется сталь магнитопровода ЭМ – можно пропускать и большие значения магнитного потока Ф_δ, что при тех же габаритах машины позволит получать большую ЭДС, и, следовательно, при той же плотности тока в обмотке якоря – большую электрическую мощность от генератора; в режиме двигателя ЭМ при большем потоке может развивать больший электромагнитный (движущий) момент, т.е. при тех же габаритах и массе отдавать в исполнительный механизм большую механическую мощность.

Во-вторых, при большой степени насыщения магнитной цепи ЭМ=Т для увеличения потока Ф_δ требуется непропорционально больше увеличивать МДС обмотки возбуждения полюсов F_в, которая равна произведению тока обмотки возбуждения на число ее витков катушки (F_в=I_вw_в). Увеличение как тока I_в, так и числа витков w_в приводит к излишнему расходу меди, из которой изготавливаются обмотки, увеличению веса и габаритов машины, а также к росту мощности, отбираемой катушкой возбуждения.

Положение рабочей точки оценивается коэффициентом насыщения (см. рисунок ) (обычно у ЭМ=Т К_нас=(1,4 ÷ 1,8)).

3.8 Якорные обмотки ЭМ=Т

3.8.1 Кольцевая обмотка

Е сли поместить между полюсами электромагнита полый стальной цилиндр, способный вращаться вокруг своей оси, и расположить по его периферии ряд проводников ( рисунок ), то, как легко сообразить, используя правило правой руки, во всех проводниках, расположенных на левой наружной части цилиндра, при его вращении по часовой стрелке наводятся ЭДС, направление которых в сечении указанных проводников обозначено знаком (+), т.е направлены эти ЭДС "от нас за плоскость рисунка" (см. раздел 1). В проводниках правой части рисунка наводятся ЭДС противоположного направления. Соединяя эти, т. наз. "активные", проводники друг с другом при помощи проводников, идущих по внутренней поверхности цилиндра (вдоль его оси) и по его торцам (соединения на переднем торце показаны сплошными линиями, а на заднем (дальнем от нас) - пунктирными), получаем замкнутую электрическую цепь – кольцевую обмотку. Несмотря на наличие ЭДС Е_пр в элементах этой цепи - активных проводниках, ток в обмотке равен нулю, т.к. ЭДС электромагнитной индукции, наводимые в каждой половине обмотки (левой и правой), равны по величине и противо-положны по знаку. Важно отметить, что в соединительных проводах ЭДС не наводится, т.к. торцевые провод-ники движутся вдоль линий магнит-ной индукции, не пересекая их, а осевые находятся внутри ферромаг-нитного цилиндра, т.е. в простран-стве, где нет магнитного поля – все создаваемое внешними катушками магнитное поле концентрируется внутри ферромагнитного тела якоря).

От осевых проводников делают отпайки к пластинам коллектора, число которых в данном случае равно количеству активных проводников обмотки (см. рисунок). К двум диаметрально противоположным пластинам коллектора прижимают скользящие контакты (щетки), соединенные с внешней цепью (сопротивлением нагрузки в случае генератора и с источником питающего напряжения в случае двигателя). Благодаря такому устройству разность потенциалов между щетками во время вращения якоря будет оставаться постоянной, и во внешней цепи может протекать ток.

Н едостаток кольцевой обмотки – большая длина неактивных проводников, расположенных внутри цилиндрического ферромагнитного якоря. Другая проблема - технологически сложный процесс выполнения такой обмотки. Если мысленно взять кольцевую обмотку за точки α и β, снять ее с цилиндра (якоря) и развернуть в плоскости, получится схема, приведенная в нижней части рисунка. Из нее видно, что вся обмотка содержит две включенные электрически параллельно относительно щеток части (ветви). При вращении ротора проводники из одной половины обмотки переходят в другую, но число их в каждой половине остается неизменным. Не изменяется и распределение ЭДС и токов в каждой половине обмотки. Поэтому часто изображают обмотку ЭМ=Т в виде, показанном на рисунках (для р=1) и (для р=2), а при начертании электрических схем якорь и щетки ЭМ=Т изображаются, как показано на рисунке .

3.8.2 Барабанная обмотка. Недостатки кольцевой обмотки исключаются в барабанной обмотке.

В этой обмотке активные проводники, размещенные по поверхности якоря (в его пазах), соединяются между собой только по торцу, нет осевых соединений (рисунок ). Поскольку длина якоря обычно немного превышает его диаметр, эта обмотка имеет гораздо больший коэффициент использования меди проводников. Число коллекторных пластин при том же числе активных проводников уменьшается в 2 раза. Отпайки к пластинам коллектора делаются от торцовых проводников.

В реальных обмотках число активных проводников велико, как и число коллекторных пластин. Замыкаемые накоротко витки обмотки оказываются лежащими практически в нейтральной плоскости, где величина индукции В и, следовательно, ЭДС Е_пр близки к нулю.

Б арабанные обмотки бывают трёх видов:

- петлевая;

- волновая;

- смешанная (комбинированная).

Основной элемент обмотки - секция, состоящая из одного или нескольких соединённых последовательно витков. Кон-цы секции присоединены к коллектор-ным пластинам (рисунок ).

Д ля того чтобы ЭДС, индуктированные в двух сторонах каждого витка, складывались и были максимальны, эти стороны размещают на полюсном расстоянии τ (на рисунке - под полюсами противоположной полярности).

3.8.3 Петлевая обмотка. Схема такой обмотки приведена на рисунке . Для наглядности представим, что наружная поверхность якоря с размещенной на ней обмоткой разрезана вдоль образующей цилин-дра (якоря) и развёрнута в плоскость (вместе с коллектором). При этом (вид А) полюсы будут находиться перед плоскостью чертежа.

Пусть якорь вместе с коллектором вращается по часовой стрелке. Тогда ЭДС в проводниках под N и S полюсами будут направлены так, как показано на рисунках (1 – 4 - номера пазов, верхний проводник паза обозначен индексом "i", нижний – тем же индексом, но со штрихом " ' "). В этом случае ЭДС Е_в каждой парал-лельной ветви, складывающиеся из ЭДС сек-ций е_с (ЭДС каждой i-ой секции, в свою очередь, складывается из ЭДС проводников е_сi =е_прi + ), будут равны между собой и равны также ЭДС якоря Е_а, снимаемой со щеток ЭМ=Т:

.

Таким образом, обмотку ЭМ=Т можно схематически представить в виде замкнутой спирали, по поверхности которой скользят щётки. В простейшем случае обмотка имеет одну пару (а=1) параллельных ветвей. Вообще их число а может быть произвольным - 1, 2, 3… В общем случае для петлевой обмотки справедливо соотношение 2а = 2р, т.е. число а пар параллельных ветвей обмотки равно числу пар полюсов р. Для обеспечения наилучших условий работы ЭМ=Т необходимо, чтобы ЭДС Е_а каждой из параллельных ветвей обмотки и их сопротивления были равны. Тогда токи всех параллельных ветвей также будут равны (при а = 1 ). Пример укладки такой обмотки на якорь приведен на рисунке .

Для достижения равенства токов в параллельных ветвях ЭМ=Т и ЭДС этих ветвей необходимо выполнение следующих требований:

а) магнитная цепь ЭМ симметрична по конструкции, и потоки всех полюсов равны между собой;

б) все пары параллельных ветвей должны быть эквивалентны, т.е. должны располагаться в магнитном поле одинаковым образом.

Имеется много разновидностей петлевых обмоток (простые и сложные, многоходовые, симметричные и несимметричные, ступенчатые, с укороченным и удлиненным шагом, …).

3.8.4 Волновая обмотка. Она всегда (независимо от числа пар полюсов) имеет две параллельные ветви. Ощий вид такой обмотки приведён на рисунке , а пример в плоском (как и в предыдущем случае) изображении - на рисунке .

Э ДС якоря Е_а, снимаемая со щеток такой машины, равна ЭДС Е_в каждой параллельной ветви и определяется равенством:

. Для этого типа обмоток число параллельных вервей 2а = 2 (по отношению к щеткам простая волновая обмотка распадается на две параллельные ветви).

3.8.5 Смешанная (комбинированная) обмотка.

Это – комбинация петлевой и волновой обмоток, расположенных в общих пазах якоря, присоединенных к коллектору и работающих параллельно.

Используется редко из-за сложности и нетехнологичности изготовления.