§ 28. Обмотки якоря

Принцип соединения отдельных проводников в обмотку. В со­временных машинах постоянного тока применяют барабанные якоря, в которых проводники обмотки укладывают в пазы на наружной поверхности цилиндрического якоря.

При выполнении обмотки проводники, расположенные в пазах якоря, следует соединять таким образом, чтобы э. д. с. в них скла­дывалась. Для этого два проводника, образующие виток обмотки, должны соединяться так, как указано на рис. 92, а, т. е. проводник А, расположенный под северным полюсом, должен соединяться с про­водником Б, расположенным под южным полюсом. Расстояние между проводниками, составляющими виток, должно быть равно или незначительно отличаться от полюсного деления т — расстояния между осями соседних полюсов. При этом условии виток будет ох­ватывать весь магнитный поток полюса и э. д. с, возникающая в нем при вращении якоря, будет иметь наибольшее значение.

Для наглядного изображения обмоток цилиндрическую поверх­ность якоря вместе с обмоткой развертывают в плоскость и все

107

соединения проводников изображают в виде прямых линий на плос­кости чертежа (рис. 92,6).

Обмотка якоря состоит из отдельных секций. Секцией называ­ют часть обмотки, расположенную между двумя коллекторными пластинами, следующими одна за другой по ходу обмотки. Число секций 5 в обмотке равно числу коллекторных пластин К. Секция может состоять из одного или нескольких последовательно соеди­ненных витков. В первом случае секции называют одновитковыми (рис. 93, а, см. рис. 85, б), во втором — многовитковыми (рис. 93, б, см. рис. 85, а). Одновитковые секции состоят из двух активных про­водников, которые непосредственно пересекают магнитный поток; активные проводники расположены в пазах якоря и соединяются лобовыми частями, лежащими вне сердечника якоря. Лобовые части в индуцировании э. д. с. практически не участвуют. Многовитковые секции состоят из двух активных сторон, каждая из которых объеди­няет несколько активных проводников. В некоторых машинах боль­шой мощности применяют якорные катушки, выполненные из разрез­ных секций (см. рис. 85,в). Обмотка якоря, состоящая из таких секций, называется стержневой.

В ряде случаев по конструктивным соображениям и для умень­шения потерь мощности в обмотке якоря при изготовлении секций вместо одного сплошного проводника требуемого поперечного се­чения берут несколько проводников меньшего сечения. Эти провод­ники обычно располагают в пазу друг над другом и присоединяют к одним и тем же коллекторным пластинам. Все секции обмотки обыч­но имеют одинаковое число витков. На схемах обмотки секции для простоты всегда изображают одновитковыми. Секцию обмотки укла­дывают в пазы таким образом, чтобы одна из ее активных сторон находилась в верхнем слое, а другая — в нижнем. На схемах стороны секции, расположенные в верхнем слое, изображают сплошными линиями, а в нижнем слое — штриховыми.

При объединении нескольких секций в якорную катушку каж­дую из сторон якорной катушки в большинстве случаев укладывают в один общий паз. Для того чтобы э. д. с, индуцированные в отдель­ных секциях, складывались, при соединении их руководствуются тем же правилом, что и при соединении проводников в витки: рас­стояние между соединяемыми частями секций должно быть прибли­зительно равно расстоянию между осями полюсов.

Обмотки якоря подразделяются на две основные группы: петле­вые (параллельные) и волновые (последовательные).

Простая волновая обмотка. При простой волновой обмотке сек­ции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 94). При этом после одного обхода окружности якоря, т. е. после последовательного соединения р секций приходят к коллектор­ной пластине, расположенной рядом с исходной. Например, начало секции / присоединяют к коллекторной пластине КП1, а ее конец соединяют с коллекторной пластиной КП10 и началом секции 2, которая расположена под следующей парой полюсов; затем конец секции 2 соединяют с другой коллекторной пластиной и с началом

следующей секции. После завершения полного обхода окружности якоря конец соответствующей секции соединяют с коллекторной пластиной КП2 и началом секции 3, затем таким же образом с кол­лекторной пластиной КПП и секцией 4 и т. д. до тех пор, пока обмотка не замкнется, т. е. пока не придут к началу секции /. Якорная катушка в волновой обмотке имеет форму волны (рис. 95, а), от­куда получила это название.

Для выполнения обмотки необходимо знать ее результирующий шаг у (см. рис. 94, б), первый у\ и второй г/г частичные шаги, а также шаг по коллектору у_к. Указанные шаги обычно выражают в числе пройденных секций (шаг по коллектору выражается в этих же еди­ницах, так как число коллекторных пластин равно числу секций).

В простой волновой обмотке число параллельных ветвей обмот­ки 2а всегда равно двум и не зависит от числа полюсов:

На рис. 96, а приведена в качестве примера развернутая в плоскость схема простой волновой обмотки якоря четырехполюс-ной машины, имеющей 19 секций, а на рис. 96,6 — эквивалентная схема этой обмотки, показывающая последовательность соединения ее секций и образующиеся параллельные ветви. Цифрами 1,2,3 и т. д. обозначены активные проводники, лежащие в верхнем слое каждого паза, а /', 2', 3' и т. д.— в нижнем слое. При волновой обмотке в машине можно устанавливать только два щеточных пальца. Одна­ко это делают лишь в машинах малой мощности; в более мощных машинах обычно ставят полный комплект (2р) щеточных пальцев для уменьшения плотности тока под щетками и улучшения токо­съема.

Простая петлевая обмотка. При простой петлевой обмотке каж­дую секцию присоединяют к соседним коллекторным пластинам (рис. 97). Например, начало 1-й секции присоединяют к коллектор­ной пластине КП1, а конец ее соединяют с соседней коллекторной пластиной КП2 и началом рядом лежащей 2-й секции. Далее

конец 2-й секции присоединяют к следующей коллекторной пластине и к началу соседней секции и т. д. до тех пор, пока обмотка не замк­нется, т. е. пока не придут к началу 1-й секции. В этой обмотке каж­дая последующая секция расположена рядом с предыдущей, а якор­ная катушка имеет форму петли (рис. 95,6), откуда получила название обмотка.

В простой петлевой обмотке секции, расположенные под каждой парой полюсов, образуют две параллельные ветви, поэтому число параллельных ветвей по всей обмотке 2а равно числу полюсов 2р:

Условие 2а = 2р выражает основное свойство простой петлевой обмотки: чем больше число полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет обмотка, следовательно, тем больше щеточных пальцев должно быть в машине. На рис. 98, а приведена в качестве примера развернутая в плоскость схема простой петлевой обмотки якоря че-тырехполюсной машины, имеющей 24 секции, а на рис. 98, б — эквивалентная схема этой обмотки, показывающая последователь­ность соединения ее секций и образующиеся параллельные ветви (обозначение проводников и коллекторных пластин такое же, как и на рис. 96).

Применение петлевой и волновой обмоток. Каждая из обмоток — петлевая и волновая — имеет свои преимущества. При одном и том же числе проводников в обмотке якоря и числе полюсов простая петлевая обмотка будет иметь в р раз больше параллельных вет­вей, чем волновая. Следовательно, она может пропускать значи­тельно больший ток /_я = 2ш'я, чем волновая обмотка (здесь 1_Я — ток в параллельной ветви) (рис. 99). Число же витков в каждой парал­лельной ветви при петлевой обмотке в р раз меньше, чем при волно­вой. Так как напряжение машины определяется числом последова­тельно включенных витков в каждой параллельной ветви, то в машине с петлевой обмоткой напряжение будет в р раз меньше, чем с волновой обмоткой.

Из сказанного следует, что в машинах, рассчитанных для рабо­ты при высоких напряжениях, целесообразно применять волновую обмотку. Такая обмотка имеется у большей части вспомогательных машин электровозов и электропоездов, которые рассчитаны для работы при напряжении 1500—3000 В, и у некоторых тяговых двига­телей электропоездов. В машинах, рассчитанных для работы при больших токах, целесообразно применять петлевую обмотку. Такую обмотку имеет тяговые двигатели электровозов и тепловозов, а также электровозные генераторы возбуждения, используемые при рекуперации. Машины постоянного тока небольшой мощности обыч­но выполняют двухполюсными. При двух полюсах петлевая и волно­вая обмотки не различаются.

Уравнительные соединения. В простой петлевой обмотке э. д. с, индуцированная в каждой параллельной ветви, создается магнитным потоком определенной пары полюсов. Э. д. с. Е, индуцированные во всех параллельных ветвях обмотки, теоретически должны быть равны (рис. 100, а). Однако практически из-за технологических допусков в значении воздушного зазора под различными полюсами, дефектов литья в остове и других причин магнитные потоки отдель­ных полюсов несколько различаются, вследствие чего в параллель­ных ветвях действуют неодинаковые э. д. с.

Если два параллельно соединенных источника имеют неодинако­вые э. д. с. (рис. 101), то по контуру, образованному двумя источ­никами, будет проходить некоторый дополнительный ток, обуслов­ленный разностью э. д. с. Е\—Еч источников. Этот ток носит назва­ние уравнительного. Уравнительный ток /_ур циркулирует внутри источников, не совершает никакой полезной работы, а создает лишь

обоих источника. Он вызывает неравномерную нагрузку отдель­ных источников, перегружая ис­точник с большей э. д. с. и раз­гружая источник с меньшей э. д. с. В машинах постоянного тока при неравенстве э. д. с. в отдель­ных параллельных ветвях воз­никающие уравнительные токи будут перегружать щетки и ухудшать работу машин. Например, при неравенстве э. д. с. Е_{ а Е₂ в параллельных ветвях обмотки якоря 3 (рис. 100, б) по обмотке и через щетки / {А — Г) будет проходить уравнительный ток /_ур. Разница между э. д. с. Е\ и Еч составляет 3_5 %, но из-за небольшого сопротивления обмотки якоря этого оказывается достаточно, чтобы по параллельным ветвям проходили довольно значительные уравнительные токи, которые способствуют возникновению искрения под щетками. Чтобы уравнительные токи замыкались помимо щеток, в петлевых обмотках предусматривают уравнительные соединения, которые соединяют точки обмотки, имею­щие теоретически равные потенциалы. Такими точками являются начала и концы проводников обмотки якоря, расположенные один от другого на расстоянии, равном двойному полюсному делению 2т. Идеальным было бы соединить все такие точки обмотки. Однако большое число уравнительных соединений сильно удорожает об­мотку, поэтому практически достаточно иметь одно-два уравнитель­ных соединения на каждую группу секций, лежащих в одном пазу якоря.

С производственной точки зрения уравнительные соединения удобно присоединять к коллекторным пластинам 2 (см. рис. 100,6). Обычно они связывают каждую третью — пятую пластины коллек­тора (рис. 102). Площадь поперечного сечения проводов, которыми выполняют уравнительные соединения, в 3—5 раз меньше площади поперечного сечения проводников обмотки якоря. Уравнительные

соединения располагают чаще всего под лобовыми частями об-

Сложные обмотки. При мощ­ности машины более 1000 кВт применяют сложные многоходовые обмотки якоря, представляющие собой несколько простых петле­вых или волновых обмоток, намо­танных на общий якорь, смещен­ных относительно друг друга и

присоединенных к одному коллектору. Применение многоходовых обмоток позволяет увеличивать число параллельных ветвей при неизменном числе полюсов, увеличение которых в ряде случаев невозможно. Однако эти обмотки требуют сложных уравнительных соединений.

Одной из разновидностей сложных обмоток является парал­лельно-последовательная обмотка, применяемая в некоторых тяго­вых генераторах. Она представляет собой комбинацию простой петлевой / (рис. 103, а) и многоходовой волновой 2 обмоток. Обе обмотки уложены в одни и те же пазы и имеют общие коллекторные пластины. Для равенства э. д. с. параллельных ветвей, образуемых петлевой и волновой обмотками, число параллельных ветвей этих обмоток должно быть одинаково.

Параллельно-последовательную обмотку выполняют в четыре слоя (рис. 103,6), так как в пазы якоря закладывают две двух­слойные обмотки. Эта обмотка получила название «лягушачья» из-за формы свой якорной катушки (рис. 103, в). Рассматриваемая обмотка не требует уравнительных соединений, что выгодно отли­чает ее от других обмоток. Возможность уменьшения напряже­ния, действующего между соседними коллекторными пластинами, вдвое по сравнению с простыми обмотками является важным пре­имуществом параллельно-последовательной обмотки.