Принцип составления схем якорных обмоток

При составлении схемы обмотки якоря машины постоянного тока для получения в этой обмотке максимально возможной ЭДС необходимо соединять последовательно между собой секции, имеющие примерно одинаковые значения ЭДС одного направления. Это возможно в двух случаях:

1) последовательноесоединение между собой секций, расположенных под одним полюсом (в частном случае простой петлевой обмоткисекции размещаются в соседних пазах);

2) последовательное соединение между собой секций, расположенных под одноименными полюсами и находящихсядруг относительно друга примерно на расстоянии двойного полюсного деления (волновые обмотки).

Из этого следует, что якорные обмотки машин постоянного тока могут иметь только два основных типа.

Петлевые обмотки

Для получения основных соотношений в простой петлевой обмотке составим предварительно фрагмент схемы этой обмотки безотносительно к конкретному числовому значению ее первогочастичного шага , например, при = 3 (рис. 2.4). На принципиальных схемах секции якорных обмоток изображаются, как правило, одновитковыми. Для наглядного изображения схем якорных обмоток цилиндрическую поверхность якоря вместе с обмоткой и коллектором развертывают на плоскость. Диаметр коллектора принимается равным диаметру якоря. Полученная таким путем схема обмотки называется развернутой.

В соответствии с числовым значением первого частичного шага =3 активные стороны первой секции располагаются в пазах 1 и 4. Для удобства левые половины секцийобмотки изображаются на схемах сплошными линиями, а правые пунктирными. Выводы секции в простой петлевой обмотке присоединяются к двум соседним коллекторным пластинам (в данном случае к пластинам 1 и 2).

В простой петлевой обмотке последовательно соединенные секции всегда располагаются в соседних пазах. В данном случае конец первой секции соединяется через коллекторную пластину 2 с началом второй секции, начальная активная сторона которойнаходится в пазу 2. Секция 2 занимает пазы 2 и 5, а ее выводы присоединены к коллекторным пластинам 2 и 3.

Взаимное расположение на схеме двух последовательно соединенных секцийобмоткиопределяетсявторым частичным шагом и результирующим шагом обмотки . Второй частичный шаг равен числу зубцов, расположенных между пазами, в которых расположены конечная активная сторона одной секции и начальная активная сторона секции,с ней последовательно соединенной (рис. 2.4; =2). Результирующий шаг обмотки определяет расстояние в зубцах между пазами, в которых расположены начальные активные стороны двух последовательно соединенных секций (рис. 2.4; = 1).

Кромешагов обмоткипо якорю вводится в рассмотрение шаг обмоткипо коллектору , измеряемый числом коллекторных делений, заключенныхмежду серединами коллекторных пластин, к которым присоединены начальнаяи конечная стороны одной секции. Для фрагмента схемы, представленной на рис. 2.4, =1.

Определения для всех шагов обмотки по якорю , и , а также для шага по коллектору справедливы для всех типов якорных обмоток.

В соответствии с рис. 2.4 можно составить соотношение между шагами по якорю для простой петлевой обмотки:

= + . (2.3)

Также для простой петлевой обмотки всегда

= 1. (2.4)

Это значит, что в простой петлевой обмотке последовательно соединенные секции всегда расположены в соседних пазах. В общем случае = 1. При знаке (+) обмотка правая, а при знаке (–) – левая, когда следующая секция располагается слева от исходной секции. На практике преимущественно используются правые обмотки.

Для любой якорной обмотки машины постоянного тока справедливо соотношение

= , (2.5)

т. е. при составлении схемы обмотки при переходе от одной секции к другой сдвиг по якорю должен равняться сдвигу по коллектору. Применительно к простой петлевой обмотке,выводы или концы любой секции всегда присоединяются к двум соседним коллекторным пластинам.

В качестве примера составим развернутую схему простой петлевой обмотки со следующими данными: число секций обмотки якоря =15, число коллекторных пластин всегда равно числу секций и поэтому =15 и число зубцов (пазов) якоря =15, т.е. в каждом пазу размещаются только две активные стороны двух различных секций. Число полюсов машины =4.

При составлении схемы любой обмотки якоря необходимо выполнить в учебных целях следующие действия:

1) рассчитать все шаги обмотки;

2) составить развернутую схему обмотки;

3) расставить на схеме геометрические нейтрали и полюсы;

4)выбрать направление перемещения схемы обмотки и указать направление ЭДС в активных сторонах секций обмотки якоря;

5) составить электрическую схему соединений секций обмотки якоряс указанием направлений ЭДС в секциях;

6) расставить щетки на коллекторе на развернутой схеме;

7) составить вторую электрическую схему соединений секций обмотки, указав на ней параллельные ветви;

8) сформулировать основные свойства простой петлевой обмотки.

Рассчитаем шаги обмотки якоря. Первый частичный шаг = /2 p == =3 или 4. Выбираем укороченный шаг =3. Для простой петлевой обмотки результирующий шаг =1, и тогда второй частичный шаг в соответствии с выражением (2.3) = – =3 – 1=2. Шаг обмотки по коллектору для любой якорной обмоткис учетом выражения (2.5) =1. По этим данным составляем развернутую схему обмотки, которая представлена на рис. 2.5.

Рис.2.5

Составление схемы начинаем с паза 1, в котором размещаем начальную активную сторону секции 1, а ее конечная активная сторона располагается в соответствии с первым частичным шагом =3 в пазу 4. Выводы секции 1 присоединены к коллекторным пластинам 1 и 2 в соответствии с шагомобмотки по коллектору =1. С учетом шагов и =1 размещаем секцию 2, занимающую пазы 2 и 5. Начало секции 2 через коллекторную пластину 2 соединено с концом секции 1. И в таком порядке составление схемы продолжается до последней секции 15. Конечная активная сторона этой секции через коллекторную пластину 1 соединяется с началом секции 1. Таким образом,после укладки всех 15 секций простая петлевая обмотка оказывается замкнутой, т.е. образует замкнутый электрический контур.

Полюсный шаг в зубцах = /2 p =15/4=3 , и на развернутой схеме размещаем геометрические нейтрали ГН с интервалом друг относительно друга. Затем наносим контуры полюсов в виде прямоугольников с интервалом , полагая, что они размещаются над проводниками.

Предположим,что якорь вместе с обмоткой перемещается относитель-

но неподвижных полюсов слева направо с линейной скоростью . Для удобства выберем такой момент времени взаимного расположения движущегося якоря и неподвижных полюсов, когда один из полюсов, например, северный N, размещается симметрично относительно секции 2, т.е. оси секции 2 и полюса N совпадают. По правилу правой руки определяем направление ЭДС в активных сторонах секций и на схеме указываем это направление стрелками. В проводниках, расположенных под северными полюсами, ЭДС направлена вверх, а в проводниках под южными полюсами – вниз.

На основании развернутой схемы составим электрическую схему этой обмотки, представленную на рис. 2.6. Эта схема составлена в полном соответствии с развернутой схемой, и секции на ней соединены последовательно в том же порядке. При этом предполагалось, что начало любой секции находится слева от нее, если делать обход по часовой стрелке. Электрическая схема, как и развернутая, образует замкнутый контур. Из электрической схемы видно, что простая петлевая обмотка состоит из нескольких участков, в пределах каждого из которых последовательно соединенные секции имеют одинаковое направление ЭДС, а результирующие ЭДС соседних участковнаходятся в противофазе.Каждый из этих участков состоит из секций,расположенных в данный момент времени под одним из полюсов. Так, например, секции 13, 14, 15 и 1 расположены под левым южным полюсом, а секции 2,3, 4 и 5 – под соседним справа северным полюсом, что и обуславливает смену направления ЭДС в секциях 2–5 относительно секций 13–1.

В данном случае число участков обмотки с одинаковым направлением ЭДС равно 4, как и 2 р = 4. Если увеличим число секций обмотки якоря при фиксированном числе полюсов, то возрастет число секций, приходящихся на один полюс, следовательно, увеличится длина каждого участка из секций с одинаковым направлением ЭДС, а число участков не изменится. Если же при фиксированном числе увеличить число полюсов, то уменьшится число секций обмотки под каждым полюсом, но возрастет число участков. Таким образом, в простой петлевой обмотке число участков обмотки, состоящих из секций с одинаковым направлением ЭДС,всегда равно числу полюсов.

Рис. 2.6

Значение и направление ЭДС в секциях обмотки якоря определяется законом электромагнитной индукции и не зависит от положения щеток на коллекторе, а разность потенциаловмежду соседними разнополярными щетками существенно зависит от положения щеток на коллекторе. Эта разность потенциалов будет наибольшей, когда между соседними щетками будут находиться секции с одинаковым направлением ЭДС в них.

Исходя из этого, нетрудно сформулировать общее правило установки щеток на коллекторе. Щетки на коллекторе необходимо устанавливать на тех пластинах, относительно которых происходит смена направления ЭДС в секциях, присоединенных к этим пластинам. Из схемы на рис. 2.5 видно, что такие секции располагаются в зоне геометрических нейтралей слева и справа относительно каждой нейтрали,поэтому в общем случае каждую щетку необходимо размещать на коллекторе по линии геометрической нейтрали, которая на коллекторе смещена относительно геометрической нейтрали на якоре на половину полюсного деления при условии симметрии лобовых частей секций обмотки,поэтому,соответственно, щетки размещаются по осям главных полюсов. При данном условии между соседними щетками всегда будут находиться секции с одинаковым направлением ЭДС, а разность потенциалов между щетками будет максимально возможной. В простой петлевой обмотке ширина щетки принимается равной ширине коллекторного деления . Как видно из схемы на рис. 2.6,ЭДС соседних участков находятся в противофазе.

С другой стороны, если на рис. 2.6 все щетки одновременно сместить сгеометрических нейтралей в ту или другую сторону, то участки обмотки между щетками будут содержать секции с разным направлением ЭДС, а это приведет к уменьшению разности потенциалов между щетками.Чтобы снять ЭДС со всех участков обмотки, необходимо на коллекторе установить полный комплект щеток , т.е. по числу пар полюсов, и тогда для простой петлевой обмотки =2 р. Так как соседние участки обмотки расположены под разноименными полюсами, то результирующие ЭДС этих соседних участков находятся в противофазе.

Рис.2.7

На основании электрической схемы рис. 2.6 можно составить еще одну электрическую схему (рис. 2.7). В данном случае три участка обмотки содержат по четыре секции, а один – только три (10, 11 и 12). Поэтому в замкнутом контуре простой петлевой обмотки в общем случае может действовать небольшая результирующая ЭДС, способная создать в этом контуре уравнительный ток. Как видно из электрической схемы на рис. 2.7, приустановке щеток строго на линиях геометрических нейтралей три секции обмотки якоря 2, 6 и 13 оказываются замкнутыми накоротко через щетки. В результате все участки обмотки будут содержать по три последовательно соединенные секции с одинаковым направлением ЭДС. Можно предположить, что теперь результирующие ЭДС этих участков будут одинаковыми, результирующая ЭДС в замкнутом контуре обмотки будет равна нулю и уравнительный ток в обмотке отсутствует.

При вращении обмотки с коллектором относительно неподвижных щеток (см. рис. 2.6) будет происходить изменение состава секций в участках междущетками и изменение направления ЭДС в секциях, переходящих из одного участка в другой, так что в целом разность потенциалов между соседними щетками будет оставаться постоянной.

На развернутой схеме обмотки щетки располагаются по осям полюсов, следовательно, расстояние между серединами соседних щеток равно полюсному шагу в зубцах . Однополярные щетки , и , соединены между собой общими шинами. Условимся считать щетку положительной, если ток от нее идет во внешнюю цепь. Тогда щетки , будут отрицательными, а щетки , – положительными.

Если на электрической схеме простой петлевой обмотки (см. рис. 2.6) соединить между собой однополярные щетки, то получим вторую электрическую схему простой петлевой обмотки, представленную на рис. 2.7. На этой схеме относительно внешних зажимов обмотки якоря и простая петлевая обмотка якоря образует четыре параллельные ветви. Параллельная ветвь– это участок обмотки, состоящий из последовательно соединенных секций с одинаковым направлением ЭДС (тока) в них. Если щетки размещены на геометрических нейтралях, то параллельные ветви будут состоять из секций с одинаковым направлением ЭДС.

На рис. 2.7каждая из параллельных ветвей состоит из трех последовательно соединенных секций: 3, 4, 5; 7, 8, 9; 10, 11, 12 и 14, 15, 1, а секции 2, 6 и 13 замкнуты накоротко через соответствующие щетки. Электрическая схема, представленная на рис. 2.7, наглядно показывает распределение тока обмотки якоря и распределение секций этой обмотки по параллельным ветвям.

Числопараллельных ветвей обмотки якоряобозначается 2 а, и для простой петлевой обмотки всегда 2 а =2 р, так как каждая из параллельных ветвейобразована секциями, расположенными под соответствующим полюсом. Обозначим через ток одной параллельной ветви обмотки якоря и через полный ток обмотки якоря. Тогда получим следующие соотношения между этими токами: = 2 а и = /2 a.

Каждая пара щеток обеспечивает работу соответствующей пары параллельных ветвей обмотки. Поэтому при неполном комплекте щеток ухудшается использование обмотки. В процессе эксплуатации возможны случаи нарушения щеточного контакта, т.е. отключение одной или нескольких щеток, что сопровождается снижением тока машины при работе ее генератором.

На основании изложенного можно сформулировать основные свойства простой петлевой обмотки:

· последовательно соединенные секции располагаются в соседних пазах,что определяется результирующим шагом обмотки ;

· концыкаждой секции обмотки присоединяются к соседним коллекторным пластинам в соответствии с шагомпростойпетлевой обмотки по коллектору ;

· число параллельных ветвей обмотки якоря 2 а =2 р;

· число щеток на коллекторе =2 р.

Для получения тока обмотки якоря более значительного, чем при простой петлевой обмотке и при ограниченном числе пар полюсов, необходимо увеличить число параллельных ветвей обмотки. С этой целью применяют сложные петлевые обмотки. Число параллельных ветвей в сложной петлевой обмотке 2 а = 2 рm, где m– число простых петлевых обмоток, из которых составлена сложная петлевая обмотка. Обычно m =2. Простые петлевые обмотки, образующие сложную петлевую обмотку, соединяются между собой параллельно с помощью щеток.

Шаги сложной петлевой обмотки по якорю и коллектору определяются выражениями

; (2.6)

; (2.7)

. (2.8)

Извыражений(2.6) и (2.8)следует,чтопервыйи второйчастичныешагиобмотки определяютсяодними тем же выражением для простой и сложной петлевых обмоток.Выражение (2.7) показывает,что в сложной петлевой обмотке, во-первых, последовательно соединенные секции сдвинуты по якорю друг относительно друга на m зубцовых делений, т.е. расстояние между начальными активными сторонами двух последовательно соединенных секций составляет m зубцов, и, во-вторых, расстояниемежду серединами коллекторных пластин, к которым присоединенывыводы одной секции, равно m коллекторным делениям. Ширина щетки в сложной петлевой обмотке принимается равной m , т.е. =m , где – ширина коллекторного деления.

Волновые обмотки