Обмотки якоря машин постоянного тока

Обмотка якоря является важным элементом машины и должна удовлетворять требованиям:

1) должна быть рассчитана на заданные величины напряжения и тока нагрузки, соответствующие номинальной мощности;

2) должна иметь необходимую электрическую, механическую и термическую прочность;

3) обеспечивать удовлетворительные условия токосъема с коллектора, без искрения;

4) расход материала должен быть минимальным;

5) технология изготовления должна быть простой.

Основной элемент каждой обмотки – секция, которая своими концами присоединена к двум пластинам коллектора. Секция состоит из некоторого количества параллельно или последовательно включенных витков. Секции могут быть одновитковыми и многовитковыми. Все секции обмотки обычно имеют одинаковое количество витков. Пазовые стороны секции расположены в пазах сердечника якоря. Расстояние между пазовыми сторонами секции приблизительно равно полюсному делению

,

где D_а- диаметр сердечника якоря.

В настоящее время в основном применяются обмотки якоря барабанного типа, в которых обмотки укладывают в 2 слоя в (двухслойные), расположенные на наружной поверхности якоря.

В зависимости от порядка присоединения секций к пластинам коллектора обмотки подразделяются на петлевые (параллельные) и волновые (последовательные), простые и сложные, комбинированные «лягушачьи» (в машинах большой мощности).

На схемах стороны секций верхнего слоя изображаются сплошными линиями, а нижнего – штриховыми.

Секции обмотки соединены друг с другом в последовательную цепь таким образом, что начало (н) последующей секции присоединяется вместе с концом (к) предыдущей секции к общей коллекторной пластине.

Так как каждая секция имеет два конца и к каждой коллекторной пластине присоединены так же 2 конца секций, то общее число коллекторных пластин (К) равно количеству секций обмотки (S): К=S.

В простейшем случае, в пазу находится две секционные стороны - одна в верхнем, другая – в нижнем слое. При этом число пазов якоря Z = S = K. Для удобства расположения выходящих из пазов лобовых частей, обмотки якоря выполняются двухслойными. Однослойные - при Р_н  0,5кВт.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного тока и напряжения U, и для снижения напряжения между соседними коллекторными пластинами, число пластин должно быть достаточно большим. При U_н = 110-220В К/2р = 12÷35.

C другой стороны, большое число коллекторных пластин ( число пазов) приведет к тому, что пазы будут узкими с большим количеством изоляции (зубцы непрочные, машины дорогие).

Для того чтобы правильно соединить секции обмотки между собой и с коллекторными пластинами, нужно найти шаги обмотки. Их измеряют числом элементарных пазов, причем под элементарными пазами понимают условные пазы с двумя секционными сторонами, расположенными одна над другой.

Обычно в каждом слое паза располагают рядом несколько секционных сторон (Un = 2,3,4,5). При этом К=S=U_n Z.

Тогда говорят, что в каждом реальном пазу имеется Un элементарных пазов, так что в каждом слое элементарного паза имеется одна секционная сторона  общее число элементарных пазов якоря

Zэ =U_n Z = S = K.

а б в

На рис (а) показаны реальные пазы, которые являются и элементарными. На рис.(б,в) показаны пазы, из которых каждый состоит соответственно из двух и трех элементарных пазов. Нумерация элементарных пазов производится так, как показано на рисунке.

Когда U_n >1, либо все секции имеют равную ширину, обмотка называется равносекционной. Если часть секций имеет меньшую, а часть большую ширину, обмотка называется ступенчатой. Секция обмотки укладывается таким образом, чтобы одна ее сторона находилась в верхнем слое паза, а другая сторона в нижнем слое.

равносекционная обмотка

При ступенчатой обмотке условия токосъема с коллектора лучше, хотя такая обмотка дороже (только в машинах большой мощности Р_н≈500кВт и выше).

В равносекционных обмотках U_n секций, стороны которых лежат рядом в общих пазах, объединяют в катушку и имеют общую изоляцию от стенок паза.

Классы изоляции: А и Е проводники опускают по одному в паз при изоляции, В, F, Н – изолированные катушки укладываются в открытые пазы.

Условия симметрии обмоток.

В современных якорных обмотках соединенные последовательно друг с другом секции образуют замкнутую на себя цепь. Ее изображают в виде спирали, по поверхности которой скользят щетки.

Минимальное число параллельных ветвей 2а замкнутой обмотки равно 2 (т.е. обмотка имеет одну пару (а=1) параллельных ветвей). В общем случае, а=1,2,3… , и тогда машину рассматриваем состоящей из а параллельно работающих элементарных машин, каждая из которых имеет две параллельные ветви, т.е. 2а≥2.

Для обеспечения наилучших условий работы машины необходимо, чтобы ЭДС E_a всех ветвей обмотки и их сопротивления были равны. В этом случае токи всех параллельных ветвей также будут равны:

.

Необходимо: первое - чтобы магнитная цепь была симметричной по устройству и потоки всех полюсов были равны; второе – чтобы все пары параллельных ветвей обмотки были эквивалентны, т.е. располагались в магнитном поле одинаково. Тогда обмотка симметрична.

Таким образом, чтобы обмотка была симметричной, на каждую пару параллельных ветвей должно приходиться целое число секций и коллекторных пластин.

Zэ ₌ S ₌ К _{= ц.ч. (1)}

а а а

Для симметричного расположения параллельных ветвей в магнитном поле необходимо

Z/а = ц.ч. (2) 2р/а = ц.ч. (3).

(1), (2), (3) – условия симметрии обмоток.

ЭДС секций

Далее представляем, что якорь разрезан по осевой плоскости и выпрямлен так, что пазы и обмотка якоря лежат в одной плоскости.

Передвигаясь, справа налево относительно неподвижных полюсов, а полюсы находятся перед плоскостью чертежа. При этом ЭДС в проводниках обмотки будут направлены под северными полюсами вниз, а под южными – вверх.

ЭДС Е – мах, если ширина секции (или первый частичный шаг обмотки у₁) равна полюсному делению, так как при этом максимальное потокосцепление секции определяется полным потоком полюса в воздушном зазоре. При любом положении вращающегося якоря стороны секции находятся под разноименными полюсами и в них индуцируются ЭДС противоположных направлений, которые по контуру секции складываются.

Шаг секции у₁ (основной или первый частичный шаг) должен быть приблизительно равен . При у₁≈ - шаг полный или диаметральный. Но обычно обмотка выполняется с у₁, у₁ - удлиненный и у₁ - укороченный.

Шаг секции можно представить

у_1z = Z/2рε_z ,

где ε_z - 1, такая дробь, при которой у_1z - целое число (ε = 0, шаг полный).

Звезда ЭДС. В секциях и во всей обмотке индуцируются  Е, которые могут быть изображены векторной диаграммой (рассматривают только основную, т.е. первую гармонику кривой).

В кривой поля под полюсами В_б можно выделить первую гармонику В_б1, период которой В_б1 = 2. Т.о. дуга окружности машины соответствующая 2 = 2 = 360 электр. град.

Полная окружность якоря или геометрический угол 360, соответствует электрическому углу р*360эл.

Различные пазы якоря располагаются относительно основной гармоники поля полюсов различным образом, поэтому основные гармоники ЭДС проводников различных пазов будут сдвинуты по фазе на угол  = р*360/Z.

Если вычертить векторы ЭДС проводников всех пазов, то получаем звезду пазовых ЭДС.

Векторы вращаются с угловой скоростью  = 2 = 2рn против часовой стрелки, и их проекция на ось времени (неподвижная) = мгновенным значениям ЭДС. Обычно ось времени направлена вертикально вверх.

Зубцовые пульсации ЭДС. Зубчатое строение якоря способствует пульсации ЭДС секций и ЭДС обмотки в целом.

Магнитное сопротивление воздушного зазора меняется между полюсом и якорем при повороте, возникают пульсации величин магнитного потока полюсов с частотой z =Zn и  пульсация ЭДС с такой же частотой в обмотке.

Чтобы избежать этого выбирают z/р – нечетное число. При этом, сумма магнитных сопротивлений воздушных зазоров под двумя соседними полюсами при повороте якоря изменяться не будет и пульсации (продольные) магнитного потока исчезнут. От поперечных пульсаций избавляются, используя скос пазов относительно полюсного наконечника. При скосе пазов снижается шум машины.