4.3 Проектування обмотки якоря

Котушки обмотки якоря складаються з елементарних секцій і мають ширину, приблизно рівну полюсному розподілу – відстані між осями суміжних головних полюсів по дузі кола якоря. Елементарна секція складається з одного або декількох витків. Виток має два активних провідники обмотки якоря. Число елементарних секцій в обмотці якоря дорівнює числу колекторних пластин К; число котушок обмотки якоря дорівнює числу пазів Z. Кожна котушка лежить у двох пазах: в одному – в нижній, а в іншому – у верхній частині паза. Таким чином, у кожному пазу лежать дві котушки (однією стороною).

За способом з'єднання елементарних секцій якірні обмотки діляться на петльові, хвильові й комбіновані. На тягових електричних двигунах трамваїв і тролейбусів комбіновані обмотки не застосовують. Котушку обмотки якоря умовно ділять на три частини: активну, розташовану в пазах осердя, задню лобову частину, розташовану між колектором і осердя, і передню лобову частину. Розміщення котушок у пазах і їхнє з'єднання з колектором визначають кроком обмотки.

Як приклад розглянемо побудову схеми з'єднання хвильової обмотки тягового електричного двигуна трамвайного вагона потужністю 45 кВт. Параметри обмотки якоря:

- кількість провідників обмотки якоря, N - 234;

- кількість колекторних пластин, K - 117;

- кількість пазів якоря, Z - 39;

- кількість секцій у котушці, U_n - 3.

Крок обмотки за пазами визначають за формулою

y_1Z = Z/(2р) ± ε_п =39/4 ± 0,75 = 9. (1)

де р — число пар полюсів двигуна;

ε_п — укорочення кроку обмотки (при хвильовій обмотці ε_п =1/3 або 3/4, при петльовій ε_п =1/2).

Крок обмотки y_1Z повинен бути цілим числом. Крок y_1Z визначає положення котушок у пазах. Наприклад, y_1Z = 9 означає, що коли нижня сторона котушки лежить у першому пазу, то верхня сторона — в десятому.

При графічному зображенні схеми з'єднання обмоток користуються частковими кроками (кроками в елементарних секціях). Відстань між сторонами однієї і тієї ж секції називається першим частковим кроком y₁ обмотки, він характеризує ширину секції. Щоб е.р.с. сторін секцій складалася, необхідно щоб сторони секцій перебували під різними полюсами, тобто перший частковий крок повинен приблизно рівнятися полюсному розподілу вираженому в елементарних пазах.

Перший частковий крок визначається за формулою

y₁ = k / 2^.p - ε_κ = 117/4 + 0,25 = 33, (2)

де ε_κ – укорочення обмотки (у розглянутому випадку ε_κ= 0,25 для забезпечення умови рівносекційності котушок).

Крок за колектором для хвильової обмотки

у_к= (К ± 1)/р = (117-1)/2 = 58. (3)

Знак «—» ставиться до не перехрещеної обмотки, а знак «+»— до перехрещеної обмотки, в якій кінець (у_к+1)-ї секції приєднується до другої колекторної пластини. Відстань між кінцем однієї секції і початком наступної секції називається другим частковим кроком, що визначається за формулою

у₂ = у_к – у₁ = 59 - 32 = 27. (4)

На рис. 21 за розрахунковим даними побудована схема з'єднання секцій для хвильової обмотки якоря у графічному пакеті «Компас-графік».

Порядок побудови схеми з'єднань секцій обмотки якоря:

• створити новий фрагмент, дати йому ім'я і зберегти його у відповідній папці на жорсткому диску;

• задатися умовною шириною і довжиною колекторної пластини (5 й 10 мм відповідно), оскільки кроки обмотки будуть виражатися в колекторних розподілах;

Рис. 21 – Схема з'єднань секцій обмотки якоря

• щоб побудувати першу колекторну пластину, для цього необхідно на панелі інструментів вибрати кнопку Геометрія й побудова, вибрати інструмент Прямокутник і з його допомогою побудувати прямокутник з розмірами сторін 5 й 10 мм);

• добудувати до 1-ї колекторної пластини ще 116 таких же пластин у горизонтальному напрямку, кожну пластину пронумерувати з ліва на право;

• провести вісь головного полюса зверху вниз через початок (середину, кінець) n-ї колекторної пластини, позначимо її буквою d;

• провести допоміжну лінію на відстані y_1/2 ліворуч і праворуч осі ГП;

• провести допоміжну лінію на відстані y_к/2 ліворуч і праворуч осі ГП;

• з 1-ї колекторної пластини провести ламану лінію з'єднуючі контрольні ділянки обмотки якоря: колекторна пластина – передня лобова частина ліворуч від осі ГП – активна частина – задня лобова частина обмотки якоря – вісь ГП; скориставшись командою Симетрія на панелі Редагування, симетрично відобразимо побудовану ламану лінію щодо осі ГП;

• далі треба побудувати інші 116 секцій обмотки якоря так, щоб до кожної колекторної пластини були підключені один початок і один кінець кожної секції;

• далі треба добудувати інші осі ГП на відстані кратній τ, а між ними провести осі додаткових полюсів q на відстані τ/2;

• нанести на схему магнітні полюси N й S, для цього треба побудувати прямокутник на осі d довжиною рівної активної частини обмотки й шириною рівною b_пол/2, використовуючи команду Симетрія дзеркально відобразити побудований прямокутник щодо осі d. Аналогічно побудувати інші три магнітних полюси;

• нанести на схему розташування щіток, вибравши попередньо параметр - щіткове перекриття. Побудувати схему підключення колектора до напруги мережі.

Для раціонального використання розмірів якоря треба визначити оптимальний розмір паза, а для цього необхідно підібрати переріз і розташування провідників обмотки якоря. Найпоширене розташування провідників, при якому провідники лежать у горизонтальному ряді (рис. 22). При високих сторонах секцій для зниження додаткових втрат (комутаційних і від пазового поля) і зменьшення радіуса для вигину головок котушок (чим вище стрижень, тим з більшим радіусом потрібно гнути головку).

Рис. 22 – Ізоляція пазової частини якірної котушки

Вертикальне розташування стрижнів котушки в пазу знижує додаткові втрати в міді й зменшує товщину ізоляції за шириною паза, що поліпшує тепловіддачу й забезпечує більш рівномірну тепловіддачу всіх стрижнів. Істотним недоліком такого розташування є ускладнення конструкції котушки, тому що потрібно або розгортати стрижні на 90º, що потребує подовження переднього вильоту обмотки, або розплющувати кінці стрижнів при виводі їх у колектор. Згідно з [7] «перехід від вертикального до горизонтального розташування провідників дозволяє збільшувати потужність машини приблизно на 10-15%».

Розміри паза (рис. 22) залежать від розміру провідників якірної обмотки, їхнього числа, розташування, а також від ізоляційних матеріалів, застосовуваних при виготовленні котушок якоря. Ізоляція провідників обмотки якоря складається з:

• виткової ізоляції 2, що виконується з мікаленти ЛФЧ-2, товщиною 0,08…0,1мм або кремнеорганічної скломікаленти 2ЛФК товщиною 0,13 мм одним шаром у півнапуска. Якщо застосовують ізольований провід ПСДК, то товщина ізоляції на дві сторони буде дорівнювати 0,35 мм;

• стяжної ізоляції 3, що виконується склолентою товщиною 0,1 мм одним шаром у стик;

• корпусної ізоляції 4, що виконується залежно від напруги на колекторі машини (табл. 2.3 [7]), вибираємо відповідно до розглянутого варіанта мікаленту товщиною 1,04 мм на дві сторони;

• покривної ізоляції 5, що для машин до 1000 В виконується зі склоленти товщиною 0,15 мм у два шари, при укладанні обмотки якоря в паз захищає корпусну ізоляцію від механічних пошкоджень;

• прокладки з міканіту 6 товщиною 0,5 мм, для захисту від механічних пошкоджень;

• додаткової захисної ізоляції 7, що виконується зі склолакоткані товщиною 0,15 мм перед укладанням у неї котушок якоря;

• клина 8 товщиною 5 мм, що запобігає випаданню обмотки під дією відцентрової сили, що виникає при обертанні якоря;

• за шириною паза передбачається технологічний зазор на укладання 0,2...0,3 мм.

На рис. 23 наведене креслення стрижневої якірної котушки хвильової обмотки з трьома секціями, виконаними з прямокутної ізольованої міді розміром 0,9х8,0 мм марки ПСДКТ. На кресленні наведені розміри з допусками, необхідними для виготовлення котушки. Креслення котушки виконане в графічному пакеті «Компас-графік».

Котушка якоря зображена умовно з вказівкою радіуса вигину R=4мм на вузьке ребро головки для переходу з нижніх сторін у верхні й діаметри, по яких зроблений вигин лобових частин котушки, нижньої і верхньої її сторін.

Рис. 23 – Креслення котушки якоря зі стрижневою хвильовою обмоткою

Пазова частина котушки має розмір 255±2 мм, тобто на 30 мм довше сталевого осердя. Обмотка ізольована на напругу контактної мережі, а лобові частини ізольовані тільки покривною стрічкою – одним шаром у напівперекриття, як показано на розрізах А-А й Б-Б. Найбільш уразливими місцями для пробою ізоляції на корпус двигуна є вигини при переході прямолінійної пазової частини котушки в лобову частину. Ці місця повинні бути особливо надійно ізольовані.

На прямолінійну частину котушки після виходу з паза накладають додаткову безперервну ізоляцію в кілька шарів. Ця ізоляція в лобовій частині котушки зменшується поступово в межах 25...35мм від кута загину котушки. Кінці котушки, що входять у колектор, очищають від ізоляції і вигинають у шаблоні по розмірах, зазначеним із зірочкою, що дозволяє без натягу вводити кінці стрижневої обмотки в шліци колектора. Натискні шайби ізолюють гнучким міканітом й азбестовим папером.

Між верхніми й нижніми сторонами котушок на лобових частинах також прокладають ізоляцію мікалентою у три шари загальною товщиною 0,6 мм для двигунів з номінальною напругою 550 В (табл. 2.2 [2]). Інший простір, обумовлений конфігурацією лобових частин, заповнюють азбестовим папером або іншим подібним матеріалом. Ізоляція зверху лобових частин (побандажна) складається, як правило, з одного шару гнучкого міканіту товщиною 0,3-0,5 мм й одного шару електрокартону (для класу В) або гнучкого міканіту й азбестового паперу або товстої склолакоткані.

Після пайки „півників”, обточування поверхні колектора, забивання клинів і накладення тимчасового бандажа здійснюють сушіння якоря під вакуумом протягом 8—12 годин при 110—130°С, а потім просочення під тиском. Після першого просочення і сушіння на холодному якорі роблять постійне бандажування і потім друге сушіння, просочення і нове сушіння. Після пайки „півникив” і сушіння в результаті виникнення в колекторі додаткових температурних напруг іноді порушується твердість колекторного кільця за рахунок появи залишкової деформації міканіту, тому додатково підтягують гайку колектора.

Після цього роблять оздоблювальні операції: продорожку колектора (фрезерування колекторного міканіту), шліфування колектора, остаточне фарбування дугостійкою емаллю міканітової манжети, динамічне балансування якоря. Більш докладно технологічний процес описаний в [9].

Рис. 24 – Ізоляція й бандажування якоря