Электрические машины и преобразователи подвижного состава(Раздел I. Глава 1)

   Электрическая машина служит для преобразования:
   • подводимой к ней механической энергии в электрическую.
   • электрической энергии в механическую.
   • электрической энергии в электрическую другого рода тока, другого напряжения или частоты.

Выработка электроэнергии на объектах подвижного состава осуществляется путем преобразования тепловой энергии, полученной при сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания, в механическую энергию вращения коленчатого вала, которая приводит в действие электрическую машину – генератор. Значительная часть потребляемой электрической энергии вновь преобразуется в механическую энергию, необходимую для приведения в действие различных машин, механизмов, станков и подвижного состава. Это преобразование осуществляется при помощи электрических машин, называемых электрическими двигателями. Главным назначением электрических машин является работа в качестве генераторов или двигателей. Для преобразования рода тока (например, переменного тока в постоянный и наоборот), напряжения, а также для усиления мощности электрических сигналов используются электромашинные преобразователи.

Коллекторная машина – электрическая машина (генератор, двигатель), у которой обмотка якоря (ротора) соединена с коллектором. Коллекторные машины предназначены, в основном, для работы на постоянном токе. Существуют универсальные коллекторные машины небольшой мощности, работающие как на постоянном, так и на переменном токе. При работе электрической машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую, в соответствии с законом электромагнитной индукции. Сущность этого закона состоит в следующем: если внешняя сила перемещает проводник в магнитном поле со скоростью у, например, слева направо перпендикулярно вектору магнитной индукции В, то в проводнике будет наводиться ЭДС (машина работает в режиме генератора):

   где Е – электродвижущая сила, индуцируемая в проводнике, В;
   В – магнитная индукция, Тл;
   l – активная длина проводника, т.е. длина его части, находящейся непосредственно в магнитном поле, м. /p>

Формула (1.1) определяет лишь величину ЭДС. Для определения направления ЭДС существует известное из курса физики правило правой руки. Согласно этому правилу на рис. 1.1 ЭДС в проводнике направлена «от нас». Если концы проводника замкнуть на внешнее сопротивление (потребитель), то под действием ЭДС в проводнике потечет ток такого же направления. Если же по витку пропускать электрический ток I, магнитные поля 2 полюсов N и S и проводника 1 взаимодействуют между собой, вследствие чего возникает электромагнитная сила F_эм, действующая на проводник (машина работает в режиме двигателя):

Направление силы F_эм можно определить по правилу левой руки. В рассматриваемом случае эта сила направлена справа налево. Таким образом, в генераторе электромагнитная сила F_эм является тормозящей по отношению к движущей силе F. При равномерном движении проводника эти силы уравновешивают друг друга, т.е. F = F_эм. Умножим обе части этого равенства на скорость движения проводника:

Подставив в формулу (1.3) выражение для F_эм из формулы (1.2), получим:

Левая часть равенства (Fv) характеризует величину механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле, а правая часть (EI) – величину электрической мощности, развиваемой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равенства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, затрачиваемая внешней силой, преобразуется в электрическую мощность.

Рис. 1.1. Взаимодействие магнитных полей полюсов и проводника с током.
1 – магнитное поле проводника с током; 2 – основное магнитное поле.

Под действием силы F_эм проводник перемещается в магнитном поле, и в нем индуцируется ЭДС Е. Если к проводнику не прикладывать внешнюю силу F, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение U, то на проводник будет действовать только электромагнитная сила F_эм. Под действием этой силы проводник будет перемещаться в магнитном поле. При этом в проводнике индуцируется ЭДС, направленная противоположно приложенному к проводнику напряжению U. Таким образом, часть этого напряжения уравновешивается электродвижущей силой Е, наведенной в этом проводнике, а другая часть определяет величину падения напряжения в проводнике:

где r – электрическое сопротивление проводника, Ом. Для определения баланса мощностей умножим обе части выражения (1.5) на ток I:

Подставляя в правую часть равенства (1.6) вместо Е выражение для ЭДС из формулы (1.1), получим:

Поскольку согласно формуле (1.2) Вil = F_эм, то выражение (1.7) можно переписать как

Из равенства (1.8) следует, что одна часть электрической мощности (UI), поступающей в проводник, преобразуется в механическую энергию (F_эмv), а другая идет на покрытие электрических потерь в проводнике (I²²r). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель. Рассмотренные процессы преобразования энергии дают возможность сделать весьма важный вывод: необходимым условием работы электрической машины является наличие проводников и магнитного поля. При этом преобразование энергии может происходить в любом направлении, т.е. электрическая машина может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Такое свойство электрических машин постоянного тока называется обратимостью. Это свойство широко используется на локомотивах: тяговые генераторы работают в режиме электродвигателя при запуске дизеля, а тяговые электродвигатели – в режиме генератора при торможении.

1.2. Принцип действия электрической машины постоянного тока.

Рассмотрим работу простейшей машины постоянного тока коллекторного типа (рис. 1.2) в режиме генератора. Между двумя полюсами постоянного магнита (N и S) помещена вращающаяся часть машины – якорь, который приводится во вращение первичным двигателем, например турбиной или двигателем внутреннего сгорания. Якорь машины состоит из стального цилиндра, на котором расположена обмотка в виде витка abcd. Концы витка присоединены к двум пластинам (полукольцам), изолированным друг от друга. Эти пластины образуют важную часть машины – коллектор. К щеткам А и В присоединяется нагрузка генератора. В процессе работы машины коллектор вращается вместе с валом, а щетки А и В остаются неподвижными. Предположим, что якорь генератора вращается против часовой стрелки, тогда в проводниках обмотки якоря индуцируется ЭДС, направление которой указано на рисунке стрелками. Мгновенное значение этой ЭДС для одного проводника обмотки определяется по формуле:

Активная длина проводника l в данном случае – величина неизменная, поэтому если скорость движения якоря в процессе работы генератора тоже остается неизменной, то в формуле (1.9) их произведение будет постоянной величиной (const). Это дает возможность записать формулу (1.9) в виде е = constВ. Эта формула показывает, что величина и направление ЭДС в обмотке якоря определяются исключительно величиной и направлением магнитной индукции В в воздушном зазоре между якорем и полюсами. При вращении якоря генератора проводники его обмотки поочередно занимают положения в магнитном поле с разными значениями магнитной индукции, поэтому в обмотке якоря генератора наводится переменная ЭДС. При этом график изменения ЭДС в зависимости от времени соответствует диаграмме распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Так, например, при синусоидальном характере распределения магнитной индукции в воздушном зазоре ЭДС, а следовательно, и ток в обмотке якоря также синусоидальный (рис. 1.3). Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи генератора был бы переменным. С помощью коллектора и щеток А и В переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток, т.е. ток, неизменный по направлению. При изображенном на рис. 1.2 положении витка abcd ток внешней цепи генератора направлен от щетки А к щетке В. Руководствуясь тем, что во внешней части цепи ток направлен от положительного зажима к отрицательному, определяем полярность щеток: щетка А имеет полярность « + », а щетка B – « - ».

Рис. 1.2. Простейшая машина постоянного тока коллекторного типа:
n – частота вращения якоря

После того как якорь повернется на угол α = 180 °, направление тока в витке abcd изменится на обратное. Однако полярность щеток, а следовательно, и направление тока во внешней части цепи остаются неизменными. Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щетками А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под полюсом N, а под щеткой В – пластина, соединенная с проводником, расположенным над полюсом S. Благодаря этому ток во внешней цепи генератора имеет постоянное направление, а его величина остается переменной: когда проводники обмотки abcd находятся под серединой полюсов, ток имеет максимальное значение, а когда на геометрической нейтрали – ток равен нулю. Таким образом, с помощью коллектора в генераторе постоянного тока происходит преобразование переменного тока в обмотке якоря в пульсирующий ток во внешнем участке цепи.

Рис. 1.3. Изменение направления тока в проводнике якоря, имеющего один виток обмотки.
─── изменение тока генератора, ---- изменение тока в проводнике якоря.

Рис. 1.4. График выпрямленного тока генератора, якорь которого имеет два витка.

Пульсации тока во внешней цепи генератора можно уменьшить, если выполнить обмотку якоря из нескольких витков, каждый из которых присоединен к соответствующей паре коллекторных пластин. Так, например, если якорь имеет всего два витка, сдвинутых в пространстве под углом 90°, пульсации тока заметно уменьшаются (рис. 1.4). При большем числе витков в обмотке якоря пульсации становятся еще меньше. Практически уже при 16 витках в обмотке (и соответственно 16 пластинах в коллекторе) пульсации тока становятся незаметными и ток во внешней цепи (в нагрузке) генератора можно считать постоянным не только по направлению, но и по величине. В связи с этим современные коллекторные машины постоянного тока обычно имеют большое число коллекторных пластин и секций обмотки на якоре.

1.3. Устройство электрической машины постоянного тока.

Электрическая машина постоянного тока конструктивно состоит из двух частей: магнитной системы, создающей магнитное поле, и вращающегося в подшипниках якоря с обмоткой 9 и коллектором 1 (рис. 1.5). Эти части разделены воздушным зазором. Магнитное поле в электрических машинах постоянного тока создается обмотками возбуждения 5, расположенными на сердечниках полюсов 4 и питаемыми постоянным током. Число полюсов выбирается в зависимости от мощности и назначения электрической машины для подвижного состава и может колебаться от двух до двенадцати. Обычно магнитную систему выполняют в виде сплошной стальной станины 6 со съемными шихтованными сердечниками 4. Рассмотрим конструкцию отдельных узлов машины постоянного тока.

Станина.
В машинах постоянного тока станина в первую очередь служит магнитопроводом для магнитного потока главных и добавочных полюсов. Кроме того, на ней крепятся полюса и подшипниковые щиты. Поэтому конструкция станины машин постоянного тока может быть литой из стали, сварной из толстолистовой или шихтованной из электротехнической стали. Станина должна обладать достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. Толщина стенки станины выбирается такой, чтобы обеспечить необходимую величину магнитной индукции, и должна составлять не менее половины поперечного сечения главных полюсов. Внутренний диаметр станины определяется с учетом необходимости для размещения якоря, главных и добавочных полюсов и их обмоток. В станинах из стального литья, например, у тяговых электродвигателей локомотивов, для которых важную роль играет уменьшение массы, поперечное сечение может быть уменьшено по осям главных полюсов, так как магнитный поток, переходящий с главного полюса на станину, равномерно распределяется по всей ширине полюса. Для машин постоянного тока с высокими динамическими нагрузками магнитной цепи, например при питании от статических преобразователей, высоких скоростях нарастания тока якоря, а также при быстром нарастании тока возбуждения, необходимо при изготовлении станины использовать шихтованные листы из электротехнической стали. Часть станины, образующая коллекторное пространство и не являющаяся магнитопроводом, имеет относительно небольшую толщину стенки, необходимую для обеспечения механической прочности.

Иногда эта часть электрической машины выполняется в виде отдельных ребер, закрытых тонкостенными кожухами. Внутренний диаметр станины определяется с учетом необходимости для размещения якоря, главных и добавочных полюсов и их обмоток. В станинах из стального литья, например, у тяговых электродвигателей локомотивов, для которых важную роль играет уменьшение массы, поперечное сечение может быть уменьшено по осям главных полюсов, так как магнитный поток, переходящий с главного полюса на станину, равномерно распределяется по всей ширине полюса. Для машин постоянного тока с высокими динамическими нагрузками магнитной цепи, например при питании от статических преобразователей, высоких скоростях нарастания тока якоря, а также при быстром нарастании тока возбуждения, необходимо при изготовлении станины использовать шихтованные листы из электротехнической стали.

Рис. 1.5. Общий вид машины постоянного тока.
1 – коллектор; 2 – щетка; 3 – сердечник якоря; 4 – сердечник главного полюса;
5 – обмотка возбуждения; 6 – станина; 7 – подшипниковый щит;
8 – вентилятор; 9 – обмотка якоря.

Часть станины, образующая коллекторное пространство и не являющаяся магнитопроводом, имеет относительно небольшую толщину стенки, необходимую для обеспечения механической прочности. Иногда эта часть электрической машины выполняется в виде отдельных ребер, закрытых тонкостенными кожухами.

Главные полюса.
Магнитное поле в машине постоянного тока создается магнитодвижущей силой (МДС) обмотки возбуждения, которая выполняется в виде катушек 3, надетых на сердечники 2 главных полюсов (рис. 1.6). Со стороны, обращенной к якорю, сердечник заканчивается полюсным наконечником (башмаком) 4, посредством которого обеспечивается равномерное распределение магнитного потока по поверхности якоря. Для снижения потерь башмаки шихтуются из электротехнической стали, а сердечники выполняются монолитными. Однако на практике, как правило, не используют составную конструкцию в виде полюсного сердечника 2 и полюсного башмака 4 и шихтуют главный полюс целиком. Такая конструкция обеспечивает уменьшение вихревых токов в сердечнике полюса, возникающих в результате пульсации магнитной индукции в полюсных наконечниках из-за зубчатой поверхности якоря. Шихтованный из лакированных листов стали полюс прессуется под давлением 200 кПа. Листы стягиваются пропущенными через сердечник болтами или специальными заклепками с нажимными щеками. Болты или заклепки должны распределяться в полюсе как можно более равномерно и выдерживать упругую реакцию сжатого полюса. Нажимные щеки, в которых размещаются головки заклепок или болтов, изготовляются из отожженных стальных листов толщиной 8...20 мм в зависимости от поперечного сечения и длины полюса.

Рис. 1.6. Главный полюс машины постоянного тока:
1 – станина; 2 – сердечник полюса; 3 – катушки обмотки возбуждения;
4 – полюсный башмак; 5 – воздушный зазор

В компенсированных машинах постоянного тока (тепловые генераторы) в полюсных башмаках выштамповываются пазы для размещения компенсационной обмотки, поэтому башмаки в этих машинах имеют большие размеры, чем в компенсированных машинах. Полюса крепятся к станине болтами или шпильками. Полюсные катушки выполняются из медного провода, намотанного на каркас из изолирующего материала. Иногда катушку делят по высоте на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Такая конструкция обеспечивает лучшее охлаждение катушки.

   Добавочные полюса.
   Практически на всех машинах постоянного тока мощностью свыше 1 кВт с целью уменьшения искрения на щетках устанавливаются добавочные полюса.
   Добавочный полюс (рис. 1.7) состоит из сердечника 1 и катушки 2, выполненной из медного изолированного провода с сечением, рассчитанным на рабочий ток машины, так как катушка этого полюса включается последовательно с обмоткой якоря. Сердечник добавочного полюса изготовляется из стали и имеет монолитную конструкцию, поскольку из-за малой величины магнитной индукции в сердечнике практически не индуцируются вихревые токи.
   Добавочные полюса устанавливают посередине между главными полюсами и крепят к станине болтами. Воздушный зазор под добавочными полюсами значительно больше, чем под главными. Для его регулирования применяются регулировочные пластины из магнитного или немагнитного материала. Окончательная величина воздушного зазора устанавливается при настройке коммутации электрической машины путем построения предельных кривых зоны безыскровой коммутации. Как правило, в машинах большой мощности воздушный зазор под добавочным полюсом разделяется на две части: сердечник – станина и сердечник – якорь.

Рис. 1.7. Добавочный полюс машины постоянного тока.
1 – сердечник, 2 – катушка.

Якорь.
В машинах постоянного тока якорь состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря имеет форму цилиндра. При изготовлении сердечника используют штампованные листы из электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Листы изолируют при помощи лака или бумаги. Собранный сердечник удерживается в сжатом состоянии нажимными шайбами. Такая конструкция сердечника якоря дает возможность уменьшить в нем потери энергии от действия вихревых токов, возникающих в результате перемагничивания сердечника при вращении якоря в магнитном поле. Для охлаждения машины в сердечниках якоря выполнены вентиляционные каналы. На поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые укладывается обмотка якоря. Обмотку якоря выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения и укладывают в пазах сердечника якоря, тщательно изолируя от сердечника.

Обмотка якоря состоит из секций, концы которых припаиваются к пластинам коллектора. Для прочного закрепления проводов обмотки в пазах сердечника якоря применяются деревянные, гетинаксовые или текстолитовые клинья. Однако деревянные клинья не обеспечивают надежного крепления, так как при высыхании они уменьшаются в размерах и могут выпасть из паза. В машинах малой мощности пазы не закрывают, а прикрывают сверху бандажом. Для того чтобы бандаж не выступал за пределы якоря, диаметр углубления под бандаж должен быть меньше диаметра якоря. Бандаж выполняют из стальной проволоки или стеклоткани, наматываемой непосредственно на лобовые части обмотки. 11 /

Коллектор состоит из активной части и крепежной конструкции (рис. 1.8). Коллекторные пластины 7 выполняют из холоднокатаной (коллекторной) меди и изолируют друг от друга прокладками из коллекторного миканита – смеси чешуек слюды и шеллака в качестве связующего компонента (около 5%). При повышенных механических и термических требованиях коллекторные пластины изготавливают из меди с добавкой серебра (около 0,1) или циркония (около 0,06). Оба сплава имеют высокую электропроводность и повышенный предел текучести при повышенной температуре при стабильном пределе прочности на растяжение. К выступающей части коллекторной пластины (петушок 5) припаивают провода обмотки якоря.

Рис. 1.8. Общий вид коллектора машины постоянного тока.
1 – корпус; 2 – стяжной болт; 3 – нажимное кольцо; 4 – изоляция;
5 – петушок; 6 – нижний край пластины; 7 – пластина.

Нижний край пластины 7 выполнен в виде «ласточкина хвоста». После сборки коллектора край 6 оказывается зажатым между двумя нажимными кольцами 3, изолированными от коллекторных пластин миканитовыми конусами и цилиндрами. Чтобы миканитовые прокладки при изнашивании пластин коллектора не выступали над пластинами, изоляция должна быть утоплена на глубину до 1,5 мм от поверхности скольжения коллектора в радиальном направлении. Благодаря этому уменьшается опасность возникновения кругового огня при электрическом перекрытии от пластины к пластине и, кроме того, устраняется трение мягких угольных щеток о миканит.

   В зависимости от положения поверхности скольжения щеток различают две основные группы коллекторов: дисковые и цилиндрические. У дискового коллектора поверхность скольжения находится в плоскости, перпендикулярной оси. У цилиндрического (барабанного) коллектора поверхность скольжения параллельна оси. Чаще всего в настоящее время применяются цилиндрические коллекторы. В зависимости от способа крепления коллекторных пластин различают две группы цилиндрических коллекторов:
   - коллектор, медные пластины которого запрессовываются в пластмассу. Пластмасса в этом случае является скрепляющим и изолирующим материалом. Такая конструкция коллектора проста в изготовлении, но может применяться лишь для машин малой мощности и при частоте вращения до 10000 об/мин;
   - коллектор арочной конструкции. Торцовые поверхности коллектора, имеющие форму «ласточкина хвоста», зажимаются при помощи V-образных нажимных колец так, что на наклонную часть поверхности коллекторных пластин действует нормальное давление. В этом случае между внутренней поверхностью выточки коллекторных пластин и наружным диаметром нажимных колец обязательно должен быть зазор. Пластины коллектора изолируют от нажимных колец специальными прокладками. Для соединения коллекторных пластин с обмоткой якоря при небольшой разнице диаметров якоря и коллектора коллекторные пластины удлиняют вверх, до достижения диаметра якоря (гребенчатый коллектор). У малых электрических машин с обмоткой из проводников круглого сечения концы проводников обычно закладываются непосредственно в выфрезерованные в коллекторной пластине пазы. Пайка производится методом погружения, а затем коллектор обтачивается. Однако в большинстве случаев, в особенности при существенной разнице диаметров якоря и коллектора, пластины соединяются с обмоткой якоря посредством так называемых петушков. В пластинах со стороны якоря перед сборкой коллектора выфрезеровывают прорези (шлицы). Коллекторные петушки впаиваются в эти шлицы с помощью мягкого припоя. Петушки изготовляют из полосовой меди толщиной от 0,5 до 1,5 мм и лудят. Соединение с концами обмоток производится с помощью стяжных скоб.

Щеточное устройство.
Электрический контакт с поверхностью коллектора в машине постоянного тока осуществляется с помощью щеток. Они устанавливаются в щеточном устройстве, которое состоит из щеточной траверсы, пальцев и щеткодержателей.

   Щеткодержатели крепятся непосредственно или через зажимные элементы на щеточных болтах изолированно, или же монтируются без изоляции непосредственно на щеточных бракетах (кронштейнах) или щеточных траверсах, которые изолированы относительно корпуса. Щеткодержатели вместе с траверсами выполняют следующие функции:
   - удерживают щетки в установленном радиальном или наклонном, а также аксиальном и окружном направлениях, обеспечивая свободное перемещение щеток без перекоса при работе и по мере их износа;
   - обеспечивают требуемое давление на щетки, которое должно быть по возможности постоянным во всем диапазоне допустимого износа щеток. Это осуществляется благодаря применению специальной кинематической схемы щеткодержателя или регулированием давления вручную. Чрезмерное давление может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточное – искрение на коллекторе;
   - передают ток щеток (раздельно для положительных и отрицательных щеток) в якорную цепь или из нее.

Во избежание замыкания щеткодержатели должны быть изолированы от корпуса электрической машины. Для уменьшения вибрации щеткодержатель должен иметь достаточную жесткость. Щетки каждой полярности должны иметь поперечное сечение не более 1000 мм2. Это означает, что при допустимой плотности тока 0,1 А/мм2 одна щетка может выдерживать максимальный ток 100 А. При необходимости увеличения общего тока устанавливают несколько щеток. Причем действует правило, что на один щеточный бракет допускается максимальный ток 1000 А. В машинах постоянного тока размеры и положение щеткодержателей по окружности коллектора определяют допустимым щеточным перекрытием (отношением длины дуги одновременно перекрываемых щеткой коллекторных пластин к длине коллекторного деления). Название «щетка» возникло в начальный период практической электротехники, когда первые устройства этого рода действительно были щетками или кисточками. Они состояли из собранных в пучок медных проволок, которые свободным концом скользили по коллектору или контактным кольцам. В настоящее время такое наименование уже не соответствует действительности, но оно прочно вошло в международную техническую терминологию. Термин «угольные щетки» применяют не только к щеткам, состоящим исключительно из угля, но и к щеткам, содержащим большее или меньшее количество медного порошка (см. Приложение). Следует учитывать, что угольные щетки имеют отрицательный температурный коэффициент, т. е. их электропроводность увеличивается с повышением температуры. Поэтому необходимо, чтобы на одной машине применялись только щетки с одинаковой электропроводностью. В противном случае, возможно, что одна из более горячих щеток будет проводить больше тока, чем другие, и нагреется вследствие этого еще больше. В результате произойдет дальнейшее нарушение распределения тока между параллельно включенными щетками. Помимо рассмотренных узлов в конструкцию машины входят два подшипниковых щита: передний (со стороны коллектора) и задний. Щит с помощью болтов крепится к станине. В центральной части щита имеется расточка под подшипник. Обычно в машинах применяются шариковые или роликовые подшипники качения. Лишь в некоторых машинах с целью обеспечения бесшумности применяют подшипники скольжения. Подвод и снятие напряжения с электрических машин, а также подвод тока к обмоткам возбуждения осуществляется через специальные зажимы. Эти зажимы закреплены на планках или клеммных коробках, расположенных на станине, а в некоторых машинах на переднем подшипниковом щите. Выводы обмоток машин постоянного тока обозначаются по ГОСТ 26772 – 85 следующим образом:

Обмотка якоря	Я1 и Я2
Обмотка добавочных полюсов	Д1 и Д2
Обмотка компенсационная	К1 и К2
Обмотка возбуждения параллельная (шунтовая)	Ш1 и Ш2
Обмотка возбуждения последовательная (сериесная)	С1 и С2

Цифрой 1 обозначаются начала обмоток, а цифрой 2 – концы.

1.4. Обмотки машины постоянного тока

Итак, для работы коллекторной машины постоянного тока необходимо наличие в ней двух обмоток: обмотки возбуждения и обмотки якоря. Первая служит для создания в машине магнитного поля, т. е. для возбуждения. В якорной обмотке индуцируется ЭДС, под действием которой возникает электрический ток и, как следствие, электромагнитный момент. Обмотка состоит из соединенных между собой витков. Каждый виток имеет две активные стороны 1 и 3 и лобовую часть 2 (рис. 1.9). Исключение составляют магнитоэлектрические машины постоянного тока, в которых имеется лишь одна (якорная) обмотка, так как магнитное поле (возбуждение) в этих машинах создается постоянными магнитами.

Таким образом, обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору. Простейшей частью обмотки является секция – два проводника, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном полюсному шагу или незначительно отличающемся от него, и присоединяемых к двум коллекторным пластинам. Суммарная ЭДС секции будет наибольшей, если ЭДС активных сторон равны по величине и сдвинуты по фазе на 180 эл. град. В этом случае при обходе секции ЭДС складываются арифметически. В лобовых частях секции ЭДС не индуцируется. Это происходит, когда ширина (шаг) секции по пазам якоря равна полюсному делению τ. Такую обмотку называют диаметральной. Часть поверхности якоря, приходящуюся на один полюс, называют полюсным делением и определяют по формуле:

где τ – полюсное деление, м; D – диаметр якоря, м; 2р – число главных полюсов в машине. Секции укладываются в пазах сердечника якоря в два слоя, при этом если одна из активных сторон секции находится в нижней части одного паза, то ее другая сторона находится в верхней части другого паза. Верхняя активная сторона одной секции и нижняя активная сторона другой, уложенные в одном пазу, образуют элементарный паз (Zэ). В реальном пазу может быть и более двух активных сторон, например четыре, шесть, восемь и т. д. В этом случае считается, что реальный паз состоит из нескольких элементарных пазов. Так как секция имеет две активные стороны, то каждой секции соответствует один элементарный паз. Концы секции присоединяются к коллекторным пластинам, при этом к каждой пластине присоединяются конец одной секции и начало следующей, т. е. на каждую секцию приходится одна коллекторная пластина. Таким образом, для якорной обмотки можно записать следующее равенство:

   где S – число секций в обмотке якоря;
   Zэ – число элементарных пазов;
   К – число коллекторных пластин.

Рис. 1.9. Виток якорной обмотки.
1, 3 – активные стороны обмотки; 2 – лобовая часть.

   В зависимости от формы секций и способа присоединения их к коллектору различают следующие типы якорных обмоток:
   - простая петлевая;
   - сложная петлевая;
   - простая волновая;
   - сложная волновая;
   - комбинированная (лягушечья).

1.4.1. Простая петлевая обмотка.

При изготовлении петлевой обмотки сначала последовательно соединяют секции, расположенные под одним полюсом, а затем соединяют секции, расположенные под следующим полюсом, и т. д. В простой петлевой обмотке якоря каждая секция присоединяется к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. При укладке секций на сердечник якоря начало каждой последующей секции соединяют с концом предыдущей, постепенно перемещаясь при этом по поверхности якоря (и коллектора) так, что за один обход укладывают все секции обмотки. В результате конец последней секции оказывается соединенным с началом первой, т. е. обмотка замыкается. На рис. 1.10 изображены две секции простой петлевой обмотки и обозначены шаги обмотки.

Шаг обмотки – это расстояние между двумя активными сторонами секций, выражаемое числом находящихся между ними элементарных пазов. Реальный паз может состоять из одного или нескольких элементарных пазов, т.е. по ширине паза может располагаться одна или несколько сторон секций. Кратчайшее расстояние между активными сторонами первой секции на поверхности якоря называют первым частичным шагом обмотки по якорю ух. Это расстояние измеряется в элементарных пазах и, как было указано ранее, должно быть равно или незначительно отличаться от полюсного деления. Расстояние между активной стороной нижнего слоя второй секции и активной стороной верхнего слоя первой секции называют вторым частичным шагом обмотки по якорю у2 и измеряют в элементарных пазах. Знание шагов обмотки у1 и у2 дает возможность определить результирующий шаг обмотки по якорю у, который представляет собой расстояние между расположенными в одном слое активными сторонами двух следующих друг за другом секций, т. е.

у1 к у2 – первый и второй частичные шаги обмотки по якорю;
ук – шаг обмотки по коллектору; у – результирующий шаг обмотки по якорю; К – коллектор.

Укладывая секции обмотки, мы перемещаемся не только по сердечнику якоря, но и по коллектору. Расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым присоединены начало и конец одной секции, называют шагом обмотки по коллектору ук. Как следует из определения, начало и конец каждой секции простой петлевой обмотки присоединяются к рядом лежащим коллекторным пластинам, следовательно:

В выражении (1.12) знак «+» соответствует правоходовой обмотке, а знак «-» – левоходовой. Для определения всех шагов простой петлевой обмотки достаточно рассчитать первый частичный шаг по якорю:

где ε – величина, меньшая единицы, используемая для получения у1, выраженного целым числом. На основании формулы (1.12) определяем второй частичный шаг обмотки:

   Прежде чем приступить к построению развернутой схемы обмотки (рис. 1.11), необходимо отметить следующее:
   - все пазы сердечника якоря и секции обмотки нумеруются. При этом номер секции определяется номером паза, в верхней части которого находится одна из ее активных сторон;
   - активные стороны верхнего слоя изображают на схеме сплошными линиями, а стороны нижнего слоя – пунктирными так, что одна половина секции, относящаяся к верхнему слою, показывается на схеме сплошной линией, а другая, относящаяся к нижнему слою, – пунктирной. На листе бумаги размечают пазы и наносят контуры полюсов. При этом следует учесть, что изображенный на схеме полюс представляет собой зеркальное отражение полюса, находящегося над якорем. При выполнении схемы обмотки ширину полюса следует принять приблизительно равной 0,8τ. Полярность полюсов чередуется: N – S – N – S.
   Затем изображают коллекторные пластины и наносят на схему первую секцию, активные стороны которой расположены в пазах 1 и 4. Значение шага у1 рассчитывают по формуле (1.13).

Рис. 1.11. Развернутая схема простой петлевой обмотки.

Коллекторные пластины, к которым присоединены концы первой секции, обозначают цифрами 1 и 2. Затем нумеруют остальные коллекторные пластины и последовательно наносят на схему другие секции (вторую, третью и т.д.). Последняя секция (двенадцатая) должна замкнуть обмотку, что будет свидетельствовать о правильно выполненной схеме. Далее на схеме изображают щетки. Расстояние между щетками, например А1 и Б2 должно соответствовать полюсному делению, т.е. должно составлять К/2р коллекторных делений. Электрический контакт якорной обмотки с внешней цепью осуществляется через коллектор и щетки. Наибольшее значение ЭДС машины соответствует положению щеток на геометрической нейтрали. Но так как коллекторные пластины, к которым присоединены секции, смещены относительно активных сторон этих секций приблизительно на 1/2τ, то щетки следует располагать на коллекторе по оси главных полюсов машины. Предположим, что машина работает в режиме генератора и ее якорь вращается в направлении слева направо. Воспользовавшись правилом правой руки, определяем направление ЭДС (тока), индуцируемой в активных сторонах секций. Это дает нам возможность установить полярность щеток: щетки А1 и А2, от которых ток отводится во внешнюю цепь, являются положительными, а щетки В1 и В2 – отрицательными. Щетки одинаковой полярности соединяют параллельно и подключают к соответствующим выводам машины. При этом щетки положительной полярности чередуются со щетками отрицательной полярности. Схема простой петлевой обмотки состоит из четырех участков, каждый из которых образует параллельную ветвь обмотки и представляет собой несколько последовательно соединенных секций с одинаковым направлением тока. Затем приступают к обходу секций обмотки, начиная с первой секции. Далее идут вторая и третья секции, которые образуют одну параллельную ветвь, в то время как первая секция оказывается замкнутой накоротко щеткой В1. Подобным образом обходят всю обмотку. В результате получается электрическая схема обмотки с четырьмя параллельными ветвями, где каждая параллельная ветвь содержит две последовательно включенные секции. Электродвижущие силы секций в пределах каждой параллельной ветви складываются. Так как все ветви соединены параллельно, то ЭДС всей обмотки якоря определяется величиной ЭДС одной параллельной ветви, тогда как величина тока якорной обмотки равна сумме токов всех ветвей обмотки:

   где Iя – величина тока якорной обмотки, А;
   2а– число параллельных ветвей обмотки;
   ia – величина тока одной параллельной ветви, А.

Рассматриваемая обмотка якоря содержит четыре параллельные ветви, т.е. столько же, сколько главных полюсов в машине. Это совпадение не случайно, так как в простой петлевой обмотке число параллельных ветвей всегда равно числу главных полюсов машины:

Число параллельных ветвей в обмотке якоря влияет на основные рабочие параметры машины – напряжение и величину тока.

1.4.2. Сложная петлевая обмотка.

Итак, в простой петлевой обмотке число параллельных ветвей равно числу главных полюсов машины. При необходимости получить обмотку с большим числом параллельных ветвей, например, как это требуется в низковольтных машинах с большими токовыми нагрузками, пришлось бы делать машину многополюсной, что обусловило бы увеличение ее размеров и стоимости. Хорошим решением в такой ситуации является применение сложной петлевой обмотки, которая сочетает в себе несколько простых обмоток (ходов), уложенных на один якорь. Число параллельных ветвей в сложной петлевой обмотке составляет:

где m – коэффициент кратности, определяющий число простых петлевых обмоток, из которых составлена сложная обмотка. Ширина щеток в машине со сложной петлевой обмоткой принимается такой, чтобы каждая щетка одновременно перекрывала не менее m коллекторных пластин, т.е. столько пластин, сколько простых обмоток содержится в сложной. В этом случае простые обмотки оказываются соединенными параллельно друг с другом. Для того чтобы щетка могла соединять эти обмотки параллельно, пришлось раздвинуть стороны секции и коллекторные пластины одной обмотки и разместить между ними стороны секции и коллекторные пластины другой обмотки. Поэтому шаг обмотки по коллектору и результирующий шаг по якорю сложной обмотки по сравнению с этими же параметрами простой петлевой обмотки увеличился в m раз:

Первый частичный шаг обмотки по якорю подсчитывается по формуле (1.13).

1.4.3. Простая волновая обмотка.

В волновых обмотках последовательно соединяются секции, начала которых расположены под соседними парами полюсов (рис. 1.12). Таким образом, в четырехполюсной машине при одном обходе вокруг якоря последовательно соединяются две секции, в шести- и восьмиполюсных машинах соответственно три и четыре секции и т.д. Концы секций волновой обмотки присоединяются к коллекторным пластинам, удаленным друг от друга на расстояние шага обмотки по коллектору ук = у. За один обход по якорю укладывается столько секций, сколько пар полюсов имеет машина, при этом конец последней по обходу секции присоединяют к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной. Простая волновая обмотка называется левоходовой, если конец последней по обходу секции присоединяется к коллекторной пластине, расположенной слева от исходной. Если же эта пластина расположена справа от исходной, то обмотка называется правоходовой. Секции волновой обмотки могут быть одновитковыми и многовитковыми.

Так как шаг обмотки по коллектору ук охватывает пространство по длине окружности коллектора, соответствующее одной паре полюсов, то, сделав один обход по коллектору, мы как бы перемещаемся на число коллекторных делений, равное укр (р – число пар полюсов), и переходим к пластине, расположенной рядом с исходной. На основании сказанного можно записать:

Следовательно, шаг обмотки по коллектору и результирующий шаг по якорю равны, т.е.

Знак «-» соответствует левоходовой обмотке, а «+» – правоходовой. Выполнение правоходовой обмотки связано с дополнительным расходом меди из-за скрещивания лобовых частей секций, поэтому она почти не имеет практического применения. Первый частичный шаг обмотки по якорю определяется по формуле (1.13), а второй шаг:

Из приведенной схемы простой волновой обмотки видно, что секции каждой параллельной ветви равномерно распределены под всеми полюсами машины. Следует также отметить, что в такой обмотке можно было бы ограничиться применением только двух щеток, например В2 и А2. Однако в этом случае нарушилась бы симметрия обмотки, так как число секций в параллельных ветвях становится неодинаковым: в одной ветви семь секций, а в другой шесть. Поэтому в машине обычно устанавливают столько щеток, сколько имеется главных полюсов, тем более что это позволяет уменьшить величину тока, приходящегося на каждую щетку, и уменьшить размеры коллектора.

1.4.4. Сложная волновая обмотка.

Несколько простых волновых обмоток, уложенных на одном якоре, образуют сложную волновую обмотку. Так как простая волновая обмотка состоит из двух параллельных ветвей, то число параллельных ветвей в сложной волновой обмотке составляет:

где m – коэффициент кратности, определяющий число простых волновых обмоток, из которых составлена сложная обмотка. Сложная волновая обмотка рассчитывается так же, как и простая. Но для определения шага обмотки по коллектору следует использовать формулу:

Простые волновые обмотки, образующие сложную, соединяются параллельно друг с другом посредством щеток, ширина которых, как и в случае сложной петлевой обмотки, должна обеспечивать одновременное перекрытие не менее т коллекторных пластин.

1.4.5. Условия симметрии обмотки.

Обмотка якоря называется симметричной, если ее параллельные ветви обладают одинаковыми электрическими свойствами, т. е. имеют одинаковые электрические сопротивления и в них индуцируются одинаковые по величине ЭДС.
В несимметричной обмотке ток якоря в параллельных ветвях распределяется неравномерно, что влечет за собой перегрузку одних ветвей и недогрузку других. В результате возрастают электрические потери в обмотке якоря, полезная мощность машины уменьшается, возникает искрение на коллекторе.

   Обмотка якоря становится симметричной лишь при соблюдении следующих условий симметрии:
   1) каждая пара параллельных ветвей обмотки должна состоять из одинакового числа секций. Это условие может быть выполнено лишь в том случае, если на каждую пару параллельных ветвей обмотки приходится целое число секций, т. е. отношение S/a равно целому числу. Нетрудно убедиться, что при несоблюдении этого условия электрическое сопротивление параллельных ветвей, а также их ЭДС будут неодинаковыми. Это приведет к неравномерному распределению тока в параллельных ветвях со всеми нежелательными последствиями;
   2) секции каждой пары параллельных ветвей должны занимать на якоре одинаковое число пазов, т. е. Z/a равно целому числу, где Z – число реальных пазов на якоре;
   3) каждая пара параллельных ветвей обмотки должна занимать одинаковое положение относительно системы полюсов, что может быть соблюдено при условии 2р/а равно целому числу. Определим, при каких параметрах выполняется третье условие симметрии для сложной петлевой обмотки. На основании выражения (1.17) получаем:

Все отношения, входящие в выражение (1.24), равны целому числу, т.е. сложная петлевая обмотка может быть симметричной только при m = 2. Для устранения уравнительных токов в обмотке якоря недостаточно выполнения условий симметрии обмотки. Для этого необходимо еще, чтобы магнитные потоки полюсов были равны. Кроме того, сопротивления контактов между щетками и коллекторными пластинами каждого из ходов обмотки, составляющих обмотку, также должны быть равны. Неравенство магнитных потоков полюсов вызывает в петлевых обмотках неравенство ЭДС параллельных ветвей и появление уравнительного тока, замыкающегося через щетки. Вследствие неравенства сопротивлений переходного контакта между щеткой и отдельными коллекторными пластинами в параллельных ветвях обмоток, составляющих сложную обмотку, токи будут разные. Это приводит к случайному распределению напряжения между соседними коллекторными пластинами, в результате чего напряжение может превысить допустимые значения.

1.4.6. Уравнительные соединения.

Однако даже при соблюдении всех условий симметрии ЭДС параллельных ветвей обмотки якоря в многополюсных машинах могут оказаться неодинаковыми. Причиной этого является магнитная асимметрия, в результате которой магнитные потоки одноименных полюсов становятся неодинаковыми. Происходит это из-за дефектов, возникающих при изготовлении электрической машины (наличие раковин в отливке станины, некачественная сборка полюсов, неправильная центровка якоря, т.е. его перекос) и обусловливающих появление неравномерного воздушного зазора под полюсами. Влияние магнитной асимметрии на работу машины зависит от типа обмотки якоря.

В волновых обмотках секции каждой параллельной ветви равномерно распределены под всеми полюсами машины, поэтому магнитная асимметрия не вызывает неравенства ЭДС в параллельных ветвях, так как она одинаково влияет на все параллельные ветви обмотки. В петлевых обмотках секции каждой параллельной ветви располагаются под одной парой полюсов, поэтому в результате магнитной асимметрии ЭДС параллельных ветвей становятся неодинаковыми, что приводит к появлению уравнительных токов. Например, при неравенстве ЭДС е1 и е2 потенциалы щеток А1 и А2 неодинаковы, а так как указанные щетки соединены проводом, то в обмотке появится уравнительный ток Iур. Если е1 > е2 то ток Iур во внешней части цепи направлен от щетки А1 к щетке А2. При неравенстве ЭДС во всех четырех ветвях обмотки якоря уравнительные токи появятся также и в цепи щеток В1 и В2. Уравнительные токи, складываясь с током нагрузки, вызывают неравномерную нагрузку параллельных ветвей, что ведет к перегреву обмотки и увеличению электрических потерь. Кроме того, плотность тока под некоторыми щетками увеличивается и может превысить допустимые пределы, что вызовет искрение на коллекторе.

   Уравнительные соединения первого рода.
   Перечисленные явления нарушают нормальную работу машины. Для уменьшения неравномерной нагрузки щеток в простых петлевых обмотках поступают следующим образом: точки обмотки якоря, потенциалы которых теоретически должны быть одинаковыми, соединяют между собой медными проводами. В этом случае возникающие в обмотке уравнительные токи циркулируют внутри обмотки и не протекают по щеткам и соединяющим их шинам. Указанные соединения называются уравнительными соединениями первого рода, или уравнителями (рис. 1.13).
   Практически доступными для соединения точками равного потенциала являются концы секций, присоединяемые к коллекторным пластинам, и лобовые части обмотки со стороны, обратной коллектору. Количество точек в обмотке, имеющих одинаковый потенциал, равно числу полюсов в машине (р = а). Расстояние между двумя соседними равнопотенциальными точками называется потенциальным шагом и обозначается уур. При расположении уравнительных соединений со стороны коллектора потенциальный шаг измеряется числом коллекторных делений:

Полное число уравнительных соединений первого рода, которое можно применить в обмотке:

Однако такое число уравнительных соединений применяют только в машинах большой мощности, например в электродвигателях прокатных станов. В целях экономии меди и упрощения конструкции машины обычно применяют меньшее число уравнителей. Например, в четырехполюсных машинах малой мощности выполняют три-четыре уравнительных соединения вместо положенных восьми. Для выполнения уравнительных соединений применяют медные провода с сечением, равным 1/4 – 1/2 сечения провода обмотки якоря.

Уравнительные соединения второго рода.
В сложных петлевых и волновых обмотках простые обмотки, образующие сложную обмотку, соединены параллельно. Их параллельное включение осуществляется на коллекторе через щеточный контакт. Однако обеспечить одинаковую величину тока в месте контакта щетки и коллекторной пластины из-за разности переходных сопротивлений невозможно. Поэтому ток между обмотками распределяется неодинаково, что нарушает равномерное распределение потенциала по коллектору и может вызвать на нем искрение. Для устранения этого нежелательного явления применяют уравнительные соединения второго рода, посредством которых простые обмотки соединяются между собой в точках равного потенциала.

Рис. 1.13 Уравнительные соединения (1–3) первого рода.

Таким образом, если уравнители первого рода выравнивают асимметрию магнитной системы машины, то уравнители второго рода устраняют неравномерность в распределении потенциала по коллектору. В схеме сложной волновой обмотки уравнители второго рода соединяют коллекторные пластины одинакового потенциала и отстоят друг от друга на расстоянии, равном потенциальному шагу уур. Полное число уравнителей второго рода определяется по выражению (1.26), однако из соображений экономии меди их число обычно меньше расчетного.

1.4.7. Комбинированная обмотка.

Комбинированная (лягушечья) обмотка представляет собой сочетание петлевой (упетл) и волновой (уволн) обмоток, расположенных в одних пазах и присоединенных к общему коллектору. Секция этой обмотки показана на рис. 1.14. Комбинированную обмотку можно рассматривать как две параллельно соединенных обмотки: петлевую и волновую. Каждая простая обмотка выполняется двухслойной, поэтому комбинированная обмотка укладывается на якоре в четыре слоя, а к каждой пластине коллектора припаивается по четыре проводника. Комбинированная обмотка применяется в мощных электрических машинах. Ее основное преимущество состоит в том, что она не требует уравнительных соединений. Обмотки, составляющие комбинированную, имеют одинаковые шаги по якорю:

Шаг комбинированной обмотки равен сумме шагов простых обмоток:

Поскольку число элементарных пазов Zэ = К, то у1петл = у1волн = К / р = уур т. е. шаг обмотки по якорю равен потенциальному шагу. Следовательно, те коллекторные пластины, которые должны быть соединены уравнителями, в комбинированной обмотке соединяются секциями, поэтому уравнительные соединения в данной обмотке не применяются.

Рис. 1.14. Развернутая схема комбинированной обмотки якоря,
τ – полюсное деление.

Для изготовления обмотки якоря нет необходимости строить полную развернутую схему этой обмотки. В этом случае изображается одна секция с указанием номеров пазов, в которые она укладывается, и коллекторных пластин, к которым подсоединяются выводы. На этой схеме указывается порядок присоединения изображаемых секций к коллекторным пластинам и то, что эти секции можно изолировать вместе, т.е. соединить в одну катушку. Номера пластин и секций, указанные на схеме, определяют шаги обмотки по якорю и по коллектору. По этой схеме изготовляют секции или катушки, которые затем укладывают в пазы сердечника якоря и соединяют с пластинами коллектора.
В рассмотренных схемах все секции якорных обмоток имеют одинаковую ширину. Такие равносекционные обмотки удобны в изготовлении, особенно если пазы сердечника якоря открыты. В этом случае секции, лежащие в одних и тех же пазах, изолируются вместе (как единая катушка), а затем укладываются в пазы. Но возможна и другая конструкция обмотки – ступенчатая, в которой секции имеют разную ширину. При этом одна активная сторона каждой из нескольких секций ступенчатой обмотки располагается в одном пазу, а другие активные стороны этих секций располагаются в разных пазах.

1.5. Электродвижущая сила обмотки якоря.

Магнитная индукция Вδ в воздушном зазоре между полюсными наконечниками и поверхностью якоря в различных точках по окружности якоря имеет неодинаковые значения. Поэтому для определения ЭДС удобно воспользоваться средним значением магнитной индукции, приняв его равным высоте прямоугольника АВ’С’D с основанием τ, площадь которого равна площади фигуры ABCD (рис. 1.15). Тогда среднее значение ЭДС, индуцируемой в одном проводнике, уложенном на поверхности якоря, равно

Рис. 1.15. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре

Обмотка якоря состоит из N проводников, однако ЭДС обмотки определяется величиной ЭДС лишь одной параллельной ветви, которая содержит N/2a последовательно соединенных проводников. Таким образом, ЭДС обмотки якоря:

где l – длина активной части якоря, м; v = πDn / 60 – линейная скорость на поверхности вращающегося якоря, м/с; n – частота вращения якоря, об/мин; D – диаметр якоря, м. Длину окружности якоря πD можно выразить следующим образом:

Подставив это выражение в выражение (1.30), получим:

Произведение lτ есть площадь, которую пронизывает магнитный поток одного полюса, поэтому:

где Ф – магнитный поток в воздушном зазоре под одним полюсом, Вδ. Следовательно, ЭДС обмотки якоря:

Величина рN / 60a – для данной машины является постоянной, поэтому обозначив ее:

1.6. Выбор типа обмотки якоря.

Применение в машине постоянного тока определенного типа якорной обмотки обусловлено требованиями как технического, так и экономического характера. Выбранный тип обмотки должен обеспечивать получение необходимой величины ЭДС при определенной величине тока. При этом следует стремиться к минимальному числу уравнительных соединений.
Требования экономического характера при выборе типа обмотки сводятся к максимально возможному заполнению пазов сердечника якоря, что определяется коэффициентом заполнения паза:

где Sм – площадь сечения всех уложенных в один паз медных проводников, мм2;
Sп – площадь сечения одного паза, мм2.

При укладке в паз большого числа проводников значительная часть площади сечения паза будет занята изоляцией этих проводников. Поэтому выбранный тип обмотки якоря должен соответствовать возможно меньшему числу проводников. Преобразуя формулу (1.35) для ЭДС обмотки якоря, получим:

   Как видим, при заданных значениях Ея, р, Ф и п число проводников n обмотке прямо пропорционально числу пар параллельных ветвей а. Таким образом, при выборе типа обмотки следует отдавать предпочтение обмоткам с минимальным числом параллельных ветвей. Исходя из этих соображений наиболее желательной является простая волновая обмотка (а = 1), тем более что она не требует уравнительных соединений. Однако применение этой обмотки ограничивается следующими условиями:
   - допустимая величина тока в параллельной ветви не должна превышать 350 А в машинах без компенсационной обмотки и 500 А в машинах с компенсационной обмоткой;
   - предельно допустимое напряжение между двумя смежными коллекторными пластинами не должно превышать 25... 28 В в машинах большой мощности, 30... 35 В в машинах средней мощности и 50... 60 В в машинах малой мощности. При превышении указанных пределов в машине может возникнуть «круговой огонь» – особенно опасное для машины явление. Если простую волновую обмотку применить невозможно, используют другой тип обмотки с большим числом параллельных ветвей, например сложную волновую обмотку. Однако на практике самой распространенной является простая петлевая обмотка, за ней следуют сложная петлевая, простая волновая, сложная волновая и комбинированная.

Таблица 1.1. Области применения различных типов якорных обмоток.

Тип обмотки

Основная область применения

Простая волновая

Сложная волновая

Машины мощностью до 50 кВт, при напряжении 110...230 В.
Машины мощностью 50...500 кВт, при напряжении свыше 440 В.

Машины мощностью 50...500 кВт, при напряжении 440...600 В.

Простая петлевая

Сложная петлевая

Комбинированная

Машины мощностью 50...500 кВт, при напряжении 110...230 В.
Машины мощностью свыше 500 кВт, при напряжении 440...600 В.

Машины мощностью до 500 кВт, при напряжении до 240 В.
Машины мощностью свыше 500 кВт, при напряжении свыше 600 В.

Машины мощностью свыше 500 кВт, при напряжении свыше 600 В.

Лобовые соединения обмоток из лакированного медного проводника, как правило, дополнительно не изолируются. Лобовые соединения обмоточных элементов с неизолированной медью в качестве исходного материала при открытых пазах изолируются все вместе, а при полуоткрытых пазах каждый проводник изолируется отдельно перед укладкой в паз путем намотки вполнахлеста пропитанной ленты из стеклоткани. Места переходов от паза к лобовым соединениям обычно подвергают усиленной изоляции. Между верхним и нижним слоями той части обмоток, где действует полное напряжение машины, по всей окружности закладываются ленты из слюдостеклоткани или асбостеклоткань толщиной 0,5... 1,0 мм. Основные области применения различных типов якорных обмоток в зависимости от мощности машины и рабочего напряжения приведены в табл. 1.1.

1.7. Магнитная цепь машины постоянного тока.

Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения 1 (рис. 1.16) машины постоянного тока, замыкается через характерные участки машины, образующие ее магнитную цепь. Участками магнитной цепи являются ярмо (станина) 3, сердечники полюсов 2 (включая полюсные башмаки 4, или наконечники), сердечник якоря 5, обмотка якоря 6, зубец 7 и воздушный зазор 8 между полюсными наконечниками 4 и якорем. На рис. 1.16 изображена магнитная система машины постоянного тока с одной парой главных полюсов в режиме холостого хода. Аналогично происходит распределение магнитных потоков и в машинах с бóльшим количеством главных полюсов. Во всех случаях магнитная система представляет собой разветвленную симметричную цепь. Магнитный поток каждого полюса разделяется на две равные части и направляется к двум соседним полюсам. Величина магнитного потока прямо пропорциональна магнитодвижущей силе (МДС) F и обратно пропорциональна сумме магнитных сопротивлений Σrм всех участков магнитной цепи:

Величину основного (полезного) магнитного потока в зазоре, необходимую для наведения в обмотке якоря требуемой ЭДС, можно определить из выражения (1.35):

   Величина МДС, необходимая для создания в магнитной цепи требуемого магнитного потока, определяется при расчете магнитной цепи. Расчетная часть магнитной цепи машины состоит из пяти участков, отличающихся размерами и свойствами материалов, из которых они изготовлены, поэтому для каждого участка рассчитывают свою МДС:
   Fδ – для воздушного зазора;
   Fз – для зубцового слоя;
   Fя – для сердечника якоря;
   Fп – для сердечников пары полюсов;
   Fярм – для ярма.

Рис. 1.16. Магнитная система машины постоянного тока.
1 – обмотка возбуждения; 2 – сердечник полюса; 3 – станина; 4 – башмак полюса;
5 – сердечник якоря; 6 – обмотка якоря; 7– зубец; 8– воздушный зазор.

Сумма МДС всех участков магнитной цепи представляет собой величину МДС обмотки возбуждения:

Расчетная часть магнитной цепи включает в себя два полюса, поэтому вычисляемое значение МДС F0B представляет собой МДС обмотки возбуждения одной пары полюсов. Кроме того, выражение (1.42) справедливо лишь для режима холостого хода, т.е. при работе машины без нагрузки. Таким образом, создаваемый Fо.в магнитный поток Ф наводит в обмотке якоря ЭДС Ея заданной величины лишь в режиме холостого хода. Впоследствии будет показано, что для получения заданной величины ЭДС Ея под нагрузкой потребуется несколько большая МДС. Определим слагаемые в выражении (1.42). МДС воздушного зазора определяется по формуле:

где Вδmax – максимальная магнитная индукция в зазоре машины, Тл; δ – величина воздушного зазора, м; Кδ – коэффициент зазора, учитывающий увеличение магнитного сопротивления зазора вследствие зубчатости поверхности якоря (Кδ = 1...2); μ0 – магнитная проницаемость воздуха (μ0 = 4×10-7π Гн/м). МДС остальных участков магнитной цепи, выполненных из стали, определяются по формуле:

где Нх– напряженность магнитного поля, А/м, на длине участка lx, м, которая зависит от магнитной индукции и определяется по кривым намагничивания. Величина магнитной индукции в различных участках цепи определяется по формуле

где Фх – магнитный поток на участке магнитной цепи, Вδ;
Sx– площадь поперечного сечения этого участка, м2.

Используя выражения (1.42) –(1.44), можно записать выражение для МДС пары полюсов электрической машины, изображенной на рис. 1.16:

   где H3, Hя, Hп, Hярм – напряженность магнитного поля соответственно зубца, сердечника якоря, сердечника полюса и ярма, А/м;
   h3 и hn – высота зубцового слоя и главного полюса, м;
   lя и lярм – длина средней силовой линии по якорю и ярму, м.

Если полюсные башмаки имеют пазы для компенсационной обмотки, то к перечисленным в выражении (1.46) пяти участкам магнитной цепи добавляется еще один – зубцы полюсного башмака. Наибольшим магнитным сопротивлением обладает воздушный зазор, поэтому значительная часть результирующей МДС Fо.в затрачивается на преодоление его магнитного сопротивления. Магнитное сопротивление других участков магнитной цепи, выполненных из стали, зависит от степени магнитного насыщения стали. В условиях наибольшего магнитного насыщения находится зубцовый слой, поэтому его магнитное сопротивление больше, чем сопротивление других участков магнитной цепи, выполненных из стали.

   Как известно, ферромагнитные материалы обладают свойством магнитного насыщения. Поэтому зависимость между магнитным потоком машины и МДС нелинейная, т. е. поток увеличивается не пропорционально увеличению МДС обмотки возбуждения.
   Это подтверждается графически зависимостью Ф = f (F), которая называется характеристикой намагничивания машины (рис. 1.17). В начальной части характеристика прямолинейна. Объясняется это тем, что при сравнительно небольших значениях магнитного потока, когда магнитная цепь не насыщена, МДС обмотки возбуждения Fо.в определяется лишь величиной МДС воздушного зазора Fs, так как магнитное сопротивление остальных участков магнитной цепи весьма незначительно.
   Как видно из выражения (1.43), МДС F$ пропорциональна магнитной индукции В5, а следовательно, пропорциональна и магнитному потоку. Поэтому касательная к кривой намагничивания, проведенная через начало координат, представляет собой зависимость МДС воздушного зазора Fδ от полезного магнитного потока Ф. При увеличении МДС обмотки возбуждения до значений, выходящих за пределы линейного участка, наступает магнитное насыщение стальных элементов цепи и зависимость Ф = f (F) становится нелинейной. Первым из всех участков насыщается зубцовый слой якоря. Поэтому МДС F3 на этом участке с увеличением магнитного потока растет интенсивнее, чем на остальных участках магнитной цепи

Рис. 1.17. Характеристика намагничивания электрической машины.
1 – режим холостого хода; 2 – режим работы под нагрузкой.

Отношение результирующей МДС ΣF к МДС воздушного зазора называется коэффициентом насыщения электрической машины:

   По величине Кμ можно судить о степени насыщения магнитной цепи машины и степени использования магнитных материалов. Обычно машина работает при насыщенной магнитной системе, т.е. при Кμ > 1.
   Для машин традиционного исполнения Кμ = 1,25...1,75. На рис. 1.17 значение ΔФ иллюстрирует изменение величины магнитного потока Ф электрической машины, работающей в режиме холостого хода и под нагрузкой, при одном и том же значении МДС F1 a ΔF = F2 - Fо.в – изменение МДС для поддержания постоянного значения магнитного потока Ф1.
   Как следует из выражения (1.35), при неизменной частоте вращения ЭДС машины постоянного тока Ея пропорциональна величине магнитного потока Ф, а МДС возбуждения пропорциональна величине тока возбуждения Iв:

Кривая намагничивания Ф = f (F) отражает зависимость ЭДС машины от тока возбуждения Ея = f (Iв) и называется характеристикой холостого хода машины.

1.8. Реакция якоря.

При работе машины постоянного тока в режиме холостого хода ток в обмотке якоря отсутствует, и в магнитной цепи машины действует лишь МДС обмотки возбуждения Fо.в. Магнитное поле машины в этом случае является симметричным относительно оси полюсов, 26 / 203 а график распределения магнитной индукции в воздушном зазоре представляет собой кривую, близкую к трапецеидальной. Если же машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток, который создаст собственную МДС обмотки якоря Fоя. Предположим, что МДС обмотки возбуждения равна нулю и в машине действует лишь МДС Fоя. Магнитное поле, создаваемое обмоткой якоря, изображено на рис. 1.18. Как видно из рисунка, МДС обмотки якоря направлена по линии щеток (в данном случае по геометрической нейтрали). Несмотря на то, что якорь вращается, пространственное направление МДС обмотки якоря остается неизменным, так как зависит исключительно от положения щеток. Наибольшее значение МДС Fоя имеет на линии щеток, а по оси полюсов она равна нулю. Однако распределение магнитной индукции поля якоря в воздушном зазоре совпадает с распределением МДС лишь в пределах полюсных наконечников. В межполюсном пространстве магнитная индукция резко уменьшается, что объясняется увеличением магнитного сопротивления. Величина МДС обмотки якоря Fоя определяется числом проводников обмотки якоря, приходящихся на одно полюсное деление τ, и величиной тока ia в этих проводниках:

где N / πD – число проводников обмотки якоря на единицу длины окружности якоря; ia = Iя / 2а – ток в проводниках обмотки якоря, равный току параллельной ветви, А. Обозначив (N / πD) ia = А, получим следующее выражение для МДС обмотки якоря:

где А– линейная нагрузка якоря, А/м, характеризующая часть МДС якоря, приходящуюся на единицу длины его окружности. Значение линейной нагрузки может находиться в пределах 6500... 70000 А/м в зависимости от мощности машины.

Рис. 1.18. Магнитное поле, создаваемое обмоткой якоря.

   В нагруженной машине постоянного тока действуют две МДС – обмотки возбуждения Fоя и обмотки якоря Fоя. Влияние МДС обмотки якоря на основное магнитное поле машины называется реакцией якоря. Реакция якоря искажает основное магнитное поле, делая его несимметричным относительно оси полюсов машины. На рис. 1.19 показано распределение линий результирующего магнитного поля машины, работающей в режиме генератора, при вращении якоря по часовой стрелке. Такое же распределение линий магнитного поля имеет и двигатель, но только при вращении якоря против часовой стрелки. Если предположить, что магнитная система машины не насыщена, то реакция якоря лишь искажает результирующий магнитный поток, не изменяя его величины. Край полюса и находящийся под ним зубцовый слой сердечника якоря, где направление МДС обмотки якоря Fоя совпадает с направлением МДС главных полюсов Fоя, подмагничиваются. Другой край полюса и зубцы, где МДС якоря и МДС главных полюсов направлены встречно, размагничиваются. При этом результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси главных полюсов на некоторый угол, а физическая нейтраль А'В' (линия, проходящая через точки на якоре, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали АВ на некоторый угол.
   Чем больше нагрузка машины, тем сильнее искажается результирующее поле, а следовательно, тем на больший угол смещается физическая нейтраль. При работе машины в режиме генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а при работе в режиме двигателя – навстречу вращению якоря. Искажение результирующего поля машины неблагоприятно сказывается на ее рабочих характеристиках.
   Во-первых, сдвиг физической нейтрали относительно геометрической приводит к более тяжелым условиям работы щеточного контакта и может служить причиной искрообразования на коллекторе.

Рис. 1.19. Форма результирующего магнитного поля машины в режиме нагрузки.

Во-вторых, искажение результирующего поля машины влечет за собой перераспределение магнитной индукции в воздушном зазоре. В результате мгновенные значения ЭДС секций обмотки якоря в моменты попадания их активных сторон в зоны максимальных значений индукции (под подмагниченные края полюсных наконечников) повышаются. Это приводит к росту напряжения Uк между смежными коллекторными пластинами. При значительных перегрузках машины напряжение Uк может превысить допустимые значения, в результате чего между пластинами может возникнуть электрическая дуга. Имеющиеся на коллекторе частицы графита и металлическая пыль способствуют развитию электрической дуги, нарушающей работу электрической машины. Если же магнитная система машины насыщена (как и бывает в большинстве случаев), то подмагничивание одного края полюсного наконечника и находящегося под ним зубцового слоя сердечника якоря происходит в меньшей степени, чем размагничивание другого края и находящегося под ним зубцового слоя якоря. Это благоприятно сказывается на распределении индукции в зазоре, которое становится более равномерным. Однако величина результирующего потока при этом уменьшается. Другими словами, реакция якоря в машине с насыщенной магнитной системой размагничивает машину. В результате ухудшаются рабочие характеристики машины: у генераторов снижается величина вырабатываемой ЭДС, у двигателей уменьшается крутящий момент. Размагничивающее влияние реакции якоря усиливается при смещении щеток с геометрической нейтрали. Объясняется это тем, что вместе со щетками смещается и вектор МДС обмотки якоря Foя (рис. 1.20). При этом Foя помимо поперечной составляющей Foяq = Foясоsβ приобретает еще и продольную составляющую Foяq = Foяsinβ, направленную вдоль оси полюсов. Если машина работает в режиме генератора, то при смещении щеток в направлении вращения якоря продольная составляющая МДС якоря Foяd действует встречно МДС обмотки возбуждения Foв, что ведет к ослаблению основного магнитного потока машины. При смещении щеток против направления вращения якоря продольная составляющая Foяd действует согласованно с Foв, что ведет к некоторому увеличению основного магнитного потока машины.

Рис. 1.20. Смещение вектора МДС магнитного поля якоря

Если же машина работает в режиме двигателя, то при смещении щеток в направлении вращения якоря продольная составляющая МДС якоря Foяd действует согласованно с МДС Foв. При смещении щеток против направления вращения якоря Foяd действует встречно МДС Foв и размагничивает машину. Вместе с тем смещение щеток с геометрической нейтрали АВ ослабляет искажающее влияние реакции якоря. Дело в том, что когда щетки расположены на геометрической нейтрали, МДС обмотки якоря Foя имеет только поперечную составляющую (Foяq = Foя) а при смещении щеток на угол β относительно геометрической нейтрали поперечная составляющая МДС обмотки якоря уменьшается (Foяq = Foясоsβ). В коллекторных машинах постоянного тока компенсация реактивной ЭДС еря осуществляется смещением щеток с геометрической нейтрали на угол β по направлению вращения якоря в генераторах, или против вращения якоря в двигателях. Щетки следует смещать за электрическую нейтраль так, чтобы индукция в зоне коммутации имела такое направление и величину, при которых в коммутирующих секциях индуцируется ЭДС, достаточная для компенсации реактивной ЭДС. Однако для полной компенсации реактивной ЭДС еря при различных нагрузках машины пришлось бы каждый раз менять положение щеток, так как положение физической нейтрали изменяется в зависимости от нагрузки. Поэтому обычно щетки устанавливают в определенное фиксированное положение, при котором полная компенсация реактивной ЭДС соответствует некоторой средней нагрузке при продолжительном режиме работы машины. Следует также напомнить, что при смещении щеток с геометрической нейтрали усиливается размагничивающее действие реакции якоря. Для машин, работающих с изменением направления вращения (с реверсом), смещение щеток с геометрической нейтрали недопустимо, так как направление смещения физической нейтрали меняется с изменением направления вращения.

Добавочные полюса.
Влияние реакции якоря на работу щеточного контакта устраняется установкой добавочных полюсов между главными полюсами. МДС этих полюсов устраняет влияние поперечной составляющей МДС обмотки якоря на геометрической нейтрали (в зоне коммутации). Добавочные полюса применяют в машинах мощностью свыше 1 кВт. Обычно МДС обмотки добавочных полюсов Fd на 15...30% больше МДС обмотки якоря Fоя. Если величину Fd сделать больше указанной, то реактивная ЭДС в коммутируемой секции обусловливает возникновение тока коммутации ik, направленного противоположно рабочему току секции. Для компенсации влияния ЭДС еря при различных нагрузках машины обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря. В этом случае с изменением нагрузки машины МДС Fd изменяется пропорционально току якоря Iя, а следовательно, пропорционально МДС обмотки якоря Fя. Полярность добавочного полюса в генераторе должна быть такой же, как у главного полюса, следующего по направлению вращения, а в двигателе – как у предшествующего. Добавочные полюса обеспечивают удовлетворительную коммутацию в машине только в пределах номинальной нагрузки Iном. 29 / 203 При перегрузках машины происходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов. В этом случае реактивная ЭДС еря продолжает изменяться пропорционально току нагрузки, а рост ЭДС генератора из-за насыщения магнитной цепи несколько задерживается. Насыщению сердечников добавочных полюсов способствует магнитный поток рассеяния Фдр, замыкающийся через сердечники смежных главных полюсов и станину. В целях уменьшения магнитного потока рассеяния, а следовательно, обеспечения более линейной зависимости потока добавочных полюсов от тока нагрузки, воздушный зазор разделяют на две части: δ1 (находится между сердечником добавочного полюса и якорем) и δ2 (находится между сердечником добавочного полюса и станиной). В этом случае зазор δ2 ограничит поток рассеяния Фдр. Зазор δ2 создается с помощью пакета прокладок из немагнитного материала, закладываемых между станиной и сердечником добавочного полюса. Обычно в машине устанавливают столько же добавочных полюсов, сколько и главных. Исключение составляют некоторые машины специального назначения, в которых из конструктивных соображений число добавочных полюсов уменьшают в два раза. Электрические машины мощностью до 1 кВт выполняются без добавочных полюсов.

Компенсационная обмотка.
Действенным средством устранения неравномерного распределения индукции в воздушном зазоре является применение в машинах постоянного тока компенсационной обмотки. Компенсационная обмотка укладывается в пазах наконечников главных полюсов и включается последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы ее МДС Fко была направлена встречно МДС обмотки якоря Fоя. Компенсационная обмотка распределяется по всей поверхности полюсного наконечника всех главных полюсов. Включение компенсационной обмотки последовательно с обмоткой якоря обеспечивает автоматическую компенсацию МДС обмотки якоря при любой нагрузке машины. При наличии компенсационной обмотки магнитное поле машины при переходе из режима холостого хода к режиму нагрузки остается практически неизменным. Машина постоянного тока с компенсационной обмоткой более надежна в работе. Однако компенсационная обмотка делает машину дороже и сложнее, поэтому ее применяют только в машинах большой мощности, работающих с резкими колебаниями нагрузки.

1.9. Коммутация в машинах постоянного тока.

Коммутацией называется процесс переключения секций из одной параллельной ветви в другую путем замыкания этих секций щетками. В одной из двух параллельных ветвей, имеющих общую щетку, ток направлен от начала секции к концу, а во второй – от конца к началу, поэтому за время коммутации направление тока в переключаемой секции должно измениться на противоположное. На рис. 1.21 показаны три положения секции одноходовой петлевой обмотки в процессе коммутации. Ширина щетки bщ принята равной ширине коллекторного деления tк, толщина изоляции между коллекторными пластинами не учитывается. Предполагается, что нагрузка машины постоянна и ток в каждой параллельной ветви равен ia. В начальный момент времени (t = 0) щетка находится под пластиной 2 (рис. 1.21, а), ток секции iс в проводнике cd и в коллекторной пластине 2 равен току двух параллельных ветвей, т.е. 2ia. В проводнике ab ток секции iс = 0. В секции ас, присоединенной к коллекторным пластинам 1 и 2, ток iс = ia и направлен от начала а секции к ее концу с. Через отрезок времени t < Tк после начала переключения секции ас обе коллекторные пластины 1 и 2 оказываются расположенными над щеткой, и ток параллельных ветвей проходит по проводникам ab и cd (рис. 1.21, б). В конечный момент коммутации коллекторная пластина 1 занимает над щеткой положение пластины 2, ток обеих параллельных ветвей обмотки направлен по проводнику ab к коллекторной пластине 1, так что iс = 2ia и iс = 0. В рассматриваемой секции ток направлен от конца с к началу а, т.е. iс = -ia (рис. 1.21, в). Время Тк, за которое происходит переключение секции из одной параллельной ветви в другую, называют периодом коммутации, обычно оно составляет 0,0001...0,0003 с.

Время Тп за которое секция перемещается от одной щетки к другой, значительно больше, и ток в этой секции сохраняется неизменным в течение Тп. Для определения тока в секции воспользуемся уравнением равновесия ЭДС и напряжений. Согласно второму правилу Кирхгофа алгебраическая сумма падений напряжений в замкнутом контуре электрической цепи равна алгебраической сумме ЭДС в этом контуре: Σe = Σir. Цепь (см. рис. 1.21, б), состоит из пяти участков: секции ас с сопротивлением rс, соединительного провода лобовой части cd с сопротивлением rпр контакта пластины 2 со сбегающей частью щетки, имеющего сопротивление rщ2, контакта пластины 1 с набегающей частью щетки, имеющего сопротивление rщ1, и соединительного провода лобовой части bа с сопротивлением rпр. При правом обходе этой цепи, начиная с узла а, сумма падений напряжений:

Согласно теории коммутации общее сопротивление rщ контакта соответствует полной рабочей поверхности щетки, распределяется обратно пропорционально величине поверхности соприкосновения щетки с коллекторными пластинами и не зависит от плотности тока в контакте. При наиболее распространенных угольных и электрографитовых щетках сопротивление скользящего контакта значительно превосходит сопротивление остальных участков рассматриваемой цепи, поэтому можно не учитывать влияние сопротивлений rс и rпр на изменение тока iс. Применив это допущение, получим

Линейное изменение тока.
Если Σе = 0, т. е. слагаемые этой суммы уравновешивают друг друга, или каждое из слагаемых равно нулю (при очень малой скорости вращения якоря), то изменение тока в переключаемой секции происходит вследствие одновременного увеличения сопротивления контакта сбегающей части щетки с коллекторной пластиной и уменьшения сопротивления контакта набегающей части щетки. В таком случае в выражении (1.52) остается только составляющая:

Плотность тока в набегающей части щетки равна току секции iа деленному на площадь контакта этой части щетки. Таким образом, при линейном изменении тока в переключаемой секции плотности тока в набегающей и сбегающей частях щетки одинаковы в течение всего периода коммутации. При учете сопротивления секции и лобовых соединений в первую половину периода коммутации изменение тока в секции происходит быстрее, а во вторую – медленнее. Вызванное этим увеличение плотности тока в набегающей и сбегающей частях щетки невелико, так как для графитовых щеток rщ значительно больше rс = 2rпр.

Замедленное и ускоренное изменение тока.
При наличии ЭДС в переключаемой секции (Σе = 0) ток в секции iс состоит из двух составляющих. Первая из них замыкается через внешнюю цепь машины и зависит от тока в обмотке якоря. Вторая составляющая

замыкается по цепям секция–щетка (рис. 1.22) и, таким образом, является током короткого замыкания секции. Знаменатель выражения (1.54) представляет собой переменное в течение периода коммутации Тк сопротивление соединенных последовательно контактов коллекторных пластин с набегающей и сбегающей частями щетки. Минимальное сопротивление соответствует времени Tк/2. При t = 0 и t = Тк сопротивление контактов достигает бесконечно большого значения, соответствующего разрыву цепи короткого замыкания секции. Как и ток, ЭДС считается положительной, если ее направление совпадает с направлением прямого обхода рассматриваемой цепи. При постоянном положительном значении Σе ток короткого замыкания в течение всего периода коммутации имеет положительное значение и достигает максимальной величины iкmах = Σе / 4rщ при t = Tк/2.

Рис. 1.22. Образование реактивного тока коммутации.

Наличие положительного тока iк замедляет изменение тока в секции и увеличивает плотность тока в сбегающей части щетки. При большой скорости изменения тока в конце периода коммутации суммарная ЭДС Σе увеличивается, в результате чего iк ≠ 0 и iс iк ≠ - ia. Разрыв цепи с током и повышенная плотность тока могут явиться причиной искрения под сбегающей частью щетки. Если Σе имеет отрицательное значение, то в начале коммутации составляющие тока iк и iс направлены в противоположные стороны. При этом происходит ускорение процесса изменения тока в переключаемой секции, и плотность тока в сбегающей части щетки становится меньше, чем в набегающей. Условия переключения секции в этом случае более благоприятны, чем при положительной Σе, однако при значительной величине ЭДС может возникнуть искрение под щеткой.

Электродвижущие силы в переключаемой секции.
В области расположения сторон секции существуют магнитный поток, создаваемый током переключаемых секций, и магнитный поток, создаваемый током других проводников и обмоток. При вращении якоря эти потоки наводят в переключаемой секции ЭДС, сумма которых определяет ток короткого замыкания секции. Величина магнитного потока, созданного током переключаемой секции, определяется индуктивностью Lc секции и ее током iс. При изменении тока изменяется также и магнитный поток, и в секции с количеством витков wс наводится ЭДС

Скорость dic/dt изменения тока от +ia до -ia в течение времени Тк отрицательна (рис. 1.23), поэтому eL имеет положительное значение, так как Lc всегда больше нуля. Следовательно, ЭДС eL замедляет изменение тока в переключаемой секции. Среднюю скорость изменения тока в секции за период Тп коммутации от начального значения +ia до конечного значения -ia можно записать как

Току +ia соответствует магнитный поток обмотки возбуждения Ф0 в. Среднее значение ЭДС самоиндукции секции:

В каждом пазу якоря обычно размещены стороны нескольких секций, которые пронизывает общий магнитный поток. При полном шаге обмотки (или небольшом его укорочении) соседние щетки одновременно переключают секции, стороны которых размещены в верхнем и нижнем слоях одного паза. Таким образом, в рассматриваемой секции будет наводиться ЭДС взаимной индукции вследствие изменения магнитного потока, вызванного изменением тока в другой секции, переключаемой соседней щеткой. При вращении якоря проводники переключаемой секции пересекают неподвижный поток якоря, и в них наводится ЭДС, направление которой совпадает с направлением тока в начале переключения секции. Следовательно, ЭДС, обусловленные потоком якоря, замедляют процесс изменения тока в секции. Если в воздушном зазоре над сторонами переключаемой секции магнитная индукция, обусловленная поперечной составляющей МДС обмотки якоря, равна Вояq, то ЭДС, наводимая в секции под действием Вояq, определяется по формуле: еояq = 2Вояqwclv. В зоне коммутации кроме потока якоря может присутствовать магнитный поток главных полюсов (при смещении токораздела с геометрической нейтрали) или же поток добавочных полюсов. При вращении якоря проводники переключаемой секции пересекают этот поток, и в них наводится ЭДС, величина которой определяется по формуле ек = 2Bкwclv, где wc – число витков секции; l – длина активной части проводника секции, м; v – линейная скорость проводника, м/с.

Рис. 1.23. График изменения тока в секции обмотки якоря при коммутации.

Индукция Вк в воздушном зазоре над сторонами переключаемой секции обусловлена МДС главного или добавочного полюса. Направление ЭДС ек зависит от направления магнитного потока и направления вращения якоря и определяется по правилу правой руки.

Средства уменьшения ЭДС в переключаемой секции.
Если МДС обмотки возбуждения Fов направлена встречно МДС обмотки якоря Fо то Σе может быть значительно меньше суммы еояq + ер за счет противоположно направленной ЭДС ек. При этом изменение тока в переключаемой секции приближается к линейному. Две МДС – индуктора и якоря – на одном участке магнитной цепи (в воздушном зазоре) создают результирующую магнитную индукцию Вк в месте расположения сторон переключаемой секции. В этом случае:

где ерк – реактивная ЭДС в коммутируемой секции, В. Реактивная ЭДС ер в течение периода коммутации не остается постоянной. Для секций, занимающих разное положение по ширине пазов, форма изменения ер неодинакова, поэтому уравновесить ее мгновенное значение с помощью ЭДС ерк не представляется возможным. Обычно ограничиваются равенством средних значений этих ЭДС или небольшим превышением ерк над ек. При работе машины в режиме генератора направление тока в секции в начале периода коммутации совпадает с направлением ЭДС параллельной ветви обмотки якоря, поэтому для получения коммутационной ЭДС необходимо расположить переключаемую секцию в зоне действия главного полюса противоположной полярности, т.е. сместить токораздел с геометрической нейтрали в направлении вращения якоря путем смещения в этом направлении щеток. При работе машины в режиме двигателя для получения коммутирующей ЭДС необходимо сместить токораздел с геометрической нейтрали в направлении, противоположном направлению вращения якоря.

МДС главных полюсов при последовательном соединении обмотки возбуждения с обмоткой якоря изменяется пропорционально току якоря. Поэтому ЭДС ерк увеличивается с увеличением нагрузки так же, как и ЭДС ер. Благодаря этому в машинах с последовательным возбуждением при одном и том же положении щеток можно получить удовлетворительную коммутацию в широком диапазоне изменения нагрузки. В машинах с параллельным и смешанным возбуждением для уравновешивания реактивной ЭДС ер следовало бы смещать щетки в соответствии с нагрузкой. Однако для удобства обслуживания щетки устанавливаются в положение геометрической нейтрали. Поэтому при малых нагрузках изменение тока в переключаемой секции получается ускоренным, а при больших нагрузках – замедленным. При изменении направления вращения якоря необходимо также изменить положение щеток относительно геометрической нейтрали.

В настоящее время описанный способ уменьшения реактивной ЭДС в переключаемой секции применяется только в машинах малой мощности, предназначенных для одного направления вращения. Основным средством уравновешивания реактивной ЭДС в переключаемой секции является установка добавочных полюсов между главными полюсами. Токораздел в этом случае совпадает с геометрической нейтралью. Полярность добавочных полюсов должна быть такой же, как ранее установленная полярность главных полюсов в зоне коммутации, т.е. при работе в режиме генератора за главным полюсом по вращению якоря следует добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавочный полюс той же полярности. Для соблюдения пропорциональности между нагрузкой машины и магнитным потоком добавочных полюсов необходимо обмотку полюсов включить последовательно с обмоткой якоря и магнитную цепь выполнить ненасыщенной. Индукция в магнитной цепи не должна превышать 1,2 Тл при номинальной нагрузке. Это относится также к результирующей магнитной индукции на общих участках магнитной цепи главных и добавочных полюсов, где их МДС складываются. МДС добавочных полюсов Fд должна уравновесить МДС обмотки якоря, создать необходимую индукцию ΣВк в зоне коммутации и быть направлена противоположно Врк. При отсутствии компенсационной обмотки первая составляющая МДС добавочных полюсов равна поперечной МДС обмотки якоря при расположении токораздела на геометрической нейтрали.
Вторая составляющая представляет собой МДС, необходимую для проведения потока по магнитной цепи добавочных полюсов. При ненасыщенной магнитной цепи МДС ΣF всей магнитной цепи машины можно принять равной МДС двух воздушных зазоров 2δд между якорем и добавочными полюсами. Для уменьшения влияния насыщения стальных участков магнитной цепи добавочных полюсов в машинах небольшой мощности зазор δд делают почти в 2 раза больше по сравнению с зазором между якорем и главными полюсами δ0. В крупных машинах при шинах при большом зазоре δд возможно искажение распределения индукции ΣВк магнитодвижущей силой главных полюсов. Поэтому зазор δд делают почти равным зазору между якорем и главным полюсом δ0, а для линейности характеристики намагничивания цепи добавочных полюсов ставят прокладки из немагнитного материала между добавочными полюсами и станиной.

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
А. В. ГРИЩЕНКО, В. В. СТРЕКОПЫТОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Учебник

РАЗДЕЛ I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

РАЗДЕЛ II. СТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

ВВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ I.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ.

Глава 1.
УСТРОЙСТВО И РАБОТА КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА.

1.1. Преобразование энергии в электрических машинах.

1.2. Принцип действия электрической машины постоянного тока.

1.3. Устройство электрической машины постоянного тока.

1.4. Обмотки машины постоянного тока

1.4.1. Простая петлевая обмотка.

1.4.2. Сложная петлевая обмотка.

1.4.3. Простая волновая обмотка.

1.4.4. Сложная волновая обмотка.

1.4.5. Условия симметрии обмотки.

1.4.6. Уравнительные соединения.

1.4.7. Комбинированная обмотка.

1.5. Электродвижущая сила обмотки якоря.

1.6. Выбор типа обмотки якоря.

1.7. Магнитная цепь машины постоянного тока.

1.8. Реакция якоря.

1.9. Коммутация в машинах постоянного тока.

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ А. В. ГРИЩЕНКО, В. В. СТРЕКОПЫТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА Учебник

РАЗДЕЛ I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

РАЗДЕЛ II. СТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

ВВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ.

Глава 1. УСТРОЙСТВО И РАБОТА КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА.

1.1. Преобразование энергии в электрических машинах.

1.2. Принцип действия электрической машины постоянного тока.

1.3. Устройство электрической машины постоянного тока.

1.4. Обмотки машины постоянного тока

1.4.1. Простая петлевая обмотка.

1.4.2. Сложная петлевая обмотка.

1.4.3. Простая волновая обмотка.

1.4.4. Сложная волновая обмотка.

1.4.5. Условия симметрии обмотки.

1.4.6. Уравнительные соединения.

1.4.7. Комбинированная обмотка.

1.5. Электродвижущая сила обмотки якоря.

1.6. Выбор типа обмотки якоря.

1.7. Магнитная цепь машины постоянного тока.

1.8. Реакция якоря.

1.9. Коммутация в машинах постоянного тока.

СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
А. В. ГРИЩЕНКО, В. В. СТРЕКОПЫТОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Учебник

РАЗДЕЛ II. СТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

РАЗДЕЛ I.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ.

Глава 1.
УСТРОЙСТВО И РАБОТА КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА.