Принципы действия электрической машины постоянного тока

Щетки на рис. 7 и 7а соприкасаются с коллекторными пластинами, соединенными с секционными сторонами, находящимися приблизительно посередине между главными полюсами, т. е. вблизи геометрической нейтрали. В этом случае считают, что щетки находятся приблизительно на геометрической нейтрали, имея в виду положение щеток не относительно полюсов, а относительно секционных сторон, с которыми они соединены. Щетки устанавливаются на геометрической нейтрали не только для того, чтобы иметь наибольшую э.д.с. в параллельной ветви, но и для того, чтобы в секциях, замыкаемых щетками почти накоротко, не могли образоваться большие токи.

Из сложных петлевых обмоток применяются иногда обмотки  при у = 2 для машин на большие токи, для которых увеличение числа параллельных ветвей за счет увеличения числа полюсов невозможно или невыгодно.

Сложную петлевую обмотку  можно представить себе, как две  простые петлевые обмотки, уложенные  на один и тот же якорь и смещенные  одна относительно другой (рис. 9).

Рис. 9. Секции сложной  петлевой обмотки (у = у_к = 2). 

При исследовании якорных обмоток машин постоянного тока, так же как якорных обмоток машин переменного тока, применяются векторные диаграммы э.д.с. обмоток. Такие диаграммы можно построить, приняв, что кривая распределения индукции вдоль окружности якоря (кривая поля машины) синусоидальна. Тогда мы можем э.д.с., наведенные в секционных сторонах, изобразить временными векторами. Следовательно, э.д.с. одной какой-либо секции также изобразится вектором, равным разности векторов э.д.с., наведенных в сторонах этой секции.

Электродвижущие силы секций, следующих одна за другой, сдвинуты по фазе в соответствии с их сдвигом  в магнитном поле. Этот сдвиг легко  найти, так как сдвигу в магнитном  поле на полюсное деление т соответствует  сдвиг по фазе на 180°.

Для петлевой обмотки  сдвиг между следующими одна за другой секциями равен у делений элементарных пазов, чему соответствует

.

Для обмотки, схема которой  показана на рис. 12, имеем (y = 1, t = Z_э/2р = 24/4 = 6, следовательно, .

Складывая при обходе обмотки векторы э.д.с. отдельных секций, мы получим многоугольники э.д.с., каждый из которых соответствует одной паре параллельных ветвей обмотки. Они называются многоугольниками э.д.с. секций обмотки (или потенциальными многоугольниками обмотки).

Для обмотки рис. 7 мы получим  два равных друг другу многоугольника э.д.с. обмотки (а = 2) с числом сторон , показанных на рис. 10. Здесь цифрами обозначены номера секций, соответствующие номерам коллекторных пластин.

Рис. 10. Многоугольник  э.д.с. обмотки (см. рис. 7). 

При помощи рис. 10 можно найти пульсацию э.д.с. на щетках. Она равна:

где ;

для данного случая DE% » 1,2%

Очевидно, что при K/a,  равном нечетному числу, которое обычно и выбирается, пульсация э.д.с. на щетках будет относительно меньше.

При увеличении числа  секций в параллельной ветви многоугольник приближается к окружности.

Из схем обмоток и  соответствующих многоугольников  э.д.с. следует, что если мы при обходе некоторого числа секций обмотки  смещаемся в магнитном поле на t, то получаем при этом одну параллельную ветвь. Таким образом, число параллельных ветвей равно общему сдвигу в магнитном поле при обходе всех секций обмотки, поделенному на t. Для петлевой обмотки общий сдвиг в магнитном поле равен yS, а число параллельных ветвей

в) Волновая обмотка.

При волновой обмотке второй шаг y₂ делается в ту же сторону, что и первый шаг y₁ (рис. 6,б), поэтому шаги обмотки связаны соотношением

y₁ + y₂ = y = y_к.          (7)

Результирующий шаг у  должен быть больше или меньше, чем двойное полюсное деление 2t, чтобы при обходе секций все они были включены в обмотку. Поэтому, делая один обход по окружности якоря, мы попадаем в элементарный паз, сдвинутый вправо или влево от начала обхода на х делений элементарных пазов (рис. 6,б). Так как мы должны при этом сделать столько результирующих шагов у, сколько имеется пар полюсов, то yp±x = Z_э = S. Отсюда получаем:

          (8)

Число параллельных ветвей волновой обмотки зависит только от х, оно равно 2а = 2х. В этом можно убедиться, рассматривая схемы обмоток.

Формула для результирующего  шага пишется следующим образом

.          (9)

Верхний знак соответствует  неперекрещенной обмотке, нижний знак — перекрещенной.

При  а = 1 получается простая волновая обмотка или простая последовательная обмотка. При а > 1 получается сложная волновая или сложная последовательная обмотка.

На рис. 11 приведена  схема-развертка простой волновой обмотки:

2p = 4; Z_э = S = K = 19; 2a = 2;

y₂ = y – y₁ = 4.

Рис. 11. Схема-развертка простой  волновой обмотки 
Z_э = S = K = 19; 2р = 4; у = y_к = 9; y₁ = 5; y₂ = 4; а = 1.

Радиальная схема той  же обмотки приведена на рис. 11а.

Рис. 11а. Радиальная схема простой  волновой обмотки (кривые линии вне  якоря условно показывают лобовые  соединения на задней стороне машины, кривые внутри якоря — лобовые  соединения на ее передней стороне ).

На рис. 12 представлены параллельные ветви обмотки, соответствующие  положению якоря и коллектора относительно полюсов и щеток, показанному  на рис. 16. Получаются две параллельные ветви. Для любой волновой обмотки  можно взять только две щетки (заштрихованные на рис. 11 и 12). Однако в обычных случаях берут число щеток  равным числу полюсов, так как в этом случае поверхность коллектора лучше используется и его размеры можно сократить. Выключаемые при этом секции (замкнутые щетками) практически не изменяют (при большом числе секций в параллельной ветви) ее э.д.с.

Рис. 12. Параллельные ветви простой  волновой обмотки  (см. рис. 11) при двух щетках и при четырех щетках. 

Сложную волновую обмотку можно  представить себе,  как а простых волновых обмоток, уложенных на якоре, имеющем число пазов и число коллекторных пластин в а раз больше, чем это нужно для одной простой волновой обмотки. Сложные волновые обмотки на практике встречаются сравнительно редко.

Простая волновая обмотка находит  себе самое широкое применение для нормальных машин небольшой и средней мощности при 2р=4 и 6. Ее преимущество перед простой петлевой обмоткой заключается в том, что она при любом числе полюсов имеет только две параллельные ветви и, следовательно, при 2р>2 требует меньше проводников. При этом сечение проводников должно быть взято больше, чем при петлевой обмотке, но при меньшем числе проводников изготовление обмотки облегчается. Другим важным преимуществом простой волновой обмотки является то, что она не требует уравнительных соединений, тогда как петлевая обмотка при 2р>2 должна быть снабжена уравнительными соединениями.

Число параллельных ветвей волновой обмотки, как отмечалось, зависит  только от х коллекторных делений между началом и концом одного обхода по окружности коллектора. Это можно доказать, пользуясь теми же рассуждениями, что и в отношении петлевой обмотки. Для волновой обмотки можно также построить векторные диаграммы э.д.с. — многоугольники э.д.с. обмотки. Здесь сдвиг по фазе э.д.с. секций, следующих одна за другой при обходе обмотки, соответствует их сдвигу в магнитном поле, равному 2t-у (см. рис. 16,б). Так как число параллельных ветвей 2а равно общему сдвигу в магнитном поле при обходе всех секций обмотки, т. е. (2t-y)S, поделенному на t, то получим: 2а = (2t-y)S:t. Подставляя сюда (8) и t=S/2р, будем иметь:

(здесь знак минус опускаем, так  как 2а — число существенно положительное).

г) Уравнительные соединения.

Обратимся к рис. 7, 7а и 8, где приведены схемы простой петлевой обмотки и ее параллельных ветвей. При различных потоках отдельных магнитных цепей э.д.с. параллельных ветвей будут неодинаковы. Различие потоков может быть вызвано эксцентричным положением якоря относительно полюсов, раковинами, получающимися при отливке станины. Допустим, например, что э.д.с. верхней ветви на рис. 8 больше э.д.с. третьей (сверху) ветви. Тогда в контуре, состоящем из этих ветвей, правых и левых щеток и соединительных проводников между ними, будет проходить уравнительный (постоянный) ток, причем он будет иметь большое значение, даже при небольшом различии э.д.с. ветвей обмотки. В результате верхние щетки будут иметь чрезмерную нагрузку, что может вызвать искрение под этими щетками.

Для того чтобы уменьшить  уравнительные токи, проходящие через  щетки, устраивают уравнительные соединения. Они представляют собой проводники, соединяющие друг с другом точки обмотки с теоретически равными потенциалами, т. е. те точки обмотки, которые имели бы равные потенциалы, если бы были соблюдены все условия симметрии. На рис. 7 и 8 показаны пунктиром четыре группы уравнительных соединений (каждая группа представляет собой соединение а "равнопотенциальных" точек). Для реальных обмоток делают обычно 6—12 групп уравнительных соединений. Только для обмоток быстроходных машин, таких, например, как возбудители к мощным турбогенераторам, часто делают полное возможное число групп уравнительных соединений, равное К/а.

При наличии уравнительных  соединений уравнительные токи будут  проходить главным образом по этим соединениям. Токи будут переменными. Они образуют многофазную систему и, следовательно, создадут н.с., вращающуюся с такой же скоростью, с какой вращается якорь, но в противоположную сторону. Эта н.с. относительно полюсов будет неподвижной и согласно закону Ленца будет выравнивать потоки под полюсами. Тем самым будет почти полностью устраняться причина, вызывающая уравнительные токи через щетки.

При простой волновой обмотке нельзя выполнить уравнительные  соединения, но они здесь не требуются, так как секции любой параллельной ветви этой обмотки располагаются под всеми полюсами и неравенство отдельных потоков в одинаковой степени сказывается на э.д.с. обеих параллельных ветвей.

          д) Равносекционные и ступенчатые обмотки.

При выполнении обмотки  из проводников небольшого сечения, когда секция состоит из нескольких витков, следует так выбирать шаг y₁, чтобы все секции были одинаковыми по ширине. В этом случае секции могут быть объединены в катушки, хорошо изолированы вне машины и в готовом виде заложены в пазы якоря.

Обмотка с секциями, одинаковыми  по ширине, называется равносекционной. Секции этой обмотки представлены на рис. 13. Здесь катушка состоит из трех секций; следовательно, она имеет по три конца с каждой стороны, которые присоединяются к коллекторным пластинам в соответствии с шагом по коллектору у_к. Таких катушек должно быть заготовлено столько, сколько пазов имеет якорь.

Рис. 13. Равносекционная  обмотка. 

Для равносекционной  обмотки ширина секции (шаг у₁) выбирается таким образом, чтобы при положении одной ее стороны в верхнем слое одного паза, например в крайнем левом положении, другая сторона находилась в нижнем слое другого паза, также в крайнем левом положении (рис. 13). Следовательно, для равносекционной обмотки y₁/u должно быть равно целому числу (u — число секционных сторон в одном слое паза).

Если y₁/u не равно целому числу, то получается ступенчатая обмотка (рис. 14). Такая обмотка применяется при секциях, состоящих из одного витка. Обычно секции ступенчатой обмотки образуются из полусекций (стержней), закладываемых в пазы, путем соединения при помощи хомутиков их концов на стороне, противоположной коллектору. Она применяется для машин большой мощности, так как создает лучшие условия коммутации .

Рис. 14. Ступенчатая обмотка.

 

 

 

 

 

 

1.3. Реакция  якоря

При холостом ходе машины магнитное поле в ней создается только обмоткой возбуждения, так как только по этой обмотке будет проходить ток. При нагрузке ток проходит и по обмотке якоря, н.с. которой изменяет поле машины, на что впервые была указано Э. X. Ленцем.

Воздействие н.с. якоря на поле машины называется реакцией якоря. При помощи рис. 15 мы можем выяснить, как изменяется поле машины в результате этого воздействия. На рис. 15,а изображено поле машины при ее холостом ходе, когда оно создается только н.с. обмотки возбуждения. На рис. 15,б показано поле якоря. Такое поле получается в машине при наличии тока только в обмотке якоря. При этом сам якорь превращается в электромагнит. Его н.с. имеет ось, всегда совпадающую с линией щеток. 

Рис. 15. Реакция якоря  при положении щеток на геометрической нейтрали. 
а — поле при холостом ходе; б — поле якоря, в — поле при нагрузке (nn' — геометрическая нейтраль, mm'—физическая нейтраль)  

Мы расположили щетки  на геометрической нейтрали, т. е. на линии, перпендикулярной оси полюсов. В этом случае токи в проводниках якоря верхней и нижней его частей имеют противоположные направления. Намагничивающая сила якоря, действующая по линии щеток, будет наибольшей, так как соответствующая магнитная линия охватывает наибольший полный ток. Далее н.с. убывает и под серединой полюса становится равной нулю. Можно приближенно считать, что она убывает по закону прямой линии, как это показано на рис. 16, где кривая 2 представляет собой кривую н.с. якоря, ординаты которой равны соответствующей н.с. якоря на половину обхода (на один полюс).

Рис. 16. Реакция якоря  при положении щеток на геометрической нейтрали. 
1 — кривая поля при холостом ходе, 2 — кривая н.с, якоря, 3 — кривая поля якоря, 4 — кривая результирующего поля без учета изменения насыщения, 5 — кривая действительного поля машины при нагрузке (nn' — геометрическая нейтраль, mm' —физическая нейтраль).  

На рис. 15,в показано поле машины при ее нагрузке. Мы видим, что в результате реакции якоря поле машины, работающей генератором, изменилось: произошло усиление поля под сбегающей половиной полюса и ослабление его под набегающей половиной полюса. Другим следствием реакции якоря является смещение физической нейтрали, т. е. линии, проходящей через точки окружности якоря, где индукция равна нулю.

При холостом ходе физическая нейтраль совпадает с геометрической. При нагрузке она смещается относительно геометрической нейтрали: при работе генератором — в сторону вращения, при работе двигателем — против вращения (при принятых на рис. 15,в направлениях поля и токов в обмотке якоря машина при работе двигателем будет вращаться в обратную сторону).

На рис. 16 показаны кривые поля машины при холостом ходе и  при нагрузке: здесь также приведена  кривая поля якоря. Если кривую поля машины при ее нагрузке будем определять, исходя из принципа наложения, т. е. складывая ординаты кривой поля при холостом ходе 1 и кривой поля якоря 3, то получим кривую результирующего поля 4. Однако принцип наложения здесь не может дать точных результатов, так как поле в ферромагнитных телах не является линейной функцией тока. Кривая действительного поля машины при нагрузке 5 отличается от кривой результирующего поля 4. Кривая 5 показывает, что ослабление поля под набегающей половиной полюса будет больше, чем усиление поля под сбегающей половиной полюса (вследствие насыщения главным образом зубцов якоря). В результате получается ослабление общего поля и, следовательно, уменьшение полезного потока Ф, определяющего значение э.д.с. якоря.