Обмотки якоря машин постоянного тока

   Таким образом, если в сложных волновых обмотках применяют лишь уравнители второго рода, то в сложных петлевых обмотках необходимы как уравнители первого, так и уравнители второго рода.

   

   Рис. 12. Уравнительные соединения второго рода в сложной петлевой обмотке якоря

   Комбинированная обмотка. Комбинированная (лягушачья) обмотка представляет собой сочетание петлевой и волновой обмоток, расположенных в одних пазах и присоединенных к общему коллектору. Секция этой обмотки

показана на рис. 13, а. Так как каждая из составляющих обмоток двухслойная, то комбинированную обмотку укладывают в пазах якоря в четыре слоя, а к каждой пластине коллектора припаивают по четыре проводника.

   Достоинство комбинированной обмотки — большое число параллельных ветвей при отсутствии уравнительных соединений. Однако некоторая технологическая трудность в выполнении комбинированных обмоток ограничивает их применение машинами постоянного тока большой мощности, а также быстроходными машинами, в которых выполнение уравнителей затруднено.

   

   Рис. 13. Комбинированная обмотка якоря

   На  рис. 13, б показана часть развернутой схемы комбинированной обмотки. Шаги секций комбинированной обмотки принимают одинаковыми . Шаг по якорю комбинированной обмотки равен сумме шагов составляющих обмоток:

                                         ,

   т. е. шаг комбинированной обмотки по якорю равен потенциальному шагу [см. (11)]. Поэтому пластины коллектора, которые должны быть соединены уравнителями, в комбинированной обмотке оказываются соединенными секциями.

   Следует обратить внимание, что комбинированная  обмотка выполнима лишь при условии равенства чисел параллельных ветвей в волновой и петлевой составляющих обмотках. При этом ЭДС параллельных ветвей обмоток должны быть одинаковыми. В петлевой обмотке число параллельных ветвей 2 = 2 , в волновой обмотке 2 =2. Для получения одинакового числа параллельных ветвей в обмотках волновую обмотку выполняют сложной с числом = р. Число параллельных ветвей в комбинированной обмотке 2 = 2 + 2 = 4 .

   4. Электродвижущая  сила и электромагнитный момент машины постоянного тока

   Электродвижущая сила. Она наводится в обмотке якоря основным магнитным потоком. Для получения выражения этого потока обратимся к графику распределения индукции в зазоре машины (в поперечном сечении), который при равномерном зазоре в пределах каждого полюса имеет вид криволинейной трапеции (рис. 14, а, график 1). Заменим действительное распределение индукции в зазоре прямоугольным (график 2), при этом высоту прямоугольника примем равной максимальному значению индукции , а ширину — равной величине , при которой площадь прямоугольника равна площади, ограниченной криволинейной трапецией. Величина называется расчетной полюсной дугой. В машинах постоянного тока расчетная полюсная дуга мало отличается от полюсной дуги :

                                                                     ,                          (13)

или, воспользовавшись коэффициентом полюсного перекрытия , получим

                                                                                       (14)

   С учетом (14) основной магнитный поток (Вб)

                                                                  (15)

   Здесь — полюсное деление, мм; — расчетная длина якоря, мм. 

     

   Рис. 14. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока

   Коэффициент полюсного перекрытия имеет большое влияние на свойства машины постоянного тока. На первый взгляд кажется целесообразным выбрать наибольшее значение , так как это способствует увеличению потока Ф, а следовательно, и увеличению мощности машины (при заданных размерах). Однако слишком большое , приведет к сближению полюсных наконечников полюсов, что будет способствовать росту магнитного потока рассеяния и неблагоприятно отразится на других свойствах машины. При этом полезный поток машины может оказаться даже меньше предполагаемого значения (см. пункт 1). Обычно = 0,6÷0,8, при этом меньшие значения соответствуют машинам малой мощности.

   На  рис. 14, б показан продольный разрез главного полюса и якоря с радиальными вентиляционными каналами. График распределения магнитной индукции в воздушном зазоре по продольному разрезу машины имеет вид зубчатой кривой (кривая 1). Заменим эту кривую прямоугольником высотой и основанием , величина которого такова, что площадь прямоугольника равна площади, ограниченной зубчатой кривой. Это основание представляет собой расчетную длину якоря (мм)

                                                       ,                         (16)

где — длина полюса, мм;

                                                                                     (17)

— длина  якоря без радиальных вентиляционных каналов, мм; — общая длина якоря, включая вентиляционные каналы, мм; — ширина вентиляционного канала (обычно 10 мм), мм.

   При выводе формулы ЭДС будем исходить из прямоугольного закона распределения индукции в зазоре, при этом магнитная индукция на участке расчетной полюсной дуги равна , а за ее пределами равна нулю и в проводниках, расположенных за пределами , ЭДС не наводится. Это эквивалентно уменьшению общего числа пазовых проводников в обмотке якоря до значения . Исходя из этого и учитывая, что ЭДС обмотки определяем с суммой ЭДС секций, входящих лишь в одну параллельную ветвь с числом пазовых проводников , запишем

                                                     ,                                 (18)

где

                                                                                           (19) 

— ЭДС одного пазового проводника обмотки, активная длина которого .

   Окружную  скорость вращающегося якоря (м/с) заменим  частотой вращения (об/мин): , где .

   С учетом (18), (19) получим

                                                          

или, учитывая, что произведение , получим выражение ЭДС машины постоянного тока (В):

                                                      ,                      (20)

где                                                                                  (21)

—  постоянная для данной машины величина; Ф — основной магнитный поток, Вб; — частота вращения якоря, об/мин.

   Значение  ЭДС обмотки якоря зависит  от ширины секции . Наибольшее значение ЭДС соответствует полному (диаметральному) шагу , так как в этом случае с каждой секцией обмотки сцепляется весь основной магнитный поток Ф. Если же секция укорочена (у < ), то каждая секция сцепляется лишь с частью основного потока, а поэтому ЭДС обмотки якоря уменьшается. Таков же эффект при удлиненном шаге секций (у > ), так как в этом случае каждая секция обмотки сцепляется с основным потоком одной пары полюсов и частично с потоком соседней пары, имеющим противоположное направление, так что результирующий поток, сцепленный с каждой секцией, становится меньше потока одной пары полюсов. По этой причине в машинах постоянного тока практическое применение получили секции с полным или укороченным шагом.

   На  ЭДС машины влияет положение щеток: при нахождении щеток на геометрической нейтрали ЭДС наибольшая, так как в этом случае в каждой параллельной ветви обмотки все секции имеют одинаковое направление ЭДС; если же щетки сместить с нейтрали, то в параллельных ветвях окажутся секции с противоположным направлением ЭДС, в результате ЭДС обмотки якоря будет уменьшена.

   При достаточно большом числе коллекторных пластин уменьшения ЭДС машины при сдвиге щеток с нейтрали учитывается множителем :

                                               ,                                 (22)

 где — угол смещения оси щеток относительно нейтрали (рис. 15).

   

   Рис. 15. Наведение ЭДС в обмотке якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали на угол  

   Электромагнитный  момент. При прохождении по пазовым проводникам обмотки якоря тока на каждом из проводников появляется электромагнитная сила

                                                            .                       (23)

   Совокупность  всех электромагнитных сил  на якоре, действующих на плечо, равное радиусу сердечника якоря , создает на якоре электромагнитный момент М.

   Исходя  из прямоугольного закона распределения магнитной индукции в зазоре (см. рис. 14, а, график 2), следует считать, что сила одновременно действует на число пазовых проводников . Следовательно, электромагнитный момент машины постоянного тока (Н∙м)

                                                       

   Учитывая, что  , а также что ток параллельной ветви , получим

                                                     .

 Используя выражение основного магнитного потока (15), а также имея в виду, что , получим выражение электромагнитного момента (Н·м):

                                                ,                           (24)

   где — ток якоря, А;

                                                                                    (25)

— величина, постоянная для данной машины.

   Электромагнитный  момент машины при ее работе в двигательном режиме является вращающим, а при  генераторном режиме — тормозящим по отношению к вращающему моменту приводного двигателя.

   Подставив из (25.20) в (25.24) выражение основного  магнитного потока , получим еще одно выражение электромагнитного момента:

                             ,                    (26)

где — угловая скорость вращения;

                                                                                                 (27)

— электромагнитная мощность машины постоянного тока, Вт.

   Из (26) следует, что в машинах равной мощности электромагнитный момент больше у машины с меньшей частотой вращения якоря. 

   5. Выбор типа обмотки якоря

   Применение  в машине постоянного тока того или  иного типа обмотки якоря определяется технико-экономическими требованиями. Выбранный тип обмотки должен обеспечивать в машине необходимую ЭДС при заданном токе. При этом следует стремиться к минимальному числу уравнительных соединений. Требования экономического характера при выборе типа обмотки сводятся к возможно лучшему использованию пазов сердечника якоря, что определяется значением коэффициента заполнения паза медью .

   Выбранный тип обмотки должен содержать  возможно меньшее число пазовых проводников N, так как в противном случае значительная часть площади паза будет занята изоляцией этих проводников. Преобразуя выражения (20), получим

                                             .    (28)

   Отсюда следует, что при заданных и число проводников в обмотке прямо пропорционально числу пар параллельных ветвей. Поэтому при выборе типа обмотки следует отдавать предпочтение обмоткам якоря с минимальным числом параллельных ветвей, например, простой волновой обмотке с 2 = 2, которая к тому же не требует уравнительных соединений. В табл. 1 приведены рекомендации по выбору типа обмотки якоря для двигателей постоянного тока общепромышленного назначения в зависимости от числа полюсов и силы тока якоря.

   Таблица  1