Петлевые обмотки якоря

Основные понятия. Обмотка якоря машины постоян­ного тока представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору.

Элементом обмотки якоря является секция (ка­тушка), присоединенная к двум коллекторным плас­тинам. Расстояние между пазовыми частями секции должно быть равно или мало отличаться от полюс­ного деления τ [см. (7.1)] (рис. 25.1):

τ = πD_a/(2р). (25.1)

Здесь D_a — диаметр сердечника якоря, мм.

Обмотки якоря обычно выполняют двухслойными. Они характеризуются следующими параметрами: числом секций S; числом пазов (реальных) Z; чис­лом секций, приходящихся на один паз, S_п = S/Z; числом витков секции ωc; числом пазовых сторон в обмотке N; числом пазовых сторон в одном пазу n_п = N/Z = 2ω_cS_n. Верхняя пазовая сторона одной секции и нижняя пазовая сторона другой секции, лежащие в одном пазу, образуют элементарный паз. Число элементарных пазов в реальном пазе Z_п опре­деляется числом секций, приходящихся на один паз: S_п= S/Z (рис. 25.2).

Схемы обмоток якоря делают развернутыми, при этом все секции показывают одновитковыми. В этом случае каждой секции, содержащей две пазо­вые стороны, соответствует один элементарный паз. Концы секций присоединяют к коллекторным пласти­нам, при этом к каждой пластине присоединяют на­чало одной секции и конец другой, т. е. на каждую секцию приходится одна коллекторная пластина. Таким образом, для обмотки якоря справедливо S= Z_э = К, где Z_э — число элементарных пазов; К — число коллекторных пластин в коллекторе. Число секций, приходящихся на один реальный паз, опре­деляется отношением Z_э/Z.

Простая петлевая обмотка якоря. В простой пет­левой обмотке якоря каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. При укладке секций на сердечнике якоря начало каждой последующей секции соединяется с концом предыдущей, постепенно перемещаясь при этом по поверхности якоря (и коллектора) так, что за один обход якоря укладывают все секции обмотки. В результате конец послед­ней секции оказывается присоединенным к началу первой секции, т. е. обмотка якоря замыкается.

На рис. 25.3, а, б изображе­ны части развернутой схемы простой петлевой обмотки, на которых показаны шаги обмот­ки — расстояния между пазо­выми сторонами секций по яко­рю: первый частичный шаг по якорю у₁ второй частичный шаг по якорю у₂ и результирующий шаг по якорю у.

Если укладка секций обмот­ки ведется слева направо по якорю, то обмотка называется правоходовой (рис. 25.3, а), а если укладка секций ведется справа налево, то обмотка называется левоходовой (рис. 25.4,6). Для правоходовой об­мотки результирующий шаг

' y = y₁ - y₂ (25.2)

Расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым присоединены начало и конец одной секции, назы­вают шагом обмотки по коллек­тору y_к. Шаги обмотки по якорю выражают в элементарных пазах, а шаг по коллектору — в коллекторных делениях (пластинах).

Начало и конец каждой секции в простой петлевой обмотке присоединены к рядом лежащим коллекторным пластинам, следо­вательно, у — у_к = ± 1, где знак плюс соответствует правоходовой обмотке, а знак минус — левоходовой.

Для определения всех шагов простой петлевой обмотки дос­таточно рассчитать первый частичный шаг по якорю:

у₁= [Zэ/(2р)] ± е, (25.3)

где е — некоторая величина, меньшая единицы, вычитая или сум­мируя которую получают значение шага у₁, равное целому числу.

Второй частичный шаг обмотки по якорю

у₂ = у₁ + у = у₁± 1., (25.4)

Пример 25.1. Рассчитать шаги и выполнить развернутую схему простой петлевой обмотки якоря для четырехполюсной машины (2р = 4) постоянного тока. Обмотка правоходовая, содержит 12 секций.

Решение. Первый частичный шаг по якорю по (25.3)

y₁= (Zэ/(2p)) + е = (12/4)+0 =3 паза.

Второй частичный шаг по якорю по (25.4)

у₂=у₁ — у = 3 — 1 = 2 паза.

а — правоходовая; б — левоходовая; в — развернутая схема

Прежде чем приступить к выполнению схемы обмотки, необ­ходимо отметить и пронумеровать все пазы и секции, нанести на предполагаемую схему контуры магнитных полюсов и указать их полярность (25.3, в). При этом нужно иметь в виду, что отме­ченный на схеме контур является не полюсом, а зеркальным ото­бражением полюса, находящегося над якорем. Затем изобража­ют коллекторные пластины и наносят на схему первую секцию, пазовые части которой располагают в пазах 1 и 4. Коллекторные пластины, к которым присоединены начало и конец этой секции, обозначают 1 и 2. Затем нумеруют все остальные пластины и наносят на схему остальные секции (2, 3, 4 и т. д.). Последняя секция 12 должна замкнуть обмотку, что будет свидетельство­вать о правильном выполнении схемы.

Далее на схеме изображают щетки. Расстояние между щет­ками А и В должно быть равно К(2р)=12/4=3, т.е. дол­жно соответствовать полюсному делению. Что же касается расположения щеток на коллекторе, то при этом следует руковод­ствоваться следующим. Предположим, что электрический контакт обмотки якоря с внешней цепью осуществляется не через кол­лектор, а непосредственно через пазовые части обмотки, на кото­рые наложены «условные» щетки (рис. 25.4, а). В этом случае наибольшая ЭДС машины соответствует положению «условных» щеток на геометрической нейтрали (см. § 25.4). Но так как кол­лекторные пластины смещены относительно пазовых сторон соединенных с ними секций на 0,5т (рис. 25.4, 6), то, переходя к реальным щеткам, их следует расположить на коллекторе по оси главных полюсов, как это показано на рис. 25.3, в.

При определении полярности щеток предполагают, что маши­на работает в генераторном режиме и ее якорь вращается в направлении стрелки (см. рис. 25.3, в). Воспользовавшись пра­вилом «правой руки», находят направление ЭДС (тока), наве­денной в секциях. В итоге получаем, что щетки А₁ и А₂, от кото­рых ток отводится во внешнюю цепь, являются положительными, а щетки В₁ и В₂ -отрицательными. Щетки одинаковой поляр­ности присоединяют параллельно к выводам соответствующей полярности.

Параллельные ветви обмотки якоря. Если проследить за прохождением тока в секциях обмотки якоря (см. рис. 25.3, в), то можно заметить, что обмотка состоит из четырех участков, соеди­ненных параллельно друг другу и называемых параллельными ветвями. Каждая параллельная ветвь содержит несколько после­довательно соединенных секций с одинаковым направлением тока в них. Распределение секций в параллельных ветвях показано на электрической схеме обмотки (рис. 25.5). Эту схему получают из развернутой схемы обмотки (см. рис. 25.3, в) следующим обра­зом. На листе бумаги изображают щетки и имеющие с ними кон­такт коллекторные пластины, как это показано на рис. 25.5. Затем совершают обход секций обмотки начиная с секции 1, ко­торая оказывается замкнутой накоротко щеткой В₁. Далеё идут секции 2 и 3, которые образуют параллельную ветвь. Таким же об­разом обходят все остальные секции. В результате получаем схему с четырьмя параллельными ветвями, по две секции в каж­дой ветви.

Из полученной схемы следует, что ЭДС обмотки якоря опре­деляется значением ЭДС одной параллельной ветви, тогда как значение тока обмотки определяется суммой токов всех ветвей обмотки:

I_a= 2ai_a. (25.5)

где 2а — число параллельных ветвей обмотки якоря; i_a — ток одной параллельной ветви.

В простой петлевой обмотке число параллельных ветвей рав­но числу главных полюсов машины: 2а = 2р.

Нетрудно заметить, что число параллельных ветвей в обмотке, якоря определяет значение основных параметров машины — тока и напряжения.

Пример 25.2. Шестиполюсная машина постоянного тока имеет на якоре прос­тую петлевую обмотку из 36 секций. Определить ЭДС и силу тока в обмотке якоря машины, если в каждой секции наводится ЭДС 10В, а сечение провода секции рассчитано на ток не более 15 А.

Решение. Число параллельных ветвей в обмотке 2а = 2р = 6, при этом в каждой параллельной ветви Sn = S/(2a) = 36/6 = 6 секций. Следовательно, ЭДС обмотки якоря Е_а = 6*10 = 60В, а допустимый ток машины Ia = 6*15=90 А.

Если бы машина при прочих неизменных условиях имела восемь полюсов, то ее ЭДС уменьшилась бы до 40В, а ток увеличился бы до 120 А.

Рис. 25.5. Электрическая схема обмотка рис. 25,3, в

Сложная петлевая обмотка. При необхо­димости получить пет­левую обмотку с боль­шим числом параллель­ных ветвей, как это требуется, например, в низковольтных маши­нах постоянного тока, применяют сложную петлевую обмотку. Та­кая обмотка представ­ляет собой несколько (обычно две) простых петлевых обмоток, уло­женных на одном якоре и присоединенных к од­ному коллектору. Число параллельных ветвей в сложной петлевой обмотке 2а — 2рт, где т — число простых петлевых обмоток, из которых составлена сложная обмотка (обычно m = 2). Ширина щеток при сложной петлевой обмотке принимается такой, чтобы
каждая щетка одновременно перекрывала m коллекторных плас­тин, т. е. столько пластин, сколько простых обмоток в сложной. При этом простые обмотки оказываются присоединенными парал­лельно друг другу. На рис. 25.6 показана развернутая схема сложной петлевой обмотки, состоящей из двух простых (m = 2): 2р = 4; Zэ = 16. Результирующий шаг обмотки по якорю и шаг по коллектору сложной петлевой обмотки принимают равным у = ук = m. Первый частичный шаг по якорю определяют по (25.3).

Пример 25.3. Четырехполюсная машина имеет сложную петлевую обмотку якоря из 16 секций. Выполнить развернутую схему этой обмотки, приняв m = 2.

Решение. Шаги обмотки: у₁ = Zэ/(2p) = 16/4 = 4 паза;, у = у_к = 2 паза; у₂ = у₁ — у = 4 — 2 = 2 паза.

Сначала располагаем все секции одной из простых обмоток (секции с нечетными номерами: 1, 3, 5 и т. д.), а концы этих сек­ций присоединением к нечетным пластинам коллектора (рис. 25.6). Затем располагаем на якоре секции другой петлевой обмотки с но­мерами 2, 4, 6 и т. д. Изображаем на схеме щетки шириной в два коллекторных деления. Число параллельных ветвей обмотки 2а= 2pm = 4*2 ==8.