Простая петлевая обмотка

Шаги обмотки. На рис. 3-15 представлены два возможных варианта последовательного соединения секций простой петлевой обмотки. Эту обмотку называют также параллельной. На рис. 3-15 показаны шаги у_ъ у₂, у рассматриваемой обмотки, которые будем определять по элементарным пазам. Первый частичный шаг^ вычисляется по формуле (3-9) и определяет расстояние по поверхности якоря между начальной и конечной сторонами секции. Второй частичный шаг обмотки у_г определяет расстояние между конечной стороной данной секции и начальной стороной последующей за ней по схеме обмотки секции. Направление движения по якорю и коллектору вправо будем считать положительным. Так как в петлевой обмотке движение при переходе от конечной

стороны предыдущей секции к начальной стороне последующей совершается влево, то шаг у₂ в петлевой обмотке будем считать отрицательным числом. Результирующий шаг обмотки

Рис. 3-15. Секции неперекрещен-ной (а) и перекрещенной (б) простой петлевой обмотки

определяет расстояние между начальными сторонами данной и последующей за ней секцией.

Коллекторным делением называется ширина коллекторной пластины плюс ширина одной изоляционной прокладки между пластинами. Шаг по коллектору у_к определяет расстояние в коллекторных делениях между серединами коллекторных пла-

стин, к которым присоединены концы данной секции или, что то же самое, начала данной и последующей за ней секций. Очевидно,

Соотношения (3-9), (3-12) и (3-13) применимы для всех типов обмоток.

Отличительным свойством простой петлевой обмотки является то, что для нее

Знак плюс соответствует случаю |г/₂|>#1> и такие обмотки называются неперекрещенными (рис. 3-15, а). Знак ми-

Рис. 3-16. Таблица соединений секционных сторон простой петлевой обмотки, изображенной на рис. 3-17

нус соответствует случаю \у₂\> Уъ ^и такие обмотки называются перекрещенными (рис. 3-15, б). Во втором случае расход меди несколько больше, и поэтому выполнения таких петлевых обмоток избегают. В электромагнитном отношении эти обмотки равноценны и различаются только тем, что при той же полярности полюсов и том же направлении вращения полярности щеток противоположны.

Схема и основные свойства обмотки. Рассмотрим симметричную простую петлевую обмотку с данными:

Будем присваивать секционным сторонам номера тех элементарных пазов, в которых они лежат. Тогда по известным значениям шагов можно составить таблицу соединений секционных сторон обмотки (рис. 3-16), исходя из определенного элементарного паза и прибавляя к номеру этого паза значение первого частичного шага, значение второго шага, затем опять первого и т. д. Номера верхних сторон секций, изображенных сплошными линиями, про-

ставлены в таблице на рис. 3-16 сверху, а номера нижних сторон секций, изображенных штриховыми линиями, — снизу. От нижней секционной стороны 4" (справа на рис. 3-16) по ходу обмотки вернемся опять к верхней стороне /', так как 4 + у_г = 4 — 3 = 1. Таким образом, обмотка является замкнутой.

По известным шагам или таблице соединений секционных сторон можно начертить также схему обмотки (рис. 3-17).

На рис. 3-17 проставлены номера элементарных пазов. Условимся, как это сделано на рис. 3-17, присваивать коллекторной

Рис. 3-17. Схема простой петлевой обмотки с 2р = 4, Z — 2_Э — S = К = 18, У\ = 4, у₂ = — 3, у = у_к = +1

пластине номер той секции, с началом которой соединена эта пластина.

Линия на поверхности якоря, проходящая в осевом направлении посередине между двумя соседними полюсами, называется линией геометрической нейтрали или геометрической нейтралью, так как вдоль этой линии магнитная индукция В = 0.

При вращении якоря некоторая часть секций, выделенных на рис. 3-17 жирными линиями, оказывается неизбежно замкнутой накоротко через щетки. Чтобы индуктируемые в этих секциях э. д. с. были минимальны и в секциях не возникало чрезмерных токов, которые вызовут перегрузку щеточных контактов, такие короткозамкнутые секции должны находиться на линии геометрической нейтрали или в ближайшей от этой линии нейтральной зоне. Для этого щетки устанавливаются так, чтобы в середине периода короткого замыкания стороны секции располагались симметрично

относительно середины полюса. Тогда говорят, что щетки установлены на нейтрали. При симметричной форме лобовых частей секций щетки расположены по осям полюсов (рис. 3-17).

Совершим обход цепи обмотки (рис. 3-17) слева направо, начиная с секции 2. Проходя последовательно, начиная от щетки 51, секции 2, 3, 4 а 5, мы мысленно движемся по направлению индуктируемых э. д. с. и выходим к щетке А1. Следовательно, эти секции составляют одну параллельную ветвь, э. д. с. которой равна сумме э. д. с. этих секций. Проходя затем от щетки А1 к щетке В2 по контуру секций 6, 7, 8, 9, мы обойдем вторую параллельную ветвь, двигаясь против направления индуктируемых э. д. с. Секция 10 замкнута накоротко. Секции 11, 12, 13 и 14, расположенные между щетками В2 и А2, составляют третью ветвь, а секции 15, 16, 17 и 18, расположенные между щетками А2 и В1, — четвертую ветвь. Обход этой последней ветви также совершается против направления э. д. с., причем после нее мы приходим к пластине /. Секция / также замкнута накоротко. Через каждую щетку простой петлевой обмотки протекают токи двух параллельных ветвей.

Верхние стороны секций каждой параллельной ветви находятся под одним полюсом, а нижние — под другим. На рис. 3-16 коротко-замкнутые секции обведены штриховыми прямоугольниками.

Таким образом, обмотка на рис. 3-17 имеет четыре параллельные ветви, а в общем случае простая петлевая обмотка содержит

параллельных ветвей, что является характерной особенностью этой обмотки. Очевидно, что условия симметрии (3-5), (3-6) и (3-7) для обмотки, изображенной на рис. 3-17, удовлетворяются.

Если машина работает в режиме генератора, стрелки на рис. 3-17 указывают также направление токов в обмотке. При этом полный ток якоря /„ тоже распределяется по четырем ветвям. В соответствии с изложенным цепь обмотки (рис. 3-17) можно изобразить упрощенно, как показано на рис. 3-18, где ветви обмотки и распределение тока выглядят более наглядно.

На основании рассмотрения рис. 3-17 можно установить также следующее. Если обмотка имеет полный шаг и щетки установлены на нейтрали, то э. д. с. ветви будет наибольшей. Кроме того, при этом направлении токов всех проводников, лежащих под одним полюсом, будут одинаковы, и поэтому развиваемый электромагнитный момент будет максимальным. Следовательно, такое устройство обмотки и такое расположение щеток являются наиболее выгодными. Небольшое отклонение шага у_г от полного не оказывает заметного влияния на величину э. д. с. и вращающего момента, так к#к изме-

нение направлений э. д. с. и токов при этом происходит только в таких проводниках параллельной ветви, которые располагаются вблизи нейтрали, т. е. в зоне слабого магнитного поля.

Расположение параллел-ьных ветвей в пространстве относительно неподвижных полюсов определяется положением щеток и также неизменно. При вращении якоря секции переходят попеременно из одной ветви в другую, причем во время такого перехода секция замыкается накоротко щеткой и в ней происходит изменение направления тока, например, от значения +i_a до значения —t_a. Это явление называется коммутацией секции. Явления в короткозамкнутой секции влияют, как уже указывалось, на величину токов в щеточном контакте и на работу щеток. Совокупность явлений, связанных с замыканием секций накоротко щетками, переходом этих секций из одних параллельных ветвей обмотки в другие и передачей тока через скользящий контакт между коллектором и щеткой, называется коммутацией машины. Подробно вопросы коммутации рассматриваются в гл. 6.

Векторная диаграмма э. д. с. обмотки. Пользуясь

рассмотренной в § 3-2 звездой э. д. с. секций, можно построить векторную диаграмму э. д. с. обмотки, складывая векторы э. д. с. секций в той последовательности, в какой секции расположены по контуру обмотки.

Такая диаграмма вместе со звездой э. д. с. секций для обмотки, показанной на рис, 3-17, изображена на рис. 3-19. Поскольку векторы э. д. с. соседних секций при Z = 18 и 2р = 4 сдвинуты на 40° (см. § 3-2), то после построения векторов девяти секций происходит поворот на 9 -40° = 360° и многоугольник э. д. с. замыкается. После обхода остальных девяти секций получается второй многоугольник, накладывающийся на первый.

Каждый многоугольник э. д. с. соответствует одной паре параллельных ветвей. В общем случае при простой петлевой обмотке получается р многоугольников, которые при полной идентичности всех пар параллельных ветвей накладываются друг на друга, что свидетельствует о симметрии обмотки.

Рис 3-18 Упрощенное представление цепи обмотки, показанной на рис. 3-17

Начала векторов /, 2, 3... на рис. 3-19 представляют собой потенциалы начал секций 1,2, 3..., а также потенциалы коллекторных пластин /, 2, 3... Совпадение концов и начал векторов обоих многоугольников на рис. 3-19 указывает на наличие в обмотке равнопотенциальных точек. Например, равные потенциалы имеют коллекторные пластины 1 и 10, 2 и 11 и т. д., т. е.

вообще пластины, удаленные друг

от друга на

Рис. 3-19. Векторная диаграмма

э. д. с. обмотки, показанной на

рис. 3-17

коллекторных делений. Такой вывод для симметричной обмотки вполне естествен, так как стороны секций, сдвинутых на у_П элементарных пазов, находятся под полюсами одинаковой полярности, в одинаковом магнитном поле. Величина у_п называется потенциальным шагом.

На диаграмме э. д. с. можно показать условно также щетки, как это сделано на рис. 3-19 для положения обмотки относительно щеток согласно рис. 3-17. Многоугольник э. д. с. надо представлять себе вращающимся, и сумма проекций векторов одной ветви или одной половины многоугольника на вертикальную ось щеток будет равна э. д. с. ветви и обмотки в целом. Величина этой э. д. с. пульсирует ' между значениями, которые соответствуют длинам двух штрих-пунктирных линий на рис. 3-19. Можно показать, что уже при К12р = 10 эти пульсации составляют менее 1 %. В действительности эти пульсации еще меньше вследствие того, что вблизи геометрической нейтрали индукция поля полюсов значительно меньше его основной гармоники.

Уравнительные соединения. В идеальных условиях, когда обмотка симметрична и потоки всех полюсов равны, э. д. с. всех ветвей также равны и ветви загружаются токами равномерно. Однако в действительности из-за производственных и иных отклонений (неодинаковая величина воздушного зазора под разными полюсами, неоднородность материалов сердечников и т. п.) потоки отдельных полюсов не будут в точности равны. При этом э. д. с. ветвей простой петлевой обмотки также не будут равны, так как

ветви сдвинуты относительно друг друга на одно полюсное деле-' ние (рис. 3-17).

Предположим, что на рис. 3-18 э. д. с. нижних ветвей больше, чем э. д. с. верхних ветвей. При этом уже при холостом ходе генератора, когда I_a = i_a = 0, внутри обмотки будут циркулировать уравнительные токи i_yp, которые замыкаются через щетки одинаковой полярности и соединительные провода или шины между ними. Так как внутреннее сопротивление обмотки мало, то эти токи могут быть значительными уже при небольшой разнице в потоках отдельных полюсов. При работе машины токи нагрузки щеток 2/„ будут алгебраически складываться с токами 2/_Ур, в результате чего щетки В1, В2 окажутся перегруженными, а щетки А1, А2 — недогруженными. Правильная работа щеток при этом может нарушиться. Еще более серьезное влияние на условия работы щеток оказывает нарушение баланса э. д. с. в короткозамкнутых секциях, вызванное уравнительными токами (см. § 6-6).

Для того чтобы разгрузить щетки от уравнительных токов и дать этим токам возможность замыкаться внутри самой обмотки, обмотка снабжается уравнительными соединениями, или уравнителями. Уравнители соединяют внутри обмотки точки, которые теоретически имеют равные потенциалы.

Как было установлено выше, эти точки сдвинуты на пару полюсов или при 2р = 4 на половину окружности якоря или коллектора. Одно уравнительное соединение показано на рис. 3-18 штриховой линией абпо вертикальному диаметру. Так как сопротивление щеточных контактов значительно больше сопротивления уравнительного провода, то токи t_yp замыкаются по этому проводу, минуя щетки, как показано на рис. 3-18. Такие соединения, применяемые в простых петлевых обмотках, называются уравнителями первого рода.

На векторных диаграммах при наличии равнопотенциальных точек концы или начала векторов соответствующих секций совпадают.

Уравнители выполняются либо на стороне коллектора (и тогда они соединяют пластины с равными потенциалами), либо на противоположной от коллектора стороне (и тогда они соединяют равно-потенциальные точки лобовых частей секций). Шаг уравнителей г/ур равен потенциальному шагу обмотки у_п:

При равенстве потоков полюсов токи в уравнителях не возникают. На рис. 3-17 штриховыми линиями показаны два уравнителя первого рода.

Для достижения надлежащего эффекта при всех положениях вращающегося якоря обмотку нужно снабдить достаточным количеством уравнителей. Из рассмотрения многоугольника э. д. с.

(рис. 3-19) видно, что максимальное число возможных уравнителей первого рода на одной стороне якоря равно Kip, причем каждый из них соединяет р точек равного потенциала. Полным количеством уравнителей снабжаются только крупные машины с тяжелыми условиями коммутации тока. В остальных случаях выполняют от ¹/_а до V_e всех возможных уравнителей или один уравнитель на один-два паза машины. При этом их размещают равномерно по окружности якоря. Сечение уравнителей берут равным 20—50% сечения витка обмотки якоря. На рис. 3-20

показан один из вариантов конструктивного выполнения уравнителей.

Протекающие по обмотке уравнительные токи являются переменными, и по правилу Ленца они создают магнитное поле, которое стремится устранить неравенство потоков полюсов. Поэтому

Рис. 3-20 -Уравнители (2), размещенные под лобовыми частями (/) на стороне якоря, противоположной коллектору

Рис. 3-21. Варианты изображений схемы равносекционной обмотки с 2р = 4, Z = 18, м_п = 2, Z₉ = S = /С == 36,

У\ = 8, & = — 8, у = у_к = +1

наличие уравнителей приводит также к значительному ослаблению уравнительных токов.

Простые петлевые обмотки с и_в > 1. Обмотка на рис. 3-17 имела 2р = 4, Z = Z₉ = S = /С = 18 и а_п = 1. Рассмотрим теперь об-мотку при тех же 2р = 4 и £ = 18, но м_п = 2 и Z, = 5 = К = 36.

Если при этом сохраним шаг по пазам у_1г = 4, то у_г — и_пу\_г = = 2-4 = 8, у_г = —7, у = у_к — +1. Эта обмотка будет равносек-ционной.

Схему такой обмотки можно изображать двояким образом, как показано на рис. 3-21, а я б. Верхний ряд цифр на этом рисунке представляет собой номера секций, а нижний ряд — номера пазов. Так как число пазов не изменилось, то и звезда пазовых э. д. с. не изменяется (см. рис. 3-11, б). Векторы э. д. с. каждой пары секций (1 — 2, 3 — 4 и т. д.) будут совпадать по фазе, а векторы э. д. с. секций, лежащих в соседних пазах (секции 2—3, 4 — 5 и т. д.), будут

Рис. 3-22. Варианты изображения схемы ступенчатой обмотки с 2р= 4, Z = 18, и_п = 2, Z_B = S = К = 36, г/! = 9, й - -8, I/ = у_к = +1

сдвинуты на 40°, как и в предыдущем случае. Поэтому многоугольник э, д. с. обмотки будет выглядеть так же, как и на рис. 3-19, с тем лишь различием, что каждая сторона многоугольника будет представлять собой сумму э. д. с. двух секций, лежащих в общих пазах.

Если при тех же значениях 2р, Z и Z_s выбрать шаги по элементарным пазам

то обмотка будет ступенчатой. Схема такой обмотки также может быть изображена двояким образом, как показано на рис. 3-22, аи б. При этом обмотка имеет два значения шага у_1г ло зубцам; у'_1г = 4 и у[г = 5.

Построим векторы э. д. с. секций /, 2, 3 этой обмотки (рис. 3-23). Секция / лежит в пазах / и 5, и ее э. д. с. равна разности векторов / и 5 звезды на рис. 3-1*1, б. Построенный таким образом вектор секции 1 на рис. 3-23 обозначен /, а составляющие его векторы пазов или секционных сторон обозначены /' и —5". Секция 2 лежит в пазах /

О

Рис. 3-23. Векторы э. д. с. секций обмотки, показанной на рис. 3-22

и б, а секция 3 — в пазах 2 и 6, и векторы э. д. с. этих секций построены и обозначены на рис. 3-23 по такому же принципу, как и вектор секции /. Как следует из этого рисунка, векторы э. д. с. секций сдвинуты относительно друг друга на 20°, т. е. на половину угла, соответствующего пазовому делению. Таким образом, ступенчатая обмотка с Z = 18 и Z_b = 36 в этом отношении равноценна обмотке с удвоенным числом пазов Z = Z₃ = 36. Соответственно этому многоугольник э. д. с. ступенчатой обмотки будет иметь в два раза больше сторон и в большей мере приближаться к окружности, чем при равносекцион-ной обмотке. Это является некоторым преимуществом ступенчатой обмотки. Однако главное преимущество такой обмотки состоит в улучшении условий коммутации (см. § 6-6). Уравнители первого рода для рассмотренных равносекционной и ступенчатой обмоток выполняются так же просто, как и в ранее рассмотренном случае. Разница заключается лишь в том, что вследствие удвоения S = К шаг уравнителей г/_ур также удваивается.

Аналогично схемам на рис. 3-21 и 3-22 можно изображать также схемы и других типов обмоток при и_П > 1.

Дата добавления: 2015-07-18