Общие сведения о якорных обмотках машин постоянного тока

опубликовано: .

     СОДЕРЖАНИЕ:

  1. Устройство обмоток.
  2. Условия симметрии обмоток.

Устройство обмоток

Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и должна удовлетворять следующим требованиям:
1) обмотка должна быть рассчитана на заданные значения напряжения и тока нагрузки, соответствующие номинальной мощности;
2) обмотка должна иметь необходимую электрическую, механическую и термическую прочность, обеспечивающую достаточно продолжительный срок службы машины (до 15 – 20 лет);
3) конструкция обмотки должна обеспечить удовлетворительные условия токосъема с коллектора, без вредного искрения;
4) расход материала при заданных эксплуатационных показателях (коэффициенте полезного действия и других) должен быть минимальным;
5) технология изготовления обмотки должна быть по возможности простой.

В современных машинах постоянного тока якорная обмотка укладывается в пазах на внешней поверхности якоря. Такие обмотки называются барабанными. Обмотки якорей подразделяются на петлевые и волновые. Существуют также обмотки, которые представляют собой сочетание этих двух обмоток.

Основным элементом каждой обмотки якоря является секция, которая состоит из одного или некоторого числа последовательно соединенных витков и присоединена своими концами к коллекторным пластинам (рисунки 1 и 2).

Петлевая обмотка якоря Волновая обмотка якоря
Рисунок 1. Петлевая обмотка якоря. Одновитковая и двухвитковая секции петлевой обмотки Рисунок 2. Волновая обмотка якоря. Одновитковая и двухвитковая секции волновой обмотки

В обмотке обычно все секции имеют одинаковое число витков. На схемах обмоток секции для простоты изображаются всегда одновитковыми.

Для удобного расположения выходящих из пазов лобовых частей (смотрите рисунок 4, в статье «Устройство машины постоянного тока») обмотки якоря выполняются двухслойными. При этом в каждом пазу секции располагаются в два слоя (рисунок 3): одна сторона каждой секции – в верхнем слое одного паза, а другая – в нижнем слое другого паза. На схемах стороны секций, находящихся в верхнем слое, будем изображать сплошными линиями, а стороны, расположенные в нижнем слое, – штриховыми линиями (рисунок 4). Однослойные якорные обмотки по принципу устройства не отличаются от двухслойных и применяются только при Pн < 0,5 кВт.

Укладка обмотки в пазу Соединение секций петлевой и волновой обмоток
Рисунок 3. Укладка обмотки в пазу
1 – сторона секции верхнего слоя; 2 – сторона секции нижнего слоя
Рисунок 4. Соединение секций петлевой (а) и волновой (б) обмоток

Секции обмотки соединяются друг с другом в последовательную цепь (рисунок 4) таким образом, что начало (н) последующей секции присоединяется вместе с концом (к) предыдущей секции к общей коллекторной пластине. Обмотки – петлевая и волновая – названы по внешнему очертанию контуров, образуемых последовательно соединенными секциями.

Поскольку каждая секция имеет два конца и к каждой коллекторной пластине присоединены также два конца секций, то общее число пластин коллектора K равно числу секций обмотки S:

K = S . (1)

В простейшем случае в пазу находятся две секционные стороны: одна в верхнем и другая в нижнем слое. При этом число пазов якоря Z = S = K. Однако для уменьшения пульсаций выпрямленного тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрезмерно большого напряжения между соседними коллекторными пластинами число пластин должно быть достаточно большим. Обычно при Uн = 110 – 220 В

K / 2p = 12 – 35 .

С другой стороны, изготовление якорей с большим числом пазов нецелесообразно, так как при этом пазы будут узкими, значительная часть их площади будет занята изоляцией секций от корпуса, для проводников останется мало места и в итоге получится проигрыш в мощности машины. Кроме того, большой расход изоляционных материалов и увеличение штамповочных работ вызовут удорожание машины, а мелкие зубцы будут непрочными.

По этим причинам обычно в каждом слое паза располагают несколько (uп = 2, 3, 4, 5) секционных сторон (на рисунке 3 uп = 3). При этом

K = S = uп × Z . (2)

В данном случае говорят, что в каждом реальном пазу имеется uп элементарных пазов, так что в каждом слое элементарного паза имеется одна секционная сторона. Очевидно, что общее число элементарных пазов якоря

Zэ = uп × Z = S = K . (3)

Когда uп > 1, либо все секции имеют равную ширину (рисунок 5, а), либо же часть секций имеет меньшую, а часть – большую ширину (рисунок 5, б). В первом случае обмотка называется равносекционной, а во втором – ступенчатой. При ступенчатой обмотке условия токосъема с коллектора улучшаются, однако эта обмотка сложнее и дороже и поэтому применяется реже, притом только в машинах большой мощности (Pн приблизительно равно 500 кВт и выше).

Укладка секций равносекционной и ступенчатой обмоток

Рисунок 5. Укладка секций равносекционной (а) и ступенчатой (б) обмоток при uп = 2

В равносекционных обмотках uп секций, стороны которых лежат рядом в общих пазах, объединяются в катушку (рисунок 6) и имеют общую изоляцию от стенок паза. Одновитковые секции при больших токах изготовляются из стержней, концы которых на противоположной от коллектора стороне якоря запаиваются с помощью хомутиков после укладки в пазы. Стержни uп секций объединяются в полукатушку (рисунок 7). Секции ступенчатой обмотки являются всегда стержневыми.

Катушки петлевой и волновой обмоток

Рисунок 6. Катушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

Полукатушки петлевой и волновой обмоток

Рисунок 7. Полукатушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

На рисунке 8 приведены примеры выполнения изоляции пазовой части обмотки.

Пазовая изоляция

Рисунок 8. Пазовая изоляция класса А:
а – полузакрытый паз
1 – клин гетинаксовый; 2 – изолированные проводники; 3 – прокладка из стеклоткани 0,18 мм; 4 – прокладка из электрокартона 0,2 мм; 5 – стеклоткань эскапоновая 0,18 мм; 6 – электрокартон 0,2 мм
б – открытый паз
1 – клин деревянный; 2 – прокладка из электрокартона; 3 – изолированный проводник; 4 – микалента или синтетическая лента 0,13 мм; 5 – микафолий или синтетическая пленка 0,15 мм; 6 – телефонная бумага; 7 – электрокартон 0,2 мм; 8 – прокладка из электрокартона

В машинах малой мощности, когда ток параллельной ветви не превышает 60 – 75 А, катушки изготовляются из круглых изолированных проводников. В этом случае пазы делают трапециевидными (рисунок 8, а), чтобы получить зубцы с неизменным по высоте сечением и тем самым избежать сильного насыщения корня зубца. Проводники катушки при этом опускаются в паз по одному через узкую щель открытия паза. Такие пазы называются полузакрытыми, и изоляция таких обмоток чаще всего выполняется класса А и Е.

В случае применения проводников прямоугольного сечения паз также выполняется прямоугольным (рисунок 8, б). Такие обмотки изготовляются с различными классами изоляции. При изоляции классов А и Е проводники обмотки могут также опускаться в паз по одному, и тогда ширина открытия паза равна примерно половине ширины паза. Такие пазы называются полуоткрытыми. При изоляции классов B, F и H заранее полностью изолированные катушки укладываются в полностью открытые пазы (рисунок 8, б).

При Dа ≤ 40 см и vа ≤ 35 м/с обмотки в пазах укрепляются с помощью проволочных бандажей из стеклоленты, пропитанной  лаком. Во всех остальных случаях применяются клинья из твердых пород дерева (бук и другие), гетинакса, текстолита, стеклотекстолита и других материалов.

Плотность тока в проводниках обмотки якоря при номинальной нагрузке находиться в пределах 4 – 10 А/мм². Меньшая цифра относится к крупным машинам, большая – к малым.

Условия симметрии обмоток

В современных якорных обмотках соединенные последовательно друг с другом секции образуют замкнутую на себя цепь. Такую обмотку можно изобразить схематически в виде замкнутой спирали (рисунок 9), по поверхности которой скользят щетки. В изображенном на рисунке 9 простейшем случае обмотка имеет одну пару (а = 1) параллельных ветвей. В общем случае а = 1, 2, 3…, и тогда машину можно рассматривать состоящей из а параллельно работающих элементарных машин, каждая из которых имеет две параллельные ветви.

Цепь простейшей якорной обмотки

Рисунок 9. Цепь простейшей якорной обмотки

Для обеспечения наилучших условий работы машины необходимо, чтобы электродвижущая сила Eа всех ветвей обмотки и их сопротивления были равны. В этом случае токи всех параллельных ветвей iа также будут равны:

(4)

Для удовлетворения этих условий необходимо, во-первых, чтобы магнитная цепь была симметричной по устройству и потоки всех полюсов были равны, во-вторых, чтобы все пары параллельных ветвей обмотки были эквивалентны, то есть чтобы они располагались в магнитном поле идентичным образом. Обмотка, удовлетворяющая этим требованиям, называется симметричной.

При нарушении указанных требований разные ветви обмотки будут нагружаться различными по значению токами, что может вызвать нарушение работы щеточных контактов, а кроме того, возрастут также потери в обмотке.

Чтобы обмотка была симметричной, на каждую пару параллельных ветвей должно приходится одинаковое целое число секций и коллекторных пластин:

(5)

Для симметричного расположения параллельных ветвей в магнитном поле необходимо, чтобы

Z / a = целое число
(6)
2p / a = целое число
(7)

Соотношения (5), (6) и (7) представляют собой условия симметрии обмоток, и последнее проектируется с их учетом. Однако в отдельных случаях допускаются определенные, не слишком большие отступления от этих требований, не вызывающие заметного ухудшения условий работы машины.

Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.

1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 Голоса -ов)