Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

Согласно уравнению (2-11), произведение І^Ъ'В^ = Фз, поэтому

Из этой формулы следует, что э. д. с. Е2 определяется величиной магнитного потока Фа и не зависит от распределения индукции на полюсном делении и по длине якоря.

57

Если обмотка выполнена с укороченным (или удлиненным) шагом уІ7 то некоторые секции полностью находятся в магнитном поле одного полюса (рис. 3-25, б) и э. д. с. проводников при обходе по этим секциям вычитаются, что приводит к уменьшению э. д. с. па­ раллельной ветви. При небольшом укорочении шага это уменьшение незначительно и для вычисления э. д. с. обмотки с укороченным ша­ гом можно пользоваться формулой (3-21).

Э. д. с. параллельных ветвей зависит от положения их относи­ тельно главных полюсов, которое определяется установкой щеток на коллекторе. Если щетки установлены на коллекторных пластинах, соединенных с узловыми точками (при переходе через которые из­ меняется направление э. д. с. в секции), то э. д. с. параллельной ветви получается наибольшей и определяется формулой (3-21). При сдвиге щеток с этого положения (рис. 3-25, в) в параллельную ветвь войдут секции с э. д. с. противоположного направления и общая э. д. с. параллельной ветви будет меньше вычисленной по формуле

(3-21).

3-11. Сопоставление обмоток различных типов

При выборе обмотки якоря следует учитывать как особенности обмотки, так и возможности ее выполнения. Ток в параллельной ветви обмотки не должен превосходить 300 а (в крупных машинах 400 а). Верхний предел числа коллекторных пластин, а следователь­ но, и количество секций, определяется минимальной толщиной кол­ лекторной пластины порядка 3 мм. Нижний предел — напряжением между коллекторными пластинами, которое должно быть меньше 35 в.

Для двухполюсных машин в электрическом отношении нет раз­ ницы между волновой и петлевой обмоткой, однако выполнение вол­ новой обмотки в этом случае получается более сложным.

В многополюсных машинах одноходовая волновая обмотка не тре­ бует применения уравнительных соединений. Кроме того, при вол­ новой обмотке уменьшается количество проводников обмотки якоря, улучшается использование площади паза вследствие увеличения размеров проводника, улучшается коммутация вследствие уменьше­ ния количества витков в секции.

Выбор обмотки следует начинать с одноходовой волновой об­ мотки, которая применяется для машин малой и средней мощности

58

(до 500 кет) при напряжении 110 в и выше, если ток якоря не превос­ ходит 600 (800) а.

Одноходовая петлевая обмотка применяется для двухполюсных машин малой мощности (до 1 кет) и для машин большой мощности (свыше 500 кет) при токе якоря свыше 600 а.

Многоходовая петлевая обмотка применяется в машинах малой мощности при напряжении до 24 б и большой мощности при напряже­ нии свыше 110 в.

Многоходовая волновая обмотка применяется в машинах средней и большой мощности (свыше 50 кет) при напряжении 110 б и выше.

Комбинированные (лягушечьи) обмотки, не требующие уравни­ тельных соединений, целесообразно применять в машинах с большой окружной скоростью и в машинах с тяжелыми условиями коммута­ ции, где оправдано значительное усложнение обмотки и вызванное этим увеличение стоимости машины.

Гла в а ч е тв е р та я МАГНИТНОЕ ПОЛЕ МАШИНЫ ПРИ НАГРУЗКЕ

4-1. Намагничивающая сила обмотки якоря

Нагрузка электрической машины характеризуется наличием тока в цепи якоря, состоящей из нескольких обмоток: обмотки якоря, обмотки добавочных полюсов, а в ряде случаев последовательной обмотки главных полюсов и компенсационной обмотки (см. рис. 5-13).

Таким образом, при нагрузке машины, кроме магнитного потока, созданного обмоткой независимого или параллельного возбужде­ ния, существуют магнитные потоки обмоток цепи якоря.

Пути магнитного потока главных полюсов в поперечном разрезе двухполюсной машины показаны на рис. 4-1, а. Вследствие симмет-

59

рин магнитной цепи машины относительно оси У — У главных полюсов распределение потока подумается симметричным относи­ тельно этой оси. На рис. 4-1, б изображена развертка окружности якоря и представлено распределение намагничивающей силы глав­ ных полюсов и индукции в зазоре на двойном полюсном делении. Зубчатое распределение индукции (см. рис. 2-4) заменено плавной линией. При вращении якоря в проводниках его обмотки наводятся э. д. с., направление которых указано внутри окружностей, обозна­ чающих стороны катушек. Проводники с одинаковым направлением э. д. с. расположены симметрично относительно оси главных полю­ сов. В проводниках на геометрической нейтрали э. д. с. равна нулю, и щетки обычно устанавливаются на коллекторных пластинах, со­ единенных с этими проводниками (рис. 3-9). Магнитный поток об­ мотки якоря можно получить, если эту обмотку соединить через

Р и с . 4 -2 . Магнитный поток: а — вокруг проводника в воздухе, б — вокруг проводника в пазу, в — вокруг группы проводников

щетки с источником постоянного тока, например аккумулятором. Для обмотки с полным шагом (у1 — т) и указанного положения щеток распределение тока в проводниках соответствует описанному распределению э. д. с.: проводники с током одного направления за­ нимают половину окружности якоря и расположены симметрично относительно оси главных полюсов. Проводники, соединенные через коллекторные пластины со щетками, делят якорь на области с про­ тивоположным направлением тока, т. е. обозначают положение токораздела на якоре.

Вокруг проводника с током, находящегося в однородной среде, например в воздухе, линии магнитного потока располагаются по концентрическим окружностям (рис. 4-2, а). Направление потока определяется по правилу правого винта (см. § В-4). Если проводник с током поместить в паз якоря, то наличие материала с большой маг­ нитной проводимостью с трех сторон проводника приводит к увели­ чению магнитного потока, который будет проходить главным обра­ зом по зубцам и поперек паза, только небольшая часть магнитного потока замкнется между зубцами вне паза (рис. 4-2, б). Так же рас­ пределяется магнитный поток и при наличии нескольких провод­ ников в пазу. Этот поток почти не изменяет магнитного поля зазора и называется потоком рассеяния обмотки якоря. -

60

Если проводники с током одного направления занимают ряд пазов, то, кроме потока рассеяния, образуется общий магнитный поток., замыкающийся через зазор и полюсный наконечник (рис. 4-2, в). Общий магнитный поток называется потоком обмотки якоря, или сокращенно потоком якоря.

Пути магнитного потока якоря замыкаются вокруг центра про­ водников с током одного направления (рис. 4-3, а). На левой половине якоря образуется северный полюс N a и на правой половине якоря — южный полюс Sa. Магнитная ось Sa — N a якоря проходит через токораздел.

Намагничивающая сила обмотки якоря распределена по окруж­ ности и изменяется при увеличении дуги якоря, охватываемой маг­

нитным потоком, это изменение происходит при каждом перемещении через паз якоря. Для выяснения закономерности распределения на­ магничивающей силы по окружности якоря целесообразно рассмот­ реть вместо обмотки в пазах непрерывный слой проводников, рас­ положенных по образующим цилиндрической поверхности якоря. Эквивалентность такой замены соблюдается, если произведение об­ щего количества N проводников и тока I а в каждом проводнике, а также положение токораздела непрерывного слоя проводников та­ кие же, как у обмотки, размещенной в пазах якоря.

В этом случае сохраняется также неизменным полный ток об­ мотки, приходящийся на единицу длины окружности якоря

Величина А2 характеризует распределенную намагничивающую силу обмотки и называется линейной нагрузкой якоря. В современ­ ных машинах постоянного тока линейная нагрузка составляет 5000 а/м в машинах малой мощности, доходит до 80 000 а/м в маши­ нах большой мощности.

61

I

На развертке окружности якоря с непрерывным слоем провод­ ников (рис. 4-3, б) выделен путь магнитного потока ЛФаж, приходя­ щегося на площадь в зазоре, ограниченную дугой Ах по окружности якоря и расчетной длиной 1'2 якоря. Путь проходит через два за­ зора, две зубцовые зоны, сердечник якоря и полюсный наконечник. В зазоре этот путь находится на расстоянии х слева и справа от сере­ дины проводников с током одного направления.

Охватываемые потоком ДФаж проводники создают намагничиваю­

которая затрачивается на проведение этого потока по перечислен­ ным участкам пути.

Намагничивающая сила проводников, расположенных по длине дуги якоря по одну сторону от середины проводников с током одного

так как при дальнейшем увеличении х намагничивающая сила умень­ шается вследствие наличия на дуге х части проводников с током про­ тивоположного направления. Распределение намагничивающей силы Fax /2 по окружности якоря показано линией 1 на рис. 4-3, б.

Магнитная проводимость Л пути рассматриваемого потока якоря определяется в основном проводимостью участка пути в двух зазорах, так как проводимость остального пути очень велика и ее следует учи­ тывать при больших значениях индукции на отдельных участках. Таким образом, при длине 2Ьь участка в зазоре проводимость пути магнитного потока якоря

a

2Ls

ипоток через рассматриваемую площадку АхѴ2 будет

№ax= FaxA = A22 x ^ .

В пределах дуги полюсного наконечника длина половины пути магнитного потока в зазоре (с учетом увеличения ее вследствие на­ личия пазов якоря) по формуле (2-13) — 8' — Zcs6. Для этой части окружности якоря

62

т. е. индукция Вах, так же как намагничивающая сила обмотки якоря, изменяется пропорционально расстоянию от центра провод­

ников с током одного направления.

За пределами полюсной дуги в междуполюсном пространстве длина участка пути магнитного потока между стальными частями

ном пространстве имеет не­ большую величину, как пока­ зано линией 2 на рис. 4-3, б.

При укорочении шага обмотки якоря (у1 < т) токораздел для верхнего слоя проводников смещен относительно токораздела для нижнего слоя, вследствие этого распределение намагничивающей силы обмотки якоря имеет форму трапеции (рис. 4-4). Размер мень­ шего основания трапеции зависит от укорочения шага обмотки

т — Уі-

Размещение проводников обмотки в пазах якоря приводит к сту­ пенчатому изменению намагничивающей силы обмотки якоря (рис.4-5). При вращении якоря эти ступени перемещаются относительно прямой, соответствующей намагничивающей силе непрерывного слоя проводников.

4-2. Поперечная и продольная намагничивающие силы обмотки якоря

В современных машинах постоянного тока щетки устанавливаются на коллекторе так, чтобы токораздел совпадал с геометрической нейтралью, но в некоторых случаях приходится смещать щетки с этого положения.

63

При совпадении токораздела с геометрической нейтралью маг­ нитная ось Sa — N a якоря проходит через геометрическую нейтраль, т. е. составляет угол я/2 с осью У—У главных полюсов (рис. 4-6, а). В многогюлюсной машине каждой паре полюсов индуктора соот­ ветствует пара полюсов якоря и магнитная ось якоря направлена по биссектрисе угла между полюсами индуктора. Поток якоря в этом _ случае называется поперечным и создается поперечной намагничиваю­ щей силой Faq = Fа обмотки якоря.

Если щетки и соответственно токораздел в двухполюсной машине смещены на угол я /2 вправо (или влево), то магнитная ось якоря расположена на одной линии с осью главных полюсов (рис. 4-6, б).

Рис. 4-6. Намагничивающая сила якоря: а — поперечная, б — продольная, в — поперечная и продольная

Поток якоря в этом случае называется продольным и создается про­ дольной намагничивающей силой Fad = Fa обмотки якоря. В мно­ гополюсных машинах для получения продольного потока якоря нужно сместить щетки на угол л/2р.

Продольная намагничивающая сила обмотки якоря направлена согласно с намагничивающей силой главных полюсов, когда их магнитные оси совпадают, илп эти намагничивающие силы направ­ лены встречно, если магнитная ось Sa — Na якоря и магнитная ось N ■— S главных полюсов имеют противоположные направления.

При смещении щеток на угол ß на тот же угол и в том же направ­ лении поворачивается и магнитная ось якоря, т. е. якорь представ­ ляет собой электромагнит, ось которого можно поворачивать в про­ странстве, перемещая щетки по окружности коллектора.

Если угол 0 < ß < я/2, то токораздел проходит между геометри­ ческой нейтралью и осью главных полюсов. В этом случае намагни­ чивающую силу Fa обмотки, якоря можно разложить на две состав­ ляющие: поперечную Faq? и продольную Fad? (рис. 4-6, в). Намаг­ ничивающая сила Fa создается всеми проводниками с током одного направления. Эти проводники расположены на дуге т — 2Ьс, соот­ ветствующей углу я — 2ß и на дуге 2Ьс, соответствующей углу 2ß. Середина первой группы проводников находится на оси главных

64

полюсов, и ток этих проводников создает поперечную составляющую намагничивающей силы

находится на геометрической нейтрали, и ток этих проводников создает продольную составляющую намагничивающей силы

4-3. Реакция якоря в генераторе

При нагрузке машины необходимо учитывать совместное намагни­ чивающее действие ее обмоток. Пути магнитных потоков главных полюсов и якоря в зазоре и в зубцовой зоне совпадают, поэтому результирующая индукция в этих участках магнитной цепи опреде­ ляется алгебраической суммой намагничивающих сил главных по­ люсов и обмотки якоря, приходящихся на указанные участки. Вли­ яние намагничивающей силы обмотки якоря на распределение ин­ дукции в зазоре и на величину магнитного потока главных полюсов называется реакцией якоря.

На рис. 4-7, а показана развертка дуги двойного полюсного де­ ления якоря и линией 1 представлено распределение индукции в зазоре, обусловленной намагничивающей силой главных полюсов. В слое проводников показано направление э. д. с. для правого вращения якоря. Щетки соединены с проводниками, расположенными на геометрической нейтрали. При замкнутой внешней цепи якоря генератора ток в проводниках обмотки якоря совпадает с направле­ нием э. д. с. и для указанного положения щеток создает поперечную намагничивающую силу, распределение которой показано линией 2. Соответствующая этой намагничивающей силе индукция в зазоре изображена линией 3. Если магнитная проводимость зубцовой зоны и полюсного наконечника остается неизменной, то результирующая индукция в зазоре может быть получена путем сложения ординат линий 1 и 3. Распределение результирующей индукции (линия 4) показывает, что поперечная намагничивающая сила обмотки якоря уменьшает индукцию под набегающим краем главного полюса и уве­ личивает ее под сбегающим краем, т. е. нарушается симметрия распределения индукции в зазоре относительно оси главных полюсов. Точки а и Ь, в которых результирующая индукция равна нулю, смещены с геометрической нейтрали по вращению якоря. Величина этого смещения зависит от нагрузки генератора.

Площадь, ограниченная линией 4 и осью абсцисс, равна соответ­ ствующей площади, ограниченной линией 1, следовательно, резуль­ тирующий магнитный поток равен магнитному потоку главного по­ люса, т. е. не изменяется при нагрузке генератора.

В современных машинах постоянного тока индукция в зубцо­ вой зоне достигает значительной величины (до 2,3 тл) и поэтому необходимо учитывать изменение проводимости этого участка маг-

нией 1, т. е. происходит значительное уменьшение результирующего магнцтного потока полюса.

66