Міністерство освіти і науки України

Міністерство освіти і науки України

Дніпродзержинський державний технічний університет

 

С.П.Сторожко

 Конспект лекцій

з дисципліни „Електричні машини”

 на тему: „Машини постійного струму”

для студентів спеціальностей 7.092201 – Електричні системи і комплекси транспортних засобів, 7.092203 – Електромеханічні системи автоматизації та електропривод, 7.000008 – Енергетичний менеджмент

Затверджено

редакційно-видавничою секцією

науково-методичної ради ДДТУ

___________,протокол №______

Дніпродзержинськ

2006

Розповсюдження і тиражування без офіційного дозволу Дніпродзержинсь-кого державного технічного університету заборонено.

           

              Конспект лекцій з дисципліни „Електричні машини” на тему: „Машини постійного струму” для студентів спеціальностей 7.092201 – Електричні системи і комплекси транспортних засобів, 7.092203 – Електромеханічні системи автоматизації та електропривод, 7.000008 – Енергетичний менеджмент/ укл.: к.т.н., доцент Сторожко С.П. – Дніпродзержинськ: ДДТУ, 2006. - 74 с.

 

 

 

Укладач: С. П. Сторожко,

доцент, канд. техн. наук 

 

 

Відповідальний за випуск: О. В. Садовой 

проф., доктор техн. наук

 

 

Рецензент: С.В.Количев,

доцент, канд..техн.наук кафедри ЕО  

 

 

Затверджено на засіданні кафедри ЕО

Протокол № від .. 2006 р.

 

ЗМІСТ

стор,

1 ВСТУП.................................................................................................... 5

1.1 Основні етапи розвитку машин постійного струму..................... 5

1.2 Генераторобудування................................................................. 5

1.3 Двигуни........................................................................................ 6

2 КОНСТРУКТИВНІ ОСОБЛИВОСТІ МПС................................. 6

2.1 Основні деталі.............................................................................. 6

3 МАГНІТНЕ КОЛО................................................................................ 7

3.1 Потік полюсів.............................................................................. 7

     3.2 Закон повного струму.................................................................... 8

     3.3 Ділянки магнітного кола.................................................................. 9

     3.4 МРС зазору........................................................................................ 11

     3.5 МРС зубцевої зони............................................................................ 13

     3.6 МРС спинки якоря............................................................................ 16

      3.7 МРС полюсів і ярма......................................................................... 16

3.8 Характеристика намагнічування МПС........................................... 17

4 ОБМОТКИ ЯКОРЯ МПС..............................................................  18

      4.1 Елементи та схеми обмоток..................................................... 18

      4.2 Проста петльова обмотка (ПП0)............................................. 22

      4.3 Проста хвильова обмотка (ПХО)........................................... 24

      4.4 Складні петльової обмотки (СПО).................................. 27

      4.5 Складна хвильова обмотка (СХО)....................................... 28

     4.6 Умови симетрії обмоток........................................................ 28

      4.7 Урівнювачі................................................................................. 29

      4.8 Вибір і порівняння обмоток...................................................... 30

      4.9 ЕРС обмотки якоря............................................................. 30

4.10 Електромагнітний момент МПС................................................ 32   

5 МАГНІТНЕ ПОЛЕ МПС З НАВАНТАЖЕННЯМ.......................... 33

5.1 Магнітне поле МПС................................................................... 33

5.2 Розрахунки МРС якор………………………………………………. 34

5.3 Врахування впливу поля якоря…………………………………….. 36

6 КОМУТАЦІЯ МПС...................................................................... … 38

6.1 Основні визначення та поняття …………………………………. 38

     6.2 Рівняння струму комутуючої секції..................................... … 39

     6.3 Лінійна комутація...................................................................... … 40

    6.4 Нелінійна комутація................................................................. … 41

7 ГЕНЕРАТОРИ............................................................................... 46

7.1 Загальні положення..................................................................... 46

     7.2 Характеристики генераторів.................................................. 48

     7.3 Характеристики генератора незалежного збудження................. 49

     7.4 Характеристики генератора паралельного збудження................ 53

     7.5 Генератор послідовного збудження...................................... 57

     7.6 Генератор змішаного збудження..........................................  57

8 ДВИГУНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ (ДПС).............................. 59

8.1 Загальні положення................................................................... 59

8.2 Енергетична діаграма................................................................ 59

8.3 Рівняння моментів двигуна....................................................     60

8.4 Принцип дії і рівняння напруг двигуна................................... 61

8.5 Пуск ДПС................................................................................... 62

8.6 Реостатний пуск.......................................................................... 64

8.7 Робочі характеристики ДПС..................................................... 65

8.8 Механічні характеристики ДПС......................................... 67

8.9 Регулювання частоти обертання ДПС   ..................................     69

8.10 Способи гальмування ДПС........................................................... 72

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ.................................................................... 73

ВСТУП

Основні етапи розвитку машин постійного струму (МПС)

Розвиток електричних машин у другій половині 19-го століття є по суті історія створення МПС. Але започатковане це було щев двадцятих роках цього століття. 1820 рік - відкрито явище електро­магнетизму Ерстедом. 1822 рік - М.Фарадей виявив і сформулював принцип перетворення електроенергії в механічну (принцип електро­магнітного обертання). 1824 рік - Варлоу сконструював першу прин­ципову модель двигуна. 1833 рік - Є.Ленц започаткував правило Ленца та принцип оберненості електричних машин.

В 1831р. Фарадей сформулював основний, наріжний закон елек­тромагнітної індукції. Оберненість електромагнітного обертання та електромагнітної індукції найбільш плідно використовував Б.С. Якобі, який винайшов перший двигун постійного струму (ДПС).

Взагалі всі вище згадані закони і відкриття в електротехніці призвели до розвитку МПС по двом шляхам: генараторобудування та конструювання двигунів.

 

Генераторобудування

Відомо, що перші генератори - гальванічні елементи слугували хімічним дослідам (алхімія, тощо...), тому перші МПС почали свій розвиток як генератори постійного струму (ГПС). Вчені розглядають чотири етапи розвитку та конструювання генераторів.

Перший етап (1831 - 1851 р.р.): Розвиток магнітоелектричних машин з постійними магнітами. Перша модель (1831 р. - автор неві­домий з ініціалами Р.М.) була дуже перспективна - окремі деталі цієї МПС використовують і досі. 1832), Пиксі - обертова машина з коромислом Ампера, як випрямляч. 1833р., Риччі - машина з оберненим колектором і збудженням постійним струмом. До 1840 року ці машини удосконалювались з метою покрашення конструкції колектора. 1855р., Холмс - машина для живлення маяків і будівель.

Другий етап (1851р. - 1867р.) перехід до машин з самозбуд­женням. 1861 ¸ 1867р.р., Уайлд - синхронні машини. 1856р., 2Т-подібний якорь, 1869р. - кільцеподібний якорь Пачінотти.

Третій етап (1867р. - 1871р.) - подальший розвиток теорії та практики самозбудження (Хіорт, 1855р. та інші. Сіменс практи­чно реалізував принципи самозбудження. Максвелл - теоретичні дослі­дження магнітного поля.

Четвертий етап (1871р. - 1886р.) - 15 років, за які генера­тори досягли практичного завершення конструкції. Грамм впровадив якорь Пачінотті. 1872р. - барабанний якорь Гефнер-Альтенака; 1876р. - Яблочков - однофазний генератор. 1882р. - Вестон - двошарова обмотка якоря; 1880р. - Едісон - шихтований якорь.

Двигуни

Двигуни і генератори до 1860¸1870р.р. розвивались незалеж­но один від одного. Конструювання двигунів проходило також у кі­лька етапів.

Перший етап (1822р.-1834р.) - моделювання принципу електро­механічного перетворювача енергії зворотньо-поступового руху /Д.Генрі.- Педж/1846р, 1851р. - локомотив потужністю 16 к.с, шви­дкість до 30 км/год.

Другий етап (1834р.-1870р.) Б.С.Якобі, винахід багатополюсного обертового двигуна з прототипом колектора, потужність 500 Вт, на катері довжиною 8,5 (16 пасажирів,1838р.) Девенпорт в 1834р. незалежно від Якобі сконструював обертовий двигун постійного стру­му.

Третій етап ( 1867р.-1887р.) принцип самозбудження в двигунах постійного струму. 1862) - принцип синхронного обертання, Н.Тесла та Ферраріс (1888р.) асинхронний двигун; 1893р. - двигун з подвійною кліткою.

 

Основні деталі

Конструктивна принципова схема (рис.2.1) позначає основні деталі машини: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - підшипники; 4 - вал; 5 - зазор; 6 - підшипникові щити; 7 - корпус.

 

 

         

                  

 

 

1 – статор; 2 – ротор; 3 – підшипники; 4 – вал; 

5 – зазор; 6 – щити; 7 – корпус

 

Рисунок 2.1 – Конструктивна схема машини

 

Статор і ротор включають в себе стальні осердя, виготовлені з листів електротехнічної сталі товщиною 0,35...0,5мм. В машині постійного струму (МПС) на статорі розміщують індуктор (полюси з обмотками), що забезпечує створення магнітного потоку в зазорі, на роторі - якорі, що слугує для створе­ння ЕРС в його обмотці. Індуктор складається із головних полюсів, станини (корпус) та додаткових полюсів. Якір складений з осердя (на зовнішній поверхні якого виготовлені пази) та обмотки з мідного дроту. На одному валу з якорем розташовують одну з найважли­віших деталей - колектор. Колектор машини являє собою порожнистий циліндр, що збирається з мідних пластин, ізольованих одна від од­ної (та від валу) міканітом, та стягнутих за допомогою конусних гайок.

Всі вищезазначені частини, які слугують для проведення стру­му, або ж магнітного потоку через зазор, звуться активними частинами машини.

Добавочні полюси необхідні в МПС для покращення комутації  (іскріння під щітками на колекторі). Розташовують їх між головни­ми полюсами по лінії геометричної нейтралі. Частіш за все ці по­люси масивні, але для різкозмінного навантаження їх шихтують.

Колектор і якір напресовують на вал, який обертається в під­шипниках (3). Підшипники закріплюються на бокових щитах 6, що, в свою чергу, фіксуються до корпусу 7.

 

Контрольні питання до тем 1,2

1. Які основні деталі МПС?

2. Що таке статор (ротор)?

3. Яку роль відіграє індуктор МПС?

4. Що таке якір?

5. Де розташовується якорна обмотка, для чого вона?

6. Що таке колектор? Його призначення.

7. Як фіксують щітки?

 

МАГНІТНЕ КОЛО

Потік полюсів

Магнітним колом (МК)МПС зветься сукупність пристроїв для створення і підтримування магнітного потоку Ф₀через феромагні­тні та неферомагнітні ділянки (поділки) магнітної системи. Потік Ф_о     створюється в зазорі (проміжку між статором і ротором) зав­дяки дії МРС індукторних обмоток на полюсах. Кількість полюсів 2р (р - кількість пар полюсів) завжди парне число. Північні N     та південні Sполюси МПС чергуються.

Магнітний потік полюса має дві складові:

- потік в зазорі шириною d - Ф₀ – основний потік;

- потік, що замикається між полюсами по повітряному проміжку, незаходячи в осердя якоря: Ф_s

тому  

Тут коефіцієнт К_s зветься коефіцієнтом розсіювання.

В загальному випадку К_s=1,15...1,25.  

Густина магнітного потоку в зазорі - індукція В_d – визначає величину ЕРС машини - нерівномірна вподовж полюсної дуги t (полюсна поділка) якоря

де Да     - діаметр якоря по його поверхні.

Картина поля в зазорі (рис.3.1) дозволяє знайти розрахункове значення індукції В_d

 

Рисунок 3.1 – Картина поля в зазорі

 

Складна картина поля вподовж полюсної поділки t заміню­ється прямокутною (пунктир на рис.3.1) довжиною в¢.

Закон повного струму

 

 

Рисунок 3.2 – До закону повного струму

 

За основу розрахунку МК прийнято закон повного струму, ана­літичний вираз якого наступний

ліва частина є інтеграл від напруженості магнітного поля по де­якому замкненому контуру  (циркуляція вектора ); І_повн – алгебраїчна сума стру­мів, що входять в контур . Якщо магнітне коло складається з декількох ділянок з постійним значенням напруженості вздовж них, то інтеграл замінюється сумою інтегралів, а саме

  Тоді остаточно маємо:

тут W₁,  W₂,  W₃ … W_k  – кількість витків з відповідни­ми струмами І₁; І₂ і І₃...І _kв контурі. Тут і - но­мер ділянки кола, К- номер струму.

З ТОЕ відомо також, що: котушки з струмом І _k, створюють:

1.  - може бути знайдене з кривих намагнічування з метою вилучення проміжних величин m_{і та} m₀.

2. - може бути заданою згідно з методикою вирішення прямих задач магнітних кіл.

На цій підставі може бути установлений наступний порядок розрахунків магнітного кола:

1. Розподіл кола МК на відрізки (ділянки) з постійною напруженістю Н_і.

      2. Вибір або розрахунок індукції В_ікожної ділянки.

        3. Знаходження Н_і.за значенням В_і      на підставі кривих В=f(H)  заданого матеріалу МК.

       4. Визначення середньої довжини ділянки l_і.

       5.Визначення МРС ділянки F_i=H_il_i та МРС всієї довжини МК  

F_k=F₁+F₂+….

Для знаходження МРС в амперах слід приймати індукцію B в теслах (Тл); Н в [A/м]; l в метрах.

Загальна таблиця одиниць виміру магнітних і електричних ве­личин в системі SI (СІ)наступна:

Для немагнітних матеріалів – діамагнітних і парамагнітних:

m₀=mm₀; m₀=4p×10^-7 Гн/м.

А, тому що для магнітних матеріалів, mзалежить від Н,то залежність В=m_аНзадається в довідниках.

 

 

Ділянки магнітного кола

 

  В магнітному колі машини розрізнюють п'ять ділянок, на яких напруженість поля практично постійна:

- повітряний проміжок-зазор;

- зубцева зона якоря;

-  спинка (тіло) якоря;

- осердя полюса;

- ярмо.

В найбільш загальному виг­ляді потік полюса відносно осі його розпадається на 2 частини, які створюють два однакових симетричних магнітних контури. Кількість цих конту­рів дорівнює 2р - кількості полюсів МПС, а р- кількість пар по­люсів.

Повна МРС F_к на пару полюсів МПС визначається сумою МРС окремих ділянок.

Розрахунки МРС ділянок можуть виконуватись для одного магніт­ного контуру (рис.3.3), тобто розрахунок МК проводиться для сере­дньої силової лінії магнітного потоку контуру.

Рисунок 3.3 – Розрахунки МРС ділянок для одного магніт­ного контуру

 

Так як потік проходить послідовно по всім п'ятьом ділянкам МК, то МРС (холостого ходу МПС) буде дорівнювати:

F_k=F_d+F_з+F_а+F_п+F_я=2×І_збW_зб,

тут І_зб; W_зб - струм та кількість витків обмотки збудження.

Найбільший магнітний опір зосереджений в повітряному проміжку ШС. Для проведення потоку через зазор тратиться 85%МРС всього кола. В табл. 3.1 зведені всі магнітні та геометричні величини ділянок МК.

 

Таблиця 3.1 – Магнітні та геометричні величини ділянок МК

Ділянки магнітного кола	Ф	В	S	H	l	F-МРС
1. Зазор	Ф0	Вd	S d	Н d	2d	F d
2. Зубці	Ф0	В3	S 3	Н 3	2h3	F 3
3. Спинка		Ва	S а	Н а	lа	F а
4. Полюс	Фn=KdФ0	Вn	S n	Н n	2hn	F n
5. Ярмо		Вя	S я	Н Я	lя	F я

 

Тапер згідно з законом повного струму:

враховуючи вираз із ТОЕ: В_і=m_іm₀Н_і, можна записати

але В_і=Фі/Si, тоді  маємо

  Висновок: вищезаписані рівняння показують, що для знаходження F_k треба знайти Н_і     і помножити на l_i та всі добутки просумувати; якщо відомо Ф₀ ігеометричні розміри, то легко знайти В_і   ділянки. Конкретні вирази дивись нижче.

 

МРС зазору

Як уже зазначалося в 3.1. потік полюса в зазорі Ф₀ розподіляється вздовж полюсної поділки tнерівномірно (рис.3.1). Але є ще   одна особливість конструкції МПС, яка впливає на величину МРС зазора F_d. Як вздовж кола якоря, так і по довжині полюса (тобто в поперечному (рис.3.4) та в поздовжньому перерізах) індукція (густина) магнітного потоку розподіляється не рівномірно. Ця картина ускладнюється наявністю пазів (рис.3.4) та радіальних каналів (рис.3.5) вентиляції ротора.

Тому реальна картина поля замінюється зведеною за умови, що ця заміна задовольняв необхідну точність розрахунків. Така замі­на передбачає прямокутне розподілення індукції на більший частині t. В цьому випадку розрахункова полюсна дуга дорівнює:

де в¢=в+2d.

 

 

 

Рисунок 3.4 – Розподіл індукції поля в зазорі

 

Звичайне значення a¢ = 0,6...0,7, в- реальна дуга по­люса.

Вздовж осі полюса дійсна картина індукції замінюється також прямокутною з висотою в_d. l_n- довжина полюса. Якщо:

l_a - повна довжина якоря, а n_k - кількість вентиляційних,  в_к   - ширина каналу, тоді l¢=l_a-n_кв_к, а зведена довжина зазору:

Якщо каналів немає, то l=l_а= l_n. На практиці вважають, що

Після знаходження зведених геометричних розмірів зазору потік

Ф₀=В_d×в¢l¢=B_da¢tl¢.

Звідки

 

 

Рисунок 3.5 –

 

 

Практично: В_d=0,3...1,0 Тл вибір залежить від частоти f перемагнічування якоря: f=n/60, де n – швидкість обертання якоря, об/хв.

Тому що якір МПС зубчастий, то довжина магнітних трубок різна: над зубцями вони коротші і їх більш, над пазами вони дов­ші і їх меню. Цю кар-тину усереднюють, замінюючи реальний зазор d  розрахунковим зведеним d¢

d¢=К_dd.

Тут К_d- коефіцієнт зазору, підраховується він за допомогою формули Картера для МПС з прямокутними пазами:

де  – зубцева поділка ( =в_з1+в_n1) по поверхні якоря  –;

   в₃₁ – ширина зубця (по зовнішньому діаметру).

В заключення наведемо формулу для F_d

 

МРС зубцевої зони

 

Проминувши зазор магнітний потік Ф₀     вступає в зубцеву зону, де він розгалуджується по двом напрямкам: по зубцях і по пазах.

Співвідношення між цими двома потоками залежить від магніт­ної проводимості цих напрямків

,

тут S_п і S_з – переріз паза і зубця, а h_п і h_з  –   висота зубця.

Розрахунок зубцевої зони проводять на одній зубцевій поділ­ці  

.

Потік однієї полюсної поділки в зазорі:

Ф_t=В_d×t₁l¢.

З іншого боку (рис.3.6) потік Ф_t   (на відстані X     від поверхні якоря) розподілений на 2 складові (зубцеву і пазову)

Ф_t=Ф_зx+Ф_nx.

Якщо поділити на площину поперечного перерізу зубця S_зх на від­стані Xвід зазору, будемо мати:

Це три індукції:

а)  – розрахункова індукція, якби весь потік Ф_t проходив по зубцю,  або ;

 б)        - реально існуюча індукція в зубці на відстані Х;

в)  третя складова перетворюється таким чином:

 Тут S_зх – поперечний переріз паза (м²): ;

  К_пх – пазовий (іноді зубцевий) коефіцієнт, що залежить від геометрії паза і зубця, а саме

де t_х – зубцева поділка по перетину Х (від поверхні якоря);

в_зх – ширина зубця у цьому перетині;

l¢ – розрахункова довжина якоря;

l – повна довжина пакета якоря;

К_с – коефіцієнт заповнення, що враховує товщину ізоляції листів якоря, К_с=0,88¸0,93.

Рисунок 3.6 –  Розподіл поля в зубцевій зоні

 

Визначання МРС зубцевої зони можна знайти, як інтегральне значення кривої Н(х)(рис.3.6), але ця крива для кожної маши­ни має свій вигляд. Тому її інтегрування практично дуже усклад­нюється. При конструюванні МК розрахунки ведуть наступним чином.

В довідниках дають сімейство характеристик:

В¢_зх=f(Н_зх), яке будується за рівнянням

В¢_зх=В_зх+m₀Н_пxK_пx=В_зх+m₀Н_зxK_пx,

тут Н_пx= Н_зx, тому що і паз, ізубець знаходяться дід однією магнітною напругою

U_m=Hl=H_пh_п=H_зh_з, а h_п=h_з то H_п=H_з.

Сімейство кривих будується для різних заданих значень K_пx (від K_пx=0,5 до K_пx=2,2).

 

 

Рисунок 3.7 – Сімейство кривих для зубцевої зони

 

Побудова В¢_зх=f(Н_зх)  здійснюється таким чином:

1. Будується крива В(Н)для заданої сталі.

1. Задаються рядом значень В_зхі знаходять Н_зх по кривій В(Н).  

2. Задаються коефіцієнтом К_п (наприклад, К_п=0,5).

4. Знаходять: В¢_зх=В_зх+m₀Н_{зx (}точка К₁).

5. Будується   В¢_зх=f(Н_зх)  вище від кривої В(Н).

Таку побудову вже здійснили для всіх можливих К_пхі на­вели в посібниках для проектування МПС з прямокутними пазами. Маючи сімейство характеристик, можна знайти значення Н_зх за заданою величиною X, знаючи розрахункову В¢_зх  та пазовий коефіцієнт К_пх     для цього Х-го перерізу, потім побудувати Н_з=f(х), проінтегрувати її і знайти необхідна значення Н_зяк інтеграл поділений на h₃.

Практично величину інтегрального значення Н_ззнаходять за формулою чисельного інтегрування монотонних кривих (формула Сімпсона):    

  Тобто беруть три переріза зубця .

Для Х=0,

  Х=0,5×h₃ (середина зубця):

Для Х=h₃ (дно паза):

Знаючи К_п1; К_Пср; К_п2,   та відповідні В¢₃₁; В¢_3ср; В¢₃₂ знаходимо необхідні Н₃₁; Н_3ср; Н₃₂. Потім обчислюють інтегральне Н₃ і знаходять МРС зубцевої зони:

F₃=2H₃h₃.

Спрощені розрахунки МРС зубцевої зони виконують для :

Орієнтовне значення індукції в зубці (максимум)

в₃₂=1,8 ¸ 2,3 Тл.

 

МРС спинки якоря

 

Хоча відомо, що потік Ф_ав спинці якоря розподіляться нерівномірно (біля зубців індукція вища, ніж біля валу), але цим явищем нехтують і виходять із середньої величини індукції В_а:

тут D₁ - внутрішній діаметр осердя (або діаметр вала). З кривої намагнічування В(Н)для заданої сталі знаходимо напруженість Н_а в залежності від В_а. Тоді:

де (див.рис.3.3)

     Найбільш поширене значення В_а=1,0¸1,5.

 

МРС полюсів і ярма

 

Порядок розрахунків МРС полюсів і ярма такий же, як і для якоря, тобто:

де S_n – перетин полюса.

Орієнтовано:

                            K_s=1,28      D_а<25 см;

                            K_s=1,25      D_а>25 (до 75 см).

З кривої В(Н) знаходимо Н_п, а далі:

F_п=H_п×2h_n=2Н_п× h_n

 

потік в ярмі:

Індукція в ярмі:

тут s_я – переріз ярма, Н_я – з кривих В(Н) для литої сталі ярма за відомою індукцією.

Довжина путі потоку в ярмі, якщо відома радіальна висота ярма  h_я, знаходиться за виразом

Потім знаходимо F_я=Н_я×l_я.

 

ОБМОТКИ ЯКОРЯ МПС

Якірні обмотки МПС слугують для індуктування в них ЕРС та для створення МРС, в наслідок взаємодії якої з потоком Ф₀ виникає електромагнітний момент, що діє як на статор так і на ротор.

Елементи та схеми обмоток

 

Основним елементом обмотки є секція - найменша частина об­мотки підключена до колекторних пластин. Кожна секція - це, як правило,два послідовно-з¢єднаних провідника, що складають один виток (рис.4.1,а). Кілька витків (два, або більше), з'єднані по­слідовно створюють секцію, підключену до колектора (рис,4.1,б,в). Секція може бути одновитковою, або багатовитковою. Кожна секція складається з двох активних сторін, які розташовані в пазах яко­ря. В них індукується ЕРС. Провідники, що з'єднують активні частини для створення ЕРС витка, звуться лобовими. Ці частини -неактивні.

Порядок з'єднання активних сторін та секцій між собою і з колектором встановлюється кроками обмотки. Існує взагалі два способи такого з'єднання:

- кінці котушки підключають до сусідніх пластин колектора (рис.4.1,б). Така обмотка зветься петльова;

- кінці котушки розведені на відстань, що приблизно дорівнює 2t. Така бмотка - хвильова.

                           а)                  б)                       в)

 

Рисунок 4.1 – Елементи обмотки якоря

 

Існує два способи зображення схем обмоток:

ПЕРШИЙ - торцевий показує вигляд обмотки з боку колектора, тоб­то, схема на площині, що перпендикулярна осі якоря, або ж радіальна схема.

ДРУГИЙ - більш поширений - являє собою схему-розгортку, згідно з якою циліндрична поверхня якоря з обмоткою розгорта­ється на площині креслення.

Оскільки якірні обмотки МПС завжди двошарові, то верхні ак­тивні сторони (верхній шар) на схемах показують суцільними лініями,  а нижні - пунктирними. Порядок з'єднання активних сторін не залежить від кількості витків, тому на схемах секції завжди одновиткові. Чим же визначається ширина секції, тобто, відстань однієї активної сторони від другої? З обертанням якоря в магні­тному полі в кожній із сторін секції індукуються ЕРС, котрі по­винні складатися алгебраїчно, створюючи ЕРС витка (або суми вит­ків). Для цього сторони секцій повинні бути під різними (N або S) полюсами, тобто, на відстані що приблизно дорівнює t - полюсній поділці на поверхні якоря (рис.4.2).

Рисунок 4.2 – Співвідношення між шириною секції і полюсною поділкою t

 

Для 1-1¢ у₁=t=  – діаметральний крок.

Для 2-2¢ у₁<t      – скорочений крок.

Для 3-3¢ у₁>t      – подовжений крок.

Таким чином порядок з'єднання активних сторін секції визначає­ться кроком у₁. На схемах перший частковий крок у₁вимірю­ється в елементарних пазах, ширина реально виготовленої секції вимірюється в метричних одиницях згідно з формулою у₁= [м].

Елементарним кроком обмотки звуться дві активні сторони різ­них секцій, розташовані в реальному пазу одна над другою, тобто в верхньому і нижньому шарах. В одному реальному пазу може бути 2...3 (не більше) елементарних паза. Таким чином, кількість всіх елементарних пазів: Z_ел=uZ, де u - кількість елемен­тарних пазів в одному реальному (рис.4.3,а,б,в); Z- кількість реальних.

Деякі типи обмоток можуть мати різну ширину секцій. Така об­мотка зветься ступінчаста, на відміну від рівносекційної (рис. 4.4), і має кращі умови комутації.

 

 

 

Рисунок 4.3 – До поняття елементарного паза

 

 

Рисунок 4.4 – Ступінчаста обмотка

 

Крім першого часткового кроку (ширини секції) існують також і інші відстані як на схемі обмотки, так і на реальному якорі та колекторі обмотки МПС. Взагалі кроки обмотки визначають взаємне розташування на якорі (в його пазах) сторін всіх секцій відносно одна одної, та відносно пластик колектора.

Розрізняють взагалі:

1. Крок по якорю - перший частковий крок  – у₁ –ширина секції.

2. Другий частковий крок – у₂.

3. Результуючий крок – у.

4. Крок по колектору –  у_к.

На схемах-розгортках у₁ визначається виразом:

,

тут e- деяка дріб, що округлює крок до цілого числа.

Другий частковий крок – у₂, відстань між нижньою активною стороною секції, та верхньою активною стороною другої секції, з'є­днаної з першою послідовно згідно з схемою обмотки. Вимірюється у₂також в елементарних пазах.

Результуючий крок - у      визначає відстань між однойменними (частіш за все верхніми) активними сторонами двох різних секцій, з'єднаних послідовно відповідно до типу та схеми обмотки. Для всіх типів обмоток у=у₁-у₂ (у₂   – може бути негативним). Тобто, увиконується на схемі як результат проходження обмоткою першого та другого часткових кроків.

Крок по колектору - у_к    відстань між двома колекторними пластинами, до яких підключені верхні активні сторони секцій, слі­дуючих одна за одною згідно з схемою у_к=у.

Аксіоми обмоток МПС. До кожної колекторної пластини підклю­чається кінець нижньої активної сторони однієї секції, та початок слідуючої верхньої активної сторони другої секції, то, взагалі маємо: К=S, де  K- кількість пластин колектора; S –кількість секцій обмотки. Кількість проміжків між верхніми актив­ними сторонами секцій вздовж кола якоря також дорівнює S.

В зв'язку з тим, що кожна верхня активна сторона секції роз­ташовується в своєму окремому елементарному пазі, а кінець кожної секції підключений до своєї колекторної пластини, то в МПС завжди виконується рівняння:

S=Z_e=K.

Види обмоток досить поширені для МПС, а саме:

- проста петльова (паралельна);

- складна петльова;

- проста хвильова (послідовна);

- складна хвильова;

- "жаб'яча", комбінована.

 

Умови симетрії обмоток

 

Обмотка симетрична, якщо в любому положенні якоря в магнітно­му полі в кожній паралельній гілці обмотки індукуються однакові ЕРС. Така обмотка працює баз негативних явиш і струми паралельних гілок однакові. 3 метою забезпечення однаковості ЕРС обмотка повинна задовольняти трьом умовам:

1. Кожна пара паралельних гілок має однакову кількість секцій:

Це обумовлює за кожною гілкою однакову кількість пазів.

2.  Кожна пара гілок знаходиться в однаковій кількості реальних пазів:

3.  Кожна пара гілок повинна симетрично розташована відносно полісів МПС:

Третя умова гарантує для кожної гілки рівноцінне положення в магнітному полі, що не завжди виконується для однократнозамкнених СПО та СВО. Ці умови абсолютно обов'язкові для МПС великої потужності.

 

Урівнювачі

Навіть в симетричних обмотках можуть наводитись різні ЕРС, що спричиняє урівнюючі струми в гілках. Це явища визиває додаткові втрати та іскріння під щітками (на холостому ході МПС). Причина цього - магнітна несиметрія, що спричиняється:

- різними зазорами під полюсами;

- ексцентрисітетом якоря відносно осі обертання;

- неоднорідністю матеріалу полюсів та ярма (раковини і т.ін.).

Щоб усунути ці струми через щітки в схемі обмотки підклю­чають урівнювачі - спеціальні провідники, що з'єднують точки обмотки з теоретично рівними потенціалами. Такі урівнювачі звуться першого роду.

Крок урівнювачів першого роду: , тому що, кількість точок рівного потенціалу в ППО дорівнює а=р. Іноді  цей крок зветься потенціальним.

Урівнюючий струм (змінного напрямку) створює магнітні поля, що усувають магнітну несиметрію потоків полюсів.

Кількість урівнювачів 1-го роду

Для ПХО магнітна несиметрія не суттєва, тому для неї ці урівнювачі не використовують.

В складних петльових та хвильових обмотках окремі прості об­мотки з'єднані паралельно через щітки. Але в загальному випадку перехідні опори контакту щіток весь час змінюються, а разом з цим міняється і розподіл струмів між гілками. Завдяки цьому рівномір­ність падінь напруги між пластинами колектора порушується. Подіб­не явище в СХО усувають з'єднанням точок рівного потенціалу різних ПХО.

Кроки і кількість цих урівнювачів (другогороду) визначаються тими ж формулами.

 

Вибір і порівняння обмоток

Основою вибору типу обмотки є бажання мати необхідну ЕРС найменшою кількістю провідників Nна поверхні якоря і найбіль­шим перерізом одного провідника (з метою кращого використання пло­щі паза).