Тема: «Коллекторная машина постоянного тока».

 

§1. Устройство и принцип действия.

       В настоящее время получили исключительное распространение электрические машины с барабанным якорем, предложенные в 1872 году Гефнер-Альпинским.

       Устройство и принцип действия можно пояснить на простейшей модели.

       Электрическая машина постоянного тока обратимая машина: может работать как генератором, так и двигателем.

Генератор. Якорь приводится во вращение посторонним источником механической энергии. Индуктор создает магнитное поле, в витке якоря наводится э.д.с., направление которой определяется по правилу ладони правой руки, а величина

е_пров= ,

где В – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника;

   l – активная длина проводника (на протяжении которой он расположен в магнитном поле);

   V – линейная скорость движения проводника.

       В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э.д.с., которые по контуру проводника складываются, поэтому полная э.д.с. якоря данной машины

Е_а=2е_пров=2 =

       Кривая э.д.с. простейшей машины в витке будут иметь вид:

а во внешней цепи за счет механического выпрямителя – коллектора кривая э.д.с. будет иметь вид:

       У рассматриваемой машины велика пульсация, поэтому на практике делают много витков и коллекторных пластин. При подключении нагрузки во внешней цепи потечет ток, изменяющийся во времени, так же как и э.д.с. Напряжение на зажимах будет

U_a=E_a-I_aR_a

       При протекании электрического тока по якорю возникает сила, действующая на проводник. Направление силы определяется правилом ладони левой руки, а величина равна

F_пров=

       Силы витка создают механический момент М_эм, который называется электромагнитным.

М_эм=  (для витка),

где Д_а – диаметр якоря.

       В режиме генератора этот момент действует против направления вращения якоря и является тормозящим.

 

§2. Энергетическая диаграмма.

       Приложенный к валу генератора момент уравновешивается

М_вала=М_тр+М_эм+М_ст,

где М_тр – момент трения, созданный силами трения;

М_эм – электромагнитный момент;

М_ст – момент статический или М_х.х.

       Следует заметить: коллектор служит механическим выпрямителем переменного тока в постоянный. Генератор – это преобразователь механической энергии в электрическую.

Двигатель – преобразователь электрической энергии в механическую. К двигателю подводят электрическую энергию

Р_подв=U_aI_a

По виткам якоря потечет ток, возникнет электромагнитный момент, движущий

М_эм=  - для одного витка

Якорь придет в движении. При вращении витка в нем возникает э.д.с.

е_витка=2е_пров=

       Эта э.д.с. направлена против направления тока, поэтому приложенное напряжение уравновешивается.

U_a=E_a+I_aR_a

       Энергетическая диаграмма будет иметь вид:

 

 

§3. Основные электромагнитные соотношения машины постоянного тока.

 

 

τ – полюсное деление;

N – число проводников, уложенных в пазах якоря;

2р – число полюсов;

 - число проводников под одним полюсом;

В_ср – средняя величина индукции;

В_δm – индукция максимальная в воздушном зазоре.

 

       Предположим:

       1) шаг обмотки у₁= τ (полюсному делению);

       2) щетки установлены на геометрической нейтрале.

Примем за число параллельных ветвей обмотки якоря = 2а (относительно зажимов машины). Тогда э.д.с. всех  проводников параллельной ветви складываются арифметически и для вычисления Е_а можно просуммировать э.д.с.  проводников, расположенных под одним полюсом, и умножить результат на . Таким образом

Е_а= ,

где В_δк – значение индукции под к-ым проводником на протяжении полюсного деления.

       При достаточно большом  можно положить

= В_ср,

где В_ср – среднее значение магнитной индукции на протяжении полюсного деления.

В_ср=

Кроме того, окружная скорость якоря V=2pτn или V=ωR_a. Подставим и получим

Е_а=  В_ср= = =

 

Е_а= ,   с_М=

или

Е_а=

Таким образом, Е_а пропорциональна основному магнитному потоку и скорости вращения и не зависит от формы кривой распределения индукции в воздушном зазоре.

       Если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали, то э.д.с. меньше. Если щетки сдвинуты с нейтрали на половину полюсного деления, то Е_а=0.

Электромагнитный момент. При тех же предположениях, что и при выводе Е_а, электромагнитный момент машины

М_эм=2р

Подставим Д_а=

М_эм=

Электромагнитная мощность.

Р_эм=I_aE_a=M_эм∙ω

U_a=E_a+I_aR_a – для двигателя

 - для двигателя

 - для генератора

E_a=U_a- I_aR_a приравняем = U_a- I_aR_a

Отсюда найдем

 

§4. Общие сведения об обмотках машин постоянного тока (якорных обмотках).

       Обмотки подразделяются на:

• простые и сложные;
• петлевые и волновые.

Витком называется совокупность прямого и обратного проводников.

 

 

Секция – часть обмотки, состоящая из одного или нескольких витков, последовательно соединенных и присоединенных своими концами к коллекторным пластинам.

 

 

Рис. Одновитковая и двухвитковая секция петлевой обмотки (а) и волновой обмотки (б).

 

       В простейшем случае в пазу находятся две секционные стороны: одна в верхнем и другая в нижнем слое. При этом число пазов якоря Z=числу секций S=числу коллекторных пластин 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 большим. Обычно при U_н=110 – 220 В k/2р=12... 35. С другой стороны, изготовление якоря с большим числом пазов нецелесообразно – теряется мощность машины. Поэтому в каждом слое паза располагают рядом несколько (u_п=2, 3, 4, 5) секционных сторон. При этом k=S=u_пZ.

       В данном случае говорят, что в каждом пазу имеется u_п элементарных пазов, так что в каждом слое элементарного паза имеется одна секционная сторона. На схемах обмоток стороны секций, находящихся в верхнем слое, будем изображать сплошными линиями, нижнем – штриховыми.

 

§5. Простая петлевая обмотка.

 

у₁=  - первый частичный шаг;

z_э – элементарный паз;

у₁=τ – полный шаг;

у₁<τ – укороченный шаг;

у₁>τ – удлиненный шаг

у₂ – второй частичный шаг;

у=у₁-у₂ – результирующий шаг для правоходов, для левоходов у=у₂-у₁;

у_к – шаг по коллектору;

ε – дробь, при которой у₁ будет целым числом.

       Пример простой петлевой обмотки.

Дано: z=z_э=S=k=18; 2р=4; у_к=у=±1, «+» - для правоход., «-» - для левоход.

Определяем у₁=

                 у₂= у₁ ± у = 4±1

                 2а=2р; у_ш =  = 9

 

Рис. Развернутая схема петлевой обмотки.

 

 

 

 

§6. Простая волновая обмотка.

у₁=  - первый частичный шаг;

у_к=  - шаг по коллектору;

у₂ – второй частичный шаг.

Рассмотрим пример.

Дано: z=z_э=S=k=17; 2р=4.

Определяем у_к=у=

                 у₁=

                 у₂ = у - у₁ = 8 - 4 = 4