Особенности схем обмоток якорей машин постоянного тока

 

Обмотки якоря подразделяют по направлению отгиба лобовых частей на волновые и петлевые и в зависимости от схем соединений на простые и сложные. Соотношения размеров и схемы обмоток ха­рактеризуются двумя частичными и результирующими шагами, ша­гом по коллектору и шагом по пазам якоря (рис. 3.49). Частичные шаги

Рис. 3.49. Обозначение шагов пет­левой обмотки якоря: а) ук= + 1; 6) ук = - 1

(первый — у1, второй — у2) и результирующий шаг у измеряются в так называемых элементарных па­зах, не имеющих эквивалента в ли­нейных размерах. Под элементар­ным понимают условный паз, в ко­тором как бы расположено по од­ной секционной стороне обмотки в каждом слое. Отсюда число элемен­тарных пазов Zэ, число секций во всей обмотке якоря S, число плас­тин коллектора К и число пазов якоря Z связаны следующим соот­ношением: Zэ = S = К = Z uп,

где u _п — число секций в катушке якоря.

Шаг обмотки по коллектору у_к определяет расстояние между началом и концом секции по окружности коллектора в коллек­торных делениях t _к = (π D _к)/ K, где D _к - наружный диаметр кол­лектора.

Шаг обмотки по пазам (y _z) определяет расстояние между сторо­нами катушки или секции в зубцовых делениях якоря t _z = (π D_a)/ Z, где D_a — наружный диаметр якоря [6].

Схемы обмоток якорей машин постоянного тока изображают на чертежах так же, как и машин переменного тока, т. е. в виде торце­вых (вид со стороны коллектора) или развернутых схем. Наиболь­шее распространение получили развернутые схемы. Их изображение имеет ряд особенностей, связанных с тем, что каждая катушка об­мотки якоря состоит из нескольких секций и имеет столько пар вы­водных концов, сколько секций содержится в ней. Выводные концы секций соединены с пластинами коллектора. Поэтому на схеме об­мотки якоря нужно либо каждую секцию изображать отдельным многоугольником, либо показывать пазовые части катушки одной линией, а лобовые части каждой секции — отрезками, соединенны­ми с концами пазовой части и с пластинами коллектора. Последний способ изображения встречается чаще.

Рис. 3.50. Схема простой петлевой обмотки якоря, Z = 14, u _п = 3, К = 42

 

На рис. 3.50 приведена развернутая схема простой петлевой об­мотки, каждая катушка которой состоит из трех секций. Пазовые части катушек изображены в зависимости от их положения в пазу сплошными или пунктирными линиями, а в лобовых частях эти ли­нии разветвляются: от каждой отходят три отрезка, обозначающих лобовые части трех секций, входящих в катушку. Начала и концы секций соединяют с пластинами коллектора. На схемах на коллек­торных пластинах обычно показывают места расположения щеток.

Схемы обмоток якорей, как правило, состоят из ряда повторяю­щихся одинаковых элементов, поэтому полное представление об об­мотке могут дать и сокращенные, так называемые практические схе­мы. В практических схемах вычерчивают секции только одной из катушек: показывают расположение обеих сторон секции в элемен­тарных и действительных пазах и их соединение с пластинами кол­лектора. Пластины нумеруют так, чтобы их номера совпадали с но­мерами элементарных пазов, в которых располагают стороны секций, соединенных с данными пластинами. На рис. 3.51 показана практическая схема обмотки, развернутая схема которой приведена на рис. 3.50.

В большинстве обмоток первый частичный шаг секции у₁ выби­рают кратным числу секций в слое паза u _п. В этом случае шаги по пазам катушек и всех секций обмотки одинаковые (y _z = y ₁ / u _п) и об­мотку называют равносекционной (рис. 3.52, а). Если же у₁ / u _п не равно целому числу, то у секций будут разные шаги по пазам якоря

Рис. 3.51. Практическая схема пет­левой обмотки, уz = 3, u п = 3, у1 = 9

(рис. 3.52, б). Такую обмотку нельзя выполнить из целых катушек. Она называется ступенчатой, выполняет­ся только в стержневых обмотках и редко встречается в практике. Для того чтобы легче понять особенности различных схем обмо­ток якоря, все последующие схемы в учебнике построены для обмоток с u п = 1, при этом Z = Zэ = К. Следует отметить, что обмотку якоря с u п = 1 выполняют крайне редко, так как в этом случае необоснованно увели­чивается число пазов и ухудшается их заполнение проводниками, пото­му что толщина корпусной изоля­ции катушки, состоящей из одной или из нескольких секций, остается одинаковой.

 

Рис. 3.52. Равносекционная и ступенчатая обмотки:

а) у₁ = 10, u _п=2, у₁/ у_п — равно целому числу (обмотка равносекционная); б) y ₁ = 11

u _п=2, у₁/ у_п — не равно целому числу (обмотка ступенчатая)

 

ПРОСТЫЕ ПЕТЛЕВЫЕ ОБМОТКИ

 

В простых петлевых обмотках якоря (см. рис. 3.50) результирую­щий шаг равен шагу по коллектору:

у = у_к = у₁ – у₂ = ± 1. (3.26)

Большее распространение получили обмотки с у = 1, так как при у = – 1 лобовые части секций несколько удлиняются и в них возникает дополнительное перекрещивание выводных концов (см. рис. 3.49, б). Первый частичный шаг петлевой обмотки выбирают близким к полюсному делению:

у₁ = Z_э / 2p ± e, (3.27)

 

где e — наименьшее число (или дробь), при котором у₁ выражен це­лым числом, кратным числу u _п. Значение е характеризует укорочение (удлинение) шага по сравнению с полюсным делением. Обмотки с укороченным шагом применяются чаще.

Рассмотрим более подробно особенности простых петлевых об­моток на примере схемы, приведенной на рис. 3.50.

На практической схеме этой обмотки (см. рис. 3.51) показано что y ₁ = Z_э / 2 p ±е = 42/ 4 – 1,5 = 9; у₂ = y ₁ – у = 9 – 1 = 8. Шаги по пазам всех секций одинаковы: y _z = у₁ / u _п = 9/3 =3. Обмотка равносекционная. Если же выполнить первый частичный шаг у₁ = 42/4 – 0,5 = 10 (у₂ = 10 – 1 = 9), то у₁/ u _п = 10/3 становится не равным целому числу. Шаги секций по пазам будут разные (рис. 3.52) и обмотка получится ступенчатой.

При простой петлевой обмотке щетки на коллекторе должны быть расположены обязательно через каждое полюсное деление. Замыкая пластины коллектора, они образуют в обмотке 2р па­раллельных ветвей (рис. 3.53). Поэтому в простой петлевой об­мотке число параллельных ветвей всегда равно числу полюсов машины: 2а = 2р.

Параллельные ветви в петлевой обмотке содержат несколько после­довательно соединенных между со­бой секций, в каждой из которых во время работы машины наводится ЭДС. При сборке машины из-за до­пусков при штамповке и шихтовке сердечника неравномерности воз­душного зазора под разными полю­сами и ряда других причин всегда

Рис. 3.53. Параллельные ветви про­стой петлевой обмотки

существует некоторая асимметрия магнитной цепи. Поэтому ЭДС, наводимые в секциях в разных параллельных ветвях, немного отли­чаются друг от друга. Сопротивления параллельных ветвей практи­чески всегда различаются между собой из-за различного качества паек мест соединений секций и пластин коллектора. По этим причи­нам токи в параллельных ветвях петлевой обмотки якоря никогда не бывают абсолютно одинаковые, так как в ветвях обмотки цирку­лируют уравнительные токи. Они замыкаются через скользящие контакты между щетками и поверхностью коллектора и перегружа­ют их, при этом коммутация машин ухудшается, появляется искре­ние под щетками, пластины подгорают и коллектор быстрее выхо­дит из строя.

Чтобы разгрузить щеточные контакты от уравнительных токов, в якорях с петлевой обмоткой устанавливают уравнительные соединения первого рода. Уравнительные сое-

 

 

 

Рис. 3.54. Расположение уравнительных соединений первого рода:

а, б — со стороны, противоположной коллектору; в — со стороны коллектора; 1 — сердечник якоря; 2 — лобовые части обмотки; 3 — уравнительные соединения; 4 — задний нажимной ко­нус коллектора; 5 — коллектор

 

динения — это изолирован­ные проводники, которые соединяют точки обмотки, имеющие тео­ретически одинаковые потенциалы. Уравнительные соединения не уменьшают уравнительные токи, а лишь направляют их по безвред­ному для работы машины пути, обеспечивая нормальную работу щеточного контакта без перегрузки, создаваемой уравнительными токами.

В простой петлевой обмотке одинаковые потенциалы должны быть у всех секций, расположенных на расстоянии двойного по­люсного деления друг от друга. Поэтому шаг уравнительных сое­динений у_ур = К/р. Наиболее удобные места для подсоединения уравнителей к секциям — это коллекторные пластины или голов­ки лобовых частей секций со стороны, противоположной коллек­тору (рис. 3.54).

На схеме рис. 3.50 условно показаны только два уравнительных соединения, выполненных с шагом, равным у_ур = К/р = 42/2 = 21 эле­ментарных пазов.

Уравнительные соединения первого рода выполняют проводни­ками с площадью поперечного сечения, равной 20...30 % сечения эф­фективного проводника обмотки. В машинах общего назначения чаще всего устанавливают по два-три уравнительных соединения на каждую пару параллельных ветвей или по одному уравнительному соединению на паз якоря, т. е. в 3 — 4 раза меньше, чем секций в об­мотке.

При установке уравнительных соединений (рис. 3.54) усложня­ется технологический процесс изготовления якоря и увеличивает­ся расход меди, поэтому петлевые обмотки применяют лишь в машинах, в которых не могут быть выполнены простые волновые обмотки [6].

 

 

ПРОСТЫЕ ВОЛНОВЫЕ ОБМОТКИ

 

Схема простой волновой обмотки якоря приведена на рис. 3.55. Обозначения шагов обмотки показаны на рис. 3.56. Шаг простой волновой обмотки по коллектору равен результирующему шагу:

у_к = у = (К ± 1)/ р.

В этой формуле знак «—» предпочтительный, так как при знаке «+» в обмотке появляются дополнительные перекрещивания вывод­ных концов секций. Для первого частичного шага у₁ = K/ 2 p ± e со­храняется следующее условие: у₁/ u _п равно целому числу, иначе об­мотка будет ступенчатой. Второй частичный шаг у₂ = у – у₁

Секции волновой обмотки соединяют друг с другом последова­тельно с результирующим шагом, близким к двойному полюсному делению. Поэтому при установке щеток на коллектор обмотка сое­диняется в две параллельные ветви независимо от числа полюсов

Рис. 3.55. Схема простой волновой обмотки якоря, Z = 17, K = 51, 2 p = 4

Рис. 3.56. Элементы схемы и обозначение шагов простой волновой обмотки:

а – с двухвитковыми секциями, б – с одновитковыми секциями

 

Рис. 3.57. Параллельные ветви в простой волновой обмотке: а) с 2р = 4, б) с 2р = 6

машины. В простых волновых обмотках всегда 2 а = 1(рис. 3.57). Особенностью обмоток является также возможность работы машины при неполном числе щеточных болтов. Действительно, как видно из рисунка 3.57, уменьшение числа щеточных болтов не приводит к изменению направления токов в параллельных ветвях обмотки.

Это обстоятельство используют, например, в ряде тяго­вых двигателей постоянного тока, в которых размещение полного числа щеточных болтов, равного 2р, затруднено из-за недостатка места [8].

При 2 а = 2в обмотке отсутствуют эквипотенциальные точки и установка уравнительных соединений не требуется. Поэтому волно­вые обмотки более технологичны и дешевы по сравнению с петле­выми. Простые волновые обмотки применяют в большинстве ма­шин, номинальный ток которых не превышает 500...600 А, т. е. ток в каждой параллельной ветви волновой обмотки остается меньшим 250...300 А.

Простые волновые обмотки могут быть выполнены симметрич­ными только при условии, что у_к = (К ± 1)/ рравно целому числу. Это накладывает определенные ограничения на соотношение чисел Ки р. В частности, машины общего назначения мощностью до 200...300 кВт выпускают в большинстве случаев в четырехполюсном исполнении, т. е. с р = 2.Следовательно, для обеспечения симметрии обмотки коллектор якоря должен содержать нечетное число плас­тин. Но так как К = Z u _п, то нечетными должны быть также число пазов якоря Z и число секций в катушке u _п. В ряде случаев эти усло­вия невыполнимы при заданных линейной нагрузке и уровнях маг­нитной индукции на участках магнитопровода. В таких якорях при (К ± 1)/ р, не равном целому числу, могут быть выполнены несим­метричные волновые обмотки: обмотка с мертвой секцией или ис­кусственно-замкнутая обмотка.

Обмотка с мертвой секцией применяется реже. Для ее выполне­ния коллектор машины берут с числом пластин, на одну меньшим, чем число секций в обмотке якоря, т. е. с нечетным числом пластин: К' = Z u _п - 1. Тогда у_к = (К' ± 1)/ рравно целому числу. По рассчитан­ному у_к находят частичные шаги у₁и у₂и строят волновую обмотку. Число секций в обмотке s = Z u _п, т. е. на одну больше, чем пластин коллектора. В пазы укладывают все секции, но одну из них не соеди­няют с коллектором. Образуется «мертвая секция». Выводные кон­цы этой секции подрезают и изолируют; лобовые части закрепляют бандажом вместе со всей обмоткой.

 

 

Рис. 3.58. Схема волновой обмотки с мертвой секцией, Z = 18, u _п = l, К = 17

 

На рис. 3.58 в качестве примера приведена схема простой волновой обмотки 2р = 4 с мертвой секцией, в которой для упрощения принято Z = 18, u _п = 1. Для построения схемы взято К' = 18 - 1 = 17; у_к = (17 - 1)/2=8; у₁ = 4. Мертвая секция, не соединенная с пласти­нами коллектора, выделена на схеме прерывистой жирной линией. Несимметрия схемы проявляется, например, в различных шагах у₂ :шаги по пазам 5 – 9, 6 – 10, 7–11и т. д. не равны шагам 1 – 6, 2 – 7, 3 – 8и т. д.

Обмотки с мертвой секцией встречаются в машинах, коллекторы которых имеют большое (К >100) число коллекторных пластин, при этом возникающая несимметрия, практически незаметна.

Мертвую секцию можно было бы вообще не укладывать в пазы якоря, однако это нарушает последовательность укладки обмотки и требует заполнения оставшихся свободными частей пазов изоляционным материалом и дополнительных мер при балансировке якоря [6].