Основные части электрических машин и их назначение

Конструктивное выполнение машины. Основными частями ма­шины постоянного тока являются: остов (станина), полюсы, якорь, щеточный аппарат и некоторые вспомогательные детали, служащие для конструктивного оформления машины. Электрические машины общего применения (рис. 74) обычно имеют цилиндрическую форму и снабжены приливами для установки на фундамент или фланцами для крепления.

Тяговые электрические машины имеют те же основные части, но их конструкция приспособлена к особенностям установки этих машин на локомотивах. Например, тяговые двигатели электровозов (рис. 75), тепловозов и электропоездов устанавливают на тележках экипажной части локомотива, поэтому в их конструкции предусма­тривают специальные элементы для монтажа двигателя на тележке и передачи его вращающего момента на движущую колесную пару. В тяговых генераторах тепловозов (рис. 76) вал якоря имеет

только один подшипник; второй опорой якоря является подшипник дизеля, вал которого жестко соединен с валом якоря генератора фланцем.

Остов. В современных электрических машинах остов отлива­ют из стали. Он составляет часть магнитной системы машины и слу­жит для укрепления полюсов с катушками и выводных зажимов, а также для поддержания боковых щитов, несущих подшипники якоря.

Остовы тяговых генераторов тепловозов имеют цилиндрическую форму и снабжены двумя приливами для установки генератора на общую с дизелем раму. Остовы тяговых двигателей (рис. 77) обыч­но выполняют восьмигранными или цилиндрическими. В них имеют­ся приспособления для монтажа двигателя на тележке, люки для осмотра коллектора и щеток, отверстия для подвода и выхода наружу охлаждающего воздуха и пр. Внутри остова предусмотрены обра­ботанные приливы для установки полюсов, обеспечивающие строго симметричное расположение их на машине. В торцовых стенках остова имеются горловины для установки и крепления подшипни­ковых щитов.

Полюсы. В современных стационарных и тяговых машинах по­стоянного тока устанавливают главные и добавочные полюсы.

Главные полюсы (рис. 78, а), на которых расположены катушки обмотки возбуждения, служат для создания в машине магнитного потока возбуждения. Часть сердечника главного полюса со стороны, обращенной к якорю, выполнена более широкой и называется по­люсным наконечником. Эта часть служит для поддержания катушки, а также для лучшего распределения магнитного потока по поверх­ности якоря.

Сердечники главных полюсов для уменьшения вихревых токов изготовляют шихтованными — из отдельных стальных листов тол­щиной 0,5—1,5 мм. По краям полюсов устанавливают более толстые торцовые боковины, которые посредством заклепок удерживают по­люсные листы в спрессованном состоянии.

Возникновение вихревых токов в сердечниках главных полюсов объясняется изменением (пульсацией) магнитного поля в полюсных наконечниках, прилегающих к якорю при его вращении. Вследствие

 

зубчатости якоря магнитное поле в местах, расположенных против зубов, усиливается (индукция возрастает), а в местах, расположен­ных против пазов, ослабляется (индукция уменьшается). При враще­нии якоря против каждой точки поверхности полюсного наконечни­ка оказывается попеременно то зубец, то паз, вследствие чего индук­ция магнитного поля в отдельных точках наконечника непрерывно изменяется. Это и вызывает появление вихревых токов в стали на­конечника.

Электрические машины могут иметь два, четыре, шесть и в общем случае 2р главных полюсов. Главные полюсы укрепляют на остове болтами. В машинах небольшой и средней мощности резьбу под бол­ты нарезают непосредственно в сердечнике полюса (рис. 79, а). В более мощных машинах (тяговых двигателях и тяговых генера­торах) болты ввертывают в специальные установочные стержни (один или два на полюс), закладываемые в сердечник при его сборке (рис. 79, б).

Остов, полюсы и якорь составляют магнитную систему машины, через которую замыкается магнитный поток, созданный обмоткой возбуждения. Воздушный зазор между якорем и полюсами явля­ется также одним из участков магнитной цепи.

Расположение главных полюсов и распределение магнитного по­тока в четырехполюсной машине поясняются рис. 80, а и б. Сосед­ние (разноименные) полюсы в четырехполюсной машине располо­жены под углом 90°, а двухполюсной — под углом 180°. Линия, делящая эти углы пополам, называется геометрической нейтралью. Магнитный поток Ф, проходящий через полюсы и поступающий в якорь и остов, разделяется по оси симметрии полюсов на две симметричные и равные части. У всех современных машин с сим­метричными магнитными системами число полюсов 2р всегда четное, все полюсы совершенно одинаковы и углы между осями соседних полюсов равны.

Добавочные полюсы (см. рис. 78, б) обеспечивают уменьшение искрения, возникающего при работе машины (см. § 30). По своим размерам они меньше главных. Число добавочных полюсов обычно равно числу главных. В машинах постоянного тока сердечники до-

 

бавочных полюсов изготовляют из стали. Они имеют монолитную конструкцию, так как значение индукции под добавочными полюса­ми выбирается обычно небольшим и при вращении якоря индуциро­вания вихревых токов в их наконечниках практически не происходит. Однако в тяговых двигателях электровозов переменного тока, работающих при пульсирующем напряжении, сердечники добавоч­ных полюсов выполняют шихтованными — из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Этим обеспечивается существенное уменьшение вихревых токов, возникающих при про­хождении по обмотке добавочных полюсов пульсирующего тока.

Катушки полюсов изготовляют из изолированного медного про­вода круглого или прямоугольного сечения или из шинной меди.

Площадь поперечного сечения проводников и число витков кату­шек зависят от типа, мощности и напряжения машины. Отдельные витки катушек изолируют друг от друга (межвитковая изоляция), кроме того, на катушку еще накладывают общую корпусную изоля­цию 3 (см. рис. 78). Катушки всех главных полюсов обычно соеди­няются последовательно и составляют обмотку возбуждения ма­шины. Катушки добавочных полюсов также соединяют последова­тельно.

В современных тяговых электрических машинах постоянного и пульсирующего тока часто применяют компенсационную обмотку, улучшающую условия работы коллектора и щеток (см. § 29). Ее рас­полагают в пазах, проштампованных в полюсных наконечниках, и выполняют в виде отдельных катушек из прямоугольной меди (рис. 81). Катушки крепят в пазах текстолитовыми клиньями.

Якорь. Машина постоянного тока имеет якорь, состоящий из сердечника, обмотки, коллектора и вала. Сердечник якоря (рис. 82) собран из штампованных листов электротехнической стали толщи­ной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникаю­щих при пересечении якорем магнитного поля, листы изолируют один от другого. Листы собирают в общий пакет, который насажи­вают на вал якоря. Пакет удерживается в сжатом состоянии нажим­ными шайбами. В теле якоря делают вентиляционные каналы для прохода охлаждающего воздуха. В машинах постоянного тока боль-

шой мощности с якорями большого диаметра листы, из которых собирают сердечник якоря, имеют форму сегментов 8. Сегменты собирают на шпильках, образуя полную окружность якоря, и сжима­ют нажимными шайбами; при сборке пакета якоря стыки между сегментами одного слоя располагаются против середины сегментов предыдущего слоя, благодаря чему уменьшается магнитное сопро­тивление сердечника якоря.

Якорные листы имеют зубчатую форму, поэтому при сборке их в пакеты образуются пазы (впадины), в которые укладывают обмот­ку якоря. Пазы бывают открытые и полузакрытые. Тяговые электри­ческие машины имеют открытые пазы. Для улучшения коммутации и снижения магнитного шума в некоторых машинах применяют яко­ря со скошенными пазами, т. е. пазы по длине сердечника смещаются на одно зубцовое деление.

В тяговых двигателях сердечник якоря, нажимные шайбы и коллектор обычно насаживают не на вал, а на промежуточную втулку, которую затем запрессовывают под давлением на вал. При­менение промежуточной втулки дает возможность сменить неисправ­ный вал без полной разборки якоря.

Обмотку якоря (рис. 83) выполняют из медной изолированной проволоки, в машинах большой мощности — из медных стержней. Обычно обмотка якоря состоит из отдельных якорных катушек, которые обматывают изоляционными лентами из миканита, асбеста, стеклоткани или хлопчатобумажной ткани и укладывают в пазы яко­ря. В каждом пазу укладывают обычно две стороны различных якорных катушек, одна поверх другой. Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций, концы которых припаивают к соответствующим коллекторным пластинам.

Различают следующие виды изоляции катушек: витковая — изоляция каждого из проводников; корпусная — изоляция всей ка­тушки относительно сердечника якоря и покровная — наружная изоляция, защищающая корпусную изоляцию от механических повреждений. После наложения обмотки якорь пропитывают изо­ляционными лаками (асфальтовым, бакелитовым и др.), благодаря чему повышается качество изоляции машины. В тяговых электри­ческих машинах для изоляции обмотки якоря применяют монолит­ную изоляцию из материалов высокой нагревостойкости (стекло-слюдинистовое полотно), залитых эпоксидным компаундом горячего отвердения. Такая изоляция повышает надежность и долговеч­ность электрических машин.

При вращении якоря обмотка может выпасть из пазов под дей­ствием возникающих центробежных сил. Чтобы предупредить выпа­дание обмотки, ее закрепляют изоляционными клиньями, а также проволочными бандажами или бандажами из стеклоленты (стекло-бандажами) (рис. 84). Якорные катушки изоготовляют на специаль­ных приспособлениях, позволяющих придавать им правильную и одинаковую форму (рис. 85).

Коллектор (рис. 86, а) выполнен из отдельных пластин 2 толщи­ной до 5—8 мм, изготовленных из твердотянутой меди или кадмиевой

бронзы клинообразного сечения. Пластины изолируют одну от другой миканитовыми прокладками 4. К выступающей части коллекторной пластины припаивают провода от обмотки якоря. Для этого в ней имеется соответствующая прорезь. Узкие края пластины имеют форму ласточкина хвоста, после сборки коллектора эти края зажимаются между двумя нажимными шайбами. Пластины изолируют от нажим­ных шайб 3 и вала якоря миканитовыми манжетами / и цилиндрами. Когда коллектор окончательно собран, его поверхность обтачивают на токарном станке и тщательно шлифуют. Чтобы миканитовые прокладки при износе коллектора не выступали над пластинами и не вызывали вибрации щеток, их профрезеровывают на 0,8—1,5 мм ниже поверхности коллектора (рис. 86, б). Эту операцию называют продороживанием коллектора.

В машинах с большим диаметром якоря (в тяговых генераторах тепловозов) для соединения проводников обмотки якоря с пласти­нами коллектора предусматривают промежуточные звенья — гибкие медные пластины, называемые петушками. Петушки нижними кон­цами прикрепляют к коллекторным пластинам, а в верхние их части впаивают проводники обмотки якоря.

Вращаясь, коллектор соприкасается со щетками и постепенно изнашивается. Кроме того, при работе коллектор нагревается, и возникающие при этом механические напряжения могут вызвать его деформацию, следствием которой будет вибрация щеток, плохой их контакт с коллектором и значительное искрение. Поэтому в экс­плуатации периодически выполняют обточку коллекторов.

В машинах малой и средней мощности, например в тяговых двигателях электропоездов и во вспомогательных машинах, широко применяют коллекторы с пластмассовым корпусом (рис. 86, в). В этих коллекторах медные пластины 2 и миканитовые прокладки опрессованы пластмассой 5, обладающей большой механической и электрической прочностью. Для посадки коллектора на вал служит стальная втулка 6, которую вставляют в пресс-форму перед запрес­совкой пластин в пластмассу.

Щеточный аппарат. Щетки предназначены для соедине­ния коллектора с внешней цепью. Они представляют собой прямо­угольные призмы шириной 4—32 мм (рис. 87, а). Рабочую поверх-

ность щеток пришлифовывают к коллектору, чтобы обеспечить надежный контакт. Каждая щетка имеет определенную марку. Щет­ки различных марок различаются составом, способом изготовления и физическими свойствами.

Щетки, применяемые для электрических машин, подразделяются на четыре основные группы: угольно-графитные, графитные, электро-графитированные и металлографитные. Для каждой машины, рабо­тающей в определенных условиях, нужно применять щетки только соответствующих марок. Эти марки подбираются заводом — изгото­вителем машин; при замене изношенных щеток нужно брать щетки той же марки. В тяговых электрических машинах применяют исклю­чительно электрографитированные щетки, которые обладают хоро­шими коммутирующими свойствами, значительной механической прочностью и способностью выдерживать большие перегрузки.

 

Щетки устанавливают в специальные обоймы, называемые щеткодержателями (рис. 88, а). Для отвода тока от щетки к ней прикрепляют медный гибкий проводник (щеточный канатик), кото­рый присоединяют к щеткодержателю. Одним из основных условий хорошей работы щеток является плотный, надежный контакт меж­ду щеткой и коллектором. Он достигается при помощи нажимного устройства, смонтированного на щеткодержателе. Нажим на щетку осуществляется пружиной (спиральной, цилиндрической или пластинчатой), упирающейся одним концом в щетку, а другим — в щеткодержатель. В тяговых двигателях нажимная пружина воздей­ствует на специальный палец, прижимаемый к верхней торцовой поверхности щетки (рис. 88,6). Нажатие на щетку должно быть отрегулировано в строго определенных пределах, так как чрезмерный нажим вызывает быстрый износ щетки и нагрев коллектора, а недо­статочный нажим не дает надежного контакта между щеткой и кол­лектором, вследствие чего возникает искрение под щеткой. Нажатие принимают из расчета 1,5—3,5 Н на 1 см² опорной поверхности щетки. Для улучшения щеточного контакта и предотвращения искре­ния щеток в некоторых случаях применяют разрезные щетки (рис. 87,6). Такая щетка состоит из двух частей, установленных

 

в общую обойму. Равномерное нажатие на отдельные части щетки обеспечивается резиновым гасителем 4.

Щеткодержатели укрепляют на кронштейнах и щеточных паль­цах непосредственно к остову машины (в четырехполюсных тяговых двигателях) или к боковым подшипниковым щитам и изолируют от них специальными изоляторами / (см. рис. 88). В некоторых тяговых и стационарных машинах щеткодержатели устанавливают на поворотных траверсах (рис. 89, а и б), прикрепляемых к боковым щитам. Поворотом траверсы обеспечивается возможность некоторого перемещения щеток по окружности коллектора. Благодаря этому можно подобрать наивыгоднейшее положение щеток, при котором искрение под щетками при данном режиме работы будет минималь­ным. Применение поворотной траверсы облегчает также осмотр щеткодержателей и замену в них щеток.

Кроме описанных выше частей, в электрических машинах имеется ряд конструктивных деталей: подшипники, подшипниковые щиты (крышки), смазочные и маслозащитные устройства и т. п.

Подшипники. В тяговых двигателях, тепловозных генерато­рах и вспомогательных машинах обычно устанавливают шариковые и роликовые подшипники (рис. 90), очень надежные и требующие небольшого ухода. Подшипники помещают в специальных подшип­никовых щитах, которые прикрепляют к обеим сторонам остова.

Для смазки подшипников применяют в большинстве случаев густую консистентную смазку. Эта смазка не требует большого объема смазочных камер, и запас ее, закладываемый в подшипник, при периодических ревизиях двигателя оказывается вполне доста­точным для работы машины без замены смазки до следующей реви­зии. Для предотвращения выхода смазки из смазочных камер в тя­говых машинах применяют гидравлические (лабиринтовые) уплот­нения. Действие этих уплотнений основано на вязкости смазки, по­павшей в небольшой зазор между вращающейся и неподвижной де-

талями, а также на создании самой смазкой гидравлических пере­городок вследствие отбрасывания ее к стенкам лабиринта под дей­ствием центробежной силы, возникающей при вращении якоря.

Устройство для охлаждения электрических машин. В большин­стве электрических машин для охлаждения нагретых частей (сер­дечника и обмотки якоря, коллектора и полюсов) на валу якоря устанавливают вентилятор. Такой способ охлаждения электрических машин называется самовентиляцией, а машины этого типа — маши­нами с самовентиляцией. Тяговые двигатели электропоездов и вспо­могательные машины, установленные на электровозах и тепловозах, являются машинами с самовентиляцией. В этих машинах засасы­ваемый воздух поступает внутрь машины обычно со стороны коллек­тора и распределяется на два параллельных потока (рис. 91, а). Один из таких потоков омывает поверхность коллектора, катушки полюсов и пространство между полюсами и якорем. Другой поток проходит под коллектором и по вентиляционным каналам внутри сердечника якоря. Нагретый воздух выбрасывается через отверстия, имеющиеся в остове и подшипниковом щите со стороны, противопо­ложной коллектору, или же через специальный патрубок, прикреп­ленный к остову машины. висимой вентиляцией. При такой вентиляции воздух распределяется внутрь машины двумя параллельными потоками, как и при само­вентиляции.

Охлаждение оказывает большое влияние на работу электрических машин. Мощность, которую можно получить от электрической ма­шины, ограничена предельной температурой, которую может выдер­жать изоляция ее обмоток. Поэтому при интенсивном охлаждении значительно снижается нагрев обмотки, что позволяет повысить мощность, которую может отдать машина.

Обмотки якоря

Принцип соединения отдельных проводников в обмотку. В со­временных машинах постоянного тока применяют барабанные якоря, в которых проводники обмотки укладывают в пазы на наружной поверхности цилиндрического якоря.

При выполнении обмотки проводники, расположенные в пазах якоря, следует соединять таким образом, чтобы э. д. с. в них скла­дывалась. Для этого два проводника, образующие виток обмотки, должны соединяться так, как указано на рис. 92, а, т. е. проводник А, расположенный под северным полюсом, должен соединяться с про­водником Б, расположенным под южным полюсом. Расстояние между проводниками, составляющими виток, должно быть равно или незначительно отличаться от полюсного деления т — расстояния между осями соседних полюсов. При этом условии виток будет ох­ватывать весь магнитный поток полюса и э. д. с, возникающая в нем при вращении якоря, будет иметь наибольшее значение.

Для наглядного изображения обмоток цилиндрическую поверх­ность якоря вместе с обмоткой развертывают в плоскость и все

соединения проводников изображают в виде прямых линий на плос­кости чертежа (рис. 92,6).

Обмотка якоря состоит из отдельных секций. Секцией называ­ют часть обмотки, расположенную между двумя коллекторными пластинами, следующими одна за другой по ходу обмотки. Число секций 5 в обмотке равно числу коллекторных пластин К. Секция может состоять из одного или нескольких последовательно соеди­ненных витков. В первом случае секции называют одновитковыми (рис. 93, а, см. рис. 85, б), во втором — многовитковыми (рис. 93, б, см. рис. 85, а). Одновитковые секции состоят из двух активных про­водников, которые непосредственно пересекают магнитный поток; активные проводники расположены в пазах якоря и соединяются лобовыми частями, лежащими вне сердечника якоря. Лобовые части в индуцировании э. д. с. практически не участвуют. Многовитковые секции состоят из двух активных сторон, каждая из которых объеди­няет несколько активных проводников. В некоторых машинах боль­шой мощности применяют якорные катушки, выполненные из разрез­ных секций (см. рис. 85,в). Обмотка якоря, состоящая из таких секций, называется стержневой.

В ряде случаев по конструктивным соображениям и для умень­шения потерь мощности в обмотке якоря при изготовлении секций вместо одного сплошного проводника требуемого поперечного се­чения берут несколько проводников меньшего сечения. Эти провод­ники обычно располагают в пазу друг над другом и присоединяют к одним и тем же коллекторным пластинам. Все секции обмотки обыч­но имеют одинаковое число витков. На схемах обмотки секции для простоты всегда изображают одновитковыми. Секцию обмотки укла­дывают в пазы таким образом, чтобы одна из ее активных сторон находилась в верхнем слое, а другая — в нижнем. На схемах стороны секции, расположенные в верхнем слое, изображают сплошными линиями, а в нижнем слое — штриховыми.

При объединении нескольких секций в якорную катушку каж­дую из сторон якорной катушки в большинстве случаев укладывают в один общий паз. Для того чтобы э. д. с, индуцированные в отдель­ных секциях, складывались, при соединении их руководствуются тем же правилом, что и при соединении проводников в витки: рас­стояние между соединяемыми частями секций должно быть прибли­зительно равно расстоянию между осями полюсов.

Обмотки якоря подразделяются на две основные группы: петле­вые (параллельные) и волновые (последовательные).

Простая волновая обмотка. При простой волновой обмотке сек­ции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 94). При этом после одного обхода окружности якоря, т. е. после последовательного соединения р секций приходят к коллектор­ной пластине, расположенной рядом с исходной. Например, начало секции / присоединяют к коллекторной пластине КП1, а ее конец соединяют с коллекторной пластиной КП10 и началом секции 2, которая расположена под следующей парой полюсов; затем конец секции 2 соединяют с другой коллекторной пластиной и с началом

следующей секции. После завершения полного обхода окружности якоря конец соответствующей секции соединяют с коллекторной пластиной КП2 и началом секции 3, затем таким же образом с кол­лекторной пластиной КПП и секцией 4 и т. д. до тех пор, пока обмотка не замкнется, т. е. пока не придут к началу секции /. Якорная катушка в волновой обмотке имеет форму волны (рис. 95, а), от­куда получила это название.

Для выполнения обмотки необходимо знать ее результирующий шаг у (см. рис. 94, б), первый у\ и второй г/г частичные шаги, а также шаг по коллектору у_к. Указанные шаги обычно выражают в числе пройденных секций (шаг по коллектору выражается в этих же еди­ницах, так как число коллекторных пластин равно числу секций).

В простой волновой обмотке число параллельных ветвей обмот­ки 2а всегда равно двум и не зависит от числа полюсов:

На рис. 96, а приведена в качестве примера развернутая в плоскость схема простой волновой обмотки якоря четырехполюс-ной машины, имеющей 19 секций, а на рис. 96,6 — эквивалентная схема этой обмотки, показывающая последовательность соединения ее секций и образующиеся параллельные ветви. Цифрами 1,2,3 и т. д. обозначены активные проводники, лежащие в верхнем слое каждого паза, а /', 2', 3' и т. д.— в нижнем слое. При волновой обмотке в машине можно устанавливать только два щеточных пальца. Одна­ко это делают лишь в машинах малой мощности; в более мощных машинах обычно ставят полный комплект (2р) щеточных пальцев для уменьшения плотности тока под щетками и улучшения токо­съема.

 

Простая петлевая обмотка. При простой петлевой обмотке каж­дую секцию присоединяют к соседним коллекторным пластинам (рис. 97). Например, начало 1-й секции присоединяют к коллектор­ной пластине КП1, а конец ее соединяют с соседней коллекторной пластиной КП2 и началом рядом лежащей 2-й секции. Далее

 

конец 2-й секции присоединяют к следующей коллекторной пластине и к началу соседней секции и т. д. до тех пор, пока обмотка не замк­нется, т. е. пока не придут к началу 1-й секции. В этой обмотке каж­дая последующая секция расположена рядом с предыдущей, а якор­ная катушка имеет форму петли (рис. 95,6), откуда получила название обмотка.

В простой петлевой обмотке секции, расположенные под каждой парой полюсов, образуют две параллельные ветви, поэтому число параллельных ветвей по всей обмотке 2а равно числу полюсов 2р:

Условие 2а = 2р выражает основное свойство простой петлевой обмотки: чем больше число полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет обмотка, следовательно, тем больше щеточных пальцев должно быть в машине. На рис. 98, а приведена в качестве примера развернутая в плоскость схема простой петлевой обмотки якоря че-тырехполюсной машины, имеющей 24 секции, а на рис. 98, б — эквивалентная схема этой обмотки, показывающая последователь­ность соединения ее секций и образующиеся параллельные ветви (обозначение проводников и коллекторных пластин такое же, как и на рис. 96).

Применение петлевой и волновой обмоток. Каждая из обмоток — петлевая и волновая — имеет свои преимущества. При одном и том же числе проводников в обмотке якоря и числе полюсов простая петлевая обмотка будет иметь в р раз больше параллельных вет­вей, чем волновая. Следовательно, она может пропускать значи­тельно больший ток /_я = 2ш'я, чем волновая обмотка (здесь 1_Я — ток в параллельной ветви) (рис. 99). Число же витков в каждой парал­лельной ветви при петлевой обмотке в р раз меньше, чем при волно­вой. Так как напряжение машины определяется числом последова­тельно включенных витков в каждой параллельной ветви, то в машине с петлевой обмоткой напряжение будет в р раз меньше, чем с волновой обмоткой.

Из сказанного следует, что в машинах, рассчитанных для рабо­ты при высоких напряжениях, целесообразно применять волновую обмотку. Такая обмотка имеется у большей части вспомогательных машин электровозов и электропоездов, которые рассчитаны для работы при напряжении 1500—3000 В, и у некоторых тяговых двига­телей электропоездов. В машинах, рассчитанных для работы при больших токах, целесообразно применять петлевую обмотку. Такую обмотку имеет тяговые двигатели электровозов и тепловозов, а также электровозные генераторы возбуждения, используемые при рекуперации. Машины постоянного тока небольшой мощности обыч­но выполняют двухполюсными. При двух полюсах петлевая и волно­вая обмотки не различаются.

Уравнительные соединения. В простой петлевой обмотке э. д. с, индуцированная в каждой параллельной ветви, создается магнитным потоком определенной пары полюсов. Э. д. с. Е, индуцированные во всех параллельных ветвях обмотки, теоретически должны быть равны (рис. 100, а). Однако практически из-за технологических допусков в значении воздушного зазора под различными полюсами, дефектов литья в остове и других причин магнитные потоки отдель­ных полюсов несколько различаются, вследствие чего в параллель­ных ветвях действуют неодинаковые э. д. с.

Если два параллельно соединенных источника имеют неодинако­вые э. д. с. (рис. 101), то по контуру, образованному двумя источ­никами, будет проходить некоторый дополнительный ток, обуслов­ленный разностью э. д. с. Е\—Еч источников. Этот ток носит назва­ние уравнительного. Уравнительный ток /_ур циркулирует внутри источников, не совершает никакой полезной работы, а создает лишь

обоих источника. Он вызывает неравномерную нагрузку отдель­ных источников, перегружая ис­точник с большей э. д. с. и раз­гружая источник с меньшей э. д. с. В машинах постоянного тока при неравенстве э. д. с. в отдель­ных параллельных ветвях воз­никающие уравнительные токи будут перегружать щетки и ухудшать работу машин. Например, при неравенстве э. д. с. Е_{ а Е₂ в параллельных ветвях обмотки якоря 3 (рис. 100, б) по обмотке и через щетки / {А — Г) будет проходить уравнительный ток /_ур. Разница между э. д. с. Е\ и Еч составляет 3_5 %, но из-за небольшого сопротивления обмотки якоря этого оказывается достаточно, чтобы по параллельным ветвям проходили довольно значительные уравнительные токи, которые способствуют возникновению искрения под щетками. Чтобы уравнительные токи замыкались помимо щеток, в петлевых обмотках предусматривают уравнительные соединения, которые соединяют точки обмотки, имею­щие теоретически равные потенциалы. Такими точками являются начала и концы проводников обмотки якоря, расположенные один от другого на расстоянии, равном двойному полюсному делению 2т. Идеальным было бы соединить все такие точки обмотки. Однако большое число уравнительных соединений сильно удорожает об­мотку, поэтому практически достаточно иметь одно-два уравнитель­ных соединения на каждую группу секций, лежащих в одном пазу якоря.

С производственной точки зрения уравнительные соединения удобно присоединять к коллекторным пластинам 2 (см. рис. 100,6). Обычно они связывают каждую третью — пятую пластины коллек­тора (рис. 102). Площадь поперечного сечения проводов, которыми выполняют уравнительные соединения, в 3—5 раз меньше площади поперечного сечения проводников обмотки якоря. Уравнительные

соединения располагают чаще всего под лобовыми частями об-

Сложные обмотки. При мощ­ности машины более 1000 кВт применяют сложные многоходовые обмотки якоря, представляющие собой несколько простых петле­вых или волновых обмоток, намо­танных на общий якорь, смещен­ных относительно друг друга и

 

присоединенных к одному коллектору. Применение многоходовых обмоток позволяет увеличивать число параллельных ветвей при неизменном числе полюсов, увеличение которых в ряде случаев невозможно. Однако эти обмотки требуют сложных уравнительных соединений.

Одной из разновидностей сложных обмоток является парал­лельно-последовательная обмотка, применяемая в некоторых тяго­вых генераторах. Она представляет собой комбинацию простой петлевой / (рис. 103, а) и многоходовой волновой 2 обмоток. Обе обмотки уложены в одни и те же пазы и имеют общие коллекторные пластины. Для равенства э. д. с. параллельных ветвей, образуемых петлевой и волновой обмотками, число параллельных ветвей этих обмоток должно быть одинаково.

Параллельно-последовательную обмотку выполняют в четыре слоя (рис. 103,6), так как в пазы якоря закладывают две двух­слойные обмотки. Эта обмотка получила название «лягушачья» из-за формы свой якорной катушки (рис. 103, в). Рассматриваемая обмотка не требует уравнительных соединений, что выгодно отли­чает ее от других обмоток. Возможность уменьшения напряже­ния, действующего между соседними коллекторными пластинами, вдвое по сравнению с простыми обмотками является важным пре­имуществом параллельно-последовательной обмотки.

Реакция якоря

Физическая сущность реакции якоря. При холостом ходе маг­нитный поток в машине создается только магнитодвижущей силой обмотки возбуждения / (рис. 104). В этом случае магнитный поток возбуждения Ф_в, пронизывающий якорь 2, распределяется сим­метрично относительно продольной оси. Поток возбуждения направ­лен по продольной оси полюсов, поэтому магнитное поле возбужде­ния называют продольным (рис. 105, а).

При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, который создает свое магнитное поле. Воздействие поля якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Магнитный поток Ф_я, созданный током якоря, в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали направлен по попереч­ной оси машины (рис. 105,6), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным.

В результате действия потока якоря Ф_я симметричное распре­деление магнитного поля машины искажается и результирующий поток Фрез оказывается сосредоточенным в основном у краев главных полюсов (рис. 105,в). Рис. 106 поясняет распределение магнитного поля машины вдоль окружности якоря (кривые распределения индукции).

Вредные последствия реакции якоря. 1. Физическая нейтраль б — б (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали а — а на некоторый угол р (см. рис. 105, в и 106, в). В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вра­щения якоря, в двигателях — против направления вращения. Как будет показано далее, это ухудшает коммутацию машины, т. е. способствует возникновению искрения под щетками.

2. Результирующий магнитный поток машины Ф_рез при насыще­нии магнитной цепи уменьшается, т. е. уменьшается и э. д. с. Е, индуцированная при нагрузке, по сравнению с э. д. с. Ео при холостом ходе.

3. В кривой распределения результирующей индукции в воздуш­ном зазоре (см. рис. 106, в) возникают пики индукции В_п1ах под края­ми главных полюсов, способствующие образованию в машине круго­вого огня.

Размагничивающее действие реакции якоря. Поток якоря Ф_я усиливает результирующий магнитный поток под одной половиной полюса и ослабляет его под другой половиной (см. рис. 105, в). Однако благодаря насыщению магнитной цепи машины увеличение потока под одной половиной полюса оказывает­ся меньшим, чем ослабление потока под другой его половиной, вследствие чего общий поток машины уменьшается. Это наглядно видно на магнитной характеристике магнитной цепи машины (рис. 107), на которой показаны потоки под «правой» и под «левой» половинами полюса Ф_пр и Ф_лсв и их приращение АФ_пр и АФ._пСв, обус­ловленные действием реакции якоря.

Поток Ф„_р создается совместным действием м. д. с. возбуждения /•"в и м. д. с. якоря /•"„, направленных согласно, т. е. Р_в-\-Ря, по-