Комбинированная обмотка


СОДЕРЖАНИЕ:

Блог-помощника машиниста

Блог для учащихся…

Обмотки якоря машины постоянного тока.Уравнительные соединения

Обмотки якоря предоставляют собой защитную систему проводников определенным образом уложенных в пазы сердечника якоря и присоединенных к коллектору. В настоящие время применяют несколько типов обмоток: 1- петлевая а) простая; б) сложная, 2-волновая а) простая; б) сложная, 3-комбенированая (лягушачья).

Элементом обмотки якоря является секция, которая содержит один или несколько витков и присоединяется к двум коллекторным пластинам. Секция состоит из активных сторон, где индуктируется эдс и которая уложена в пазы сердечника якоря и лобовых частей соединяющих эти стороны.

Простая и петлевая обмотка. В простой петлевой обмотке якоря к каждой секции подсоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. При укладке секции в пазы сердечника якоря. Начало каждой последующий секции соединяют, с концом предыдущий постепенно перемещаясь, при этом по поверхности сердечника и коллектора, так что за один обход укладывают все секции обмотки. В результате конец последней секции оказывается соединенным с начало первой секции, то есть обмотка замыкается.

у?- кратчайшее расстояние между активными сторонами одной секции по поверхности якоря называется — первым частичным шагом обмотки по якорю измеряют в элементарных пазах.

у?- расстояние между активной стороной нижнего слоя первой секции и активной стороны верхнего слоя называют — вторым частичным шагом обмотки по якорю и измеряется в электрических пазах.

у — результирующий шаг обмотки по якорю представляет собой расстояние между распложенными в одном слое, активными сторонами двух следующих друг за другом секции.

ук — расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым присоединяют начало и конец называется — шагом по коллектору.

Вывод: применение элементарных шагов необходимо для того чтобы уложить целое число секций и равномерно уложить по поверхности якоря.

Простоя волновая обмотка. При последовательности соединения секции находящихся под разными парами полюсов. Комбинированная обмотка (лягушачья) — представляет собой сочетание двух обмоток петлевой и волновой эти обмотки располагаются в одних и тех же пазах и подсоединяются к общему коллектору.

Параллельные ветви обмотки якоря. Замкнутая якорная обмотка разделяется щетками на несколько параллельных ветвей минимум на две.

1. Колличеством параллельных ветвей в обмотке якоря зависит от типа обмотки его. В простой обмотке число параллельных ветвей число щеток равно числу главных полюсов.

2.В простой волновой обмотки число параллельных ветвей не зависит от числа полюсов ровно всегда двум.

Уравнительные соединения. При петлевых обмотках индуктированная ЭДС в каждой параллельной ветви создаются магнитными потоками определенной парой главных полюсов. Так как магнитными потоками каждой пары полюсов могут, несколько отличатся по величине (неточное расположении полюсов, различное сопротивление магнитной цепи: различное электрическое сопротивление обмоток и т.д.). То эдс наводимой в каждой параллельной цепи так же будут, не одинаковыми в этом случаи они будут создавать уравнительные токи, которые будут, циркулировать по обмотке якоря через параллельно соединенные щетки этих токи будут, перегружать, щетки ухудшая работу машины (повышенное искрение). Для того что уменьшить уравнительные токи приходящие через щетки отдельные секции связывают между собой. Особыми соединениями, по которым замыкаются уравнительные токи, минуя щетки их, называют — уравнительными соединениями. Уравнительные соединения представляют собой изолированные проводники, связывающие точки якорной обмотки с теоретически одинаковыми потенциалами обычно они располагаются с не рабочей стороны коллектора и припаиваются к петушкам.

Простая петлевая обмотка

РЕФЕРАТ

На тему: Обмотки якорей машин постоянного тока

Основные понятия.

Изученные нами вопросы принципа действия и устройства коллекторных машин постоянного тока дают возможность установить, что для работы машины необходимо наличие в ней двух обмоток: обмотки возбуждения и обмотки якоря. Первая служит для создания в машине магнитного поля, т. е. для возбуждения, а посредством второй происходит преобразование энергии. Исключение составляют магнитоэлектрические машины постоянного тока, в которых имеется лишь одна (якорная) обмотка, так как магнитное поле (возбуждение) в этих машинах создается постоянными магнитами.

Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору.

Элементом обмотки якоря является секция, которая содержит один или несколько витков и присоединяется к двум коллекторным пластинам. Секция состоит из активных сторон, заложенных в пазы сердечника якоря, и лобовых частей, соединяющих эти стороны. При вращении якоря в каждой из активных сторон индуктируется э. д. с. В лобовых же частях секции э. д. с. не индуктируется.

Часть поверхности якоря, приходящаяся на один полюс, называется полюсным делением и выражается следующей формулой:

где t — полюсное деление;

D – диаметр якоря;

2p – число главных полюсов в машине.

Расположение активных сторон на сердечнике якоря

Чтобы э. д. с., индуктируемые в активных сторонах секций, складывались, т. е. действовали согласно, секцию следует расположить в пазах сердечника якоря так, чтобы ширина секции была равна или незначительно отличалась от полюсного деления.

Элементарные пазы: а) один элементарный паз; б) два элементарных паза; в) три элементарных паза

Изображение секции на развернутой схеме

Секции укладываются в пазах сердечника якоря в два слоя. При этом если одна из активных сторон секции находится в нижней части одного паза, то ее другая сторона находится в верхней части другого паза. Верхняя сторона одной секции и нижняя сторона другой, уложенные в одном пазу, образуют элементарный паз (Z3). В реальном пазу может быть и более двух активных сторон, например четыре, шесть, восемь и т. д. В этом случае реальный паз состоит из нескольких элементарных пазов.

Так как секция имеет две активные стороны, то каждой секции соответствует один элементарный паз. Концы секции присоединяются к коллекторным пластинам, при этом к каждой пластине присоединяется начало одной секции и конец другой, т. е. на каждую секцию приходится одна коллекторная пластина. Таким образом, для якорной обмотки можно записать следующее равенство:

где S – число секций в обмотке якоря;

Zэ – число элементарных пазов;

К – число коллекторных пластин.

Для более удобного и наглядного изображения схем якорных обмоток цилиндрическую поверхность якоря вместе с обмоткой условно развертывают на плоскости и все соединения проводников изображают прямыми линиями на плоскости чертежа. Выполненная в таком виде схема обмотки называется развернутой.

В зависимости от формы секций и от способа присоединения их к коллектору различают следующие типы якорных обмоток: простая петлевая, сложная петлевая, простая волновая, сложная волновал и комбинированная.

Простая петлевая обмотка

В простой петлевой обмотке якоря каждая секция присоеди­нена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. На рис. изображена одновитковая, и двухвитковая секция петлевой обмотки. При укладке секций на сердечник якоря начало каждой последующей секции соединяют с концом предыдущей секции, постепенно перемещаясь при этом по по­верхности якоря (и коллектора) так, что за один обход уклады­вают все секции обмотки. В результате конец последней секции оказывается соединенным с началом первой, т. с. обмотка замы­кается.

Одновитковая секция простой петлевой обмотки

Двухвитковая секция простой петлевой обмотки

На рис. изображена часть простой петлевой обмотки, на которой показаны шаги обмотки — расстояние между активны­ми сторонами секций по якорю. Кратчайшее расстояние между активными сторонами одной секции на поверхности якоря назы­вают первым частичным шагом обмотки по якорю и обозначают через y1. Это расстояние измеряется в элементарных пазах и, как было указано ранее, должно быть равным пли незначительно отличаться от полюсного деления.

Расстояние между активной стороной нижнего слоя первой секции и активной стороной верхнего слоя второй секции называют вторым частичным шагом обмотки по якорю, обозначают через y2 и измеряют в элементарных пазах.

Знание шагов обмотки y1 и y2 дает возможность определить результирующий шаг обмотки по якорю у, который представляет собой расстояние между расположенными в одном слое актив­ными сторонами двух следующих друг за другом секций.

Из рис. следует, что

Шаги петлевой обмотки:

а) – правоходовая обмотка: б) левоходовая обмотка

Укладывая секции обмотки, мы как бы перемещаемся не только по сердечнику якоря, но и по коллектору. Расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым присоединены начало и конец одной секции, называется шагом обмотки по коллектору и обозначается через ук.

Шаги обмотки по якорю измеряются элементарными пазами, а шаг по коллектору — коллекторными делениями (пластинами). Обмотка, часть которой показана на рис. называется правоходовой, так как укладка секций этой обмотки происходит слева на право но якорю, в отличие ог левоходовой, в которой укладка секций обмотки по якорю идет справа налево. Как следует из определения, начало н конец каждой секции простой петлевой обмотки присоединяется к рядом лежащим коллекторным пластинам, следовательно,

В этом выражении знак «плюс» соответствует правоходовой обмотке, а знак «минус» — левоходовой.

Для определения всех шагов простой петлевой обмотки до­статочно рассчитать первый частичный шаг по якорю

где ε – велечина, меньшая единицы, вычитая или суммируя ко­торую можно получить шаг у1, выраженный целым числом.

Прежде чем приступить к выполнению схемы, необходимо отметить следующее:

1. Все пазы сердечника якоря н секции обмотки нумеруют­ся. При этом номер секции определяется номером паза, в верх­ней части которого находится одна из ее активных сторон.

2. Активные стороны верхнего слоя изображают на схеме сплошными линиями, а стороны нижнего слоя — пунктирными так, что одна половина секции, относящаяся к верхнему слою,

показывается на схеме сплошной линией, а другая, относящаяся к нижнему слою, — пунктирной.

Для удобства вычерчивания схемы следует предварительно составить таблицу соединений. В этой таблице (табл. 2.1) гори­зонтальные линии изображают секции, а наклонные указыва­ют на порядок соединения секции со стороны коллекто­ра. При правильно вычислен­ных шагах таблица включает в себя все активные стороны верхнего и нижнего слоев об­мотки .

Развернутую схему обмот­ки (рис. 2.8) строят в следу­ющей последовательности. На листе бумаги размечают пазы, и наносят контуры полюсов. При этом следует учесть, что изображенный на схеме полюс представляет собой как бы зер­кальное отражение полюса, находящегося над якорем. При выполнении схемы обмотки ширину полюса следует при­нять равной приблизительно 0,8 т. Полярность полюсов че­редуется: N—S—N—S. Затем изображают коллекторные пла­стины и наносят на схему пер­вую секцию, активные стороны которой расположатся в пазах 1 и 4. Коллекторные пластины, к которым присоединены концы первой секции, обозначают цифрами 1 и 2. Затем нумеруют остальные коллекторные пла­стины и последовательно наносят на схему другие секции (2, 3 и т. д.). Последняя секция (12) должна замкнуть обмотку, что будет свидетельствовать о правильно выполненной схеме.

Далее на схеме изображают щетки. Расстояние между щет­ками А и В должно соответствовать полюсному делению, т. е. должно соответствовать полюсному делению, т. е. должно составлять коллекторных делений. В нашем примере это расстояние равно коллекторным делениям. Что же касается расположения щеток на коллекторе, то при этом следует руководствоваться следующим. Предположим, что электрический контакт якорной обмотки с внешней цепью осуществлялся не через коллектор и щетки, а при помощи так называемых условных щеток, расположенных на поверхности якоря. В этом случае наибольшее значение э. д. с. машины соответствует положению условных щеток на геометрической нейтрали. Но так как коллекторные пластины, к ко­торым присоединены секции, смещены относительно активных сторон этих секций приблизительно на 1/2τ, то пере­ходя от условных щеток к реальным, следует расположить их на коллекторе по оси главных полюсов машины.

Развернутая схема простой петлевой обмотки:

Расположение условных щеток на якоре

Расположение щеток на коллекторе по оси главных полюсов

Предположим, что машина работает в режиме генератора и ее якорь вращается в направлении слева направо. Воспользо­вавшись правилом «правой руки», определяем направление э. д. с. (тока), индуктируемой в активных сторонах секций. Это дает нам возможность установить полярность Щеток: щетки А1 и А2, от которых ток отводится во внешнюю цепь, являются положительными, а щетки B1 и B2 — — отрицательными. Щетки одинаковой полярности соединяют параллельно и подключают к соответствующим выводам машины.

Open Library — открытая библиотека учебной информации

Открытая библиотека для школьников и студентов. Лекции, конспекты и учебные материалы по всем научным направлениям.

Категории

Электротехника Уравнительные соединения и комбинированная обмотка якоря

Условия симметрии обмотки якоря. Обмотку якоря назы­вают симметричной, если ее параллельные ветви обладают одина­ковыми электрическими свойствами: имеют одинаковые электри­ческие сопротивления и в них индуцируются одинаковые ЭДС. В несимметричной обмотке якоря ток якоря распределяется в парал­лельных ветвях неодинаково, что влечет за собой перегрузку од­них ветвей в недогрузку других. В результате растут электриче­ские потери в обмотке якоря, а полезная мощность машины уменьшается.

Обмотка якоря становится симметричной лишь при соблюде­нии определœенных условий, называемых условиями симметрии.

Первое условие. Каждая пара параллельных ветвей об­мотки должна состоять из одинакового числа секций. Это условие выполняется, если на каждую пару параллельных ветвей прихо­дится одинаковое число секций, т. е. отношение числа секций S к числу пар параллельных ветвей а обмотки якоря равно целому числу (ц. ч.):

Нетрудно убедиться, что при несоблюдении этого условия электрическое сопротивление параллельных ветвей, а также их ЭДС становятся неодинаковыми. Это привело бы к неравномер­ному распределœению токов в параллельных ветвях со всœеми неже­лательными последствиями.

Второе условие. Секции каждой пары параллельных вет­вей должны занимать на якоре одинаковое число пазов:

Третье условие. Каждая пара параллельных ветвей об­мотки должна занимать одинаковое положение относительно сис­темы главных полюсов, что выполнимо при

Важно заметить, что для сложной петлевой обмотки . Подставляя это в (25.10), получим

Отсюда следует, что сложная петлевая обмотка будет симмет­ричной только при т = 2.

Уравнительные соединœения. Даже при соблюдении всœех ус­ловий симметрии обмоток ЭДС параллельных ветвей обмотки якоря в многополюсных машинах могут оказаться неодинаковы­ми. Причина этого — магнитная несимметрия, из-за нее магнит­ные потоки одноименных полюсов оказываются неодинаковыми. Происходит это из-за дефектов, возникающих при изготовлении машины: наличия раковин в отливке станины, некачественной сборки полюсов, неправильной центровки якоря, т. е. его перекоса, отчего воздушный зазор под полюсами становится неодинаковым.

Влияние магнитной несимметрии на работу машины зависит от типа обмотки якоря. В волновых обмотках секции каждой па­раллельной ветви равномерно распределœены под всœеми полюсами машины, в связи с этим магнитная несимметрия не влечет за собой не­равенства ЭДС в параллельных ветвях, так как она одинаково влияет на всœе параллельные ветви обмотки.

В петлевых обмотках якоря секции, образующие параллель­ную ветвь, расположены под смежной парой полюсов. По этой причине при 2 > 2магнитная несимметрия становится причиной неравен­ства ЭДС параллельных ветвей, что

ведет к появлению в обмотке якоря уравнительных токов.

Рис. 25.10. Уравнительные токи в параллельных ветвях

простой петле­вой обмотки якоря при магнитной несимметрии

К примеру, при неправильной центровке якоря (рис. 25.10, а)ЭДС первой и четвертой параллельных ветвей становятся меньше ЭДС второй и третьей ветвей (зазор под нижним полюсом меньше, чем под верхним). При этом потенциалы щеток и оказывают­ся неодинаковыми и в параллельных ветвях обмотки появляются уравнительные токи (рис. 25.10, б). Эти токи замыкаются через шину, соединяющую указанные щетки, и во внешнюю цепь маши­ны не выходят. Следует обратить внимание, что даже при незна­чительной разности потенциалов между щетками и ток может оказаться весьма значительным, так как электрическое со­противление параллельной ветви невелико. К примеру, при = 2 В и = 0,01 Ом уравнительный ток = 2/(2·0,01) = 100 А.

В случае если при этом нагрузочный ток в параллельной ветви = 200 А, то токи в параллельных ветвях обмотки становятся неоди­наковыми: = 200 100 = 100 А; =200 + 100 = 300 А.

Неравномерная нагрузка параллельных ветвей ведет к перегреву обмотки и увеличению электрических потерь в ней. Пере­численные явления нарушают нормальную работу машины, на­пример, перегружаются некоторые щетки (в рассматриваемом случае — щетка ), что вызывает интенсивное искрение на коллекторе (см. § 27.3). Для уменьшения неравномерной нагрузки ще­ток в простых петлевых обмотках поступают следующим образом: точки обмотки якоря, потенциалы которых теоретически должны быть одинаковыми, электрически соединяют между собой. В этом случае возникающие в обмотке уравнительные токи замыкаются внутри обмотки без выхода на щетки.

Указанные соединœения выполняют медными проводами и на­зывают уравнительными соединœениями первого рода (уравните­лями). Практически доступными для соединœения точками равного потенциала являются концы секций, присоединяемые к коллек­торным пластинам, или лобовые части обмотки со стороны, об­ратной коллектору.

Количество точек в обмотке, имеющих одинаковый потенци­ал, равно числу полюсов в машинœе. Расстояние между двумя со­седними точками равного потенциала называют потенциальным шагом . При расположении уравнительных соединœений со сто­роны коллектора потенциальный шаг выражается числом коллек­торных делœений:

Полное число уравнителœей первого рода, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ можно уста­новить в машинœе, равно

При этом такое количество уравнительных соединœений приме­няют только в машинах большой мощности, к примеру в двигате­лях прокатных станов. В целях экономии меди и упрощения кон­струкции машины обычно применяют неполное число урав­нителœей. К примеру, в четырехполюсных двигателях делают 3—4 уравнительных соединœения. Уравнительные соединœения выполня­ют проводом, сечение которого составляет 25—50 % сечения про­вода обмотки якоря.

Пример 25.6. В машинœе с 2 = 4 и простой петлевой обмоткой якоря из 12 секций крайне важно установить уравнители первого рода, снабдив ими каждую вторую пластину.

Решение. Потенциальный шаг = 12/2 = 6. Полное число урав­нителœей = 12/2 = 6.

В соответствии с условием задачи показываем на схеме 0,5 = 3 уравните­ля, расположив их со стороны коллектора (рис. 25.11) и соединив с пластинами следующим образом: первый уравнитель соединяем с пластинами 1 и 7, второй —с 3 и 9, третий — с 5 и 11.

Рис. 25.11. Уравнительные соединœения первого рода:

а — развернутая схема обмотки, б — вид со стороны коллектора

В сложных петлевых и волновых обмотках простые обмотки, образующие сложную, соединœены параллельно через щеточный контакт. Но обеспечить одинаковый контакт щеток со всœеми про­стыми обмотками практически невозможно, в связи с этим ток между простыми обмотками распределяется неодинаково, что нарушает равномерное распределœение потенциала по коллектору и можем вызвать на нем искрение. Для устранения этого нежелательного явления применяют уравнительные соединœения (уравнители) вто­рого рода, спомощью которых простые обмотки, входящие в сложную, электрически соединяют между собой в точках равного потенциала. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, если уравнители первого рода устра­няют нежелательные последствия магнитной несимметрии, то уравнители второго рода устраняют неравномерность в рас­пределœении потенциала по коллектору при сложных обмотках якоря.

На рис. 25.9 представлена схема сложной волновой обмотки с уравнителями второго рода, соединяющими точки равного потен­циала на лобовых частях обмотки со стороны, противоположной коллектору. Эти точки отстоят друг от друга на расстоянии потен­циального шага

Секцию 2 соединяют с секцией 11, секцию 3 — с секцией 12 и т. д. (на схеме показаны лишь два уравнителя). Полное число уравнителœей определяется по (25.12), но из соображения экономии меди обычно делают неполное число уравнителœей второго рода.

В сложных петлевых обмотках уравнители второго рода вы­полняют, как показано на рис. 25.12. Ввиду того что в этой обмот­ке каждую секцию одной из простых обмоток присоединяют к пластинам коллектора, расположенным через одну (к примеру, к нечетным пластинам), то пластины, находящиеся между ними (на­пример, четные), делят напряжение каждой секции на две части. Для обеспечения равномерного распределœения напряжения между пластинами крайне важно, чтобы эти части были одинаковыми, т. е. чтобы напряжение между каждой парой рядом лежащих пластин (к примеру 1 и 2) было равно половинœе напряжения секции. С этой целью в обмотке применяют уравнители второго рода, с помощью которых середину секции со стороны, противоположной коллектору, соединяет с промежуточной пластиной (к примеру, середину секции, присоединœенной к пластинам 1 и 3, соединяют с пласти­ной 2, как это показано на рис. 25.12). Такой уравнитель прихо­дится «протягивать» между валом и сердечником якоря через спе­циальное отверстие.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, если в сложных волновых обмотках применяют лишь уравнители второго рода, то в сложных петлевых обмотках необхо­димы как уравнители первого, так и уравнители второго рода.

Рис. 25.12. Уравнительные соединœения второго

рода в сложной петлевой обмотке якоря

Комбинированная обмотка. Комбинированная (лягушачья) обмотка представляет собой сочетание петлевой и волновой обмоток, распо­ложенных в одних пазах и присоединœенных к общему коллектору. Секция этой обмотки

показана на рис. 25.13, а. Так как каждая из составляющих обмоток двухслойная, то комбинированную обмотку укладывают в пазах якоря в четыре слоя, а к каждой пластинœе коллектора припаивают по четыре проводника.

Достоинство комбинированной обмотки — большое число параллельных ветвей при отсут­ствии уравнительных соединœений. При этом неко­торая технологическая трудность в выполнении комбинированных обмоток ограничивает их применение машинами постоянного тока большой мощности, а также быстроходными машинами, в которых выполнение уравни­телœей затруднено.

Рис. 25.13. Комбинированная обмотка якоря

На рис. 25.13, б показана часть развернутой схемы комбинированной обмотки. Шаги секций комбинированной обмотки принимают одинаковыми . Шаг по якорю комбинированной обмотки равен сумме шагов составляющих обмоток:

т. е. шаг комбинированной обмотки по якорю равен потенциаль­ному шагу [см. (25.11)]. По этой причине пластины коллектора, которые должны быть соединœены уравнителями, в комбинированной об­мотке оказываются соединœенными секциями.

Следует обратить внимание, что комбинированная обмотка выполнима лишь при условии равенства чисел параллельных вет­вей в волновой и петлевой составляющих обмотках. При этом ЭДС параллельных ветвей обмоток должны быть одинаковыми. В петлевой обмотке число параллельных ветвей 2 = 2 , в волновой обмотке 2 =2. Для получения одинакового числа параллельных ветвей в обмотках волновую обмотку выполняют сложной с чис­лом = р. Число параллельных ветвей в комбинированной об­мотке 2 = 2 + 2 = 4 .

Читайте также

Условия симметрии обмотки якоря. Обмотку якоря назы­вают симметричной, если ее параллельные ветви обладают одина­ковыми электрическими свойствами: имеют одинаковые электри­ческие сопротивления и в них индуцируются одинаковые ЭДС. В несимметричной обмотке якоря ток. [читать подробенее]

Алексеев В.В. Краткий конспект лекций по курсу Электрические машины. Машины постоянного тока. Трансформаторы — файл n1.doc

Алексеев В.В. Краткий конспект лекций по курсу Электрические машины. Машины постоянного тока. Трансформаторы
скачать (750.5 kb.)
Доступные файлы (1):

n1.doc 751kb. 14.09.2012 22:56 скачать
    Смотрите также:
  • Алексеев В.В. Краткий конспект лекций »Электрические машины» (Документ)
  • Александров Н.Н. Электрические машины и микромашины (Документ)
  • Электронный учебник по электрическим машинам (Документ)
  • Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. Часть 1 (Документ)
  • Кардонов Г.А. Конспект лекций по электрическим машинам (Документ)
  • Электрические машины (Документ)
  • Грумбина А.Б. Электрические машины и источники питания радиоэлектронных устройств (1990) (Документ)
  • Вольдек А.И. Электрические машины (Документ)
  • Крицштейн А.М. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: Учебное пособие (Документ)
  • Новиков Н.Н., Шутько В.Ф. Электрические машины. Конспект лекций (Документ)
  • Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы (Документ)
  • Евсюков А.А. Электротехника (Документ)

n1.doc

§ 2.7. Волновая обмотка с мертвой секцией

Волновая обмотка с мертвой секцией выполняется, если при заданных числах K, p, S волновая обмотка невыполнима. В этом случае количество коллекторных пластин уменьшают на одну, а одну из секций делают «мертвой», т. е. оставляют неприсоединенной к коллектору.

§ 2.8. Искусственно замкнутая волновая обмотка

Искусственно замкнутая волновая обмотка применяется, если при заданных числах K, Z волновая обмотка по расчету невыполнима. В этом случае применяют искусственно замкнутую волновую обмотку из К секций, а недостающую по расчету секцию и коллекторную пластину заменяют проводником, которым замыкают обмотку. При обходе шаги секций чередуются (один укорачивается). После укладки последней секции ее конец проводником соединяют с началом первой секции.

§2.10. Уравнительные соединения

Даже при соблюдении всех условий симметрии ЭДС параллельных ветвей обмотки якоря в многополюсных машинах могут оказаться неодинаковыми. Одной из причин этого является магнитная несимметрия, в результате которой магнитные потоки одноименных полюсов неодинаковы. Происходит это из-за дефектов, возникающих при изготовлении электрической машины: наличие раковин в отливке станины, некачественная сборка полюсов, неправильная центровка якоря, т. е. его перекос, отчего воздушный зазор под полюсами становится неодинаковым.

Влияние магнитной несимметрии зависит от типа обмотки якоря МПТ.

В волновых обмотках секции каждой параллельной ветви равномерно распределены под всеми полюсами машины, поэтому магнитная несимметрия здесь не влечет за собой неравенства ЭДС в параллельных ветвях, так как она одинаково влияет на все параллельные ветви обмотки.

В петлевых же обмотках секции каждой параллельной ветви располагаются под одной парой полюсов, а поэтому в результате магнитной несимметрии ЭДС параллельных ветвей становятся неодинаковыми, что приводит к появлению уравнительных токов. Уравнительные токи, складываясь с током нагрузки, вызывают неравномерную нагрузку параллельных ветвей, что ведет к перегреву обмотки и увеличению электрических потерь. Кроме того, плотность тока под некоторыми щетками увеличивается, превышает допустимые пределы; это вызывает искрение на коллекторе. Величина уравнительного тока не зависит от нагрузки машины. Поэтому уравнительный ток не исчезает даже в режиме холостого хода, когда Iнагр = 0.

Для уменьшения неравномерной нагрузки щеток в простых петлевых обмотках поступают следующим образом: точки обмотки, потенциалы которых теоретически должны быть одинаковыми, электрически соединяют между собой. В этом случае возникающие из-за магнитной несимметрии в обмотке уравнительные токи замыкаются внутри обмотки без выхода в щетки и соединяющие их шины. Указанные соединения выполняются медными проводами и называются уравнительными соединениями (уравнителями) первого рода. Практически доступными для соединения точками равного потенциала являются: концы секций, присоединяемые к коллекторным пластинам, или лобовые части обмотки со стороны, обратной коллектору.

Количество точек в обмотке, имеющих одинаковый потенциал, равно числу пар полюсов (р=а). Расстояние между двумя соседними равнопотенциальными точками называется потенциальным шагом уур. При расположении уравнительных соединений со стороны коллектора потенциальный шаг измеряется числом коллекторных делений yур= К/ a= K/p

Полное число уравнительных соединений первого рода, которое можно применить в обмотке, равно Nур=К/a. (2.10)

Полное количество уравнительных соединений применяют только в машинах большой мощности. В целях экономии меди и упрощения конструкции машины обычно применяют неполное число уравнителей. Например, в четырехполюсных машинах малой мощности делают три-четыре уравнительных соединения. Для выполнения уравнительных соединений применяют медные провода с сечением, равным 1/4— 1/2 сечения провода обмотки якоря.

В сложных петлевых и волновых обмотках простые обмотки, образующие сложную, соединены параллельно. Их параллельное включение осуществляется на коллекторе через щеточный контакт. Однако обеспечить одинаковый контакт щеток на коллекторе с каждой простой обмоткой практически невозможно, поэтому ток между обмотками распределяется неодинаково, что нарушает равномерное распределение потенциала по коллектору и может вызвать искрение на коллекторе. Для устранения этого нежелательного явления применяют уравнительные соединения второго рода, посредством которых простые обмотки электрически соединяют между собой в точках равного потенциала.

Т.о., если уравнители первого рода выравнивают несимметрию магнитной системы машины, то уравнители второго рода устраняют неравномерность в распределении напряжения по коллектору. Полное число уравнителей определяется выражением (2.10). Однако из соображений экономии меди; уравнители второго рода выполняются в уменьшенном числе.

В сложной петлевой обмотке уравнители 2 рода выполняются, как это показано на рис. 2.23. С целью обеспечения равномерного распределения напряжения между пластинами в обмотке посредством уравнителей второго рода середину секции со стороны, противоположной коллектору, соединяют с промежуточной пластиной 2.

Следует отметить, что выполнение таких уравнительных соединений связано с трудностями, так как они соединяют точки обмотки, расположенные по обе стороны якоря, и их приходится протягивать через отверстия между валом и сердечником якоря.

Если в сложных волновых обмотках применяются лишь уравнители второго рода, то в сложных петлевых обмотках необходимо наличие уравнительных соединений, как первого, так и второго рода.


§ 2.11. Комбинированная обмотка

Комбинированная (лягушечья) обмотка представляет собой сочетание петлевой и волновой обмоток, расположенных в одних пазах и присоединенных к общему, коллектору. Секция этой обмотки показана на рис. 2.26. 2?

Рис. 2.26. Секция комбинированной обмотки: Рис. 2.27. Схема комбинированной обмотки

а—расположение в пазах; б—отдельная секция

Так как каждая из простых обмоток двухслойная, то комбинированная обмотка укладывается на якоре в четыре слоя, а к каждой пластине коллектора припаивается по четыре проводника.

Комбинированная обмотка, применяемая в мощных ЭМ, не требует уравнительных соединений, так как секции волновой и петлевой обмоток являются друг для друга уравнителями. Шаги по якорю обмоток (рис. 2.27), составляющих комбинированную, делают одинаковыми у1петл = у1волн

Шаг комбинированной обмотки равен сумме шагов простых обмоток

Так как Zэ=К, то у1петл + у1волн=К/р = уу, т. е. шаг обмотки по якорю равен потенциальному шагу yур. Следовательно, те коллекторные пластины, которые должны быть соединены уравнителями, соединяются секциями, а поэтому уравнительные соединения в данной обмотке не применяются.

Условие равенства ЭДС параллельных ветвей обмоток p=m.

3. МАГНИТНАЯ СИСТЕМА МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

§ 3.1 Магнитная цепь машины постоянного тока

МДС ОВ МПТ создает магнитный поток, который замыкается через участки машины, образующие ее магнитную цепь (рис.3.1). Во всех случаях магнитный поток каждого полюса разделяется на две равные части. На рис.3.2 показана расчетная часть магнитной цепи МПТ при р=2, где видны все ее участки, а именно: воздушный зазор , зубцовый слой hз, сердечник якоря La, сердечники полюсов hп и станина Lя.

Рис. 3.1. Магнитные системы МПТ: Рис. 3.2. Расчетная часть

a—p=1; б—p=2; в—p=3. магнитной цепи МПТ
Величина магнитного потока прямо пропорциональна МДС F и обратно пропорциональна сумме магнитных сопротивлений rм всех участков магнитной цепи

Величина основного (полезного) магнитного потока в зазоре, для наведения требуемой ЭДС, определяется выражением (2.14) Еa= С Ф ?.

Величина МДС, необходимая для создания в магнитной цепи требуемого магнитного потока, определяется расчетом магнитной цепи. Для каждого участка магнитной цепи рассчитывают величину магнитного напряжения: F воздушного зазора; —зубцового слоя; Fa—сердечника якоря; FПсердечников пары полюсов; Fя —ярма (станины).

Сложив магнитные напряжения всех участков магнитной цепи, получают величину МДС обмотки возбуждения

1. Расчет ведут на два полюса, так как цепь состоит из пары полюсов.

2. Расчет магнитной цепи машины ведется для режима холостого хода, с пересчетом для получения заданной ЭДС при нагрузке (К=1,15-1,3).

Магнитное напряжение воздушного зазора определяется по формуле

где B —максимальная магнитная индукция в зазоре, Тл; —величина зазора, м; K — коэффициент зазора, учитывающий увеличение магнитного сопротивления зазора вследствие зубчатости поверхности якоря ( K  1);

( o—магнитная проницаемость воздуха 12,56 10 -7 Гн/м.

Магнитное напряжение остальных участков магнитной цепи, выполненных из стали, определяется по формуле

Здесь Нx напряженность магнитного поля; она зависит от магнитной индукции и определяется по кривым намагничивания; lx длина участка магнитной цепи.

Значение индукции в различных участках цепи определяется по формуле

где Фx—магнитный поток на участке; Sx—площадь поперечного сечения участка. В соответствии с рис. 3.2 МДС

Если полюсные наконечники имеют пазы для компенсационной обмотки, то добавляют шестой участок—зубцовый слой полюсного наконечника.

Наибольшим магнитным сопротивлением обладает зазор. Поэтому значительная часть результирующей намагничивающей силы Fo затрачивается на преодоление магнитного сопротивления зазора. Что касается магнитного сопротивления других участков магнитной цепи, выполненных из стали, то их магнитное сопротивление зависит от степени магнитного насыщения стали. В условиях наибольшего магнитного насыщения находится зубцовый слой, поэтому его магнитное сопротивление больше, чем других участков магнитной цепи, выполненных из стали.

В табл. 3.1 в качестве примера приведены результаты расчета магнитной цепи генератора постоянного тока мощностью 500 кВт, напряжением 460 В. Магнитная цепь этого генератора содержит 2р=8 полюсов.

Расчет магнитной цепи выполнен для четырех значений полезного магнитного потока Ф, равных 0,5Фо; 0,75Фо; Фо и 1,1 Фо. Здесь Фо—магнитный поток, соответствующий номинальному значению ЭДС генератора в режиме холостого хода.

Обмотки якоря машин постоянного тока

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 27 Мая 2011 в 20:39, реферат

Работа состоит из 1 файл

обмотки якоря МПТ.doc

Таким образом, если в сложных волновых обмотках применяют лишь уравнители второго рода, то в сложных петлевых обмотках необходимы как уравнители первого, так и уравнители второго рода.

Рис. 12. Уравнительные соединения второго рода в сложной петлевой обмотке якоря

Комбинированная обмотка. Комбинированная (лягушачья) обмотка представляет собой сочетание петлевой и волновой обмоток, расположенных в одних пазах и присоединенных к общему коллектору. Секция этой обмотки

показана на рис. 13, а. Так как каждая из составляющих обмоток двухслойная, то комбинированную обмотку укладывают в пазах якоря в четыре слоя, а к каждой пластине коллектора припаивают по четыре проводника.

Достоинство комбинированной обмотки — большое число параллельных ветвей при отсутствии уравнительных соединений. Однако некоторая технологическая трудность в выполнении комбинированных обмоток ограничивает их применение машинами постоянного тока большой мощности, а также быстроходными машинами, в которых выполнение уравнителей затруднено.

Рис. 13. Комбинированная обмотка якоря

На рис. 13, б показана часть развернутой схемы комбинированной обмотки. Шаги секций комбинированной обмотки принимают одинаковыми . Шаг по якорю комбинированной обмотки равен сумме шагов составляющих обмоток:

т. е. шаг комбинированной обмотки по якорю равен потенциальному шагу [см. (11)]. Поэтому пластины коллектора, которые должны быть соединены уравнителями, в комбинированной обмотке оказываются соединенными секциями.

Следует обратить внимание, что комбинированная обмотка выполнима лишь при условии равенства чисел параллельных ветвей в волновой и петлевой составляющих обмотках. При этом ЭДС параллельных ветвей обмоток должны быть одинаковыми. В петлевой обмотке число параллельных ветвей 2 = 2 , в волновой обмотке 2 =2. Для получения одинакового числа параллельных ветвей в обмотках волновую обмотку выполняют сложной с числом = р. Число параллельных ветвей в комбинированной обмотке 2 = 2 + 2 = 4 .

4. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока

Электродвижущая сила. Она наводится в обмотке якоря основным магнитным потоком. Для получения выражения этого потока обратимся к графику распределения индукции в зазоре машины (в поперечном сечении), который при равномерном зазоре в пределах каждого полюса имеет вид криволинейной трапеции (рис. 14, а, график 1). Заменим действительное распределение индукции в зазоре прямоугольным (график 2), при этом высоту прямоугольника примем равной максимальному значению индукции , а ширину — равной величине , при которой площадь прямоугольника равна площади, ограниченной криволинейной трапецией. Величина называется расчетной полюсной дугой. В машинах постоянного тока расчетная полюсная дуга мало отличается от полюсной дуги :

или, воспользовавшись коэффициентом полюсного перекрытия , получим

С учетом (14) основной магнитный поток (Вб)

Здесь — полюсное деление, мм; — расчетная длина якоря, мм.

Рис. 14. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока

Коэффициент полюсного перекрытия имеет большое влияние на свойства машины постоянного тока. На первый взгляд кажется целесообразным выбрать наибольшее значение , так как это способствует увеличению потока Ф, а следовательно, и увеличению мощности машины (при заданных размерах). Однако слишком большое , приведет к сближению полюсных наконечников полюсов, что будет способствовать росту магнитного потока рассеяния и неблагоприятно отразится на других свойствах машины. При этом полезный поток машины может оказаться даже меньше предполагаемого значения (см. пункт 1). Обычно = 0,6÷0,8, при этом меньшие значения соответствуют машинам малой мощности.

На рис. 14, б показан продольный разрез главного полюса и якоря с радиальными вентиляционными каналами. График распределения магнитной индукции в воздушном зазоре по продольному разрезу машины имеет вид зубчатой кривой (кривая 1). Заменим эту кривую прямоугольником высотой и основанием , величина которого такова, что площадь прямоугольника равна площади, ограниченной зубчатой кривой. Это основание представляет собой расчетную длину якоря (мм)

где — длина полюса, мм;

— длина якоря без радиальных вентиляционных каналов, мм; — общая длина якоря, включая вентиляционные каналы, мм; ширина вентиляционного канала (обычно 10 мм), мм.

При выводе формулы ЭДС будем исходить из прямоугольного закона распределения индукции в зазоре, при этом магнитная индукция на участке расчетной полюсной дуги равна , а за ее пределами равна нулю и в проводниках, расположенных за пределами , ЭДС не наводится. Это эквивалентно уменьшению общего числа пазовых проводников в обмотке якоря до значения . Исходя из этого и учитывая, что ЭДС обмотки определяем с суммой ЭДС секций, входящих лишь в одну параллельную ветвь с числом пазовых проводников , запишем

— ЭДС одного пазового проводника обмотки, активная длина которого .

Окружную скорость вращающегося якоря (м/с) заменим частотой вращения (об/мин): , где .

С учетом (18), (19) получим

или, учитывая, что произведение , получим выражение ЭДС машины постоянного тока (В):

— постоянная для данной машины величина; Ф — основной магнитный поток, Вб; — частота вращения якоря, об/мин.

Значение ЭДС обмотки якоря зависит от ширины секции . Наибольшее значение ЭДС соответствует полному (диаметральному) шагу , так как в этом случае с каждой секцией обмотки сцепляется весь основной магнитный поток Ф. Если же секция укорочена (у ), так как в этом случае каждая секция обмотки сцепляется с основным потоком одной пары полюсов и частично с потоком соседней пары, имеющим противоположное направление, так что результирующий поток, сцепленный с каждой секцией, становится меньше потока одной пары полюсов. По этой причине в машинах постоянного тока практическое применение получили секции с полным или укороченным шагом.

На ЭДС машины влияет положение щеток: при нахождении щеток на геометрической нейтрали ЭДС наибольшая, так как в этом случае в каждой параллельной ветви обмотки все секции имеют одинаковое направление ЭДС; если же щетки сместить с нейтрали, то в параллельных ветвях окажутся секции с противоположным направлением ЭДС, в результате ЭДС обмотки якоря будет уменьшена.

При достаточно большом числе коллекторных пластин уменьшения ЭДС машины при сдвиге щеток с нейтрали учитывается множителем :

где — угол смещения оси щеток относительно нейтрали (рис. 15).

Рис. 15. Наведение ЭДС в обмотке якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали на угол

Электромагнитный момент. При прохождении по пазовым проводникам обмотки якоря тока на каждом из проводников появляется электромагнитная сила

Совокупность всех электромагнитных сил на якоре, действующих на плечо, равное радиусу сердечника якоря , создает на якоре электромагнитный момент М.

Исходя из прямоугольного закона распределения магнитной индукции в зазоре (см. рис. 14, а, график 2), следует считать, что сила одновременно действует на число пазовых проводников . Следовательно, электромагнитный момент машины постоянного тока (Н∙м)

Учитывая, что , а также что ток параллельной ветви , получим

Используя выражение основного магнитного потока (15), а также имея в виду, что , получим выражение электромагнитного момента (Н·м):

где — ток якоря, А;

— величина, постоянная для данной машины.

Электромагнитный момент машины при ее работе в двигательном режиме является вращающим, а при генераторном режиме — тормозящим по отношению к вращающему моменту приводного двигателя.

Подставив из (25.20) в (25.24) выражение основного магнитного потока , получим еще одно выражение электромагнитного момента:

Каждый электрик должен знать:  Смогут ли современные системы IoT перевернуть нашу жизнь

где — угловая скорость вращения;

электромагнитная мощность машины постоянного тока, Вт.

Из (26) следует, что в машинах равной мощности электромагнитный момент больше у машины с меньшей частотой вращения якоря.

5. Выбор типа обмотки якоря

Применение в машине постоянного тока того или иного типа обмотки якоря определяется технико-экономическими требованиями. Выбранный тип обмотки должен обеспечивать в машине необходимую ЭДС при заданном токе. При этом следует стремиться к минимальному числу уравнительных соединений. Требования экономического характера при выборе типа обмотки сводятся к возможно лучшему использованию пазов сердечника якоря, что определяется значением коэффициента заполнения паза медью .

Выбранный тип обмотки должен содержать возможно меньшее число пазовых проводников N, так как в противном случае значительная часть площади паза будет занята изоляцией этих проводников. Преобразуя выражения (20), получим

Отсюда следует, что при заданных и число проводников в обмотке прямо пропорционально числу пар параллельных ветвей. Поэтому при выборе типа обмотки следует отдавать предпочтение обмоткам якоря с минимальным числом параллельных ветвей, например, простой волновой обмотке с 2 = 2, которая к тому же не требует уравнительных соединений. В табл. 1 приведены рекомендации по выбору типа обмотки якоря для двигателей постоянного тока общепромышленного назначения в зависимости от числа полюсов и силы тока якоря.

Описание

Основные понятия. Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору.

Элементом обмотки якоря является секция (катушка), присоединенная к двум коллекторным пластинам. Расстояние между пазовыми частями секции должно быть равно или мало отличаться от полюсного деления

Комбинированная обмотка

Глава 15. Трансформаторы на подвижном составе
15.1. Трансформаторы электроподвижного состава
15.2. Конструкция тяговых трансформаторов
15.3. Сглаживающие реакторы
15.4. Переходные реакторы
15.5. Трансформаторы и магнитные усилители

ВВЕДЕНИЕ.

Электрические машины, предназначенные для установки на подвижных объектах, должны удовлетворять ряду особых требований и работать в специфических условиях. Для электропривода объектов подвижного состава используются электрические машины с очень широким диапазоном мощностей (от нескольких десятков ватт до десятков мегаватт).
Частота вращения привода транспортных электрических машин различного назначения находится в пределах 50 — 12000 об/мин. Быстроходность транспортных электрических машин определяется не только спецификой приводимых механизмов, но в значительной мере стремлением уменьшить размеры и массу, как самих электрических машин, так и приводимых ими механизмов. При заданных мощности Рном и частоте вращения nном электрические машины должны иметь минимальные габариты, массу, нагрузку на ось, вписываться в габариты подвижного состава и обеспечивать высокую надежность.
Электрические машины подвижного состава работают в тяжелейших условиях, резко отличающихся от условий работы стационарных машин. Поэтому необходимо учитывать следующие специфические особенности их эксплуатации. /p>

1. Колебания температуры окружающей среды, как при работе, так и при бездействии машины могут составлять от -50 до +50°С при относительной влажности воздуха до 95 ± 3%. В таких условиях снижается механическая прочность отдельных деталей. При низких температурах изоляционные материалы в большинстве своем становятся хрупкими, в них появляются трещины. Летом (особенно в южных районах) работа электрических машин затруднена из-за ухудшения условий охлаждения, пересыхания изоляции, сильной запыленности. Повышенная влажность воздуха, особенно во время дождя или снега, вызывает коррозию металлических частей и снижает качество изоляции.

2. На корпус машины (особенно на тяговые двигатели) периодически, а иногда постоянно воздействуют импульсы ускорения, превышающие ускорение свободного падения в 10–20 раз. Динамические силы, действующие на детали электрических машин, могут привести к различным повреждениям: обрыву проводов и обмоток, особенно в местах пайки, появлению трещин и разрушению электрической изоляции, ускоренному износу осей и подшипников, нарушению нормальной работы упругих элементов. Конструкция машины и условия размещения ее на подвижном составе должны обеспечивать удобный доступ:
• к подшипникам скольжения с жидкой смазкой, где необходимо контролировать при автономной смазке достаточность подачи масла, а при принудительной смазке – наличие циркуляции масла через подшипники.
• подшипникам качения с консистентной смазкой для частичной замены и пополнения смазки без разборки подшипникового узла.
• щеточному аппарату коллекторов машин постоянного тока или контактным кольцам машин переменного тока.
• болтам, крепящим к станине главные и добавочные полюса машин постоянного тока. • воздухоохладителям.
• коробкам выводов концов обмоток машин всех родов тока.
• к элементам, имеющим большую массу, для возможности использования при обслуживании и ремонте механизированных средств.

В ряде случаев машины устанавливаются и работают на подвижном составе в помещениях ограниченного объема, без циркуляции и обмена воздуха. Такие условия способствуют загрязнению машины угольной пылью щеток, нарушению коммутации и возможности переброса дуги с коллектора на корпус. Электрические машины, установленные снаружи кузова, при движении обдуваются встречным потоком воздуха, в котором содержатся частицы пыли, обладающие абразивным действием. Они разрушают изоляцию электрических машин, ухудшают работу подшипников и создают токопроводящие цепочки, которые могут вызывать короткие замыкания. Некоторые из перечисленных условий противоречат основным требованиям, предъявляемым к транспортным электрическим машинам, например: для достижения возможно меньших габаритов активное ядро машины должно работать с высоким коэффициентом использования, что сопровождается высокими рабочими температурами, предельно допустимыми для теплостойкой изоляции. То же относится к механическим напряжениям в элементах конструкции, которые вследствие повышения быстроходности машины достигают высоких, а в ряде случаев предельно допустимых значений. Создание новых, более совершенных и более надежных машин, а так же их грамотная эксплуатация возможны только в результате глубокого изучения физических процессов, происходящих в работающих машинах аналогичного назначения. К таким процессам относятся изнашивание, релаксация и усталость металлов, коррозия и эрозия элементов конструкции в результате воздействия движущегося потока жидкости, старение масел и консистентных смазок, термическое старение электрической изоляции, запыление, длительное воздействие различных повторяющихся перегрузок, вибраций и т. п.

Все эти процессы становятся заметными лишь после продолжительной работы машины, и достоверную информацию об износе может дать только систематическое изучение опыта эксплуатации оборудования, работающего в реальных условиях подвижных объектов. На подвижном составе все шире используются статические преобразователи энергии на базе полупроводниковых приборов. Силовая полупроводниковая техника является частью привода электрических машин подвижного состава, поэтому понимание работы этих систем необходимо и техникам-механикам. В системах управления силовыми полупроводниковыми преобразователями используются микропроцессоры. Изучение микропроцессорной техники не входит в объем подготовки специалистов-электромехаников, однако раздел, посвященный этим системам, включен в учебник для ознакомления..

РАЗДЕЛ I.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ.

Глава 1.
УСТРОЙСТВО И РАБОТА КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА.

1.1. Преобразование энергии в электрических машинах.

Электрическая машина служит для преобразования:
• подводимой к ней механической энергии в электрическую.
• электрической энергии в механическую.
• электрической энергии в электрическую другого рода тока, другого напряжения или частоты.

Выработка электроэнергии на объектах подвижного состава осуществляется путем преобразования тепловой энергии, полученной при сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания, в механическую энергию вращения коленчатого вала, которая приводит в действие электрическую машину – генератор. Значительная часть потребляемой электрической энергии вновь преобразуется в механическую энергию, необходимую для приведения в действие различных машин, механизмов, станков и подвижного состава. Это преобразование осуществляется при помощи электрических машин, называемых электрическими двигателями. Главным назначением электрических машин является работа в качестве генераторов или двигателей. Для преобразования рода тока (например, переменного тока в постоянный и наоборот), напряжения, а также для усиления мощности электрических сигналов используются электромашинные преобразователи.

Коллекторная машина – электрическая машина (генератор, двигатель), у которой обмотка якоря (ротора) соединена с коллектором. Коллекторные машины предназначены, в основном, для работы на постоянном токе. Существуют универсальные коллекторные машины небольшой мощности, работающие как на постоянном, так и на переменном токе. При работе электрической машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую, в соответствии с законом электромагнитной индукции. Сущность этого закона состоит в следующем: если внешняя сила перемещает проводник в магнитном поле со скоростью у, например, слева направо перпендикулярно вектору магнитной индукции В, то в проводнике будет наводиться ЭДС (машина работает в режиме генератора):

где Е – электродвижущая сила, индуцируемая в проводнике, В;
В – магнитная индукция, Тл;
l – активная длина проводника, т.е. длина его части, находящейся непосредственно в магнитном поле, м. /p>

Формула (1.1) определяет лишь величину ЭДС. Для определения направления ЭДС существует известное из курса физики правило правой руки. Согласно этому правилу на рис. 1.1 ЭДС в проводнике направлена «от нас». Если концы проводника замкнуть на внешнее сопротивление (потребитель), то под действием ЭДС в проводнике потечет ток такого же направления. Если же по витку пропускать электрический ток I, магнитные поля 2 полюсов N и S и проводника 1 взаимодействуют между собой, вследствие чего возникает электромагнитная сила Fэм, действующая на проводник (машина работает в режиме двигателя):

Направление силы Fэм можно определить по правилу левой руки. В рассматриваемом случае эта сила направлена справа налево. Таким образом, в генераторе электромагнитная сила Fэм является тормозящей по отношению к движущей силе F. При равномерном движении проводника эти силы уравновешивают друг друга, т.е. F = Fэм. Умножим обе части этого равенства на скорость движения проводника:

Подставив в формулу (1.3) выражение для Fэм из формулы (1.2), получим:

Fv = ВlIv = EI (1.4)

Левая часть равенства (Fv) характеризует величину механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле, а правая часть (EI) – величину электрической мощности, развиваемой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равенства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, затрачиваемая внешней силой, преобразуется в электрическую мощность.

Рис. 1.1. Взаимодействие магнитных полей полюсов и проводника с током.
1 – магнитное поле проводника с током; 2 – основное магнитное поле.

Под действием силы Fэм проводник перемещается в магнитном поле, и в нем индуцируется ЭДС Е. Если к проводнику не прикладывать внешнюю силу F, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение U, то на проводник будет действовать только электромагнитная сила Fэм. Под действием этой силы проводник будет перемещаться в магнитном поле. При этом в проводнике индуцируется ЭДС, направленная противоположно приложенному к проводнику напряжению U. Таким образом, часть этого напряжения уравновешивается электродвижущей силой Е, наведенной в этом проводнике, а другая часть определяет величину падения напряжения в проводнике:

где r – электрическое сопротивление проводника, Ом. Для определения баланса мощностей умножим обе части выражения (1.5) на ток I:

UI = Еl + I 2 r. (1.6)

Подставляя в правую часть равенства (1.6) вместо Е выражение для ЭДС из формулы (1.1), получим:

UI = BvlI + I 2 r. (1.7)

Поскольку согласно формуле (1.2) Вil = Fэм, то выражение (1.7) можно переписать как

UI = Fэмv + I 2 r. (1.8)

Из равенства (1.8) следует, что одна часть электрической мощности (UI), поступающей в проводник, преобразуется в механическую энергию (Fэмv), а другая идет на покрытие электрических потерь в проводнике (I 22 r). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель. Рассмотренные процессы преобразования энергии дают возможность сделать весьма важный вывод: необходимым условием работы электрической машины является наличие проводников и магнитного поля. При этом преобразование энергии может происходить в любом направлении, т.е. электрическая машина может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Такое свойство электрических машин постоянного тока называется обратимостью. Это свойство широко используется на локомотивах: тяговые генераторы работают в режиме электродвигателя при запуске дизеля, а тяговые электродвигатели – в режиме генератора при торможении.

1.2. Принцип действия электрической машины постоянного тока.

Рассмотрим работу простейшей машины постоянного тока коллекторного типа (рис. 1.2) в режиме генератора. Между двумя полюсами постоянного магнита (N и S) помещена вращающаяся часть машины – якорь, который приводится во вращение первичным двигателем, например турбиной или двигателем внутреннего сгорания. Якорь машины состоит из стального цилиндра, на котором расположена обмотка в виде витка abcd. Концы витка присоединены к двум пластинам (полукольцам), изолированным друг от друга. Эти пластины образуют важную часть машины – коллектор. К щеткам А и В присоединяется нагрузка генератора. В процессе работы машины коллектор вращается вместе с валом, а щетки А и В остаются неподвижными. Предположим, что якорь генератора вращается против часовой стрелки, тогда в проводниках обмотки якоря индуцируется ЭДС, направление которой указано на рисунке стрелками. Мгновенное значение этой ЭДС для одного проводника обмотки определяется по формуле:

Активная длина проводника l в данном случае – величина неизменная, поэтому если скорость движения якоря в процессе работы генератора тоже остается неизменной, то в формуле (1.9) их произведение будет постоянной величиной (const). Это дает возможность записать формулу (1.9) в виде е = constВ. Эта формула показывает, что величина и направление ЭДС в обмотке якоря определяются исключительно величиной и направлением магнитной индукции В в воздушном зазоре между якорем и полюсами. При вращении якоря генератора проводники его обмотки поочередно занимают положения в магнитном поле с разными значениями магнитной индукции, поэтому в обмотке якоря генератора наводится переменная ЭДС. При этом график изменения ЭДС в зависимости от времени соответствует диаграмме распределения магнитной индукции в воздушном зазоре. Так, например, при синусоидальном характере распределения магнитной индукции в воздушном зазоре ЭДС, а следовательно, и ток в обмотке якоря также синусоидальный (рис. 1.3). Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи генератора был бы переменным. С помощью коллектора и щеток А и В переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток, т.е. ток, неизменный по направлению. При изображенном на рис. 1.2 положении витка abcd ток внешней цепи генератора направлен от щетки А к щетке В. Руководствуясь тем, что во внешней части цепи ток направлен от положительного зажима к отрицательному, определяем полярность щеток: щетка А имеет полярность « + », а щетка B – « — ».

Рис. 1.2. Простейшая машина постоянного тока коллекторного типа:
n – частота вращения якоря

После того как якорь повернется на угол α = 180 °, направление тока в витке abcd изменится на обратное. Однако полярность щеток, а следовательно, и направление тока во внешней части цепи остаются неизменными. Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке меняет свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щетками А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под полюсом N, а под щеткой В – пластина, соединенная с проводником, расположенным над полюсом S. Благодаря этому ток во внешней цепи генератора имеет постоянное направление, а его величина остается переменной: когда проводники обмотки abcd находятся под серединой полюсов, ток имеет максимальное значение, а когда на геометрической нейтрали – ток равен нулю. Таким образом, с помощью коллектора в генераторе постоянного тока происходит преобразование переменного тока в обмотке якоря в пульсирующий ток во внешнем участке цепи.

Рис. 1.3. Изменение направления тока в проводнике якоря, имеющего один виток обмотки.
─── изменение тока генератора, —- изменение тока в проводнике якоря.

Рис. 1.4. График выпрямленного тока генератора, якорь которого имеет два витка.

Пульсации тока во внешней цепи генератора можно уменьшить, если выполнить обмотку якоря из нескольких витков, каждый из которых присоединен к соответствующей паре коллекторных пластин. Так, например, если якорь имеет всего два витка, сдвинутых в пространстве под углом 90°, пульсации тока заметно уменьшаются (рис. 1.4). При большем числе витков в обмотке якоря пульсации становятся еще меньше. Практически уже при 16 витках в обмотке (и соответственно 16 пластинах в коллекторе) пульсации тока становятся незаметными и ток во внешней цепи (в нагрузке) генератора можно считать постоянным не только по направлению, но и по величине. В связи с этим современные коллекторные машины постоянного тока обычно имеют большое число коллекторных пластин и секций обмотки на якоре.

1.3. Устройство электрической машины постоянного тока.

Электрическая машина постоянного тока конструктивно состоит из двух частей: магнитной системы, создающей магнитное поле, и вращающегося в подшипниках якоря с обмоткой 9 и коллектором 1 (рис. 1.5). Эти части разделены воздушным зазором. Магнитное поле в электрических машинах постоянного тока создается обмотками возбуждения 5, расположенными на сердечниках полюсов 4 и питаемыми постоянным током. Число полюсов выбирается в зависимости от мощности и назначения электрической машины для подвижного состава и может колебаться от двух до двенадцати. Обычно магнитную систему выполняют в виде сплошной стальной станины 6 со съемными шихтованными сердечниками 4. Рассмотрим конструкцию отдельных узлов машины постоянного тока.

Станина.
В машинах постоянного тока станина в первую очередь служит магнитопроводом для магнитного потока главных и добавочных полюсов. Кроме того, на ней крепятся полюса и подшипниковые щиты. Поэтому конструкция станины машин постоянного тока может быть литой из стали, сварной из толстолистовой или шихтованной из электротехнической стали. Станина должна обладать достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. Толщина стенки станины выбирается такой, чтобы обеспечить необходимую величину магнитной индукции, и должна составлять не менее половины поперечного сечения главных полюсов. Внутренний диаметр станины определяется с учетом необходимости для размещения якоря, главных и добавочных полюсов и их обмоток. В станинах из стального литья, например, у тяговых электродвигателей локомотивов, для которых важную роль играет уменьшение массы, поперечное сечение может быть уменьшено по осям главных полюсов, так как магнитный поток, переходящий с главного полюса на станину, равномерно распределяется по всей ширине полюса. Для машин постоянного тока с высокими динамическими нагрузками магнитной цепи, например при питании от статических преобразователей, высоких скоростях нарастания тока якоря, а также при быстром нарастании тока возбуждения, необходимо при изготовлении станины использовать шихтованные листы из электротехнической стали. Часть станины, образующая коллекторное пространство и не являющаяся магнитопроводом, имеет относительно небольшую толщину стенки, необходимую для обеспечения механической прочности.

Иногда эта часть электрической машины выполняется в виде отдельных ребер, закрытых тонкостенными кожухами. Внутренний диаметр станины определяется с учетом необходимости для размещения якоря, главных и добавочных полюсов и их обмоток. В станинах из стального литья, например, у тяговых электродвигателей локомотивов, для которых важную роль играет уменьшение массы, поперечное сечение может быть уменьшено по осям главных полюсов, так как магнитный поток, переходящий с главного полюса на станину, равномерно распределяется по всей ширине полюса. Для машин постоянного тока с высокими динамическими нагрузками магнитной цепи, например при питании от статических преобразователей, высоких скоростях нарастания тока якоря, а также при быстром нарастании тока возбуждения, необходимо при изготовлении станины использовать шихтованные листы из электротехнической стали.

Рис. 1.5. Общий вид машины постоянного тока.
1 – коллектор; 2 – щетка; 3 – сердечник якоря; 4 – сердечник главного полюса;
5 – обмотка возбуждения; 6 – станина; 7 – подшипниковый щит;
8 – вентилятор; 9 – обмотка якоря.

Часть станины, образующая коллекторное пространство и не являющаяся магнитопроводом, имеет относительно небольшую толщину стенки, необходимую для обеспечения механической прочности. Иногда эта часть электрической машины выполняется в виде отдельных ребер, закрытых тонкостенными кожухами.

Главные полюса.
Магнитное поле в машине постоянного тока создается магнитодвижущей силой (МДС) обмотки возбуждения, которая выполняется в виде катушек 3, надетых на сердечники 2 главных полюсов (рис. 1.6). Со стороны, обращенной к якорю, сердечник заканчивается полюсным наконечником (башмаком) 4, посредством которого обеспечивается равномерное распределение магнитного потока по поверхности якоря. Для снижения потерь башмаки шихтуются из электротехнической стали, а сердечники выполняются монолитными. Однако на практике, как правило, не используют составную конструкцию в виде полюсного сердечника 2 и полюсного башмака 4 и шихтуют главный полюс целиком. Такая конструкция обеспечивает уменьшение вихревых токов в сердечнике полюса, возникающих в результате пульсации магнитной индукции в полюсных наконечниках из-за зубчатой поверхности якоря. Шихтованный из лакированных листов стали полюс прессуется под давлением 200 кПа. Листы стягиваются пропущенными через сердечник болтами или специальными заклепками с нажимными щеками. Болты или заклепки должны распределяться в полюсе как можно более равномерно и выдерживать упругую реакцию сжатого полюса. Нажимные щеки, в которых размещаются головки заклепок или болтов, изготовляются из отожженных стальных листов толщиной 8. 20 мм в зависимости от поперечного сечения и длины полюса.

Рис. 1.6. Главный полюс машины постоянного тока:
1 – станина; 2 – сердечник полюса; 3 – катушки обмотки возбуждения;
4 – полюсный башмак; 5 – воздушный зазор

В компенсированных машинах постоянного тока (тепловые генераторы) в полюсных башмаках выштамповываются пазы для размещения компенсационной обмотки, поэтому башмаки в этих машинах имеют большие размеры, чем в компенсированных машинах. Полюса крепятся к станине болтами или шпильками. Полюсные катушки выполняются из медного провода, намотанного на каркас из изолирующего материала. Иногда катушку делят по высоте на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Такая конструкция обеспечивает лучшее охлаждение катушки.

Добавочные полюса.
Практически на всех машинах постоянного тока мощностью свыше 1 кВт с целью уменьшения искрения на щетках устанавливаются добавочные полюса.
Добавочный полюс (рис. 1.7) состоит из сердечника 1 и катушки 2, выполненной из медного изолированного провода с сечением, рассчитанным на рабочий ток машины, так как катушка этого полюса включается последовательно с обмоткой якоря. Сердечник добавочного полюса изготовляется из стали и имеет монолитную конструкцию, поскольку из-за малой величины магнитной индукции в сердечнике практически не индуцируются вихревые токи.
Добавочные полюса устанавливают посередине между главными полюсами и крепят к станине болтами. Воздушный зазор под добавочными полюсами значительно больше, чем под главными. Для его регулирования применяются регулировочные пластины из магнитного или немагнитного материала. Окончательная величина воздушного зазора устанавливается при настройке коммутации электрической машины путем построения предельных кривых зоны безыскровой коммутации. Как правило, в машинах большой мощности воздушный зазор под добавочным полюсом разделяется на две части: сердечник – станина и сердечник – якорь.

Рис. 1.7. Добавочный полюс машины постоянного тока.
1 – сердечник, 2 – катушка.


Якорь.
В машинах постоянного тока якорь состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Сердечник якоря имеет форму цилиндра. При изготовлении сердечника используют штампованные листы из электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Листы изолируют при помощи лака или бумаги. Собранный сердечник удерживается в сжатом состоянии нажимными шайбами. Такая конструкция сердечника якоря дает возможность уменьшить в нем потери энергии от действия вихревых токов, возникающих в результате перемагничивания сердечника при вращении якоря в магнитном поле. Для охлаждения машины в сердечниках якоря выполнены вентиляционные каналы. На поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые укладывается обмотка якоря. Обмотку якоря выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения и укладывают в пазах сердечника якоря, тщательно изолируя от сердечника.

Обмотка якоря состоит из секций, концы которых припаиваются к пластинам коллектора. Для прочного закрепления проводов обмотки в пазах сердечника якоря применяются деревянные, гетинаксовые или текстолитовые клинья. Однако деревянные клинья не обеспечивают надежного крепления, так как при высыхании они уменьшаются в размерах и могут выпасть из паза. В машинах малой мощности пазы не закрывают, а прикрывают сверху бандажом. Для того чтобы бандаж не выступал за пределы якоря, диаметр углубления под бандаж должен быть меньше диаметра якоря. Бандаж выполняют из стальной проволоки или стеклоткани, наматываемой непосредственно на лобовые части обмотки. 11 /

Коллектор состоит из активной части и крепежной конструкции (рис. 1.8). Коллекторные пластины 7 выполняют из холоднокатаной (коллекторной) меди и изолируют друг от друга прокладками из коллекторного миканита – смеси чешуек слюды и шеллака в качестве связующего компонента (около 5%). При повышенных механических и термических требованиях коллекторные пластины изготавливают из меди с добавкой серебра (около 0,1) или циркония (около 0,06). Оба сплава имеют высокую электропроводность и повышенный предел текучести при повышенной температуре при стабильном пределе прочности на растяжение. К выступающей части коллекторной пластины (петушок 5) припаивают провода обмотки якоря.

Рис. 1.8. Общий вид коллектора машины постоянного тока.
1 – корпус; 2 – стяжной болт; 3 – нажимное кольцо; 4 – изоляция;
5 – петушок; 6 – нижний край пластины; 7 – пластина.

Нижний край пластины 7 выполнен в виде «ласточкина хвоста». После сборки коллектора край 6 оказывается зажатым между двумя нажимными кольцами 3, изолированными от коллекторных пластин миканитовыми конусами и цилиндрами. Чтобы миканитовые прокладки при изнашивании пластин коллектора не выступали над пластинами, изоляция должна быть утоплена на глубину до 1,5 мм от поверхности скольжения коллектора в радиальном направлении. Благодаря этому уменьшается опасность возникновения кругового огня при электрическом перекрытии от пластины к пластине и, кроме того, устраняется трение мягких угольных щеток о миканит.

В зависимости от положения поверхности скольжения щеток различают две основные группы коллекторов: дисковые и цилиндрические. У дискового коллектора поверхность скольжения находится в плоскости, перпендикулярной оси. У цилиндрического (барабанного) коллектора поверхность скольжения параллельна оси. Чаще всего в настоящее время применяются цилиндрические коллекторы. В зависимости от способа крепления коллекторных пластин различают две группы цилиндрических коллекторов:
— коллектор, медные пластины которого запрессовываются в пластмассу. Пластмасса в этом случае является скрепляющим и изолирующим материалом. Такая конструкция коллектора проста в изготовлении, но может применяться лишь для машин малой мощности и при частоте вращения до 10000 об/мин;
— коллектор арочной конструкции. Торцовые поверхности коллектора, имеющие форму «ласточкина хвоста», зажимаются при помощи V-образных нажимных колец так, что на наклонную часть поверхности коллекторных пластин действует нормальное давление. В этом случае между внутренней поверхностью выточки коллекторных пластин и наружным диаметром нажимных колец обязательно должен быть зазор. Пластины коллектора изолируют от нажимных колец специальными прокладками. Для соединения коллекторных пластин с обмоткой якоря при небольшой разнице диаметров якоря и коллектора коллекторные пластины удлиняют вверх, до достижения диаметра якоря (гребенчатый коллектор). У малых электрических машин с обмоткой из проводников круглого сечения концы проводников обычно закладываются непосредственно в выфрезерованные в коллекторной пластине пазы. Пайка производится методом погружения, а затем коллектор обтачивается. Однако в большинстве случаев, в особенности при существенной разнице диаметров якоря и коллектора, пластины соединяются с обмоткой якоря посредством так называемых петушков. В пластинах со стороны якоря перед сборкой коллектора выфрезеровывают прорези (шлицы). Коллекторные петушки впаиваются в эти шлицы с помощью мягкого припоя. Петушки изготовляют из полосовой меди толщиной от 0,5 до 1,5 мм и лудят. Соединение с концами обмоток производится с помощью стяжных скоб.

Щеточное устройство.
Электрический контакт с поверхностью коллектора в машине постоянного тока осуществляется с помощью щеток. Они устанавливаются в щеточном устройстве, которое состоит из щеточной траверсы, пальцев и щеткодержателей.

Щеткодержатели крепятся непосредственно или через зажимные элементы на щеточных болтах изолированно, или же монтируются без изоляции непосредственно на щеточных бракетах (кронштейнах) или щеточных траверсах, которые изолированы относительно корпуса. Щеткодержатели вместе с траверсами выполняют следующие функции:
— удерживают щетки в установленном радиальном или наклонном, а также аксиальном и окружном направлениях, обеспечивая свободное перемещение щеток без перекоса при работе и по мере их износа;
— обеспечивают требуемое давление на щетки, которое должно быть по возможности постоянным во всем диапазоне допустимого износа щеток. Это осуществляется благодаря применению специальной кинематической схемы щеткодержателя или регулированием давления вручную. Чрезмерное давление может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточное – искрение на коллекторе;
— передают ток щеток (раздельно для положительных и отрицательных щеток) в якорную цепь или из нее.

Во избежание замыкания щеткодержатели должны быть изолированы от корпуса электрической машины. Для уменьшения вибрации щеткодержатель должен иметь достаточную жесткость. Щетки каждой полярности должны иметь поперечное сечение не более 1000 мм2. Это означает, что при допустимой плотности тока 0,1 А/мм2 одна щетка может выдерживать максимальный ток 100 А. При необходимости увеличения общего тока устанавливают несколько щеток. Причем действует правило, что на один щеточный бракет допускается максимальный ток 1000 А. В машинах постоянного тока размеры и положение щеткодержателей по окружности коллектора определяют допустимым щеточным перекрытием (отношением длины дуги одновременно перекрываемых щеткой коллекторных пластин к длине коллекторного деления). Название «щетка» возникло в начальный период практической электротехники, когда первые устройства этого рода действительно были щетками или кисточками. Они состояли из собранных в пучок медных проволок, которые свободным концом скользили по коллектору или контактным кольцам. В настоящее время такое наименование уже не соответствует действительности, но оно прочно вошло в международную техническую терминологию. Термин «угольные щетки» применяют не только к щеткам, состоящим исключительно из угля, но и к щеткам, содержащим большее или меньшее количество медного порошка (см. Приложение). Следует учитывать, что угольные щетки имеют отрицательный температурный коэффициент, т. е. их электропроводность увеличивается с повышением температуры. Поэтому необходимо, чтобы на одной машине применялись только щетки с одинаковой электропроводностью. В противном случае, возможно, что одна из более горячих щеток будет проводить больше тока, чем другие, и нагреется вследствие этого еще больше. В результате произойдет дальнейшее нарушение распределения тока между параллельно включенными щетками. Помимо рассмотренных узлов в конструкцию машины входят два подшипниковых щита: передний (со стороны коллектора) и задний. Щит с помощью болтов крепится к станине. В центральной части щита имеется расточка под подшипник. Обычно в машинах применяются шариковые или роликовые подшипники качения. Лишь в некоторых машинах с целью обеспечения бесшумности применяют подшипники скольжения. Подвод и снятие напряжения с электрических машин, а также подвод тока к обмоткам возбуждения осуществляется через специальные зажимы. Эти зажимы закреплены на планках или клеммных коробках, расположенных на станине, а в некоторых машинах на переднем подшипниковом щите. Выводы обмоток машин постоянного тока обозначаются по ГОСТ 26772 – 85 следующим образом:

Обмотка якоря Я1 и Я2
Обмотка добавочных полюсов Д1 и Д2
Обмотка компенсационная К1 и К2
Обмотка возбуждения параллельная (шунтовая) Ш1 и Ш2
Обмотка возбуждения последовательная (сериесная) С1 и С2

Цифрой 1 обозначаются начала обмоток, а цифрой 2 – концы.

1.4. Обмотки машины постоянного тока

Итак, для работы коллекторной машины постоянного тока необходимо наличие в ней двух обмоток: обмотки возбуждения и обмотки якоря. Первая служит для создания в машине магнитного поля, т. е. для возбуждения. В якорной обмотке индуцируется ЭДС, под действием которой возникает электрический ток и, как следствие, электромагнитный момент. Обмотка состоит из соединенных между собой витков. Каждый виток имеет две активные стороны 1 и 3 и лобовую часть 2 (рис. 1.9). Исключение составляют магнитоэлектрические машины постоянного тока, в которых имеется лишь одна (якорная) обмотка, так как магнитное поле (возбуждение) в этих машинах создается постоянными магнитами.

Таким образом, обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору. Простейшей частью обмотки является секция – два проводника, отстоящих друг от друга на расстоянии, равном полюсному шагу или незначительно отличающемся от него, и присоединяемых к двум коллекторным пластинам. Суммарная ЭДС секции будет наибольшей, если ЭДС активных сторон равны по величине и сдвинуты по фазе на 180 эл. град. В этом случае при обходе секции ЭДС складываются арифметически. В лобовых частях секции ЭДС не индуцируется. Это происходит, когда ширина (шаг) секции по пазам якоря равна полюсному делению τ. Такую обмотку называют диаметральной. Часть поверхности якоря, приходящуюся на один полюс, называют полюсным делением и определяют по формуле:

τ = π × D / 2р (1.10)

где τ – полюсное деление, м; D – диаметр якоря, м; 2р – число главных полюсов в машине. Секции укладываются в пазах сердечника якоря в два слоя, при этом если одна из активных сторон секции находится в нижней части одного паза, то ее другая сторона находится в верхней части другого паза. Верхняя активная сторона одной секции и нижняя активная сторона другой, уложенные в одном пазу, образуют элементарный паз (Zэ). В реальном пазу может быть и более двух активных сторон, например четыре, шесть, восемь и т. д. В этом случае считается, что реальный паз состоит из нескольких элементарных пазов. Так как секция имеет две активные стороны, то каждой секции соответствует один элементарный паз. Концы секции присоединяются к коллекторным пластинам, при этом к каждой пластине присоединяются конец одной секции и начало следующей, т. е. на каждую секцию приходится одна коллекторная пластина. Таким образом, для якорной обмотки можно записать следующее равенство:

где S – число секций в обмотке якоря;
Zэ – число элементарных пазов;
К – число коллекторных пластин.

Рис. 1.9. Виток якорной обмотки.
1, 3 – активные стороны обмотки; 2 – лобовая часть.

В зависимости от формы секций и способа присоединения их к коллектору различают следующие типы якорных обмоток:
— простая петлевая;
— сложная петлевая;
— простая волновая;
— сложная волновая;
— комбинированная (лягушечья).

1.4.1. Простая петлевая обмотка.

При изготовлении петлевой обмотки сначала последовательно соединяют секции, расположенные под одним полюсом, а затем соединяют секции, расположенные под следующим полюсом, и т. д. В простой петлевой обмотке якоря каждая секция присоединяется к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. При укладке секций на сердечник якоря начало каждой последующей секции соединяют с концом предыдущей, постепенно перемещаясь при этом по поверхности якоря (и коллектора) так, что за один обход укладывают все секции обмотки. В результате конец последней секции оказывается соединенным с началом первой, т. е. обмотка замыкается. На рис. 1.10 изображены две секции простой петлевой обмотки и обозначены шаги обмотки.

Шаг обмотки – это расстояние между двумя активными сторонами секций, выражаемое числом находящихся между ними элементарных пазов. Реальный паз может состоять из одного или нескольких элементарных пазов, т.е. по ширине паза может располагаться одна или несколько сторон секций. Кратчайшее расстояние между активными сторонами первой секции на поверхности якоря называют первым частичным шагом обмотки по якорю ух. Это расстояние измеряется в элементарных пазах и, как было указано ранее, должно быть равно или незначительно отличаться от полюсного деления. Расстояние между активной стороной нижнего слоя второй секции и активной стороной верхнего слоя первой секции называют вторым частичным шагом обмотки по якорю у2 и измеряют в элементарных пазах. Знание шагов обмотки у1 и у2 дает возможность определить результирующий шаг обмотки по якорю у, который представляет собой расстояние между расположенными в одном слое активными сторонами двух следующих друг за другом секций, т. е.

у1 к у2 – первый и второй частичные шаги обмотки по якорю;
ук – шаг обмотки по коллектору; у – результирующий шаг обмотки по якорю; К – коллектор.

Укладывая секции обмотки, мы перемещаемся не только по сердечнику якоря, но и по коллектору. Расстояние между двумя коллекторными пластинами, к которым присоединены начало и конец одной секции, называют шагом обмотки по коллектору ук. Как следует из определения, начало и конец каждой секции простой петлевой обмотки присоединяются к рядом лежащим коллекторным пластинам, следовательно:

Рис. 1.10. Секции простой петлевой обмотки.

В выражении (1.12) знак «+» соответствует правоходовой обмотке, а знак «-» – левоходовой . Для определения всех шагов простой петлевой обмотки достаточно рассчитать первый частичный шаг по якорю:

у1 = Zэ / 2p ± ε (1.13)

где ε – величина, меньшая единицы, используемая для получения у1, выраженного целым числом. На основании формулы (1.12) определяем второй частичный шаг обмотки:

у2 = у1 ± у = у1 ± 1 (1.14)

Прежде чем приступить к построению развернутой схемы обмотки (рис. 1.11), необходимо отметить следующее:
— все пазы сердечника якоря и секции обмотки нумеруются. При этом номер секции определяется номером паза, в верхней части которого находится одна из ее активных сторон;
— активные стороны верхнего слоя изображают на схеме сплошными линиями, а стороны нижнего слоя – пунктирными так, что одна половина секции, относящаяся к верхнему слою, показывается на схеме сплошной линией, а другая, относящаяся к нижнему слою, – пунктирной. На листе бумаги размечают пазы и наносят контуры полюсов. При этом следует учесть, что изображенный на схеме полюс представляет собой зеркальное отражение полюса, находящегося над якорем. При выполнении схемы обмотки ширину полюса следует принять приблизительно равной 0,8τ. Полярность полюсов чередуется: N – S – N – S.
Затем изображают коллекторные пластины и наносят на схему первую секцию, активные стороны которой расположены в пазах 1 и 4. Значение шага у1 рассчитывают по формуле (1.13).

Рис. 1.11. Развернутая схема простой петлевой обмотки.

Коллекторные пластины, к которым присоединены концы первой секции, обозначают цифрами 1 и 2. Затем нумеруют остальные коллекторные пластины и последовательно наносят на схему другие секции (вторую, третью и т.д.). Последняя секция (двенадцатая) должна замкнуть обмотку, что будет свидетельствовать о правильно выполненной схеме. Далее на схеме изображают щетки. Расстояние между щетками, например А1 и Б2 должно соответствовать полюсному делению, т.е. должно составлять К/2р коллекторных делений. Электрический контакт якорной обмотки с внешней цепью осуществляется через коллектор и щетки. Наибольшее значение ЭДС машины соответствует положению щеток на геометрической нейтрали. Но так как коллекторные пластины, к которым присоединены секции, смещены относительно активных сторон этих секций приблизительно на 1/2τ, то щетки следует располагать на коллекторе по оси главных полюсов машины. Предположим, что машина работает в режиме генератора и ее якорь вращается в направлении слева направо. Воспользовавшись правилом правой руки, определяем направление ЭДС (тока), индуцируемой в активных сторонах секций. Это дает нам возможность установить полярность щеток: щетки А1 и А2, от которых ток отводится во внешнюю цепь, являются положительными, а щетки В1 и В2 – отрицательными. Щетки одинаковой полярности соединяют параллельно и подключают к соответствующим выводам машины. При этом щетки положительной полярности чередуются со щетками отрицательной полярности. Схема простой петлевой обмотки состоит из четырех участков, каждый из которых образует параллельную ветвь обмотки и представляет собой несколько последовательно соединенных секций с одинаковым направлением тока. Затем приступают к обходу секций обмотки, начиная с первой секции. Далее идут вторая и третья секции, которые образуют одну параллельную ветвь, в то время как первая секция оказывается замкнутой накоротко щеткой В1. Подобным образом обходят всю обмотку. В результате получается электрическая схема обмотки с четырьмя параллельными ветвями, где каждая параллельная ветвь содержит две последовательно включенные секции. Электродвижущие силы секций в пределах каждой параллельной ветви складываются. Так как все ветви соединены параллельно, то ЭДС всей обмотки якоря определяется величиной ЭДС одной параллельной ветви, тогда как величина тока якорной обмотки равна сумме токов всех ветвей обмотки:

где Iя – величина тока якорной обмотки, А;
2а– число параллельных ветвей обмотки;
ia – величина тока одной параллельной ветви, А.

Рассматриваемая обмотка якоря содержит четыре параллельные ветви, т.е. столько же, сколько главных полюсов в машине. Это совпадение не случайно, так как в простой петлевой обмотке число параллельных ветвей всегда равно числу главных полюсов машины:

Число параллельных ветвей в обмотке якоря влияет на основные рабочие параметры машины – напряжение и величину тока.

1.4.2. Сложная петлевая обмотка.

Итак, в простой петлевой обмотке число параллельных ветвей равно числу главных полюсов машины. При необходимости получить обмотку с большим числом параллельных ветвей, например, как это требуется в низковольтных машинах с большими токовыми нагрузками, пришлось бы делать машину многополюсной, что обусловило бы увеличение ее размеров и стоимости. Хорошим решением в такой ситуации является применение сложной петлевой обмотки, которая сочетает в себе несколько простых обмоток (ходов), уложенных на один якорь. Число параллельных ветвей в сложной петлевой обмотке составляет:

Каждый электрик должен знать:  Вертикальный пылесос HOOVER HF18DPT 019 обзор, плюсы и минусы

где m – коэффициент кратности, определяющий число простых петлевых обмоток, из которых составлена сложная обмотка. Ширина щеток в машине со сложной петлевой обмоткой принимается такой, чтобы каждая щетка одновременно перекрывала не менее m коллекторных пластин, т.е. столько пластин, сколько простых обмоток содержится в сложной. В этом случае простые обмотки оказываются соединенными параллельно друг с другом. Для того чтобы щетка могла соединять эти обмотки параллельно, пришлось раздвинуть стороны секции и коллекторные пластины одной обмотки и разместить между ними стороны секции и коллекторные пластины другой обмотки. Поэтому шаг обмотки по коллектору и результирующий шаг по якорю сложной обмотки по сравнению с этими же параметрами простой петлевой обмотки увеличился в m раз:

Первый частичный шаг обмотки по якорю подсчитывается по формуле (1.13).

1.4.3. Простая волновая обмотка.

В волновых обмотках последовательно соединяются секции, начала которых расположены под соседними парами полюсов (рис. 1.12). Таким образом, в четырехполюсной машине при одном обходе вокруг якоря последовательно соединяются две секции, в шести- и восьмиполюсных машинах соответственно три и четыре секции и т.д. Концы секций волновой обмотки присоединяются к коллекторным пластинам, удаленным друг от друга на расстояние шага обмотки по коллектору ук = у. За один обход по якорю укладывается столько секций, сколько пар полюсов имеет машина, при этом конец последней по обходу секции присоединяют к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной. Простая волновая обмотка называется левоходовой, если конец последней по обходу секции присоединяется к коллекторной пластине, расположенной слева от исходной. Если же эта пластина расположена справа от исходной, то обмотка называется правоходовой. Секции волновой обмотки могут быть одновитковыми и многовитковыми.

Рис. 1.12. Шаги простой волновой обмотки

Так как шаг обмотки по коллектору ук охватывает пространство по длине окружности коллектора, соответствующее одной паре полюсов, то, сделав один обход по коллектору, мы как бы перемещаемся на число коллекторных делений, равное укр (р – число пар полюсов), и переходим к пластине, расположенной рядом с исходной. На основании сказанного можно записать:

Следовательно, шаг обмотки по коллектору и результирующий шаг по якорю равны, т.е.

ук = у = К ± 1 / р (1.20)

Знак «-» соответствует левоходовой обмотке, а «+» – правоходовой. Выполнение правоходовой обмотки связано с дополнительным расходом меди из-за скрещивания лобовых частей секций, поэтому она почти не имеет практического применения. Первый частичный шаг обмотки по якорю определяется по формуле (1.13), а второй шаг:

Из приведенной схемы простой волновой обмотки видно, что секции каждой параллельной ветви равномерно распределены под всеми полюсами машины. Следует также отметить, что в такой обмотке можно было бы ограничиться применением только двух щеток, например В2 и А2. Однако в этом случае нарушилась бы симметрия обмотки, так как число секций в параллельных ветвях становится неодинаковым: в одной ветви семь секций, а в другой шесть. Поэтому в машине обычно устанавливают столько щеток, сколько имеется главных полюсов, тем более что это позволяет уменьшить величину тока, приходящегося на каждую щетку, и уменьшить размеры коллектора.

1.4.4. Сложная волновая обмотка.

Несколько простых волновых обмоток, уложенных на одном якоре, образуют сложную волновую обмотку. Так как простая волновая обмотка состоит из двух параллельных ветвей, то число параллельных ветвей в сложной волновой обмотке составляет:

где m – коэффициент кратности, определяющий число простых волновых обмоток, из которых составлена сложная обмотка. Сложная волновая обмотка рассчитывается так же, как и простая. Но для определения шага обмотки по коллектору следует использовать формулу:

ук = К ± m / р (1.23)

Простые волновые обмотки, образующие сложную, соединяются параллельно друг с другом посредством щеток, ширина которых, как и в случае сложной петлевой обмотки, должна обеспечивать одновременное перекрытие не менее т коллекторных пластин.

1.4.5. Условия симметрии обмотки.

Обмотка якоря называется симметричной , если ее параллельные ветви обладают одинаковыми электрическими свойствами, т. е. имеют одинаковые электрические сопротивления и в них индуцируются одинаковые по величине ЭДС.
В несимметричной обмотке ток якоря в параллельных ветвях распределяется неравномерно, что влечет за собой перегрузку одних ветвей и недогрузку других. В результате возрастают электрические потери в обмотке якоря, полезная мощность машины уменьшается, возникает искрение на коллекторе.

Обмотка якоря становится симметричной лишь при соблюдении следующих условий симметрии :
1) каждая пара параллельных ветвей обмотки должна состоять из одинакового числа секций. Это условие может быть выполнено лишь в том случае, если на каждую пару параллельных ветвей обмотки приходится целое число секций, т. е. отношение S/a равно целому числу. Нетрудно убедиться, что при несоблюдении этого условия электрическое сопротивление параллельных ветвей, а также их ЭДС будут неодинаковыми. Это приведет к неравномерному распределению тока в параллельных ветвях со всеми нежелательными последствиями;
2) секции каждой пары параллельных ветвей должны занимать на якоре одинаковое число пазов, т. е. Z/a равно целому числу, где Z – число реальных пазов на якоре;
3) каждая пара параллельных ветвей обмотки должна занимать одинаковое положение относительно системы полюсов, что может быть соблюдено при условии 2р/а равно целому числу. Определим, при каких параметрах выполняется третье условие симметрии для сложной петлевой обмотки. На основании выражения (1.17) получаем:

2р / а = 2р / рm = 2 / m (1.24)

Все отношения, входящие в выражение (1.24), равны целому числу, т.е. сложная петлевая обмотка может быть симметричной только при m = 2. Для устранения уравнительных токов в обмотке якоря недостаточно выполнения условий симметрии обмотки. Для этого необходимо еще, чтобы магнитные потоки полюсов были равны. Кроме того, сопротивления контактов между щетками и коллекторными пластинами каждого из ходов обмотки, составляющих обмотку, также должны быть равны. Неравенство магнитных потоков полюсов вызывает в петлевых обмотках неравенство ЭДС параллельных ветвей и появление уравнительного тока, замыкающегося через щетки. Вследствие неравенства сопротивлений переходного контакта между щеткой и отдельными коллекторными пластинами в параллельных ветвях обмоток, составляющих сложную обмотку, токи будут разные. Это приводит к случайному распределению напряжения между соседними коллекторными пластинами, в результате чего напряжение может превысить допустимые значения.

1.4.6. Уравнительные соединения.

Однако даже при соблюдении всех условий симметрии ЭДС параллельных ветвей обмотки якоря в многополюсных машинах могут оказаться неодинаковыми. Причиной этого является магнитная асимметрия, в результате которой магнитные потоки одноименных полюсов становятся неодинаковыми. Происходит это из-за дефектов, возникающих при изготовлении электрической машины (наличие раковин в отливке станины, некачественная сборка полюсов, неправильная центровка якоря, т.е. его перекос) и обусловливающих появление неравномерного воздушного зазора под полюсами. Влияние магнитной асимметрии на работу машины зависит от типа обмотки якоря.

В волновых обмотках секции каждой параллельной ветви равномерно распределены под всеми полюсами машины, поэтому магнитная асимметрия не вызывает неравенства ЭДС в параллельных ветвях, так как она одинаково влияет на все параллельные ветви обмотки. В петлевых обмотках секции каждой параллельной ветви располагаются под одной парой полюсов, поэтому в результате магнитной асимметрии ЭДС параллельных ветвей становятся неодинаковыми, что приводит к появлению уравнительных токов. Например, при неравенстве ЭДС е1 и е2 потенциалы щеток А1 и А2 неодинаковы, а так как указанные щетки соединены проводом, то в обмотке появится уравнительный ток Iур. Если е1 > е2 то ток Iур во внешней части цепи направлен от щетки А1 к щетке А2. При неравенстве ЭДС во всех четырех ветвях обмотки якоря уравнительные токи появятся также и в цепи щеток В1 и В2. Уравнительные токи, складываясь с током нагрузки, вызывают неравномерную нагрузку параллельных ветвей, что ведет к перегреву обмотки и увеличению электрических потерь. Кроме того, плотность тока под некоторыми щетками увеличивается и может превысить допустимые пределы, что вызовет искрение на коллекторе.

Уравнительные соединения первого рода.
Перечисленные явления нарушают нормальную работу машины. Для уменьшения неравномерной нагрузки щеток в простых петлевых обмотках поступают следующим образом: точки обмотки якоря, потенциалы которых теоретически должны быть одинаковыми, соединяют между собой медными проводами. В этом случае возникающие в обмотке уравнительные токи циркулируют внутри обмотки и не протекают по щеткам и соединяющим их шинам. Указанные соединения называются уравнительными соединениями первого рода, или уравнителями (рис. 1.13).
Практически доступными для соединения точками равного потенциала являются концы секций, присоединяемые к коллекторным пластинам, и лобовые части обмотки со стороны, обратной коллектору. Количество точек в обмотке, имеющих одинаковый потенциал, равно числу полюсов в машине (р = а). Расстояние между двумя соседними равнопотенциальными точками называется потенциальным шагом и обозначается уур. При расположении уравнительных соединений со стороны коллектора потенциальный шаг измеряется числом коллекторных делений:

уур = К / а = К / р (1.25)

Полное число уравнительных соединений первого рода, которое можно применить в обмотке:

Однако такое число уравнительных соединений применяют только в машинах большой мощности, например в электродвигателях прокатных станов. В целях экономии меди и упрощения конструкции машины обычно применяют меньшее число уравнителей. Например, в четырехполюсных машинах малой мощности выполняют три-четыре уравнительных соединения вместо положенных восьми. Для выполнения уравнительных соединений применяют медные провода с сечением, равным 1/4 – 1/2 сечения провода обмотки якоря.

Уравнительные соединения второго рода.
В сложных петлевых и волновых обмотках простые обмотки, образующие сложную обмотку, соединены параллельно. Их параллельное включение осуществляется на коллекторе через щеточный контакт. Однако обеспечить одинаковую величину тока в месте контакта щетки и коллекторной пластины из-за разности переходных сопротивлений невозможно. Поэтому ток между обмотками распределяется неодинаково, что нарушает равномерное распределение потенциала по коллектору и может вызвать на нем искрение. Для устранения этого нежелательного явления применяют уравнительные соединения второго рода, посредством которых простые обмотки соединяются между собой в точках равного потенциала.

Рис. 1.13 Уравнительные соединения (1–3) первого рода.

Таким образом, если уравнители первого рода выравнивают асимметрию магнитной системы машины, то уравнители второго рода устраняют неравномерность в распределении потенциала по коллектору. В схеме сложной волновой обмотки уравнители второго рода соединяют коллекторные пластины одинакового потенциала и отстоят друг от друга на расстоянии, равном потенциальному шагу уур. Полное число уравнителей второго рода определяется по выражению (1.26), однако из соображений экономии меди их число обычно меньше расчетного.

1.4.7. Комбинированная обмотка.

Комбинированная (лягушечья) обмотка представляет собой сочетание петлевой (упетл) и волновой (уволн) обмоток, расположенных в одних пазах и присоединенных к общему коллектору. Секция этой обмотки показана на рис. 1.14. Комбинированную обмотку можно рассматривать как две параллельно соединенных обмотки: петлевую и волновую. Каждая простая обмотка выполняется двухслойной, поэтому комбинированная обмотка укладывается на якоре в четыре слоя, а к каждой пластине коллектора припаивается по четыре проводника. Комбинированная обмотка применяется в мощных электрических машинах. Ее основное преимущество состоит в том, что она не требует уравнительных соединений. Обмотки, составляющие комбинированную, имеют одинаковые шаги по якорю:

у1петл = у1волн (1.27)

Шаг комбинированной обмотки равен сумме шагов простых обмоток:

у1петл = у1волн = Zэ / 2р + Zэ / 2р = Zэ / р (1.28)

Поскольку число элементарных пазов Zэ = К, то у1петл = у1волн = К / р = уур т. е. шаг обмотки по якорю равен потенциальному шагу. Следовательно, те коллекторные пластины, которые должны быть соединены уравнителями, в комбинированной обмотке соединяются секциями, поэтому уравнительные соединения в данной обмотке не применяются.

Рис. 1.14. Развернутая схема комбинированной обмотки якоря,
τ – полюсное деление.

Для изготовления обмотки якоря нет необходимости строить полную развернутую схему этой обмотки. В этом случае изображается одна секция с указанием номеров пазов, в которые она укладывается, и коллекторных пластин, к которым подсоединяются выводы. На этой схеме указывается порядок присоединения изображаемых секций к коллекторным пластинам и то, что эти секции можно изолировать вместе, т.е. соединить в одну катушку. Номера пластин и секций, указанные на схеме, определяют шаги обмотки по якорю и по коллектору. По этой схеме изготовляют секции или катушки, которые затем укладывают в пазы сердечника якоря и соединяют с пластинами коллектора.
В рассмотренных схемах все секции якорных обмоток имеют одинаковую ширину. Такие равносекционные обмотки удобны в изготовлении, особенно если пазы сердечника якоря открыты. В этом случае секции, лежащие в одних и тех же пазах, изолируются вместе (как единая катушка), а затем укладываются в пазы. Но возможна и другая конструкция обмотки – ступенчатая, в которой секции имеют разную ширину. При этом одна активная сторона каждой из нескольких секций ступенчатой обмотки располагается в одном пазу, а другие активные стороны этих секций располагаются в разных пазах.

1.5. Электродвижущая сила обмотки якоря.

Магнитная индукция Вδ в воздушном зазоре между полюсными наконечниками и поверхностью якоря в различных точках по окружности якоря имеет неодинаковые значения. Поэтому для определения ЭДС удобно воспользоваться средним значением магнитной индукции, приняв его равным высоте прямоугольника АВ’С’D с основанием τ, площадь которого равна площади фигуры ABCD (рис. 1.15). Тогда среднее значение ЭДС, индуцируемой в одном проводнике, уложенном на поверхности якоря, равно

Рис. 1.15. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре

Обмотка якоря состоит из N проводников, однако ЭДС обмотки определяется величиной ЭДС лишь одной параллельной ветви, которая содержит N/2a последовательно соединенных проводников. Таким образом, ЭДС обмотки якоря:

Ея = Еср N / 2a = BсрlvN / 2a (1.30)

где l – длина активной части якоря, м; v = πDn / 60 – линейная скорость на поверхности вращающегося якоря, м/с; n – частота вращения якоря, об/мин; D – диаметр якоря, м. Длину окружности якоря πD можно выразить следующим образом:

πD = τ × 2p (1.31)
тогда:
v = 2τрn / 60 (1.32)

Подставив это выражение в выражение (1.30), получим:

Ея = Всрl ×(2τрn / 60) × (N / 2a) (1.33)

Произведение lτ есть площадь, которую пронизывает магнитный поток одного полюса, поэтому:

где Ф – магнитный поток в воздушном зазоре под одним полюсом, Вδ. Следовательно, ЭДС обмотки якоря:

Ея = (рN / 60a) × (Фn) (1.35)

Величина рN / 60a – для данной машины является постоянной, поэтому обозначив ее:

ce = рN / 60a (1.36)

1.6. Выбор типа обмотки якоря.

Применение в машине постоянного тока определенного типа якорной обмотки обусловлено требованиями как технического, так и экономического характера. Выбранный тип обмотки должен обеспечивать получение необходимой величины ЭДС при определенной величине тока. При этом следует стремиться к минимальному числу уравнительных соединений.
Требования экономического характера при выборе типа обмотки сводятся к максимально возможному заполнению пазов сердечника якоря, что определяется коэффициентом заполнения паза:

где Sм – площадь сечения всех уложенных в один паз медных проводников, мм2;
Sп – площадь сечения одного паза, мм2.

При укладке в паз большого числа проводников значительная часть площади сечения паза будет занята изоляцией этих проводников. Поэтому выбранный тип обмотки якоря должен соответствовать возможно меньшему числу проводников. Преобразуя формулу (1.35) для ЭДС обмотки якоря, получим:

N = 60a × (Ея / рФn) (1.39)

Как видим, при заданных значениях Ея, р, Ф и п число проводников n обмотке прямо пропорционально числу пар параллельных ветвей а. Таким образом, при выборе типа обмотки следует отдавать предпочтение обмоткам с минимальным числом параллельных ветвей. Исходя из этих соображений наиболее желательной является простая волновая обмотка (а = 1), тем более что она не требует уравнительных соединений. Однако применение этой обмотки ограничивается следующими условиями:
— допустимая величина тока в параллельной ветви не должна превышать 350 А в машинах без компенсационной обмотки и 500 А в машинах с компенсационной обмоткой;
— предельно допустимое напряжение между двумя смежными коллекторными пластинами не должно превышать 25. 28 В в машинах большой мощности, 30. 35 В в машинах средней мощности и 50. 60 В в машинах малой мощности. При превышении указанных пределов в машине может возникнуть «круговой огонь» – особенно опасное для машины явление. Если простую волновую обмотку применить невозможно, используют другой тип обмотки с большим числом параллельных ветвей, например сложную волновую обмотку. Однако на практике самой распространенной является простая петлевая обмотка, за ней следуют сложная петлевая, простая волновая, сложная волновая и комбинированная.

Таблица 1.1. Области применения различных типов якорных обмоток.

Тип обмотки Основная область применения
Простая волновая

Сложная волновая Машины мощностью до 50 кВт, при напряжении 110. 230 В.
Машины мощностью 50. 500 кВт, при напряжении свыше 440 В.

Машины мощностью 50. 500 кВт, при напряжении 440. 600 В. Простая петлевая

Комбинированная Машины мощностью 50. 500 кВт, при напряжении 110. 230 В.
Машины мощностью свыше 500 кВт, при напряжении 440. 600 В.

Машины мощностью до 500 кВт, при напряжении до 240 В.
Машины мощностью свыше 500 кВт, при напряжении свыше 600 В.

Машины мощностью свыше 500 кВт, при напряжении свыше 600 В.

Лобовые соединения обмоток из лакированного медного проводника, как правило, дополнительно не изолируются. Лобовые соединения обмоточных элементов с неизолированной медью в качестве исходного материала при открытых пазах изолируются все вместе, а при полуоткрытых пазах каждый проводник изолируется отдельно перед укладкой в паз путем намотки вполнахлеста пропитанной ленты из стеклоткани. Места переходов от паза к лобовым соединениям обычно подвергают усиленной изоляции. Между верхним и нижним слоями той части обмоток, где действует полное напряжение машины, по всей окружности закладываются ленты из слюдостеклоткани или асбостеклоткань толщиной 0,5. 1,0 мм. Основные области применения различных типов якорных обмоток в зависимости от мощности машины и рабочего напряжения приведены в табл. 1.1.

1.7. Магнитная цепь машины постоянного тока.

Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения 1 (рис. 1.16) машины постоянного тока, замыкается через характерные участки машины, образующие ее магнитную цепь. Участками магнитной цепи являются ярмо (станина) 3, сердечники полюсов 2 (включая полюсные башмаки 4, или наконечники), сердечник якоря 5, обмотка якоря 6, зубец 7 и воздушный зазор 8 между полюсными наконечниками 4 и якорем. На рис. 1.16 изображена магнитная система машины постоянного тока с одной парой главных полюсов в режиме холостого хода. Аналогично происходит распределение магнитных потоков и в машинах с бóльшим количеством главных полюсов. Во всех случаях магнитная система представляет собой разветвленную симметричную цепь. Магнитный поток каждого полюса разделяется на две равные части и направляется к двум соседним полюсам. Величина магнитного потока прямо пропорциональна магнитодвижущей силе (МДС) F и обратно пропорциональна сумме магнитных сопротивлений Σrм всех участков магнитной цепи:

Величину основного (полезного) магнитного потока в зазоре, необходимую для наведения в обмотке якоря требуемой ЭДС, можно определить из выражения (1.35):

Ф = (60a / pN) × (Ея / n) (1.41)

Величина МДС, необходимая для создания в магнитной цепи требуемого магнитного потока, определяется при расчете магнитной цепи. Расчетная часть магнитной цепи машины состоит из пяти участков, отличающихся размерами и свойствами материалов, из которых они изготовлены, поэтому для каждого участка рассчитывают свою МДС:
Fδ – для воздушного зазора;
Fз – для зубцового слоя;
Fя – для сердечника якоря;
Fп – для сердечников пары полюсов;
Fярм – для ярма.

Рис. 1.16. Магнитная система машины постоянного тока.
1 – обмотка возбуждения; 2 – сердечник полюса; 3 – станина; 4 – башмак полюса;
5 – сердечник якоря; 6 – обмотка якоря; 7– зубец; 8– воздушный зазор.

Сумма МДС всех участков магнитной цепи представляет собой величину МДС обмотки возбуждения:

Fо.в = Fδ + Fз + Fя + Fп + Fярм (1.42)

Расчетная часть магнитной цепи включает в себя два полюса, поэтому вычисляемое значение МДС F0B представляет собой МДС обмотки возбуждения одной пары полюсов. Кроме того, выражение (1.42) справедливо лишь для режима холостого хода, т.е. при работе машины без нагрузки. Таким образом, создаваемый Fо.в магнитный поток Ф наводит в обмотке якоря ЭДС Ея заданной величины лишь в режиме холостого хода. Впоследствии будет показано, что для получения заданной величины ЭДС Ея под нагрузкой потребуется несколько большая МДС. Определим слагаемые в выражении (1.42). МДС воздушного зазора определяется по формуле:

Fδ = (2ВδmaxδКδ) / μ0 (1.43)

где Вδmax – максимальная магнитная индукция в зазоре машины, Тл; δ – величина воздушного зазора, м; Кδ – коэффициент зазора, учитывающий увеличение магнитного сопротивления зазора вследствие зубчатости поверхности якоря (Кδ = 1. 2); μ0 – магнитная проницаемость воздуха (μ0 = 4×10-7π Гн/м). МДС остальных участков магнитной цепи, выполненных из стали, определяются по формуле:

где Нх– напряженность магнитного поля, А/м, на длине участка lx, м, которая зависит от магнитной индукции и определяется по кривым намагничивания. Величина магнитной индукции в различных участках цепи определяется по формуле

где Фх – магнитный поток на участке магнитной цепи, Вδ;
Sx– площадь поперечного сечения этого участка, м2.

Используя выражения (1.42) –(1.44), можно записать выражение для МДС пары полюсов электрической машины, изображенной на рис. 1.16:

Fо.в = 2(Вδ / μ0) + 2H3h3+Hяlя+2Hпhп + Hярмlярм (1.46)

где H3, Hя, Hп, Hярм – напряженность магнитного поля соответственно зубца, сердечника якоря, сердечника полюса и ярма, А/м;
h3 и hn – высота зубцового слоя и главного полюса, м;
lя и lярм – длина средней силовой линии по якорю и ярму, м.

Если полюсные башмаки имеют пазы для компенсационной обмотки, то к перечисленным в выражении (1.46) пяти участкам магнитной цепи добавляется еще один – зубцы полюсного башмака. Наибольшим магнитным сопротивлением обладает воздушный зазор, поэтому значительная часть результирующей МДС Fо.в затрачивается на преодоление его магнитного сопротивления. Магнитное сопротивление других участков магнитной цепи, выполненных из стали, зависит от степени магнитного насыщения стали. В условиях наибольшего магнитного насыщения находится зубцовый слой, поэтому его магнитное сопротивление больше, чем сопротивление других участков магнитной цепи, выполненных из стали.

Как известно, ферромагнитные материалы обладают свойством магнитного насыщения. Поэтому зависимость между магнитным потоком машины и МДС нелинейная, т. е. поток увеличивается не пропорционально увеличению МДС обмотки возбуждения.
Это подтверждается графически зависимостью Ф = f (F), которая называется характеристикой намагничивания машины (рис. 1.17). В начальной части характеристика прямолинейна. Объясняется это тем, что при сравнительно небольших значениях магнитного потока, когда магнитная цепь не насыщена, МДС обмотки возбуждения Fо.в определяется лишь величиной МДС воздушного зазора Fs, так как магнитное сопротивление остальных участков магнитной цепи весьма незначительно.
Как видно из выражения (1.43), МДС F$ пропорциональна магнитной индукции В5, а следовательно, пропорциональна и магнитному потоку. Поэтому касательная к кривой намагничивания, проведенная через начало координат, представляет собой зависимость МДС воздушного зазора Fδ от полезного магнитного потока Ф. При увеличении МДС обмотки возбуждения до значений, выходящих за пределы линейного участка, наступает магнитное насыщение стальных элементов цепи и зависимость Ф = f (F) становится нелинейной. Первым из всех участков насыщается зубцовый слой якоря. Поэтому МДС F3 на этом участке с увеличением магнитного потока растет интенсивнее, чем на остальных участках магнитной цепи

Рис. 1.17. Характеристика намагничивания электрической машины.
1 – режим холостого хода; 2 – режим работы под нагрузкой.

Отношение результирующей МДС ΣF к МДС воздушного зазора называется коэффициентом насыщения электрической машины:

По величине Кμ можно судить о степени насыщения магнитной цепи машины и степени использования магнитных материалов. Обычно машина работает при насыщенной магнитной системе, т.е. при Кμ > 1.
Для машин традиционного исполнения Кμ = 1,25. 1,75. На рис. 1.17 значение ΔФ иллюстрирует изменение величины магнитного потока Ф электрической машины, работающей в режиме холостого хода и под нагрузкой, при одном и том же значении МДС F1 a ΔF = F2 — Fо.в – изменение МДС для поддержания постоянного значения магнитного потока Ф1.
Как следует из выражения (1.35), при неизменной частоте вращения ЭДС машины постоянного тока Ея пропорциональна величине магнитного потока Ф, а МДС возбуждения пропорциональна величине тока возбуждения Iв:

Кривая намагничивания Ф = f (F) отражает зависимость ЭДС машины от тока возбуждения Ея = f (Iв) и называется характеристикой холостого хода машины.

1.8. Реакция якоря.

При работе машины постоянного тока в режиме холостого хода ток в обмотке якоря отсутствует, и в магнитной цепи машины действует лишь МДС обмотки возбуждения Fо.в. Магнитное поле машины в этом случае является симметричным относительно оси полюсов, 26 / 203 а график распределения магнитной индукции в воздушном зазоре представляет собой кривую, близкую к трапецеидальной. Если же машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток, который создаст собственную МДС обмотки якоря Fоя. Предположим, что МДС обмотки возбуждения равна нулю и в машине действует лишь МДС Fоя. Магнитное поле, создаваемое обмоткой якоря, изображено на рис. 1.18. Как видно из рисунка, МДС обмотки якоря направлена по линии щеток (в данном случае по геометрической нейтрали). Несмотря на то, что якорь вращается, пространственное направление МДС обмотки якоря остается неизменным, так как зависит исключительно от положения щеток. Наибольшее значение МДС Fоя имеет на линии щеток, а по оси полюсов она равна нулю. Однако распределение магнитной индукции поля якоря в воздушном зазоре совпадает с распределением МДС лишь в пределах полюсных наконечников. В межполюсном пространстве магнитная индукция резко уменьшается, что объясняется увеличением магнитного сопротивления. Величина МДС обмотки якоря Fоя определяется числом проводников обмотки якоря, приходящихся на одно полюсное деление τ, и величиной тока ia в этих проводниках:

Fоя = (N / πD) iaτ (1.49)

где N / πD – число проводников обмотки якоря на единицу длины окружности якоря; ia = Iя / 2а – ток в проводниках обмотки якоря, равный току параллельной ветви, А. Обозначив (N / πD) ia = А, получим следующее выражение для МДС обмотки якоря:

где А– линейная нагрузка якоря, А/м, характеризующая часть МДС якоря, приходящуюся на единицу длины его окружности. Значение линейной нагрузки может находиться в пределах 6500. 70000 А/м в зависимости от мощности машины.

Рис. 1.18. Магнитное поле, создаваемое обмоткой якоря.


В нагруженной машине постоянного тока действуют две МДС – обмотки возбуждения Fоя и обмотки якоря Fоя. Влияние МДС обмотки якоря на основное магнитное поле машины называется реакцией якоря . Реакция якоря искажает основное магнитное поле, делая его несимметричным относительно оси полюсов машины. На рис. 1.19 показано распределение линий результирующего магнитного поля машины, работающей в режиме генератора, при вращении якоря по часовой стрелке. Такое же распределение линий магнитного поля имеет и двигатель, но только при вращении якоря против часовой стрелки. Если предположить, что магнитная система машины не насыщена, то реакция якоря лишь искажает результирующий магнитный поток, не изменяя его величины. Край полюса и находящийся под ним зубцовый слой сердечника якоря, где направление МДС обмотки якоря Fоя совпадает с направлением МДС главных полюсов Fоя, подмагничиваются. Другой край полюса и зубцы, где МДС якоря и МДС главных полюсов направлены встречно, размагничиваются. При этом результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси главных полюсов на некоторый угол, а физическая нейтраль А’В’ (линия, проходящая через точки на якоре, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали АВ на некоторый угол.
Чем больше нагрузка машины, тем сильнее искажается результирующее поле, а следовательно, тем на больший угол смещается физическая нейтраль. При работе машины в режиме генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а при работе в режиме двигателя – навстречу вращению якоря. Искажение результирующего поля машины неблагоприятно сказывается на ее рабочих характеристиках.
Во-первых, сдвиг физической нейтрали относительно геометрической приводит к более тяжелым условиям работы щеточного контакта и может служить причиной искрообразования на коллекторе.

Рис. 1.19. Форма результирующего магнитного поля машины в режиме нагрузки.

Во-вторых, искажение результирующего поля машины влечет за собой перераспределение магнитной индукции в воздушном зазоре. В результате мгновенные значения ЭДС секций обмотки якоря в моменты попадания их активных сторон в зоны максимальных значений индукции (под подмагниченные края полюсных наконечников) повышаются. Это приводит к росту напряжения Uк между смежными коллекторными пластинами. При значительных перегрузках машины напряжение Uк может превысить допустимые значения, в результате чего между пластинами может возникнуть электрическая дуга. Имеющиеся на коллекторе частицы графита и металлическая пыль способствуют развитию электрической дуги, нарушающей работу электрической машины. Если же магнитная система машины насыщена (как и бывает в большинстве случаев), то подмагничивание одного края полюсного наконечника и находящегося под ним зубцового слоя сердечника якоря происходит в меньшей степени, чем размагничивание другого края и находящегося под ним зубцового слоя якоря. Это благоприятно сказывается на распределении индукции в зазоре, которое становится более равномерным. Однако величина результирующего потока при этом уменьшается. Другими словами, реакция якоря в машине с насыщенной магнитной системой размагничивает машину. В результате ухудшаются рабочие характеристики машины: у генераторов снижается величина вырабатываемой ЭДС, у двигателей уменьшается крутящий момент. Размагничивающее влияние реакции якоря усиливается при смещении щеток с геометрической нейтрали. Объясняется это тем, что вместе со щетками смещается и вектор МДС обмотки якоря Foя (рис. 1.20). При этом Foя помимо поперечной составляющей Foяq = Foясоsβ приобретает еще и продольную составляющую Foяq = Foяsinβ, направленную вдоль оси полюсов. Если машина работает в режиме генератора, то при смещении щеток в направлении вращения якоря продольная составляющая МДС якоря Foяd действует встречно МДС обмотки возбуждения Foв, что ведет к ослаблению основного магнитного потока машины. При смещении щеток против направления вращения якоря продольная составляющая Foяd действует согласованно с Foв, что ведет к некоторому увеличению основного магнитного потока машины.

Рис. 1.20. Смещение вектора МДС магнитного поля якоря

Если же машина работает в режиме двигателя, то при смещении щеток в направлении вращения якоря продольная составляющая МДС якоря Foяd действует согласованно с МДС Foв. При смещении щеток против направления вращения якоря Foяd действует встречно МДС Foв и размагничивает машину. Вместе с тем смещение щеток с геометрической нейтрали АВ ослабляет искажающее влияние реакции якоря. Дело в том, что когда щетки расположены на геометрической нейтрали, МДС обмотки якоря Foя имеет только поперечную составляющую (Foяq = Foя) а при смещении щеток на угол β относительно геометрической нейтрали поперечная составляющая МДС обмотки якоря уменьшается (Foяq = Foясоsβ). В коллекторных машинах постоянного тока компенсация реактивной ЭДС еря осуществляется смещением щеток с геометрической нейтрали на угол β по направлению вращения якоря в генераторах, или против вращения якоря в двигателях. Щетки следует смещать за электрическую нейтраль так, чтобы индукция в зоне коммутации имела такое направление и величину, при которых в коммутирующих секциях индуцируется ЭДС, достаточная для компенсации реактивной ЭДС. Однако для полной компенсации реактивной ЭДС еря при различных нагрузках машины пришлось бы каждый раз менять положение щеток, так как положение физической нейтрали изменяется в зависимости от нагрузки. Поэтому обычно щетки устанавливают в определенное фиксированное положение, при котором полная компенсация реактивной ЭДС соответствует некоторой средней нагрузке при продолжительном режиме работы машины. Следует также напомнить, что при смещении щеток с геометрической нейтрали усиливается размагничивающее действие реакции якоря. Для машин, работающих с изменением направления вращения (с реверсом), смещение щеток с геометрической нейтрали недопустимо, так как направление смещения физической нейтрали меняется с изменением направления вращения.

Добавочные полюса.
Влияние реакции якоря на работу щеточного контакта устраняется установкой добавочных полюсов между главными полюсами. МДС этих полюсов устраняет влияние поперечной составляющей МДС обмотки якоря на геометрической нейтрали (в зоне коммутации). Добавочные полюса применяют в машинах мощностью свыше 1 кВт. Обычно МДС обмотки добавочных полюсов Fd на 15. 30% больше МДС обмотки якоря Fоя. Если величину Fd сделать больше указанной, то реактивная ЭДС в коммутируемой секции обусловливает возникновение тока коммутации ik, направленного противоположно рабочему току секции. Для компенсации влияния ЭДС еря при различных нагрузках машины обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря. В этом случае с изменением нагрузки машины МДС Fd изменяется пропорционально току якоря Iя, а следовательно, пропорционально МДС обмотки якоря Fя. Полярность добавочного полюса в генераторе должна быть такой же, как у главного полюса, следующего по направлению вращения, а в двигателе – как у предшествующего. Добавочные полюса обеспечивают удовлетворительную коммутацию в машине только в пределах номинальной нагрузки Iном. 29 / 203 При перегрузках машины происходит насыщение магнитной цепи добавочных полюсов. В этом случае реактивная ЭДС еря продолжает изменяться пропорционально току нагрузки, а рост ЭДС генератора из-за насыщения магнитной цепи несколько задерживается. Насыщению сердечников добавочных полюсов способствует магнитный поток рассеяния Фдр, замыкающийся через сердечники смежных главных полюсов и станину. В целях уменьшения магнитного потока рассеяния, а следовательно, обеспечения более линейной зависимости потока добавочных полюсов от тока нагрузки, воздушный зазор разделяют на две части: δ1 (находится между сердечником добавочного полюса и якорем) и δ2 (находится между сердечником добавочного полюса и станиной). В этом случае зазор δ2 ограничит поток рассеяния Фдр. Зазор δ2 создается с помощью пакета прокладок из немагнитного материала, закладываемых между станиной и сердечником добавочного полюса. Обычно в машине устанавливают столько же добавочных полюсов, сколько и главных. Исключение составляют некоторые машины специального назначения, в которых из конструктивных соображений число добавочных полюсов уменьшают в два раза. Электрические машины мощностью до 1 кВт выполняются без добавочных полюсов.

Компенсационная обмотка.
Действенным средством устранения неравномерного распределения индукции в воздушном зазоре является применение в машинах постоянного тока компенсационной обмотки . Компенсационная обмотка укладывается в пазах наконечников главных полюсов и включается последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы ее МДС Fко была направлена встречно МДС обмотки якоря Fоя. Компенсационная обмотка распределяется по всей поверхности полюсного наконечника всех главных полюсов. Включение компенсационной обмотки последовательно с обмоткой якоря обеспечивает автоматическую компенсацию МДС обмотки якоря при любой нагрузке машины. При наличии компенсационной обмотки магнитное поле машины при переходе из режима холостого хода к режиму нагрузки остается практически неизменным. Машина постоянного тока с компенсационной обмоткой более надежна в работе. Однако компенсационная обмотка делает машину дороже и сложнее, поэтому ее применяют только в машинах большой мощности, работающих с резкими колебаниями нагрузки.

1.9. Коммутация в машинах постоянного тока.

Коммутацией называется процесс переключения секций из одной параллельной ветви в другую путем замыкания этих секций щетками. В одной из двух параллельных ветвей, имеющих общую щетку, ток направлен от начала секции к концу, а во второй – от конца к началу, поэтому за время коммутации направление тока в переключаемой секции должно измениться на противоположное. На рис. 1.21 показаны три положения секции одноходовой петлевой обмотки в процессе коммутации. Ширина щетки bщ принята равной ширине коллекторного деления tк, толщина изоляции между коллекторными пластинами не учитывается. Предполагается, что нагрузка машины постоянна и ток в каждой параллельной ветви равен ia. В начальный момент времени (t = 0) щетка находится под пластиной 2 (рис. 1.21, а), ток секции iс в проводнике cd и в коллекторной пластине 2 равен току двух параллельных ветвей, т.е. 2ia. В проводнике ab ток секции iс = 0. В секции ас, присоединенной к коллекторным пластинам 1 и 2, ток iс = ia и направлен от начала а секции к ее концу с. Через отрезок времени t

Рис. 1.21. Схема коммутации секций обмотки якоря.

Время Тп за которое секция перемещается от одной щетки к другой, значительно больше, и ток в этой секции сохраняется неизменным в течение Тп. Для определения тока в секции воспользуемся уравнением равновесия ЭДС и напряжений. Согласно второму правилу Кирхгофа алгебраическая сумма падений напряжений в замкнутом контуре электрической цепи равна алгебраической сумме ЭДС в этом контуре: Σe = Σir. Цепь (см. рис. 1.21, б), состоит из пяти участков: секции ас с сопротивлением rс, соединительного провода лобовой части cd с сопротивлением rпр контакта пластины 2 со сбегающей частью щетки, имеющего сопротивление rщ2, контакта пластины 1 с набегающей частью щетки, имеющего сопротивление rщ1, и соединительного провода лобовой части bа с сопротивлением rпр. При правом обходе этой цепи, начиная с узла а, сумма падений напряжений:

icrc + icrпр + icrщ2 — icrщ1 — icrпр = Σe (1.51)

Согласно теории коммутации общее сопротивление rщ контакта соответствует полной рабочей поверхности щетки, распределяется обратно пропорционально величине поверхности соприкосновения щетки с коллекторными пластинами и не зависит от плотности тока в контакте. При наиболее распространенных угольных и электрографитовых щетках сопротивление скользящего контакта значительно превосходит сопротивление остальных участков рассматриваемой цепи, поэтому можно не учитывать влияние сопротивлений rс и rпр на изменение тока iс. Применив это допущение, получим

ic = ia (1 — 2t / Tк) + Σе / rщ (Tк / t + Tк / Тк — t) (1.52)

Линейное изменение тока.
Если Σе = 0, т. е. слагаемые этой суммы уравновешивают друг друга, или каждое из слагаемых равно нулю (при очень малой скорости вращения якоря), то изменение тока в переключаемой секции происходит вследствие одновременного увеличения сопротивления контакта сбегающей части щетки с коллекторной пластиной и уменьшения сопротивления контакта набегающей части щетки. В таком случае в выражении (1.52) остается только составляющая:

ic = ia (1 — 2t / Tк) (1.53)

Плотность тока в набегающей части щетки равна току секции iа деленному на площадь контакта этой части щетки. Таким образом, при линейном изменении тока в переключаемой секции плотности тока в набегающей и сбегающей частях щетки одинаковы в течение всего периода коммутации. При учете сопротивления секции и лобовых соединений в первую половину периода коммутации изменение тока в секции происходит быстрее, а во вторую – медленнее. Вызванное этим увеличение плотности тока в набегающей и сбегающей частях щетки невелико, так как для графитовых щеток rщ значительно больше rс = 2rпр.

Замедленное и ускоренное изменение тока.
При наличии ЭДС в переключаемой секции (Σе = 0) ток в секции iс состоит из двух составляющих. Первая из них замыкается через внешнюю цепь машины и зависит от тока в обмотке якоря. Вторая составляющая

iк = Σе / rщ (Тк / t + Тк / Тк — t) (1.54)

замыкается по цепям секция–щетка (рис. 1.22) и, таким образом, является током короткого замыкания секции. Знаменатель выражения (1.54) представляет собой переменное в течение периода коммутации Тк сопротивление соединенных последовательно контактов коллекторных пластин с набегающей и сбегающей частями щетки. Минимальное сопротивление соответствует времени Tк/2. При t = 0 и t = Тк сопротивление контактов достигает бесконечно большого значения, соответствующего разрыву цепи короткого замыкания секции. Как и ток, ЭДС считается положительной, если ее направление совпадает с направлением прямого обхода рассматриваемой цепи. При постоянном положительном значении Σе ток короткого замыкания в течение всего периода коммутации имеет положительное значение и достигает максимальной величины iкmах = Σе / 4rщ при t = Tк/2.

Рис. 1.22. Образование реактивного тока коммутации.

Наличие положительного тока iк замедляет изменение тока в секции и увеличивает плотность тока в сбегающей части щетки. При большой скорости изменения тока в конце периода коммутации суммарная ЭДС Σе увеличивается, в результате чего iк ≠ 0 и iс iк ≠ — ia. Разрыв цепи с током и повышенная плотность тока могут явиться причиной искрения под сбегающей частью щетки. Если Σе имеет отрицательное значение, то в начале коммутации составляющие тока iк и iс направлены в противоположные стороны. При этом происходит ускорение процесса изменения тока в переключаемой секции, и плотность тока в сбегающей части щетки становится меньше, чем в набегающей. Условия переключения секции в этом случае более благоприятны, чем при положительной Σе, однако при значительной величине ЭДС может возникнуть искрение под щеткой.

Электродвижущие силы в переключаемой секции.
В области расположения сторон секции существуют магнитный поток, создаваемый током переключаемых секций, и магнитный поток, создаваемый током других проводников и обмоток. При вращении якоря эти потоки наводят в переключаемой секции ЭДС, сумма которых определяет ток короткого замыкания секции. Величина магнитного потока, созданного током переключаемой секции, определяется индуктивностью Lc секции и ее током iс. При изменении тока изменяется также и магнитный поток, и в секции с количеством витков wс наводится ЭДС

eL = d( Lcic) / dt (1.55)

Скорость dic/dt изменения тока от +ia до -ia в течение времени Тк отрицательна (рис. 1.23), поэтому eL имеет положительное значение, так как Lc всегда больше нуля. Следовательно, ЭДС eL замедляет изменение тока в переключаемой секции. Среднюю скорость изменения тока в секции за период Тп коммутации от начального значения +ia до конечного значения -ia можно записать как

(dic/dt)ср = — (2ia / Tк) (1.56)

Току +ia соответствует магнитный поток обмотки возбуждения Ф0 в. Среднее значение ЭДС самоиндукции секции:

EL= wc (2Фов / Tк) (1.57)

При постоянной индуктивности секции:

ЕL = 2Lcia / Tк (1.58)

В каждом пазу якоря обычно размещены стороны нескольких секций, которые пронизывает общий магнитный поток. При полном шаге обмотки (или небольшом его укорочении) соседние щетки одновременно переключают секции, стороны которых размещены в верхнем и нижнем слоях одного паза. Таким образом, в рассматриваемой секции будет наводиться ЭДС взаимной индукции вследствие изменения магнитного потока, вызванного изменением тока в другой секции, переключаемой соседней щеткой. При вращении якоря проводники переключаемой секции пересекают неподвижный поток якоря, и в них наводится ЭДС, направление которой совпадает с направлением тока в начале переключения секции. Следовательно, ЭДС, обусловленные потоком якоря, замедляют процесс изменения тока в секции. Если в воздушном зазоре над сторонами переключаемой секции магнитная индукция, обусловленная поперечной составляющей МДС обмотки якоря, равна Вояq, то ЭДС, наводимая в секции под действием Вояq, определяется по формуле: еояq = 2Вояqwclv. В зоне коммутации кроме потока якоря может присутствовать магнитный поток главных полюсов (при смещении токораздела с геометрической нейтрали) или же поток добавочных полюсов. При вращении якоря проводники переключаемой секции пересекают этот поток, и в них наводится ЭДС, величина которой определяется по формуле ек = 2Bкwclv, где wc – число витков секции; l – длина активной части проводника секции, м; v – линейная скорость проводника, м/с.

Рис. 1.23. График изменения тока в секции обмотки якоря при коммутации.

Индукция Вк в воздушном зазоре над сторонами переключаемой секции обусловлена МДС главного или добавочного полюса. Направление ЭДС ек зависит от направления магнитного потока и направления вращения якоря и определяется по правилу правой руки.

Средства уменьшения ЭДС в переключаемой секции.
Если МДС обмотки возбуждения Fов направлена встречно МДС обмотки якоря Fо то Σе может быть значительно меньше суммы еояq + ер за счет противоположно направленной ЭДС ек. При этом изменение тока в переключаемой секции приближается к линейному. Две МДС – индуктора и якоря – на одном участке магнитной цепи (в воздушном зазоре) создают результирующую магнитную индукцию Вк в месте расположения сторон переключаемой секции. В этом случае:

epк = 2wclvΣBк (1.59)

где ерк – реактивная ЭДС в коммутируемой секции, В. Реактивная ЭДС ер в течение периода коммутации не остается постоянной. Для секций, занимающих разное положение по ширине пазов, форма изменения ер неодинакова, поэтому уравновесить ее мгновенное значение с помощью ЭДС ерк не представляется возможным. Обычно ограничиваются равенством средних значений этих ЭДС или небольшим превышением ерк над ек. При работе машины в режиме генератора направление тока в секции в начале периода коммутации совпадает с направлением ЭДС параллельной ветви обмотки якоря, поэтому для получения коммутационной ЭДС необходимо расположить переключаемую секцию в зоне действия главного полюса противоположной полярности, т.е. сместить токораздел с геометрической нейтрали в направлении вращения якоря путем смещения в этом направлении щеток. При работе машины в режиме двигателя для получения коммутирующей ЭДС необходимо сместить токораздел с геометрической нейтрали в направлении, противоположном направлению вращения якоря.

МДС главных полюсов при последовательном соединении обмотки возбуждения с обмоткой якоря изменяется пропорционально току якоря. Поэтому ЭДС ерк увеличивается с увеличением нагрузки так же, как и ЭДС ер. Благодаря этому в машинах с последовательным возбуждением при одном и том же положении щеток можно получить удовлетворительную коммутацию в широком диапазоне изменения нагрузки. В машинах с параллельным и смешанным возбуждением для уравновешивания реактивной ЭДС ер следовало бы смещать щетки в соответствии с нагрузкой. Однако для удобства обслуживания щетки устанавливаются в положение геометрической нейтрали. Поэтому при малых нагрузках изменение тока в переключаемой секции получается ускоренным, а при больших нагрузках – замедленным. При изменении направления вращения якоря необходимо также изменить положение щеток относительно геометрической нейтрали.

В настоящее время описанный способ уменьшения реактивной ЭДС в переключаемой секции применяется только в машинах малой мощности, предназначенных для одного направления вращения. Основным средством уравновешивания реактивной ЭДС в переключаемой секции является установка добавочных полюсов между главными полюсами. Токораздел в этом случае совпадает с геометрической нейтралью. Полярность добавочных полюсов должна быть такой же, как ранее установленная полярность главных полюсов в зоне коммутации, т.е. при работе в режиме генератора за главным полюсом по вращению якоря следует добавочный полюс противоположной полярности, а в режиме двигателя – добавочный полюс той же полярности. Для соблюдения пропорциональности между нагрузкой машины и магнитным потоком добавочных полюсов необходимо обмотку полюсов включить последовательно с обмоткой якоря и магнитную цепь выполнить ненасыщенной. Индукция в магнитной цепи не должна превышать 1,2 Тл при номинальной нагрузке. Это относится также к результирующей магнитной индукции на общих участках магнитной цепи главных и добавочных полюсов, где их МДС складываются. МДС добавочных полюсов Fд должна уравновесить МДС обмотки якоря, создать необходимую индукцию ΣВк в зоне коммутации и быть направлена противоположно Врк. При отсутствии компенсационной обмотки первая составляющая МДС добавочных полюсов равна поперечной МДС обмотки якоря при расположении токораздела на геометрической нейтрали.
Вторая составляющая представляет собой МДС, необходимую для проведения потока по магнитной цепи добавочных полюсов. При ненасыщенной магнитной цепи МДС ΣF всей магнитной цепи машины можно принять равной МДС двух воздушных зазоров 2δд между якорем и добавочными полюсами. Для уменьшения влияния насыщения стальных участков магнитной цепи добавочных полюсов в машинах небольшой мощности зазор δд делают почти в 2 раза больше по сравнению с зазором между якорем и главными полюсами δ0. В крупных машинах при шинах при большом зазоре δд возможно искажение распределения индукции ΣВк магнитодвижущей силой главных полюсов. Поэтому зазор δд делают почти равным зазору между якорем и главным полюсом δ0, а для линейности характеристики намагничивания цепи добавочных полюсов ставят прокладки из немагнитного материала между добавочными полюсами и станиной.

Среднее профессиональное образование
А. В. Грищенко, В. В. Стрекопытов
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Учебник

Комбинированная обмотка

Комбинированная обмотка представляет собой комбинацию петлевой и волновой обмоток, расположенных в одних пазах и присоединенных к одному коллектору (рис. 4.22), т.е. в пазу размещенные четыре слоя проводников, а к каждой коллекторной пластине припаянные четыре проводника. Преимущество комбинированной обмотки — большое число параллельных ветвей. Эта обмотка может быть выполнена лишь при условии равенства чисел параллельных ветвей в волновой и петлевой обмотках. Так как для ПО , а для ВО , то волновая обмотка выполняется с числом ходов .

Число параллельных ветвей комбинированной обмотки

В КО одна обмотка по отношении к другой является уравнителем. Таким образом, отпадает необходимость во внешних уравнительных соединениях.

КО применяется в машинах большой мощности, в машинах с резко переменной нагрузкой, в скоростных машинах, в которых усложнено выполнение уравнителей. Секции равносекционной обмотки показаны на рисунке 4.23, разрез — на рисунке 4.22.

Шаги комбинированной обмотки

Рис. 4.22

Рис. 4.23 Секции КО

Эта обмотка имеет довольно высокий коэффициент заполнения паза. Недостаток — наличие большого количества паек в лобовых частях обмотки. Число параллельных ветвей обмоток одинаково, по каждой обмотке протекает половина тока, т.е. каждая обмотка рассчитывается на половину мощности МПТ.

Петлевая обмотка обычно используется при больших токах, т.е. в тяговых двигателях электровозов и тепловозов.

3.2.2. Волновая обмотка.

При волновой обмотке начало первой секции припаивают к первой коллекторной пластине, а конец через несколько пластин, например к пятой. При этом шаг по коллектору составляет 1-5 (на рис. 94 (б) шаг по коллектору 1-14). При этом первая секция расположена под одной парой полюсов, а вторая под другой парой полюсов. Но все равно, конец последней секции припаивается к началу первой. Таким образом, обмотка якоря так же представляет собой замкнутую катушку, которая при помощи щеток делится на параллельные ветви. Для правильного распределения тока по виткам якоря, при простой волновой обмотке достаточно поставить всего две щетки. Таким образом, будет образовываться всего две параллельные ветви независимо от количества полюсов.

Но в реальных электрических машинах, для уменьшения плотности тока под щеткой, количество щеток увеличивают. Причем, одноименные щетки устанавливают на расстоянии начала и конца одной секции. При этом количество параллельных ветвей изменяться не будет. Ток при волновой обмотке независимо от количества полюсов идет по двум параллельным ветвям.

Волновая обмоткаприменяется при больших напряжениях (1500-3000В), т.е. во вспомогательных машинах локомотивов и, в частности, в тяговых двигателях электропоездов.

Из приведенного рисунка видно, что лобовые изгибы при петлевой обмотке загнуты вовнутрь витка, а при волновой обмотке –наружу витка.

Примечание: Сравнение петлевой и волновой обмоток.

— Условия: Допустим, имеется 4-х полюсная машина постоянного тока, с 4-мя щетками. Количество пазов в сердечнике якоря рассчитано на 16 секций(витков). Сечение провода, из которого делают витки обмотки якоря рассчитан на допустимый ток – 10А. Допустимое напряжение между соседними коллекторными пластинами, по условиям изоляции, составляет – 30 В.

10А

Вопрос: Электрическая машина с какой обмоткой способна пропустить больший электрический ток и выдержать более высокое напряжение без пробоя изоляции между коллекторными пластинами?

+

Петлевая обмотка:

Таким образом, данная электрическая машина с петлевой ООО

10А

обмоткой способна пропустить через себя ток не более 40А, и рассчитана на напряжение не выше 120В.

+

Волновая обмотка:

Таким образом, данная машина с волновой обмоткой рассчитана

на напряжение не выше 210В и способна пропустить

через себя ток не более 20А.

Вывод: Электрические машины с петлевой обмоткой способны пропустить через себя больший электрический ток, но выдерживают значительно меньшее напряжение, чем машины с волновой обмоткой.

Уравнительные соединения.

Из-за технологических допусков при изготовлении электрической машины, в параллельных ветвях обмотки якоря возникают различные ЭДС. Под действием этой разницы ЭДС возникают уравнительные токи, которые замыкаются через одноименные щетки машины. Эти токи перегружают отдельные щетки, что способствует повышенному искрению под ними. Для разгрузки щеток от уравнительных токов применяют уравнительные соединения. Уравнительные соединения укладываются под лобовыми изгибами витков обмотки якоря и соединяют между собой те коллекторные пластины , которые на данный момент будут замыкаться одноименными щетками. ( исходя из рисунка .102- это 1к.пл. с10 к.пл.; 2-я с 11; 3-я с 12 и т.д.)

Примечание: при волновой обмотке уравнительные соединения не ставятся, так как её секции обмотки поочередно выполняют функцию уравнительных соединений.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Комбинированная обмотка

Мелкосерийное литье изделий из пластика на термопластавтоматах
Узнать цену!

V. СХЕМЫ ОБМОТОК МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

38. ЯКОРНЫЕ ОБМОТКИ (ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ)*

Обмотка якоря состоит из секций. Секция представляет собой наименьшую часть обмотки, заключенную между двумя присоединениями к коллектору. Секция может состоять из одного, двух или нескольких витков. Активные стороны одной секции располагаются под разными полюсами на расстоянии, обычно равном или несколько меньшем полюсного деления.

Полюсное деление — часть окружности якоря, приходящаяся на один полюс. Величина полюсного деления (см)

где D — диаметр якоря, см; 2 р — число полюсов.

В зависимости от формы секций различают волновые, петлевые и комбинированные (лягушечьи) обмотки. Волновые и петлевые обмотки в зависимости от шага по коллектору могут быть простыми и сложными. Сложные обмотки называют также многоходовыми.

Волновые в петлевые якорные обмотки обычно выполняют двухслойными **, присоединяя к каждой коллекторной пластине выводы двух секций. Следовательно, число секций обмотки S равно числу коллекторных пластин К. В пазу якоря может быть расположено две, четыре, шесть и более сторон секций. Каждая пара расположенных друг над другом сторон образует элементарный паз, число которых в реальном пазу обозначается ип. Число элементарных пазов якоря равно произведению числа пазов z на ип и равно числу секций, т. е. zэ=zип=S=K***.

Лягушечья обмотка укладывается в пазах якоря в четыре слоя, причем волновая обмотка охватывает петлевую (одна сторона секции волновой обмотки располагается у клина, вторая — на дне паза).

В зависимости от взаимного расположения выводов секций различают также неперекрещенные и перекрещенные обмотки (рис. 89, 90).

Катушкой якорной обмотки называют группу секций, образующих элемент обмотки до укладки в пазы. Катушка состоит из одной или нескольких секций, обычно имеющих общую корпусную изоляцию. Число секций в каждой стороне катушки равно числу элементарных пазов в реальном пазу якоря. Часть катушки, расположенную вне пазов, называют лобовой частью. Различают лобовую часть со стороны коллектора и с противоположной стороны.

При большом сечении шин катушки для облегчения укладки выполняют из двух частей (полукатушек). Секция в этом случае имеет обычно один виток и состоит из двух полусекций (стержней). Такая обмотка называется стержневой. Переход из верхнего слоя в нижний осуществляется при помощи хомутиков, надеваемых на концы стержней и припаиваемых к ним.

* Схемы разметки якоря см.: Виноградов Н. В. Обмотчик электрических машин. — М: Высшая школа, 1977.

** В очень редких случаях для низковольтных машин на большие токи применяют однослойные обмотки.

*** Исключение из этого правила составляет обмотка с «мертвой> секцией.

Рис. 89. Простая петлевая обмотка: а — неперекрещенная (правая), б — перекрещенная (левая)

Рис. 90. Простая волновая обмотка: а — неперекрещенная (левая), б — перекрещенная (правая)

Таблица 59. Шаги, числа параллельных ветвей и условия симметрии петлевых и волновых обмоток

Примечание. y1 — первый шаг — расстояние между сторонами одной и той же секции (ширина секции). Обычно выполняются обмотки с первым шагом y1≤τ; y2 — второй шаг — расстояние между второй стороной данной секции и первой стороной следующей за ней по схеме секции; у — результирующий шаг — расстояние между верхними или нижними сторонами двух следующих друг за другом по схеме секций; ук — шаг по коллектору — расстояние между началом и концом секции, измеренное числом коллекторных делений; — число параллельных ветвей; m — коэффициент кратности, равный числу простых обмоток, составляющих сложную; | — наименьшее дробное число, которое надо вычесть или прибавить, чтобы частное от деления числа элементарных пазов на число полюсов равнялось целому числу.

Шаги обмотки y1, y2 и у обычно выражают числом секций или элементарных пазов (табл. 59). Шаг по коллектору измеряют числом коллекторных пластин, а шаг по пазам yz — числом пазов. Полюсное деление т также может быть выражено числом элементарных пазов:

Якорные обмотки должны удовлетворять требованиям симметрии, поэтому соотношения между ип, z, а и К должны иметь определенные значения (см. табл. 59). В сложной волновой обмотке выбор ип и z еще более ограничен (табл. 60).

Значения ип при числе пар полюсов

§ 25.3. Уравнительные соединения и комбинированная обмотка якоря. Уравнительный стык

Стык уравнительный тип Р-65 проект СП848.000

Предназначен для компенсации продольных температурных деформаций рельсовых плетей, примыкающих к сварным стрелочным переводам, работающим в составе бесстыкового пути. Он должен защищать стрелку и крестовину стрелочного перевода от взаимных смещений их элементов. Применяется на путях 1 и 2 классов железнодорожных линий со смешанным грузопассажирским движением поездов.

Проект СП848 Стык уравнительный типа Р-65.

Устанавливается как для двух рельсовых нитей, так и для однорельсовой нити (в зависимости от исполнения). Крепление к основанию через закладные болты или через шурупно-дюбельное крепление (в зависимости от исполнения).

  • Остряки закалены ТВЧ.
  • Рельсы и рельсы подвижные объемно-закаленные.

Технические характеристики

Ширина колеи, мм 1520
Полная длина, мм 12500
Максимальная статическая нагрузка на рельс, кН 245
Максимальная скорость движения, км/ч
пассажирских поездов 250
грузовых поездов 100
Нормативный ресурс до снятия, млн. т 320
Наибольшее компенсируемое продольное перемещение, мм ±50
Максимальная длина отгрузочного места, мм 12500
Максимальная масса отгрузочного места, т 1,25
Масса (без брусьев), т не более 2,6

Комплект поставки

Стык уравнительный, шт. 2
Ящик с деталями стыка уравнительного, шт. 1

В комплект поставки не включены

Подкладка КБ-65 ГОСТ 16277-93, шт. 34
Скоба для изолирующей втулки КБ ЦП 138, шт. 100
Втулка изолирующая КБ ЦП 142, шт. 100
Прокладка ПБР 65×8, ЦП 143, шт. 34
Прокладка КБ-10С ЦП 328, шт. 36
Болт М22-8g×175.36 ГОСТ 16017-79 с шайбой и гайкой, шт. по 100
Брусья железобетонные по проекту ВНИИЖТ № 98-02, шт. 7
Шпалы железобетонные С-56-2М ГОСТ 10629-88 18
* Возможна поставка любых комплектующих к стрелочным переводам по отдельному заказу

Форма отгрузки В полувагоне по 12 комплектов.

ООО «Муромская стрелочная компания» — Стык уравнительный тип Р65 проект СП848.000

Стык уравнительный типа Р65.

Предназначен для компенсации продольных температурных деформаций рельсовых плетей, примыкающих к сварным стрелочным переводам, работающим в составе бесстыкового пути. Он должен защищать стрелку и крестовину стрелочного перевода от взаимных смещений их элементов. Применяется на путях 1 и 2 классов железнодорожных линий со смешанным грузопассажирским движением поездов.

Устанавливается как для двух рельсовых нитей, так и для однорельсовой нити (в зависимости от исполнения). Крепление к основанию через закладные болты или через шурупно-дюбельное крепление (в зависимости от исполнения).

Остряки закалены ТВЧ.

Рельсы и рельсы подвижные объемно-закаленные.

Ширина колеи, мм

Полная длина, мм

Максимальная статическая нагрузка на рельс, кН

Максимальная скорость движения, км/ч

Нормативный ресурс до снятия, млн. т

Наибольшее компенсируемое продольное перемещение, мм

Максимальная длина отгрузочного места, мм

Максимальная масса отгрузочного места, т

Масса (без брусьев), т не более

Стык уравнительный, шт.

Ящик с деталями стыка уравнительного, шт.

В комплект поставки не включены:

Подкладки КБ65 ГОСТ 16277-93, шт.

Скоба для изолирующей втулки КБ ЦП138, шт.

Втулка изолирующая КБ ЦП142, шт.

Прокладки ПБР 65х8, ЦП143, шт.

Прокладки КБ-10С ЦП328, шт.

Болты М22-8gх175.36 ГОСТ 16017-79 с шайбами и гайками, шт.


Брусья железобетонные по проекту ВНИИЖТ № 98-02, шт.

Шпалы железобетонные С-56-2М ГОСТ 10629-88

В полувагоне по 12 комплектов.

Монтаж и эксплуатация стыка уравнительного типа Р65 (Раздел дипломной работы)

Монтаж и эксплуатация стыка уравнительного типа Р65.

1. Назначение изделия

1.1.1. Стык уравнительный типа Р65 на железобетонных брусьях проект (СП848.000) предназначен для компенсации продольных температурных деформаций рельсовых плетей, примыкающих к сварным стрелочным переводам, работающим в составе бесстыкового пути. Применяется в главных путях и ответвлениях от них железнодорожных линий МПС России со смешанным грузом, пассажирским движением поездов и скоростями движения пассажирских поездов до 200 км/час, грузовых поездов до 100 км/час.

1.1.2. Стык уравнительный должен защищать стрелку и крестовину стрелочного перевода от взаимных смещений их элементов, нарушающих нормальную работу переводных механизмов, внешних замыкателей, а также создающих условия для нарушения безопасности движения по стрелочному переводу.

1.1.3. В зависимости от расположения стрелочного перевода относительно примыкающих участков бесстыкового пути возможны различные схемы установки уравнительных стыков. В каждом отдельном случае схема установки и места расположения уравнительных стыков разрабатывается и утверждается Службой пути дороги.

1.1.4. При выборе схемы расположения стыков уравнительных и их необходимого количества следует исходить из требований п.1.1.2.

1.1.5. В качестве примера на рисунке 1 приведены типовые схемы установки стыков уравнительных.

1.2.1. Тип рельсов Р65

1.2.2. Ширина колеи, мм 1520

1.2.3.Полная длина, мм 12500

1.2.4.Максимальная статическая нагрузка на рельс

— от оси локомотива, кН 240

— от оси вагона, кН 235

1.2.5. Максимальная скорость движения по стыку

— пассажирских поездов, км/час 200

— грузовых поездов, км/час 100

1.2.6. Наибольшее компенсируемое продольное

перемещение, мм +50

1.2.7. Нормативный ресурс, млн.т бр. 320

1.3 Устройства и работа

1.3.1. Эпюра уравнительного стыка и схема геометрических размеров приведена на монтажном чертеже СП 848.000

1.3.2. Основными элементами уравнительного стыка являются: рельс подвижный, остряк, брусья железобетонные и специальные скрепления.

1.3.3. Рельс подвижный представляет собой рельс типа Р65 один конец которого приваривается к окончанию бесстыковой рельсовой плети. Другой конец рельса свободный и отогнут наружу колеи по круговой кривой R=60м.

Компенсация продольных температурных перемещений конца рельсовой плети происходит за счет смещения рельса подвижного относительно остряка.

1.3.4. Остряк выполнен из острякового профиля ОР65 с приварным рельсовым окончанием. В зоне прилегания к рельсу подвижному головка остряка острогана.

1.3.5. Соединение остряка и рельса подвижного осуществлено по схеме «косой стык». Закрепление остряка и рельса подвижного в вертикальной и горизонтальной плоскости в зоне соединения осуществляется с помощью специальных скреплений, смонтированных на железобетонных брусьях.

1.3.5. Всего в состав подрельсового основания уравнительного стыка входит 7 специальных железобетонных брусьев одного типоразмера и 18 типовых железобетонных шпал.

1.3.6 Конструкция железобетонных брусьев позволяет монтировать на них, в зависимости от необходимости, уравнительные стыки, как по одной рельсовой нити, так и по двум одновременно.

1.4. Средства измерения

1.4.1. Средства измерения определены «Инструкцией по текущему содержанию пути»

2.1. Запрещается эксплуатировать уравнительные стыки, у которых допущена хотя бы одна из неисправностей, указанных в п.3.15 «»Правил технической эксплуатации железных дорог Российской Федерации и «Инструкции по текущему содержанию железнодорожного пути» ЦП-485.

2.2. Остряковая часть уравнительного стыка при укладке должна располагаться со стороны стрелочного перевода.

2.3. После укладки рельс подвижный приваривается к примыкающей бесстыковой плети, а остряк в зависимости от места расположения к рамному рельсу стрелочного перевода или к рельсу, примыкающему к гибкой ветви сердечника крестовины за пределами укладки брусьев стрелочного перевода.

2.4. Между рельсом подвижным и остряком устанавливаются рельсовые соединители.

3.1. Промежуток времени между укладкой уравнительного стыка и приваркой его рельсовых элементов к примыкающим участкам пути не должен превышать 2 месяца.

3.2. Сборка блока стыка уравнительного осуществляется следующим образом:

— Разложить брусья и шпалы по эпюре согласно маркировке. Устранить края шпал и брусьев по прямой линии.

— Разложить на каждой шпале кроме шпалы ближней к брусу со стороны рельса острякового, элементы скреплений ( резиновые прокладки, металлические подкладки) согласно монтажному чертежу, при этом отверстия в шпалах, прокладках и подкладках должны совпадать.

— Разложить на шпалах прокладки под подошву рельсовых элементов.

— Разложить резиновые прокладки на брусьях и ближайшей к брусьям со стороны рельса острякового шпале.

— Уложить рельсы подвижные в сборе с остряками, выдержав ширину колеи в соответствии с монтажным чертежом.

— Установить взаимное положение острия остряка и отогнутого конца рельса подвижного в соответствии с монтажным чертежом в случае укладки стыка уравнительного при температуре закрепления примыкающей рельсовой плети.

— В случае укладки уравнительного стыка при температуре, отличающейся от температуры закрепления, примыкающей рельсовой плети, откорректировать положение отогнутого конца рельса подвижного на величину температурной деформации в диапазоне разницы температур закрепления плети и укладки уравнительного стыка.

— Величина перемещения рельса подвижного относительно острия остяка от указанного в чертеже положения в зависимости от разности температуры закрепления примыкающей плети и температуры укладки уравнительного стыка определяется согласно пункта 3.5. Технических указаний по устройству, укладке и содержанию бесстыкового пути.

— Установить и закрепить закладные болты.

3.3. Выбрать вариант укладки стыка уравнительного. Могут быть использованы 2 варианта.

1. ) Сразу после укладки производится приварка рельсовых элементов стыка уравнительного к примыкающим рельсам.

2. ) После укладки, в местах примыкания рельсовых элементов стыка уравнительного к примыкающим рельсам, устанавливаются обычные путевые стыки на металлических накладках, затем в течение двух месяцев производится сварка этих стыков.

3.4. Перед укладкой блока стыка уравнительного произвести разметку и подготовку примыкающих рельсов в зависимости от выбранного варианта укладки. Остряк следует располагать со стороны стрелочного перевода.

3.5. После укладки стыка уравнительного в зависимости от принятого варианта укладки производится сборка стыков рельсовых элементов стыка уравнительного с примыкающим рельсами с применением графитовой смазки или их сварка.

3.6. Сварка рельсовых элементов уравнительного стыка с примыкающими рельсами производится со стороны стрелочного перевода алюмино – термитным способом по техническим указаниям, утвержденным МПС 15.05.97, со стороны плети бесстыкового пути электроконтактным способом.

3.7. Ширина колеи после монтажа должна быть:

— в местах примыкания 1520+ мм

— в острие остряка для СП 848.000 1524+ мм

для СП 848.000.01 и

СП 848.000.02 1522+ мм.

3.6. Проверить расстояние между острием остряка и отогнутым концом рельса подвижного. Размер должен соответствовать указанному на смонтажном чертеже с учетом поправки в соответствием с п.3.2.

3.7. Обкатка уравнительного стыка производится в соответствии с типовыми технологическими процессами по смене стрелочных переводов, утвержденными ЦП МПС России.

4.Техническое обслуживание и текущий ремонт.

4.1. Эксплуатация уравнительного стыка должна осуществляться в соответствии с «Правилами технической эксплуатации железных дорог РФ» и «Инструкцией по текущему содержанию железнодорожного пути» ЦП-485.

4.2. Возможные неисправности и рекомендации по их устранению приведены в «Инструкции по текущему содержанию железнодорожного пути» ЦП-485.

4.3. Техническое обслуживание уравнительного стыка предусматривает проверки и планово-предупредительные работы по текущему содержанию.

4.4. Виды и сроки проверок установлены в приказе №165 от 03.06.2002 такие же, как для стрелочного перевода: дорожный мастер два раза в месяц в начале с 5 по 10 число и в конце с 20 по 25 число совместно с бригадиром пути, а бригадир пути еженедельно.

4.5. Планово – предупредительные работы должны выполняться по рабочим технологическим процессам, которые разрабатываются на основе «Правил и технологии выполнения основных работ при текущем содержании пути» и типовых технологических процессов.

4.6. Планово – предупредительные работы по текущему содержанию металлических частей уравнительных стыков должны производится по мере из износа.,

4.7. На каждый уравнительный стык должен быть заведен технический паспорт, куда должны заносится все появляющиеся неисправности и виды производимых работ.

Стык уравнительный тип Р-65 проект 2910.01.000

Предназначен для компенсации продольных температурных деформаций рельсовых плетей, примыкающих к сварным стрелочным переводам, работающим в составе бесстыкового пути. Он должен защищать стрелку и крестовину стрелочного перевода от взаимных смещений их элементов. Применяется на путях 1 и 2 классов железнодорожных линий со смешанным грузопассажирским движением поездов.

Проект 2910.01.000; -01 Стык уравнительный типа Р-65.

  • Все стыки укладываются в пошерстном направлении.
  • Остряки и рельсы подвижные закалены ТВЧ.

Технические характеристики

Полная длина, мм 12500
Максимальная статическая нагрузка на рельс, кН 245
Нормативный ресурс до снятия, млн. т 320
Наибольшее компенсируемое продольное перемещение, мм от 0 до 540
Максимальная длина отгрузочного места, мм 12500
Максимальная масса отгрузочного места, т 2,4
Масса (без брусьев), т не более 4,8

Комплект поставки

Стык уравнительный 2910.01.000, шт. 1
Стык уравнительный 2910.01.000-01, шт. 1

В комплект поставки не включены

Втулка изолирующая КБ ЦП 142, шт. 100
Прокладка ПБР 65×8, ЦП143, шт. 66
Прокладки ЦП 361, шт. 12
Болт М22-8g×175.36 ГОСТ 16017-79 с шайбой и гайкой, шт. 132
Накладка 1Р-65 ГОСТ 8193-73, шт. 4
Накладка 2Р-65 ГОСТ 8193-73, шт. 8
Болт М27×160.88 ГОСТ 11530-93 с гайками и шайбами, шт. 14
Брусья деревянные, комплект 1
Шуруп путевой 24×170 ГОСТ 809-71 324
Возможна поставка любых комплектующих к стрелочным переводам по отдельному заказу

Форма отгрузки В полувагоне по 12 комплектов.

§ 25.3. Уравнительные соединения и комбинированная обмотка якоря

Условия симметрии обмотки якоря. Обмотку якоря называют симметричной, если ее параллельные ветви обладают одинаковыми электрическими свойствами: имеют одинаковые электрические со­противления и в них индуцируются одинаковые ЭДС. В несиммет­ричной обмотке якоря ток якоря распределяется в параллельных ветвях неодинаково, что влечет за собой перегрузку одних ветвей и недогрузку других. В результате растут электрические потери в обмотке якоря, а полезная мощность машины уменьшается.

Обмотка якоря становится симметричной лишь при соблюдении определенных условий, называемых условиями симметрии.

Первое условие. Каждая пара параллельных ветвей обмот­ки должна состоять из одинакового числа секций. Это условие вы­полняется, если на каждую пару параллельных ветвей приходится одинаковое число секций:

Нетрудно убедиться, что при несоблюдении этого условия элек­трическое сопротивление параллельных ветвей, а также их ЭДС становятся неодинаковыми. Это привело бы к неравномерному рас­пределению токов в параллельных ветвях со всеми нежелательны­ми последствиями.

Второе условие. Секции каждой пары параллельных вет­вей должны занимать на якоре одинаковое число пазов:

Третье условие. Каждая пара параллельных ветвей об­мотки должна занимать одинаковое положение относительно си­стемы главных полюсов, что выполнимо при

Для сложной петлевой обмотки 2а = 2рт. Подставляя это в (25.10), получим

2р/а = 2р/(рт) = 2/т = ц.ч.

Рис. 25.13. Уравнительные токи в параллельных ветвях простой петлевой обмотки при магнитной несимметрии

Отсюда следует, что сложная петлевая обмотка будет симмет­ричной только при т = 2.

Уравнительные соединения. Даже при соблюдении всех условий симметрии обмоток. ЭДС параллельных ветвей обмотки якоря в многополюсных машинах могут оказаться неодинаковыми. Причи­на этого — магнитная несимметрия, из-за нее магнитные потоки одноименных полюсов оказываются неодинаковыми. Происходит это из-за дефектов, возникающих при изготовлении машины: нали­чия раковин в отливке станины, некачественной сборки полюсов, неправильной центровки якоря, т. е. его перекоса, отчего воздушный зазор под полюсами становится неодинаковым.

Влияние магнитной несимметрии на работу машины зависит от типа обмотки якоря. В волновых обмотках секции каждой парал­лельной ветви равномерно распределены под всеми полюсами ма­шины, поэтому магнитная несимметрия не влечет за собой неравен­ства ЭДС в параллельных ветвях, так как она одинаково влияет на зсе параллельные ветви обмотки.

В петлевых обмотках якоря секции, образующие параллельную ветвь, расположены под смежной парой полюсов. Поэтому при 2р>2 магнитная несимметрия становится причиной неравенства ЭДС параллельных ветвей, что ведет к появлению в обмотке яко­ря уравнительных токов. Например, при неправильной центровке якоря (рис. 25.13, а) ЭДС первой и четвертой параллельных ветвей становится меньше ЭДС второй и третьей ветвей (зазор под нижним полюсом меньше, чем под верхним). При этом потенциалы щеток В1 и В2 оказываются неодинаковыми и в параллельных вет­вях обмотки появляются уравнительные токи iyр (рис. 25.13, б). Эти токи замыкаются через шину, соединяющую указанные щетки, и во внешнюю цепь машины не выходят. Следует обратить внима­ние, что даже при незначительной разности потенциалов u12 между щетками В1и В2 ток iур может оказаться весьма значительным, так как электрическое сопротивление параллельной ветви rп.в невелико. Например, при u12=2 B и rп.в=0,01 Ом уравнительный ток iyp= = u12/(2rп.в)=2/(2*0,01) = 100А.

Если при этом нагрузочный ток в параллельной ветви iп.в — = 200 А, то токи в параллельных ветвях обмотки становятся неоди­наковыми: ia I=ia IV=iп.в—iyp=200—100= 100 A; ia II= iaIII= iп.в+iyp=200+100=300 А.

Неравномерная нагрузка параллельных ветвей ведет к перегре­ву обмотки и увеличению электрических потерь в ней. Перечислен­ные явления нарушают нормальную работу машины, например пе­регружаются некоторые щетки (в рассматриваемом случае —щетка В2), что вызывает интенсивное искрение на коллекторе (см. § 27.3). Для уменьшения неравномерной нагрузки щеток в простых петлевых обмотках поступают следующим образом: точки обмотки якоря, потенциалы которых теоретически должны быть одинаковы­ми, электрически соединяют между собой. В этом случае возника­ющие в обмотке уравнительные токи замыкаются внутри обмотки без выхода на щетки.

Указанные соединения выполняют медными проводами и назы­вают уравнительными соединениями первого рода (уравнителями). Практически доступными для соединения точками равного потен­циала являются концы секций, присоединяемые к коллекторным пластинам, или лобовые части обмотки со стороны, обратной кол­лектору.

Количество точек в обмотке, имеющих одинаковый потенциал, равно числу полюсов в машине. Расстояние между двумя сосед­ ними точками равного потенциала называют потенциальным шагом yyp. При расположении уравнительных соединений со стороны кол­ лектора потенциальный шаг выражается числом коллекторных де­ лений:

Полное число уравнителей первого рода, которое можно уста­новить в машине, равно

Однако такое количество уравнительных соединений применя­ют только в машинах большой мощности, например в двигателях прокатных станов. В целях экономии меди и упрощения конструк­ции машины обычно применяют неполное число уравнителей. На­пример, в четырехполюсных двигателях малой мощности делают три-четыре уравнительных соединения. Уравнительные соединения выполняют проводом, сечение которого составляет 25—50% сече­ния провода обмотки якоря.

Пример 25.6. В четырехполюсной машине с простой петлевой обмоткой из 12 секций необходимо установить уравнители первого рода, снабдив ими каждую вторую коллекторную пластину.

Решение. Потенциальный шаг уур = K/р= 12/2 = 6. Полное число уравни­тельных соединений Nур=yур = K/a= 12/2 = 6.

В соответствии с условием задачи показываем на схеме 0,5Nyp = 3 уравните­ля, расположив их со стороны коллектора (рис. 25.14) и соединив с пластинами следующим образом: первый уравнитель соединяет пластины 1 и 7, второй — 3 и 9, третий — 5 и 11.

Рис. 25.14. Уравнительные соединения первого рода:

а — развернутая схема обмотки; б — вид со стороны коллектора

В сложных петлевых и волновых обмотках простые обмотки, об­разующие сложную, соединены параллельно через щеточный кон­такт. Но обеспечить одинаковый контакт щеток со всеми простыми обмотками практически невозможно, поэтому ток между простыми обмотками распределяется неодинаково, что нарушает равномер­ное распределение потенциала по коллектору и может вызвать на нем искрение.

Для устранения этого нежелательного явления применяют урав­нительные соединения (уравнители) второго рода, с помощью ко­торых простые обмотки, входящие в сложную, электрически со­единяют между собой в точках равного потенциала. Таким обра­зом, если уравнители первого рода устраняют нежелательные по­следствия магнитной несимметрии, то уравнители второго рода устраняют неравномерность в распределении потенциала по кол­лектору при сложных обмотках якоря. На рис. 25.12 представлена схема сложной волновой обмотки с уравнителями второго рода, со­единяющими точки равного потенциала на лобовых частях обмотки со стороны, противоположной коллектору. Эти точки отстоят друг от друга на расстоянии потенциального шага

Секцию 2 соединяют с секцией 11, секцию 3 — с секцией 12 и т. д. (на схеме показаны лишь два уравнителя). Полное число уравнителей определяется по (25.12), но из соображения эко­номии меди обычно делают неполное число уравнителей второго рода.

В сложных петлевых обмотках уравнители второго рода выпол­няют, как показано на рис. 25.15. Ввиду того что в этой обмотке каждую секцию одной из простых обмоток при­соединяют к пластинам коллектора, расположен­ным через одну (например, к нечетным пласти­нам), то пластины, находящиеся между ними (на­пример, четные), делят напряжение каждой сек­ции на две части. Для обеспечения равномерного распределения напряжения между пластинами необходимо, чтобы эти части были одинаковы­ми, т. е. чтобы напряжение между каждой парой рядом лежащих пластин (например, 1 и 2) было равно половине напряжения секции. С этой целью в обмотке применяют уравнители второго рода, с помощью которых середину секции со стороны, противоположной коллектору, соединяют с про­межуточной пластиной (например, середину сек­ции, присоединенной к пластинам 1 и 3, соединя­ют с пластиной 2, как это показано на рис. 25.15). Такой уравнитель приходится «протягивать» между валом и сердечником якоря через специальное отверстие. Таким образом, если в сложных волновых обмотках применяют лишь уравнители второго рода, то в сложных петлевых обмотках необходимы как уравнители первого, так и уравнители второго рода.

Комбинированная обмотка. Комбинированная (лягушачья) об­мотка представляет собой сочетание петлевой и волновой обмоток, расположенных в одних пазах и присоединенных к общему коллек­тору. Секция этой обмотки показана на рис. 25.16, а. Так как каж­дая из составляющих обмоток двухслойная, то комбинированную обмотку укладывают в пазах якоря в четыре слоя, а к каждой плас­тине коллектора припаивают по четыре проводника.

Достоинство комбинированной обмотки — большое число парал­лельных ветвей при отсутствии уравнительных соединений. Однако некоторая технологическая трудность в выполнении комбинирован­ных обмоток ограничивает их применение машинами постоянного тока большой мощности, а также быстроходными машинами, в ко­торых выполнение уравнителей затруднено.

На рис. 25.16, б показана часть развернутой схемы комбиниро­ванной обмотки. Шаги секций комбинированной обмотки принима­ют одинаковыми (y1петл=y1волн).Шаг по якорю комбинированной обмотки равен сумме шагов составляющих обмоток:

т. е. шаг комбинированной обмотки по якорю равен потенциально­му шагу [см. (25.11)]. Поэтому пластины коллектора, которые долж­ны быть соединены уравнителями, в комбинированной обмотке оказываются соединенными секциями.

Следует обратить внимание, что комбинированная обмотка вы­полнима лишь при условии равенства числа параллельных ветвей в волновой и петлевой составляющих обмотках. При этом ЭДС параллельных ветвей обмоток должны быть одинаковыми. В петлевой обмотке число

Рис. 25.16. Комбинированная обмотка якоря

параллельных ветвей 2а=2р, в волновой об­мотке 2а=2. Для получения одинакового числа параллельных вет­вей в обмотках волновую обмотку выполняют сложной с числом тволн=p. Число параллельных ветвей в комбинированной обмотке

Уравнительное соединение — Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Уравнительное соединение

Уравнительные соединения разнообразны по конструкции. [1]

Уравнительные соединения изготовляют из шинной меди. Медь рихтуют и нарезают нужной длины. Затем лудят концы и производят изгиб секции. Сначала изгибают на ребро головку, потом выгибают по радиусу прямолинейную часть и изгибают выводные концы. После гибки секцию изолируют лентами. Изолировку начинают, отступая 20 — 25 м от конца, и производят в сторону головки. [2]

Уравнительные соединения — 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. [4]

Уравнительные соединения выполняются из обмоточной меди или из голых медных шин и изолируются так же, как и секции обмотки. Простые волновые обмотки не требуют уравнительных соединений, так как провода каждой параллельной ветви располагаются под всеми полюсами. Поэтому неравенство потоков отдельных полюсов машины в одинаковой степени скажется на всех параллельных ветвях, и электродвижущие силы в них будут равны. [5]

Уравнительные соединения для одной обмотки выполняются со стороны коллектора, а для другой — со стороны, противоположной коллектору. Кроме того, для достижения равномерного распределения напряжения между соседними коллекторными пластинами обе петлевые обмотки должны быть связаны между собой уравнительными соединениями. Эти соединения протягиваются с одной стороны якоря на другую. Их укладывают в промежутках между ребрами якорной втулки или через осевые каналы якоря. [7]

Уравнительные соединения чаще всего помещают под лобовыми частями обмотки и вкладывают их в прорези коллекторных пластин перед укладкой катушек обмотки. [8]

Уравнительные соединения выполняют из обмоточной меди или из голых медных шин и изолируют так же, как и секции обмотки. [9]

Уравнительные соединения чаще всего помещают под лобовыми частями обмотки и вкладывают их в прорези коллекторных пластин перед укладкой катушек обмотки. [10]

Уравнительные соединения выполняют из обмоточной меди или из голых медных шин и изолируют так же, как и секции обмотки. [11]

Уравнительные соединения для одной обмотки выполняют со стороны коллектора, для другой — со стороны, противоположной коллектору. [13]

Уравнительные соединения чаще всего помещают под лобовыми частями обмотки и вкладывают в прорези коллекторных пластин перед укладкой катушек обмотки, В машинах средней мощности уравнительные соединения ставят не во все коллекторные пластины. Считается достаточным, если одно уравнительное соединение приходится на паз якоря, а число таких соединений равно числу пазов. [14]

Добавить комментарий