Обмотки якоря машин постоянного тока

   При первом обходе по якорю укладываем секции 1 и 7 (рис. 7, в). При втором обходе укладываем секции 13 и 6 и т. д., пока не будут уложены все 13 секций и обмотка не окажется замкнутой. Секции 3, 6 и 9 в рассматриваемый момент времени замкнуты на коротко через щетки одинаковой полярности и провода, соединяющие их.

   

   Рис. 7. Простая волновая обмотка: а — правоходовая, б — левоходовая; в — развернутая схема

   

   Рис. 8. Электрическая схема обмотки рис. 7, в

Затем определяем полярность щеток. Далее выполняем электрическую схему (схему параллельных ветвей), из которой видно (рис. 8), что обмотка состоит из двух параллельных ветвей (2 = 2). Это является характерным для простых волновых обмоток, у которых число параллельных ветвей не зависит от числа полюсов и всегда равно двум.

   Из  рассмотренных схем видно, что секции, входящие в одну параллельную ветвь, равномерно распределены под всеми  полюсами машины. Следует также отметить, что в простой волновой обмотке можно было бы обойтись двумя щетками, например щетками и . Но в этом случае нарушилась бы симметрия обмотки, и число секций в параллельных ветвях стало бы неодинаковым: в одной ветви семь секций, а в другой — шесть. Поэтому в машинах с простыми волновыми обмотками устанавливают полный комплект щеток, столько же, сколько главных полюсов, тем более что это позволяет уменьшить значение тока, приходящегося на каждую щетку, а следовательно, уменьшить размеры коллектора.

   Сложная волновая обмотка (рис. 9). Несколько простых волновых обмоток (обычно две), уложенных на одном якоре, образуют сложную волновую обмотку.

   

   Рис. 9. Развернутая схема сложной волновой обмотки

   Число параллельных ветвей в сложной волновой обмотке 2 = 2 (обычно 2 = 4), где т — число простых обмоток в сложной (обычно т = 2). Простые обмотки, входящие в сложную, соединяют параллельно посредством щеток. Шаг по коллектору, а следовательно, и результирующий шаг по якорю

                                                            .                    (7)

   Первый  частичный шаг по якорю определяют по (3).

   Пример  5. Сложная волновая обмотка с = 2 состоит из 18 секций.

Выполнить развернутую схему этой обмотки, если 2 = 4.

   Решение. Шаги обмотки: паза, пазов; паза.

   Порядок выполнения схемы обмотки такой  же, как и при сложной петлевой обмотке: сначала укладывают в пазы якоря одну простую обмотку, состоящую из нечетных секций, а затем другую, состоящую из четных секций (рис. 9) Число параллельных ветвей в обмотке 2 = 4. 

   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 в 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, т. е. отношение числа секций S к числу пар параллельных ветвей а обмотки якоря равно целому числу (ц. ч.):

                                                                   ц.ч.                  (8)

   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:

                                                                   ц.ч.                      (9)

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

                                                                          = ц. ч.                     (10)

   Для сложной петлевой обмотки  . Подставляя это в (10), получим

                                              ц. ч.

   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 все параллельные ветви обмотки.

   В петлевых обмотках якоря секции, образующие параллельную ветвь, расположены под смежной парой полюсов. Поэтому при 2 > 2 магнитная несимметрия становится причиной неравенства ЭДС параллельных ветвей, что ведет к появлению в обмотке якоря уравнительных токов.

   

   Рис. 10. Уравнительные токи в параллельных ветвях

     простой петлевой обмотки якоря при магнитной несимметрии

   Например, при неправильной центровке якоря (рис. 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. 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. Например, при = 2 В и = 0,01 Ом уравнительный ток = 2/(2·0,01) = 100 А.

   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. пункт 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 соседними точками равного потенциала называют потенциальным шагом . При расположении уравнительных соединений со стороны коллектора потенциальный шаг выражается числом коллекторных делений:

                                                     .                           (11)

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

                                                               .                        (12)

   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 делают 3—4 уравнительных соединения. Уравнительные соединения выполняют проводом, сечение которого составляет 25—50 % сечения провода обмотки якоря.

   Пример  6. В машине с 2 = 4 и простой петлевой обмоткой якоря из 12 секций необходимо установить уравнители первого рода, снабдив ими каждую вторую пластину.

   Решение. Потенциальный шаг = 12/2 = 6. Полное число уравнителей = 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. 11. 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 можем 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. 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 уравнителей определяется по (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. 12. 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, соединяет с промежуточной пластиной (например, середину секции, присоединенной к пластинам 1 и 3, соединяют с пластиной 2, как это показано на рис. 12). Такой уравнитель приходится «протягивать» между валом и сердечником якоря через специальное отверстие.