Обмотки якоря

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

При выполнении обмотки проводники, расположенные в пазах якоря, следует соединять таким образом, чтобы э. д. с. в них складывалась. Для этого два проводника, образующие виток обмотки, должны соединяться так, как указано на рис. 1, а, т. е. проводник А, расположенный под северным полюсом, должен соединяться с проводником Б, расположенным под южным полюсом. Расстояние между проводниками, составляющими виток, должно быть равно или незначительно отличаться от полюсного деления ? — расстояния между осями соседних полюсов. При этом условии виток будет охватывать весь магнитный поток полюса и э. д. с, возникающая в нем при вращении якоря, будет иметь наибольшее значение.

Для наглядного изображения обмоток цилиндрическую поверхность якоря вместе с обмоткой развертывают в плоскость и все соединения проводников изображают в виде прямых линий на плоскости чертежа (рис. 1,б).

Обмотка якоря состоит из отдельных секций. Секцией называют часть обмотки, расположенную между двумя коллекторными пластинами, следующими одна за другой по ходу обмотки. Число секций S в обмотке равно числу коллекторных пластин К. Секция может состоять из одного или нескольких последовательно соединенных витков. В первом случае секции называют одновитковыми (рис. 2, а), во втором — многовитковыми (рис. 2, б). Одновитковые секции состоят из двух активных проводников, которые непосредственно пересекают магнитный поток; активные проводники расположены в пазах якоря и соединяются лобовыми частями, лежащими вне сердечника якоря. Лобовые части в индуцировании э. д. с. практически не участвуют. Многовитковые секции состоят из двух активных сторон, каждая из которых объединяет несколько активных проводников. В некоторых машинах большой мощности применяют якорные катушки, выполненные из разрезных секций. Обмотка якоря, состоящая из таких секций, называется стержневой.

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

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

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

Простая волновая обмотка. При простой волновой обмотке секции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 3). При этом после одного обхода окружности якоря, т. е. после последовательного соединения р секций приходят к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной. Например, начало секции 1 присоединяют к коллекторной пластине КП1, а ее конец соединяют с коллекторной пластиной КП10 и началом секции 2, которая расположена под следующей парой полюсов; затем конец секции 2 соединяют с другой коллекторной пластиной и с началом следующей секции. После завершения полного обхода окружности якоря конец соответствующей секции соединяют с коллекторной пластиной КП2 и началом секции 3, затем таким же образом с коллекторной пластиной КП11 и секцией 4 и т. д. до тех пор, пока обмотка не замкнется, т. е. пока не придут к началу секции 1. Якорная катушка в волновой обмотке имеет форму волны (рис. 4, а), откуда получила это название.

Рис. 1. Принцип выполнения обмотки барабанного якоря

Рис. 2. Схемы одновитковой (а) и многовитковой (б) секций: 1 — активные проводники; 2 — лобовая часть; 3 — активная сторона; 4 — коллекторные пластины

Рис. 3. Общий вид волновой обмотки (а) и схема соединения ее секций (б)

Для выполнения обмотки необходимо знать ее результирующий шаг у (см. рис. 3, б), первый у₁ и второй у₂ частичные шаги, а также шаг по коллектору у_к. Указанные шаги обычно выражают в числе пройденных секций (шаг по коллектору выражается в этих же единицах, так как число коллекторных пластин равно числу секций).

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

2a = 2

На рис. 5, а приведена в качестве примера развернутая в плоскость схема простой волновой обмотки якоря четырехполюсной машины, имеющей 19 секций, а на рис. 5, б — эквивалентная схема этой обмотки, показывающая последовательность соединения ее секций и образующиеся параллельные ветви. Цифрами 1, 2, 3 и т. д. обозначены активные проводники, лежащие в верхнем слое каждого паза, а 1′, 2′, 3′ и т. д.— в нижнем слое. При волновой обмотке в машине можно устанавливать только два щеточных пальца. Однако это делают лишь в машинах малой мощности; в более мощных машинах обычно ставят полный комплект (2р) щеточных пальцев для уменьшения плотности тока под щетками и улучшения токосъема.

Простая петлевая обмотка. При простой петлевой обмотке каждую секцию присоединяют к соседним коллекторным пластинам (рис. 6). Например, начало 1-й секции присоединяют к коллекторной пластине КП1, а конец ее соединяют с соседней коллекторной пластиной КП2 и началом рядом лежащей 2-й секции. Далее конец 2-й секции присоединяют к следующей коллекторной пластине и к началу соседней секции и т. д. до тех пор, пока обмотка не замкнется, т. е. пока не придут к началу 1-й секции. В этой обмотке каждая последующая секция расположена рядом с предыдущей, а якорная катушка имеет форму петли (рис. 4,б), откуда получила название обмотка.

Рис. 4. Форма якорных катушек при волновой (а) и петлевой (б) обмотках: 1, 4 — пазовые части (верхняя и нижняя стороны); 2, 5 — задняя и передняя лобовые части; 3 — задняя головка; 6 — концы секций, припаиваемые к коллектору

Рис. 5. Схемы простой волновой обмотки четырехполюсной машины

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

2a = 2p

Рис. 6. Общий вид петлевой обмотки (а) и схема соединения ее секций (б)

Условие 2а=2р выражает основное свойство простой петлевой обмотки: чем больше число полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет обмотка, следовательно, тем больше щеточных пальцев должно быть в машине. На рис. 7, а приведена в качестве примера развернутая в плоскость схема простой петлевой обмотки якоря че-тырехполюсной машины, имеющей 24 секции, а на рис. 7, б — эквивалентная схема этой обмотки, показывающая последовательность соединения ее секций и образующиеся параллельные ветви (обозначение проводников и коллекторных пластин такое же, как и на рис. 5).

Применение петлевой и волновой обмоток. Каждая из обмоток — петлевая и волновая — имеет свои преимущества. При одном и том же числе проводников в обмотке якоря и числе полюсов простая петлевая обмотка будет иметь в р раз больше параллельных ветвей, чем волновая. Следовательно, она может пропускать значительно больший ток I_я = 2ai_я, чем волновая обмотка (здесь I_я — ток в параллельной ветви) (рис. 8). Число же витков в каждой параллельной ветви при петлевой обмотке в р раз меньше, чем при волновой. Так как напряжение машины определяется числом последовательно включенных витков в каждой параллельной ветви, то в машине с петлевой обмоткой напряжение будет в р раз меньше, чем с волновой обмоткой.

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

Уравнительные соединения. В простой петлевой обмотке э. д. с, индуцированная в каждой параллельной ветви, создается магнитным потоком определенной пары полюсов. Э. д. с. Е, индуцированные во всех параллельных ветвях обмотки, теоретически должны быть равны (рис. 9, а). Однако практически из-за технологических допусков в значении воздушного зазора под различными полюсами, дефектов литья в остове и других причин магнитные потоки отдельных полюсов несколько различаются, вследствие чего в параллельных ветвях действуют неодинаковые э. д. с.

Если два параллельно соединенных источника имеют неодинаковые э. д. с. (рис. 10), то по контуру, образованному двумя источниками, будет проходить некоторый дополнительный ток, обусловленный разностью э. д. с. Е₁—Е₂ источников. Этот ток носит название уравнительного. Уравнительный ток I_ур циркулирует внутри источников, не совершает никакой полезной работы, а создает лишь потери электрической энергии в обоих источника. Он вызывает неравномерную нагрузку отдельных источников, перегружая источник с большей э. д. с. и разгружая источник с меньшей э. д. с.

Рис. 7. Схемы петлевой обмотки четырехполюсной машины (УР — уравнительные соединения)

Рис. 8. Схемы параллельных ветвей в четырехполюсной машине при петлевой (а) и волновой (б) обмотках: 1 — коллекторные пластины; 2 — секции обмотки

Рис. 9. Э. д. с. индуцированные в параллельных ветвях обмотки якоря при равенстве (а) и неравенстве (б) магнитных потоков отдельных полюсов

В машинах постоянного тока при неравенстве э. д. с. в отдельных параллельных ветвях возникающие уравнительные токи будут перегружать щетки и ухудшать работу машин. Например, при неравенстве э. д. с. Е₁ и Е₂ в параллельных ветвях обмотки якоря 3 (рис. 9, б) по обмотке и через щетки 1 (А — Г) будет проходить уравнительный ток I_ур. Разница между э. д. с. Е1 и E2 составляет 3—5 %, но из-за небольшого сопротивления обмотки якоря этого оказывается достаточно, чтобы по параллельным ветвям проходили довольно значительные уравнительные токи, которые способствуют возникновению искрения под щетками. Чтобы уравнительные токи замыкались помимо щеток, в петлевых обмотках предусматривают уравнительные соединения, которые соединяют точки обмотки, имеющие теоретически равные потенциалы. Такими точками являются начала и концы проводников обмотки якоря, расположенные один от другого на расстоянии, равном двойному полюсному делению 2т, Идеальным было бы соединить все такие точки обмотки. Однако большое число уравнительных соединений сильно удорожает обмотку, поэтому практически достаточно иметь одно-два уравнительных соединения на каждую группу секций, лежащих в одном пазу якоря.

Рис. 10. Возникновение уравнительного тока при неравенстве э. д. с. двух источников

С производственной точки зрения уравнительные соединения удобно присоединять к коллекторным пластинам 2 (см. рис. 9,б). Обычно они связывают каждую третью — пятую пластины коллектора (рис. 11). Площадь поперечного сечения проводов, которыми выполняют уравнительные соединения, в 3—5 раз меньше площади поперечного сечения проводников обмотки якоря. Уравнительные соединения располагают чаще всего под лобовыми частями обмотки якоря рядом с коллектором, в этом случае они находятся вне магнитного поля главных полюсов и в них не индуцируется э. д. с.

Сложные обмотки. При мощности машины более 1000 кВт применяют сложные многоходовые обмотки якоря, представляющие собой несколько простых петлевых или волновых обмоток, намотанных на общий якорь, смещенных относительно друг друга и присоединенных к одному коллектору. Применение многоходовых обмоток позволяет увеличивать число параллельных ветвей при неизменном числе полюсов, увеличение которых в ряде случаев невозможно. Однако эти обмотки требуют сложных уравнительных соединений.

Рис. 1. Схема выполнения уравнительных соединений I, II, III в петле вой обмотке.

Рис. 12. Схема параллельно-последовательной обмотки (а), расположение ее проводников в пазах (б) и форма якорной катушки (в)

Одной из разновидностей сложных обмоток является параллельно-последовательная обмотка, применяемая в некоторых тяговых генераторах. Она представляет собой комбинацию простой петлевой 1 (рис. 12, а) и многоходовой волновой 2 обмоток. Обе обмотки уложены в одни и те же пазы и имеют общие коллекторные пластины. Для равенства э. д. с. параллельных ветвей, образуемых петлевой и волновой обмотками, число параллельных ветвей этих обмоток должно быть одинаково.

Параллельно-последовательную обмотку выполняют в четыре слоя (рис. 12,б), так как в пазы якоря закладывают две двухслойные обмотки. Эта обмотка получила название «лягушачья» из-за формы свой якорной катушки (рис. 12, в). Рассматриваемая обмотка не требует уравнительных соединений, что выгодно отличает ее от других обмоток. Возможность уменьшения напряжения, действующего между соседними коллекторными пластинами, вдвое по сравнению с простыми обмотками является важным преимуществом параллельно-последовательной обмотки.