Виды обмоток якоря электрических машин постоянного тока

1. Виды обмоток якоря электрических машин постоянного тока

2. 1.Основные сведения.

Обмотка – это замкнутая система проводников, определенным
образом уложенных в пазы якоря и присоединенных к
коллектору.
Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и
должна удовлетворять следующим требованиям:
1) обмотка должна быть рассчитана на заданные величины
напряжения и тока нагрузки, соответствующие номинальной
мощности;
2) обмотка должна иметь необходимую электрическую,
механическую и термическую прочность, обеспечивающую
достаточно продолжительный срок службы машины (до 15—20
лет);
3) конструкция обмотки должна обеспечить удовлетворительные
условия токосъема с коллектора, без вредного искрения;
4) расход материала при заданных эксплуатационных
показателях (к. п. д. и др.) должен быть минимальным;
5) технология изготовления обмотки должна быть по
возможности простой.
В современных машинах постоянного тока якорная обмотка
укладывается в пазах на внешней поверхности якоря. Такие
обмотки
называются
барабанными.
Обмотки
якорей
подразделяются на петлевые и волновые. Существуют также
обмотки, которые представляют собой сочетание этих двух
обмоток.

3. 2. Секции. Укладка секций в пазы. Элементарный и реальный паз.

• Секция- это часть обмотки, состоящая из
одного
или
нескольких
витков
присоединенных
только
к
двум
коллекторным пластинам.
Для удобного расположения выходящих
из пазов лобовых частей обмотки якоря
выполняются двухслойными. При этом в
каждом пазу секции располагаются в два
слоя одна сторона каждой секции — в
верхнем слое одного паза, а другая — в
нижнем слое другого паза.
Обозначения на рисунке:
1 — сторона секции верхнего слоя;
2 — сторона секции нижнего слоя
3 — реальный паз;
4 — элементарный паз
Верхняя пазовая сторона одной секции и
нижняя пазовая сторона другой секции,
лежащие в одном пазу, образуют
элементарный паз. В одном реальном пазу
может быть несколько элементарных пазов.
Общее число пластин коллектора K равно
числу секций S и числу элементарных пазов
Zэ.
K = S = Zэ.
Обмотка якоря бывает следующих видов:
простая петлевая; простая волновая;
сложная петлевая; сложная волновая;
комбинированная.

4. 3. Простая петлевая обмотка.

• Простая петлевая обмотка – ее
особенностью является то, что
секции имеют вид петли, а
концы секции припаиваются к
двум соседним коллекторным
пластинам. 2a=2p.
Шаги обмотки якоря
могут быть выражены
в реальных зубцовых
делениях или
в элементарных пазах.
Обмотка характеризуется следующими
параметрами: У1 – первый частичный шаг по
якорю; У2 – второй частичный шаг по якорю; У
– результирующий шаг; τ – полюсное деление
части окружности по поверхности якоря
находящихся под одним полюсом.
Если У1 = τ, то получаем обмотку с полным или
диаметральным шагом. При У1 < τ имеем
обмотку якоря с укороченным шагом, и при У1
> τ - с удлиненным шагом. Первый частичный
шаг рассчитываем по формуле:
У1= (Z/2p) ± έ
где έ – укорочение шага, некоторая величина,
меньшая единицы, вычитая или суммируя
которую получают значение шага У1, равное
целому числу.
Результирующий шаг У = ± 1. Знак «+»
относят к неперекрещенной обмотке, а минус
«-» - к перекрещенной.
Второй частичный шаг по якорю:
У2 = У1 ± У = У1 ± 1.
Расстояние между двумя коллекторными
пластинами, к которым присоединены начало
и конец секции, называют шагом обмотки по
коллектору Ук = У.
Шаги по якорю выражаются в элементарных
пазах.

5.

Пример схемы простой петлевой обмотки.

6. 4. Сложная петлевая обмотка.

• Сложная петлевая обмотка состоит из двух и более простых
петлевых обмоток уложенных в пазы якоря. Иногда такую
обмотку называю сложной параллельной. В рассматриваемой
обмотке секции и коллекторные пластины m простых обмоток
по окружности чередуются, и для отвода тока из обмотки
необходимо, чтобы ширина щеток была не меньше m
коллекторных делений. Таким образом, m простых обмоток mходовой обмотки включаются с помощью щеток параллельно и
количество параллельных ветвей сложной петлевой обмотки
• 2а = 2pm.
• Результирующий шаг по элементарным пазам и шаг по
коллектору сложной петлевой обмотки У = Ук = ±m. Шаги ух и
У2 = У — У1 определяются так же, как и для простой петлевой
обмотки.
• Сложная петлевая обмотка применяется в мощных машинах с
большими токами якоря, и секции обмотки в этом случае
являются одновитковыми.

7. Пример сложной петлевой обмотки

8. 5. Простая волновая обмотка.

• Простую волновую обмотку
якоря получают при
последовательном соединении
секций, находящихся под
разными полюсами. Мысленно
обходя последовательно
соединенные секции простой
волновой обмотки, мы
совершаем волнообразный
обход якоря, причем каждый
обход включает р секций и
заканчивается на
коллекторной пластине,
которая находится слева или
справа рядом с исходной. В
первом случае (рис. а)
получается неперекрещенная
обмотка, а во втором (рис. б)
— перекрещенная. Во втором
случае расход меди будет
несколько больше.
Рассматриваемую обмотку
называют также простой
последовательной обмоткой.
Примеры соединения секций
волновой обмотки. 2a=2.

9.

Первый частичный шаг определяют по формуле:
У1 = (Z/2p) ± έ для удлиненного и укороченного шага обмотки.
Результирующий шаг:
У = Ук = (К - 1)/p – для неперекрещенной обмотки;
У = Ук = (К + 1)/p – для перекрещенной обмотки.
Второй частичный шаг определяют по формуле:
У2 = У – У1
Так как Ук = У должен быть целым числом, то К не может принимать
произвольных значений.
• Схема простой волновой обмотки:

10. 6. Сложная волновая обмотка

• Сложную волновую обмотку можно рассматривать как сочетание m
простых волновых обмоток, которые включаются на параллельную
работу с помощью щеток. Число параллельных ветвей такой обмотки
соответственно в m раз больше числа ветвей простой волновой
обмотки:
Рассматриваемую
обмотку
называют
также
сложной
последовательной обмоткой
Схема двухходовой двукратнозамкнутой волновой обмотки:

11. 7. Комбинированная обмотка.

• Комбинированная, или лягушечья, обмотка впервые была предложена
Латуром в 1910 г. и представляет собой сочетание петлевой и
волновой
обмоток,
которые
расположены
в
общих
пазах,
присоединяются к общему коллектору и работают параллельно.
Так как каждая из обмоток двухслойная, то в пазу располагаются
четыре слоя обмотки. Каждая из обмоток рассчитывается на половину
общего тока, и их э. д. с. должны быть равны. Таким образом, каждая
обмотка рассчитывается на половину мощности машины.
Форма катушки комбинированной обмотки:
Два варианта выполнения комбинированной
обмотки:

12. 8. Симметрия обмоток.

• Условия симметрии вытекают из равенства ЭДС параллельных ветвей
при любом положении якоря, если геометрическое выполнение
машины абсолютно точно и распределение магнитного потока по
полюсам идеально симметрично. В этом случае реально возникающие
уравнительные токи между параллельными ветвями обмотки
минимальны, и не перегружаются уравнительные соединения Кроме
того, в симметричной обмотке идентичны условия коммутации каждого
паза, что необходимо для осуществления безыскровой коммутации.
При небольших отступлениях от строгой симметрии коммутация
машины тоже может быть удовлетворительной, но это исключение из
правил
и гарантировать
хорошую
коммутацию
машины
с
несимметричной обмоткой нельзя, пока она не будет построена и
испытана. Можно считать, что даже небольшое отступление от
симметрии требует снижения коммутационной напряженности —
уменьшения реактивной ЭДС и принятия других мер.
Чтобы обмотка была симметричной, на каждую пару параллельных
ветвей должно приходиться одинаковое целое число секций и
коллекторных пластин: Zэ/a=S/a=K/a=ц.ч.
Для симметричного расположения параллельных ветвей в магнитном
поле необходимо Z/a=ц.ч.; 2p/a=ц.ч.

13. 9. Уравнительные соединения первого и второго рода.

• Расстояние между двумя соседними равнопотенциальными
точками называют потенциальными уравнительным шагом,
измеряемым числом коллекторных делений или числом секций,
соответствующих одной паре ветвей: Уп = K/a = S/a = K/p.
Полное число уравнительных соединений первого рода Nур =
К/a.
В целях экономии меди и упрощения машины обычно
применяют неполное число уравнителей из медного провода с
сечением, равным ½, ¼ сечения проводника обмотки якоря.
Уравнители первого рода располагают со стороны коллектора
под передними лобовыми частями обмотки якоря.
Если простые волновые обмотки не требуют никаких
уравнительных соединений, то сложные волновые обмотки
хорошо работают при выполнении их с уравнительными
соединениями.

14. Примеры уравнительных соединений.

15.

• В сложноволновой обмотке соединения коллекторных пластин,
принадлежат разным простым волновым обмоткам. Если переходные
сопротивления между щетками и коллекторными пластинами,
принадлежащим разным обмоткам, не равны, то и токи в отдельных
волновых обмотках также не равны. Неравномерное распределение
тока повлечет за собой падение напряжения в обмотках, вследствие
чего напряжение между соседними коллекторными пластинами может
сильно увеличиться. Для устранения этого недостатка соединяют
уравнительными проводами такие точки простых волновых обмоток,
которые теоретически должны иметь одинаковые потенциалы.
Уравнительные
соединения,
выравнивающие
несимметрию
распределения напряжения по коллектору, называют уравнителями
второго рода.
Таким образом уравнители первого рода выравнивают несимметрию
магнитной системы машины, а уравнители второго рода – несимметрию
распределения напряжения по коллектору. Уравнительные соединения
применяют не только в сложноволновых, но и в сложнопетлевых
обмотках.
В комбинированных обмотках волновая обмотка выполняет функции
уравнительных соединений первого рода для петлевой обмотки, а
петлевая обмотка выполняет функции уравнительных соединений
второго рода для волновой обмотки.
Иногда в машинах с тяжелыми условиями коммутации в двухходовых
петлевых обмотках применяют также уравнители третьего рода. Их
задача сводится к тому, чтобы при вращении коллектора щетка
замыкала накоротко не сразу всю секцию, а сначала одну её половину
и затем другую.

16.

• Простые волновые обмотки обладают следующими преимуществами по
сравнению с простыми петлевыми:
1) в волновых обмотках не возникают уравнительные токи, поскольку
активные проводники каждой ветви обмотки располагаются под всеми
полюсами, что обеспечивает их симметричность (в петлевой обмотке
каждая ветвь располагается под одной парой полюсов);
2) число проводников простой волновой обмотки в a раз меньше, чем в
простой петлевой, а сечение меди больше;
3) длина провода волновой обмотки меньше, чем петлевой;
4) стоимость провода волновой обмотки ниже, чем петлевой.
Таким образом, выгоднее выполнять обмотку волновой. Но при этом
нужно учитывать значение тока в параллельной ветви обмотки якоря.
Если 2р=2 и ток якоря не превышает 600 А у электрических машин
общего назначения при напряжении на зажимах машины 1500 В и
мощности около 500 кВт, возможны оба варианта с простой петлевой и с
простой волновой обмоткой.
Сложную волновую обмотку применяют в электрических машинах
средней мощности (50 - 500 кВт) при напряжении на якоре 110 В и выше.
Сложную петлевую обмотку применяют в машинах при напряжении 110
В и выше при мощности более 500 кВт.
Применение «лягушачьей обмотки» целесообразно при тяжелых
условиях коммутации и высокой окружной скорости.