Активные части электрической машины

Активные части электрической машины

§1.3. УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Основные элементы конструкции. Вращающиеся электрические машины независимо от их исполнения имеют некоторые однотипные элементы конструкции. Каждая вращающаяся машина имеет две основные части: вращающийся ротор 1 и неподвижный статор 2 (рис. 1.1). В большинстве случаев ротор располагается внутри статора. Между ними всегда имеется воздушный зазор 3. Ротор крепится на валу 4,

Рис. 1.1. Конструктивная схема электрической машины:

1 — ротор; 2 — статор; 3 — воздушный зазор; 4 — вал; 5 — подшипники; 6 — подшипниковые щиты; 7 — корпус

Рис. 1.2. Асинхронный двигатель в защищенном исполнении:

1 — лапы для крепления машины; 2 — вентиляционное окно для входа охлаждающего воздуха; 3 — подшипник; 4 — вал; 5 — подшипниковые щиты; 6 — корпус; 7— вентиляционное окно для выхода воздуха

который опирается на подшипники 5. Один конец вала удлинен для сопряжения с другими рабочими механизмами. Подшипники обычно располагаются в подшипниковых щитах 6, прикрепленных болтами к корпусу (станине) 7. Статор также крепится к корпусу.

На рис. 1.2 и 1.3. дан общий вид асинхронных двигателей, а на рис. 1.4 представлен двигатель в разобранном виде.

Часть машины, где размещается рабочая обмотка, в которой индуктируется э. д. с, называется якорем. Якорем может быть ротор или статор.

Системы охлаждения. Электрические машины выполняются с естественным и искусственным охлаждением. В ка-

честве охлаждающей среды используется воздух, в некоторых случаях масло, водород или вода.

Естественное охлаждение происходит за счет теплопроводности, конвекции и лучеиспускания. Движение охлаждающей среды может создаваться в результате вращения частей машины, в которой не

Рис. 1.3. Асинхронный двигатель в закрытом исполнении: 1 — лапы для крепления машины; 2 — подшипниковый щит; 3 — подшипник; 4 — вал; 5 — корпус; 5 —кожух. Стрелки А и В показывают направление движения воздуха

Рис. 1.4. Асинхронный двигатель защищенного исполнения в разобранном виде: 1 — ротор; 2 — статрр; 3 — лапы для крепления; 4 — вал; 5 — подшипники; 6 — подшипниковые щиты; 7 — корпус; 8 — вентиляционные лопатки

имеется специальных вентиляционных приспособлений. Микромашины обычно имеют естественное охлаждение.

Вращающиеся электрические машины мощностью более 0,6 квт обычно выполняются с искусственным охлаждением, которое осуществляется при помощи специальных вентиляционных устройств. Применение вентиляции позволяет существенно повысить мощность и является экономически целесообразным. Машины с искусственным охлаждением имеют меньшие габариты, вес и расход активных материалов.

Электрические машины малых и средних мощностей обычно выполняются с самовентиляцией. В этом случае напор охлаждающегося воздуха создается вентилятором, который укрепляется на валу, или вентиляционными лопатками и приспособлениями (см. 8 на рис. 1.4), укрепленными на торцовой поверхности ротора.

В машинах охлаждающий воздух может прогоняться в направлении оси вала (рис. 1.5, а). Такая система вентиляции называется осевой. Осевая вентиляция может быть вытяжной или нагнетательной. В первом случае вентилятор помещается на «выходе», во втором — на «входе» воздуха. Охлаждающий воздух может прогоняться и в радиальном направлении (рис. 1.5, б), проходя по радиальным каналам между пакетами стали и обдувая лобовые части обмоток, Такая система вентиляции называется радиальной.

Во многих случаях применяется комбинированная радиально-осевая система вентиляции.

Виды исполнения. У электрических микромашин объем активных частей, в которых выделяется тепло, небольшой по отношению к поверхности охлаждения. Поэтому потери, приходящиеся на еди-

Рис. 1.5. Система вентиляции: а — осевая; б — радиальная

ницу поверхности охлаждения, небольшие, и микромашины сравнительно хорошо охлаждаются естественным путем. К тому же в микромашинах не остается места для размещения вентилятора, поэтому они (микромашины) обычно выполняются закрытыми и имеют внешнее естественное охлаждение.

Основным исполнением электрических машин мощностью свыше 0,6 квт является защищенное и закрытое обдуваемое. Машины в защищенном исполнении предохранены от случайного прикосновения к вращающимся и токоведу-щим частям, а также от попадания внутрь посторонних предметов. Машина, имеющая приспособления, защищающие от попадания в нее капель, падающих под углом к вертикали, называется брызгозащищенной. Доступ к вращающимся и токоведущим частям защищенной машины затруднен (рис. 1.2 и 1.6), так как вентиляционные окна, предназначенные для входа и выхода охлаждающего воздуха, расположены снизу таким образом, что брызги не могут попадать внутрь машины.

В машинах закрытого исполнения отсутствует интенсивное сообщение между ее внутренним пространством и окружающей средой. Для лучшего охлаждения нагретых частей внутри машины создается циркуляция воздуха, которая в некоторых случаях осуществляется внутренним вентилятором. Для лучшего охлаждения корпус

Рис. 1.6; Защищенный асинхронный двигатель с вертикальным расположением вала и фланцевым исполнением:

1 — окно, предназначенное для входа охлаждающего воздуха; 2 — окно, предназначенное для выхода охлаждающего воздуха; 3 — фланец

такой машины часто выполняется ребристым и обдувается внешним вентилятором, который прогоняет воздух, засасываемый из внешней среды, между корпусом и направляющим кожухом (рис. 1.3). В торцовой части кожуха имеются отверстия. Направление, в котором воздух засасывается в отверстие, показано стрелкой А. Стрелка В показывает направление движения воздуха, охлаждающего корпус (см. рис. 1.3).

Закрытые машины могут быть герметическими, имеющими газонепроницаемое, водонепроницаемое и взрывобезопасное исполнения. Мощность закрытых невентилируемых двигателей средних и больших мощностей при одинаковом нагреве обмоток должна быть уменьшена почти в два раза по сравнению с обдуваемыми машинами.

Электрические машины обычно выполняются для работы при горизонтальном или вертикальном положении вала. Крепление машины, как правило, осуществляется при помощи лап, расположенных на ее корпусе (см. рис. 1.2, 1.3 и 1.4). Некоторые машины вместо лап имеют для крепления на подшипниковом щите фланец (см. рис. 1.6).

Шумы электрических машин. Работа электрических машин сопровождается шумом, источником которого являются периодические колебания и упругие деформации отдельных частей машины. Шум может быть вызван механическими причинами, связанными с неточностью балансировки ротора, периодическим колебанием щеток вследствие неровной поверхности коллектора, трением щеток о коллектор и трением в подшипниках (особенно в шарикоподшипниках).

При работе машины может появиться так называемый магнитный шум, вызванный периодическими деформациями участков маг-нитопровода, которые могут возникнуть в результате изменения магнитной проводимости воздушного зазора при вращении зубчатого якоря, а при работе на переменном токе также вследствие периодического перемагничивания магнитной системы. Источниками шума могут явиться и вихреобразования потока воздуха, охлаждающего машину.

Условно можно считать машины бесшумными, если акустический уровень шума Г

Источник

ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

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

Тяговые электрические машины имеют такие же основные части, но их конструкция приспособлена кособенностям установки этих ма­шин на локомотивах. Например, тяговые двигатели электровозов (рис. 75), тепловозов и электропоездов устанавливают на тележках экипажной части локомотива. Поэтому в их конструкции предусматри­вают специальные элементы для монтажа двигателя на тележке и пере­дачи его вращающего момента на движущую колесную пару. В тя­говых генераторах тепловозов (рис. 76) вал якоря имеет только один подшипник; в качестве второй опоры якоря используется подшипник дизеля, вал которого жестко соединяется о валом якоря генератора с помощью фланца.

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

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

Полюсы. В современных стационарных и тяговых машинах по­стоянного тока устанавливают главные и добавочные полюсы, Главные полюсы (рис. 78. а), на которых расположены катушки обмотки возбуждения, служат для создания в машине магнитного потока воз­буждения. Часть сердечника главного полюса со стороны, обращенной к якорю, выполнена более широкой и называется по­люсным наконечником. Эта часть служит для поддержания катуш­ки, а также для лучшего распре­деления магнитного потока на поверхности якоря.

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

Возникновение вихревых токов в сердечниках главных полюсов объясняется изменением (пульса­цией) магнитного поля в полюс­ных наконечниках, прилегающих к якорю при его вращении. Вслед­ствие зубчатости якоря магнит­ное поле в местах, расположен­ных против зубцов, усиливается (индукция возрастает), а в ме­стах, расположенных против па­зов, ослабляется (индукция умень­шается). При вращении якоря против каждой точки поверхности полюсного наконечника оказывает­ся попеременно то зубец, то паз, вследствие чего индукция магнит­ного поля в отдельных точках наконечника непрерывно изменяет­ся. Это и вызывает появление вихревых токов в стали наконеч­ника.

Электрические машины могут иметь два, четыре, шесть и в об­щем случае 2р главных полюсов. Главные полюсы укрепляют на остове

болтами. В машинах небольшой и средней мощности резьбу под болты нарезают непосредственно в сердечнике полюса (рис. 79, а). В более мощных машинах (тяговых двигателях и тяговых генераторах) болты ввертывают в специальные установочные стержни (один или два на полюс), закладываемые в сердечник при его сборке (рис. 79, б).

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

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

Добавочные полюсы (см. рис. 78, б) обеспечивают безыскровую рабо­ту машины. По своим размерам они меньше главных. Число до­бавочных полюсов обычно равно числу главных. В машинах постоян­ного тока сердечники добавочных полюсов изготовляют из стали. Они имеют монолитную конструкцию, так как значение индукции под до­бавочными полюсами выбирается обычно небольшим и при вращении якоря индуктирования вихревых токов в их наконечниках практиче­ски не происходит. Однако в тяговых двигателях электровозов пере­менного тока, работающих при пульсирующем напряжении, сердечни­ки добавочных полюсов выполняют шихтованными — из изолирован­ных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Этим обеспечивается существенное уменьшение вихревых токов, возникающих при прохождении по обмотке добавочных полюсов пульсирующего тока.

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

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

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

Якорь. Машина постоянного тока имеет якорь, состоящий из сердечника, обмотки, коллектора и вала. Сердечник якоря (рис. 82) собран из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для уменьшения потерь от вихревых токов, возникающих при пересечении якорем магнитного поля, листы изолируют один от другого. Листы собирают в общий пакет, который насаживают на вал якоря. Пакет удерживается в сжатом состоянии нажимными шайба­ми. В теле якоря устраивают вентиляционные каналы для прохода охлаждающего воздуха. В машинах постоянного тока большой мощ­ности с якорями большого диаметра листы, из которых собирают сер­дечник якоря, имеют форму сегментов (рис. 82, г). Сегменты собирают­ся на шпильках, образуя полную окружность якоря, и сжимаются на­жимными шайбами; при сборке пакета якоря стыки между сегмента­ми одного слоя располагаются против середины сегментов предыдущего слоя, благодаря чему уменьшается магнитное сопротивление сердечника якоря.

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

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

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

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

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

Коллектор (рис. 86, а) выполнен из отдельных пластин 2 толщи­ной до 5—8 мм, изготовленных из твердотянутой меди или кадмиевой бронзы клинообразного сечения. Пластины изолируют одну от дру­гой миканитовыми прокладками 3. К выступающей части коллектор­ной пластины припаивают провода от обмотки якоря. Для этого в ней имеется соответствующая прорезь. Узкие края пластины имеют форму ласточкина хвоста, после сборки коллектора эти края зажимаются между двумя нажимными шайбами. Пластины изолируют от нажимных шайб 4 и вала якоря миканитовыми манжетами 1 и цилиндрами. Когда коллектор окончательно собран, его поверхность обтачивают на то­карном станке и тщательно шлифуют. Чтобы миканитовые прокладки при износе коллектора не выступали над пластинами и не вызывали вибрации щеток, их профрезеровывают на 0,8—1,5 мм ниже поверх­ности коллектора (рис. 86, б). Эту операцию называют продороживанием коллектора.

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

В машинах малой и средней мощности, например в тяговых дви­гателях электропоездов и во вспомогательных машинах, широко при­меняют коллекторы с пластмассовым корпусом (рис. 86, в). В этих коллекторах медные пластины 2 и миканитовые прокладки 3 опрессованы пластмассой 5, обладающей большой механической и электриче­ской прочностью. Для посадки коллектора на вал служит стальная втулка 6, которую вставляют в пресс-форму перед запрессовкой пла­стин в пластмассу.

Щеточный аппарат.Щетки предназначены для соединения коллектора с внешней цепью. Они представляют собой пря­моугольные призмы шириной 4—32 мм (рис. 87, а). Рабочую поверхность щеток пришлифовывают к коллектору, чтобы обеспечить на­дежный контакт. Каждая щетка имеет определенную марку. Щетки различных марок различаются между собой составом, способом изготовления и физическими свойствами.

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

Щетки устанавливают в специальные обоймы, называемые щетко­держателями (рис. 88, а). Для отвода тока от щетки к ней прикреп­ляют медный гибкий проводник (щеточный канатик), который при­соединяют к щеткодержателю. Одним из основных условий хорошей работы щеток является плотный, надежный контакт между щеткой и коллектором. Он достигается при помощи нажимного устройства, смонтированного на щеткодержателе. Нажим на щетку осуществляет­ся пружиной (спиральной, цилиндрической или пластинчатой), упирающейся одним концом в щетку, а другим — в щеткодержатель. В тя­говых электродвигателях нажимная пружина воздействует на специаль­ный палец, прижимаемый к верхней торцовой поверхности щетки (рис. 88, б). Нажатие на щетку должно быть отрегулировано в строго определенных пределах, так как чрезмерный нажим вызывает быстрый износ щетки и нагрев коллектора, а недостаточный нажим не дает на­дежного контакта между щеткой и коллектором, вследствие чего воз­никает искрение под щеткой. Нажатие принимают из расчета 1,5— 3,5 Н на 1 см 2 опорной поверхности щетки. Для улучшения щеточного контакта и предотвращения искрения щеток в некоторых случаях при­меняют разные щетки (см. рис. 87, б). Такая щетка состоит из двух частей, установленных в общую обойму. Равномерное нажатие на от­дельные части щетки обеспечивается резиновым гасителем.

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

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

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

Для смазки подшипников применяют в большинстве случаев гу­стую консистентную смазку. Эта смазка не требует большого объема смазочных камер и запас ее, закладываемый в подшипник, при перио­дических ревизиях двигателя оказывается вполне достаточным для работы машины без замены смазки до следующей ревизии. Для предотвращения выхода смазки из смазочных камер в тяговых машинах применяют гидравлические (лабиринтовые) уплотнения. Действие, этих уплотнений основано на вязкости смазки, попавшей в небольшой зазор между вращающейся и неподвижной деталями, а также на соз­дании самой смазкой гидравлических перегородок вследствие отбрасы­вания ее к стенкам лабиринта под действием центробежной силы, возникающей при вращении якоря.

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

В тяговых двигателях электровозов и тепловозов для улучшения охлаждения воздух в машину нагнетают извне вентилятором (рис. 91,б), приводимым во вращение отдельным электродвигателем (мотор-вентилятором). Такие машины называются машинами с независимой вентиляцией. При такой вентиляции воздух распределяется внутрь машины двумя параллельными потоками, как и при самовентиляции.

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

4. ОБМОТКИ ЯКОРЯ

Принцип соединения отдельных проводников в обмотку. В совре­менных машинах постоянного тока применяют исключительно якоря барабанного типа, в которых проводники обмотки укладываются в пазы на наружной поверхности цилиндрического якоря.

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

Для наглядного изображения обмоток цилиндрическую поверх­ность якоря вместе с обмоткой развертывают в плоскость и все соеди­нения проводников изображают в виде прямых линий на плоскости чертежа (рис. 92, 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 5 в обмотке равно числу коллекторных пластин К. Секция может со­стоять из одного или нескольких последовательно соединенных вит­ков. В первом случае секции называют одновитковыми (рис, 93, а, см. рис. 85, б), во втором — многовитковыми (рис.93, б, см. рис. 85, а). Одновитковые сек­ции состоят из двух активных проводников, которые непосред­ственно пересекают магнитный поток; активные проводники расположены в пазах якоря и соединяются лобовыми частя­ми, лежащими вне сердечника якоря. Лобовые части в индуктировании э. д. с. практически не участвуют. Многовитковые секции состоят из двух активных сторон, каждая из кото­рых объединяет несколько ак­тивных проводников. В некото­рых машинах большой мощности применяют якорные катушки, выполненные из разрезных сек­ций (см. рис. 85, в). Обмотка якоря, состоящая из таких сек­ций, называется стержневой.

В ряде случаев по конст­руктивным соображениям и для уменьшения потерь мощ­ности в обмотке якоря при из­готовлении секций вместо одно­го сплошного проводника тре­буемого поперечного сечения берут несколько проводников меньшего сечения. Эти провод­ники обычно располагают в па­зу друг над другом и присоеди­няют к одним итем 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. индуктирован­ные в отдельных секциях, складывались, при соединении их руко­водствуются тем же правилом, что и при соединении проводников в витки: расстояние между соединяемыми частями секций должно быть приблизительно равно расстоянию между осями полюсов.

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

Простая волновая обмотка. При простой волновой обмотке секции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 94). При этом после одного обхода окружности якоря, т. е. после последо­вательного соединения р секций приходят к коллекторной пластине, расположенной рядом сисходной. 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. 95, а), откуда получила это название.

Для выполнения обмотки необходимо знать ее результирующий шаг у (см. рис. 94, 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 обмоте число параллельных ветвей обмотки 2а всегда равно двум и не зависит от числа полюсов:

2а = 2.

На рис. 96, а приведена в качестве примера развернутая в пло­скость схема простой волновой обмотки якоря четырехполюсной ма­шины, имеющей 19 секций, а на рис. 96, б— эквивалентная схема этой обмотки, показывающая последовательность соединения ее секций и образующиеся параллельные ветви. Цифрами 1, 2, 3 ит. 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. 97). Например, начало 1-й секции присоединяют к коллекторной пластине КП1, а конец ее соединяют с соседней коллекторной пластиной КП2 и началом рядом лежащей 2-й секции. Далее конец 2-й секции при­соединяют к следующей коллекторной пластине и к началу соседней секции и т. д. до тех пор, пока обмотка не замкнется, т. е. пока не придут к началу 1-й секции. В этой обмотке каждая последующая секция расположена рядом с предыдущей, а якорная катушка имеет форму петли (см. рис. 95, б), откуда получила название обмотка.

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

2а = 2р

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

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

Из сказанного следует, что в высоковольтных машинах 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 обмотки. Такую обмотку имеют тяговые дви­гатели электровозов и теплово­зов, а также электровозные генераторы возбуждения, ис­пользуемые при рекуперации. Машины постояннного тока не­большой мощности обычно вы­полняют двухполюсными. При двух полюсах петлевая и вол­новая обмотки не различаются.

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

В машинах постоянного тока при неравенстве э. д. с. в отдельных параллельных ветвях возникающие уравнительные токи будут пере­гружать щетки и ухудшать работу машин. Например, при неравенстве э. д. с. Е₁ и Е₂ в параллельных ветвях обмотки якоря 3 (см. рис. 100, б) по обмотке и через щетки 1 будет проходить уравнительный ток I_ур.

Разница между э. д. е. Е₁ и Е₂ 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 2τ. Идеальным было бы соединить между собой все такие точки обмотки. Однако большое число уравни­тельных соединений сильно удорожает обмотку. Поэтому практически достаточно иметь одно-два уравнительных соединения на каждую группу секций, лежащих в одном пазу якоря.

С производственной точки зрения уравнительные соединения удоб­но присоединять к коллекторным пластинам 2. Обычно они связывают между собой каждую третью — пятую пластины коллектора (рис. 102). Площадь поперечного сечения проводов, которыми выполняют урав­нительные соединения, в 3—5 раз меньше площади поперечного се­чения проводников обмотки якоря.Уравнительные соединения распо­лагают чаще всего под лобовыми частями обмотки якоря рядом с коллектором; в этом случае они находятся вне магнитного поля главных полюсов и в них не индуктируется э. д. с.

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

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

Одной из разновидностей сложных обмоток является параллельно-последовательная обмотка, применяемая в некоторых тяговых гене­раторах. Она представляет собой комбинацию простой петлевой 1 и многоходовой волновой 2 обмоток. Обе обмотки уложены в одни и те же пазы и имеют общие коллекторные пластины (рис. 103, а). Для равенства э. д. с. параллельных ветвей, образуемых петлевой и волновой обмотками, число параллельных ветвей этих обмоток долж­но быть одинаково.

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

Источник