В машинах постоянного тока свыше 1 квт устанавливают дополнительные полюса для
Коммутация машин постоянного тока
Основные явления. Коммутацией в электрических машинах называется процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и связанные с этим явления. На рис. 1.13, а показана секция перед коммутацией на рис. 1.13,б – секция в процессе коммутации (замкнутая накоротко через щетки 1, 2), на рис. 1.13,в – секция после коммутации.
Процесс переключения секции протекает достаточно быстро: время коммутации одной секции, называемое периодом коммутации Тк, составляет примерно 0,001 – 0,0003 с. Явления, происходящие при коммутации, существенно влияют на надежность и долговечность работы машины постоянного тока.
При плохой коммутации появляется значительное искрение под щетками и связанное с ним обгорание коллектора.
Ток i в короткозамкнутой секции 2 за время Тк меняет свое направление на противоположное: от +Iа до – Iа (рис. 1.14), где Iа – ток в параллельной ветви. Вследствие изменения тока в секции наводится ЭДС самоиндукции
.
Кроме этого, коммутируемая секция, если щетки расположены на геометрической нейтрали, пересекает поперечное поле якоря и поэтому в ней наводится ЭДС 
, называемая ЭДС вращения, где BП – индукция поперечного поля. Обе ЭДС вызывают ток коммутации iК, который замыкается по цепи: секция, коллекторная пластина, щетка, коллекторная пластина, секция (штриховая линия на рис. 1.13,б). От сопротивления этой цепи, а также от значений и направления еL и 
зависит значение и направление тока iК. Кроме того, по коммутируемой секции протекает часть тока якоря.
Если еL и направлены навстречу друг другу и равны, то еL + = 0 и ток в коммутируемой секции изменяется по закону i = Iа (1 – 2t / Tк), т.е. линейно (рис. 1.14, прямая 1). В этом случае плотность тока под щеткой везде одинакова и не изменяется в процессе коммутации – искрение под щетками не наблюдается.
Однако практически еL + ≠ 0. В этом случае ток iК алгебраически суммируется с частью тока якоря в коммутируемой секции и общий ток в коммутируемой секции изменяется в соответствии с кривыми 2 или 3 (рис. 1.14). В первом случае коммутация называется замедленной, во втором – ускоренной. В обоих случаях плотность тока под щеткой неодинакова, особенно она велика в набегающей части щетки для генератора и в сбегающей – для двигателя. В результате возникает искрение под щеткой и на коллекторе.
Пути улучшения коммутации. В предыдущем параграфе были рассмотрены электромагнитные причины плохой коммутации. Однако к искрению под щетками могут приводить и механические причины: неравномерный износ коллектора и его вибрация, чрезмерный износ щеток, выступание отдельных коллекторных пластин и изоляции и т.д. С учетом этого улучшение коммутации возможно несколькими путями:
Ø обеспечением в машине прямолинейной или несколько ускоренной коммутации; это достигается созданием в зоне коммутации секции дополнительного магнитного поля такой величины и направления, чтобы еL + = 0 ;
Ø увеличением сопротивления короткозамкнутой цепи секции в целях уменьшения тока короткого замыкания; это достигается применением твердых графитовых щеток с повышенным переходным сопротивлением (мягкие медно-графитовые щетки с малым переходным сопротивлением применяются только в тихоходных машинах на напряжение до 30 В);
Ø тщательным контролем за состоянием поверхности коллектора и щеток.
Главным средством улучшения коммутации в машинах средней мощности являются дополнительные полюсы. Магнитное поле дополнительных полюсов подбирается таким образом, чтобы еL + = 0 или было несколько больше нуля.
Дополнительные полюсы устанавливаются у всех машин постоянного тока мощностью свыше 1 кВт. В крупных машинах применение дополнительных полюсов сочетается с установкой компенсационной обмотки. В машинах малой мощности (менее 1 кВт) коммутацию настраивают поворотом щеток по направлению вращения у генераторов, а у двигателей – против направления вращения за положение физической нейтральной линии. Практически это положение определяется на глаз по наименьшему искрению под щетками. Улучшение коммутации поворотом щеток – малоэффективный метод, так как при изменении нагрузки положение физической нейтральной линии изменяется, а положение щеток остается фиксированным.
136. Реакция якоря. Коммутация. Дополнительные полюса
При работе генератора вхолостую, в зависимости от типа генератора, ток якоря очень мал или равен нулю. В этом случае магнитное поле, создаваемое обмоткой полюсов (обмоткой возбуждения) для двухполюсного генератора, имеет вид, представленный на фиг. 277, а. Как было указано выше, линия, проведенная через середину полюсных наконечников, называется осью полюсов. Ось магнитного поля совпадает с осью полюсов.
Линия, перпендикулярная оси магнитного поля, — физическая нейтраль — в данном случае совпадает с геометрической нейтралью (линией а—б).
При работе генератора на внешнюю сеть по обмотке якоря машины будет протекать ток, создающий свое магнитное поле — поле якоря (фиг. 277, б). Наложение двух магнитных полей — поля полюсов и поля якоря — приводит к образованию результирующего магнитного поля. На фиг. 277, в показана картина результирующего магнитного поля генератора. Действие магнитного поля якоря на поле полюсов называется реакцией якоря. Поле якоря, действуя на магнитное поле полюсов, приводит:
1. К размагничиванию избегающего края полюса, где направления магнитных линий полей полюса и якоря противоположны, и к подмагничиванию сбегающего края полюса, где магнитные линии полей полюса и якоря направлены в одну сторону. При небольшой величине магнитной индукции в сердечнике полюса размагничивание одной половины полюса происходит настолько же, насколько подмагничивается другая половина.При большой величине индукции вследствие магнитного насыщения ослабление магнитного потока у одной половины полюса не компенсируется усилением его у другой половины, в результате чего магнитный поток генератора уменьшается и напряжение машины падает.
2. К искажению поля машины и смещению физической нейтрали в сторону вращения генератора (положение 
на фиг. 277, в). Величина угла смещения физической нейтрали зависит от величины магнитного поля якоря, которая, в свою очередь, зависит от тока в обмотке якоря, т. е. от нагрузки генератора.
3. К необходимости сдвига щеток в сторону вращения якоря во избежание сильного искрообразования. Для того чтобы при непрерывном изменении нагрузки генератора не передвигать все время щетки, применяют специальные дополнительные полюсы, действие которых будет нами разобрано ниже.
При вращении якоря генератора проводники обмотки переходят из одной параллельной ветви в другую. Это происходит в тот момент, когда секции обмотки, минуя один полюс, пересекают физическую нейтраль и входят в зону действия соседнего разноименного полюса. Направление индуктированной в секции э. д. с. меняется на обратное. Процесс переключения секций обмотки из одной параллельной цепи в другую и связанные с ним явления называются коммутацией. В течение некоторого времени (периода коммутации) в коммутируемой секции, проходящей зону коммутации, ток меняет свое направление на обратное. Как известно, каждое изменение тока
в проводнике вызывает изменение магнитного поля, что приводит к возникновению в проводнике э. д. с. самоиндукции. По правилу Ленца э. д. с. самоиндукции стремится задержать изменение тока в секции обмотки, вследствие чего процесс коммутации затягивается.
Величина э. д. с. самоиндукции зависит от индуктивности коммутируемой секции и скорости изменения тока в ней.
Так как процесс коммутации очень сложен, то, не имея возможности здесь подробнее объяснить это явление, мы попытаемся представить его в упрощенном виде. На фиг. 278, а показана секция обмотки абв, находящаяся в зоне коммутации. Ток из двух соседних параллельных ветвей притекает к коллекторной пластине 1 и через положительную щетку уходит во внешнюю
сеть. Для простоты возьмем ширину щетки, равную ширине коллекторной пластины. В положении, показанном на фиг. 278, б секция абв переместилась в сторону и щетка стала касаться коллекторной пластины 2. Сравнивая оба положения секции, замечаем, что направление тока в проводниках изменилось. Если раньше ток протекал от в к а, то во втором случае он протекает от а к в. Изменение тока в проводниках произошло за время, в течение которого щетка перешла с одной коллекторной пластины на другую.
На фиг. 278, в показано промежуточное положение коммутируемой секции при переходе щетки с коллекторной пластины 1 на пластину 2.
В то время, когда щетка в равной мере перекрывала коллекторные пластины 1 и 2, секция обмотки абв находилась на физической нейтрали. Если бы процесс коммутации не сопровождали сложные побочные явления, то в секции обмотки ток был бы равен нулю. В этом случае в соединительных проводниках а и в протекали бы токи, обратно пропорциональные переходным сопротивлениям между щеткой и коллекторными пластинами, или, иначе говоря, прямо пропорциональные площадям соприкосновения щетки с коллекторными пластинами. В положении, когда одна половина щетки касалась пластины 1, а другая — пластины 2, через соединительные проводники аив проходили одинаковые токи, в сумме равные току, уходящему от положительной щетки в сеть. По мере того как щетка будет сходить с пластины 1 и находить на пластину 2, площадь соприкосновения щетки с пластиной 1 станет уменьшаться, а с пластиной 2 — увеличиваться. Это вызовет соответственно уменьшение тока в проводнике а и увеличение тока в проводнике в. Ток в секции обмотки будет увеличиваться. В действительности процесс коммутации усложняется появлением в секции обмотки э. д. с. самоиндукции, которая по правилу Ленца создает ток, направленный в данном случае против тока в проводниках секции. На фиг. 278, б направление тока, порождаемого э. д. с. самоиндукции, показано пунктирными стрелками. Из чертежа видно, что В соединительном проводнике а токи имеют одно направление, в проводнике в — разное направление. Это приводит к увеличению плотности тока под сбегающим краем щетки и уменьшению плотности тока под набегающим краем щетки. Увеличение плотности тока в щетке приводит к перегреву ее и образованию искр на коллекторе, которые могут вызвать порчу коллектора.
Искрение щеток могут вызвать и другие причины, как, например: плохое состояние поверхности коллектора, загрязнение коллектора и щеток, вибрация машины, большая разность потенциалов между соседними пластинами коллектора, перегрузка генератора.
Секция обмотки, приближаясь к зоне коммутации, имеет направление тока, соответствующее направлению иидуктированной э. д. с. той параллельной ветви, откуда секция выходит. Для хорошей коммутации необходимо, чтобы в секции, попавшей на физическую нейтраль и замкнутой щеткой накоротко, ток был бы равен нулю. Но возникающая в секции э. д. с. самоиндукции, направленная по правилу Ленца в ту же сторону, что и э. д. с. в проводниках, будет мешать изменению тока, стараясь сохранить прежнюю величину и направление тока. Отсюда становится понятным стремление прекратить действие э. д. с. самоиндукции. Для этой цели щетки генератора сдвигают с физической нейтрали на некоторый угол в сторону вращения якоря. В коммутируемом элементе, попавшем в магнитное поле другой полярности, будет индуктироваться э. д. с, имеющая направление, обратное э. д. с самоиндукции. Так как величина э. д. с. самоиндукции зависит от величины тока в проводниках обмотки, или, иначе говоря, от нагрузки генератора, то при различной нагрузке в коммутируемой секции будет возникать различная по величине э. д. с. самоиндукции.
Чтобы обеспечить постоянное компенсирование э. д. с. само индукции, пришлось бы непрерывно менять положение щеток, что практически невыполнимо. Поэтому современные конструкции машин постоянного тока имеют дополнительные полюсы, располагаемые между главными полюсами. Щетки в этом случае устанавливаются на геометрической нейтрали. Магнитное поле, создаваемое дополнительными полюсами, индуктирует в проводниках, проходящих зону коммутации, э. д. с, направленную против э. д. с. самоиндукции, тем самым обеспечивая хорошую коммутацию и устраняя искрение щеток.
Чтобы компенсировать изменяющуюся с нагрузкой э. д. с. самоиндукции, необходимо, чтобы магнитное поле дополнительных полюсов изменялось пропорционально нагрузке генератора. Для этой цели обмотка дополнительных полюсов включается последовательно с обмоткой якоря.
На фиг. 279 показано расположение и включение обмотки дополнительных полюсов. Из чертежа видно, что у генератора за главным полюсом в сторону вращения якоря располагается разноименный дополнительный полюс. Магнитное поле дополнительных полюсов имеет направление, противоположное полю самого якоря, и уравновешивает его.
Для генераторов, работающих с резко изменяющейся нагрузкой (подъемники, краны, прокатные станы), применяют иногда компенсационную обмотку, закладываемую в пазы, специально сделанные в полюсных наконечниках. Направление тока компенсационной обмотки должно быть противоположно току в проводниках обмотки якоря. На дуге, охватываемой полюсным наконечником, магнитное поле компенсационной обмотки будет уравновешивать поле реакции якоря, не допуская искажения поля машины. Компенсационная обмотка, так же как обмотка дополнительных полюсов, включается последовательно с обмоткой якоря. На фиг. 280 показана схема компенсационной обмотки.
В машинах постоянного тока свыше 1 квт устанавливают дополнительные полюса для
Назначение. Добавочные полюса применяют для создания магнитного потока в зоне коммутации. Под влиянием этого потока в коммутирующих витках наводится э д.с, направленная против реактивной э.д.с. Включение обмоток добавочных полюсов последовательно с обмоткой якоря способствует автоматической компенсации реактивной э.д.с. при изменении режимов работы двигателя. Число добавочных полюсов всегда равно числу главных. В тяговом режиме полярность добавочных полюсов должна быть обратна полярности соседних (по направлению вращения якоря) главных полюсов, а в генераторном — той же самой. Чтобы магнитный поток возрастал пропорционально току якоря, необходимо иметь слабое насыщение добавочных полюсов Добавочный полюс состоит из сердечника и катушки.
Сердечники. Они имеют более простую форму, чем сердечники главных полюсов. У тяговых двигателей отечественных электровозов постоянного тока сердечники добавочных полюсов сделаны сплошными из стали в виде отливок или обработанных поковок, так как индукция в них невелика и вследствие этого потери
от пульсации магнитного потока ничтожны. В машинах с тяжелыми условиями коммутации, а также в двигателях пульсирующего тока для уменьшения вихревых токов сердечники выполняют шихтованными (отечественные двигатели НБ-414Б, НБ-412М, НБ-412К, НБ-418К, РТ-51Д; двигатели 4336 и Т01368 соответственно французских электровозов ВВ9004 и ВВ16000). Сердечники добавочных полюсов в основном шихтуют перпендикулярно, а реже — параллельно оси якоря (двигатели РТ-51Д и др.). В последнем случае листы сердечника выполняют роль экранов для пульсирующей составляющей потоков рассеяния. В результате этого снижаются вихревые токи в сердечнике, уменьшается отставание пульсирующей составляющей потока полюса и наводимой им коммутирующей э.д.с. от тока в цепи обмотки якоря, т. е. лучше компенсируется реактивная э.д.с.
Длину сердечника полюса для уменьшения индукции в его теле принимают обычно максимальной возможной. Практически она ограничивается осевым размером полюсных катушек. Так как ширина меди катушек добавочных полюсов обычно меньше, чем главных полюсов, то сердечник добавочного полюса выполняют на 2—6 см длиннее сердечника якоря. Ширину сердечника выбирают такой, чтобы индукция Вдп при номинальном режиме в полюсе была не выше 0,6—0,7 Тл. У шихтованных полюсов из стали Э310 индукция выше на 15%.
Чтобы добавочные полюса работали на прямолинейной части кривой намагничивания, необходимо иметь большой воздушный зазор бдп между их сердечниками и якорем. Однако увеличение воздушного зазора у полюса, имеющего высокий сердечник, вызывает повышение потока рассеяния. При этом значительная часть магнитного потока замыкается не через сердечник якоря, а через сердечник главного полюса и остов (рис. 83, а).
При разделении зазора добавочного полюса на две части и установке между сердечником и остовом диамагнитной прокладки (латунной, алюминиевой или текстолитовой) рассеяние магнитного потока уменьшается (рис. 83,6), так как наконечник сердечника приближается к якорю и увеличивается магнитное сопро-
тивлеиие в цепи потоков рассеяния Фв. Это снижает степень насыщения цепи добавочных полюсов, т. е. делает их магнитную характеристику более прямолинейной, а следовательно, в еще более широком диапазоне изменения нагрузок коммутирующая э.д.с. компенсирует реактивную. В результате значительно улучшается коммутация двигателя (см. § 36). Однако из-за введения второго зазора бд,требуется увеличить м.д.с. дополнительных полюсов. Некоторое увеличение массы меди катушек добавочных полюсов окупается повышением коммутационной устойчивости тягового двигателя, особенно при больших нагрузках в режиме ослабленного возбуждения. Поэтому почти у всех тяговых двигателей между сердечником добавочного полюса и остовом устанавливают диамагнитные прокладки 6 (рис. 84).
Воздушный зазор между якорем и добавочным полюсом принимают обычно равным (0,5 1) 6П, где Ь„ — ширина паза. Большие значения зазора соответствуют меньшим зубцовым делениям и отсутствию зазора между добавочным полюсом и остовом Для снижения насыщения магнитной цепи добавочного полюса со стороны остова предусматривают зазор в пределах от 1 мм до размера, равного зазору между сердечниками главного полюса и якоря. Если магнит-
Рис. 83 Схемы потоков рассеяния добавочных полюсов при отсутствии (а) и наличии (б) диамагнитной прокладки
ная система остова шихтованная, то зазор между остовом и добавочным полюсом не предусматривают, когда это ие требуется для спрямления магнитной характеристики.
Расчетные значения индукции под полюсом можно получить, лишь выдержи-
Рис 84 Крепление добавочных полюсов с шихтованным сердечником к остову двигателей НБ 418К(а) и НБ-514 (б) / — остов, 2 — болт из немагнитной стали; 3 — шихтованный сердечник (тяговые двигатели НБ 418К и др ), 4 — стержень, 5 — заклепка, 6 — текстолитовая (илн латунная) прокладка, 7 — обмотка полюса
Рис. 85. Крепление добавочного полюса со сплошным сердечником к остову / — остов, 2 — болт из немагнитной стали, 3 — литой или кованый сердечник, 4 — текстолитовая или латуииая прокладка, 5 — обмотка, 6 — пружинный фланец
вая с высокой точностью расчетные воздушные зазоры. Чтобы не перекрывать зазор между остовом и сердечником ферромагнитными элементами, болты (или шпильки) добавочных полюсов иногда выполняют из немагнитных материалов.
Катушки добавочных полюсов. Их наматывают из меди прямоугольного сечения на специальном станке по шаблону, обычно на ребро (рис. 84 и 85). При намотке катушек плашмя шины меди, располагаясь параллельно боковым стенкам сердечника, частично выполняют роль экранов для пульсирующей составляющей потока рассеяния. Однако такие катушки не получили практического применения из-за конструктивных затруднений по вписыванию в габарит двигателя. Витки располагают вдоль всего сердечника или вблизи полюсных наконечников; изоляция катушек не отличается от изоляции катушек главных полюсов. Число витков добавочного полюса шдп = РЛ/1Ч, где ■г7, — м.д.с. добавочного полюса.
Катушка добавочного полюса (за исключением катушки двигателя НБ-514), удерживается на сердечнике бронзовой рамкой или угольниками из диамагнитного материала. Чтобы не допустить ослабления плотности крепления, возникающей при усыхании стекломикалент-ной изоляции, применяют пружинный фланец, состоящий из двух половин.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ПОЛЮСА
Дополнительные полюса предназначены для создания дополнительного магнитного потока ЭМ, который позволяет уменьшить вредное воздействие реакции якоря, и повысить качество коммутации тягового двигателя.
Дополнительные полюса устанавливают внутри остова между главными полюсами. Их крепят к остову болтами. Между сердечниками дополнительных полюсов и остовом устанавливают диамагнитную прокладку. Сердечник имеет опорный угольник для удерживания катушки.
ЯКОРЬ
Якорь служит для создания вращающего момента двигателя и тормозного момента генератора.
1 – вал переменного сечения;
3 – шихтованный сердечник якоря;
4 – в пазы сердечника вложена обмотка якоря;
7 – подшипники якоря.
Сердечник якоря является частью магнитной цепи тягового двигателя.
Собирают его из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм.
Для уменьшения потерь от вихревых токов листы изолируют один от другого тонким слоем лака. Листы собирают в общий пакет, который насаживают на вал якоря на шпонке. В каждом листе имеются отверстия, которые в сердечнике образуют вентиляционные каналы. По периметру якорные листы имеют зубчатую форму, которые при сборке образуются пазы, в которые укладываются секции обмотки якоря.
Обмотка якоря состоит из отдельных катушек (секций), которые укладываются двумя ярусами в пазах сердечника. Одна сторона каждой секции располагается в нижнем слое одного паза, а другая в верхнем слое другого паза.
Каждая секция состоит из пяти проводников. В секции каждый проводник изолирован друг от друга. Секции имеют общую корпусную изоляцию и дополнительную в лобовой и активной части.
Начало и концы всех проводников секций привариваются к своим коллекторным пластинам в два яруса.
В тяговых двигателях ДК-108 применяется волновая обмотка якоря, а в тяговых двигателях ДК-117 применяется петлевая обмотка якоря.
Обмотка якоря крепится деревянными или текстолитовыми клиньями в пазах сердечника якоря и фиксируется металлическими бандажами или стеклобандажами в зоне нажимных шайб.
В тяговых двигателях ДК-117 обмотка якоря дополнительно фиксируется стеклобандажами в зоне сердечника якоря.
Коллектор.
Коллекторпредназначен для подвода тока к проводникам обмотки якоря, одновременно в генераторах постоянного тока это механический выпрямитель. (Подробнее смотри 3 раздел электронного курса «Основы электротехники для локомотивных бригад метрополитена»).
Коллектор состоит из:
1 – набора медных клинообразного сечения и миканитовых коллекторных пластин;
2 – коллекторного конуса;
3 – коллекторной шайбы;
4 – коллекторной гайки;
5 – изоляционных манжет и цилиндра.
Медные коллекторные пластины изолированы одна от другой миканитовыми пластинами. Нижняя часть пластин имеет форму «ласточкина хвоста», при помощи которого набор пластин зажимают между конусом и шайбой коллектора. Фиксируется набор пластин коллекторной гайкой, которую устанавливают на резьбовую часть коллекторного конуса. Медные коллекторные пластины изолируются от корпуса коллектора миконитовыми манжетами и цилиндром.
В собранном виде коллектор напрессовывается на вал якоря с шпонкой. К каждой коллекторной пластине привариваются проводники обмотки якоря в два яруса.
Нормальная рабочая поверхность коллектора должна быть гладкой. Равномерное потемнение коллектора в процессе эксплуатации без следов подгара свидетельствует о наличии устойчивого слоя политуры и хорошей коммутации.
Вентилятор.
Вентилятор это два алюминиевых диска с прямыми лопастями по периметру и стальной втулкой в центре. Стальная втулка вентилятора устанавливается на вал якоря. Двухдисковый вентилятор изготовлен из алюминиевого сплава.
Засасываемый воздух с окон подшипникового щита со стороны коллектора распределяется на два параллельных потока. Один из потоков омывает поверхность между якорем и полюсами, а также проходит через пазы сердечников главных полюсов. Другой проходит под коллектором и по вентиляционным каналам внутри сердечника якоря. Нагретый воздух выбрасывается через специальные окна в остове со стороны противоположной коллектору независимо от направления вращения тягового двигателя.
Охлаждение оказывает большое влияние на работу двигателей. Мощность, которую можно получить от электрической машины, ограничена предельной температурой, которую может выдержать изоляция обмоток. Поэтому, при охлаждении значительно снижается нагрев обмоток, что позволяет повысить мощность двигателя.