Сложная петлевая обмотка

Общие положения

Сложную, или многоходовую, петлевую обмотку можно рассматривать как сочетание нескольких (m = 2, 3…) простых петлевых обмоток. Такую обмотку называют также 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 m-ходовой обмотки включается с помощью щеток параллельно и число параллельных ветвей сложной петлевой обмотки

Результирующий шаг по элементарным пазам и шаг по коллектору сложной петлевой обмотки

Шаги y₁ и y₂ = y – y₁ 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.

Симметричная двухходовая двукратнозамкнутая петлевая обмотка

Рассмотрим особенности сложной петлевой обмотки на конкретном примере: m = 2, 2×p =4, Z = Z_э = S = K = 20, u_п = 1.  При этом 2×a = 4 × 2 = 8 и условия симметрии: выражения (5) – (7) представленные в статье «Общие сведения о якорных обмотках машин постоянного тока», соблюдаются. Заметим, что эти условия в сложной петлевой обмотке при m = 2 соблюдается всегда, если K/p равно четному числу.

Выберем шаги обмотки:

y = y_к = +2; y₁ = 20 / 4 + 1 = 6; y₂ = 2 – 6 = –4 .

По известным значением шагов построим таблицу соединений секционных сторон обмотки (рисунок 1). При этом, начиная с пластины и секции 1, обойдем все нечетные секции и вернемся к пластине 1, замкнув первый ход обмотки. Начав второй ход с пластины 2, обойдем все четные секции и снова вернемся к пластине 2, замкнув второй ход обмотки.

Рисунок 1. Таблица соединений секционных сторон сложной петлевой обмотки, показанной на рисунке 2

Таким образом, в рассматриваемом случае получаются две самостоятельные обмотки, которые соединяются параллельно с помощью щеток. Это обусловлено тем, что S = K является в данном случае четным числом. Такая обмотка называется двукратнозамкнутой. В общем случае кратность замыкания сложной петлевой обмотки t равна общему наибольшему делителю чисел m и K.

Схема рассматриваемой обмотки представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема сложной петлевой обмотки с m = 2, 2×p =4, Z = Z_э = S = K = 20, y₁ = 6, y₂ = –4, y = y_к = +2

На рисунке 3 изображена звезда электродвижущих сил пазов или сторон секций, в которой векторы сдвинуты на угол

Рисунок 3. Векторная диаграмма электродвижущих сил обмотки, изображенной на рисунке 2

Построим в данном случае не векторную диаграмму электродвижущих сил секций, а диаграмму электродвижущих сил секционных сторон. Для этого будем складывать последовательно по ходу обмотки, согласно рисунку 1, электродвижущие силы секционных сторон. Так как по ходу обмотки электродвижущие силы нижних сторон секций вычитаются, они складываются с обратным знаком. В результате получим многоугольник электродвижущих сил (рисунок 3), который состоит из накладывающихся друг на друга многоугольников, что также указывает на наличие в обмотке восьми параллельных ветвей.

Уравнительные соединения

Для обеспечения равномерного распределения тока между ветвями каждого хода обмотки, показанной на рисунке 2, следует выполнить рассмотренные в статье «Простая петлевая обмотка» уравнители первого рода. Их  шаг

y_п = K / p = 20 / 2 = 10

является четным числом, и поэтому каждый уравнитель первого рода действительно будет соединять пластины и секции одного хода обмотки (рисунок 2).

Вместе с тем сложная петлевая обмотка нуждается также в так называемых уравнителях второго рода, которые служат для выравнивания нагрузки между разными ходами сложной обмотки.

Каждая щетка (рисунок 2) касается пластин разных ходов обмотки. Щеточный контакт не может быть вполне устойчивым, так как отдельные пластины несколько выступают по отношению к соседним и так далее. Поэтому условия контакта с пластинами разных ходов постоянно изменяются, что вызывает беспрерывное перераспределение тока нагрузки и пульсацию токов отдельных ходов обмотки. Вместе с тем сильно колеблются также напряжения между соседними пластинами. Все это приводит к перегрузке отдельных участков щеток, их искрению и так далее.

Во избежание таких явлений необходимо соединить теоретически равнопотенциальные точки разных ходов обмотки уравнителями второго рода и таким образом осуществить их параллельное соединение внутри самой обмотки помимо или до щеточного контакта.

Как уже указывалось, две равнопотенциальные точки рассматриваемой обмотки удалены на одной стороне якоря на y_п = 10 пластин или элементарных пазов и принадлежат поэтому одному ходу обмотки. Вследствие этого в данном случае выполнение уравнителей второго рода на одной стороне якоря невозможно.

Из рассмотрения рисунка 3 видно, что две равнопотенциальные точки разных ходов обмотки будут, например, соответствовать концу вектора 1’ (или началу вектора –7’’) и началу вектора 2’. Это будут соответственно середина лобовой части секции 1 на стороне, противоположной коллектору, и коллекторная пластина 2. Эти две равнопотенциальные точки (рисунок 2), а также другие аналогичные пары точек можно соединить уравнителями второго рода, проходящими между сердечником якоря и валом машины. В данном случае уравнители первого рода, принадлежащие разным ходам обмотки, выполняются на разных сторонах якоря, как показано на рисунке 2, так как при этом p уравнителей второго рода можно заменить одним. Например, показанный на рисунке 2 уравнитель второго рода для секций 1 и 2 служит также уравнителем второго рода для середины секции 11 и начала секции 12. В таком случае обычно выполняют только один уравнитель второго рода на (2 – 3) p коллекторных пластин. Недостатком уравнителей, проходящих между сердечником якоря и валом, является их конструктивная сложность.

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 ее половину и затем другую.

Для этого необходимо середину одновитковой секции, расположенной на противоположной от коллектора стороне якоря, соединить с коллекторной пластиной, находящейся между началом и концом данной секции. В обмотке, показанной на рисунке 2, такую роль выполняют уравнители второго рода, то есть они являются также одновременно уравнителями третьего рода. Как видно из рисунка 2, при движении коллектора влево щетка В1 сначала замкнет пластины 1–2 и тем самым левую половину секции 1, а затем пластины 2–3 и тем  самым правую половину секции 1.

Уравнители третьего рода выполняют в таком количестве, чтобы коммутация всей обмотки происходила по полусекциям. Естественно, что уравнители третьего рода можно выполнять лишь в том случае, если соединяемые ими точки обмотки имеют равные потенциалы.

Несимметричные сложные петлевые обмотки

Рассмотрим двухходовую петлевую обмотку со следующими данными: m = 2, 2×p = 4, 2×a = 8, Z = Z_э = S = K = 18, y = y_к = +2, y₁ = 4, y₂ = –2. Так как K – четное число, обмотка будет двукратнозамкнутой. Однако она не будет симметричной, так как условия: выражения (5) и (6) представленные в статье «Общие сведения о якорных обмотках машин постоянного тока», не выполняются. Заметим, что при m = 2 эти условия не выполняются, если K/p равно нечетному числу.

Последовательность соединений секций в этой обмотке представлена на рисунке 4, а схема обмотки – на рисунке 5.

Рисунок 4. Таблица соединений секционных сторон сложной петлевой обмотки, изображенной на рисунке 5

Рисунок 5. Схема сложной петлевой обмотки с m = 2, 2×p =4, Z = Z_э = S = K = 18, y₁ = 4, y₂ = –2, y = y_к = +2

Рисунок 6. Векторная диаграмма электродвижущих сил обмотки, изображенной на рисунке 5

Звезда электродвижущих сил секций и диаграмма электродвижущих сил рассматриваемой обмотки, построенные на основании рисунков 4 и 5, изображены на рисунке 6. При этом масштаб звезды электродвижущих сил в два раза меньше масштаба многоугольника электродвижущих сил. То обстоятельство, что многоугольники электродвижущих сил на рисунке 6 не совмещаются, также свидетельствует о несимметрии обмотки.

Равнопотенциальные точки этой обмотки имеют шаг

y_п  =K / p  = 18 / 2 = 9 ,

что следует также из рисунка 6. Эти точки принадлежат разным ходам обмотки, и поэтому при соединении их получим уравнители второго рода, которые в данном случае располагаются на одной стороне якоря (рисунок 5). Но эти уравнители соединяют также параллельные ветви, находящиеся под разными парами полюсов, и поэтому одновременно являются также уравнителями первого рода. То обстоятельство, что эти ветви принадлежат разным ходам обмотки, не имеет значения, так как при достаточном числе уравнителей все ветви, расположенные под разными полюсами, окажутся взаимно соединенными друг с другом и щетки будут нагружаться равномерно.

Простота выполнения уравнителей первого и второго рода является большим преимуществом рассматриваемой обмотки, и поэтому несимметричные двухходовые обмотки с K/p, равным нечетному числу, на практике часто предпочитают симметричным с K/p, равным четному числу.

Рисунок 7. Векторная диаграмма электродвижущей силы секции обмотки, изображенной на рисунке 5

Предположим, что в обмотке, показанной на рисунке 5, желательно выполнить также уравнители третьего рода, один из которых можно было бы провести между точками а и б на рисунке 5. На рисунке 7, а построен вектор электродвижущей силы секции 1 этой обмотки, а на рисунке 6 электродвижущая сила секции 1 представлена штриховой линией также в виде разности электродвижущих сил проводников витка. При этом из рисунка 6 видно, что точки а и б на рисунке 5 не являются равнопотенциальными и выполнить уравнители третьего рода невозможно. Если бы на схеме рисунка 5 был взят удлиненный шаг y₁ = 5, то потенциал точки а сместился бы в произвольную сторону (рисунок 7, б). Однако и в этом случае точки а и б были бы неравнопотенциальными. Поэтому при необходимости выполнения уравнителей третьего рода применяют симметричные двухходовые обмотки типа показанной на рисунке 2 с K/p, равным четному числу.

При нечетном K двухходовая петлевая обмотка будет однократнозамкнутой, но такая обмотка будет во всех случаях несимметричной, так как а = 2×p является четным числом и условие (5), представленное в статье «Общие сведения о якорных обмотках машин постоянного тока», не выполняется. Трехходовые петлевые обмотки (m = 3, a = 3×p) будут тоже всегда несимметричными, так как не выполняется условие (7) указанной статьи. Тем не менее, обмотки с m = 3 используются в мощных машинах.

Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.