Общие сведения о якорных обмотках машин постоянного тока

Устройство обмоток

Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и должна удовлетворять следующим требованиям:
1) обмотка должна быть рассчитана на заданные значения 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 (коэффициенте полезного действия и других) 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.

Основным элементом каждой обмотки якоря является секция, которая состоит из одного или некоторого числа последовательно соединенных витков и присоединена своими концами к коллекторным пластинам (рисунки 1 и 2).

Рисунок 1. Петлевая обмотка якоря. Одновитковая и двухвитковая секции петлевой обмотки	Рисунок 2. Волновая обмотка якоря. Одновитковая и двухвитковая секции волновой обмотки

В обмотке обычно все секции имеют одинаковое число витков. На схемах обмоток секции для простоты изображаются всегда одновитковыми.

Для удобного расположения выходящих из пазов лобовых частей (смотрите рисунок 4, в статье «Устройство машины постоянного тока») обмотки якоря выполняются двухслойными. При этом в каждом пазу секции располагаются в два слоя (рисунок 3): одна сторона каждой секции – в верхнем слое одного паза, а другая – в нижнем слое другого паза. На схемах стороны секций, находящихся в верхнем слое, будем изображать сплошными линиями, а стороны, расположенные в нижнем слое, – штриховыми линиями (рисунок 4). Однослойные якорные обмотки по принципу устройства не отличаются от двухслойных и применяются только при P_н < 0,5 кВт.

Рисунок 3. Укладка обмотки в пазу 1 – сторона секции верхнего слоя; 2 – сторона секции нижнего слоя	Рисунок 4. Соединение секций петлевой (а) и волновой (б) обмоток

Секции обмотки соединяются друг с другом в последовательную цепь (рисунок 4) таким образом, что начало (н) последующей секции присоединяется вместе с концом (к) предыдущей секции к общей коллекторной пластине. Обмотки – петлевая и волновая – названы по внешнему очертанию контуров, образуемых последовательно соединенными секциями.

Поскольку каждая секция имеет два конца и к каждой коллекторной пластине присоединены также два конца секций, то общее число пластин коллектора K равно числу секций обмотки S:

В простейшем случае в пазу находятся две секционные стороны: одна в верхнем и другая в нижнем слое. При этом число пазов якоря Z = S = K. Однако для уменьшения пульсаций выпрямленного тока и напряжения, а также во избежание возникновения чрезмерно большого напряжения между соседними коллекторными пластинами число пластин должно быть достаточно большим. Обычно при U_н = 110 – 220 В

K / 2p = 12 – 35 .

С другой стороны, изготовление якорей с большим числом пазов нецелесообразно, так как при этом пазы будут узкими, значительная часть их площади будет занята изоляцией секций от корпуса, для проводников останется мало места и в итоге получится проигрыш в мощности машины. Кроме того, большой расход изоляционных материалов и увеличение штамповочных работ вызовут удорожание машины, а мелкие зубцы будут непрочными.

По этим причинам обычно в каждом слое паза располагают несколько (u_п = 2, 3, 4, 5) секционных сторон (на рисунке 3 u_п = 3). При этом

В данном случае говорят, что в каждом реальном пазу имеется u_п элементарных пазов, так что в каждом слое элементарного паза имеется одна секционная сторона. Очевидно, что общее число элементарных пазов якоря

Когда u_п > 1, либо все секции имеют равную ширину (рисунок 5, а), либо же часть секций имеет меньшую, а часть – большую ширину (рисунок 5, б). В первом случае обмотка называется равносекционной, а во втором – ступенчатой. При ступенчатой обмотке условия токосъема с коллектора улучшаются, однако эта обмотка сложнее и дороже и поэтому применяется реже, притом только в машинах большой мощности (P_н приблизительно равно 500 кВт и выше).

Рисунок 5. Укладка секций равносекционной (а) и ступенчатой (б) обмоток при u_п = 2

В равносекционных обмотках u_п секций, стороны которых лежат рядом в общих пазах, объединяются в катушку (рисунок 6) и имеют общую изоляцию от стенок паза. Одновитковые секции при больших токах изготовляются из стержней, концы которых на противоположной от коллектора стороне якоря запаиваются с помощью хомутиков после укладки в пазы. Стержни u_п секций объединяются в полукатушку (рисунок 7). Секции ступенчатой обмотки являются всегда стержневыми.

Рисунок 6. Катушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

Рисунок 7. Полукатушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

На рисунке 8 приведены примеры выполнения изоляции пазовой части обмотки.

В машинах малой мощности, когда ток параллельной ветви не превышает 60 – 75 А, катушки изготовляются из круглых изолированных проводников. В этом случае пазы делают трапециевидными (рисунок 8, а), чтобы получить зубцы с неизменным по высоте сечением и тем самым избежать сильного насыщения корня зубца. Проводники катушки при этом опускаются в паз по одному через узкую щель открытия паза. Такие пазы называются полузакрытыми, и изоляция таких обмоток чаще всего выполняется класса А и Е.

В случае применения проводников прямоугольного сечения паз также выполняется прямоугольным (рисунок 8, б). Такие обмотки изготовляются с различными классами изоляции. При изоляции классов А и Е проводники обмотки могут также опускаться в паз по одному, и тогда ширина открытия паза равна примерно половине ширины паза. Такие пазы называются полуоткрытыми. При изоляции классов B, F и H заранее полностью изолированные катушки укладываются в полностью открытые пазы (рисунок 8, б).

При D_а ≤ 40 см и v_а ≤ 35 м/с обмотки в пазах укрепляются с помощью проволочных бандажей из стеклоленты, пропитанной  лаком. Во всех остальных случаях применяются клинья из твердых пород дерева (бук и другие), гетинакса, текстолита, стеклотекстолита и других материалов.

Плотность тока в проводниках обмотки якоря при номинальной нагрузке находиться в пределах 4 – 10 А/мм². Меньшая цифра относится к крупным машинам, большая – к малым.

Условия симметрии обмоток

В современных якорных обмотках соединенные последовательно друг с другом секции образуют замкнутую на себя цепь. Такую обмотку можно изобразить схематически в виде замкнутой спирали (рисунок 9), по поверхности которой скользят щетки. В изображенном на рисунке 9 простейшем случае обмотка имеет одну пару (а = 1) параллельных ветвей. В общем случае а = 1, 2, 3…, и тогда машину можно рассматривать состоящей из а параллельно работающих элементарных машин, каждая из которых имеет две параллельные ветви.

Рисунок 9. Цепь простейшей якорной обмотки

Для обеспечения наилучших условий работы машины необходимо, чтобы электродвижущая сила E_а всех ветвей обмотки и их сопротивления были равны. В этом случае токи всех параллельных ветвей i_а также будут равны:

(4)

Для удовлетворения этих условий необходимо, во-первых, чтобы магнитная цепь была симметричной по устройству и потоки всех полюсов были равны, во-вторых, чтобы все пары параллельных ветвей обмотки были эквивалентны, то есть чтобы они располагались в магнитном поле идентичным образом. Обмотка, удовлетворяющая этим требованиям, называется симметричной.

При нарушении указанных требований разные ветви обмотки будут нагружаться различными по значению токами, что может вызвать нарушение работы щеточных контактов, а кроме того, возрастут также потери в обмотке.

Чтобы обмотка была симметричной, на каждую пару параллельных ветвей должно приходится одинаковое целое число секций и коллекторных пластин:

(5)

Для симметричного расположения параллельных ветвей в магнитном поле необходимо, чтобы

Соотношения (5), (6) и (7) представляют собой условия симметрии обмоток, и последнее проектируется с их учетом. Однако в отдельных случаях допускаются определенные, не слишком большие отступления от этих требований, не вызывающие заметного ухудшения условий работы машины.

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