Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974
.pdfР и с . 3 -25 . Э. д. с. |
обмотки якоря: а — при у г — х, б — при |
j/j < |
т, в — при сдвинутых щетках . |
Согласно уравнению (2-11), произведение І^Ъ'В^ = Фз, поэтому
Е9 |
1V |
(3-21) |
|
а 60 |
1 |
Из этой формулы следует, что э. д. с. Е2 определяется величиной магнитного потока Фа и не зависит от распределения индукции на полюсном делении и по длине якоря.
57
rt |
» |
N |
p |
1 |
величиной по- |
Для |
выполненной машины— |
ьо |
Ке является |
||
^ |
|
в |
|
|
|
стоянной, тогда для сокращения записи |
|
||||
|
|
Е 2 — |
Н е нФз- |
(3-22) |
Если обмотка выполнена с укороченным (или удлиненным) шагом уІ7 то некоторые секции полностью находятся в магнитном поле одного полюса (рис. 3-25, б) и э. д. с. проводников при обходе по этим секциям вычитаются, что приводит к уменьшению э. д. с. па раллельной ветви. При небольшом укорочении шага это уменьшение незначительно и для вычисления э. д. с. обмотки с укороченным ша гом можно пользоваться формулой (3-21).
Э. д. с. параллельных ветвей зависит от положения их относи тельно главных полюсов, которое определяется установкой щеток на коллекторе. Если щетки установлены на коллекторных пластинах, соединенных с узловыми точками (при переходе через которые из меняется направление э. д. с. в секции), то э. д. с. параллельной ветви получается наибольшей и определяется формулой (3-21). При сдвиге щеток с этого положения (рис. 3-25, в) в параллельную ветвь войдут секции с э. д. с. противоположного направления и общая э. д. с. параллельной ветви будет меньше вычисленной по формуле
(3-21).
Пример. Требуется определить э. |
д. с. машипы типа |
ПН-100 при работе |
|
ее в режиме генератора со скоростью вращения п = 1460 |
о б /м и н . Данные ма |
||
шины приведены в § 2-5; кроме того, |
число проводников N = 834 и 2а — 2. |
||
По формуле (3-21) |
|
|
|
Е2 = 834 |
2 • 1460 |
• 0,638 • ІО“2 = 260 в. |
|
1 ' |
60 |
|
|
3-11. Сопоставление обмоток различных типов
При выборе обмотки якоря следует учитывать как особенности обмотки, так и возможности ее выполнения. Ток в параллельной ветви обмотки не должен превосходить 300 а (в крупных машинах 400 а). Верхний предел числа коллекторных пластин, а следователь но, и количество секций, определяется минимальной толщиной кол лекторной пластины порядка 3 мм. Нижний предел — напряжением между коллекторными пластинами, которое должно быть меньше 35 в.
Для двухполюсных машин в электрическом отношении нет раз ницы между волновой и петлевой обмоткой, однако выполнение вол новой обмотки в этом случае получается более сложным.
В многополюсных машинах одноходовая волновая обмотка не тре бует применения уравнительных соединений. Кроме того, при вол новой обмотке уменьшается количество проводников обмотки якоря, улучшается использование площади паза вследствие увеличения размеров проводника, улучшается коммутация вследствие уменьше ния количества витков в секции.
Выбор обмотки следует начинать с одноходовой волновой об мотки, которая применяется для машин малой и средней мощности
58
(до 500 кет) при напряжении 110 в и выше, если ток якоря не превос ходит 600 (800) а.
Одноходовая петлевая обмотка применяется для двухполюсных машин малой мощности (до 1 кет) и для машин большой мощности (свыше 500 кет) при токе якоря свыше 600 а.
Многоходовая петлевая обмотка применяется в машинах малой мощности при напряжении до 24 б и большой мощности при напряже нии свыше 110 в.
Многоходовая волновая обмотка применяется в машинах средней и большой мощности (свыше 50 кет) при напряжении 110 б и выше.
Комбинированные (лягушечьи) обмотки, не требующие уравни тельных соединений, целесообразно применять в машинах с большой окружной скоростью и в машинах с тяжелыми условиями коммута ции, где оправдано значительное усложнение обмотки и вызванное этим увеличение стоимости машины.
Гла в а ч е тв е р та я МАГНИТНОЕ ПОЛЕ МАШИНЫ ПРИ НАГРУЗКЕ
4-1. Намагничивающая сила обмотки якоря
Нагрузка электрической машины характеризуется наличием тока в цепи якоря, состоящей из нескольких обмоток: обмотки якоря, обмотки добавочных полюсов, а в ряде случаев последовательной обмотки главных полюсов и компенсационной обмотки (см. рис. 5-13).
Таким образом, при нагрузке машины, кроме магнитного потока, созданного обмоткой независимого или параллельного возбужде ния, существуют магнитные потоки обмоток цепи якоря.
Пути магнитного потока главных полюсов в поперечном разрезе двухполюсной машины показаны на рис. 4-1, а. Вследствие симмет-
59
рин магнитной цепи машины относительно оси У — У главных полюсов распределение потока подумается симметричным относи тельно этой оси. На рис. 4-1, б изображена развертка окружности якоря и представлено распределение намагничивающей силы глав ных полюсов и индукции в зазоре на двойном полюсном делении. Зубчатое распределение индукции (см. рис. 2-4) заменено плавной линией. При вращении якоря в проводниках его обмотки наводятся э. д. с., направление которых указано внутри окружностей, обозна чающих стороны катушек. Проводники с одинаковым направлением э. д. с. расположены симметрично относительно оси главных полю сов. В проводниках на геометрической нейтрали э. д. с. равна нулю, и щетки обычно устанавливаются на коллекторных пластинах, со единенных с этими проводниками (рис. 3-9). Магнитный поток об мотки якоря можно получить, если эту обмотку соединить через
Р и с . 4 -2 . Магнитный поток: а — вокруг проводника в воздухе, б — вокруг проводника в пазу, в — вокруг группы проводников
щетки с источником постоянного тока, например аккумулятором. Для обмотки с полным шагом (у1 — т) и указанного положения щеток распределение тока в проводниках соответствует описанному распределению э. д. с.: проводники с током одного направления за нимают половину окружности якоря и расположены симметрично относительно оси главных полюсов. Проводники, соединенные через коллекторные пластины со щетками, делят якорь на области с про тивоположным направлением тока, т. е. обозначают положение токораздела на якоре.
Вокруг проводника с током, находящегося в однородной среде, например в воздухе, линии магнитного потока располагаются по концентрическим окружностям (рис. 4-2, а). Направление потока определяется по правилу правого винта (см. § В-4). Если проводник с током поместить в паз якоря, то наличие материала с большой маг нитной проводимостью с трех сторон проводника приводит к увели чению магнитного потока, который будет проходить главным обра зом по зубцам и поперек паза, только небольшая часть магнитного потока замкнется между зубцами вне паза (рис. 4-2, б). Так же рас пределяется магнитный поток и при наличии нескольких провод ников в пазу. Этот поток почти не изменяет магнитного поля зазора и называется потоком рассеяния обмотки якоря. -
60
Если проводники с током одного направления занимают ряд пазов, то, кроме потока рассеяния, образуется общий магнитный поток., замыкающийся через зазор и полюсный наконечник (рис. 4-2, в). Общий магнитный поток называется потоком обмотки якоря, или сокращенно потоком якоря.
Пути магнитного потока якоря замыкаются вокруг центра про водников с током одного направления (рис. 4-3, а). На левой половине якоря образуется северный полюс N a и на правой половине якоря — южный полюс Sa. Магнитная ось Sa — N a якоря проходит через токораздел.
Намагничивающая сила обмотки якоря распределена по окруж ности и изменяется при увеличении дуги якоря, охватываемой маг
нитным потоком, это изменение происходит при каждом перемещении через паз якоря. Для выяснения закономерности распределения на магничивающей силы по окружности якоря целесообразно рассмот реть вместо обмотки в пазах непрерывный слой проводников, рас положенных по образующим цилиндрической поверхности якоря. Эквивалентность такой замены соблюдается, если произведение об щего количества N проводников и тока I а в каждом проводнике, а также положение токораздела непрерывного слоя проводников та кие же, как у обмотки, размещенной в пазах якоря.
В этом случае сохраняется также неизменным полный ток об мотки, приходящийся на единицу длины окружности якоря
* |
.... N ig |
N lj |
(4-1) |
|
^ |
/Л.-2 |
7.J),<2^(1 |
||
|
Величина А2 характеризует распределенную намагничивающую силу обмотки и называется линейной нагрузкой якоря. В современ ных машинах постоянного тока линейная нагрузка составляет 5000 а/м в машинах малой мощности, доходит до 80 000 а/м в маши нах большой мощности.
61
I
На развертке окружности якоря с непрерывным слоем провод ников (рис. 4-3, б) выделен путь магнитного потока ЛФаж, приходя щегося на площадь в зазоре, ограниченную дугой Ах по окружности якоря и расчетной длиной 1'2 якоря. Путь проходит через два за зора, две зубцовые зоны, сердечник якоря и полюсный наконечник. В зазоре этот путь находится на расстоянии х слева и справа от сере дины проводников с током одного направления.
Охватываемые потоком ДФаж проводники создают намагничиваю
щую силу |
|
^ax= iiDm 2х = Л22ж, |
(4-2) |
которая затрачивается на проведение этого потока по перечислен ным участкам пути.
Намагничивающая сила проводников, расположенных по длине дуги якоря по одну сторону от середины проводников с током одного
направления, |
|
|
F J 2 = A&. |
|
(4-3) |
Наибольшее значение Fax /2 будет |
при х = т/2, |
т. е. |
FJ2 = A 2 -z[ 2 |
, |
(4-4) |
так как при дальнейшем увеличении х намагничивающая сила умень шается вследствие наличия на дуге х части проводников с током про тивоположного направления. Распределение намагничивающей силы Fax /2 по окружности якоря показано линией 1 на рис. 4-3, б.
Магнитная проводимость Л пути рассматриваемого потока якоря определяется в основном проводимостью участка пути в двух зазорах, так как проводимость остального пути очень велика и ее следует учи тывать при больших значениях индукции на отдельных участках. Таким образом, при длине 2Ьь участка в зазоре проводимость пути магнитного потока якоря
a
2Ls
ипоток через рассматриваемую площадку АхѴ2 будет
№ax= FaxA = A22 x ^ .
Индукция равна потоку |
АФа|Х, |
приходящемуся на единицу пло- |
|
щади |
|
__ |
|
В |
ах |
Lb |
|
|
Ь>хѴ„ |
В пределах дуги полюсного наконечника длина половины пути магнитного потока в зазоре (с учетом увеличения ее вследствие на личия пазов якоря) по формуле (2-13) — 8' — Zcs6. Для этой части окружности якоря
Вах= Ц ^ , |
(4-5) |
62
т. е. индукция Вах, так же как намагничивающая сила обмотки якоря, изменяется пропорционально расстоянию от центра провод
ников с током одного направления.
За пределами полюсной дуги в междуполюсном пространстве длина участка пути магнитного потока между стальными частями
машины |
значительно |
воз |
УI |
|
растает |
и становится равной |
|||
высоте hn полюса. Поэтому |
|
|||
несмотря на увеличение на |
|
|||
магничивающей |
силы |
Fax, |
|
|
индуция |
Вах |
в межполюс |
|
ном пространстве имеет не большую величину, как пока зано линией 2 на рис. 4-3, б.
Рис. 4-4. Намагничивающая сила |
Рис. 4-5. Намагничивающая сила об- |
обмотки с укороченным шагом |
мотки, уложенной в пазы |
При укорочении шага обмотки якоря (у1 < т) токораздел для верхнего слоя проводников смещен относительно токораздела для нижнего слоя, вследствие этого распределение намагничивающей силы обмотки якоря имеет форму трапеции (рис. 4-4). Размер мень шего основания трапеции зависит от укорочения шага обмотки
т — Уі-
Размещение проводников обмотки в пазах якоря приводит к сту пенчатому изменению намагничивающей силы обмотки якоря (рис.4-5). При вращении якоря эти ступени перемещаются относительно прямой, соответствующей намагничивающей силе непрерывного слоя проводников.
4-2. Поперечная и продольная намагничивающие силы обмотки якоря
В современных машинах постоянного тока щетки устанавливаются на коллекторе так, чтобы токораздел совпадал с геометрической нейтралью, но в некоторых случаях приходится смещать щетки с этого положения.
63
При совпадении токораздела с геометрической нейтралью маг нитная ось Sa — N a якоря проходит через геометрическую нейтраль, т. е. составляет угол я/2 с осью У—У главных полюсов (рис. 4-6, а). В многогюлюсной машине каждой паре полюсов индуктора соот ветствует пара полюсов якоря и магнитная ось якоря направлена по биссектрисе угла между полюсами индуктора. Поток якоря в этом _ случае называется поперечным и создается поперечной намагничиваю щей силой Faq = Fа обмотки якоря.
Если щетки и соответственно токораздел в двухполюсной машине смещены на угол я /2 вправо (или влево), то магнитная ось якоря расположена на одной линии с осью главных полюсов (рис. 4-6, б).
Рис. 4-6. Намагничивающая сила якоря: а — поперечная, б — продольная, в — поперечная и продольная
Поток якоря в этом случае называется продольным и создается про дольной намагничивающей силой Fad = Fa обмотки якоря. В мно гополюсных машинах для получения продольного потока якоря нужно сместить щетки на угол л/2р.
Продольная намагничивающая сила обмотки якоря направлена согласно с намагничивающей силой главных полюсов, когда их магнитные оси совпадают, илп эти намагничивающие силы направ лены встречно, если магнитная ось Sa — Na якоря и магнитная ось N ■— S главных полюсов имеют противоположные направления.
При смещении щеток на угол ß на тот же угол и в том же направ лении поворачивается и магнитная ось якоря, т. е. якорь представ ляет собой электромагнит, ось которого можно поворачивать в про странстве, перемещая щетки по окружности коллектора.
Если угол 0 < ß < я/2, то токораздел проходит между геометри ческой нейтралью и осью главных полюсов. В этом случае намагни чивающую силу Fa обмотки, якоря можно разложить на две состав ляющие: поперечную Faq? и продольную Fad? (рис. 4-6, в). Намаг ничивающая сила Fa создается всеми проводниками с током одного направления. Эти проводники расположены на дуге т — 2Ьс, соот ветствующей углу я — 2ß и на дуге 2Ьс, соответствующей углу 2ß. Середина первой группы проводников находится на оси главных
64
полюсов, и ток этих проводников создает поперечную составляющую намагничивающей силы
Fag? = Aa(x -2 b e). |
(4-6) |
Середина группы проводников, расположенных |
на дуге 2Ьс, |
находится на геометрической нейтрали, и ток этих проводников создает продольную составляющую намагничивающей силы
Fа<$ ~ А |
(4-7) |
4-3. Реакция якоря в генераторе
При нагрузке машины необходимо учитывать совместное намагни чивающее действие ее обмоток. Пути магнитных потоков главных полюсов и якоря в зазоре и в зубцовой зоне совпадают, поэтому результирующая индукция в этих участках магнитной цепи опреде ляется алгебраической суммой намагничивающих сил главных по люсов и обмотки якоря, приходящихся на указанные участки. Вли яние намагничивающей силы обмотки якоря на распределение ин дукции в зазоре и на величину магнитного потока главных полюсов называется реакцией якоря.
На рис. 4-7, а показана развертка дуги двойного полюсного де ления якоря и линией 1 представлено распределение индукции в зазоре, обусловленной намагничивающей силой главных полюсов. В слое проводников показано направление э. д. с. для правого вращения якоря. Щетки соединены с проводниками, расположенными на геометрической нейтрали. При замкнутой внешней цепи якоря генератора ток в проводниках обмотки якоря совпадает с направле нием э. д. с. и для указанного положения щеток создает поперечную намагничивающую силу, распределение которой показано линией 2. Соответствующая этой намагничивающей силе индукция в зазоре изображена линией 3. Если магнитная проводимость зубцовой зоны и полюсного наконечника остается неизменной, то результирующая индукция в зазоре может быть получена путем сложения ординат линий 1 и 3. Распределение результирующей индукции (линия 4) показывает, что поперечная намагничивающая сила обмотки якоря уменьшает индукцию под набегающим краем главного полюса и уве личивает ее под сбегающим краем, т. е. нарушается симметрия распределения индукции в зазоре относительно оси главных полюсов. Точки а и Ь, в которых результирующая индукция равна нулю, смещены с геометрической нейтрали по вращению якоря. Величина этого смещения зависит от нагрузки генератора.
Площадь, ограниченная линией 4 и осью абсцисс, равна соответ ствующей площади, ограниченной линией 1, следовательно, резуль тирующий магнитный поток равен магнитному потоку главного по люса, т. е. не изменяется при нагрузке генератора.
В современных машинах постоянного тока индукция в зубцо вой зоне достигает значительной величины (до 2,3 тл) и поэтому необходимо учитывать изменение проводимости этого участка маг-
3 Л. М. Пиотровский |
65 |
нитиой цепи вследствие насыщении. |
При увеличении намагничиваю |
||||||||||||||
щей |
|
силы |
под сбегающим краем полюса |
происходит уменьшение |
|||||||||||
I аі |
|
|
|
|
магнитной |
проводимости |
по |
||||||||
|
|
|
|
люсного наконечника и зубцо |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
вой зоны, поэтому под сбегаю |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
щим |
краем |
полюса |
индукция |
||||||
|
|
|
|
|
|
будет |
меньше |
суммы |
ординат |
||||||
|
|
|
|
|
|
линий |
1 |
и |
3, а под набегаю |
||||||
|
|
|
|
|
|
щим |
краем — немного |
больше |
|||||||
|
|
|
|
|
|
соответствующей разности |
(ли |
||||||||
|
|
|
|
|
|
ния 5 на рис. 4-7, а). Площадь, |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
ограниченная |
линией 5 и осью |
||||||||
|
|
|
|
|
|
абсцисс, |
для одного |
полюса бу |
|||||||
|
|
|
|
|
|
дет меньше площади, ограничен |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
ной линией 1. Таким образом, |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
поперечная |
намагничивающая |
||||||||
|
|
|
|
|
|
сила |
обмотки |
якоря |
нарушает |
||||||
|
|
|
|
|
|
симметричное |
|
распределение |
|||||||
|
|
|
|
|
+ *"Іш |
индукции в зазоре относительно |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
оси |
главного |
полюса и вслед |
|||||||
|
|
|
|
|
// |
ствие изменения магнитной про |
|||||||||
S |
|
è |
|
' |
водимости зубцовой |
зоны и по |
|||||||||
|
"V |
у |
люсного наконечника вызывает |
||||||||||||
'ч |
\ |
|
|
|
уменьшение |
|
результирующего |
||||||||
|
|
^ |
|
N |
|
||||||||||
|
V |
1 |
потока |
полюса. Для компенса |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
ции |
размагничивающего дейст |
||||||||
|
|
|
|
|
|
вия реакции якоря необходимо |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
увеличить |
намагничивающую |
||||||||
|
|
|
|
|
|
силу главных |
полюсов. |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
При |
смещении токораздела |
||||||||
|
|
|
|
|
|
с геометрической |
нейтрали |
на |
|||||||
|
|
|
|
|
|
дугу Ъс по вращению якоря так |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
же |
смещается |
распределение |
|||||||
|
|
|
|
|
|
намагничивающей силы обмотки |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
якоря |
(линия 2) |
и |
вызванной |
||||||
|
|
|
|
|
|
ею |
индукции |
|
(линия |
3 |
на |
||||
|
|
|
|
|
|
рис. 4-7, б). Если зубцовая зона |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
и полюсный |
наконечник |
не на |
|||||||
|
|
|
|
|
|
сыщены, то распределение ре |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
зультирующей индукции в за |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
зоре получается |
сложением ор |
||||||||
|
|
|
|
|
|
динат |
линий |
1 |
и |
3. |
В этом |
||||
Рис. 4-7. |
Намагничивающая сила и ин |
случае |
площадь, |
ограниченная |
|||||||||||
дукция результирующего поля: а —при |
линией 4 и осью |
абсцисс, |
для |
||||||||||||
токоразделе, |
совпадающем с геометри |
одного |
|
полюса |
значительно |
||||||||||
ческой |
нейтралью, б и в — при сдвину |
уменьшается |
|
по |
сравнению с |
||||||||||
|
|
|
|
|
тых щетках |
площадью, |
ограниченной |
ли |
|||||||
|
|
|
|
|
|
нией 1, т. е. происходит значительное уменьшение результирующего магнцтного потока полюса.
66