Устройство обмоток

Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и должна удовлетворять следующим требованиям:

1) обмотка должна быть рассчитана на заданные величины 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 (к. п. д. и др.) 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 количества последовательно соединенных витков и присоединена своими концами к коллекторным пластинам (рис. 3-1, 3-2).

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

Для удобного расположения выходящих из пазов лобовых частей (см. рис. 1-9) обмотки якоря выполняются двухслойными. При этом в каждом пазу секции располагаются в два слоя (рис. 3-3): одна сторона каждой секции — в верхнем слое одного паза, а другая — в нижнем слое другого паза. На схемах обмоток стороны секций, находящиеся в верхнем слое, будем изображать сплош-

Рис. 3-1. Одновитковая и двухвитковая секции петлевой обмотки

Рис. 3-2. Одновитковая и двухвитковая секции волновой обмотки

ными линиями, а стороны, расположенные в нижнем слое, — штриховыми линиями (рис. 3-4). Однослойные якорные обмотки по принципу устройства не отличаются от двухслойных и применяются только при Р_н < 0,5 кет. Секции обмотки соединяются друг с другом в последовательную цепь (рис. 3-4) 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 количество пластин коллектора К равно количеству секций обмотки S:

K = S. (3-1)

В простейшем случае в пазу находятся две секционные стороны: одна в верхнем и другая в нижнем слое. При этом число пазов якоря Z = S = К- 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_a = ПО -i- 220 в

К/2р = 12 4-35.

Рис. 3-3. Укладка обмотки в пазу

1 — сторона секции верхнего слоя; 2 — сторона секции нижнего слоя

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.

Рис. 3-4. Соединение секций петлевой (а) и волновой (б) обмоток

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

К = 5 = u_nZ. (3-2)

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

Z₃ = u_nZ = S = K. (3-3)

Когда и_п> 1, либо все секции имеют равную ширину (рис. 3-5, а), либо же часть секций имеет меньшую, а часть — большую

ширину (рис. 3-5, б). В первом случае обмотка называется р а в -посекционной, а во втором — ступенчатой. При ступенчатой обмотке условия токосъема с коллектора улучшаются (см. § 6-6), однако эта обмотка сложнее и дороже и поэтому применяется реже, притом только в машинах большой мощности (Р_а ж 500 кет и выше).

В равносекционных обмотках и_п секций, стороны которых лежат рядом в общих пазах, объединяются в катушку (рис. 3-6) и имеют

Рис. 3-5. Укладка секций равносекционной (а) и ступенчатой (б) обмоток при и_п = 2

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 и_П секций объединяются в полукатушку (рис. 3-7). Секции ступенчатой обмотки являются всегда стержневыми.

Рис 3-6 Катушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

На рис. 3-8 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 трапецевидными

Рис. 3-7. Полукатушки петлевой (а) и волновой (б) обмоток

(рис. 3-8, 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 или Е. В случае применения проводников прямоугольного сечения паз также выполняется прямоугольным (рис. 3-8, б). Такие обмотки изготовляются с различными классами изоляции. При изоляции классов А и Е проводники обмотки могут также опускаться в паз по одном), и тогда ширина открытия паза равна примерно половине ширины паза. Такие пазы называются полуоткрытыми. При изоля-

ции классов В, F и Н заранее полностью изолированные катушки укладываются в полностью открытые пазы (рис. 3-8, б).

При D_a =s; 40 см и v_a ^ 35 м/сек обмотки в пазах укрепляются с помощью проволочных бандажей. Во всех остальных случаях

применяются клинья из твердых пород дерева (бук и др.), гетинакса, текстолита, стеклотекстолита и др.

Плотность тока в проводниках обмотки якоря при номинальной нагрузке находится в пределах 4— \0а/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 (рис. 3-9), по поверхности которой скользят щетки. В изображенном на рис. 3-9 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.

Для обеспечения наилучших условий работы машины необходимо, чтобы э. д. с. Е_а всех ветвей обмотки и их сопротивления были равны. В этом случае токи всех параллельных ветвей i_a также будут равны:

Рис. 3-8. Пазовая изоляция класса А: а — полузакрытый паз

/ — клин гетинаксовый; 2 — изолированные проводники, 3 — прокладка из стеклолакоткани 0,18 мм; 4 — прокладка из электрокартона 0,2 мм; 5 — стекло-лакоткань эскапоновая 0,18 мм; 6 — электрокартон 0,2 мм

б — открытый паз

/ — клин деревянный, 2 — прокладка из электрокартона; 3 — изолированный проводник; 4 — мика-лента или синтетическая лента 0,13 мм; 5 — микафолий или синтетическая пленка 0,15 мм; 6 — телефонная бумага; 7 — электрокартон 0,2 мм; 8 — прокладка из электрокартона

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, т. е. 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 величине 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 приходиться одинаковое целое число (ц. ч.) секций и коллекторных пластин:

Рис. 3-9. Цепь простейшей якорной обмотки

Для симметричного расположения параллельных ветвей в магнитном поле необходимо, чтобы

Соотношения (3-5), (3-6) и (3-7) представляют собой условия симметрии обмоток, и последние проектируются с их учетом. Однако в отдельных случаях допускаются определенные, не слишком большие отступления от этих требований, не вызывающие заметного ухудшения условий работы машины.