Электромагнитный момент машины

Если вращающий якорь замкнуть на нагрузку, то в якоре появится ток I_а. Машина в режиме генератора будет отдавать мощность, а на ее валу появится момент М, пропорциональный результирующей электромагнитной силе, которая возникает при взаимодействии тока с магнитным полем.

Результирующая электромагнитная сила F равна сумме элементарных сил, развиваемых каждым их N проводников якоря:

(6.5)

Поскольку можно записать, что: f_x=B_cpl_ai_{a ,} где i_а — ток в одной параллельной ветви.

Так как i_а =I_а /2_а , то выражение для электромагнитной

силы будет иметь вид:

(6.6)

Среднее значение индукции можно выразить через поток Ф:

(6.7)

Выражение для электромагнитного момента можно записать в виде:

M=0,5D_aF (6.8)

где - диаметр якоря.

С учетом (6.6) и (6.7) получим выражение для момента:

(6.9)

где с_м=pN/2πa — коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины: числа пар полюсов, числа активных проводников якоря и числа параллельных ветвей.

Поскольку указанные параметры для конкретной машины неизменны, то ее электромагнитный момент прямо пропорционален величине магнитного потока главных полюсов машины и току якоря.

В генераторном режиме электромагнитный момент является тормозным, а в двигательном режиме — вращающим.

Обмотки якоря

В современных машинах постоянного тока применяют якорь барабанного типа. Это означает, что активные проводники обмотки якоря укладывают в два слоя в пазы, расположенные на наружной поверхности магнитопровода якоря (см. рис. 6.б).

Различают две основные группы обмоток барабанного якоря: петлевые (параллельные) и волновые (последовательные). В машинах большой мощности применяют также так называемую «лягушачью» (параллельно-последовательную) обмотку, в которой сочетаются элементы петлевой и волновой обмоток. Основной частью каждой обмотки является секция, состоящая из одного или нескольких последовательно включенных витков; концы секции присоединяют к двум коллекторным пластинам. Число секций равно числу коллекторных пластин. Все секции обмотки обычно имеют одинаковое количество витков.

На схемах обмоток секции для простоты всегда изображают одновитковыми. При двухслойной обмотке стороны секции, расположенные в верхнем слое, изображают сплошными линиями, а в нижнем слое — штриховыми. Основной или первый частичный шаг обмотки или шаг секции у₁ должен быть приблизительно равен полюсному делению τ (рис. 6.19).

Рис. 6.19. Схема соединений петлевой обмотки (а), форма якорной катушки петлевой обмотки при одновитковых секциях (б)

Если шаг равен полюсному делению (у₁₌τ),шаг называют иаметральным;если шаг меньше полюсного деления (y₁< τ ) — укороченным, если шаг больше полюсного деления ( y₁> )— удлиненным.

Простая петлевая обмотка — это обмотка у которой к концу одной секции присоединяется начало последующей. Схема соединений секций простой петлевой обмотки приведена на рис 6.19,a. При простой петлевой обмотке секцию присоединяют к соседним коллекторным пластинам.

Результирующим шагом обмотки у называют расстояние между начальными сторонами двух секций, следующих одна за другой по ходу обмотки; первым частичным шагом (шагом секции) у₁ — расстояние между двумя сторонами каждой секции; вторым частичным шагом у₂ — расстояние между конечной стороной одной секции и начальной стороной следующей секции. Указанные расстояния обычно выражают в числе пройденных секций. Шагом по коллектору у_k называют расстояние в коллекторных делениях между пластинами, к которым присоединены две стороны каждой секции. Обычно принимают y_k=+1 ,что снижает расход обмоточного провода. Результирующий шаг обмотки у и шаг по коллектору у_к равны. При петлевой обмотке результирующий шаг у = y₁ - у₂.

Якорная катушка петлевой обмотки при одновитковых секциях изображена на рис. 6.19,б. Она включает пазовые (активные) части 1 и 4, лобовые части 2 и 5, заднюю головку 3 и концы секций 6, припаиваемые к коллектору.

Обмотку называют простой петлевой, если у=у_k± 1. В простой петлевой обмотке каждая последующая секция расположена рядом с предыдущей, в результате якорная обмотка имеет форму петель, откуда и произошло название обмотки. Число параллельных ветвей во всей обмотке равно числу пар полюсов: 2а = 2р. Таким образом, основное свойство простой петлевой обмотки заключается в том, что: чем больше число полюсов, тем больше параллельных ветвей имеет обмотка. По этой причине простую петлевую обмотку называют также параллельной.

Если мысленно рассечь поверхность якоря по образующей и развернуть его в плоскость, то получим удобную для анализа схему развертки обмотки якоря.

Схема развертки простой петлевой обмотки и последовательность соединения отдельных секций петлевой обмотки и образующиеся при этом параллельные ветви машины с 2р = 4 показаны на рис. 6.20.

Рис. 6.20. Схема развертки простой петлевой обмотки (а) и последовательность соединения отдельных секций петлевой обмотки (б)

Цифрами 1, 2, 3 и т. д. обозначены активные проводники, расположенные в нижнем слое обмотки, цифрами 1', 2', 3' и т. д. — проводники в верхнем слое. На схему развертки наносят проекцию полюсов машины, а пунктирными линиями показывают уравнительные соединения.

ЭДС, индуктированные во всех параллельных ветвях петлевой обмотки, теоретически должны быть равны. На самом деле из-за неравномерности в величинах воздушного зазора под разными полюсами, отклонениями в рамках технологических допусков, дефектов и др. причин, магнитные потоки полюсов различаются. Потому и ЭДС в параллельных ветвях различаются на 3...5%. Поскольку сопротивление обмотки якоря весьма мало, то даже такая небольшая разность напряжений вызывает появление в параллельных ветвях даже в режиме холостого хода значительных уравнительных токов. Эти токи загружают проводники якоря и, главное, щетки, вызывая повышенное искрение.

Чтобы разгрузить от уравнительных токов щетки, в обмотке устраивают уравнительные соединения точек обмотки, имеющих теоретически равные потенциалы (рис. 6.20). Практически достаточно иметь одно-два уравнительных соединения на каждую группу секций, лежащих в одном пазу якоря. Уравнительные соединения располагают обычно под лобовыми частями обмотки рядом с коллектором, т. е. вне магнитного поля главных полюсов, чтобы в них не наводилась ЭДС.

Простая волновая обмотка. В простой волновой обмотке секции, лежащие под разными полюсами, соединяют последовательно (рис. 6.21).

Рис. 6.21. Схема соединений волновой обмотки (а), форма якорной катушки волновой обмотки при одновитковых секциях (б)

При этом после одного обхода окружности якоря, т. е. последовательного соединения р секций, приходят к коллекторной пластине, расположенной рядом с исходной. Результирующий шаг обмотки равен: у=y₁ + у₂. Частичные шаги у₁ и у₂ волновой обмотки приблизительно равны полюсному делению τ , т. е. τ ≈ у₁ ≈ у₂, а шаг по коллектору равен двойному полюсному делению: y_k = 2τ .

Якорная катушка в обмотке якоря имеет вид волны, поэтому обмотку называют волновой. Якорная катушка волновой обмотки имеет те же элементы, что и петлевой: пазовые (активные) части 1 и 4, лобовые части 2 и 5, заднюю головку 3 и концы секций 6, припаиваемые к коллектору.

В простой волновой обмотке при одном обходе окружности якоря соединяют последовательно 2р сторон секций, поэтому количество секций в каждой параллельной ветви S_В равно половине числа всех секций S. Соответственно, число параллельных ветвей простой волновой обмотки 2а равно числу всех секций, отнесенных к числу секций одной параллельной ветви, т. е. 2а = S/S_В = 2.

Рис. 6.22. Схема развертки простой волновой обмотки (а) и последовательность соединения отдельных секций такой обмотки (б)

Таким образом, число параллельных ветвей простой волновой обмотки не зависит от числа полюсов и всегда равно двум. Поэтому простую волновую обмотку называют также последовательной.

На рис. 6.22 приведена схема развертки простой волновой обмотки и последовательность соединения отдельных секций такой обмотки.

Уравнительные соединения при простой волновой обмотке не нужны, поскольку в каждую параллельную ветвь входят секции, стороны которых расположены под всеми полюсами. Поэтому неравенство потоков отдельных полюсов не вызывает неравенства ЭДС в параллельных ветвях.

При волновой обмотке в машинах малой мощности устанавливают только два щеточных пальца; в более мощных машинах для уменьшения плотности тока под щетками и улучшения токосъема обычно ставят полный комплект (2р) щеточных пальцев.

Двухполюсные машины небольшой мощности выполняют с простой петлевой обмоткой, так как при двух полюсах волновая обмотка превращается в петлевую. По мере увеличения мощности переходят к более компактным четырехполюсным машинам, имеющим меньшую массу, чем двухполюсные машины. Четырехполюсные машины небольшой и средней мощности часто имеют волновую обмотку, не требующую применения уравнительных соединений. При повышенном напряжении на щетках (до 1000 В и более) такую обмотку применяют в четырехполюсных машинах мощностью до 200...300 кВт.

Если же напряжение на коллекторе невелико (110 или 220 В), то уже при мощности в десятки киловатт применяют четырехполюсные машины с петлевой обмоткой для уменьшения тока в параллельной ветви. Величина его даже в весьма мощных машинах не должна превышать 250...300 А, так как при выполнении обмотки из проводников большого сечения возникают значительные технологические трудности при изготовлении якорных катушек и их укладке. При простой петлевой обмотке ток параллельной ветви обратно пропорционален числу пар полюсов. По этой причине с ростом мощности и тока машины для сохранения тока параллельных ветвей в допустимых пределах увеличивают число полюсов.

Реакция якоря МПТ

В режиме нагрузки машины обмотки возбуждения и якоря создают магнитные поля. Результирующее магнитное поле двигателя можно рассматривать как сумму двух магнитных полей.

При холостом ходе, когда ток якоря близок к нулю, в двигателе действует только МДС обмотки возбуждения F_в , которая создает магнитное поле, симметрично распределенное относительно оси полюсов. График распределения магнитной индукции в зазоре Вδ представляет собой трапецеидальную кривую (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Картина магнитного поля и распределения индукции при холостом ходе машины

Если по обмотке якоря проходит ток, то появится МДС якоря F_а, вектор которой неподвижен и направлен перпендикулярно оси полюсов. МДС создает магнитное поле якоря (рис. 6.12). Если щетки двигателя расположены на геометрической нейтрали пn', то вектор МДС F_а направлен по геометрической нейтрали, т. е. по поперечной оси двигателя.

На рис. 6.12 показан также график распределения магнитной индукции поля якоря в зазоре. При этом полагаем, что ток возбуждения равен нулю.

Рис. 6.12. Картина магнитного поля и распределения индукции якоря

Сердечник якоря намагничивается, и его участки, расположенные по геометрической нейтрали, приобретают полярность N_а и S_а. Уменьшение магнитной индукции поля якоря по геометрической нейтрали (в точках n и n') объясняется резким увеличением воздушного зазора в межполюсном пространстве двигателя.

В реальных условиях работы с нагрузкой в машине одновременно действуют МДС F_в и F_а, которые создают результирующее поле. Воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле возбуждения называют реакцией якоря.

На рис. 6.13 показана картина результирующего магнитного поля и график распределения магнитной индукции поля в зазоре.

Рис. 6.13. Картина магнитного поля и распределения индукции при нагрузке машины

Из сравнения картин магнитного поля и графиков распределения магнитной индукции в зазоре для режимов идеального холостого хода (рис. 6.11) и нагрузки (рис. 6.13) следует, что реакция якоря существенно искажает магнитное поле двигателя. Физическая нейтраль тm' результирующего магнитного поля смещается на угол α относительно геометрии ческой нейтрали nn'. Поэтому в точках n и n' магнитная индукция отличается от нуля и поэтому в сторонах секций обмотки якоря при их переходе через геометрическую нейтраль наводится ЭДС вращения е_вр , действие которой нарушает работу щеточного контакта, вызывая искрение.

Искажение магнитного поля двигателя приводит к тому, что одни края полюсных наконечников и расположенные под ними зубцы якоря подмагничиваются, а другие — размагничиваются.

Но так как магнитная система двигателей насыщена, подмагничивание одних краев полюсных наконечников и участка зубцового слоя якоря ограничивается, а размагничивание других краев полюсных наконечников не ограничивается. В итоге реакция якоря вызывает некоторое уменьшение результирующего магнитного потока, т. е. размагничивание двигателя.

Влияние реакции якоря на результирующий магнитный поток зависит также от положения щеток. Когда щетки находятся на геометрической нейтрали (рис. 6.12), МДС якоря F_а направлена по поперечной оси и в двигателе имеет место поперечная реакция якоря.

Если щетки сместить с геометрической нейтрали против направления вращения якоря, размагничивающее действие реакции якоря усилится.

Это объясняется тем, что одновременно со смещением щеток на угол α изменяется направление МДС якоря F_а (рис. 6.14). При этом МДС якоря помимо поперечной составляющей F_aq=F_a cos α приобретает еще и продольную составляющую F_ad=F_a sin α , направленную по оси полюсов встречно МДС обмотки возбуждения F_в, что ведет к размагничиванию магнитной системы двигателя. Если же щетки сместить в противоположном направлении, то продольная составляющая F_ad будет направлена согласно с МДС возбуждения F_в, что приведет к некоторому подмагничиванию двигателя. Но такое смещение щеток недопустимо, так как вызывает чрезмерное увеличение магнитной индукции В_к в зоне переключения тока в секциях обмотки якоря.

Рис.6.14. Смещение щеток с геометрической нейтрали и образование размагничивающих МДС

Вредное влияние реакции якоря проявляется также в том, что в моменты прохождения проводников обмотки якоря через зоны подмагниченных краев полюсных наконечников в проводниках увеличивается ЭДС.

Напряжение между смежными коллекторными пластинами, к которым подключены эти проводники, может превысить допустимые пределы 25...30 В, что может вызвать ионизацию пространства между коллекторными пластинами и возникновение электрической дуги на коллекторе. Это явление называется «круговой огонь», оно очень опасно для электродвигателя.

Таким образом, влияние реакции якоря в машинах постоянного тока заключается в следующем: уменьшается основной магнитный поток Ф, что может привести к нарушению устойчивой работы двигателя за счет роста частоты вращения якоря при увеличении нагрузки, искажается результирующее магнитное поле машины, что вызывает появление на геометрической нейтрали (в зоне коммутации) магнитной индукции В_к и может вызвать нарушение работы щеточного контакта и привести к недопустимому искрению на коллекторе, повышается напряжение между смежными коллекторными пластинами, что может привести к появлению «кругового огня».

Чем меньше номинальная мощность машины постоянного тока, тем слабее проявляются нежелательные последствия реакции якоря. Поэтому в двигателях малой мощности (менее 1 кВт) не применяют специальных мер по ослаблению реакции якоря.

Для машин большей мощности предусматривают специальные меры по ослаблению влияния реакции якоря и предотвращения кругового огня. Чтобы уменьшить вероятность возникновения кругового огня, необходимо снижать величину максимального напряжения между смежными коллекторными пластинами. Для этого в крупных машинах используют обмотки якоря с одновитковыми секциями (w_с=1), снижают среднее напряжение между коллекторными пластинами до 15... 18 В (при этом соответственно ограничивают активную длину якоря) и принимают меры для уменьшения искажающего действия реакции якоря. Уменьшить индукцию якоря можно увеличив воздушный зазор, поэтому машины постоянного тока обычно выполняют со сравнительно большим воздушным зазором, чем синхронные и асинхронные. Однако увеличение воздушного зазора требует соответствующего повышения МДС обмотки возбуждения (для создания необходимого магнитного потока), что приводит к увеличению размеров статора и всей машины.

По этой причине воздушный зазор выполняют минимальный под серединой полюса и расширяющийся к краям, где возрастает МДС якоря. При этом магнитное сопротивление для потока главных полюсов увеличивается в меньшей степени, чем для потока, создаваемого поперечной реакцией якоря. Следовательно, расширяющийся зазор требует меньшего повышения МДС обмотки возбуждения, чем равномерный.

Наиболее эффективной мерой борьбы с реакцией якоря и его последствиями является применение компенсационной обмотки (рис. 6.15).

Рис.6.15 Устройство компенсационной обмотки

Компенсационную обмотку 3 располагают в пазах главных полюсов 1 и соединяют последовательно с обмоткой якоря 5 и включают таким образом, чтобы образуемая ею МДС F_к была направлена встречно МДС якоря F_аq и компенсировала ее действие. При F_к = F_aq . МДС якоря практически не искажает магнитное поле в воздушном зазоре.

Следует отметить, что компенсационная обмотка существенно усложняет конструкцию машины, поэтому ее применяют только в машинаx средней и большой мощностей, работающих в тяжелых условиях (частые пуски, толчки нагрузки, перегрузки по току и т. п.). Компенсационную обмотку применяют также в тех случаях, когда машина проектируется при жестких габаритных ограничениях, так как эта обмотка позволяет уменьшить воздушный зазор, а следовательно, и размеры обмотки возбуждения.