Общие положения
Простейшим элементом обмотки барабанного якоря, как и в машинах переменного тока, является виток, следующим — секция (катушка). Концы секции присоединяют к коллекторным пластинам. Как и в обмотках переменного тока, катушкой называют также часть обмотки, состоящую из нескольких секций, уложенных одними и другими сторонами соответственно в двух общих пазах и имеющих общую изоляцию относительно стенок паза.
В машине постоянного тока обмотки якорей, как правило, замкнутые. Любая параллельная ветвь не состоит из определенных входящих в ее состав секций. Непрерывно при вращении якоря из параллельной ветви секции, перекрываемые щетками коллектора, выходят и взамен их входят секции из соседней параллельной ветви, также пройдя процесс перекрытия их щетками. Это видно на примере кольцевого якоря (см. рис. 258).
Параллельная ветвь как часть замкнутой обмотки должна оставаться неизменной, и при таком способе ее образования все секции, из которых состоит замкнутая обмотка, должны быть одинаковы, к чему обычно и стремятся. Одинаковые секции на якоре цилиндрического типа легче выполнить при укладке сторон каждой секции в двух слоях по высоте паза: одну секционную сторону (условно, например, левую) в верхнем, другую (условно правую) в нижнем слое (рис. 267). Переход из одного слоя в другой делают посредине лобовой части, выполняя это так, как показано на рисунке.
Двухслойные обмотки введены в практику машин постоянного тока еще в 1882 г. Э. Вестоном и в настоящее время практически являются единственно применяемыми.
Разомкнутые обмотки машин переменного тока в принципе проще замкнутых обмоток постоянного тока, и для уяснения основ их конструирования достаточно было логических рассуждений на базе двух положений — закона наибольшей э. д. с. и закона чередования фаз. Для замкнутых обмоток постоянного тока логических рассуждений, как правило, недостаточно, и приходится прибегать к формулам, использование которых облегчает конструирование схем обмоток.
Вводим следующие обозначения:
N — число активных проводников обмотки якоря, S — число секций, wc — число витков в секции, К — число коллекторных пластин, sn — число секционных сторон в пазу в слое, Z — число пазов.
Эти величины связаны между собой следующими соотношениями:
= S, поскольку каждый виток состоит из двух активных проводников; S=K, поскольку в замкнутой обмотке конец секции предыдущей по ходу обмотки является в то же время началом следующей секции; S — Zsn, поскольку каждая секция имеет две активных стороны и обмотка в пазах уложена именно в два слоя.
Рис. 267. Катушка, уложенная в пазы.
Для величины sn характерно следующее. При sn=l пазы узкие, увеличивается число пазов и зубцов по окружности якоря, зубцы, в свою очередь, получаются тонкими. Между тем известно, что электромагнитные силы, действующие на якорь, приложены в основном к зубцам, к их боковым стенкам, а непосредственно на проводники в пазу действуют небольшие силы.
Зубцы могут оказаться недостаточно прочными. Увеличение sn ведет к уширению паза, усилению провалов к кривой поля воздушного зазора и увеличению зубцовых гармоник э. д. с. Исходя из сказанного, берут 5 >sn> 1, чаще sn = = 2н-3.
Типы обмоток
К основным типам обмоток машин постоянного тока относятся петлевые и волновые. Они могут быть простыми и сложными. Наименование типа происходит от внешнего очертания контуров, образуемых идущими друг за другом по ходу обмотки секциями, и от того, как секции присоединены к коллекторным пластинам.
На рисунке 268, а показана часть петлевой обмотки; после того как секция уложена в пазы, следующая по ходу обмотки секция начинается со стороны, расположенной под тем же полюсом, где начиналась предыдущая секция.
Введем понятие шагов: первым частичным шагом у1 называется кратчайшее расстояние между сторонами одной и той же секции, вторым частичным шагом у2 — расстояние от конечной стороны предшествующей секции до начальной стороны следующей по ходу обмотки секции, результирующим шагом у называется расстояние между начальными сторонами двух соседних по ходу обмотки секций.
Выполнение части обмотки, представленной на рисунке 268, а, можно сформулировать так: после шага у1 вперед следует шаг у2 назад, затем снова вперед и т. д. Контурное очертание принимает характер петель, следующих друг за другом, откуда и получается наименование типа обмотки. Соотношение между шагами петлевой обмотки получается таким:
(325)
Обмотка, часть которой показана на рисунке 268, а, называется правоходовой, так как при укладке секций этой обмотки происходит перемещение вправо по якорю, при этом у1>у2. При у2>у1 передвижение будет происходить влево (левоходовая обмотка); из-за несколько большей длины лобовых соединений и их перекрещивания со стороны, прилегающей к коллектору, левоходовые обмотки применяются редко.
На рисунке 268, б дана часть волновой обмотки. Следующая по ходу обмотки секция начинается под одноименным, но другим полюсом, то есть, сделав первый частичный шаг у1 вперед, второй частичный шаг у2 нужно выполнять, также продвигаясь вперед. Соотношение между шагами волновой обмотки таково:
(326)
В настоящее время наиболее часто принято измерять шаги числом пропущенных элементарных пазов. Под элементарным пазом понимается условный паз с двумя секционными сторонами, расположенными одна над другой.
Рис. 268. Элементы петлевой (а) и волновой (б) обмоток.
Рис. 269. Элементарные пазы:
(327)
а—один элементарный паз; б—два элементарных паза; в — три элементарных паза.
Реальный паз при таком понимании элементарного паза будет распадаться на столько элементарных, сколько секционных сторон имеется в каждом его слое (рис. 269), и, следовательно, общее число элементарных пазов.
Введем понятие коллекторного шага или шага по коллектору ук, понимая под этим расстояние между начальными сторонами двух соседних по ходу обмотки секций, но взятое по коллектору. Шаг по коллектору измеряется числом пропущенных коллекторных пластин. Из выражения (327) следует, что в таком случае
(328)
Проводники обмотки якоря выполняют из меди, в некоторых случаях из чистого алюминия. В машинах постоянного тока общего применения обычно используется изоляция класса нагревостойкости А, Е и В. Изоляция класса В целесообразна в машинах большой мощности, при повышенных температурах окружающей среды и частых перегрузках применяется изоляция класса F, наконец, при особо тяжелых условиях работы (например, крановые установки, электрическая тяга, угольные шахты, металлургические заводы, на кораблях и др.) применяется изоляция класса Н.
Медь занимает в пазах 30—45% площади сечения, изоляционные материалы — 35—40%, остальная часть занята материалами крепления. Уменьшение толщины изоляции на 20—30% дает увеличение объема меди в активной части машины; становится возможным увеличить мощность машины почти в том же соотношении или несколько уменьшить габариты. Применение более нагревостойких изоляционных материалов также позволяет снизить габариты и вес машины за счет повышения электромагнитных нагрузок.
