Обмотка якоря машины постоянного тока может быть
ОБМОТКА ЯКОРЯ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА (ДПТ) — общие принципы.
Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему изолированных проводников, определенным образом уложенных в пазы сердечника якоря и присоединенных к коллектору. К обмотке якоря предъявляются ряд требований. Она должна обеспечить получение необходимой ЭДС, прохождения тока номинальной величины и безыскровую работу щеточного контакта. При этом она должна иметь достаточную электрическую, термическую и механическую прочность, обеспечивать возможно меньший расход материалов, максимальное значение КПД.
Обмотка якоря состоит из отдельных элементов–секций. Секция – это часть обмотки, содержащая один или несколько витков и присоединенная к двум коллекторным пластинам. Несколько секций скрепленных между собой для удобства укладки в пазы якоря образуют катушку. Секции в виде катушек являются основным конструктивным элементом при образовании якорной обмотки. Они укладываются в пазы в два слоя так чтобы левые стороны секций лежали в верхней части паза, а правые – в нижней. Такая обмотка носит название двухслойной (рисунок 1.11).
Части секций, лежащие в пазу, называются активными сторонами секции, они находятся в магнитном поле главных полюсов и при вращении якоря в них индуктируется ЭДС. Части секции, находящиеся вне пазов, называются лобовыми частями. Они находятся вне основного магнитного потока и ЭДС в них не индуктируется.
Верхняя сторона одной секции и нижняя сторона другой, уложенные в одном пазу, образуют так называемый элементарный паз (обозначается zэ). В реальном пазу может располагаться несколько элементарных пазов, их число равно числу секций в катушке. На рисунке 1.12, а показан разрез элементарного паза и разрез паза (рисунок 1.12,б), который имеет Us=2 элементарных паза.
Так как секция имеет два активные стороны, то каждой секции в обмотке соответствуют один элементарный паз. Концы секции присоединяются к коллекторным пластинам, при этом к каждой пластине присоединяют конец одной секции и начало следующей, в результате чего все секции соединяются последовательно и на каждую секцию приходится одна коллекторная пластина (рисунок 1.13).
черчивают пунктиром. Для расчета, составлений схем и монтажа обмотки испопользуются понятия шагов обмотки. Расстояние между двумя активными сторонами секции, определяющие ее ширину (рисунок 1.14), называется первым частичным шагом обмотки y1. Расстояние между правой активной стороной секции и левой активной стороной последующей секции называется вторичным частичным шагом обмотки y2.
Расстояние между началами двух последовательно соединенных секций называется результирующим шагом обмотки y. Шаги y1, y2, y измеряются обычно числом элементарных пазов. Расстояние между коллекторными пластинами, к которым присоединяются начало и конец секции, измеренное числом коллекторных пластин, называется шагом обмотки по коллектору yк. Так как начало следующей секции присоединяется к концу предыдущей, то yк равен числу коллекторных делений между началом одной секции и началом следующей. По якорю это соответствует результирующему шагу y. Таким образом, ход обмотки по коллектору соответствует ходу обмотки по якорю. Это обеспечивает выполнение симметричной обмотки и справедливо для всех типов обмотки якоря.
По внешнему очертанию контуров, образуемых последовательно соединенными секциями, различают петлевые, волновые и комбинированные.
Обмотки якоря машин постоянного тока
Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему проводников, уложенных на сердечнике якоря определённым образом и припаянных к коллектору к «петушкам». Элемент обмотки якоря (секция или катушка) припаивается к двум коллекторным пластинам. Обмотки якоря обычно выполняют двухслойными. Они характеризуются следующими параметрами:
— числом секций на один паз Sn (Sn = S/N);
— числом реальных пазов Z;
— числом элементарных пазов Zэ;
— числом элементарных пазов в реальном пазе Zn;
— числом витков секции wc;
— числом пазовых сторон (общее число проводников) в обмотке N;
— числом пазовых сторон в одном пазу nп (nп = N/Z = 2wc×Sn).
Число элементарных пазов в реальном пазе определяется числом секций, приходящихся на один паз: Sn = S/N (рис. 3).
Рис. 3. Элементарные пазы.
Схемы обмоток якоря делают развёрнутыми, при этом все секции изображают одновитковыми. К каждой коллекторной пластине присоединяют начало одной секции и конец другой, т. е. на каждую секцию приходится одна коллекторная пластина. Следовательно, для обмотки якоря справедливо равенство:
S = Zэ = К,
где К – число коллекторных пластин.
Обмотки якоря машин постоянного тока бывают:
1). Петлевые (простые и сложные);
2). Волновые (простые и сложные);
3). Комбинированные (сочетание петлевых и волновых).
Простая петлевая обмотка (рис. 4) представляет собой набор секций, каждая из которых присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам, при этом начало каждой последующей секции соединяется с концом предыдущей. В результате конец последней секции оказывается присоединённым к началу первой.
Сложная петлевая обмотка представляет собой несколько (обычно две) простых петлевых обмоток уложенных на одном якоре и присоединённых к одному коллектору. Ширина щёток при сложной петлевой обмотке принимается такой, чтобы каждая щётка одновременно перекрывала столько коллекторных пластин, сколько простых обмоток в сложной. При этом простые обмотки оказываются соединёнными параллельно друг другу.
Рис. 4. Простая петлевая обмотка:
а) – правоходовая; б) – левоходовая; в) – развёрнутая схема.
Петлевые обмотки якорей машин постоянного тока применяют в маломощных двухполюсных машинах постоянного тока, а также в мощных (300 – 590 кВт) многополюсных машинах при низком напряжении.
Простую волновую обмотку (рис. 5) получают при последовательном соединении секций, находящихся под разными парами полюсов. Начало и конец каждой секции присоединены к коллекторным пластинам, удалённым друг от друга на расстояние шага обмотки по коллектору yк = y.
Рис. 5. Простая волновая обмотка:
а) – правоходовая; б) – левоходовая; в) – развёрнутая схема.
Сложная волновая обмотка представляет собой несколько простых волновых обмоток (обычно две), уложенные на одном якоре и присоединённые к одному коллектору. Их соединяют параллельно посредством щёток, которые выбирают таким образом, чтобы они перекрывали столько соседних пластин коллектора, сколько простых волновых обмоток образуют сложную.
Волновые обмотки якорей машин постоянного тока применяют в машинах мощностью до 50 кВт на напряжение 110 В и до 500 кВт на напряжение 440 В или 600 В.
Комбинированная (лягушачья) обмотка якоря (рис. 6) машины постоянного тока представляет собой сочетание, соединённых между собой, петлевой и волновой обмоток, расположенных в одних пазах и присоединённых к общему коллектору. В комбинированных обмотках секции укладывают в пазах в четыре слоя, а к каждой пластине коллектора припаивают по четыре вывода обмоток. Достоинством комбинированных обмоток является большое число параллельных ветвей, но их применение ограничено технологическими трудностями (сложность изготовления и укладки секций, сложность пайки их выводов к ״петушкам״ коллектора).
Рис. 6. Комбинированная (лягушачья) обмотка якоря:
а) – одна секция; б) – часть развёрнутой схемы.
Схемы обмоток якорей электрических машин постоянного тока выполняют развёрнутыми, т. е. обмотку и коллектор условно разрезают с одной стороны и разворачивают их на плоскости.
Если укладка секций обмотки ведётся слева направо по якорю, то обмотку называют правоходовой, а если укладка секций ведётся справа налево, то обмотку называют левоходовой
На развёрнутой схеме обмотки якоря указывают:
1. Число полюсов 2р.
2. Число коллекторных пластин К.
3 Расстояния между пазовыми сторонами секций по якорю: первый частичный шаг по якорю (расстояние между началом и концом секции) y1, второй частичный шаг по якорю (расстояние между началом предыдущей и концом последующей секции) y2 и результирующий шаг по якорю (расстояние между началом предыдущей и началом последующей секции) y.
4. Шаг обмотки по коллектору yк.
Шаги обмотки по якорю выражают в элементарных пазах, а шаг по коллектору – в коллекторных пластинах.
Для определения всех шагов простой петлевой обмотки достаточно рассчитать первый частичный шаг по якорю:
y1 = [Zэ/(2р)]±Ɛ,
где Ɛ – некоторая величина, меньшая 1, вычитая или суммируя которую получают значение шага y1, равное целому числу.·
Начало и конец каждой секции в простой петлевой обмотке присоединены к рядом лежащим коллекторным пластинам, следовательно, результирующий шаг по якорю:
Y = yк = ±1,
Второй частичный шаг по якорю:
y2 = y1-y = y1-1 (для правоходовой обмотки),
y2 = y1+y = y1+1 (для левоходовой обмотки).
Для определения всех шагов простой волновой обмотки достаточно рассчитать первый частичный шаг по якорю:
y1 = [Zэ/(2р)]±Ɛ.
Начало и конец каждой секции в простой волновой обмотке присоединены к коллекторным пластинам, находящимся на некотором расстоянии друг от друга, следовательно, результирующий шаг по якорю:
y = yк=(К±1)/р,
Второй частичный шаг обмотки определяют по формуле:
y2 = y-y1.
ОБМОТКИ ЯКОРЯ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
т.е. она зависит от магнитной индукции полюсов ВСР, длины проводника L и скорости его движения V. В реальной машине, будь она генератором или двигателем, в наведении ЭДС участвуют все проводники обмотки якоря.
Величина суммарной ЭДС:
Форма волновой обмотки отлична от петлевой и, следовательно, будет иное соединение секций.
Однако шаги волновой обмотки имеют общее с петлевой определение.
Шаг по коллектору здесь значительно больше единицы (ук >> 1).
7.4. ЭДС И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МОМЕНТ ГЕНЕРАТОРА
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Как уже отмечалось, ЭДС, наведенная в обмотке вращающегося якоря генератора, пропорциональна магнитному потоку полюсов и частоте его вращения:
Магнитный поток в генераторе, как известно, создается током возбуждения Iв.
Если вращать якорь c постоянной частотой n и непрерывно измерять выходную ЭДС Е, то можно построить график Е = f (Iв) (рис. 7.4.1).
Эта зависимость называется характеристикой холостого хода. Она строится для режима, когда генератор не имеет внешней нагрузки, т.е. работает вхолостую.
Если подключить к генератору нагрузку, то напряжение на его зажимах будет меньше E на величину падения напряжения в цепи якоря:
Электромагнитный момент, действующий на якорь машины, при числе проводников обмотки N:
Коэффициент полезного действия генератора определяется отношением:
У современных генераторов постоянного тока коэффициент полезного действия составляет 90-92 %.
Машины постоянного тока. Обмотки якорей машин постоянного тока.
Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Электрическая машина постоянного тока обратима. Для работы машины постоянного тока необходимо наличие в ней двух обмоток: обмотки возбуждения и обмотки якоря. Первая служит для создания в машине постоянного тока магнитного поля, т. е. для возбуждения, а посредством второй происходит преобразование энергии. Исключение составляют магнитоэлектрические машины постоянного тока, в которых имеется лишь одна (якорная) обмотка, так как магнитное поле (возбуждение) в этих машинах создается постоянными магнитами.
Обмотка якоря машины постоянного тока представляет собой замкнутую систему проводников, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору.
Элементом обмотки якоря является секция, которая содержит один или несколько витков и присоединяется к двум коллекторным пластинам. Секция состоит из активных сторон, заложенных в пазы сердечника якоря, и лобовых частей, соединяющих эти стороны. При вращении якоря в каждой из активных сторон индуктируется э. д. с. В лобовых же частях секции э. д. с. не индуктируется.
Часть поверхности якоря, приходящаяся на один полюс, называется полюсным делением и выражается следующей формулой:
где t — полюсное деление;
2p – число главных полюсов в машине.
Полюсное деление 
Расположение активных сторон на сердечнике якоря
Чтобы э. д. с., индуктируемые в активных сторонах секций, складывались, т. е. действовали согласно, секцию следует расположить в пазах сердечника якоря так, чтобы ширина секции была равна или незначительно отличалась от полюсного деления. 
Элементарные пазы: а) один элементарный паз; б) два элементарных паза; в) три элементарных паза 
Изображение секции на развернутой схеме
Секции укладываются в пазах сердечника якоря в два слоя. При этом если одна из активных сторон секции находится в нижней части одного паза, то ее другая сторона находится в верхней части другого паза. Верхняя сторона одной секции и нижняя сторона другой, уложенные в одном пазу, образуют элементарный паз (Z3 ). В реальном пазу может быть и более двух активных сторон, например четыре, шесть, восемь и т. д. В этом случае реальный паз состоит из нескольких элементарных пазов.
Так как секция имеет две активные стороны, то каждой секции соответствует один элементарный паз. Концы секции присоединяются к коллекторным пластинам, при этом к каждой пластине присоединяется начало одной секции и конец другой, т. е. на каждую секцию приходится одна коллекторная пластина. Таким образом, для якорной обмотки можно записать следующее равенство:
где S – число секций в обмотке якоря;
Zэ – число элементарных пазов;
К – число коллекторных пластин.
Для более удобного и наглядного изображения схем якорных обмоток цилиндрическую поверхность якоря вместе с обмоткой условно развертывают на плоскости и все соединения проводников изображают прямыми линиями на плоскости чертежа. Выполненная в таком виде схема обмотки называется развернутой.
В зависимости от формы секций и от способа присоединения их к коллектору различают следующие типы якорных обмоток: простая петлевая, сложная петлевая, простая волновая, сложная волновал и комбинированная.
Простая петлевая обмотка
В простой петлевой обмотке якоря каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. На рис. изображена одновитковая, и двухвитковая секция петлевой обмотки. При укладке секций на сердечник якоря начало каждой последующей секции соединяют с концом предыдущей секции, постепенно перемещаясь при этом по поверхности якоря (и коллектора) так, что за один обход укладывают все секции обмотки. В результате конец последней секции оказывается соединенным с началом первой, т. с. обмотка замыкается. 
Одновитковая секция простой петлевой обмотки 
Двухвитковая секция простой петлевой обмотки
Расстояние между активной стороной нижнего слоя первой секции и активной стороной верхнего слоя второй секции называют вторым частичным шагом обмотки по якорю, обозначают через y2 и измеряют в элементарных пазах.
Знание шагов обмотки y1 и y2 дает возможность определить результирующий шаг обмотки по якорю у, который представляет собой расстояние между расположенными в одном слое активными сторонами двух следующих друг за другом секций.
Из рис. следует, что
у= y1 — y2 
Шаги петлевой обмотки:
а) – правоходовая обмотка: б) левоходовая обмотка
Шаги обмотки по якорю измеряются элементарными пазами, а шаг по коллектору — коллекторными делениями (пластинами). Обмотка, часть которой показана на рис. называется правоходовой, так как укладка секций этой обмотки происходит слева на право но якорю, в отличие ог левоходовой, в которой укладка секций обмотки по якорю идет справа налево. Как следует из определения, начало н конец каждой секции простой петлевой обмотки присоединяется к рядом лежащим коллекторным пластинам, следовательно,
В этом выражении знак «плюс» соответствует правоходовой обмотке, а знак «минус» — левоходовой.
Для определения всех шагов простой петлевой обмотки достаточно рассчитать первый частичный шаг по якорю
Прежде чем приступить к выполнению схемы, необходимо отметить следующее:
1. Все пазы сердечника якоря н секции обмотки нумеруются. При этом номер секции определяется номером паза, в верхней части которого находится одна из ее активных сторон.
2. Активные стороны верхнего слоя изображают на схеме сплошными линиями, а стороны нижнего слоя — пунктирными так, что одна половина секции, относящаяся к верхнему слою,
показывается на схеме сплошной линией, а другая, относящаяся к нижнему слою, — пунктирной.
Развернутую схему обмотки (рис. 2.8) строят в следующей последовательности. На листе бумаги размечают пазы, и наносят контуры полюсов. При этом следует учесть, что изображенный на схеме полюс представляет собой как бы зеркальное отражение полюса, находящегося над якорем. При выполнении схемы обмотки ширину полюса следует принять равной приблизительно 0,8 т. Полярность полюсов чередуется: N—S—N—S. Затем изображают коллекторные пластины и наносят на схему первую секцию, активные стороны которой расположатся в пазах 1 и 4. Коллекторные пластины, к которым присоединены концы первой секции, обозначают цифрами 1 и 2. Затем нумеруют остальные коллекторные пластины и последовательно наносят на схему другие секции (2, 3 и т. д.). Последняя секция (12) должна замкнуть обмотку, что будет свидетельствовать о правильно выполненной схеме.
Далее на схеме изображают щетки. Расстояние между щетками А и В должно соответствовать полюсному делению, т. е. должно соответствовать полюсному делению, т. е. должно составлять коллекторных делений. В нашем примере это расстояние равно коллекторным делениям. Что же касается расположения щеток на коллекторе, то при этом следует руководствоваться следующим. Предположим, что электрический контакт якорной обмотки с внешней цепью осуществлялся не через коллектор и щетки, а при помощи так называемых условных щеток, расположенных на поверхности якоря. В этом случае наибольшее значение э. д. с. машины соответствует положению условных щеток на геометрической нейтрали. Но так как коллекторные пластины, к которым присоединены секции, смещены относительно активных сторон этих секций приблизительно на 1/2τ, топереходя от условных щеток к реальным, следует расположить их на коллекторе по оси главных полюсов машины. 
Развернутая схема простой петлевой обмотки:
2p = 4; Zэ = 12 
Расположение условных щеток на якоре 
Расположение щеток на коллекторе по оси главных полюсов
,
коллекторных делений. В нашем примере это расстояние равно 
коллекторным делениям. Что же касается расположения щеток на коллекторе, то при этом следует руководствоваться следующим. Предположим, что электрический контакт якорной обмотки с внешней цепью осуществлялся не через коллектор и щетки, а при помощи так называемых условных щеток, расположенных на поверхности якоря. В этом случае наибольшее значение э. д. с. машины соответствует положению условных щеток на геометрической нейтрали. Но так как коллекторные пластины, к которым присоединены секции, смещены относительно активных сторон этих секций приблизительно на 1/2τ, топереходя от условных щеток к реальным, следует расположить их на коллекторе по оси главных полюсов машины.
