Курс лекций по дисциплине мдк 01. 01Электрические машины и аппараты Часть 1 Поурочное планирование Тема Общая теория электрических машин Занятие 1 Общие сведения об электрических машинах и трансформаторах

• Название: Курс лекций по дисциплине мдк 01. 01Электрические машины и аппараты Часть 1 Поурочное планирование Тема Общая теория электрических машин Занятие 1 Общие сведения об электрических машинах и трансформаторах
• Дата: 24.02.2022
• Размер: 6.3 Mb.
• Имя файла: uchebnye_rekomenlatsii_po_eletricheskim_mashinam.doc
• Тип: Курс лекций; #371953
• страница: 2 из 9

Тема 2. Принцип действия и устройство электрических машин постоян­ного тока
Занятие 4 Принцип действия машин постоянного тока
4.1. Создание переменной эдс в генераторе постоянного тока.
Простейшим генератором постоянного тока может служить ви­ток из проводника в виде рамки, вращающейся в магнитном поле между двумя постоянными магнитами N и S

(рис. 4.1).


Рис.4.1. Схема работы генератора постоянного тока
Концы витка abсd присоединяются к двум медным пластинам коллектора, изолированным друг от друга и от вала, на котором они помещены. На пластинах помещены неподвижные щетки А и В, к которым присоединена внешняя цепь, состоящая из каких-либо приемников электроэнергии. При вращении витка с постоянной частотой проводники ab и сd пересекают магнитные линии, при этом в проводниках индуктируется э. д. с.

При равномерном распределении магнитного поля в пространстве э. д. с. проводника будет равна



Где: ω=2рf— угловая частота; f — частота э. д. с.

Таким образом, при условии равномерного распределения магнитного поля в витке индуктируется переменная синусоидальная э. д. с. (рис.4.2, а).

В проводнике аЬ наводится переменная во времени э. д. с, изменяющая свое направление 2 раза за один оборот витка.

Время Т, за которое изменяется э. д. с, называют периодом.

Число периодов в одну секунду называют частотой.

В общем случае, когда машина имеет р пар полюсов, частота наводимой э. д. с. увеличивается пропорционально р,
f =pn,

где: n— частота вращения витка в секунду.

4.2. Принцип работы коллектора в генераторе постоянного тока.
Для нормальной работы генератора нужно установить щетки так, чтобы наводимая в витке з. д. с. была равна нулю в момент перехода щетки с одной пластины на другую.


Рис.4.2. График ЭДС в витке (а) и во внешней цепи (б)
Каждая из щеток будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно только с тем из проводников, которые находят под полюсом данной полярности.

Например, в момент времени, показанный на рис. 4.1, щетка А соприкасается с пластиной 1 и имеет положительный потенциал, так как к ней подводится э. д. с. от проводника ab, находящегося под северным полюсом. При повороте якоря на 90° виток будет расположен так, что его проводники перемещаются вдоль магнитных линий поля, не пересекая их. Поэтому э. д. с, наведенная в витке, равна нулю.

Щетки соединяют коллекторные пластины между собой и тем самым замыкают виток накоротко. При повороте витка на 180° щетка А соприкасается с пластиной 2, но по-прежнему она имеет положительный потенциал, так как к ней подводится э. д. с. от проводника ей, заменившего проводник ab под северным полюсом.

Аналогично можно видеть, что щетка В имеет всегда только отрицательный потенциал. Таким образом, по витку abсd по-прежнему протекает переменный ток; при этом по внешнему участку цепи ток проходит только в одном направлении, а именно от положительной щетки А к отрицательной щетке В, т. е. происходит выпрямление переменной э. д. с, наведенной в витке, в пульсирующую на внешнем участке цепи (рис. 4.2, б).

Как видно из рисунка, кривая э. д. с. помимо постоянной содержит большую переменную составляющую, называемую пульсацией э. д. с.

Для ее уменьшения следует увеличить число коллекторных пластин. Если, например, в магнитном поле полюсов поместить два витка, оси которых сдвинуты на 90° в пространстве, и концы этих витков соединить с четырьмя коллекторными пластинами, то при вращении витков индуктируемые в них э. д. с. окажутся сдвинутыми по фазе на угол р/2. Щетки в такой машине надо поместить так, чтобы они соприкасались с пластинами того витка, в котором в данный момент э, д. с. имеет наибольшее значение и на щетках будет э. д. с, пульсация которой много меньше, чем при двух коллекторных пластинах. При дальнейшем увеличении числа коллекторных пластин пульсация уменьшается и при 16 пластинах на пару полюсов становится менее 1%.
Таким образом, коллектор в генераторах постоянного тока выполняет роль преобразователя переменной э. д. с, индуктируемой в обмотке якоря, в постоянную на щетках, т. е. осуществляет выпрямление э. д. с.
Электрические машины чаще изготовляют многополюсными. На рис. 4.3 изображена схема четырехполюсного генератора постоянного тока.

Линию, перпендикулярную оси полюсов и проходящую между разноименными полюсами, называют геометрической нейтралью, а часть окружности якоря, соответствующую одному полюсу,— полюсным делением.

Рассматриваемая простейшая машина может работать двигателем, если к обмотке ее якоря подвести постоянный ток от внешнего источника.



Рис.4.3. Схема четырехполюсного генератора.

Занятие 5 Устройство и основные элементы конструкции машины постоянного тока

0. 
   5.1. Общее устройство машины постоянного тока.
   

Машина постоянного тока состоит из неподвижной части — статора и вращающейся части - якоря, в котором происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую (генератор) или обратно — электрической энергии в механическую (электродвигатель). Между неподвижной и вращающейся частями имеется зазор.



Рис. 5.1. Общее устройство машины постоянного тока.

На рисунке:

1. 
   вал
   
2. 
   задний подшипниковый щит
   
3. 
   коллектор
   
4. 
   щеткодержатель со щетками
   
5. 
   якорь
   
6. 
   сердечник главного полюса
   
7. 
   обмотка главного полюса
   
8. 
   станина
   
9. 
   передний подшипниковый щит
   
10. 
    вентилятор
    
11. 
    обвязка обмотки якоря
    
12. 
    лапы
    

5.2. Устройство статора
Статор создает магнитный поток, необходимый для работы двигателя.
Основными частями статора являются (см. рис.5.2):

1. 
   станина
   
2. 
   главные полюса с обмотками
   
3. 
   добавочные полюса с обмотками
   
4. 
   лапы станины
   

Рис.5.2. Статор двигателя постоянного тока
Станина представляет собой полый цилиндр с внутренними конструктивными элементами для крепления главных и добавочных полюсов . С внешней стороны станина имеет лапы для установки и закрепления двигателя на фундаменте.

В верхней части станины установлен рым-болт для подъема и перемещения двигателя.
5.3. Устройство главных и добавочных полюсов

Главный полюс с обмотками (см. рис.5.3) представляет собой явнополюсный сердечник , набранный из листов электротехнической стали, на который насаживаются катушки последовательной и параллельной обмотками.

Д ля выравнивания воздушного зазора по окружности якоря главный полюс имеет полюсный наконечник особой формы.
На рисунке показаны:

1. 
   обмотка главного полюса
   
2. 
   сердечник главного полюса
   
3. 
   полюсный наконечник
   
4. 
   болт крепления полюса к станине
   
5. 
   станина
   
6. 
   якорь
   

Рис. 5. 3. Главный полюс

Машины постоянного тока в зависимости от требуемого числа оборотов и назначения выполняются с двумя ,четырьмя ,шестью и т.д. главных полюсов.
Добавочный полюс необходим для создания более равномерного магнитного поля в воздушном зазоре. Добавочные полюса устанавливаются между главными полюсами.

Добавочный полюс содержит :

1. 
   сердечник добавочного полюса
   
2. 
   обмотка добавочного полюса
   
3. 
   резьбовые отверстия для болтов крепления
   
4. 
   стяжные шпильки
   

Рис. 5.4. Добавочный полюс
5.4. Конструкция щеточного устройства
Щеточное устройство представляет собой скользящий контакт между вращающимся якорем и неподвижными обмотками полюсов. (см.рис.5.5).

Щеточное устройство содержит:

1 - щетки

2 - щеткодержатель

3 – палец–

4 - поворотная траверса



Рис.5.5. Щеточное устройство


Щетки изготавливаются из графита, угля ,меднографитового сплава .

Они устанавливаются в щеткодержатели и удерживаются в них пружинами.

Щеткодержатели закрепляются на специальном стержне, называемым пальцем. Минимальное количество пальцев -два. Они располагаются диаметрально на траверсе.

Траверса представляет собой кольцо, имеющее возможность поворачиваться вместе с пальцами на некоторый угол.

Поворот траверсы осуществляется для выбора лучших условий коммутации щеток. При хорошей коммутации под щетками отсутствует искрение.
а) Щеткодержатель.

Содержит:

1 - гибкий медный проводник

2 - прижим с пружиной

3 - щетка

4- обойма щеткодержателя


Рис.5.6. Щеткодержатель

5.5. Конструкция якоря.
Якорь двигателя постоянного тока показан на рисунке 5.7.

Он содержит:

1 - коллектор

2 - сердечник якоря

3 - обмотка якоря

4 - лопатки вентилятора

5 - вал



Рис.5.7. Якорь двигателя постоянного тока
Стальной вал является несущей конструкцией , на которой закрепляются все остальные детали якоря. Выходной конец вала имеет шпонку для соединения с приводным механизмом.
Сердечник набран из листов электротехнической стали. Пакет из листов напрессовывается на вал. В сердечнике выполнены пазы , в которых размещается обмотка якоря.



Рис.5.8. Якорь без обмотки и стальной лист сердечника
Обмотка якоря выполняется из медного изолированного провода круглого или прямоугольного сечения. Секции обмотки укладываются в пазы сердечника. Концы секции припаиваются к пластинам коллектора.

Рис.5.9. Укладка обмотки в пазы якоря.

5.6. Конструкция коллектора.
Коллектор (см.рис.5.8.) представляет сложную конструкцию в виде цилиндра , собранного из отдельных медных пластин-ламелей. Пластины коллектора изолированы друг от друга миканитовыми прокладками. К пластинам коллектора припаиваются концы секций якорной обмотки.





На рисунке:

1. 
   корпус коллектора
   
2. 
   стяжной болт
   
3. 
   нажимное кольцо
   
4. 
   изоляционная прокладка
   
5. 
   петушок
   
6. 
   коллекторная пластина
   

Системы вентиляции электрических машин
Электрические машины подразделяют в зависимости от спосо­ба охлаждения на:

• 
  Машины с естественным охлаждением
  
• 
  Машины с самовентиляцией.
  
• 
  Машины с независимым охлаждением.
  

0. 
   6.1. Машины с естественным охлаждением
   

У машин с такой системой вентиляции нет специальных устройств для усиления эффективности охлаждения. Естественную вентиляцию применяют в машинах малой мощ­ности, так как условия их охлаждения сравнительно легкие.

6.2. Машины с самовентиляцией.
У машин с такой системой вентиляции охлаждение до­стигается с помощью вентилятора

Самовентиляцией может быть внутренняя, когда воздух проходит внутри машины, и наружная, когда вентилятор выносят наружу и он обдувает внеш­нюю ребристую поверхность станины.

Внутренняя самовентиляция в зависимости от расположения вентилятора по отношению к пото­ку охлаждающего воздуха может быть вытяжной или нагнетатель ной.



Рис.6.1.а. Система аксиальной вытяжной вентиляции
При аксиальной вытяжной вентиляции (рис. 6.1., а) вентиля­тор А создает в машине разряжение: воздух под давлением атмо­сферы поступает в машину и затем выбрасывается из нее наружу.



Рис.6.1.а. Система аксиальной нагнетательной вентиляции
При аксиальной нагнетательной вентиляции (рис. 1.12, б) вентиля­тор А забирает воздух, нагнетает в машину и затем выталкивает его наружу.

При аксиальной вентиляции охлаждающий воздух про­ходит по внутренним вентиляционным каналам параллельно оси вала, а при радиальной вентиляции — перпендикулярно.

Недостаток самовентиляции состоит в том, что при снижении частоты вращения машины резко падает производительность вен­тилятора, в результате чего ухудшается интенсивность охлаждения машины.
6.3. Машины с независимым охлаждением

У машин с такой системой вентиляции воздух поступает от вентилятора, работающего независимо от ма­шины.

Вентиляция у машины с независимым охлаждением может быть:

• 
  протяжной
  
• 
  замкнутой.
  

При протяжной системе вентиляции холодные массы воздуха подводят­ся извне, проходят через машину и выбрасываются в окружающую атмосферу. Недостаток такой системы заключается в том, что на внутренних поверхностях машины накапливаются пыль и грязь, которые всегда содержатся в воздухе, вызывая ухудшение условий охлаждения машины. Это может быть причиной аварии. Применение фильтров на входе воздуха в машину нерационально, так как их нужно часто очищать и они увеличивают сопротивление движе­нию воздуха.

При замкнутой системе вентиляции охлаждающий воздух проходит по замкнутому контуру через воздухоохладители . При такой вентиляции машина предохраняется от попадания в нее пыли. В качестве охлаждающей среды допускается примене­ние не только воздуха, но и водорода. При водородном охлажде­нии вентиляционные потери снижаются почти в десять раз, а срок службы изоляции увеличивается, так как исключаются окислитель­ные процессы. Для устранения взрыва, в случае образования внут­ри машины гремучего газа, через нее предварительно пропускают углекислый газ. Затем машину заполняют водородом под давлени­ем выше атмосферного, что предупреждает попадание воздуха внутрь машины.


Занятие 7 Якорные обмотки машин постоянного тока
7.1. Требования, предъявляемые к якорным обмоткам машин постоянного тока

Обмотка якоря — важнейший элемент машины, удовлетворяю­щий 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 прочности, обеспечивающие достаточно продолжительный срок службы машины (до 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.) обмотки должен быть минимальным;
   
5. 
   технология изготовления обмотки должна быть по возмож­ности простой.
   

7.2.Размещение обмоток в пазах якоря.

В современных машинах постоянного тока обмотку якоря укла­дывают в пазы на внешней поверхности якоря (рис. 7.1), что упро­щает технологию ее изготовления, повышает использование про­вода и делает обмотку более надежной. Обмотка состоит из ряда последовательно соединенных секций, каждая из которых имеет две активные стороны, размещаемые в пазах якоря. На торцевых сторонах сердечника якоря активные стороны соединяют лобовыми проводами.



Рис.7.1. Расположение обмотки в пазах сердечника якоря.

Для того чтобы не было пересечения лобовых соедине­ний, т. е. чтобы они не лежали в одной плоскости, обмотки выпол­няют двухслойными (рис. 7.2).


Рис.7.2. Двухслойное расположение секций обмотки якоря
Активные стороны располагают в пазах 1, находящимися между зубцами 2, а с торцевых сторон скрепляют лобовыми соединениями 3. При этом одна активная сто­рона каждой секции лежит в верхнем слое паза, а другая — в ниж­нем (рис. 7.3).



Рис.7.3. Поперечный разрез паза якоря

На рис.7.3. обозначены:

1. 
   Немагнитный изоляционный клин
   
2. 
   Секции обмотки
   
3. 
   Изоляция паза
   

Каждую активную сторону секции 2 изолируют и укладывают в паз , предварительно изолированный пазовой изоляцией 3. После укладки всех активных сторон паз заклинивают немагнитным клином 1.

Для придания якорю большей механической прочности лобовые соеди­нения обмотки стягивают стальными бандажами.

Секции обмоток машин постоянного тока могут быть:

• 
  одновитковыми (рис. 7.4., а),
  
• 
  состоящими из двух активных проводов,
  
• 
  многовитковыми (рис. 7.4, б).
  

Рис.7.4.Секции обмоток машин постоянного тока


Занятие 8 Устройство обмоток
8.1. Конструкция обмоток якоря

Обмотки якорей машин постоянного тока подразделяют на:

• 
  петлевые (параллельные),
  
• 
  волновые (последовательные)
  
• 
  комбинированные (параллельно-последователь­ные).
  

Обмотки могут быть простыми и сложными (кратными), причем последние образуются из нескольких простых обмоток.


Рис. 8.1.Секция (катушка) многовитковой волновой об­мотки


Рис.8.2. Полукатушка секции волновой обмотки.



Рис.8.3. Полукатушка секции петлевой обмотки.
8.2. Общие принципы расчета обмоток якоря.
На развернутых схемах обмоток стороны секций, находящиеся в верх­нем слое, изображают сплошными линиями, а стороны, располо­женные в нижнем слое, прерывистыми линиями (рис. 8.4).



Рис.8.4.Изображение секции на схеме.
Секции обмотки соединяют друг с другом в последовательную цепь таким образом, что начало последующей секции присоединяют вместе с концом предыдущей секции к общей коллекторной пластине.
По­скольку каждая секция имеет два конца и к каждой коллекторной пластине присоединены также концы двух секций, то общее число пластин коллектора К равно:



Где: К – число пластин коллектора

S – число секций обмотки

N — число активных проводов обмотки якоря;

w — число витков в секции.
В простейшем случае в пазу находятся две секционные стороны; одна в верхнем и другая в нижнем слое.

При этом число пазов якоря Z=S.

Для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения, а также во избежание чрезмерно большого напряжения между соседними коллекторными пластина­ми число пазов якоря должно быть большим.

Однако изготов­ление якорей с большим числом пазов нецелесообразно, так как при этом пазы будут узкими, значительная часть их площади заня­та изоляцией секций от корпуса, и для проводников останется мало места, получается проигрыш в мощности машины.

По этим причи­нам обычно в каждом слое паза .располагают рядом несколько секционных сторон (рис. 8.3.). (u_п = 2, 3, 4, 5)


Рис.8.3. Разделение реального паза на элементарные
При этом
K=S = u_п Z
В данном случае говорят, что в каждом реальном пазу имеется u_пэлементарных пазов, поэтому в каждом слое элементарного паза — одна секционная сторона.
Общее число элементар­ных пазов якоря
Z_э=u_nZ=S = K
В одном полюсном делении τ содержится



Где: Z_э - число элементар­ных пазов якоря

2р – число полюсов машины
Но часто Z_э не делится без остатка на 2р, тогда вводят дробную величину ξ, с помощью кото­рой величина шага округляется до целого числа:



Занятие 9 Электрические схемы обмоток машин постоянного тока.
9.1. Простая петлевая обмотка
Простой петлевой (параллельной) обмоткойякоря называют обмотку, у которой концы каждой сек­ции присоединены к двум рядом лежащим коллекторным пластинам (рис. 9.1.).



Рис.9.1. Развернутая схема простой петлевой обмотки.

На рисунке:

Н – начало провода

К – конец провода

y – результирующий шаг обмотки

y₁ – частичный шаг обмотки

y₂ – второй частичный шаг обмотки

ф – полюсное деление

y_к – шаг по коллектору
Частичный шаг обмотки y₁ определяет расстояние по поверхности якоря между начальной «Н» и конечной сторонами секции «К». Для того, чтобы частичный шаг обмотки y₁ выразить целым числом, его значению прибавляют или вычитают величину о, которая должна быть меньше единицы.
Второй частичный шаг обмотки y₂ определяет расстояние между конечной сторо­ной данной секции и начальной стороной последующей.
Результирую­щий шаг обмотки у определяет расстояние между начальными сто­ронами данной и последующей за ней секций.
Шаг по коллектору y_копределяет расстояние в коллекторных делениях между серединами коллекторных пластин, к которым присоединены концы дан­ной секции. Шаг по коллектору всегда равен результирующему ша­гу обмотки


Рис.9.2. Развернутая схема простой петлевой обмотки

2р=4; S=K=16

9.2. Простая волновая обмотка.
Простая волновая (последователь­ная) обмоткаполучается при последовательном соединении сек­ций, находящихся под разными парами полюсов. (рис. 9.3.).

Рис.9.3. Схема построения простой волновой обмотки якоря.
Концы секций волновой обмотки присоединены к коллекторным пластинам, уда­ленным друг от друга на расстоянии шага обмотки по коллектору


За один обход по якорю последова­тельно соединяют столько секций, сколько пар полюсов имеет ма­шина. Таким образом, обойдя обмотку по окружности якоря попа­даем в коллекторную пластину, расположенную рядом (слева) с той, от которой начат обход. /Затем делается второй, третий и все последующие обходы, пока все провода не будут соединены между собой в одну замкнутую обмотку, конец которой присоединяют к первой коллекторной пластине.

Характерным свой­ством простой волновой обмотки является то, что число ее параллельных ветвей не зависит от числа полюсов и всегда равно двум; 2а=2.

У волновой обмотки результирующий шаг уравен сумме частичных шагов y₁и у₂т. е.
y=y₁+y₂



Рис. 9.4. Развернутая схема волновой обмотки с «мертвой» секцией
. В простой волновой обмотке шаг по коллектору должен быть обязательно равен целому числу. Если это условие не вы­полняется, то уменьшают число элементарных пазов путем непри­соединения одной секции к коллектору.

Такую секцию называют «мертвой» секцией.
9.3. Обмотка смешанного типа

В машинах постоянного тока большой мощности иногда приме­няют смешанную (лягушечью) обмоткуякоря, представляющую собой сочетание простой петлевой и сложной волновой обмоток, расположенных в одних пазах якоря в четыре слоя и присоединен­ных к общему коллектору.



Рис. 9.5. Обмотка смешанного типа

Занятие 10. Магнитная цепь машины постоянного тока
10.1.Распределение магнитного потока в электрической машине постоянного тока.

Намагничивающая сила обмотки возбуждения машины по­стоянного тока создает магнитное поле, магнитные линии которого замыкаются через участки машины, образующие ее магнитную систему.

На поперечном разрезе машины (рис.10.1) показан путь магнитного потока.


Рис.10.1. Магнитная цепь машины постоянного тока.
Весь магнитный поток Ф_п полюса делится на две неравные части. Большая часть—основной магнитный поток Фδ проникает через воздушный зазор в якорь и разветвляется в его сердечнике, подходит к соседним полюсам и замыкается через ярмо.

Под основным магнитным потокоммашины постоянного тока понимают поток в зазоре Фδ на площади, соответствующей одному полюсному делению τ, при холостом ходе машины. Меньшая часть потока рассеяния Фσ замыкается между полюсами, минуя якорь.

Тогда магнитный поток полюса


где: — коэффициент рассеяния основных полюсов.
Для машин постоянного тока k_у=1,124-1,25.

Путь основного маг­нитного потока в машине состоит из замкнутых магнитных цепей, каждая из которых охватывает пару полюсов. Так как отдельные магнитные цепи многополюсной машины одинаковы и магнитные потоки равны между собой;

поэтому рассматривается магнитная цепь одной пары полюсов.

10.2. Расчет намагничивающей силы машины постоянного тока.
Участки магнитной цепи отличаются друг от друга как своими геометрическими размерами, так и физическими свойствами.

Для замкнутого контура намагничивающей силы (н.с.) одной пары полюсов получим:


где: I_в — ток возбуждения;

w_в— число витков обмотки возбужде­ния;

Н—напряженность магнитного поля, зависящая от магнит­ной индукции и определяемая по кривым намагничивания (рис. 10.2);

l— средняя длина данного участка магнитной цепи.


Рис.10.2. Кривые намагничивания стали
Для каждой из марок электротехнических сталей существует своя зависимость напряженности магнитного поля от магнит­ной индукции . Эта зависимость определяется опытным путем и выражается в виде графиков, называемых кривыми намагничивания электротехнических сталей.

В магнитной цепи электрической машины напряженность магнит­ного поля изменяется на границе участков из различных материалов.



Рис.10.2. Характерные участки магнитной цепи машины.

По этому признаку магнитную цепь машины постоянного тока можно разделить на пять участков, характерные величины магнит­ной цепи которых приведены в табл. 10.1.

Таблица 10. 1

Наименование участка	Поток участка	Индукция на участке	Площадь поперечного сечения участка.	Напряженност магнитного поля	Длина пути на пару полюсов	Н.С. на пару полюсов
Зазор воздушный	Фо	Bд	Sд	Hд	2д	Fд
Зубцовый слой (зубцы)	Фо	Bз	Sз	Hз	2h3	Fз
Сердечник якоря	Фя=0,5Фо	Bя	Sя	Hя	Lя	Fя
Сердечник полюса с наконечником	Фп=kуФо	Bп	Sп	Hп	2hП	Fп
Ярмо (станина)	Фс=0,5Фп	Bс	Sс	Hс	Lc	Fс

Здесь F_д —-для двойного зазора; F_з — для двойной зубцовой зоны якоря; F_я — для сердечника якоря, F_п — для двух полюсов; F_с —для ярма (станины).
Рассчитанная на пару полюсов основная н. с. машины
F_o = F_д + F_з + F_я + F_п + F_с


Это уравнение по­казывает, что для опре­деления н. с. нужно для каждого из пяти участ­ков найти соответству­ющую ему напряжен­ность магнитного поля Н и умножить ее на длину пути потока на этом участке.

Размеры участков магнитной це­пи или известны (в вы­полненной машине), или устанавливаются по рекомендуемым маг­нитным индукциям (при проектировании машины), поэтому
F_o = H_д2_д+ H_з2h₃+ H_яL_я+ Hп2hп + H_сL_c

Занятие 11. Коммутация в машинах постоянного тока.
11.1. Реакция якоря

Когда машина работает в режиме холостого хода (х. х.), т. е. при отсутствии тока в обмотке якоря, единственным источником магнитного поля в машине является намагничивающая сила обмотки возбуждения, создающая основной поток Ф. (рис. 11.1),



Рис.11.1. Магнитное поле полюсов при холостом ходе
При нагрузке электрической маши­ны, когда возникает ток в цепи якоря, кроме основного магнитного потока, существуют магнитные поля обмоток цепи якоря.

(рис. 11.2),


Рис.11.2. Магнитное поле якоря

Поэтому магнит­ный поток в воздушном зазоре и пространственное распределение магнитного поля при нагрузке машины будут определяться совме­стным действием намагничивающей силы полюсов и цепи якоря.

Таким образом, маг­нитный поток, который существует в машине при работе ее под нагрузкой, следует рассматривать как результирующий поток, со­зданный результирующей намагничивающей силы. (рис. 11.3),

Воздействие намагничивающей силы якоря на намагничивающую силу основных полюсов называют реакцией якоря.


Рис.11.3. Результирующее магнитное поле машины, работающей под нагрузкой
При нагрузке машины будет иметь место результирующее маг­нитное поле (рис. 11.3), которое уже не является симметричным от­носительно оси полюсов. Причина деформации магнитного поля заключается в том, что направления магнитных линий поперечного поля якоря и поля полюсов под сбегающим краем полюса совпа­дают, отчего результирующее поле под сбегающим краем полюса усиливается, а под набегающим краем полюса эти поля направле­ны встречно, поэтому результирующее поле уменьшается.

Следст­вием искажения распределения магнитного поля является смеще­ние по направлению вращения физической нейтрали на некоторый угол β, величина которого зависит от нагрузки машины.

Физиче­ской нейтральюназывают прямую, проходящую через центр, и точки на окружности якоря с нулевой магнитной индукцией, т. е. прямую, перпендикулярную оси результирующего магнитного поля. Для получения удовлетворительной работы щеток (без искрения) в машинах без дополнительных полюсов щетки приходится сдви­гать с геометрической нейтрали в том же направлении на угол α, являющийся несколько большим угла β.
11.2. Сущность процесса коммутации
Коммутациейназывают совокупность явлений, связанных с из­менением тока в проводниках обмотки якоря при переходе секций из одной параллельной ветви в другую при замыкании этих секций щетками.

Процесс коммутации имеет очень большое значение в теории электрических машин постоянного тока, так как искрение, имеющее место на коллекторе этих машин, большей частью проис­ходит вследствие неправильного протекания этого процесса.



Рис.11.4. Процесс коммутации
При направлении вращения якоря по часовой стрелке левый край щетки называют набегающим,а правый — сбегающим. (рис.11.4.)Как только щетка войдет в контакт с коллекторной пластиной , коммутируемая секция окажется замкну­той накоротко щеткой и ток в ней постепенно начнет уменьшаться.

Так как площадь соприкосновения пластины 1со щеткой больше и потому сопротивление контакта между щеткой и коллекторной пластиной 1 меньше.

Когда же контактная поверхность щетки равномерно перекроет обе коллекторные пластины, ток в коммутируемой секции станет равным нулю.

Для последующего момента времени токи в соединительных проводах примут значения противоположные значения. Так как площадь соприкосновения пластины 2со щеткой становится больше и потому сопротивление контакта между щеткой и коллекторной пластиной 2 становится меньше.

В конце коммутации щетка будет полностью касаться коллекторной пластины 2 и коммутируемая секция уже не будет замкнута накоротко.

Таким образом, за время перехода щетки с коллекторной пластины 1на пластину 2 произошло изменение тока в коммутируемой секции от + Iя до 0 и от 0 до – Iя.

Указанное изменение тока происходит очень быстро: 0,0003—0,001 с.

Коммутационные процессы приводят к искрению щеток и даже к возникновению кругового огня по поверхности коллектора. Для уменьшения искрения щеток изучаются причины искрения и принимаются меры для исключения этих причин.
11.3. Причины искрения щеток
Степень искрения на коллекторе оценивается по шкале искрения (классам коммутации), приве­денной в табл. 11.1.

Степень искрения коллекторных машин указы­вают в стандартах на отдельные виды машин, а при отсутствии стандартов—в технических условиях (ТУ) на эти машины. Если степень искрения машин не оговорена, то она при нормальном ре­жиме работы машины должна быть не выше .

табл. 11.1.

Степень искрения	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора и щеток
1	Отсутствие искрения	Отсутствие почернения на кол­лекторе и следов нагара на щет­ках
	Слабое искрение под небольшой частью края щетки
	Слабое искренне под большей частью края щетки	Появление следов почернения на коллекторе и следов нагара на щетках, легко устраняемых проти­ранием поверхности коллектора бензином
2	Искрение под всем краем щет­ки. Допускается только при крат­ковременных толчках нагрузки и перегрузке	Появление следов почернения на коллекторе и следов нагара на щетках, не устраняемых протира­нием поверхности коллектора бен­зином
3	Значительное искрение под всем краем щетки с появлением крупных и вылетающих искр. До­пускается только для реверси­рования машин, если при этом кол­лектор и щетки остаются в состоя­нии, пригодном для дальнейшей работы	Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое проти­ранием поверхности коллектора бензином, а также подгар и ча­стичное разрушение щеток

а) Механические причины искрения щеток.

Они обусловлены неров­ностью поверхности коллектора, выступанием слюдяных изолиру­ющих прокладок между пластинами коллектора, вибрацией щеточ­ного устройства, неправильным расположением и неравномерным давлением щеток и др.
б) Причины потенциального характера.

Испытания показали, что коммутация проходит нормально, если максимальное значение на­пряжения между коллекторными пластинами 25…35 В для машин большой и средней .мощности и 50…60 В для машин малой мощно­сти. Если это напряжение выходит за указанные пределы, то между соседними пластинами появляется искрение или даже дуга.
в) Причины электромагнитного характера

Обусловлены величиной запаса электромагнитной энергии коммутируемой секции в момент ее размыкания. Разряд электромагнитной энергии и явля­ется причиной искрения.
Сильное искрение может перейти в круговой огонь на коллекторе, что приводит к поврежде­нию щеточно-коллекторного устройства машины.
11.4. Средства улучшения коммутации.

С целью улучшения коммутации и уменьшения искрения щеток в машинах постоянного тока используют следующие средства:

1. 
   применяют добавочные полюсы (рис. 11.5). Добавочные полюса помогают компенсировать размагничи­вающее и искажающее действие поперечной реакции якоря в зоне между главными полюсами. При этом щетки устанавливают линиям геометрических нейтралей и оставляют в этом поло­жении при всех нагрузках.
   

Рис.11.5. Установка добавочных полюсов в двухполюсной машине

2. 
   В машинах без добавочных полюсов сдвигают щетки с геометрической нейтрали на определенный угол. (рис. 11.6.). Для создания хорошей коммутации необходимо сдвигать щетки с геометрической нейтрали по направлению вращения якоря в генераторном режиме и против направления вращении в режиме двигателя.
   

Недостаток рассмотренного метода в том, что комму­тирующее поле не изменяется автоматически пропорционально току якоря, и наилучшие условия коммутации получаются лишь при определенной нагрузке машины. При других нагрузках условия коммутации получаются менее благоприятны­ми. Осуществить автоматическое изменение сдвига щеток при из­менениях нагрузки практически невозможно.



Рис.11.5. Сдвиг щеток для улучшения коммутации.

3. 
   Подбор щеток с соответствующими характеристиками. При выборе марки щеток часто приходится находить компромиссное решение взаимно противоречивых требований. Например, с точки зрения улучшения коммутации выгодно выбирать твердые сорта щеток. Од­нако это приводит к повышенному износу коллектора и к увеличе­нию размеров всего щеточного аппарата и коллектора вследствие меньшей допустимой плотности тока этих сортов щеток. В настоящее время в машинах обычного исполнении широко применяют графитные щетки, в машинах с более тяжелым режимом работы — угольно - графитные и электро - графитные, в низковольтных машинах— медно- или бронзо - графитные.
   

4. 
   Применяют компенсационную обмотку (рис. 11.6). В пазу полюсных наконечников укладывают изолированные про­водники, которые соединяют так, что они образуют обмотку с магнитной осью, совпадающей с геометрической нейтралью. Компенсационную обмотку включают последовательно с об­моткой якоря.
   

Рис.11.6. Компенсационная обмотка
Занятие 12 Контрольная работа ЭМ. У12