Обмотки кольцевого якоря

Двухполюсная машина

, перпендикулярной оси полюсов, размещены щетки А и В. Части проводника, огибающие кольцо со стороны, противоположной коллектору, показаны пунктиром. Магнитные силовые линии, выходящие из северного полюса, проходят по стали кольца, как показано на рисунке пунктиром, и попадают в южный полюс. Магнитного поля во внутренней полости между кольцом и валом практически нет. Это объясняется большим магнитным сопротивлением воздуха по сравнению с сопротивлением стали кольца. Поэтому при вращении якоря пересекать магнитные силовые линии будут проводники, расположенные только на наружной поверхности кольца, и в них будут индуктироваться э. д. с

(острие стрелки).

Для быстрого определения направления э. д. с. можно запомнить следующее правило: при перемещении проводника вправо, что соответствует направлению вращения якоря по часовой стрелке, в проводниках, расположенных под северным полюсом, э. д. с. направлена от нас.

Исходя из указанного правила, легко установить, что при вращении якоря (см. рис. 1-3) по часовой стрелке в проводниках 1>2, 3 и 4 индуктируются э. д. с, направленные от нас, в проводниках же 5, 6, 7 и 8 — э. д. с, направленные к нам. По рис. 1-3 нетрудно проследить, что в витках 7, 2, 3 и 4, расположенных в данный момент под северным полюсом, э. д. с складываются так же, как в витках 5, 6, 7 и 8, расположенных под южным полюсом. Но э. д. с в обеих перечисленных группах витков направлены друг другу навстречу, они расходятся от коллекторной пластины 1 и встречаются на коллекторной пластине 5. Они стремятся создать внутри замкнутой обмотки якоря токи разного направления, так как по величине э. д. с. в обеих частях обмотки равны, то при отключенной внешней цепи тока в обмотке якоря не будет.

Равновесие э. д. с всех витков внутри замкнутой обмотки якоря является важнейшим условием правильной ее работы. Если бы это условие не соблюдалось, то по обмотке якоря протекал бы ток независимо от того, включена внешняя цепь или нет. Так как сопротивление обмотки якоря очень мало, то даже небольшая э. д. с, действующая внутри обмотки якоря, может вызвать в ней большой ток, а следовательно, и потери энергии, и чрезмерный нагрев обмотки. Поэтому в правильно выполненной замкнутой обмотке якоря сумма э. д. с. всех ее витков должна быть равна нулю.

Как видно из рис. 1-3, по отношению к щеткам (внешней цепи) э. д. с. в обеих половинах обмотки якоря имеют одинаковые направления и стремятся создать ток, выходящий из щетки В, т. е. эта щетка будет положительной. Из щетки В ток пойдет во внешнюю цепь, если она замкнута, и войдет обратно в якорь через щетку А, которая, следовательно, будет отрицательной. По отношению к внешней цепи, как следует из рисунка, обе половины обмотки якоря включены параллельно; в дальнейшем мы будем их называть параллельными ветвями обмотки якоря. Ток во внешней цепи в два раза больше тока в каждой параллельной ветви. При вращении якоря полярность щеток, благодаря коллектору, не будет изменяться, т. е. во внешней цепи ток будет постоянным по направлению. Действительно, вследствие того, что при повороте якоря под северный полюс вместо витков 1, 2, 3 и 4 попадут витки 8, 1, 2 т 3 или какие-либо другие, а под южный полюс вместо витков 5,6,7 ш 8 попадут витки 4, 5, 6 и 7 или другие, полярность щеток не изменится, а изменится лишь направление э. д. с в отдельных витках.

Таким образом, во внешней цепи ток будет иметь постоянное направление, в витках же обмотки якоря направление тока будет изменяться каждый раз при перемещении витка из-под полюса одной полярности под полюс другой полярности, т. е. по проводникам обмотки якоря будет проходить переменный ток.

Если бы щетки следовали за коллекторными пластинами 1 и 5, т. е. коллекторные пластины 1 и 5 были бы приключены к двум кольцам, и щетки А и В были бы неподвижны и помещены на эти кольца, то э. д. с. на щетках А и В была бы переменной. Это* нетрудно проверить, вычертив несколько положений якоря в магнитном поле и определив э. д. с. на пластинах 1 и 5.

Отметим, что от обмотки якоря постоянного тока путем присоединения к ней колец получают переменный ток в одноякорных преобразователях и генераторах двойного тока. В этих машинах обмотка якоря присоединена к коллектору и кольцам. Одноякорный преобразователь может быть подключен к сети переменного тока (со стороны колец) или к сети постоянного тока (со стороны коллектора) и, соответственно, он будет работать или как двигатель переменного тока, или как двигатель постоянного тока. В первом случае с коллектора может быть снят постоянный ток, во втором случае — переменный. При работе машины генератором двойного тока якорь ее вращается каким-либо двигателем, и она одновременно может отдавать постоянный (с коллектора) и переменный (с колец) ток.

Обмотку якоря можно сравнить с параллельным соединением элементов или аккумуляторов. Для определенного положения якоря каждый виток обмотки можно мысленно заменить одним элементом, а параллельную ветвь — рядом последовательно соединенных элементов. В нашем примере параллельная ветвь заменяется четырьмя элементами. Так как э. д. с. витков в одной параллельной ветви имеет направление, противоположное э. д. с. витков другой параллельной ветви, то группы элементов, заменяющие эти э. д. е., нужно включать навстречу друг другу (рис. 1-5).

При таком включении внутри цепи, составленной из восьми элементов, э. д. с. будет равна нулю, и при разомкнутой внешней цепи по ней не будет протекать ток; напряжение же на зажимах А и В будет равно э. д. с. четырех элементов.

Рассмотрим подробнее, как происходит изменение тока в витке.

По рис. 1-3 нетрудно проследить, что при вращении якоря по часовой стрелке виток 8 удаляется от южного и приближается к северному полюсу, при этом изоляционная прокладка между коллекторными пластинами 8 и 7, к которым присоединен этот виток, приблизится к щетке А и наступит такой момент, когда виток замкнется щеткой накоротко. При дальнейшем вращении якоря коллекторная пластина 1 выйдет из-под щетки, виток 8 разомкнётся и займет такое же положение, как виток 2, ток в нем изменит направление. Точно так же будет осуществляться изменение направления тока в витке 4.

Из рассмотренной картины изменения направления тока в витке обмотки якоря следует, что в процессе этого изменения виток оказывается замкнутым накоротко щеткой; когда он переходит в другую параллельную ветвь, происходит его размыкание. Этот процесс изменения тока в витках обмотки якоря называется коммутацией. При размыкании витка, так же как при размыкании рубильника, между щеткой и коллекторной пластиной в некоторых случаях могут появиться искры (электрические Дуги).

Так как изменение направления тока в витках происходит непрерывно и очень быстро, то под щеткой на некоторых машинах можно наблюдать постоянное искрение. Для устранения этого искрения применяются добавочные полюсы (см. рис 1-1), расположенные между главными. При вращении якоря виток пересекает магнитные линии добавочных полюсов и в нем индуктируется э. д. с. такого направления и величины, которая уничтожает э. д. с, вызывающую ток в короткозамнутом щеткой витке и, таким образом, размыкание его происходит без резкого изменения тока.

Замыкание щеткой витка в процессе коммутации должно учитываться при выполнении обмоток. Необходимо следить за тем, чтобы витки, замыкаемые щеткой накоротко, не оказывались расположенными под полюсами, т. е. чтобы в них не индуктировались большие э. д. с, которые вызывали бы большие токи, так как размыкание этих токов является причиной искрения. Этим обстоятельством вызывается часто наблюдающееся искрение под щетками при сдвиге их с нейтрали. На рис. 1-3 легко проследить, что при сдвиге щеток с линии 00 накоротко будут замыкаться витки, расположенные под полюсами.