Обмотка, в которой индуцируется эдс при пересечении ее проводниками магнитного поля, называется якорной.

Она может располагаться как в пазах статора, так и в пазах ротора.

Ротор с якорной обмоткой называется якорем.

Он используется в основном в коллекторных электрических машинах постоянного тока и низковольтных синхронных машинах. Размещение проводников в пазах позволяет надежно закрепить их, до минимума уменьшить воздушный зазор между статором и ротором и создать значительный магнитный поток при той же мдс. В высоковольтных синхронных генераторах и двигателях якорная обмотка располагается в пазах статора, что дает возможность обеспечить надежность ее изоляции.

На рис. 147 показан ротор с одним витком обмотки. Часть витка 2, находящаяся вне активной зоны (зоны по

люсов), называют лобовой. Дугу окружности, приходящуюся на один полюс, называют полюсным делением τ.

При вращении ротора 1 проводники пересекают линии магнитного поля и в них наводится эдс, равная е_пр= Blυ. При постоянной скорости υ, если распределение индукции В вдоль воздушного зазора синусоидальное, то е_прбудет также синусоидальной: е_пр=E_пртsinωt, а амплитуда эдс витка E_m=2E_{пр m}=2B_mlυ.

Линейную скорость υ можно представить в виде ,

где D — диаметр ротора, м; п — частота вращения, об/мин; р — число пар полюсов; f=pn/60 — частота наведенной в проводниках эдс, с^-1, τ=πD/(2p) — полюсное деление.

Учитывая выражение для v и подставляя через среднее значение индукции , получим

где Ф_т =lτВ_ср.

Действующее значение эдс в витке

Среднее значение эдс в витке в предположении, что Ф=В_срlτ равно

Стороны катушки укладывают в пазы и обычно размещают в два слоя. Одна сторона катушки располагается внизу одного паза, а другая — вверху другого паза, находящегося на расстоянии полюсного деления т. Такие обмотки называются двухслойными.

Обмотки по способу соединения могут быть волновыми (рис. 148, а) и петлевыми (рис. 148, б). Волновая двухслойная обмотка применяется обычно в машинах постоянного и переменного тока мощностью более 50 кВт.

Для получения постоянной по направлению эдс и поля якоря в генераторах и двигателях секции якорной обмотки соединяют пайкой с пластинами коллектора.

Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из ряда изолированных друг от друга н от корпуса миканитом медных пластин, по которым скользят угольные или металлоугольиые щетки. Число пластин равно числу секций обмотки.

► В машине постоянного тока (генераторе и двигателе) при вращении якоря и жестко связанного с ним коллектора между щетками всегда остается включенным почти постоянное число проводников, одинаково расположенных по отношению к полюсам N — S. Проводники, заключенные между щетками, образуют параллельные ветви, и при вращении якоря постоянно переходят из одной параллельной ветви в другую. При этом в них изменяетя направление эдс.

Если общее число витков, соединенных последовательно, одной параллельной ветви равно N/(2а), то эдс на щетках

,

где с_Е=pN/(60a) — конструктивная постоянная обмотки; N — число проводников; а — число параллельных ветвей.

В трехфазных синхронных и асинхронных машинах обмотка якоря делится на три части — фазы, ось каждой из которых сдвинута друг относительно друга на 120 электрических градусов (один электрический градус в р раз меньше геометрического градуса). Каждая фаза состоит из нескольких катушек, в которых наводимые эдс сдвинуты относительно друг друга по фазе.

Электродвижущая сила одной фазы якорной обмотки

где E_в — эдс витка; k_об — обмоточный коэффициент, учитывающий тип обмотки и отличие геометрической суммы эдс витков от арифметической; w — число витков фазы.

Рассмотрим способы получения вращающегося магнитного поля.

Вращающимся магнитным нолем многофазной системы токов называется результирующее поле, создаваемое при определенных условиях двумя или более обмотками с током, перемещающееся относительно этих обмоток.

Этими условиями являются: наличие пространственного сдвига между осями обмоток (θ>0) и фазового сдвига между токами в этих обмотках (ψ> 0) (рис. 149, а, в).

Результирующий вектор индукции магнитного поля двух обмоток, подключенных к двухфазной системе напряжений, как видно из рис. 149, б, в, г, д, для разных моментов времени t₀, t₁, t₂ вращается по часовой стрелке. Если значение результирующего вектора магнитной индукции не изменяется за один оборот, то поле будет круговым, если изменяется — эллиптическим.

► Для получения вращающегося кругового магнитного поля в двухфазной системе с максимальным значением вектора магнитной индукции В_t=В_т необходимо обеспечить равенство мдс F₁ = F₂ и θ=ψ=π/2.

Поэтому двигатели, предназначенные для работы от однофаз- или двухфазной сети, изготовляются с двумя обмотками, оси которых сдвинуты в пространстве на угол θ=π/2. Угловая скорость Ω и частота вращения п результирующего поля равны

где ω — угловая частота тока; р — число пар полюсов. Например, для двухполюсной системы р=1 и частоты f =50 Гц . Для трехфазной симметричной системы токов при θ=ψ=2π/3 поле будет круговым, а индукция результирующего поля , т. е. в 1,5 раза больше индукции результирующего поля при двухфазной системе. При этом для возбуждения магнитного поля двухфазной и трехфазной системой токов необходимо три провода.

ЗАПОМНИТЕ

При однофазном источнике питания и наличии двух обмоток на статоре вращающееся магнитное поле можно получить двумя способами: 1) включением в цепь одной из обмоток элемента: R, L или С, что позволяет сдвинуть по фазе ток этой обмотки относительно тока другой обмотки; 2) расщеплением (экранированием) полюсов.

При первом способе получения вращающегося магнитного поля (рис. 150) в качестве фазосдвигающего элемента используют конденсатор С и резистор R, включаемые в цепь одной из обмоток.

Экранирование осуществляется охватом части полюса короткозамкнутым витком (рис. 151, а). При этом основную обмотку подключают к источнику переменного тока. Ток этой обмотки создает пульсирующий поток, который можно разделить на две части и (рис. 151,б). Ток I_к в короткозамкнутом витке создает поток . Результирующий магнитный поток под экранированной частью полюса равен . Как видно из векторной диаграммы (рис. 151, в), потоки в неэкранированной и экранированной частях сдвинуты по фазе на угол ψ.

Наличие пространственного сдвига между осями обмоток (θ>0) и фазового сдвига между потоками (ψ>0) является достаточным условием для получения вращающегося магнитного поля.

Принцип работы бесколлекторных электрических машин переменного тока (асинхронных и синхронных) основан на использовании вращающегося магнитного поля.

В синхронном электродвигателе при подключении к сети переменного тока обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. На роторе размещается обмотка возбуждения, подключаемая к источнику постоянного тока (рис. 152, а). При неподвижном роторе из-за его инерции вращающееся магнитное поле статора не успевает увлечь ротор за собой. В результате за один оборот поля вращающий момент, действующий на ротор, изменяет направление на обратное, а его среднее значение за период будет равно нулю. Ротор остается неподвижным (немного колеблется). Если ротор предварительно разогнать до частоты равной частоте вращения поля статора, то поля ротора и статора будут неподвижны друг относительно друга, а вращающий момент будет иметь одно и то же направление, т. е. ротор будет вращаться синхронно с полем статора.

На статоре асинхронного электродвигателя размещается трех- или двухфазная обмотка, создающая вращающееся магнитное поле (N—S рис. 152,6), на роторе — короткозамкнутая

обмотка (проводники с торцов замкнуты кольцом). Если магнитное поле статора пересекает проводники обмотки ротора, то в них индуцируются эдс, направление которых определяется по правилу правой руки. Токи в проводниках, создаваемые этими эдс, смешены по фазе и образуют собственное вращающееся магнитное поле относительно ротора, но синхронно вращающееся с полем статора; взаимодействуя, поля ротора и статора создают вращающий электромагнитный момент, действующий на ротор в направлении (определяется по правилу правой руки), совпадающем с вращающимся магнитным полем статора.

ЗАПОМНИТЕ

Если частота вращения ротора n₂ меньше частоты вращения n₁ поля статора, то всегда будет возникать вращающий момент. Если частоты вращения равны, то эдс и токи в проводниках ротора будут отсутствовать — момент равен нулю. Следовательно, чтобы существовал вращающий мо­мент, необходимо проскальзывание ротора относительно поля статора, т. е.n₂<n₁. Конструкция электрической машины постоянного тока включает (рис. 153): подшипниковые щиты 1, подшипники 2, вентилятор 3, якорь 4, коллектор 5, главный 6 и дополнительный 7 полюсы и щеткодержатель с траверсой 8. Условное обозначение такой машины приведено на том же рисунке.

Конструкции и условные обозначения синхронной (станина возбудителя /, подшипник 2, щеткодержатель 3, обмотка 4 и сердечник 5 статора, коллектор возбудителя 6, якорь 7, траверса 8, обмотка ротора 9, вентилятор 10, крышка подшипника 11, подшипниковый щит 12, крышка 13, контактные кольца 14 и выводы обмотки статора 15) и асинхронной (крышка 1, подшипниковые щиты 2, подшипники 3 и их крышка 4, вентилятор 5, короткозамкнутый ротор 6, обмотка статора 7, коробка выводов 8, щеткодержатели 9, контактные кольца 10 и фазный ротор 11) машин приведены соответственно на рис. 154 и 155.