своим магнитным свойствам занимает промежуточное положение между мягким железом и закаленной магнитнойсталью. Уд. вес 6.94-7,88. Сопротивление разрыву 100 кз/мм- Применяются следующие сорта:
Трансформаторное железо0— О.Ю°/0С; 1 - 2%Si;0.1°/0Mn Динамное железо Г 0—О,10°/оС; 0,7—l%Si; 0,3°/оМп
Дкнамное железо И 0—0,10°/оС;2—4°/0 Si; 0— 0Д°/оМп
Кремнистую сталь называют еще легированным железом. Марганцовая сталь тем более магнитна, чем меньше -содержание Мп (обычно 1—2%). Уд. вес 7,81 — 7,83. Сопротивление разрыву 65 75 килограмм(ммJ. Хромовая сталь (ок. 2°/0 Ci и 0,2°/0 Мп) имеет уд. вес 7,59—7,77-Сопротивление разрыву 72—73 килограмма/мм2-вольфрамовая сталь (2 —3% W и 0,1— 0,6% С) имеет сопротивление разрыву 53—90 килограмм/мм2. С увеличением содержания W магнитные свойства ухудшаются. Алюминиевая сталь (0,6—2,3°;» А1 и около 0.2°/о С), уд. вес 7,55—7,78. На магнитные свойства алюминий в пределах 3 -4% оказывает такое же влияние, как и кремний. Никкелевая сталь (5—30°/о Ni) имеет уд. вес 7,7—7,8. Сопротивление разрыву 67—90 килограмм/мм- Существует ряд более сложных сплавов (до 10 компонентов) под названиями: перминвар, пермелой, гиперник, сталь Круппа -сталь СССР, ниросталь и др.
Для тех частей магнитопроводов. в которых имеет место переменное пере-магничивание, применяют для уменьшения потерь листовую сталь (толщиной 0,35—0,5 миллиметров). По стандарту СССР различаются 3 сорта листовой электротехнической стали: сталь динамная (ст. Д), сталь динамная специальная (ст. С) и сталь трансформаторная {ст. Т). Подробности см. ОСТ 377.
Изолирующие материалы. В изолирующих материалах или диэлектриках помимо объёмного сопротивления (как в проводниках), различают еще поверхностное. Кроме сопротивления, свойствами, характеризующими данный диэлектрик, являются: электрическая крепость, диэлектрическая постоянная, диэлектрические потери, механическая прочность, гигроскопичность, стойкость при высоких температурах, кислотоупорность и др. Наиболее часто встречающейся изолирующей средой является воздух. Электрическая крепость воздуха определяется формулой
h (273-1-20) киловольт 21 760 (273-И) сантиметров ’
где h— давление ртутного столба в миллиметров, a t — т-ра в °С. При расстоянии между электродами в d сантиметров пробивное наггпряжение vnp — Vo
d3.
Удельноесопротивление воздуха над поверхностью земли составляет 5.10® MQ см.
Минеральные материалы-Наибольшее распространение получили фарфор, стекло, слюда и ее препараты. Для изоляторов применяется фарфор, содержащий 50°/о каолина, 250,о кварца и 25°/о полевого шпата. Прессование производится при давлении до 40кг см“. Поверхность изоляторов покрывается глазурью (смесь песка, мрамора, полевого шпата, мелкого каолина и магнезита). Пробивное напряжение составляет 85 кв /см. Диэлектрическая постоянная 4,4 5,4. Поверхностное сопротивление 10ш—10й Q/смК Сопротивление на разрыв ~ 300 килограмм/см3.
Стеклянные изоляторы изготовляются гл. обр. из бутылочн- стекла. Пробивное напряжение, в зависимости от сорта, 5,5—11,5 кв/мм. Диэлектрическая постоянная 6,96—9,9. Объемное сопротивление колеблется в зависимости от т-ры (наир., при 0°С 990.000 10 S/ел3, а при 60СС 784.10 2/ел3).
Слюда встречается во многих модификациях, различающихся по своему химическому составу. В Э. применяются гл. обр. мусковит и флогопит. Эл. прочность слюды колеблется в пределе от 14 до 42 кв 1мм. Диэлектрическая постоянная 2,5—6,7. В виду дороговизны слюды в больших кусках, обычно применяются ее препараты: миканит (кусочки слюды, склеенные лаком), мика-фолио (бумажная основа, на которую наклеен один слой слюды и покрыт лаком), микалекс (сплав слюдяного порошка со стеклом), амберит (подобный миканиту), меготальк (кусочки слюды, склеенные лаком и спрессованные в изделия), миканитовое полотно, мика-нитовая бумага и так далее область применения: изолирующие прокладки для коллекторов, трубки для изоляции впадин электромашин, прокладки между проводниками, втулки и так далее
Мрамор (СаС03), шифер, серпентин применяются для изготовления распределительных щитов, крышек для реостатов и так далее Отличаются (особенно мрамор) большой гигроскопичностью и хрупкостью. Эл. прочность 1,5—3 КВ 1мм. Для несгораемой изоляции применяют асбест(3 Mg-0-2Si 03 2Н..0) и его препараты. Объемное сопротивление 0,16 MQ см. Пробивное напряжение 0,8—2,8 кв /мм. Весьма гигроскопичен. Количество известных препаратов асбеста весьма велико (свыше 100 названий).
Каучук и его препараты. Уд. вес 0.914. Пробивное напряжение 24 кв 1мм. Уд. сопротивление колеблется от 3- 10s до 50- 10s ЛШ см. К чистому каучуку для его удешевления добавляют ся различные вещества, как то: различные краски, воск, нараффин, глет, магнезия и ряд сложных органических препаратов. Резиновая масса не отличается прочностью, и поэтому ее вулканизируют путем обработки серой. Твердый вулканизированный каучук носит нагшвксэбонита и применяется для изготовления изолирующих стержней, труб, листов, плит и фасонных изделий. Эл. прочность эбонита 24 -34 кв/мм, поверхностное сопротивление 5-107—9-107Ж2. Мягкий вулканизированный каучук применяется для изолирования проводов и изготовления изолирующих перчаток и ковров. Имеется большое количество препаратов, представляющих смеси каучука с различными веществами (озокеритом, окисью цинка, параффином, асбестом и так далее). В настоящее время каучук изготовляется также синтетическим путем из нефти. К материалам, подобным каучуку и служащим в Э. для тех же целей изоляции проводов, относится и гуттаперча.
Смолы и в о с к и. Естественные смолы (копалы, элеми, мастика, сандарак, канифоль, шеллак, даммара, терпентин) применяются для изготовления изолирующих лаков. Битуминозные смолы служат для изготовления компаундных масс для заливки кабельных муфт и так далее Воски бывают: животные (пчелиный, жиропотовый, спермацет), растительные (карнаубский) и нефтяные (озокерит). Применяются для изоляции (боксовые массы для заливки телефонных коробок, конденсаторные заливки и так далее), для пропитки дерева, бумаги, пряжи. Искусственные смолы получаются в результате конденсации и полимеризации некоторых органическихвеществ. Главнейшими являются: глип-таль, фенольноальдегид и кумарон.
Путем обработки фенольноальдегида иолучается 2 весьма важных вещества—бакелит и карболит, встречающихся под самыми разнообразными названиями. Для бакелита: эл. крепость 21 — 59 кв/им, объёмное сопротивление 10—106 MQ/см3, поверхностное — 9 103MQjcM3, диэлектрическая постоянная 4,5—7,0. Для карболита: эл. крепость 4,5—14,6 кв [мм, объёмное сопро. тивление 13 10s -5.45 107 Ж2/с.«з, поверхностное -3,4-105—4,6- 10771/Q/f.c«- Оба эти, вещества хорошо обрабатываются и служат для изготовления труб, штанг изоляторов и др. фасонных частей.
Продукты целлулозы. В лаковом! производстве применяют нитро-целлулозу, бензил-целлулозу и этил-целлулозу. Продуктом ацетил-целлулозы является целлон, применяемый для рукояток, пластин, трубок и так далее Эл. крепость его 28 кв.«.«. Дерево в сухом состоянии обладает эл. крепостью-12 кв/мм, которая сильно падает при наличии влаги. Применяется в пропараф-финенном или промасленном состоянии (для трансформаторов). Электрические и механические свойства весьма различны для разных пород.
В о и о к и и с т ы е материалы. Сюда относятся: пряжа,ткани, бумага,картон. Для изготовления пряжи служат волокна ряда растений, а также шелк и синтетическое волокно. Обычно для изоляции проводов применяется нспропи-танная или пропитанная (маслом, лаками, смолами) хлопчатобумажная.; нряжа, располагаемая в один или несколько слоев. Применяемые №№: 60,100-и 160. Шелк применяется для изоляции очень тонких проводов. Ткани, (хлопчатобумажные и льняные) применяются непропитанными и пропитанными. Число сортов и названий, весьма велико. Наиболее известными являются: кембрик, миканитовое полотно, тесьма, прорезиненная лента. Бумага лучшего сорта изготовляется из льняного и хлопкового тряпья. Применяется для изоляции кабелей, обмоточных проводников, конденсаторов. Пропитывается параффином, воском и различными лаками. Прессованные волокнистые материалы (картон) ветречаются под названием пресшпана, толщиной от 0Д0 до 5,0 миллиметров. Эл. крепость 9—13 кв (мм, диэлектрическая постоянная—0,4. Пресшпан встречается под самыми разнообразными названиями (пилит, элефантид, электроза и т. п.).
Путем перевода хлопка в коллоидальное состояние изготовляется фибра, имеющая меньшую гикроскопичность, чем картон, и допускающая механическую обработку.
Ж и д к о с т и. Трансформаторное масло-продукт перегонки нефти, применяется для заливки трансформаторов, реостатов, выключателей и так далее Уд. вес не более 0.92 при 15°С. Пробивное напряжение 12 кв/лиг. Не должно содержать влаги (максимум 0,01%). Перед заливкой должно быть просушено длительным нагреванием. Диэлектрическая постоянная — 2,2-2.5. Из других жидкостей, применяемых гл. обр. для изготовления лаков и для пропитки тканей, можно назвать: алкоголь, бензол, бензин, ацетон, льняное масло, олифу, смоляное масло, параффиновое масло, вазелиновое масло, древесное масло. Широкое применение в Э. имеют лаки, то есть материалы, представляющие растворы каких-либо веществ в соответствующих растворителях и образующие при высыхании слой, непроницаемый для воды, воздуха и др. реагентов. Растворимыми материалами являются: копалы, канифоль, масла, жирные вещества, синтетические смолы, асфальт, битумы. целлулоза, каучук, гуттаперча. Растворителями: эфир, спирт, бензин, масло, скипидар, вода, бензол, хлороформ, четыреххлористый углерод, ацетон, сероуглерод. Лаки спиртовые и эфирные наносятся кистью, а масляные и синтетические погружением. Эл. крепость лаков колеблется для масляных в пределах 6,7—36,7 кв/мм, для спиртовых 2,5—23 кв миллиметров.
Строительные и крепежные материалы. Здесь применяются гл. обр. различные стали (магнитные или немагнитные, в зависимости от назначения детали), бронзы и дерево (пропитанное и непропитанное) В прежнее время широко применялись чугунные отливки. Сейчас наблюдается большое стремление заменять их повсюду сваренными деталями, обладающими мень
шим весом, большей легкостью и надежностью изготовления и меньшей стоимостью. Что касается вспомогательных деталей (заклепки, болты, винты, гайки и так далее), то они ничем не отличаются от применяемых в общем машиностроении.
10. Чечет.
IV. Электрические машины. История развития Э. м. В 1831 г. Фарадеем был открыт принцип электромагнитной индукции, на котором основано устройство всех Э.м. Первые источники тока обладали подковообразными стальными магнитами, относительно которых с помощью постороннего двигателя вращался железный „якорь“, снабженный обмоткой из медной проволоки. Первое техническое применение таких так называемым „магнито электрических машин имело место в 1857 г. в Брюсселе, где Ноллет и ван-Малдерен оборудовали установку для освещения сигнальных башен. Ток, даваемый этими машинами, был переменный. Существенное улучшение в конструкцию магнитоэлектрических машин внес Вернер Сименс в 1856 г. благодаря изобретенному им якорю, имеющему форму двойного Т и состоящему из продолговатого железного цилиндра с двумя глубокими продольными впадинами для укладки проводников. Якорь вращался между полюсами нескольких плоских подковообразных магнитов. Такие машины и до настоящего времени сохранили свое значение в качестве источников слабого переменного тока (индукторы втелегра-фии, магнето для двигателей внутреннего сгорания). Дальнейшим усовершенствованием явилось у.тройство пластинчатого коллектора для выпрямления индуктируемого в якоре пеое-менного тока в постоянный. Первая обмотка с коллектором, так называемым кольцевая, была предложена Пачинотти в 1860 г., но вскоре это изобретение было забыто. Сименс показал, что Э. м. обладает свойством обратимости, то есть при питании ее током от постороннего источника она становится способной совершать механическую работу в качестве двигателя. В 1867 г. тот же Сименс построил динамо-электрическую машину, которая в отличие от магнито-электрической имела не постоянные магниты.
а электромагниты, возбуждаемые током самой же машины (принцип самовозбуждения). В 1870 г. Грамм вторично изобрел кольцевую обмотку е коллектором. В 1872 г. конструктор фирмы Сименс и Гальске, Гефнер-Альтенек, предложил вместо кольцевого барабанный якорь, у которого проводники располагались лишь на наружной поверхности и который применяется и в настоящее время. Дальнейшим крупным шагом было изобретение в 1«85 г. Ципер-новским, Дери и Блати трансформатора, служащего для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный же ток другого напряжения. В 1891 г. Доливо-Доброволь-ским был создан трехфазный асинхронный двигатель, основанный на принципе вращающегося магнитного поля, открытом Феррарисом и Тесла в 1888 г. С начала нынешнего столетия широко развивается применение для привода Э. м. паровой турбины, и возникает особый тип быстроходной Э. м.. так называемым турбогенератор. Дальнейший прогресс в области электромашиностроения сводился к установлению точной теории, методов расчета, повышению мощности отдельных единиц, повышению мощности, приходящейся, на единицу веса, повышению рабочего напряжения и наиболее рациональным конструкциям
Классификации Э. м. По назначению все Э. м. можно разделить на: генераторы электрической энергии (преобразующие механическую энергию в электрическую), электродвигатели (преобразующие электрическую энергию в механическую) и преобразователи (преобразующие электрическую энергию одного вида в электрическую же энергию другого вида). Такая классификация, однако, не всегда удобна, т. к. к одному и тому же типу здесь относятся машины совершенно различного устройства. Поэтому более удобным является разделение Э. м. по принципу устройства на машины постоянного тока и машины переменного тока, причем последние, в свою очередь, разделяются на: синхронные машины, трансформаторы, асинхронные машины, коллекторные машины и вращающиеся преобразователи. К Э.м. обычно относяти ртутные выпрямители, хотя они не основаны, на принципе .электромагнитной индукции.
Основные принципы устройства Э. м Машины постоянного тока.Схематическое устройство простейшей машины постоянного тока показано на рисунке 1.
Между полюсами NS магнита (или электромагнита) вращается проволочная рамка abed, концы которой присоединены к двум полукольцам (коллектору). К. полукольцам прижимаются две .щетки“ А, В, служащие для отвода тока во внешнюю цепь R. При вращении рамки, в ее сторонах аЬ и cd, по закону электромагнитной индукции, наводятся электродвижущие силы (эдс), которые в данный момент времени при данном расположении полюсов и данном направлении вращения (по часовой стрелке) направлены, как показано стрелками, то есть от d к с и от b к а. Так как эти эдс действуют в одну и ту же сторону (в направлении от d к а), то, сложившись, они установят во внешней цепи ток, идущий от щетки А в сопротивление И и возвращающийся через щетку В обратно в рамку. Через полоборота, когда сторона cd станет под южным полюсом (8), а сторона аb под северным (N), эдс изменят свое направление на обратное. Так как, однако, теперь верхнее полукольцо перешло вниз, а нижнее —вверх, то ток во внешней цепи не изменит своего направления и будет продолжать идти от щетки А к щетке В. При дальнейшем полуобороте мы снова получим ту же картину, что на рисунке .1. Так. обр. данное устройство обладает способностью устанавливать во внешней цепи ток постоянного направления, то есть постоянный ток. Отметим, что в моменты времени, когда стороны аЬ и cd находится между полюсами (например, через 11, оборота после положения, показан, на рисунке 1), эдс, наводимые в рамке, равны 0, т. к. при этом стороны рамки не перерезывают силовых линий. В этот момент и происходит переход щеток с одного полукольца на другое (т. н. коммутация тока). Очевидно, что ток во внешней цепи не будет сохранять свою величину неизменной за весь поворот рамки, а будет иметь пульсирующий характер, изменяясь от 0 до некоторого максимума. Величина эдс, индуктируемой в рамке, определяется формулой Е=Blv 10“ 8 вольт, где В — магнитная индукция, / — длина подвергающегося индукции проводника (в данном случае аЬ cd) и ж—линейная скорость движения рамки. Сила тока в сопротивлении R определяется формулой Ома:
_ Е Вк 10 “ 8 1 — R -4- г ~ R -t г ’
где R сопротивление внешней цепи, а г — сопротивление внутренней цепи, то есть самой рамки и контакта коллектор - щетки. Из последней формулы следует: 1R + 1г =Е илиздесь Jr называется падением напряжения в машине, a V=E—L- —напряжением на внешних зажимах, или, про- : сто, напряжением на зажимах машины. Устройство, показанное на рисунке 1, не позволяет получить сколько-нибудь значительной эдс, и поэтому на практике прибегают к следующим мерам: подвергаемые индуктированию проводники располагают на железном цилиндре (якоре), вращающемся между полюсами, то есть уменьшают магнитное сопротивление между полюсами; увеличивают длину провода, для чего берут не одну рамку, а несколько. На рисунке 2 показан якорь с 4 рамками, из которых каждая для еще большего увеличениядлины провода состоит не из одного, а из нескольких витков проволоки. Коллектор здесь также состоит не из двух полуколец, а из 4 сегментов (по числу рамок). Помимо увеличения эдс, такая
Рисунок 2.
конструкция дает возможность получить значительно меньшие колебания тока. На практике число рамок берут еще большим (часто несколько сотен), и при этом колебания тока практически становятся равными нулю. Современные Э. м. постоянного тока устраиваются обычно не двухполюсными, как показано на рисунке 1, а четырех- и так далее полюсными, причем электромагниты их питаются током, вырабатываемым
самой машиной. Совокупность проволочных рамок называется обмоткой ягсоря. Для более надежного укрепле-
Рисунок 4.
ния оомотки, а также для возможного уменьшения магнитного сопротивления между полюсами и якорем обмотка укладывается во впадины, имеющиеся на поверхности якоря. Совокупность всех железных частей машины, через которые проходит магнитный поток, называется магнитной цепью, или магнитойроводом. Типичный магнитопровод многополюсной (четырехполюсной) машины показан на рисунке 3.
Неподвижную часть машины (полюса и ярмо) называют еще, индуктором. ! Пунктиром показаны пути прохождения магнитных силовых линий. Разрез якоря с впадинами показан на рисунке 4. Коллектор состоит из отдельных медных сегментов, изолированных друг от друга слюдяными прослойками и собранных в виде цилиндра. Токособирательные щетки в современных машинах изготовляются из угля и располагаются в особых щеткодержателях, укрепленных на общей траверзе.
Синхронные машины. Если в конструкции, показанной на рисунке 1, заменить оба полукольца (коллектор) двумя отдельными кольцами, к которым присоединены концы рамки (рисунок 5) и на которые попрежнему наложены две неподвижные щетки, отводящие ток во внешнюю цепь, то мы получим простейшую машину переменного тока. В момент времени, показанный на черт., ток из рамки поступает в щетку В и, пройдя внешнюю цепь R, через щетку А возвращается в рамку. Через пол-оборота сторона cd переместится в положение аЬ. и теперь ток будет иттиво внешнюю цепь уже через щетку А, а возвращаться через В, то есть направление тока в цепи изменится на обратное. В моменты времени, когда стороны аЬ и cd будут расположены между полюсами, в них не будут наводиться эдс, а следовательно и сила тока во внешней цепи (если она представляет собой чисто омическое сопротивление) будет равна 0. Таким образом, за время одного оборота рамки эдс будет от 0 увеличиваться до положительного максимума, снова падать до 0, опять увеличиваться до максимума, но уже отрицательного, и, наконец, снова принимать нулевое значение. Другими словами, за один оборот рамки будет иметь место один период изме нения эдс (и тока). Если бы число полюсов нашей машины было равно 4, 62р, то число периодов за один оборот было равно 2,3р. Если рамкасовершает в одну секунду оборотов, где «—число оборотов в минуту, то частота вырабатываемого машиной
Рисунок 5.
переменного тока, то есть число периодов в секунду,
рп
60’
где р—число пар полюсов машины. Отсюда очевидно, что, желая получить переменный ток постоянной частоты (в Европе стандартизована частота
f — 50 пер/оек, а в Америке f=60 пер/сек), мы должны вращать машину со строго постоянной скоростью, опре деляемой приведенной выше формулой (отсюда и наименование „синхронная машина“). При наименьшем возможном числе пар полюсов р=1 и частоте f — 50 пер/сек, скорость вращения составляет 3 000 об/мин. Подобно машине постоянного тока, синхронные машины в техническом выполнении также снабжаются якорем и обмоткой, состоящей из многих проводников, уложенных во впадины этого якоря. Очертания полюсов и расположение проводов подбираются так, чтобы создаваемая машиной эдс имела синусоидальный характер изменения (си.теор. основы Э.). Если на якоре устроить не одну обмотку, а три
Рисунок 6.
самостоятельных обмотки, занимающих каждая 2/8 полюсного деления (то есть расстояния между серединами двух смежных полюсов), то мы получим трехфазную машину, создающую трехфазный ток. Если концы всех трех обмоток (фаз) соединить вместе, а начала подвести к трем кольцам, то получится соединение звездой (рисунок 6). Если конец каждой фазы присоединить к началу следующей и точки соединения отвести к трем кольцам, то получится соединение треугольником (рис- 7).
Подобным же образом можно осуществить четырех-, шести- и так далее фазную машину. На практике преимущественое распространение получил трехфазный ток, и поэтому синхронные машины почти исключительно выполняются трехфазными. В настоящее время, по целому ряду соображений,
Рисунок 7.
в синхронных машинах неподвижным устраивают якорь, представляющий в этом случае железное кольцо, на внутренней поверхности которого расположены во впадинах проводники. Индуктор, то есть совокупность полюсов и соединяющего их ярма, вращается при этом внутри якоря. Никакого принципиального различия между такими машинами нет, так как по существу дела для получения индуктированной эдс необходимо лишь относительное перемещение проводников и силовых линий. Подобная синхронная
Рисунок 8.
машина трехфазного тока показана на рисунке 8 Здесь на валу машины имеется два кольца для подведения постоянного тока (от постороннего источника) к обмоткам электромагнитов. Зажимы (концы) обмотки якоря являются здесь неподвижными. На рисунке 8 выведены все 6 концов обмотки (по два на каждую фазу) для возможности соединения их либо в звезду, либо в треугольник. Питание обмоток электромагнитов (возбуждение) происходит обычно от небольшой машины
постоянного тока, сидящей на одном валу с индуктором главной машины. В очень быстроходных машинах большой мощности (турбогенераторах) с целью увеличения механической прочности индуктор устраивают в виде цилиндра с впадинами, в которые закладывается обмотка возбуждения. Разрез такой машины показан на рисунке 9. Неподвижный якорь синхронных машин часто называют статором, а вращающийся индуктор—ротором. Машины по типу рисунок 8 имеют ротор с ясновыраженными или выступающими полюсами, а машины по типу рисунок 9 имеют ротор с неясно-выраженными полюсами или с распределенной обмоткой возбуждения.
Асинхронные машины. Поместим во внутрь обычного трехфазного статора синхронной машины ротор, показанный на рисунке 10 и состоящий из ряда медных стержней, соединенных по бокам медными кольцами. Вся эта конструкция расположена на железном цилиндре, так что стержни утоплены во впадинах, а кольца расположены по торцам цилиндра. Такой ротор называют часто ротором в виде беличьего колеса. Если теперь к обмотке статора подвести трехфазный переменный ток, то, как известно, внутри маши ны возникнет вращающееся магнитное поле (смотрите теор. основы Э.). Это поле, пересекая обмотку ротора, создаст в ней ток, который, взаимодействуя с полем, вызовет, по закону Био-Савара, вращение ротора, в результате чего получится электродвигатель, способный совершать механическую работу. Очевидно, что скорость вращения ротора никогда не сможет стать равной скорости вращения ноля, т. к. в противном случае ротор и поле находились бы во взаимном покое, никакого пересечения проводниками силовых линий не было бы, а, следовательно, исчезла бы причина, заставляющая ротор вращаться. Таким образом скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения поля, определяемой уже знакомой нам формулой
60Г
то есть ротор вращается асинхронно (не синхронно) с полем, откуда произошло и названиемашины.Разницамежду скоростями поля и ротора называется скольжением последнего. Величина скольжения увеличивается е нагрузкой машины, то есть скорость вращения при нагрузке уменьшается. Впрочем,разница между скольжением при нагрузке и скольжением при холостом ходе невелика и у современных машин составляет лишь несколько процентов. Как мы увидим впоследствии, в некоторых случаях необходимо бывает на некоторый промежуток времени увеличивать сопротивление ротора. Для этой цели роторные обмотки асинхронных машин часто устраивают так же, как и статор
ные, то есть в виде трехфазной обмотки, концы фаз которой подведены к трем сидящим навалу и изолированным друг от друга кольцам. Тогда при посредсгве трех неподвижных щеток можно присоединять к ротору добавочное сопротивление любой величины (реостат). При ненадобности в добавочном сопротивлении, щетки замыкают между собой накоротко, при помощи особого рычага. Подобные роторы называются фазовыми,или роторами с контактными кольцами. Разрез через статор и ротор асинхронной машины показан на рисунке 11.
Коллекторные машины переменного тока. Эти машины отличаются большим многообразием, и принципы устройства и работы их основных типов будут изложены при рассмотрении их теории.
Вращающиеся преобразователи. Простейшими вращающимися преобразователями являются мотор-генераторы, состоящие из двух связанных между собою непосредственно или с помощью зубчатой или иной передачи машин: электродвигателя (например, асинхронного) и генератора (например, постоянного тока). В этом случае, подводя к двигателю переменный ток, мы заставляем его вращать генератор, вырабатывающий постоянный ток (или наоборот). Можно, однако, объединить обе машины в одну, и тогда мы получим одноякорный преобразователь, схематическое устройство которого показано на рисунке 12. Из чертежа видно, что здесь между двумя электромагнитами вращается якорь, обмотка которого, с одной стороны (елева), присоединена к трем кольцам, а с другой стороны (справа)—к коллектору. Если подвести постоянный ток к коллектору, то якорь придет во вращение и на кольцах появится напряжение переменного тока,
то есть мы получим совмещение в одной машине двигателя постоянного тока и синхронного генератора. Подводя к кольцам переменный ток и снимая е коллектора постоянный, мы получаем совокупность синхронного двигателя и генератора постоянного тока.
Трансформаторы. Преобразование переменного тока одного напряжения в переменный ток той же частоты, но иного напряжения может происходить с помощью трансформатора. На железном сердечнике (рисунок 13) находятся, в случае однофазного трансформатора, две обмотки: первичная (1), с числом витков wb и вторичная (2), е числом витков да2. Если присоединить первичную обмотку к сети переменного тока с напряжением Vh то, по закону электромагнитной индукции, в любой момент времени
<М>
v=~w4tt’ -
где i —мгновенное значение напряжения сети, Ф—магнитный поток в сердечнике, устанавливаемый током, протекающим по обмотке. Это уравнение строго справедливо при холостом ходе,
Рисунок 12. Рисунок 1
когда потерей напряжения в обмотках можно пренебречь. Т. к. вторичная обмотка пронизывается почти тем же потоком, что и первичная, то при холостом ходе на зажимах вторичной обмотки появится напряжение аФ
v2 — —w2dt-
Разделив первое у-ние на второе, найдем, чтощ Fj _ Wj
v2 F2 ~ w2 ~~u’
то есть напряжения на зажимах обмоток относятся как числа витков этих обмоток. Отношение w.w — u называется коэффициентом трансформации, или
передаточным числом трансформатора. При нагрузке вторичной цепи в обмотках возникают падения напряжения, благодаря чему отношение напряжений несколько (хотя и очень мало) изменяется. Для преобразования многофазных токов молено взять несколько (по числу фаз) однофазн. трансформаторов и соединить их обмотки в звезду или многоугольник. Однако, в большинстве случаев, многофазны е трансформаторы устраивают так, как показано на рисунке 14, то есть обмотки всех фаз (в данном случае трех) располагают на общем сердечнике.
Ртутные выпрямители. Устройство ртутных выпрямителей основано на принципе выпрямляющего свойства вольтовой дуги (смотрите теор. основы Э.). Эти аппараты служат для преобразования переменного тока в постоянный и в последнее время являются серьез-, ными конкурентами вращающихся преобразователей.
Обмотки Э. м. Обмотки машин по-
Рисунок 14.
стоянного тока состоят из ряда витков, соединенных друг с другом и с сегментами (пластинами) коллектора. На практике витки укладываются во впадины, но мы первоначально, для более наглядного изображения, будем представлять их расположенными на поверхности якоря. Для того, чтобы визитке индуктироваласьнаибольшая эдс, его. ширину берут, по возможности, равной полюсному делению (то есть расстоянию между серединами смежных полюсов, измеренному на поверхности якоря.). Существует два типа обмоток: петлевая и волновая. На рисунке 15 показана часть петлевой обмотки (поверхность якоря развернута в плоскость). Здесь имеется два витка, соединенных последовательно,
Рисунок 16.
при чем, как видно из чертежа, второй виток лежит под теми же двумя полюсами, что и первый. На рисунке 16 показана часть волновой обмотки. Здесь последовательно соединенные витки
лежат под разными полюсами. Часть обмотки, лежащая между двумя коллекторными пластинами, следующими друг за другом при обходе обмотки, называется элементом, или секцией. На рисунке 15 и 16 каждая секция состоит из одного витка, но она может состоять и из нескольких, как показано на рисунке 17 для волновой обмотки (здесь секция состоит из трех витков). Каждая сторона секции называется активной стороной. Расстояние между начальными
сторонами двух секций, следующих друг за другом при обходе обмотки, называется результирующим шагом у (смотрите рисунок 15 и 16). Кроме того, в обмотке различают еще: первый частичный шаг уи равный расстоянию между начальной и конечной сторонами одной и той же секции, и второй частичный шаг Уч, равный расстоянию между конечной стороной одной секции и начальной стороной другой. Из рисунок 15 и 16 следует, что в петлевой обмотке частичные шаги делают в разные стороны и у=ух — у2, а в волновой обмотке их делают в одну сторону И у=уу -f- y.j. Шаги измеряются не единицами длины, а числом пропущенных промежутков между активными сторонами, так как важно знать не абсолютное расстояние (см, миллиметров), а с каким проводником следует соединить тот или иной проводник обмотки. Кроме обмоточных шагов, для выполнения обмотки необходимо знать шаг по коллектору Ук, указывающий расстояние между коллекторными пластинами, к которым присоединены концы одной секции. Шаг по коллектору измеряется числом пропущенных изоляционных прослоек между пластинами. Число секций обмотки равно числу коллекторных пластин, т. к. конец одной секции и начало следующей присоединены к одной и той же пластине. Если N— число проводников обмотки, 8—число активных сторон и если активная сторона секции состоит из одного проводника, то 8=N, если же она состоит из
N
W проводников, то S— -у. Так каксекция состоит из двух активных сторон, а число секций равно числу коллекторных пластин К, то 8=2К. Число активных сторон очевидно должно быть четным, а число коллекторных пластин может быть четным и нечетным. Отметим, что для всех барабанных обмоток результирующий шаг у всегда вдвое больше шага по коллектору ук, то есть у=2ук. Петлевые, иначе параллельные, обмотки делятся на простые и многократные. В простой петлевой обмотке результирующий шаг всегда равен 2, то есть е/=± 2 и, следовательно, шаг по коллектору ук — ± 1. Шаги у и у к получаются отрицательными в том случае, если «/3>y1. Обмотки с отрицательными у и ук называются перекрещенными. На рисунке 18 показана секция перехсрещенной обмотки. Четырехполюсная петлевая обмотка показана на рисунке 19, а на рисунке 20 дана ее развернутая схема. Данные этой обмотки: S — N =22;
К — 11; У=5; у«— 3; у=-f- 2; у к =4-1.
В простых петлевых обмотках число параллельных ветвей всегда равно числу полюсов, то есть 2р — 2а, где 2р— число полюсов, а 2а—число параллельных ветвей. При данном положении щеток мы имеем следующие параллельные ветви: 1) левая отриц. щетка; пластина 11, проводники 2, 19, 22, 17,
пластина 4, левая полож. щетка; 2) левая отриц. щетка, пластина 1, проводники 1,6, 3, 8, пластина 3, левая полож. щетка; 3) правая отриц. щетка, пластина 6, проводники 11, 16, 13, 18, пластина 8, правая полож. щетка; 4) правая отриц. щетка, пластина 6, провод
ники 14, 9, 12, 7, пластина 9, правая полож. щетка. Проводники 15—20, 5—10 и 4—21 замкнуты щетками накоротко и в образовании эдс не участвуют (в данный момент времени). Частичные шаги обмотки должны всегда выражаться нечетными числами. Так как у— 2, 3. Ух — у2 — у, то для того чтобы разность уг — у“ была равна четному числу, уг и у.2 должны быть или оба
четными, или оба нечетными. При четных частичных шагах мы обошли бы, однако, только четные активные стороны, если бы начали с нечетной, или, наоборот, только нечетные, если бы начали с четной стороны. Поэтому ух и у2 должныбыть обязательно нечетными. Первый частичный шаг, равный ширине секции, должен быть близок к полюсному делению или равняться ему, для того чтобы эдс, индуктируемая в секции, имела наибольшуювозможную величину. Если выразить полюсное деление числом промежутков между активными сторонами, то оно S
равно ~2р, следовательно S
У=2р-
Обычно пишут
£=Р b
Ух — ~2р >
где b—произвольное число (обычно наименьшее), делающее ух целым и нечетным. Если 8 при делении на 2р дает целое нечетное число и если мы берем ух=~2~, то обмотка в этом случаеназывается диаметральной. Тогда, очевидно, & =0. Если же b не равно нулю, то обмотка называется хордовой. Эти названия были даны обмоткам применительно к двухполюсным машинам, у которых в первом случае стороны секции располагаются по концам диаметра якоря, а во втором случае—по концам хорды. Если обозначить общий ток, проходящий через якорь, через 1а, то ток в одной параллельной ветви обмотки будет %α= Ya=2р ‘т- к- Для простой петлевой обмотки 2α= 2р). Величиной этого тока определяется сечение проводника, из которого должна быть изготовлена обмотка. Проводник будет тем толще, чем больше ток ia. На практике редко берут га больше, чем 200 ампер. В машинах, имеющих петлевую обмотку, га можно уменьшить путем увеличения числа полюсов (т. к. при этом одновременно увеличивается и число параллельных ветвей). Но в машинах малой и средней мощности невыгодно брать большое число полюсов и поэтому, если га при данном числе полюсов выходит больше 200 ампер, приходится брать многократную петлевую обмотку, которая позволяет увеличить чпсло параллельных ветвей в г раз, то есть здесь 2«=г2р. Идея этойобмотки понятна изрис.21. Здесь имеется две простых петлевых обмотки, из которых одна как бы вдвинута вдругую. Достигается это тем, что шаг но коллектору берут здесь равным не ±1, а ± г (где г — число отдельных обмоток, которое желательно получить). Начав обход с какой-либо пластины,
мы обойдем только часть всех прог-1
водников, а останутся свободными. Начав с другой свободной пластины, мы снова обойдем | часть проводников, и так далее При этом получится г самостоятельных обмоток, из которых каждая имеет 2а — 2р. а, следовательно, всего получится г-2р параллельных ветвей. При этом необходимо, чтобы ширина щетки была бы по крайней мере в i раз больше ширины одной пластины. На рисунке 21 г —2. Такие обмотки называются петлевыми многократно замкнутыми. Формулы для них:
S~r b
2а —г-2р; yK=±i;y=±2г; ух=~; 2/з=У — У-
Как уже указывалось, гладкие якоря в настоящее время не применяются. Однако, формулы обмоток остаются теми же и для зубчатых якорей, если определенным образом нумеровать активные -стороны во впадинах. Практически обмотки машин постоянного тока всегда выполняются двухслойными. Стороны верхнего слоя (смотрите рисунок 22)
Рио. 22.
всегда нумеруются нечетными, а нижнего слоя—четными цифрами. Катушка, которая может состоять и из нескольких элементов, изготовленная предварительно на шаблоне, закладывается во впадины таким образом, чтобы одна ее сторона лежала в верхнем, а другая—в нижнем слое (смотрите рисунок 23). Стороны катушки тщательно изолируются как от стенок впадины, так и между собой. Для предохранения обмотки от выбрасывания из впадины, в верхнюю часть последней заколачивается деревянный или фибровый клин, имеющий в разрезе форму ласточкина хвоста. Разрез через впадину с обмоткой и
клином показан на рисунке 24. Результирующий шаг волновой обмотки у== 2/1+ У2=2у,с, как и в петлевой обмотке должен быть четным числом, а частич-
что между началом и концом первого обхода остается одна изоляционная прослойка на коллекторе; следовательно, если р—число пар полюсов, то у к - р ± 1 — К. Продолжая обмотку, мы после каждого обхода будем сдвигаться на одну коллекторную пластину и, наконец, обойдя все проводники и Есе пластины, вернемся в исходное положение и замкнем обмотку. Из найден-
ной формулы следует, что у к =
Р
Рисунок 23.
ные шаги уг и у.2 — числами нечетными. Волновая обмотка может быть выполнена так, что при любом числе полюили, так как у -
8 гр 2
2 у к, то у —
2К+2
Р
Р
Первый частичный шаг 1/1=+
Рисунок 24.
сов число параллельных ветвей будет равно 2 (2α= 2). Такая обмотка называется простой волновой или последовательной. На рисунке 25 показана часть последовательной обмотки зубчатого
N
Рас. 26.
а второй частичный шаг у., — у—ул. Четырехполюсная волновая обмотка показана на рисунке 26, а ее развертка на рисунке27.
Рисунок 25.
якоря. Если начать обходить коллектор, например, с пластины 1, то, сделав один круговой обход, мы должны попасть в пластину 2 или 11, а не в 1, т. к. иначе обмотка замкнулась бы уже после первого обхода. Из рисунок 25 видно,
Рисунок 27.
Ее данные: 8=N=22; К=И; 2р — 4; 8 2 22-2 2а — 2 у= =—s—=10; ук =
Р
У
= 2=5! 2/1 — 5; 2/2=У - У! =5. Если на коллектор наложены только 2 щеткич
(А, В), то получаются следующие 2 параллельные ветви: 1) щетка Av пластина 2, проводники 3, 8, 13, 18, 1, 6, пластина 6, щетка В{, 2) щетка Аь пластина 3, проводники 22, 17, 12, 7, 2, 19, 14, 9, пластина 5, щетка Ви Проводники 20—15, 5—10, 16—11 и 12-4 замкнуты накоротко. Кроме двух необходимых, можно установить еще дополнительные щетки А2, В„ (так, чтобы полное число щеток было равно числу полюсов). При этом снова получается только 2 параллельные ветви: 1) щетка Ах, пластина 2, проводники 3, 8, 13, 19, 1, 6, пластина 6, щетка В,; 2) щетка Аи пластина 3, проводники 22, 17, 12, 7, 2, 19, пластина 10, щетка, В.,. Секции 20-15, 5—10, 16-11, 21 -4, 14 9—замкнуты накоротко. Для волновой обмотки, следовательно, можно, независимо от числа полюсов, взять только 2 щетки, но на практике почти всегда устанавливают число щеток равное числу полюсов, исходя из следующих соображений: при большем числе щеток на каждую из них приходится меньший ток, следовательно, при данной ширине (щетка не должна перекрывать больше 2—3 пластин) осевая длина щетки выходит меньше и коллектор короче. Кроме того, при наличии полного (=2р) числа щеток, машина работает более надежно в отношении искрения на коллекторе. При желании получить в волновой обмотке число параллельных ветвей >2, можно разместить на якоре несколько простых самостоятельных обмоток, то есть устроить многократкую волновую обмотку (принцип устройства тот же, что и для многократной петлевой обмотки).- Отдельные обмотки включаются щетками параллельно, откуда еще другое название этой обмотки: последовательно-параллельная. Здесь также можно обойтись всего двумя щетками (соответственно увеличив их ширину), но и здесь, обычно, берут число щеток равным числу полюсов. При выполнении многократной волновой обмотки, между началом и концом каждого обхода должно оставаться а изоляционных прослоек, если мы хотим иметь а самостоятельных обмоток, то есть всего 2а параллельных ветвей. Тогда здесь можно напи-
К± асать: рук =К±а, откуда у к=—~— и
2К±2а 8±2а гту =--------- =-- Частичные
J р р
шаги находятся, как и для простой волновой обмотки, по формулам: У
Vi=у; у2 — у - у,. Нетрудно видеть, S±2a
что формула у=- - является общей для всех волновых обмоток, т. к. при 2α= 2 она переходит в известную
S±2
уже нам формулу у= — - для простой волновой обмотки.
В случае, если в параллельных ветвях обмотки будут индуктироваться неодинаковые эдс, то в самой обмотке будут протекать уравнительные токи. Эти уравнительные токи будут замыкаться через щетки и создавать для них дополнительную нагрузку, что может вызвать искрение на коллекторе. Чтобы избежать этого, устраивают уравнительные или эквипотенциальные соединения, связывающие те точки обмотки, которые при одинаковых эдс в параллельных ветвях имели бы одинаковые потенциалы. Такие точки могут быть только в обмотках с числом параллельных ветвей большим 2. Шаг для уравнительных соединений по К
коллектору равен а изоляционных прослоек, то есть m-ую пластину нужносоединять е и так далее Уравнительные соединения чаще всего встречаются в петлевых обмотках больших машин. Соединять можно было бы каждую пластину, но это вызвало бы большие расходы на медь. Поэтому обычно уравнительные соединения делают, пропуская 3—4 пластины. За один оборот якоря проводник перережет 2рФ
псиловых линий, а в секунду 2рФ >
где и—число оборотов якоря в минуту. Так как величина эдс между щетками определяется числом проводников в одной параллельной ветви обмотки, то эдс на щетках будет больше, чем в N _
одном проводнике в 9й раз. таким образом эдс машины постоянного токаопределяется формулой
Р и я
Е= - ФN-10 8 вольт.
Со ои
Обмотки машин переменного тока. Если на рисунке 5, изображающем простейшую машину переменного тока, окружная скорость перемещения рамки относительно магнита будет v см/сек, то число силовых линий, перерезанных каждой стороной витка (то есть аЬ или ed) в течение одной секунды, будет равно Blv, где В —магнитная индукция, а I—длина проводника в направлении оси вращения. Число силовых линий, перерезанных в 1 сек. обеими сторонами рамки, будет вдвое больше, то есть 2Blv. Этому же значению численно равна и величина эде, индуктированной в рамке. Обозначая эту эдс через е и вводя множитель 10~8, чтобы получить результат в вольтах, найдем, чтое —2 Blv 10-8.
Если рамка будет состоять не из од ного витка, как на рисунке 5, а из «у витков, причем толщина проволоки будет столь незначительной, что можно будет считать,что все витки одновременно проходят мимо какого-либо места на поверхности полюса (например, мимо его края) то эдс будет в w1 раз больше и станет равной е=2Bw1lv-lO~8. Если взять не двухполюсную конструкцию, а, например, четырехполюсную, то вместо одной рамки можно взять две соединенных последовательно, причем составляющие их стороны в любой момент времени будут занимать одинаковое положение относительно полюсов, то есть в любой момент времени во всех проводниках будут индуктироваться одинаковые эдс. Для всей обмотки эдс будет вдвое больше, чем в предыдущем случае. Если вообще взять не 2, а 2р полюсов, то эдс будет в р раз больше, чем при двухполюсной конструкции, то естье=2 Blv-Wjp 10—8 вольт.
Как уже указывалось, обмотка всегда укладывается во впадинах железного якоря. Если его диаметр равен В и число оборотов в минуту и. то окружная скорость % В п
V— -у-- -Т. к. -В — 2р-, где т— по-
2 р-плюсное деление, то v= Ооозначив полное число витков обмотки через w=wxp, мы найдем, что
РЧ —я ™ Рпе=4 Blw- 10 8 вольт. Т. к.
равно частоте f, то е=4 Blw-f 10~8. Эта формула дает мгновенные значения эдс. Среднее значение найдем, подставив среднюю индукцию Вт. Тогда ет=4Bmlunf 10-8- Т. к. Вт1~ равно потоку одного полюса Ф, то ет= 4к>/Ф10-8. Т. к. эффективное значение эдс Е — kf ет, где ку—коэффициент формы кривой (смотрите теор. основы
Э.), то Е — 47/ум’/Ф 10~8. Для синусоидальной кривой 7= 1,11 и Е —
— 4,44гг/Ф-1СГ8 вольт. До этих пор мы рассматривали случай, когда число витков было равно числу полюсов или когда при большем числе витков толщина проволоки была весьма малой. На практике, однако, с целью лучшего использования поверхности якоря и с целью получения синусоидальной кривой эдс, витки обмотки располагают не в 2р впадинах, а в 2p-q, где q представляет собой число впадин на полюе. Если по-прежнему в каждую впадину поместить витков, то окажется, что эдс всей обмотки будет теперь не в w=u pq раз больше, чем в формуле e=2Blv 10~s, а в kww=kww,pq, где kw представляет собой обмоточный коэффициент, всегда меньший единицы. Происходит это потому, что если на полюс приходится несколько впадин, то эдс, индуктированные в проводниках, расположенных в этих впадинах, не будут одновременно достигать одинаковых значений, так как индукции для каждой впадины будут различными. Если машина будет не однофазной, а m-фазной, то при желании получить в каждой фазе эдс, определяемую приведенными выше формулами, необходимо взять для каждой фазы число витков w, то есть взять число впадин в т раз больше. Тогда число впадин будет не 2pq, а 2pmq, где q—будет теперь числом впадин на полюс и фазу. Величинаобмоточного коэффициента определяется формулой
sn 2да
li-W V
1 sin 2mq
Таким образом, в общем случае, когда число впадин на полюс и фазу не равно единице, величина эдс, наводимой в каждой фазе обмотки, составляет Е =4.k/]lwfw<b 10~8 или, при синусоидальной форме, Е=4,447;и/<гФ10~8. В нормальных трехфазных машинах обычно q=38nkw — 0,96 0,956. Если каждая впадина содержит лишь один проводник, тотакая обмотка называется стержневой и применяется обычно для машин, рассчитанных на большую силу тока. В машинах, рассчитанных на небольшую силу тока, применяют обычно катушечную обмотку, у которой в каждую впадину заложено несколько тонких проводников. Кроме этих двух типов обмоюк, для синхронных и асинхронных машин применяются еще так называемые американские обмотки, описание которых будет дано ниже и которые представляют собой модификацию обмоток постоянного тока (но без коллектора). Для роторов асинхронных двигателей применяют гл. обр. два типа обмоток—двухслойные обмотки и короткозамкнутые обмотки (смотрите ниже). Наконец, для роторов коллекторных двигателей применяют обычные обмотки постоянного тока или сложные обмотки, состоящие из нескольких обмоток различных типов. Трехфазные обмотки соединяются или в звезду, или в треугольник. В первом случае напряжение на зажимах машины (линейное напряжение) V== ЕЗ, где 7е—напряжение одной фазы (фазовое напряжение), а линейный ток 1=г, где —фазовый ток. Во втором случае V=E и/=г]/з. Чаще всего применяется соединение звездой, т. к. при этом достигается большее приближение к синусоиде и, кроме того, фазовое напряжение значительно (в У 3 1,73 раз) меньше линейного, благодаря чему изоляция машины упрощается и удешевляется. Часто, особенно у асинхронных двигателей, выводят все шесть обмоточных концов для того, чтобы иметь возможность соединить обмотку звездой или треугольником, в зависимости от напряжения сети (например, при V=120 в,—треугольник, при V=210 в—звезда). Та часть обмотки, которая расположена во впадине (находится между линиями 1 и 2 на рисунке 23, 30, 32), является активной частью, так как участвует в получении эдс. Та же часть, которая находится вне железа, непосредственного участия в образовании эдс не принимает и служит для соединения между собой активных проводников. Эти части обмотки называюся торцевыми, или лобовыми, соединениями-Так как в трехфазных обмотках катушки отдельных фаз частью находят друг на друга, то для возможности устройства обмотки лобовые соединения не могут располагаться в одной плоскости, а должны быть отогнуты друг от друга. Если лобовые части лежат в двух плоскостях (как показано на рисунке28), то такая обмотка называется двухэтажной. Если рисунок 28 разрезать
Рисунок 29.
Рисунок 81.
по линии А В, то можно представить себе три способа отгибания лобовых частей, показанные на рисунке 29. Если лобовые части расположены в трех плоскостях, то обмотка называется трехэтажной (рисунок 30 и 31). Иногда все
катушки получают одинаковую форму, как показано на рие. 32. Тогда лобовые соединения изгибаются по одному из способов рисунок 33. Схема двухэтажной катушечной обмотки представлена на рисунке34. Отдель-ныефазы показаны различной штриховкой. Число впадин на полюс и фазу здесь q — 2, и число полюсов 2р=4. Первая фаза
Рисунок 32.
сдвинута от второй на 2/з полюсного деления (что в двухполюсной машине соответствует 120 градусам), вторая от третьей—также на 2/з полюсного деления. Тонкими линиями показаны соединения отдельных катушек (из которых каждая может состоять из нескольких витков). Вся обмотка соединена в звезду. На рисунке 35 показана
обмотка с теми же данными, но имеющая одинаковые катушки, чем достигается выравнивание сопротивлений и индуктивностей отдельных фаз. На рисунке 36 изображена двухслойная обмотка, снова с теми же данными. Этот тип обмотки, выполняемый технически точно так же, как и обмотки постоянного тока (но без коллектора), был прежде широко распространен лишь
в Америке (отсюда и название этой обмотки „американская“), а в настоящее время завоевал себе прочное положение и в Европе благодаря целому ряду положительных качеств. При больших силах тока сечения проводников полу
чаются столь значительными, что изготовление катушечной обмотки затрудняется. В этих случаях приходится или прибегать к параллельному соединению отдельных катушек между собой, или устраивать обмотку в виде стержневой. Обмотка с параллельным соединением катушек показана на рисунке 37. Здесь 2р=4, q — 2 и в каждой фазе по 4 катушки соединены между собой параллельно. Так. обр. сечение проводника рассчитывается здесь на силу тока в 4 раза меньшую, чем весь токмашины. Стержневые обмотки, как показывает уже их название, выполняются не из тонкого провода, а из отдельных изолированных стержней, закладываемых во впадины и соединяемых по торцам припаянными или приваренными перемычками. Типичная стержневая обмотка для 2р=4, q=4 показана на рисунке 38 (для ясности здесь вычерчена лишь одна фаза). При очень больших силах тока и стержневые обмотки составляются иногда из 2 или нескольких параллельных ветвей.
Рио. 3S.
В качестве обмоток для синхронных и асинхронных машин могут применяться и обычные обмотки постоянного тока (без коллектора). Так, вапр., если взять многополюсную волновую (последовательную) обмотку и подвести трехфазный ток к трем точкам, отстоящим друг от друга на одинаковое число проводов в порядке их последовательного соединения, то мы получим трехфазную обмотку, соединенную в треугольник. Если ток подведен к двум точкам, то получается однофазная обмотка и, наконец, если подвести шестифазный ток к 6 точкам, то получится обмотка шестифазная. Обмотка постоянного тока может быть представлена в виде многоугольника (потенциальный многоугольник), стороны которого по величине и направлению изображают эдс, наводимые в смежных проводах. При встречающемся на практике большом числе проводов
Рио. 39.
многоугольник практически превратится в окружность. На рисунке 39 изображены многоугольники для обмоток однофазной, трех фазной и шестнфаз-ной. Диаметр аЬ (для однофазной обмотки), хорды ab, Ьс, са (для трех фазной обмотки) и аb, Ьс, cd, de, ef, fa (для шестифазной обмотки)—представляют собой суммарные эдс, действующие между зажимами обмотки. Как видно из чертежей, эти эдс представляют собою геометрические суммы эдс отдельных проводников. Отсюда ясно, что обмотка использована тем лучше, чем больше число фаз. Мерой этого использования, как уже указывалось выше, является обмоточный коэффициент, равный отношению суммарной эдс к алгебраической сумме эдс отдельных проводников (или равный отношению хорды к охватываемой, ей дуге), то есть величина
2sin~i от. г.
kv> — 2- к sn от
от
Так. обр. для однофазной обмотки (от- — 2) кш=0,637, для трехфазной (от=3) icw=0,836, для шестифазной (от=6) кт=0,955. Обмотки постоянного тока могут быть также разрезаны в точках присоединения. Такие разрезные обмотки гл. обр. и применяются. В этом случае отдельные фазы соединяются в звезду. Если обмотку постоянного тока разрезать в шести местах, то мы получим по два отрезка, имеющих одну и ту же фазу, и можем соединить эти отрезки так, чтобы получить трехфазную обмотку. На рисунке 40 показана диаграмма такой обмотки, соединен- е ной в звезду. Бук- Рис-40-
вы, обозначающие отдельные отрезки, оставлены, те же, что и на рисунке 39 (справа). Делается это с целью получения лучшего использования меди, т. к. обмоточный коэффициент имеет здесь такую же величину, как и для шестифазной обмотки. Практически получается экономия в меди почти на 25% Для роторов асинхронных двигателей могут применяться уже рассмоа
тренные нами обмотки: катушечные, стержневые и постоянного тока без коллектора. Однако, чаще всего здесь встречаются двухслойные стержневые обмотки с удлинением или укорочением перехода. В этом случае в каждой впадине находятся два стержня, уложенных один на д другим, подобно тому, как в обмотках постоянного тока. Число впадин ротора u=bpmq, где 2р — число полюсов, т — число фаз и q — число впадин на полюс и фазу. Отметим, что в подавляющем большинстве случаев число фаз ротора т=3. Очень редко встречаются двухфазные роторы, однофазные же не применяются совершенно, так как не позволяют получить устойчивое число оборотов. Так же, как и в обмотках постоянного тока, в данном случае два соседних соединенных между собою проводника (находящихся на расстоянии одного шага) расположены, как правило, в различных слоях, то есть, если один лежит в верхней части впадины, то другой находится в нижнем слое. Если исходить из какого-либо лежащего в верхнем слое проводника, который мы (совершенно произвольно) обозначим через 1 в, то, чтобы перейти к следующему проводнику, нужно сдвинуться вдоль окружности ротора на некоторое число впадин. Это число называется шагом обмотки. Для рассматриваемых обмоток первый частичный шаг берут равнымиполюсному делению, то есть е/1 =
что для трех фазных обмоток дает «/i=3g. Так. обр., проводник 1В должен быть соединен с проводником (3q + 1)„, где значек „н“ обозначает, что этот проводник лежит в нижнем слое. Второй частичный шаг берут равным первому, то есть У2 — У1=3q (заметим, что эти обмотки выполняются в виде волновых). Тогда проводник (3q + 1)н соединяют с [(3(е-f l) + 3q]B=(6<е + 1)в. Если обойти шагами такой величины вдоль всей окружности ротора, то мы увидим, что мы вернулись снова к проводнику 1в, то есть обмотка замкнется, несмотря на то, что еще не все проводники использованы. Поэтому при обходе ротора последний шаг делают на единицу больше или меньше, то есть берут его равным 3<2±1. В первом случае (4-) получается обмотка с удлинением, а во втором случае (-) с укорочением перехода. Рассмотрим на примере первый случай. Предположим, что 2=4; q=4; т=3; u=2pqm=4-4-3 — 48; «/1=2/2==3q=12. От проводника 1в идем к 1 + 12=13я, затем к 13 -f-12=25в и к 25 + 12=37н. Если бы следующий шаг был опять взят равным 12, то мы пришли бы к проводнику 37 + 12=49в, то есть к 1В и замкнули бы обмотку. Поэтому последний шаг берем равным 12+1=13 и переходим к проводнику 37 + 13== 50в=2в. Продолжая дальше, получим следующую таблицу:
1В 13а 25в 37н 2в
2В-14Я-26В-38Н-3В Зв-15н-27в-39н-4„ 4В-16Н-28В-40Н.
Если бы теперь мы захотели продолжить обмотку таким же образом, то мы пришли бы к проводнику 40 + 13== 53=5В, но этот проводник принадлежит уже к другой фазе, а вместе с тем мы обошли только половину проводников данной фазы. Для того, чтобы включить в обмотку и остальные провода, после q обходов (в данном случае
4) делают так называемым поворотное соединение, которое в виде исключения соединяет два нижних проводника, расстояние между которыми берется равным нормальному шагу, то есть 3q. После этого шагание идет в обратном направлении. Тогда обмотка нашего примера продолжится следующим образом:
40я - 4Н
4а — 40в — 28а — 16в — Зя Зя 39в 27я 15в 2Н
2Я-38В-26Я-14В-1Н 1Н — 37в 25н 13,
Схема этой обмотки (неполная) показана на рисунке 41, при
|
чем для нагляд- | |
| |
| |
| |
|
ности. верхние >„ | |
i i | |
:89 | |
1 1 | |
|
провода показа- | |
16 j 28 | |
40о | |
1 1 | |
|
ны сплошной ли- А | |
X у | |
| |
-----1- | |
нией, а нижние г т г — пунктиром. Так. Рнс. 41,
образ., наиболееважными пунктами обмотки являются: начало 1в, конец 13в и поворотное соединение 40н — 4П. Точно так лее выполняются и другие фазы обмотки. Из других обмоток для роторов асинхронных двигателей укажем еще на короткозамкнутые обмотки, в виде „беличьего колеса”. Здесь во впадины ротора закладывается ряд медных (иногда алюминиевых) стержней, соединяемых по торцам массивными кольцами, как показано на рисунке 42.
Для некоторых машин применяются комбинированные обмотки, представляющие собой либо совокупность двух отдельных обмоток различного типа (некоторые коллекторные двигатели), либо одну единственную обмотку, снабженную одновременно и коллектором и кольцами (Одноякорные преобразователи, некоторые коллекторные машины переменного тока).
Как уже неоднократно упоминалось, в современных машинах обмоточные проводники укладываются во впадины, выштампованные в листах, составляющих статор или ротор. Провода или стержни, из которых изготовляется обмотка, изолируются обычно путем обматывания хлопчатобумажной пряжей (в 2 — 3 слоя). Впадины бывают трех типов: открытые, закрытые и полузакрытые. Открытые впадины применяются чаще всего для машин постоянного тока (рисунок 43) и удобны тем, что допускают предварительное изготовление обмотки на шаблоне, благодаря чему изоляция становится надежнее и уменьшается стоимость изготовления. Недостатком этих впадин (особенно важным для машин переменного тока) является неравномерное распределение силовых линий в воздушном промежутке. Совершенно закрытые впадины хотя и дают вполне равномерное распределение силовых линий, зато весьма увеличивают рассеяние и затрудняют изго товление обмоток. Применяются почти исключительно для роторов в видебеличьего колеса в асинхронных двигателях. Для машин переменного тока наиболее часто применяются впадины полузакрытого типа (рисунок 44). Здесь, благодаря наличию зазора между зубцами, рассеяние будет практически таким же, как и у открытых впадин, а с другой стороны, в виду того что ширина зазора не превышает обычно 5 миллиметров, распределение силовых линий в воздушном промежутке будет почти равномерным. Что касается изолирования проводников от стенок впадины, то при небольших напряжениях впадина обычно выкладывается лишь тонким слоем особого картона (пресшпана), так как качество изоляции здесь определяется скорее механическими, чем электрическими условиями. После за-
Рисунок 43.
Рисунок 44.
кладывания обмотки она зажимается загоняемым сбоку деревянным илн фибровым клином. При более высоких напря.жениях секции обматывают дополнительно пресшпаном или льняной лентой. На дно впадины и под клин кладут преешпановые полоски. На рисунке 43 и 44 буквами Р„ Р2, Р3 обозначен пресшпан, а буквой В — льняная лента. Иначе обстоит дело с обмотками машин переменного тока высокого напряжения. Здесь изоляция впадины является наиболее ответственным местом всей конструкции и ей уделяется самое серьезное внимание. В таких машинах изоляция впадины состоит обычно из сплошной трубки, изготовленной из миканита или слюды. Проводники закладываются сбоку в трубку и затем трубка под давлением заполняется особой изолирующей массой, чтобы удалить воздух и создать более прочную, монолитную изоляцию. Так же тщательно изолируются в машинахвысокого напряжения и лобовые соединения обмоток.
Магнитная цепь Э. м. Совокупность всех частей машины, через которые проходит магнитный ноток, называется
магнитной цепью, или магнитопроводом. Для вращающихся машин различают три вида магнитопроводов: с неподвижными выступающими полюсами, рисунок 45 (машины постоянного
тока и некоторые коллекторные машины), с вращающимися выступающими полюсами рисунок 46 (обычные синхронные машины) и с неясно выраженными
полюсами, рисунок 47 (турбогенераторы, асинхронные машины и некоторыеколлекторные машины). Магяитопро-воды, показанные на рисунке 45 и 46, имеют неравномерный воздушный промежуток, который, как и магнитное сопротивление, будет здесь наименьшим под полюсами. Принципиального различия между магнитопроводами по рисунок 45 и 46 нет, лишь в первом случае полюса помещаются на статоре, а во втором—на роторе. Магнитную цепь по рисунок 45 часто называют цепью с внутренним якорем, а по рисунок 46 — с внешним якорем. На рисунке 47 магнитопровод имеет повсюду одинаковый воздушный промежуток (если не учитывать влияния впадин и зубцов), а, следовательно, и одинаковое по всей окружности магнитное сопротивление. Для того, чтобы провести магнитный поток через какую-либо часть магнитопровода машины, необходимо затратить определенную энергию, величина которой может иметь черезвычайно разнообразные значения в зависимости от материала, из которого состоит данная часть магнитной цепи, и длины пути прохождения потока. Величина потока, приходящаяся на 1 см3 поперечного сечения (то есть сечения, перпендикулярного к направлению силовых линий), носит название магнитной индукции (смотрите теоретические основы электротехники) и выражается фор-Ф
мулой В=q гаусс, где Ф — поток вмаксуеллах, a Q — поперечное сечение в сЖК Так. обр., при одной и той асе энергии мы получаем в зависимости от сорта материала различные индукции, в то время как напряженность поля от материала не зависит. Между напряженностью поля Н и магнитной индукцией В существует зависимость В— >.Н, где — магнитная проницаемость. След., В тем больше, чем выше магнитная проницаемость материала. Для воздухα= 1, и поэтому здесь В=Н. Очевидно, с точки зрения экономичности выгодно при затрате определенного количества энергии иметь возможно бол) шую индукцию, то есть возможно больший магнитный поток. Так как наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо и его модификации (чугун и сталь), то магнитопроводы Э. м. изготовляют всегда из.
> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Электроизмерительные устройства служат
