Электрические машины

8.4. Электрические потери в обмотках и в переходном контакте щеток

Основные потери в меди обмоток равны сумме потерь в обмотках якоря, добавочных полюсов, в компенсационной обмотке и обмотке возбуждения:

Иногда при регулировании тока возбуждения машины с независимым или параллельным возбуждением с помощью реостата к потерям на возбуждение относят и потери в реостате. Тогда потери на возбуждение определяются по формуле

P_B = UJ_K, (8.21)

где U_B — напряжение источника, от которого питается обмотка возбуждения; /_в — ток обмотки возбуждения.

В некоторых случаях удобнее пользоваться не формулой (8.19),

а формулой, преобразованной из нее следующим образом.

Сопротивление обмотки можно представить в-виде

где р=1/57 Om-mmVm — удельное сопротивление меди при 15°С; w — число витков; /вит — длина витка; q —

Рис. 8.2. Возникновение коммутационных лотерь*

пазовый поток (а), диаграмма ЭДС (б), ЭДС в волокнах проводника (в)

где /Ьл выражается в Вт, если плотность тока выражается в А/мм², a Gcu — в кг.

Коммутационные потери в меди якоря. В проводниках обмотки якоря проходит переменный ток, направление которого меняется в период коммутации (рис. 8.2, а). Когда ток в проводниках паза становится равным нулю, нулю равен и пазовый поток рассеяния. Затем, при изменении направления тока, меняется направление потока, что индуцирует в элементах обмотки ЭДС. Но значения этих ЭДС зависят от потока, сцепленного с данным элементом. Как видно из рис. 8.2, а, нижние волокна (точка а) пересекаются всем потоком, а верхние (точка б)— только той частью потока, которая расположена поверх проводника. Итак, ЭДС, возникающие в этих волокнах, не равны друг другу (рис. 8.2, б), что ведет к появлению вихревого тока, замыкающегося в пределах пазовой части проводника (рис. 8.2, в).

По проводникам обмотки проходит ток параллельной ветви якоря и вихревой ток, поэтому в верхних волокнах токи складываются, а в нижних — вычитаются. Таким образом, ток вытесняется к наружным волокнам проводника, в которых и происходят коммутационные потери.

Если допустить, что потери от вихревых токов

и учесть, что ЭДС вихревых токов е_вт пропорциональна пазовому потоку и высоте проводника, а сопротивление контура вихревых токов /?вих — обратно пропорционально ему, то придем к выводу, что коммутационные потери пропорциональны высоте проводника Л_пр в третьей степени:

Этот вывод совпадает с теорией коммутационных потерь*, расчет которых сводится к подсчету коэффициента Фильда йф, учитывающего рост потерь в меди якоря из-за появления коммутационных потерь:

где ы_п —число секций в слое паза; у — щеточное перекрытие; К — число коллекторных пластин.

Коммутационные потери в быстроходных машинах и при высоких проводниках могут быть большими. Так как эти потери приблизительно пропорциональны высоте проводника в третьей степе-

* См.: Лившиц М. Электрические машины. Т. 3. М., 1936,

ни, существует критическая высота проводника, при превышении которой потери в обмотках не уменьшаются, несмотря на снижение омического сопротивления, потому что возрастают коммутационные потери.

В крупных быстроходных машинах уменьшение коммутационных потерь можно получить, разделив стержень обмотки якоря на

два параллельных провода (рис. 8.4, а). Каждый проводник изолируется отдельно, если он не изготовляется из изолированной меди. Вихревой ток замыкается в пределах каждого отдельного проводника и потери составляют примерно 35% от коммутационных потерь при неразделенном проводнике. При разделении проводника на три провода потери уменьшились бы еще более. Однако из-за усложнения технологии и увеличения стоимости обмотки разделение на три части применяется редко.

Если на задней лобовой части обмотки делаются скобы (рис. 8.4, б), т. е. обмотка делается разрезной, то вихревой ток замыкается через скобы и эффект от разделения проводника по высоте резко уменьшается.

Рис 8.3. К расчету коммутаци онных потерь i|> = /fv)

Рис. 8.4. Разделение гтержня обмотки якоря на два провода

В некоторых конструкциях встречается транспозиция проводников обмотки якоря. Если проводник делится на три части (рис 8.5), то в стержне выштамповываются две прорези, он перегибается и складывается с другой такой же заготовкой, образуя проводник. В прорези закладывается изоляция (слюда) и, таким образом, получается эффект разделения на три параллельных расположенных один над другим проводника, благодаря чему добавочные потери уменьшаются в 5 раз. Однако и такая обмотка не получила широкого распространения из-за высокой стоимости и сложности технологии.

Эффективным методом снижения добавочных потерь является вертикальная укладка проводников в пазу якоря (рис. 8.6), при которой высота проводника получается небольшой. Однако этот

метод требует перегиба стержней в лобовой части и развальцовки концов проводников для возможности введения их в шлицы коллекторных пластин. Это, конечно, существенно усложняет технологическое выполнение обмотки, однако метод вертикальной укладки в последние годы довольно широко распространен, так как при его применении не только снижаются потери, но и уменьшается общая толщина изоляции по ширине паза.

Потери в меди якоря от главного пазового поля. При сильно насыщенных зубцах якоря (B_Z>1,8 Тл) в пазах якоря возникает поперечное поле, особенно под краем полюса (рис. 8.7).

При вращении якоря проводники обмотки пересекаются этим полем и тангенциальная составляющая его вызывает в волокнах проводника разные ЭДС, что приводит к появлению в пазовой части проводника вихревых токов и потерь.

Эти потери точно определяются только для какого-то конкретного случая и при

этом трудоемкими методами. Поэтому потери от главного пазового поля находятся по эмпирическим формулам, одна из которых приводится ниже для режима холостого хода:

где F_z — МДС зубцового слоя (на один полюс); высота проводника /г_Пр, его ширина b_nv и длина якоря 1_а выражаются в сантиметрах. Под нагрузкой потери принимаются в 1,5 раза большими, чем при холостом ходе.

Рис. 8.5. Транспортированный на три части стержень обмотки

Рис. 8.6. Вертикальная укладка провода в пазу

Рис. 8.7. Картина поперечного магнитного поля в пазу якоря

Таким образом, суммарные потери в меди якоря

Определение добавочных iioiepb — довольно сложное и не всегда надежное дело. Поэтому по ГОСТу допускается без расчета принимать эти потери для машины постоянного тока, при номинальной нагрузке, при наличии компенсационной обмотки — 0,5%. без нее — 1 % от номинальной мощности.

Содержание
Предыдущий § Следующий