Moment elektromagnetyczny maszyny zasilanej dwustronnie powstaje w wyniku oddziaływania strumieni magnetycznych części ruchomej i nieruchomej, zatem charakter pola magnetycznego twornika musi odpowiadać charakterowi pola wzbudzającego (magneśnicy).
Warunek ten rzutuje na sposób wykonania uzwojeń twornika i połączenia ich z obwodem zewnętrznym.
Pole magnetyczne w maszynie elektrycznej prądu stałego jest nieruchome w przestrzeni i dlatego uzwojenie twornika wykonuje się jako zamknięte, połączone z obwodem zewnętrznym poprzez ruchomy zestyk komutator-szczotki. Rola tego zestyku polega na zmianie zwrotu prądów w bokach zezwojów, gdy przechodząc spod jednego pod drugi biegun, „przebiegają” one oś poprzeczną q. Przestrzenny rozkład prądów na obwodzie twornika, nazywany okładem prądu twornika, pozostaje wtedy stały (rys. 2.21). Gdy liczba par biegunów maszyny p=1, to strumienie magneśnicy i twornika są do siebie prostopadłe.
Rys. 2.21. Okład prądu twornika maszyny prądu stałego
W bezkomutatorowych maszynach prądu przemiennego pole magnetyczne jest zazwyczaj ruchome (wirujące lub wędrujące), ewentualnie - nieruchome, przemienne (o zmieniających się okresowo wartościach i zwrocie), przedstawiane analitycznie jako suma pól ruchomych, przemieszczających się w przeciwnych kierunkach (rys. 2.22).
Pole wirujące może być wytwarzane w sposób elektromechaniczny - przez wirującą magneśnicę o stałym strumieniu, albo w sposób elektryczny - przez symetryczny układ prądów, płynących w uzwojeniach fazowych maszyny, które są symetrycznie rozmieszczone w przestrzeni. W maszynie synchronicznej wirujący strumień wzbudzający jest wytwarzany elektromechanicznie, a synchronicznie z nim wirujący strumień twornika - elektrycznie.
W maszynie indukcyjnej oba wirujące synchronicznie strumienie (części ruchomej i nieruchomej) są wytwarzane elektrycznie.
Wytwarzanie wirującego pola magnetycznego w sposób elektryczny można łatwo wyjaśnić, jeśli skorzysta się z przedstawionego na rysunku 2.22b przestrzenno-czasowego modelu pola nieruchomego przemiennego. Takie pole jest wytwarzane przez każde uzwojenie zasilane jednofazowo.
Rys. 2.22. Pola magnetyczne w maszynach wirujących prądu przemiennego, przedstawione za pomocą wirujących wektorów na płaszczyźnie zespolonej: a) pole wirujące, b) pole
nieruchome przemienne jako suma dwóch pól wirujących w przeciwnych kierunkach (ωe = 2πf jest prędkością zmian kąta elektrycznego αe = pα, gdzie α jest kątem mechanicznym,
zaś p - liczbą par biegunów maszyny)
Rys. 2.23. Ułożenie geometryczne uzwojeń i wykresy przestrzenno-czasowe współbieżnych (1) i przeciwbieżnych (2) składowych strumienia magnetycznego w maszynie: a) dwufazowej,
b) trójfazowej
W stojanie maszyny z polem wirującym (indukcyjnej lub synchronicznej) jest tyle uzwojeń zasilanych jednofazowo, ile faz. Jak wspomniano wyżej, uzwojenia te są symetrycznie rozmieszczone na obwodzie i zasilane przez symetryczny układ prądów. Oznacza to, że przesunięciom przestrzenno-czasowym uzwojeń muszą odpowiadać przesunięcia czasowe prądów w uzwojeniach. Uzwojenia faz w maszynie dwufazowej powinny być przesunięte względem siebie o kąt elektryczny
2
π i fazy początkowe prądów w tych uzwojeniach powinny również różnić się o tę wartość (rys. 2.23a); w maszynie trójfazowej odpowiednie przesunięcia faz i prądów fazowych powinny wynosić
3 2π
± (rys. 2.23b). Jest to warunek
„znikania” pola przeciwbieżnego przy równych amplitudach strumieni fazowych Φm f .
Wypadkowy strumień (wirujący w kierunku dodatnim, czyli tak jak pole współbieżne) ma wtedy stałą amplitudę Φm =Φm (1) . W przypadku maszyny dwubiegunowej jest ona równa amplitudzie strumieni fazowych Φm f , a w przypadku maszyny trójfazowej wynosi ona
2
3Φm f . Pole wirujące, o stałej amplitudzie, jest nazywane polem kołowym.
Uzwojenia maszyny elektrycznej wykonuje się oraz zasila lub obciąża w taki sposób, by prądy w nich płynące wytwarzały określony rodzaj pola magnetycznego. Ma to oczywisty związek ze sposobem wykonania i łączenia ze sobą zezwojów, z których składa się każde uzwojenie. Zezwojami mogą być pojedyncze zwoje (tzw. uzwojeń prętowych). Czasem funkcje uzwojeń pełnią lite części, w których płyną prądy wirowe.
W maszynach elektrycznych o ruchu obrotowym spotyka się dwa rodzaje uzwojeń:
- uzwojenia skupione, związane z wydatnymi biegunami magnetycznymi - wykonywane podobnie do cewek elektromagnesów,
- uzwojenia rozłożone, związane z utajonymi biegunami magnetycznymi - umieszczane przy szczelinie powietrznej na stojanie lub wirniku, zwykle w żłobkach, rzadziej bezpośrednio na powierzchni rdzenia (uzwojenia bezżłobkowe).
W zasadzie, w żłobkach lub przy szczelinie na cylindrycznej powierzchni rdzenia leżą tylko części czynne każdego zezwoju (zwoju), tj. dwa jego boki, natomiast pozostałe części, łączące ze sobą te boki, leżą „na czole” rdzenia i noszą nazwę połączeń czołowych.
Przystępując do projektowania uzwojenia „żłobkowego” maszyny elektrycznej (z bokami zezwojów umieszczonymi w żłobkach) należy przyjąć układ połączeń (typ uzwojenia) oraz parametry, z których najważniejsze - to:
p - liczba par biegunów maszyny,
Ż - liczba wszystkich żłobków na obwodzie,
D - średnica rdzenia maszyny (części czynnej wirnika w szczelinie powietrznej), u - liczba boków w żłobku,
m - liczba faz maszyny prądu przemiennego lub krotność uzwojeń twornika maszyny prądu stałego.
Na podstawie p oraz Ż lub D, określa się podziałkę biegunową. Wyraża ona odległość między sąsiednimi biegunami, przy czym - zależnie od przyjętej miary tej odległości - może to być podziałka biegunowa:
- kątowa (kąt przypadający na jeden biegun)
rad p
τ[ ] =π , (2.89)
- obwodowa (długość części obwodu rdzenia maszyny wirującej, przypadająca na jeden biegun)
p D 2
τ =π , (2.90)
- żłobkowa (liczba żłobków przypadająca na jeden biegun)
p Q Ż
= 2 . (2.91) W literaturze i praktyce stosuje się zwykle symbol τ na oznaczenie podziałki biegunowej - wyrażanej zarówno w jednostkach długości, jak w żłobkach (nie ma zwyczaju dodawania indeksu dla rozróżnienia jednostki), trzeba więc zwracać uwagę na miano, tym bardziej, że przy uzwojeniach tworników maszyn prądu stałego spotyka się inne jeszcze określenie podziałki biegunowej τ, niż wyżej podane.
Podobny „kłopot” jest z nazwą .i oznaczeniem rozpiętości zezwoju, która określa liczbę żłobków, o jaką są oddalone od siebie jego początki i końce (lewe i prawe boki).
W uzwojeniach bezkomutatorowych maszyn prądu przemiennego jest to poskok uzwojenia y;
w uzwojeniach tworników maszyn prądu stałego - poskok żłobkowy yż (tu y oznacza tzw. poskok całkowity).
Rozpiętość zezwoju powinna mieć wartość bliską wartości podziałki biegunowej Q.
Jeśli rozpiętość zezwoju jest równa podziałce biegunowej Q, to zezwój i uzwojenie nazywa się średnicowym; jeśli jest mniejsza od Q, to zezwój (uzwojenie) nazywa się cięciwowym lub skróconym (rys. 2.24). Stosowanie uzwojeń skróconych pozwala eliminować niektóre z wyższych harmonicznych napięcia.
Rys. 2.24. Rozpiętość zezwoju y i podziałka biegunowa Q w maszynie dwubiegunowej (p = 1) i czterobiegunowej (p = 2): a) zezwoje średnicowe, b) zezwoje cięciwowe
Rozkład indukcji pola magnetycznego w szczelinie powietrznej wzdłuż obwodu maszyny określa się jako sinusoidalny, o okresie równym 2τ. W związku z tym, w przesuniętych względem siebie bokach zezwojów indukują się napięcia sinusoidalne o fazach początkowych, różniących się o określone, stałe wartości. Między przesunięciem geometrycznym boków zezwojów, nazywanym kątem mechanicznym α, a różnicą faz początkowych napięć w nich indukowanych, nazywaną kątem elektrycznym α e , zachodzi następujący związek:
α
αe = p , (2.92) gdzie p - liczba par biegunów maszyny.
Różnicę faz początkowych napięć indukowanych w bokach zezwojów przedstawia się za pomocą tzw. gwiazdy żłobkowej (rys. 2.25), którą wykorzystuje się do wyznaczenia wypadkowych napięć w uzwojeniach (przez dodawanie odpowiednich wektorów)
Przed przystąpieniem do projektowania bezkomutatorowego uzwojenia prądu przemien-nego oblicza się Q oraz:
- liczbę żłobków przypadającą na biegun i fazę
m Q m p
q= Ż =
2 , (2.93) - liczbę żłobków między początkami kolejnych faz
m q Q m p
Qf = Ż = 2 =2 . (2.94)
Rys. 2.25. Gwiazdy żłobkowe napięć: a) uzwojenia jednowarstwowego, b) uzwojenia dwuwarstwowego
Na rysunkach 2.26 i 2.27 pokazano schematy płaskie i wykresy napięć fazowych czterech uzwojeń trójfazowych o tych samych parametrach (Ż = 12, p = 1, u = 1), różniących się wykonaniem połączeń czołowych i grupowaniem zezwojów. Są to uzwojenia średnicowe o poskoku y = 6, liczbie żłobków na biegun i fazę q = 2, liczbie żłobków między początkami kolejnych faz Q f = 4.
Rys. 2.26. Przykłady uzwojenia trójfazowego jednowarstwowego, trzypiętrowego:
a) schemat płaski uzwojenia z grupami boków niedzielonymi, połączonymi szeregowo, b) schemat plaski uzwojenia z grupami boków dzielonymi, połączonymi równolegle,
c) wykresy wskazowe napięć do ww. układów
Uzwojenia, o schematach pokazanych na rysunkach 2.26a i 2.26b, mają połączenia czołowe ułożone w trzech piętrach, w związku z czym do ich wykonania trzeba użyć zezwojów prostokątnych o trzech różnych wymiarach. Uzwojenia, o schematach pokazanych na rysunkach 2.27a i 2.27b, składają się z jednakowych zezwojów trapezowych, których połączenia czołowe są w przestrzeni rozmieszczone jednakowo.
Rys. 2.27. Przykłady uzwojenia trójfazowego wzornikowego, o jednakowych zwojach trapezowych:
a) schemat płaski uzwojenia z grupami boków niedzielonymi, połączonymi szeregowo, b) schemat płaski uzwojenia z grupami boków dzielonymi, połączonymi równolegle,
c) wykresy wskazowe napięć do ww. układów
Przy większej od 1 liczbie par biegunów, schematy ulegają zwielokrotnieniu. Dochodzą połączenia (szeregowe lub równoległe) między grupami cewek fazowych „przypisanych”
kolejnym biegunom, podobne do połączeń równoległych na rysunkach 2.26b i 2.27b między zezwojami, o bokach należących do tych samych grup.
Uzwojenia tworników maszyn prądu stałego, nazywane komutatorowymi, są uzwojeniami zamkniętymi. Uzwojenia te wykonuje się jako dwuwarstwowe (rys. 2.25b). Jeden bok każdego zezwoju leży w warstwie górnej żłobka, drugi zaś - w warstwie dolnej (innego żłobka). Stosuje się dwa rodzaje uzwojeń: pętlicowe i faliste; jedne i drugie można wykonać jako tzw. proste lub wielokrotne (zwykle wykonuje się dwukrotne), nieskrzyżowane lub skrzyżowane.
Rys. 2.28. Schematy objaśniające zasadę budowy uzwojeń komutatorowych prostych, nieskrzyżowanych: a) pętlicowych, b) falistych
Na rysunku 2.28 objaśniono zasadę budowy uzwojeń prostych, nieskrzyżowanych:
pętlicowego i falistego. Do każdego wycinka komutatora są przyłączone: koniec (prawy bok) jednego zezwoju i początek (lewy bok) drugiego zezwoju. Te łączone ze sobą bezpośrednio zwoje - w uzwojeniach pętlicowych leżą w sąsiedztwie, natomiast w uzwojeniach falistych są przesunięte względem siebie więcej niż o rozpiętość zezwoju. W uzwojeniach wielokrotnych występują dodatkowe gałęzie równoległe, co wymaga stosowania trochę innych, niż w uzwojeniach prostych, zasad przyłączania zezwojów do wycinków komutatora.
Przed przystąpieniem do projektowania uzwojeń prostych, nieskrzyżowanych - a) pętlico-wych, b) falistych - oblicza się lub przyjmuje wartości następujących wielkości:
- liczbę wszystkich boków
u Ż
s= , (2.95a) - liczbę wszystkich zezwojów
2
S = s , (2.95b)
- liczbę wszystkich wycinków komutatora S
K = , (2.95c) - poskok szczotkowy, tj. odległość między miejscami przylegania sąsiednich szczotek
do komutatora, wyrażoną liczbą wycinków komutatora p
ysz K
= 2 , (2.96) - poskok komutatorowy, tj. rozpiętość zezwoju, wyrażoną liczbą wycinków komutatora między miejscami przyłączenia początku (lewego boku) i końca(prawego boku) zezwoju, czyli miejscami przyłączenia początków albo końców zezwojów bezpośrednio ze sobą połączonych
a) yk =1 , (2.97a) b)
p
yk = K−1 , (2.97b)
- poskok całkowity, tj. odległość między początkami (lewymi bokami) albo końcami (prawymi bokami) bezpośrednio ze sobą połączonych zezwojów, wyrażoną liczbą boków na obwodzie twornika
yk
y=2 , (2.98) - poskok żłobkowy, tj. rozpiętość zezwoju, wyrażoną liczbą żłobków na obwodzie twornika
(liczba całkowita)
p Q Ż yż
= 2
≤ , (2.99) - poskok częściowy pierwszy, tj. rozpiętość zezwoju, wyrażoną liczbą boków na obwodzie
twornika
1 =uyż +1
y , (2.100) - poskok częściowy drugi, tj. odległość między końcami (prawymi bokami) jednych zezwojów i początkami (lewymi bokami) innych zezwojów, bezpośrednio z tamtymi połączonych, wyrażoną liczbą boków na obwodzie twornika
a) y2 = y1− y , (2.101a) b) y2 = y−y1 . (2.101b) Na rysunku 2.29 pokazano schematy płaskie i wielokąty napięć uzwojeń: pętlicowego i falistego, o tych samych parametrach (Ż = 6, p = 1, u = 2). Dobrane parametry są nietypowe, zapewniają za to dobrą czytelność schematów i wykresów.
Rys. 2.29. Przykłady uzwojenia komutatorowego prostego, nieskrzyżowanego:
a) schemat płaski uzwojenia pętlicowego, b) schemat płaski uzwojenia falistego, c) wykresy wskazowe napięć do ww. układów