Машина постоянного тока

В случае синхронной испытуемой машины возбуждение должно быть от независимого источника. Ток возбуждения надлежит регулировать так, чтобы ток в цепи якоря был минимальным. Если при сильно пониженном напряжении питания наблюдается отклонение определяемой зависимости от прямолинейной, дальнейшая часть этой зависимости во внимание не принимается. При испытании крупных машин переменного тока с большими моментами инерции вращающейся части допускается заменять измерение подводимой мощности измерением энергии, израсходованной за определенный промежуток времени и измеряемой счетчиками энергии. При этом предпочтительным является определение продолжительности заданного числа оборотов счетчика. Для машин переменного тока, питаемых )Tj/от преобразователя, сумма механических потерь, потерь в стали, добавочных потерь холостого хода и дополнительных потерь определяется аналогично вышесказанному. При этом основные потери рассчитываются по току холостого хода, равному среднеквадратическому значению тока при напряжении, первая гармоническая которого равна номинальному напряжению, а R1 -- сопротивление постоянному току обмотки статора. Для определения дополнительных потерь холостого хода проводят дополнительно опыт ненагруженного двигателя при питании испытуемой машины от источника синусоидального напряжения. При этом величина синусоидального напряжения должна быть равна первой гармонической напряжения при питании от преобразователя в предыдущем опыте. Дополнительные потери холостого хода определяются как разность между мощностью, подводимой к испытуемой машине при питании от преобразователя, и мощностью, подводимой к машине при питании синусоидальным напряжением. При этом механические потери, потри в стали и добавочные потери холостого хода в обоих случаях принимаются равными по величине.

(Измененная редакция, Изм. № 2)

Метод самоторможения -- метод косвенного определения КПД, при котором испытуемая машина подвергается свободному выбегу и затормаживается потерями в ней или какой-либо нагрузкой, поддающейся достаточно точному измерению. Потери определяются отрицательным ускорением самоторможения в момент прохождения частоты вращения через номинальное значение.

Калориметрический метод -- метод косвенного определения КПД, при котором потери в испытуемой машине определяются по количеству тепла, выделяемого ими в объеме машины. Потери вычисляются как произведение расхода охлаждающей среды на ее теплоемкость и на превышение ее температуры с учетом тепла, рассеиваемого в окружающую среду, или измеряются тарированием.

Примечание к пп. 3.3.4 и 3.3.5. Метод самоторможения и калориметрический метод, как более сложные и имеющие ограниченную область применения, рассматриваются ниже более подробно.

(Измененная редакция, Изм. № 1)

ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕРЬ МЕТОДОМ САМОТОРМОЖЕНИЯ

4.1 Область применения

Методом самоторможения следует определять механические потери и сумму потерь в стали и добавочных потерь холостого хода синхронных машин и машин постоянного тока, преимущественно имеющих значительный момент инерции вращающейся части, а также сумму основных потерь в рабочей цепи и добавочных потерь при нагрузке (потери короткого замыкания) синхронных машин в тех случаях, если другие методыопределения этих потерь не могут быть применены.

4.2. 3атормаживающие потерирассчитываются по току холостого хода, равному среднеквадратическому значению тока при напряжении, первая гармоническая которого равна номинальному

напряжению, а R1 -- сопротивление постоянному току обмотки статора. Для определения дополнительных потерь холостого хода проводят дополнительно опыт ненагруженного двигателя при питании испытуемой машины от источника синусоидального напряжения. При этом величина синусоидального напряжения должна быть равна первой гармонической напряжения при питании от преобразователя в предыдущем опыте. Дополнительные потери холостого хода определяются как разность между мощностью, подводимой к испытуемой машине при питании от преобразователя, и мощностью, подводимой к машине при питании синусоидальным напряжением. При этом механические потери, потери в стали и добавочные потери холостого хода в обоих случаях принимаются равными по величине.

(Измененная редакция, Изм. № 2)

3.3.4. Метод самоторможения -- метод косвенного определения КПД, при котором испытуемая машина подвергается свободному выбегу и затормаживается потерями в ней или какой-либо нагрузкой, поддающейся достаточно точному измерению. Потери определяются отрицательным ускорением самоторможения в момент прохождения частоты вращения через номинальное значение.

3.3.5. Калориметрический метод -- метод косвенного определения КПД, при котором потери в испытуемой машине определяются по количеству тепла, выделяемого ими в объеме машины. Потери вычисляются как произведение расхода охлаждающей среды на ее теплоемкость и на превышение ее температуры с учетом тепла, рассеиваемого в окружающую среду, или измеряются тарированием.

Примечание к пп. 3.3.4 и 3.3.5. Метод самоторможения и калориметрический метод, как более сложные и имеющие ограниченную область применения, рассматриваются ниже более подробно.

(Измененная редакция, Изм. № 1)

ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕРЬ МЕТОДОМ САМОТОРМОЖЕНИЯ

4.1. Область применения

Методом самоторможения следует определять механические потери и сумму потерь в стали и добавочных потерь холостого хода синхронных машин и машин постоянного тока, преимущественно имеющих значительный момент инерции вращающейся части, а также сумму основных потерь в рабочей цепи и добавочных потерь при нагрузке (потери короткого замыкания) синхронных машин в тех случаях, если другие методы определения этих потерь не могут быть применены.

4.2. 3атормаживающие потерипроизведению частоты вращения на отрицательное ускорение самоторможения

4.3. Определение ускорения самоторможения.

Отрицательное ускорение самоторможения dn/dt может быть определено или непосредственно -- при помощи акселерометрической аппаратуры, или косвенно -- одним из следующих способов.

4.3.1. Способ хорды: измеряется промежуток времени t, в течение которого частота вращения затормаживающейся вращающейся части машины изменяется от значения (1+д)nн до значения (1--д)nн (черт. 1).

Чертеж 1

Отношение интервала 2дnн к промежутку времени t весьма близко к значению производной частоты вращения по времени при номинальном значении частоты вращения

4.3.2. Способ предельной секущей: определяется зависимость частоты вращения от времени n=f(t) в процессе самоторможения. Если это определение может быть начат от значения частоты вращения (1+д)nн, как в предыдущем случае, и закончено пр значении (1-д)nн, то следует постепенно уменьшатьзначения отклонения д и вычислять зависимости этих отношений от д на нулевое значение последнего будет представлять с достаточной степенью точности угловой коэффициент касательной к зависимости n =f(t) при n = nн, т. е. искомое значение производной dn/dt (черт. 2).

3. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

3.1 ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ МАШИНЫ

Для уменьшения магнитных потерь магнитопровод якоря МПТ малой мощности набирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 02 035 и 05 мм. Размеры якоря определяются мощностью машины частотой вращения и режимом её работы.

Для определения размеров якоря используют расчётную (электромагнитную) мощность которая зависит от ЭДС обмотки якоря.

Для двигателя постоянного тока

(1.1)

где Е, a ЭДС и ток якорной обмотки;

U напряжение, подводимое к двигателю;

Uщ падение напряжения в щётках;

Рн номинальная мощность двигателя;

н номинальный КПД двигателя;

Рм Рщ потери в якорной цепи и щётках двигателя при номинальном токе.

Потери в обмотке якоря и щётках для длительного режима можно принять равными 2/3 общих потерь двигателя:

(1.2)

где Р суммарные потери двигателя.

В этом случае расчётная мощность двигателя определяется следующим выражением:

. (1.3)

В электродвигателях повторно-кратковременного или кратковременного режимов работы потери в меди обмотки и щётках составляют в среднем около 34 общих потерь. Поэтому для определения расчётной мощности используется формула

. (1.4)

Значения КПД двигателя и генератора в зависимости от мощности и режима работы представлены в табл. 1

Таблица 1

Значения КПД машин постоянного тока

РН Вт	Режим	РН Вт	Режим
	длительный	кратковременный		длительный	кратковременный
10	38	30	200	63	52
20	45	38	300	66	56
30	50	42	400	70	58
40	53	45	500	72	60
50	55	47	600	74	62
60	57	48	700	75	63
70	58	49	800	76	64
80	59	50	900	77	65
90	60	51	1000	78	66
100	60	51

Приведённые величины КПД являются ориентировочными и слабо влияют на габариты МПТ. Более точные значения КПД получаются после полного её расчёта.

Величина тока якоря рассчитывается по следующим выражениям:

а) для двигателя последовательного возбуждения

; (1.7)

б) для двигателя параллельного возбуждения

; (1.8)

в) для генератора параллельного возбуждения

. (1.9)

Предварительное значение тока возбуждения может быть принято равным 10 20 от величины полного тока причём большее значение для машин меньшей мощности.

ЭДС обмотки якоря рассчитывается через ранее найденную расчётную мощность:

(1.10)

Машинную постоянную рассчитывают по уравнению

 (1.11)

где коэффициент полюсной дуги, = 06 07

В магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл

AS линейная нагрузка якоря, А/м.

Величины магнитной индукции и линейной нагрузки зависят от мощности и скорости вращения якоря машины. Ориентировочные значения этих величин представлены в табл. 2.

Магнитная индукция и линейная нагрузка определяют габариты машины: чем больше эти величины тем меньше её размеры. Однако при чрезмерных значениях магнитной индукции происходит сильное насыщение участков магнитопровода машины возрастает МДС обмотки возбуждения и следовательно увеличиваются размеры машины. Кроме того происходит интенсивный нагрев магнитопровода и снижение КПД машины.

Таблица 2

Магнитная индукция и линейная нагрузка для машин постоянного тока малой мощности

	Магнитная индукция Тл	Линейная нагрузка А/м
	Длительный режим	Кратковременный режим	Длительный режим	Кратковременный режим
110-3	022	0245	40 50	80
210-3	026	029	50 60	100
310-3	0275	033	60 68	115
410-3	030	034	63 73	122
510-3	031	035	68 80	130
610-3	032	036	70 82	139
710-3	033	037	71 82	143
810-3	0335	038	72 82	148
910-3	034	039	85-88	152
110-2	035	041	90	155
210-2	037	044	110	162
410-2	040	047	115	175
610-2	043	049	118	183
810-2	045	051	120	195
1010-2	046	053	121	202
1210-2	0465	054	123	207
1410-2	047	055	125	212
1610-2	047	055	125	219

При чрезмерных значениях линейной нагрузки увеличивается реактивная ЭДС коммутируемых секций что вызывает ухудшение коммутации МПТ. Помимо этого значительно возрастает поток поперечной реакции якоря вследствие чего может произойти перемагничивание полюса. Для исключения этого явления приходится увеличивать воздушный зазор машины и габариты обмотки возбуждения. Для крупных МПТ значения магнитной индукции составляют 05-10 Тл линейной нагрузки до 10000 60000 А/м.

Отношение длины якоря lo к его диаметру Da изменяется в широком диапазоне:

.

Если рассчитывается серия машин с одним и тем же диаметром то величина этого отношения может достигать 20 25. Чаще всего принимается равным 08 12.

При выборе величины необходимо учитывать что в коротких машинах уменьшается величина реактивной ЭДС и следовательно улучшаются условия коммутации. Однако исходя из экономических соображений относительную длину якоря стремятся увеличить так как стоимость коллектора и подшипников практически не зависит от длины машины а минимум меди якорной обмотки достигается при приближении к 15. Если же машина должна иметь пониженный момент инерции якоря то относительную длину приходится принимать выше указанного значения.

Выбрав величину рассчитывают диаметр якоря:

(1.12)

Тогда длина якоря

(1.13)

Полученные значения округляют до ближайшего стандартного типоразмера (прилож., табл. 1).

Окружная скорость вращения якоря

(1.14)

Окружная скорость якоря МПТ малой мощности может достигать 20 25 м/с.

Полюсное деление

(1.15)

В машинах малой мощности число полюсов принимается как правило равным двум. При мощностях Рн 200 Вт магнитную систему выгоднее выполнять четырёхполюсной. При этом уменьшается поток полюса и следовательно сечение и масса магнитопровода машины. Уменьшается также масса меди якоря из-за уменьшения длины лобовых частей якорной обмотки. В результате этого снижается расход активных материалов машины. Вместе с тем с увеличением числа полюсов возрастает трудоёмкость изготовления машины вследствие уменьшения размеров её деталей. Кроме того увеличивается напряжение между коллекторными пластинами что обусловливает необходимость увеличения числа коллекторных пластин и диаметра коллектора. Тем не менее в настоящее время наметилась тенденция к выполнению четырёхполюсных машин даже при сравнительно малых мощностях.

Расчётная полюсная дуга

(1.16)

Увеличение коэффициента расчётной полюсной дуги приводит к уменьшению габаритов машины. При этом однако уменьшается межполюсное расстояние что может привести к увеличению магнитного поля от главных полюсов в зоне коммутации и ухудшению процесса коммутации.

Частота перемагничивания стали якоря

(1.17)

Воздушный зазор МПТ малой мощности выбирается минимально возможным. Однако для того чтобы магнитное поле не изменяло знака на протяжении полюсной дуги необходимо выполнение следующего условия:

(1.18)

где Fн и Fzн МДС воздушного зазора и зубцовой зоны МПТ при номинальном токе.

Принимая ориентировочно

(1.19)

и учитывая соотношения связывающие МДС и магнитную индукцию в воздушном зазоре получим:

для электродвигателей с продолжительным режимом работы

; (1.20)

для электродвигателей с кратковременным режимом работы

; (1.21)

для генераторов

. (1.22)

3.2 ПАРАМЕТРЫ ОБМОТКИ ЯКОРЯ

В МПТ малой мощности применяются простые петлевые обмотки при 2р = 2 и простые волновые при 2р = 4. Кроме того для машин малой мощности весьма перспективно применение постоянных магнитов позволяющих уменьшить потребляемую из сети мощность за счёт отсутствия тока возбуждения повысить КПД а в ряде случаев уменьшить габариты машины.

Полезный поток одного полюса машины

 (2.1)

Число проводников обмотки якоря

(2.2)

где а число параллельных ветвей якорной обмотки машины (для машин малой мощности обычно а = 1).

10. При выборе числа пазов необходимо руководствоваться следующим. Слишком малое число пазов приводит к значительным пульсациям ЭДС машины а слишком большое число к уменьшению ширины зубцов и их насыщению. Необходимо учитывать также что увеличение числа зубцов приводит к нерациональному использованию площади паза так как при уменьшении размеров пазов площадь занимаемая изоляцией остаётся прежней. Предпочтение отдаётся нечётному числу в этом случае уменьшаются пульсации поля под полюсами вызывающие появление переменной ЭДС ухудшающей коммутацию. Однако при нечётном числе пазов становится затруднительной машинная намотка якоря. Для МПТ малой мощности число пазов якоря

Z = (3 4) Da (23)

где диметр якоря измерен в сантиметрах.

Число коллекторных пластин выбирается равным числу элементарных пазов исходя из соотношения:

K = ZЭ = uП Z (2.4)

где uП число элементарных пазов в реальном пазу, выбирается таким образом чтобы среднее напряжение между коллекторными пластинами не превышало допустимого значения:

Обычно uП = 2 3. В случае волновой обмотки при нечётном числе пазов якоря uП должно быть числом нечётным так как только при этом условии возможно выполнение симметричной обмотки с целым шагом.

Число витков в секции обмотки якоря

(2.5)

Число витков в секции должно быть целым. Поэтому рассчитанное по (2.5) значение округляется а число проводников обмотки якоря соответствующим образом корректируется. Окончательные значения uП и Wс принимаются после проверки коммутации т.к. величина реактивной ЭДС определяющей характер процесса коммутации пропорциональна числу Wс.

Для простой петлевой обмотки шаги обмотки якоря

; (2.6)

для простой волновой обмотки

если y чётное число

если y нечётное число.

После определения параметров якорной обмотки составляется таблица обхода и вычерчивается её схема.

Линейная нагрузка якоря принимается с учётом скорректированного числа проводников обмотки якоря

(2.7)

Полученная величина линейной нагрузки не должна отличаться от ранее принятой более чем на 5%. В противном случае в качестве исходного значения AS принимается найденное по (2.7) и производится повторный расчёт.

3.3 РАЗМЕРЫ ЗУБЦОВ, ПАЗОВ И ПРОВОДНИКОВ ОБМОТКИ ЯКОРЯ

В МПТ малой мощности часто используются пазы круглой овальной и трапецеидальной формы. Наиболее технологичны и просты в изготовлении пазы круглой формы. Поэтому если площадь круглого паза соответствует расчёту то при всех прочих равных условиях предпочтение отдаётся круглому пазу. Овальная и трапецеидальная формы паза увеличивают его площадь по сравнению с пазом круглой формы при том же диаметре якоря.

Площадь паза якоря зависит от количества и сечения проводников обмотки якоря. В свою очередь сечение проводника определяется величиной тока якоря и его допустимой плотностью которая зависит от режима работы машины способа охлаждения класса изоляции коэффициента теплоотдачи.

15. Интенсивность нагрева МПТ определяется удельной тепловой нагрузкой (Вт/м2) которая для продолжительного режима записывается в виде

q = M (1 + 01 V) (3.1)

где M предельно допустимое превышение температуры корпуса над температурой окружающей среды определяемое классом изоляции. Температура окружающей среды принимается при расчётах равной 400 С

коэффициент теплоотдачи поверхности якоря в неподвижной среде составляющий в среднем 14 18 Вт/(К м2) для машин закрытого исполнения без вентилятора и 36 44 Вт/(К м2) для машин защищённого исполнения с встроенным вентилятором

V окружная скорость якоря в машинах без вентилятора, V = Va.

Работа встроенного вентилятора приводит к увеличению потока охлаждающего воздуха и, следовательно, к увеличению скорости его движения V:

V = (Va2 + Vв2)1/2 (3.2)

где Vв окружная скорость лопаток вентилятора,

Vв = Dв nн / 60; (3.3)

Dв диаметр колеса центробежного вентилятора,

Dв = (125 14) Da.

Удельная тепловая нагрузка для кратковременного режима работы

 (3.4)

здесь tр время работы двигателя с

Tр постоянная времени нагрева вращающегося якоря, с

. (3.5)

. (3.6)

Для МПТ работающих в повторно-кратковременном режиме,

(3.7)

где функция (tр /Tр) определена зависимостью времени работы машины и паузы:

(tр /Tр) = 1+ exp ( а1 tр / Tр) + exp ( 2 а1 tр / Tр) +

+ exp (n 1) а1 tр / Tр (3.8)

где n число циклов работы

(3.9)

ТП постоянная времени охлаждения неподвижного якоря, с;

tП время паузы, с.

16. Выражая потери в якорной цепи машины через линейную нагрузку и плотность тока в проводниках обмотки можно получить выражение плотности тока при заданной линейной нагрузке и допустимом превышении температуры M:

а) для МПТ при 2р = 2 и n 5000 об/мин

(3.10)

при 5000 n 10000 об/мин

(3.11)

при 10000 n 15000 об/мин

(3.12)

б) для МПТ при 2р = 4 и при n 5000 об/мин

(3.13)

при 5000 n 10000 об/мин

(3.14)

при 10000 n 15000 об/мин

. (3.15)

Предварительное сечение проводников обмотки якоря

(3.16)

По полученному сечению рассчитывается диаметр провода (выбирается ближайшее его значение) марка и необходимый класс изоляции (прилож., табл. 2). Для выбранного провода определяется сечение и реальная плотность тока в якорной обмотке.

Предварительная величина площади паза якоря

(3.17)

где Nп число проводников в пазу якоря,

Nп = N / Z (3.18)

Sa.из сечение изолированного проводника якорной обмотки,

Sa.из = dиз2 / 4 (3.19)

dиз диаметр изолированного проводника обмотки якоря

Кз.п коэффициент заполнения паза предварительное значение которого принимается равным 030 046 При меньших значениях Кз.п заполнение паза будет рыхлым т.е. проводники обмотки будут подвижными. При больших значениях Кз.п выполнение обмотки становится невозможным т.е. в пазу не удаётся разместить необходимое число проводников.

Размеры паза и зубцов. Рассчитав площадь паза необходимо определить его размеры. Поскольку наиболее технологичным является круглый паз, проверяется возможность его реализации. Диаметр круглого паза

dп = (4 Sп / )0,5. (3.20)

Кроме того необходимо учесть наличие щели паза через которую производится укладка проводников обмотки. Высота щели hщ обычно не превышает 10 15 мм а её ширина bщ = (2 8)dиз причём больший размер для более тонких проводов. Приняв указанные размеры и определив число пазов и их диаметр рисуют в масштабе эскиз листа якоря (рис.1).

Если необходимое число пазов удаётся разместить на листе якоря то определяют размеры зубцов для трёх сечений.

Зубцовое деление якоря

tZ = Da / Z. (3.21)

Максимальная ширина зубца

bZ1 = tZ bщ. (3.22)

Ширина зубца в основании паза

(3.23)



Рис.1. Пазы якоря круглой формы

Ширина паза в среднем сечении

(3.24)

Минимальную ширину зубца желательно проверить по величине магнитной индукции в этом сечении исходя из того что весь поток зубцового деления проходит через зубец:

(3.25)

где Kз.с коэффициент заполнения стали. Его величина зависит от толщины листа и вида изоляции. Для современных сталей величина Kз.с=095 097 (прилож., табл. 4).

Максимальная величина магнитной индукции в зубцах МПТ малой мощности не превышает 18 Тл а ширина зубцов якоря по технологическим условиям штамповки должна быть не менее 15 мм

На практике чаще всего реализовать круглый паз необходимой площади не удаётся. Поэтому наиболее распространены пазы якоря овальной или трапецеидальной формы (рис.2) позволяющие получать значительные площади паза при небольшой его ширине. Важным достоинством пазов указанной формы является постоянная ширина зубцов якоря которая как и в предыдущем случае, должна быть не менее 15 мм.

Рис.2. Пазы якоря трапецеидальной формы

Ширина зубца может быть рассчитана исходя из допустимых значений магнитной индукции Bz по выражению (3.25).

Для определения размеров паза в крупном масштабе изображается лист якоря. При известном числе пазов окружность якоря разбивается на соответствующее число секторов по осям которых в том же масштабе изображаются зубцы якоря необходимой ширины.

Ориентировочная высота паза рассчитывается по выражению

hп = (Dа dв 2 ha), (3.26)

hп = (022 03) Dа.

Диаметр вала МПТ

dв = (018 024) Dа.

Высота спинки якоря выбирается из допустимых значений магнитной индукции на этом участке:

(3.27)

где Ва магнитная индукция в спинке якоря максимальная величина которой не должна превышать 15 Тл.

Таким образом задаваясь величинами диаметра вала спинки якоря и зная диаметр якоря можно уточнить высоту паза hП.

Максимальная и минимальная ширина овального паза может быть приближённо рассчитана по следующим выражениям:

(3.28)

(3.29)

а высота средней части паза

h12 = hп hщ 2 2. (3.30)

По рисунку паза рассчитывается его площадь которая корректируется исходя из условия размещения проводников в пазу Так для трапецеидального паза

. (3.31)

После этого можно уточнить размеры зубца якоря в частности его ширину. Увеличение ширины зубца приводит к уменьшению его магнитной индукции следовательно уменьшению потерь в стали зубцов уменьшению МДС обмотки возбуждения её веса и габаритов.

При 2р =2 средняя длина проводников обмотки якоря

la = l0 + 12 Da (3.32)

при 2р =4

la = l0 + 08 Da. (3.33)

В нагретом состоянии сопротивление обмотки якоря

. (3.34)

В этом выражении M = 57 106 (Омм)-1 электропроводность меди при температуре окружающей среды. Температурный коэффициент меди

K = 1 + 0004 ( окр) (3.35)

где рабочая температура;

окр температура окружающей среды, окр = 20 0С.

Падение напряжения в обмотке якоря

Ua = Ia Ra (3.36)

Величина Ua составляет обычно 10 20 от номинального напряжения. Меньшие значения относятся к машинам с высокими номинальными напряжениями Uан 110 В работающим в длительном режиме.

КОЛЛЕКТОР И ЩЁТОЧНЫЙ АППАРАТ

В настоящее время коллекторы машин малой мощности выполняются чаще всего с пластмассовой изоляцией. Коллекторные пластины изготовляются из твёрдотянутой меди трапецеидального сечения с впадинами в виде «ласточкина гнезда» (рис. 3).

В некоторых конструкциях коллекторные пластины изолируются друг от друга миканитовыми прокладками толщиной 06 08 мм чаще для изоляции используется та же пластмасса что и для крепления коллекторных пластин.

Более совершенными технологиями изготовления коллекторов являются малоотходные с использованием цельных заготовок из листов меди или медного порошка.

Толщина кольца коллектора выбирается с учётом износа коллектора и дальнейшей его проточки и составляет

К = (0102) DK .

Рис.3. Коллектор машины постоянного тока

Коллектор должен быть изолирован от вала машины Для этой цели также используется изолирующая пластмасса.

Щётки и прижимные пружины размещаются в трубчатых или коробчатых щёткодержателях.

Различают радиальные и реактивные щёткодержатели. В радиальных щёткодержателях щётка располагается перпендикулярно поверхности коллектора в реактивных под некоторым углом по ходу вращения коллектора обеспечивая при этом более надёжный контакт. Реактивные щёткодержатели обычно применяются в нереверсивных МПТ имеющих одно направление вращения.

Предварительный диаметр коллектора

DK = (05 09) Da.

В машинах малой мощности ширина коллекторной пластины bK принимается равной 25 мм. Толщина изоляции между коллекторными пластинами bиз = 06 08 мм.

Коллекторное деление

(4.1)

Для правильно спроектированного коллектора должно выполняться соотношение

tк = bк + bиз. (4.2)

Ширина коллекторной пластины при этом должна соответствовать ГОСТ 413475. Определив tк уточняют диаметр коллектора используя выражение (4.1).

Окружная скорость коллектора

Vк = Dк n / 60. (4.3)

В МПТ малой мощности для улучшения коммутации наиболее часто используются твёрдые медно-графитовые или электрографитированные щётки, которые меньше подвержены износу, что увеличивает надёжность работы машины.

Размеры щёток выбираются исходя из допустимой для каждого типа щёток плотности которая лежит в широких пределах: 40 200 А/см2 (наиболее часто 100 150 А/см2). Тогда выбрав тип щёток и определив допустимую для них плотность тока Jщ можно рассчитать площадь щётки:

(4.4)

С другой стороны

Sщ = ащ bщ (4.5)

где aщ осевая ширина щётки;

bщ ширина щётки по окружности коллектора ориентировочно принимается

bщ = (2 3) bк.

Выбрав стандартный размер ширины щётки bщ (ГОСТ 122322.1-77) определяют осевой размер щётки ащ удовлетворяющий необходимой площади. Осевая длина щётки также должна соответствовать указанному стандарту. После определения размеров щёток уточняют получаемую при этом плотность тока используя выражение (4.4) Величина плотности не должна превосходить допустимого значения для выбранного типа щёток.

26. Активная длина коллектора по оси вала

lк = (1,5 20) ащ.

Полная длина коллектора

lк = lк + (3 5) da

где da диаметр проводника обмотки якоря без изоляции.

Проверка коммутации. В МПТ малой мощности добавочные полюса не выполняются а щётки устанавливаются строго на линии геометрической нейтрали. Вследствие этого в коммутируемых секциях наводится реактивная ЭДС еR и ЭДС от поля реакции якоря еа которая также замедляет процесс коммутации. Наличие этих ЭДС приводит к увеличению плотности тока под сбегающим краем щёток и следовательно к повышенному искрению. Интенсивность искрения зависит от величины суммарной ЭДС в коммутируемой секции

которая не должна превосходить определённого значения.

Среднее значение реактивной ЭДС в коммутируемой секции определяется выражением

еR = 2 WС AS l0 Va . (4.6)

Удельная магнитная проводимость потоков рассеяния для пазов овальной и трапецеидальной формы определяется выражением

(4.7)

где bП1 и bП2 максимальная и минимальная ширина паза.

ЭДС от реакции якоря при установке щёток на линии геометрической нейтрали

 (4.8)

где a средняя длина магнитной силовой линии в межполюсном пространстве,

. (4.9)

Для благоприятной коммутации МПТ малой мощности необходимо чтобы величина результирующей ЭДС ер в коммутируемой секции не превышала 15 В. В случае невыполнения этого условия необходимо либо уменьшить число витков в секции либо уменьшить величину линейной нагрузки сохранив при этом габариты машины за счёт увеличения магнитной индукции в воздушном зазоре.

На процесс коммутации может оказывать влияние магнитное поле полюсов величина которого в зоне коммутации теоретически должна быть равной нулю. Однако если ширина зоны коммутации близка к расстоянию между полюсными наконечниками соседних полюсов то в зоне коммутации будет ощущаться влияние их магнитного поля. Для того чтобы исключить это влияние необходимо ограничить ширину коммутационной зоны bк до определённых размеров:

(4.10)

где bщ ширина щётки приведённая к окружности якоря,

(4.11)

tк коллекторный шаг приведённый к диаметру якоря,

. (4.12)

Для благоприятной коммутации необходимо

bк 08 ( b0). (4.13)

3.5 МАГНИТНАЯ СИСТЕМА МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Магнитопровод МПТ малой мощности изготовляется чаще всего шихтованным из электротехнической стали причём полюса выполняются заодно с ярмом статора. Значительно реже магнитопровод статора изготовляется сплошным из труб малоуглеродистой стали. Полюса машины в этом случае изготовляются отдельно также из мягкой малоуглеродистой стали. В последнее время полюса прессуются из порошковых ферромагнитных материалов. Магнитопровод якоря для уменьшения потерь во всех случаях выполняется шихтованными из малокремнистых электротехнических сталей.

Определение геометрических размеров.

Воздушный зазор:

= К (5.1)

где K коэффициент воздушного зазора (коэффициент Картера),

(5.2)

Высота сердечника полюса hпл предварительно принимается равной (024 04) Dа. Полученное значение hпл должно быть уточнено после расчёта обмотки возбуждения исходя из необходимой площади окна для размещения обмотки.

Осевая длина полюса для МПТ малой мощности обычно равна длине якоря:

lпл = l0.

Магнитная индукция в сердечнике полюсов принимается равной 12 15 Тл для машин работающих в длительном режиме и 14 16 Тл для машин с кратковременным режимом работы. Исходя из этих значений, рассчитывается сечение сердечника полюса

(5.3)

где коэффициент рассеяния магнитного потока с учетом того, что помимо основного магнитного потока по сердечнику полюса проходит поток рассеяния. Величина этого коэффициента составляет 108 112.

Рассчитав площадь сердечника полюса определяют его ширину:

(5.4)

Если полюс выполнен сплошным то коэффициент заполнения стали Kз.с = 10.

Сечение магнитопровода станины рассчитывается исходя из допустимых значений магнитной индукции Bст на этом участке которые принимаются равными 12 14 Тл для длительного режима работы машины и до 15 Тл для кратковременного режима. Магнитный поток замыкающийся через станину равен половине потока полюса, отсюда

(5.5)

Большие значения индукции рекомендуются для машин с кратковременным режимом работы.

Высота сердечника станины

(5.6)

Длина станины lст принимается равной длине якоря для машин с шихтованной станиной и lст = l0 + (3 5) мм для машин с отъёмными полюсами. Для станин из литой стали Kз.с = 10.

После расчёта указанных размеров в масштабе рисуют эскиз магнитной цепи машины по которому определяют длину отдельных участков магнитной цепи (рис. 4).

Рис. 4. Магнитная система машины постоянного тока

Расчёт МДС машины постоянного тока.

МДС воздушного зазора

. (5.7)

МДС зубцовой зоны рассчитывается исходя из предположениячто весь магнитный поток зубцового деления проходит через зубец. Если при этом использованы пазы прямоугольной формы то ширина зубцов оказывается переменной и магнитная индукция в различных сечениях различна. В этом случае расчёт МДС производится для трёх различных сечений зубца максимального среднего и минимального:

(5.8)

(5.9)

(5.10)

Рассчитав значения магнитных индукций по кривым намагничивания выбранного сорта электротехнической стали (прилож., табл. 5 13) определяют соответствующие значения напряжённостей магнитного поля .

При расчёте МДС зубцов необходимо скорректировать их ширину таким образом чтобы максимальная величина магнитной индукции не превышала 18 Тл.

МДС зубцовой зоны определяется по формуле Симпсона:

 (5.11)

Здесь принято что высота зубца равна высоте паза.

Для машин малой мощности чаще всего используются пазы овальной или трапецеидальной формы. В этом случае ширина зубца во всех сечениях одинакова и расчёт значительно упрощается так как магнитная индукция и напряжённость магнитного поля в любом сечении зубца оказываются одинаковыми:

(5.12)

AWZ = 2 HZ hп. (5.13)

МДС сердечника якоря. Уточнённое значение магнитной индукции в сердечнике якоря

(5.14)

По рассчитанному значению магнитной индукции и кривой намагничивания электротехнической стали определяется величина напряжённости магнитного поля в спинке якоря и МДС этого участка:

AWa = Ha La (5.15)

где средняя длина магнитной силовой линии

(5.16)

Величина магнитной индукции в сердечнике полюса уточняется по выражению:

(5.17)

По кривой намагничивания материала полюсов и полученному значению магнитной индукции определяется напряжённость магнитного поля и рассчитывается величина МДС полюсов машины:

AWпл = 2 Hпл hпл. (5.18)

МДС станины. Магнитная индукция в станине

(5.19)

Средняя длина магнитной силовой линии в станине

(5.20)

По рассчитанному значению магнитной индукции Вст и кривой намагничивания материала станины определяется напряжённость магнитного поля Hст и соответствующая МДС:

AWст = Hст Lст. (5.21)

Если полюса выполнены отъёмными то между станиной и сердечником полюса существует воздушный зазор ст = (0035 005) мм. В этом случае необходимо определить МДС этого зазора:

 (5.22)

Результирующая МДС машины на пару полюсов в режиме холостого хода

AWв = AW + AWz + AWa + AWпл + AWст + AWст. (5.23)

Характеристика холостого хода (х.х.х) МПТ это зависимость ЭДС обмотки якоря от МДС возбуждения (или тока возбуждения) при неизменной частоте вращения и отсутствии тока якоря.

Расчёт х.х.х производится в такой последовательности:

- задаются произвольными значениями ЭДС якорной обмотки Е;

- рассчитываются соответствующие значения магнитного потока

; (5.24)

- рассчитываются соответствующие значения магнитной индукции в воздушном зазоре с использованием выражения (2.1);

- рассчитываются значения МДС для всех участков магнитной цепи и суммарная МДС возбуждения на пару полюсов в соответствии с выражениями п.29.

Производимые расчёты сводятся в таблицу (табл. 3 по данным которой строится зависимость Е = f(AWв) х.х.х.).

МДС реакции якоря. При работе МПТ под нагрузкой по обмотке якоря протекает ток и вокруг проводников обмотки создаётся магнитное поле называемое полем якоря. Рабочие характеристики МПТ определяются результирующим магнитным полем в зазоре машины т.е. зависят и от поля якоря.

Воздействие магнитного поля якоря на основное поле машины создаваемое обмоткой возбуждения называют реакцией якоря.

Для учёта магнитного поля якоря его МДС представляют в виде суммы двух составляющих МДС поперечной и продольной реакции якоря.

Кроме того на магнитное поле машины оказывают действие коммутационные токи протекающие в секциях якоря при переключении их из одной параллельной ветви в другую. МДС коммутационных токов проявляется при замедленной или ускоренной коммутации и носит продольный характер.

Поперечная МДС при ненасыщенной машине искажает магнитное поле, не изменяя его величины. При насыщении машины МДС поперечной реакции якоря ослабляет магнитное поле.

Поскольку МПТ работают как правило с той или иной степенью насыщения можно считать что поперечная реакция якоря имеет размагничивающий характер независимо от режима работы МПТ (двигательный или генераторный).

При установке щёток строго на линии геометрической нейтрали продольная МДС якоря теоретически равна нулю. Однако в реальных машинах установить щётки на линии геометрической нейтрали не удаётся; они оказываются смещёнными по ходу вращения машины. Вследствие этого появляется незначительная продольная МДС которая как правило носит намагничивающий характер в двигателях и размагничивающий в генераторах. Процесс коммутации в МПТ без добавочных полюсов оказывается замедленным коммутационная МДС носит продольный характер т.е. намагничивает машину в режиме двигателя и размагничивает в режиме генератора. Поскольку обмотка возбуждения должна скомпенсировать поле реакции якорято МДС реакции якоря рассчитывается следующим образом:

для двигателей:

AWR = AWаq AWad АWк, (5.25)

для генераторов

AWR = AWаq + AWad +АWк (5.26)

где AWаq МДС поперечной реакции якоря;

AWad МДС продольной реакции якоря;

АWк коммутационная МДС.

Так как поперечный магнитный поток замыкается через зубцовую зону и воздушный зазор машины для определения поперечной реакции якоря используется переходная кривая намагничивания (рис. 5):

В = f (AW + AWz) / 2

которая строится по данным табл. 3. На этой кривой по оси ординат откладывается номинальная величина магнитной индукции в воздушном зазоре (точка а) и определяется соответствующая номинальная МДС (точка б). Влево и вправо от этой точки в масштабе МДС откладываются отрезки бв и бг изображающие МДС поперечной реакции якоря:

бв = бг= AS b0 / 2. (5.27)



Так как величины отрезков бв и бг пропорциональны величине расчётной полюсной дуги а ординаты пропорциональны магнитной индукции то площади криволинейных треугольников аде и аgк представляют соответственно уменьшение магнитного потока от реакции якоря под одним краем полюса и его возрастание под другим. Разница площадей этих треугольников определяет уменьшение магнитного потока машины вследствие действия поперечной реакции якоря. Для компенсации этого размагничивающего действия необходимо увеличить МДС обмотки возбуждения на определённую величину которая определяется следующим образом. Прямоугольник сдвигается вправо таким образом, чтобы площади полученных криволинейных треугольников амf и аpn стали равными. Тогда величина МДС на пару полюсов компенсирующая поперечную реакцию якоря определяется выражением

AWaq = 2 mn.

Эта величина может быть найдена и другим способом. Выражая площади криволинейных треугольников и приращений потоков по формуле Симпсона и приравнивая полученные выражения можно определить величину МДС поперечной реакции якоря:

. (5.28)

МДС продольной реакции якоря зависит от сдвига щёток с линии геометрической нейтрали и определяется выражением

AWаd = 2 b AS (5.29)

где b сдвиг щёток с линии геометрической нейтрали вследствие неточности изготовления машины, b = 015 03 мм.

Продольная коммутационная МДС возникающая при замедленной коммутации определяется величиной коммутирующего тока индуктивностью коммутируемых секций переходным сопротивлением щёток и угловой скоростью якоря. Величина коммутационной МДС при номинальном токе машины и номинальной частоте вращения может быть приближённо рассчитана по следующей формуле:

(5.30)

где bк ширина коллекторной пластины;

ASн линейная токовая нагрузка при номинальном токе якоря;

Кк коэффициент, учитывающий падение напряжения в щётках

(5.31)

Полная МДС возбуждения МПТ при нагрузке

AWНАГР = AW + AWz + AWa + AWпл + AWст + + AWR (5.32)

Для двигателей и генераторов параллельного возбуждения вначале определяется ЭДС якоря для электродвигателей

Е = U Ua Uщ (5.33)

и для генераторов

Е = U +Ua + Uщ. (5.34)

По кривой холостого хода определяется результирующая МДС AW'НАГР соответствующая найденному значению ЭДС после чего рассчитывается полная МДС с учётом реакции якоря:

AWНАГР= AWНАГР+ AWR. (5.35)

6. РАСЧЁТ ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

6.1 Электродвигатель последовательного возбуждения

Число витков обмотки возбуждения на один полюс

(6.1)

Предварительное сечение обмоточного провода для обмотки возбуждения

Sв = a / jв (6.2)

где jВ плотность тока в обмотке возбуждения выбираемая в зависимости от номинального момента Мн по данным табл. 4.

Мн = 955 Рн nн. (6.3)

Рассчитав сечение провода выбирают номинальное сечение и диаметр провода в соответствии с ГОСТом а затем уточняют реальную величину плотности тока возбуждения:

jв = a / Sв . (6.4)

Сопротивление обмотки возбуждения в нагретом состоянии

(6.5)

где lср средняя длина витка обмотки возбуждения которая определяется по эскизу расположения обмотки на сердечнике полюса.При неотъёмных полюсах машины среднюю длину витка необходимо увеличить на величину (b0 bпл) с тем чтобы была возможность надеть катушку обмотки возбуждения на сердечник полюса через полюсный наконечник.

35. Падение напряжения в обмотке возбуждения

Uв = Ia Rв . (6.6)

Величина ЭДС якоря двигателя последовательного возбуждения при нагрузке

E = UH Ua Uщ Uв. (6.7)

Таблица 4

Плотность тока в обмотке возбуждения МПТ малой мощности (106 А/м2)

Номинальный момент Мн Нм	Режим работ	Номинальный момент Мн Нм	Режим работ
	продолжительный	кратковременный		продолжительный	кратковременный
Закрытое исполнение
001	80	160	02	4,6	11,0
002	75	150	04	4,3	10,0
003	70	142	06	4,0	9,5
004	65	135	08	3,8	9,2
005	62	127	10	3,5	9,0
006	58	122	12	3,4	8,8
007	55	117	14	3,2	8,5
008	52	113	16	3,0	8,2
009	50	112	18	2,8	8,0
01	48	110	20	2,7	7,8
Защищённое исполнение с вентилятором
001	115	215	02	94	168
002	108	208	04	90	165

Подобные документы

• Расчет машины постоянного тока

  Расчет двигателя постоянного тока: главные размеры машины; параметры обмотки якоря, коллектор и щеточный аппарат; геометрия зубцовой зоны. Магнитная система машины: расчет параллельной обмотки возбуждения; потери и коэффициент полезного действия.
  
  курсовая работа [2,7 M], добавлен 06.09.2012
  

• Расчет электродвигателя постоянного тока

  Основные размеры электродвигателя постоянного тока. Расчет обмоток якоря и возбуждения. Размеры зубцов, пазов, проводов и электрические параметры якоря. Коллектор, щеткодержатели и щетки. Магнитная система и рабочие характеристики электродвигателя.
  
  курсовая работа [367,2 K], добавлен 13.10.2014
  

• Расчет машины постоянного тока

  Расчеты главных размеров двигателя. Выбор и определение параметров обмотки якоря. Проверка магнитной цепи машины, также расчет параллельной обмотки возбуждения, щеточно-коллекторного узла и добавочных полюсов. Конструкция двигателя постоянного тока.
  
  курсовая работа [852,4 K], добавлен 30.03.2011
  

• Расчет и разработка конструкции двигателя постоянного тока серии 2 ПН-200L

  Размеры, конфигурация и материал магнитной цепи машины. Выбор размеров сердечников якоря, главных и добавочных полюсов. Определение необходимого количества витков обмотки якоря, коллекторных пластин и пазов с целью разработки двигателя постоянного тока.
  
  курсовая работа [242,8 K], добавлен 16.09.2014
  

• Двигатель постоянного тока

  Конструкция двигателя постоянного тока. Сердечник главных плюсов, тип и шаг обмотки якоря. Количество витков обмотки, коллекторных пластин, пазов. Характеристика намагничивания двигателя. Масса проводов обмотки якоря и основные динамические показатели.
  
  курсовая работа [1,1 M], добавлен 21.05.2012
  

• Проектирование двигателя постоянного тока

  Расчет машины постоянного тока. Размеры и конфигурация магнитной цепи двигателя. Тип и шаги обмотки якоря. Характеристика намагничивания машины, расчет магнитного потока. Размещение обмоток главных и добавочных полюсов. Тепловой и вентиляционный расчеты.
  
  курсовая работа [790,3 K], добавлен 11.02.2015
  

• Проект расчета электрической машины постоянного тока

  Проектирование двигателя постоянного тока с мощностью 4,5 кВт, степенью защиты IP44. Выбор электромагнитных нагрузок. Расчет обмотки якоря, магнитной цепи, обмотки добавочных полюсов. Рабочие характеристики двигателя со стабилизирующей обмоткой и без нее.
  
  курсовая работа [1,5 M], добавлен 07.05.2014
  

• Двигатель постоянного тока малой мощности

  Рабочие характеристики электродвигателя. Расчет коллекторного двигателя постоянного тока малой мощности. Обмотка якоря, размеры зубцов, пазов и проводов. Магнитная система машины. Потери и коэффициент полезного действия. Индукция в станине, её значение.
  
  курсовая работа [597,6 K], добавлен 25.01.2013
  

• Проектирование электрического двигателя постоянного тока

  Выбор главных размеров и расчет параметров якоря. Магнитная система машин постоянного тока. Определение размагничивающего действия поперечной реакции якоря. Расчет системы возбуждения и определение потерь мощности. Тепловой и вентиляционный расчет.
  
  курсовая работа [538,3 K], добавлен 30.04.2012
  

• Расчет микродвигателя постоянного тока

  Основные размеры электродвигателя. Размеры зубцов, пазов, проводов и электрические параметры якоря. Тепловой расчет микродвигателя постоянного тока. Мощность потерь и коэффициент полезного действия. Поперечное сечение рассчитанного электродвигателя.
  
  курсовая работа [864,4 K], добавлен 11.03.2015
  

• Обращенная синхронная машина

  Принцип действия генератора постоянного тока. Якорные обмотки и процесс возбуждения машин постоянного тока. Обмотка с "мертвой" секцией. Пример выполнения простой петлевой и волновой обмотки. Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением.
  
  презентация [4,9 M], добавлен 09.11.2013
  

• Машины постоянного тока

  Принцип работы и устройство генератора постоянного тока. Типы обмоток якоря. Способы возбуждения генераторов постоянного тока. Обратимость машин постоянного тока. Двигатель параллельного, независимого, последовательного и смешанного возбуждения.
  
  реферат [3,6 M], добавлен 17.12.2009
  

• Расчет электрического двигателя постоянного тока

  Основные этапы проектирования электрического двигателя: расчет параметров якоря и магнитной системы машины постоянного тока, щеточно-коллекторного узла и обмотки добавочного полюса. Определение потери мощности, вентиляционных и тепловых характеристик.
  
  курсовая работа [411,3 K], добавлен 11.06.2011
  

• Машины постоянного тока

  Методика и порядок расчета магнитной цепи машины по данным постоянного тока, чертеж эскиза. Определение Н.С. возбуждения при номинальном режиме с учетом генераторного режима работы. Чертеж развернутой схемы обмотки якоря при использовании петлевой.
  
  контрольная работа [66,2 K], добавлен 03.04.2009
  

• Расчёт коллекторного двигателя постоянного тока малой мощности

  Аналитический расчет коллекторного двигателя постоянного тока с возбуждением от феррит бариевых постоянных магнитов. Определение размеров двигателя. Подбор обмотки якоря. Расчет параметров коллекторов и щетки. Потери и коэффициент полезного действия.
  
  курсовая работа [241,5 K], добавлен 31.05.2010
  

• Расчет электрической машины постоянного тока

  Определение ориентировочного значения тока в статорной обмотке асинхронного двигателя. Анализ назначения добавочных полюсов в электрической машине постоянного тока. Нахождение реактивного сопротивления фазы обмотки ротора при его неподвижном состоянии.
  
  контрольная работа [333,7 K], добавлен 10.02.2016
  

• Машины постоянного тока

  Принцип работы и устройство генераторов постоянного тока. Электродвижущая сила и электромагнитный момент генератора постоянного тока. Способы возбуждения генераторов постоянного тока. Особенности и характеристика двигателей различных видов возбуждения.
  
  реферат [3,2 M], добавлен 12.11.2009
  

• Исследование модели двигателя постоянного тока с регулятором тока

  Номинальные скорость и мощность, индуктивность обмотки якоря, номинальный момент. Электромагнитная постоянная времени. Сборка модели двигателя постоянного тока. Задание параметров электрической части двигателя, механической части момента инерции.
  
  лабораторная работа [282,5 K], добавлен 18.06.2015
  

• Исследование пусковых характеристик коллекторных электрических машин постоянного тока

  Изучение процесса пуска электрической машины постоянного тока при различных режимах работы и схемах включения обмотки возбуждения и добавочных реостатов в цепи. Исследование пусковых характеристик двигателя. Осциллограммы для схемы и электродвигателя.
  
  лабораторная работа [1,6 M], добавлен 01.12.2011
  

• Двигатели постоянного тока

  Расчет механических характеристик двигателей постоянного тока независимого и последовательного возбуждения. Ток якоря в номинальном режиме. Построения естественной и искусственной механической характеристики двигателя. Сопротивление обмоток в цепи якоря.
  
  контрольная работа [167,2 K], добавлен 29.02.2012
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам