Характеристика намагничивания машины постоянного тока

Последовательность расчёта магнитной цепи в ДПТ. Характеристика намагничивания машины.

Задача расчета магнитной цепи заключается в определении оптимальной величины МДС, необходимой для создания заданного потока. По эскизу магнитной цепи определяется суммарная МДС, на полюс. Магнитная система машины постоянного тока представляет со­бой 2р симметричных магнитных цепей (рис.1), каждая из кото­рых состоит из семи последовательно соединенных условно одно­родных участков: воздушного зазора под главными полюсами, зубцов якоря, ярма якоря, зубцов полюсных наконечников главных полюсов (у компенсированных машин), сердечника главного полю­са, зазора между главным полюсом и станиной. Замкнутый контур магнитных линий пары полюсов является симметричным относительно оси геометрической нейтрали (рис. 1), поэтому расчет магнитной цепи машины постоянного тока достаточно производить на один полюс.

Для расчета магнитной цепи необходимо знать размеры всех участков магнитопровода, площади их сечения, магнитные потоки этих участков.

МДС воздушного зазора, А, на полюс:

Где k_δ= -коэффициент воздушного зазора, учитывает неравномерность воздушного зазора в следствии зубчатости якоря

МДС зубцов якоря при овальных пазах, А

F_z=h_z*H_z— где h_z=h_n-высота зубца м; H_z-напряженность магнитного поля зубцов,А/м-определяется по кривым намагничивания при B_z ≥1,8 ТЛ, если ≤1,8 то по таблицам.

Для паза круглой формы,рис1, индукции, Тл

В_{z min}=

Коэффициент воздушного зазора k_δ, учитывающий влияние зубчатости якоря,k_δα зубцов компенсационной обмотки на главном

Рис. 1 Магнитные системы (а—в) и магнитная цепь (г) машин постоянного тока

где l_П — длина пакета; b_В.К — ширина вентиляционного канала.

2.Расчетная ширина полюсной дуги b` _Р=b_Р при эксцентричном зазоре под главными полюсами и b’_р =b _р + 2δ при концентрическом зазоре под главными полюсами с компенсационной обмоткой.

4.Расчетная длина станины ℓ _с для машин постоянного ток мо­жет быть принята:

5. Высоту главного полюса h_г для машин постоянного тока с диаметром якоря до 0,5 м предварительно можно определить, по рис. 2 При D» 0,5 м для предварительного определения высоты полюса необходимо использовать установленные зависимости D_вн=j( D;р), приведенные на рис. определяется при известных радиальных размерах магнитной системы

7. Ширина выступа наконеч­ника главного полюса b _ГВ может быть принята равной (0,1. 0,15)b_Г.

В каждом конкретном случае путем моделирования магнитного поля в воздушном зазоре можно определить s_г.

Для построения характеристики намагничивания машины по­стоянного тока необходимо определить сумму МДС всех участков магнитной цепи при значениях магнитного потока в воздушном за­зоре Ф_δ = 0,5; 0,75; 0,9; 1,1 и 1Д5Ф_δном.

По данным строят характеристику намагничивания.

Находим точку соответствующую номин. потоку.

Кривая намагничивания необходима для расчета рабочих и пусковых характеристик МДПТ, переходная характеристика- для расчета МДС якоря от поперечного поля F_q.

Источник

Характеристика намагничивания машины

Основные положения. Учитывая, что магнитная цепь машины постоянного тока симметрична, то достаточно рассчитать МДС, приходящуюся на один полюс.

Магнитная цепь машины состоит из семи однородных участков, соединенных последовательно: воздушный зазор между якорем и наконечником главного полюса, зубцы якоря, спинка якоря, зубцы наконечника главного полюса (только у компенсированных машин), сердечник главного полюса, зазор в стыке главного полюса и станины (возникающий из-за неплотности прилегания их поверхностей), станина. При расчете МДС для каждого участка принимают, что магнитная индукция на участке распределена равномерно. Для каждого участка определяют площадь поперечного сечения, магнитную индукцию, напряженность поля, среднюю длину пути магнитного потока, МДС участка, суммарную МДС, приходящуюся на всю магнитную цепь (на один полюс).

Уточнение значения магнитного потока при номинальном режиме работы производится с учетом рассчитанных сопротивлений обмоток якорной цепи и приведенных к расчетной рабочей температуре 75 или 115°С.

Основное сопротивление магнитной цепи машины сосредоточено в воздушном зазоре между якорем и наконечником главного полюса. Сопротивление воздушного зазора увеличивается дополнительно из-за зубчатого строения якоря и наконечника главного полюса (только у компенсированных машин), бандажных канавок сердечника якоря. Это увеличение учитывается соответствующими поправочными коэффициентами; все они больше единицы. При наличии радиальных вентиляционных каналов в сердечнике якоря часть магнитного потока проходит через каналы, снижая магнитное сопротивление воздушного зазора; это уменьшение учитывается коэффициентом, который меньше единицы.

При магнитной индукции в зубцах якоря B_з2 ≤1,8 Тл принимают, что магнитный поток проходит только через зубцы, а напряженность магнитного поля H_з2 определяют соответственно по основной характеристике намагничивания (см. приложения 5, 6, 7). При В_з2>1,8 Тл часть магнитного потока, проходящего через пазы, снижает действительную магнитную индукцию в зубцах. Это снижение учитывается коэффициентом k_з, зависящим от соотношения площадей рассматриваемых поперечных сечений зубца и паза, а для определения Н_з2 пользуются кривыми (см. приложения 17, 18, 19) для разных значений .

* При наличии в сердечнике якоря радиальных вентяляционных каналов значения коэффициента , определяемые по приведенным ниже формулам, следует умножить на отношение

У зубцов трапецеидального поперечного сечения (прямоугольные открытые пазы) кривая распределения напряженности поля Н по высоте зубца близка к параболе. При расчете МДС для участка зубцов определяют напряженность поля в трех расчетных сечениях зубца – минимальном, среднем и максимальном; средние значения Н при этом рассчитывают по формуле Симпсона (10-193). Если В_з2mах≤1,8 Тл, то практически с достаточной точностью определяют Н только по одному сечению зубца, расположенному на расстоянии 1 /₃ его высоты; ошибка при этом незначительна. У зубцов равновеликого поперечного сечения (овальные полузакрытые пазы) при В_з2>1,8 Тл напряженность поля также определяют по сечению на 1 /₃ высоты зубца. Магнитную цепь рассчитывают в следующей последовательности.

Источник

Магнитная характеристика машины

Суммировав вычисленные МДС участков магнитной цепи для номинального магнитного потока , получим номинальную МДС возбуждения на пару полюсов:

(1.45)

Повторив расчёт для ряда значений :

(1.46)

можно построить магнитную характеристику (кривую намагничивания) машины (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Магнитная характеристика:

(1) – кривая намагничивания машины;

(2) – ненасыщенная характеристика

Если провести касательную к основной кривой намагничивания, то получим ненасыщенную характеристику, и можно определить коэффициент насыщения:

. (1.47)

Здесь АВ = F_δ – МДС, расходуемая на создание и проведение потока через воздушный зазор;

– сумма МДС, расходуемая на создание и проведение потока через ферромагнитные участки магнитопровода.

Проектировать машину с ненасыщенной магнитной цепью невыгодно, т.к. материалы будут недоиспользованы, но нецелесообразно и проектировать машину с очень насыщенной магнитной цепью, т.к. в этом случае МДС возбуждения велика и необходимо выполнить мощную обмотку возбуждения с большим расходом меди и с большими потерями на возбуждение. Таким образом, рабочая точка должна лежать на перегибе магнитной характеристики.

Якорные обмотки машины постоянного тока

Общие замечания

Обмотка якоря является важным элементом ЭМПТ и должна удовлетворять следующим требованиям:

1. Обмотка якоря должна быть рассчитана на заданные величины напряжения, тока нагрузки, соответствующие номинальной мощности;

2. Обмотка якоря должна обладать достаточной электрической, механической, термической прочностью;

3. Обмотка якоря должна быть экономичной по расходу обмоточного материала (медь, алюминий) и изоляционного материала;

4. Обмотка якоря должна быть технологичной, т.е. технология изготовления должна быть простой, и недорогой).

Обмотки якоря бывают следующих типов:

1) петлевые (простые, сложные);

2) волновые (простые, сложные);

Якорные обмотки выполняются преимущественно из медного провода круглого или прямоугольного сечения, и укладываются в пазы на внешней поверхности якоря. Обмотка якоря выполняется из секций (катушек).

Секции могут выполняться

· Одно – (число витков в секции W_с=1);

Секция состоит из одного или нескольких последовательно соединённых витков, и присоединена своими концами к коллекторным пластинам. В обмотке все секции имеют одинаковое число витков. На схемах обмоток для простоты секции изображаются одновитковые.

Обмотка якоря выполняется двухслойная, т.е. по высоте паза укладывается в 2 слоя, с изоляцией между слоями (рис. 1.17). По ширине паза может выполняться от 1 до 5 катушечных сторон (рис. 1.17).

Паз с – элементарный; – реальный паз. Число элементарных пазов можно определить как:

, (1.48)

где z – число реальных пазов (зубцов).

Если обмотка выполняется из N проводников, то число секций обмотки якоря:

. (1.49)

Так как каждая секция имеет 2 конца, и к каждой коллекторной пластине присоединены 2 конца секций, то общее число пластин коллектора:

(1.50)

Схема обмотки якоря выполняется по шагам.

Шаги обмотки якоря (рис. 1.18):

1. – первый частичный шаг (ширина секции);

2. – второй частичный шаг (расстояние между концом первой секции и началом следующей по схеме);

3. – результирующий шаг (расстояние между началами секций);

4. – шаг по коллектору (расстояние между коллекторными пластинами, к которым присоединены начало и конец одной секции).

Обмотка якоря может быть выполнена:

1) с полным (диаметральным) шагом: ;

2) с укороченным шагом: ;

3) с удлинённым шагом: ,

где – полюсное деление.

Простая петлевая обмотка.

Выполним развёрнутую схему простой петлевой обмотки со следующими данными:

К = S = z_э = 12; 2p =4; ; ; .

Предварительно выполним схему соединений секционных сторон, по шагам (рис. 1.19).

Рис. 1.19. Схема соединений секционных сторон

По данной схеме выполним развёрнутую схему простой петлевой обмотки, которая представлена на рис. 1.20.

Рис. 1.20. Развернутая схема простой петлевой обмотки

Щётки устанавливаются на тех коллекторных пластинах, к которым присоединены секционные стороны, лежащие вблизи геометрической нейтрали. Так как при вращении якоря некоторая часть секций оказывается замкнутой накоротко через щётки и коммутируют, и чтобы индуктируемые в данных секциях ЭДС были минимальными, и не было больших бросков тока, такие секции должны находиться на линии геометрической нейтрали.

Число щёток – ; в данном случае ; ширина щётки – в_щ>в_к.п. где в_к.п. – ширина коллекторной пластины.

Мысленно совершим обход цепи обмотки слева направо (проходим против направления е_а) от первой щётки проходим, секции 1, 2, 3 и приходим к щётке 2. Эти 3 секции составляют одну параллельную ветвь, ЭДС которой равна сумме ЭДС этих секций.

Затем от второй щётки через секции 4, 5, 6 движемся по направлению е_а, секция 6, оказывается, замкнута накоротко через щётки и коммутирует.

Таким образом, простая петлевая обмотка имеет 2а = 2р параллельных ветвей, в данном случае, . В каждой ветви в данном случае 3 секции.

Чтобы обмотка работала нормально, каждая параллельная ветвь должна состоять из одинакового числа секций, и ЭДС всех параллельных ветвей должны быть равны, все секции должны быть одинаково загружены током, и все параллельные ветви должны находиться в одинаковых магнитных условиях, т.е. потоки полюсов должны быть равны. В противном случае в якорной обмотке возникают уравнительные токи, нарушающие работу обмотки якоря и ЭМ в целом.

Обмотка, в которой выполняются все указанные условия, называется симметричной.

Итак, условия симметрии обмотки якоря ЭМПТ:

1. – целое число, т.е. каждая параллельная ветвь должна состоять из одинакового числа секций;

2. – целое число;

3. – целое число, т.е. каждая параллельная ветвь должна находиться в одинаковых магнитных условиях.

Здесь – число секций; – число зубцов (пазов).

Уравнительные соединения

Характерные признаки простых петлевых обмоток:

1. .

2. .

3. Применяются уравнители I рода.

В простой петлевой обмотке, если не выполняются условия симметрии обмотки якоря, и даже если выполняются все условия симметрии, могут возникать уравнительные токи.

Причиной их возникновения в последнем случае может быть магнитная несимметрия ЭМ, которая может быть вызвана различными факторами производственного и технологического характера, в частности:

· Неоднородность материала сердечника;

· Наличие воздушных раковин в литой станине;

Покажем, что происходит в случае прогиба вала (рис. 1.21).

В результате прогиба вала зазор под нижними полюсами уменьшился по сравнению с воздушным зазором под верхними полюсами , следовательно, поток нижней пары полюсов увеличивается по сравнению с потоком, созданным верхней парой полюсов:

, (1.51)

где – магнитное сопротивление потоку нижней и верхней пары полюсов; – МДС возбуждения.

Следовательно, ЭДС, индуцируемая в нижних секциях обмотки якоря больше, чем ЭДС, индуцируемая в верхних секциях обмотки якоря, т.к. е

dФ. Разница ЭДС нижних и верхних секций вызывает уравнительный ток, протекающий по обмотке якоря от нижних секций к верхним.

Уже при холостом ходе в обмотке якоря будут циркулировать уравнительные токи, которые замыкаются через щётки одинаковой полярности с соединительные провода между ними, а так как внутреннее сопротивление обмотки якоря мало, то уравнительные токи могут быть значительными уже при небольшой разности потоков полюсов.

При работе машины уравнительный ток достигает

. (1.52)

При работе машины уравнительные токи складываются с токами нагрузки, в результате чего пара щёток перегружается, возникает искрение, и правильная работа щёточного контакта нарушается.

Чтобы не пропустить уравнительные токи через щётки во внешнюю цепь и дать им возможность замыкаться внутри машины, ставят уравнительные соединения, или уравнители I рода. Это медные проводники малого сопротивления, соединяющие точки обмотки якоря теоретически равного потенциала.

Уравнительный ток, замыкающийся по обмотке якоря и по уравнителю, создаёт магнитный поток, который стремится сгладить магнитную несимметрию, т.е. в данном случае будет ослаблять поток нижней пары полюсов, и усиливать поток верхней пары полюсов.

Сечение уравнителя выбирается равным:

, (1.53)

где – сечение обмотки якоря.

Обычно устанавливается полное число уравнителей I рода:

, (1.54)

где , – число коллекторных пластин и пар полюсов соответственно.

Уравнители устанавливаются с шагом:

. (1.55)

Этот шаг называют ещё потенциальным шагом , т.к. он равен расстоянию между точками теоретически равного потенциала обмотки якоря.

Уравнители I рода могут выполняться:

· На стороне коллектора, т.е. соединяют коллекторные пластины теоретически равного потенциала;

· Или на противоположной от коллектора стороне, т.е. соединяют равнопотенциальные точки лобовых частей обмотки якоря.

Простые волновые обмотки

Характерные признаки простых волновых обмоток:

1. ;

2. ;

3. не требуется применение уравнителей I рода.

Принцип выполнения простой волновой обмотки рассмотрим на примере ЭМПТ, (рис. 1.22).

При одном обходе якоря (рис. 1.22) сделано р – шагов по коллектору (в данном случае – 4 шага), и оказались пройденными все коллекторные пластины, кроме одной (справа или слева от начальной), тогда

(1.56)

Тогда шаг обмотки, равный шагу по коллектору:

– целое число, (1.57)

при этом знак «–» соответствует неперекрещивающейся обмотке;

Простая волновая обмотка называется последовательной, т.к. она независимо от числа пар полюсов образует 2 параллельные ветви (рис. 1.23):

(1.58)

Необходимое число щёток простой волновой обмотки:

(1.59)

Поскольку каждая из ветвей простой волновой обмотки проходит под всеми полюсами, то неравенство потоков полюсов (магнитная несимметрия, вызванная различными факторами) не вызывает неравенства ЭДС, и не появляются уравнительные токи, и поэтому не требуется применение уравнителей I рода.

1.5.5. Развёрнутая схема простой волновой обмотки (пример)

Выполним развёрнутую схему простой волновой обмотки со следующими данными:

;

.

Рассчитаем шаги обмотки:

, где – число, дополняющее отношение до целого числа;

.

Предварительно выполним схему соединений секционных сторон, по шагам (рис. 1.24).

По данной схеме выполним развёрнутую схему простой петлевой обмотки, которая представлена на рис. 1.25.

Рис. 1.25. Развернутая схема простой волновой обмотки

На рис. 1.25 выделены две начальные секции.

Установлено полное число щёток:

. (1.60)

Данная обмотка имеет 2 параллельные ветви, каждая состоит из 5 секций.

Сложные обмотки

Сложная петлевая обмотка

Сложная петлевая обмотка – это обмотка, состоящая из m простых петлевых обмоток, расположенных на одном якоре и соединённых параллельно с помощью щёток. Здесь m – число ходов обмотки.

Выполняются обмотки с:

– двухходовая обмотка

– трехходовая обмотка (1.61)

Характерные признаки сложной петлевой обмотки:

1. ;

2. ;

3. применяются уравнители I, II рода.

Для обеспечения равномерного распределения токов между простыми обмотками, входящими в состав сложной, применяются уравнители II рода. Уравнители II рода соединяют точки теоретически равного потенциала простых обмоток, входящих в состав сложных. Применение уравнителей II рода, при , показано на рис. 1.26.

Рис. 1.26. Уравнители II рода

В сложных обмотках ширина щётки:

, (1.62)

где – ширина коллекторной пластины.

Сложные петлевые обмотки могут быть двукратнозамкнутые и однократнозамкнутые (рис. 1.27). Однократнозамкнутые обмотки– в том случае, если K – нечётное, и тогда последняя секция одной обмотки соединяется с начальной секцией второй обмотки. В двукратнозамкнутых обмотках на якоре располагается 2 независимые обмотки, которые соединяются только щётками.

Сложная волновая обмотка

Сложная волновая обмотка – это обмотка, состоящая из m простых волновых обмоток, расположенных на одном якоре и соединённых параллельно с помощью щёток.

Выполняются обмотки с:

– двухходовая обмотка

– трехходовая обмотка (1.63)

Характерные признаки сложной волновой обмотки:

1. ;

2. ;

3. применяются уравнители II рода.

Комбинированные («лягушачьи») обмотки

Комбинированные обмотки представляют собой совокупность простой петлевой и сложной волновой обмоток, которые расположены в общих пазах, присоединены к общему коллектору и работают параллельно. Так как каждая из обмоток двухслойная, то в пазу располагается 4 обмоточных слоя. Каждая из обмоток рассчитывается на , и ЭДС двух обмоток равны. Каждая из обмоток рассчитывается на половину мощности машины.

Секции сложной волновой обмотки играют роль уравнителей I рода для простой петлевой обмотки, а секции простой петлевой обмотки играют роль уравнителей II рода для сложной волновой обмотки. Поэтому не требуется применять никакие уравнительные соединения.

При выборе типа обмотки якоря определяющим является ток параллельной ветви обмотки, который для ЭМПТ средней мощности:

. (1.64)

Источник