Размещение обмоток главных и добавочных полюсов

Проверка возможности размещения обмоток главных и добавочных полюсов в междуполюсном окне состоит в расчете размеров катушек по ширине и высоте, а затем в вычерчивании (в масштабе) эскиза междуполюсного окна. При определении размеров катушек следует учитывать, что при намотке и пропитке катушки разбухают. Это разбухание учитывается соответствующими коэффициентами, принимаемыми одинаковыми по ширине и высоте катушек и равными для изолированных проводников в среднем 1,05, а по высоте катушек из неизолированных проводников, намотанных на ребро,— 1,03.

Катушки выполняют либо в виде ровных параллелепипедов, либо ступенчатой формы, которая дает возможность лучше использовать междуполюсное окно. В многослойных катушках из изолированных проводов производят раскладку витков, определяя их количество по ширине N_ш и по высоте N_в. При проводах круглого поперечного сечения ширина и высота катушки на рассматриваемом участке (мм)

; (10-233)

. (10-234)

При изолированных проводах прямоугольного поперечного сечения раскладку витков производят, исходя из намотки проводов большей стороной по высоте полюса. Соответственно ширина и высота катушки (мм)

; (10-235)

. (10-236)

Высота однослойной катушки, намотанной на ребро из неизолированных проводников (мм),

. (10-237)

Здесь — меньший размер проводника, мм; = 0,3 мм — толщина изоляционной прокладки между витками; = 2 мм — толщина усиленной изоляции крайних витков катушки.

Размещение катушек должно быть таким, чтобы расстояние между катушками главных и добавочных полюсов ни в одном месте не было менее 6 мм у машин с высотами оси вращения h≤200 мм и менее 8 мм у машин с h>200 мм. Между станиной и катушками при отсутствии изоляционных прокладок также должны быть предусмотрены указанные расстояния.

Если в результате прочерчивания эскиза междуполюсного окна размещение рассчитанных обмоток окажется невозможным, следует увеличить внутренний диаметр станины с соответствующим ее удлинением, чтобы площадь поперечного сечения станины сохранялась.

Эскиз расположения катушек в междуполюсном окне приведен на рис. 10-31, (для двигателя №1) и на рис. 10-31, (для двигателя № 2).

Рис. 10-31. Эскиз расположения катушек в межполюсном окне

двигателя №1 ( ) и двигателя №2 (б).

Примеры расчета машин

Размещение обмоток главных и добавочных полюсов

Щетки и коллектор

Марки щеток выбирают при проектировании машин, однако при настройке коммутации изготовленной машины марка щеток может быть изменена. Из марок щеток, предусмотренных ГОСТ 2332 распространены графитные щетки 611М (при ≤ 3 В) и электрографитированные—ЭГ4, ЭГ14, ЭГ74 (при >3 В). Для закрытых машин с кремнийорганической изоляцией класса нагревостойкости Н применяют электрографитированные щетки со специальной пропиткой ЭГ74К.

Размеры щеток оговорены в ГОСТ 12232.1. При выборе ширины щетки следует учитывать, что увеличение ограничивается возрастанием при этом ширины зоны коммутации ; критерием к выбору является отношение ширины зоны коммутации к расстоянию между соседними наконечниками главных полюсов :

, (10-238)

где ширина зоны коммутации (мм)

. (10-239)

Здесь укорочение (подставляемое всегда со знаком плюс)

. (10-240)

При большом значении может возникнуть воздействие поля главных полюсов на коммутирующие секции, ухудшающее коммутацию. Наибольшие допустимые значения =0,6¸0,75 (большие значения – для меньших диаметров якоря).

При выборе ширины щетки следует учитывать целесообразное, по условиям улучшения коммутации, число перекрытых щеткой коллекторных делений

. (10-241)

При простой волновой обмотке якоря рекомендуемое значение =2¸4; при простой петлевой — ≤(N_ш+0,5); при двухходовой петлевой — >3.

Отношение длины щетки к ее ширине не должно быть более двух, а длина щетки — более 40 мм. Рекомендуемые значения и в зависимости от диаметра якоря приведены ниже:

Dн2, мм.	70–100	свыше 100–200	свыше 200–400	свыше 400
Стандартная ширина щетки , мм				12,5
Стандартная длина щетки , мм	10; 12,5;	12,5; 16;	12,5; 16;	16; 20;	25; 32;	25; 32;	25; 32;	32;	32;

Щетки шириной 25 и 32 мм для улучшения их контакта с коллектором при толчках и вибрациях следует подразделять на две (2 12,5 или 2 16 мм).

Выбрав размеры щеток, и проверив удовлетворение условиям, относящимся к (10-238) и (10-241), дальнейший расчет производят в такой последовательности.

Контактная площадь одной щетки (мм2)		(10-242)
Необходимая контактная площадь всех щеток (мм2)		(10-243)
Количество щеток на одном бракете		(10-244)
Уточненное (округленное) количество щеток на одном бракете
Уточненная контактная площадь всех щеток (мм2)		(10-245)
Уточненная плотность тока под щетками (А/см2)		(10-246)
Активная длина коллектора (мм)		(10-247)
Окружная скорость коллектора при номинальной частоте вращения (м/с)		(10-248)

С учетом возможной перегрузки машины плотность тока J'_щ в (10-243) для номинального режима работы принимают равной 8 А/см²; для надежности работы узла коллектор – щетки число щеток на бракете не должно быть менее двух.

Примеры расчета машин

Щетки и коллектор

Последователь-ность расчета	Условные обозначения	Источник	Двигатель № 1	Двигатель № 2
	, мм	§10-11
	, мм	§10-11	12,5
		(10-241)	10/4,51=2,2	16/6,34=2,5
		(10-240)	87/4–21=0,75	99/4–24=0,75
	bз.к, мм	(10-239)	(10/4,51+3–0,5+0,75)4,51×160/125=31,5	(16/6,34+3-0,5+0,75) 6,34×290/200=53
	kз.к	(10-238)	31,5/(125,6–78)=0,66	53/(227,6–149)=0,67
	Sщ, мм2	(10-242)	10×12,5=125	16×25=400
	S'щS, мм2	(10-243)	2×29,8×102/8=745	2×372,9×102/8=9322
	N'щ.б	(10-244)	745/(4×125)=1,49	9322/(4×400)=5,83
	Nщ.б	§10-11
	SщS, мм2	(10-245)	4×2×125=1000	4×6×400=9600
	Jщ, А/см²	(10-246)	2×29,8×102/1000=5,96	2×372,9×102/9600=7,77
	к, мм	(10-247)	2(12,5+8)+10=51	6(25+8)+10=208
	, м/с	(10-248)	p×125×1500/60000=9,8	p×200×1000/60000=10,47

Коммутационные параметры

Одним из важных показателей условий коммутации машин является реактивная ЭДС коммутирующих секций (В)

. (10-249)

Для двигателей с частотой вращения, регулируемой вверх от номинальной, в (10-249) подставляют окружную скорость якоря (м/с)

. (10-19а)

При проектировании машин следует стремиться к тому, чтобы значение при максимальной частоте вращения, достигаемой у двигателей ослаблением поля главных полюсов, не выходило за следующие пределы:

А, мм	80–200	225–315	225–500
Род обмотки	петлевая (2р=2) волновая (2р=4) c wc2>1	волновая	петлевая или лягушечья
, В	2,5–3,5	4–5	8–12

Большие значения относятся к машинам с окружной скоростью якоря <25¸30 м/с.

На условия коммутации машин кроме величины Е_p влияют также и другие факторы: отклонение в параметрах машин, вы­званные производственно-технологическими причинами, например несимметричное расположение полюсов по окружности станины и щеткодержателей на траверсе; неточность расчета, появляющая­ся из-за определенных допущений.

От влияния перечисленных факторов при испытании машины может возникнуть искрение, превышающее пределы, оговорен­ные ГОСТ 183 или соответствующими техническими условия­ми. При настройке коммутации таких машин используют измене­ние зазора между якорем и добавочным полюсом, марки и шири­ны щетки, а также, в особо неблагоприятных случаях, размеров наконечников добавочных полюсов. Для возможности изменения зазора размещают между сердечниками добавочных полюсов и станиной несколько стальных прокладок с общей их высотой, рав­ной около 50% расчетного зазора .

Обеспечение соответствия между Е_р и ЭДС Е_к при изменении нагрузки осуществляется последовательным соединением обмоток якоря и добавочных полюсов.

При проектировании машин для облегчения условий коммута­ции применяют: ненасыщенную магнитную цепь для потока доба­вочных полюсов, в первую очередь на участке сердечников добавочных полюсов, в которых магнитная индукция B_д не должна быть более 1,6 Тл, а также на участках станины и спинки якоря, в которых суммируются магнитные потоки главных и добавочных полюсов; расчетная магнитная индукция на участке станины при суммировании потоков — B"_c1 не должна быть более 1,6 Тл, а на участке спинки якоря В"_с2— более 1,7 Тл; ширину полюсного наконечника b_н.д (с учетом «распушения» магнитного поля) примерно равной b_з.к—(1,5¸3) ; коэффициент k_з.к не выходящий за пределы, указанные в § 10-11.

Улучшению условий коммутации машин содействует уменьшение проводимости рассеяния паза путем допустимого снижения высоты и увеличения ширины паза якоря, а также уменьшение w_c2 в машинах со всыпной обмоткой путем допустимого увеличения количества коллекторных пластин.

Проводимость рассеяния овального полузакрытого паза (см. рис. 10-20)

(10-250)

прямоугольного открытого паза (см. рис. 10-23)

(10-251)

Приведенные формулы приближенные, так как они не учитывают влияния укорочения шага обмотки, перекрытия щеткой коллекторных делений, материала бандажей лобовых частей обмотки. Для больших машин (h>355 мм), если они работают при напряженных условиях коммутации, может быть применена уточненная, но более сложная методика расчета E_p и d_д, в которой находят свое отражение неучтенные факторы.

При расчете МДС воздушного зазора между якорем и добавочным полюсом следует иметь в виду, что магнитное сопротивление зазора изменяется из-за зубчатого строения сердечника якоря, наличия бандажных канавок на сердечнике якоря и радиальных каналов. Это изменение учитывается соответствующими поправочными коэффициентами k_dд2, k_б.д и k_к.д, рассчитываемыми по (10-166) – (10-168) с подстановкой в эти уравнения вместо d предварительного значения из рис. 10-16. Если зазор , уточненный в (10-254), будет отличаться от предварительно принятого значения более чем на 5%, то повторяют расчет k_dд с новым значением . Коэффициент магнитного рассеяния добавочных полюсов s_д может быть принят равным 2 при 2р_д=1; 3¸3,5 при 2р_д=2р и отсутствии компенсационной обмотки; 2 – у машины с компенсационной обмоткой. Дальнейший расчет коммутационных параметров производят в такой последовательности.

Среднее значение магнитной индукции в зазоре под добавочным полюсом (Тл)		(10-252)
Коэффициент, учитывающий увеличе- ние магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения якоря	kdд2 – по (10-166)
То же, бандажных канавок сердечника якоря	kб.д – по (10-167)
Коэффициент, учитывающий уменьше- ние магнитного сопротивления воздущного зазора при наличии радиальных каналов в сердечнике якоря	kк.д – по (10-168)
Общий коэффициент воздушного зазора		(10-253)
Необходимый зазор под добавочным полюсом (мм)		(10-254)
Магнитный поток в зазоре под добавочным полюсом при номинальной нагрузке (Вб)		(10-255)
То же, при перегрузке		(10-255a)
Магнитный поток в сердечнике добавочного полюса при номинальной нагрузке (Вб)		(10-256)
То же, при перегрузке		(10-257)
Площадь поперечного сечения сердечника добавочного полюса (мм2)		(10-258)
Магнитная индукция в сердечнике добавочного полюса при перегрузке (Тл)		(10-259)
Расчетная магнитная индукция на участках станины, в которых суммируются магнитные потоки главных и добавочных полюсов (Тл)		(10-260)
Расчетная магнитная индукция на участках спинки якоря, в которых суммируются магнитные потоки главных и добавочных полюсов (Тл)		(10-261)

Примеры расчета машин

Коммутационные параметры

Последователь-ность расчета	Условные обозначения	Источник	Двигатель № 1	Двигатель № 2
	lп2	(10-250)		¾
	lп2	(10-251)	¾
	v2 max, м/с	(10-19а)	p×160×3000/60000=25,1	p×290×2000/60000=30,4
	Ер, В	(10-249)	2×3×155×154,8×25,1×5,34×10-7=1,9	2×1×300×405,4×30,4×3,47×10-7=2,6
	Bdд, Тл	(10-252)	5,34×154,8×10-4=0,08	3,47×405,4×10-4=0,14
	kdд2	(10-166)
	kб.д	(10-167)	¾
	kdд	(10-253)	1,02	1,14×1,08=1,23
	dд, мм	(10-254)
	kdд2	(10-166)
	kб.д	(10-167)	¾
	kdд	(10-253)	1,02	1,12×1,06=1,19
	dд, мм	(10-254)
	dд, Вб	(10-255)	31,5×155×0,08×10-6=0,39×10-3	48×300×0,14×10-6=2,2×10-3
275а	dд, Вб	(10-255а)	1,5×0,39×10-3=0,585×10-3	1,5×2,2×10-3=3,3×10-3
	д, Вб	(10-256)	3×0,39×10-3=1,17×10-3	3×2,2×10-3=6,6×10-3
	'д, Вб	(10-257)	1,5×1,17×10-3=1,75×10-3	1,5×6,6×10-3=9,9×10-3
	Sд, мм2	(10-258)	19×145×0,98=2700	35×300×0,98=10290
	Bд, Тл	(10-259)
	B''с1, Тл	(10-260)
	B''с1, Тл	§10-12	1,6	1,6
	B''с2, Тл	(10-261)
	B''с2, Тл	§10-12	1,7	1,7

Номинальный режим

Уточним основные параметры машин, относящиеся к номинальному режиму работы: у двигателей – КПД, ток, магнитный поток, необходимая МДС параллельной или независимой обмотки возбуждения, а у генераторов — КПД. Уточнение значения КПД (предварительно принятого в § 10-3) начинают с расчета потерь с учетом гл. 4.

В машинах постоянного тока различают следующие основные потери: электрические в обмотке якоря, компенсационной обмотке, обмотке добавочных полюсов, в цепи возбуждения главных полюсов, в переходных контактах щеток; магнитные потери в сердечнике якоря; механические потери на трение щеток о коллектор, на трение подшипников и якоря о воздух, на вентиляцию. Кроме того, в машине возникают добавочные потери.

Электрические потери в обмотках якорной цепи определяют с учетом приведения сопротивления к стандартной рабочей температуре.

Потери в обмотке возбуждения главных полюсов генератора определяют при , т. е. при самых неблагоприятных условиях, когда используется весь запас МДС обмотки. Аналогично определение тока двигателя производят с учетом .

Магнитные потери в стали при стационарном режиме возникают только (см. § 4-1) в сердечнике (в зубцах и в спинке) якоря, который при вращении подвергается перемагничиванию. В полюсах и в станине направление и величина магнитного потока сохраняются, следовательно, магнитных потерь в них не возникает (за исключением небольших потерь в полюсных наконечниках, относимых к категории добавочных потерь).

Уравнение (10-268) для определения потерь на трение о коллектор соответствует удельному нажатию на щетку 2×10⁴ Па и коэффициенту трения, равному 0,25.

Определение расчетным путем КПД генераторов не представляет затруднений, поскольку известна полезная мощность. При определении КПД двигателей, особенно меньших мощностей, возникает необходимость дополнительных расчетов с последовательным приближением к действительной величине КПД, так как предварительно принятый ток может не соответствовать заданной полезной мощности.

При номинальном режиме работы КПД и другие технические показатели определяют в такой последовательности.

Масса стали зубцов якоря с овальными полузакрытыми пазами (кг)		(10-262)
То же, с прямоугольными открытыми пазами		(10-263)
Магнитные потери в зубцах (Вт)		(10-264)
Масса стали спинки якоря (кг)	(10-265)
Магнитные потери в спинке якоря (ВТ)		(10-266)
Суммарные магнитные потери в стали (Вт)		(10-267)
Потери на трение щеток о коллектор (Вт)		(10-268)
Потери на трение подшипников, трение о воздух и на вентиляцию машин со степенью защиты IP22 и способом охлаждения IC01 (Вт)		(10-269)
То же, для IP22 или IP44, IС17 или IC37 Рт.п+Рвен=3,85D4н2(n/1500)2×10-9 (10-270)		(10-270)
То же, для IP44, IC0141		(10-271)
То же, для IP44, IC0041		(10-272)
Суммарные механические потери (Вт)		(10-273)
Двигатель
Добавочные потери у некомпенсированного двигателя (Вт)		(10-274)
То же, у компенсированного двигателя		(10-275)
Электромагнитная мощность двигателя (Вт)		(10-276)
ЭДС якоря двигателя (В)		(10-277)
Ток якоря двигателя (А)		(10-278)
Уточненный ток двигателя (А)		(10-279)
Подводимая мощность двигателя (Вт)		(10-280)
Суммарные потери в двигателе (Вт)		(10-281)
Уточненный КПД двигателя (о. е.)	- по (4-2)
Магнитный поток двигателя (Вб)	—по (10-162)
МДС магнитной цепи двигателя (A)	– по характеристике намагничивания машины (10-282)
Размагничивающее действие МДС якоря двигателя (А)	p2 — по (10-221) и рис. 10-29
МДС последовательной стабилизирующей обмотки двигателя (А)	noc — по (10-153)
Необходимая МДС параллельной или независимой обмотки главных полюсов двигателя (А)		(10-283)
Момент вращения на валу двигателя (Н∙м)		(10-284)
Генератор
Электрические потери в обмотках якорной цепи генератора (Вт)		(10-285)
То же, в обмотке возбуждения генератора		(10-286)
То же, в контактах щеток генератора		(10-287)
Добавочные потери у некомпенсированного генератора (Вт)		(10-288)
То же, у компенсированного генератора		(10-289)
Подводимая мощность генератора (Вт)		(10-290)
Уточненный КПД генератора (о. е)	по (4-2)

Примеры расчета машин

Номинальный режим

Последователь-ность расчета	Условные обозначения	Источник	Двигатель № 1	Двигатель № 2
	mз2, кг	(10-262)		¾
	mз2, кг	(10-263)	¾	7,8×33×12,85×34×285×10-6=32,05
	Рз2, Вт	(10-264)	2,3×2,5(50/50)1,5×1,722×4,6=78	2,3×1,75(33,3/50)1,4×1,58²×32,05=180
	mс2, кг	(10-265)
	Рс2, Вт	(10-266)	2,3×2,5(50/50)1,5×0,88²×8,7=39	2,3×1,75(33,3/50)1,4×1,012×60=139
	РсS, Вт	(10-267)	78+39=117	180+139=319
	Рт.щ, Вт	(10-268)	5×1000×9,8×10-3=49	5×9600×10,47×10-3=503
	Рт.п+Рвен, Вт	(10-271)	2200×1603,6(1500/1500)2×10-9=189	¾
	Рт.п+Рвен, Вт	(10-269)	¾	780×2903,6(1000/1500)1,5×10-9=275
	РмхS, Вт	(10-273)	49+189=238	503+275=778
	Рд, Вт	(10-274)	0,01×5500/0,82=67	0,01×75000/0,905=829
	Рэм, Вт	(10-276)	5500+117+238+67=5922	75000+319+778+829=76926
	Е2, В	(10-277)
	2, А	(10-278)	5922/202,3=29,3	76926/206,1=373,3
	, А	(10-279)	29,3+1,05=30,35	373,3+5,46=378,76
	Р1, Вт	(10-280)	220×30,35=6677	220×378,76=83327
	РS, Вт	(10-281)	6677-5500=1177	83327-75000=8327
	, о.е.	(4-2)	1-1177/6677=0,824	1-8327/83327=0,90
	, Вб	(10-162)
	FS, А	(10-282)
	Fр2, А	(10-221)
	Fпос, А	(10-153)	5×29,3=146	2×373,3=747
	Fп, А	(10-283)	1330+105 -146=1289	3087+877-747=3217
	М2, Н×м	(10-284)	9,55×5500/1500=35,02	9,55×75000/1000=716,25

При отсутствии аксиальных каналов в якоре второй член в фигурных скобках (10-265) равен нулю; значения P_1,0/50 и приведены в § 4-1.

Рабочие характеристики

Уточненные в § 10-13 параметры машины при номинальном режиме работы используют для расчета соответствующих параметров при нагрузках, отличающихся от номинальной, в результате чего могут быть построены рабочие характеристики машин. К основным рабочим характеристикам двигателей относятся зависимости n, М₂, h, , у генераторов – U, .

Характеристики двигателей рассчитывают при номинальных напряжении на зажимах цепи якоря и токе возбуждения, а характеристики генераторов — при неизменных частоте вращения и токе возбуждения, если оно независимое, или величине регулируемого сопротивления в цепи возбуждения, если генератор с параллельным возбуждением.

Для упрощения расчета характеристик двигателей и генераторов принимают (индексом «н» здесь и далее в этом параграфе обозначаются параметры при номинальном режиме работы). При расчете характеристик, учитывая незначительное влияние изменения нагрузки на и n, принимают P_cS и Р_мхS такими же, как при номинальном режиме работы.

Рассчитывают рабочие характеристики двигателей в такой последовательности. Задаются коэффициентами нагрузки k=0,1; 0,25; 0,5; 0,75; 1,25 и вычисляют для этих нагрузок ток . Затем для каждого значения тока определяют Е₂ по (10-159), F_p2=kF_p2н, F_пoc=kF_пoc.н, F_S=F_п+F_пос–F_p2, – по характеристике намагничивания машины, пo (10-279), P₁ по (10-280), P_эм=E_{2 2}, Р_д=k²Р_д.н, Р₂=Р_эм–Р_сS–Р_мхS–Р_д, P_S=P₁–P₂, h по (4-2), M₂ пo (10-284). После расчета строят на графиках зависимости n, М₂, h, .

Расчет рабочих характеристик генераторов с параллельным возбуждением (без автоматического или ручного поддержания U=const) проводится в следующем порядке. Задаются коэффициентами , равными 0,3; 0,5; 0,8; 1,0; 1,1, и вычисляют для этих коэффициентов . Затем для каждого значения Е₂ определяют Ф по (10-162), F_S по характеристике намагничивания машины. Ток в якоре (А)

(10-291)

где k₁=F_p2H/ _2H; k₂=U_н/F_п.н.

Напряжение генератора (В)

. (10-292)

При к. з. (U=0) и наличии остаточной ЭДС Е_2ост=0,05U_н ток (А)

. (10-293)

Ток в параллельной обмотке генератора (А)

. (10-294)

Ток генератора (А)

. (10-295)

Мощность генератора (Вт)

. (10-296)

Затем определяют Р_мS= ; Р_к.щ=2 ₂; Р_м.п по (10-286); Р_сS=Р_сSн(Ф/Ф_н)²; Р_д=Р_д.н( )²; Р_S=P_мS+Р_к.щ+P_м.п+P_мхS+Р_сS+Р_д; P₁=P₂+Р_S; h по (4-2). После расчета строят на графиках зависимости U, h=f(P₂).

Примеры расчета машин

Рабочие характеристики

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: