Тема 1.5. Магнитная цепь машины постоянного тока.

Магнитная система машины постоянного тока состоит из станины (ярма), сердечников главных полюсов с полюсными наконечниками, воздушного зазора и сердечника якоря.

На рис. 1.8. показана картина магнитного поля четырехполюсной машины. При этом имеется в виду машина, работающая в режиме х.х., когда МДС создается лишь обмоткой возбуждения, а в обмотке якоря и обмотке добавочных полюсов тока нет или он настолько мал, что его влиянием на картину магнитного поля можно пренебречь.

Рис. 1.8. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме х.х.

В целях упрощения на рисунке не показаны добавочные полюсы, так как в режиме х.х. их влияние на картину магнитного поля машины незначительно. Как это следует из рис. 1.8., магнитный поток главных полюсов состоит из двух неравных частей: большая часть образует основной магнитный поток Ф, а меньшая — магнитный поток рассеяния полюсов Ф_σ. Поток рассеяния учитывается коэффициентом рассеяния σ_m (см. §20.1 М.М.Кацман Высшая школа, 2002))

Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме х.х. определяется суммой магнитных напряжений на участках магнитной цепи (рис. 1.9):

F_во=ΣF = 2F_δ + 2F_z +2F_m + F_a +F_я (1.10)

где F_δ ; F_z ;F_m ; F_a ; F_я — магнитные напряжения воздушного зазора, зубцового слоя якоря, главного полюса, спинки якоря, станины (ярма) соответственно.

Рис. 1.9. Расчетный участок магнитной цепи четырехполюсной машины постоянного тока

Если машина имеет компенсационную обмотку, то в (1.10.) следует ввести еще одно слагаемое F_zm, представляющее собой магнитное напряжение зубцового слоя главного полюса.

Порядок расчета магнитных напряжений на участках магнитной цепи машины постоянного тока в принципе такой же, что и в случае асинхронной машины (см. гл. 11, М.М.Кацман Высшая школа, 2002). При этом расчет магнитных напряжений станины и сердечника главного полюса ведут по магнитному потоку главного полюса Ф_m, который больше основного потока Ф на значение потока рассеяния Ф_σ:

Ф_m=Ф+Ф_σ =Ф(1+ σ_m)

где σ_m ≈ 10δ/τ = 0, 10÷0,25 — коэффициент магнитного рассеяния.

При заданном значении ЭДС машины Еа определяют требуемое значение основного магнитного потока (Вб).

(1.11)

Далее рассчитывают магнитную индукцию для каждого участка магнитной цепи:

(1.12)

где Ф_х - магнитный поток на данном участке магнитной цепи, Вб; S_x площадь поперечного сечения этого участка, м².

По таблицам или кривым намагничивания для соответствующих ферромагнитных материалов находят напряженность магнитного поля на участках магнитной цепи Н_х, а затем определяют магнитное напряжение (А)

F_x = H_xl_x

и МДС обмотки возбуждения на пару полюсов по (1.10).

Значения магнитных напряжений для различных участков магнитной цепи неодинаковы и зависят от магнитных сопротивлений этих участков. Наибольшим магнитным сопротивлением обладает воздушный зазор, поэтому магнитное напряжение F_δ намного больше любого из слагаемых выражения (1.10).

Другие участки магнитной цепи выполняют из ферромагнитных материалов. В машинах постоянного тока для изготовления различных элементов магнитной цепи применяют следующие материалы:

Сердечник якоря — тонколистовые электротехнические стали марок 2013, 2312 и 2411 толщиной 0,5 мм

Сердечник главного полюса — листовая анизотропная (холоднокатаная) сталь марки 3411 толщиной 1 мм, пластины не изолируют.

Станина — в машинах малой мощности станину изготовляют из стальных цельнотянутых труб, а для машин средней и большой мощности станины делают сварными из листовой конструкционной стали марки СтЗ.

Магнитное напряжение воздушного зазора (А)

Fδ=0,8В_δδk_δ10³, (1.13)

где δ — величина воздушного зазора, мм; k_δ— коэффициент воздушного зазора, учитывающий увеличение магнитного сопротивления зазора из-за зубчатости якоря (k_δ > 1).

Магнитная индукция в воздушном зазоре В_δ (Тл) пропорциональна основному магнитному потоку Ф. В машинах постоянного тока общего назначения В_δ = 0,6÷1,0 Тл (большие значения В_δ соответствуют более крупным машинам).

Обычно расчет МДС ΣF ведут для ряда значений магнитного потока (0,5Ф_ном, 0,75Ф_ном, Ф_ном и 1,2Ф_ном), а затем строят магнитную характеристику машины

Ф_ =f(ΣF_)

где Ф_ = Ф/Ф_ном относительное значение магнитного потока; ΣF_ = ΣF/ΣF_ном - относительное значение МДС обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме х.х.; Ф_ном и ΣF_ном — номинальные значения магнитного потока и МДС в режиме х.х., соответствующие номинальному значению ЭДС Еа [см. (1.11) ].

В начальной части магнитная характеристика прямолинейна (рис.1.10).

рис. 1.10. Магнитная характеристика

Объясняется это тем, что при небольших значениях ΣF_ магнитная цепь не насыщена и МДС возбуждения определяется, в основном, магнитным напряжением воздушного зазора ΣF ≈ 2F_δ. Затем с ростом ΣF_ наступает насыщение магнитной цепи и магнитная характеристика становится криволинейной.

Коэффициент насыщения магнитной цепи машины:

(1.14)

Для машин постоянного тока k_μ =1,2÷1,7.