2.2.1.3. Расчет магнитной цепи

Магнитная система машины постоянного тока имеет 2р симметричных магнитных цепей. Каждая магнитная цепь машины состоит из семи однородных участков, соединенных последовательно: воздушный зазор между якорем и наконечником главного полюса, зубцовый слой якоря, спинка якоря, зубцовый слой полюсного наконечника главного полюса (если имеется компенсационная обмотка), сердечник главного полюса, зазор в стыке главного полюса и станины (возникающей из-за неплотного прилегания их поверхностей), станина. Замкнутый контур магнитных линий пары полюсов является симметричным относительно оси геометрической нейтрали (рис.1), поэтому расчет магнитной цепи постоянного тока достаточно производить на один полюс.

Для расчета магнитной цепи необходимо знать размеры всех участков магнитопровода, площади их сечения, магнитные потоки этих участков и материал, из которого они выполнены.

Для построения характеристики намагничивания машины постоянного тока необходимо определить сумму МДС всех участков магнитной цепи при значениях магнитного потока в воздушном зазоре Ф=0,5; 0,85; 1,0; 1,1; 1,2 Фн. По полученным данным строят характеристику машины постоянного тока

Φ=f(F_Σ).

Расчет характеристики намагничивания производится по методике, изложенной в лекциях по курсу “Электрические машины”, а также в соответствии с рекомендуемой литературой /1,c.306-309/; /2,c.725-728/; /3,c.353-357/.

Примечание. Кривые намагничивания рекомендуемых марок сталей, представленные в приложении (рис.2), показывают участки насыщения данных материалов и соотношение между магнитными характеристиками. Для выполнения расчетов необходимо использовать табличное задание этих характеристик /3,c.462-465/.

Расчет характеристики намагничивания следует излагать по форме табл.П.3. Для приближенной оценки правильности расчета характеристики ее необходимо сравнивать с типовыми характеристиками намагничивания, построенными на рис.П.1 для различных коэффициентов насыщения:

На этих характеристиках приняты Φ_н и F_ΣН, соответствующие номинальному режиму работы.

Определите коэффициент насыщения рассчитанной магнитной цепи при работе машины в номинальном режиме, оцените, насколько оптимально выбраны соотношения размеров магнитной цепи. В оптимально спроектированных машинах К_нас=1,1-1,3.

2.2.2. Якорные обмотки электрических машин постоянного тока

2.2.2.1. Задание

При выполнении настоящей части расчетно-графического задания следует соблюдать следующую очередность работы:

выбрать исходные данные, определяющие обмотку якоря согласно варианту в табл.П.4;

выбрать тип обмотки:

произвести расчет шагов обмотки:

вычертить развернутую схему обмотки.

2.2.2.2. Теоретические пояснения

Обмотка якоря является важнейшим элементом машины и должна удовлетворять следующим требованиям:

обмотка должна быть рассчитана на заданные величины напряжения и тока нагрузки, соответствующие номинальной мощности;

обмотка должна иметь необходимую электрическую, механическую и термическую точность, обеспечивающую срок службы машины 15…20 лет;

конструкция обмотки должна обеспечивать удовлетворительные условия токосъема с коллектора, при которых не наблюдается разрушающего влияния искрения на пластины коллектора;

расход материала при заданных эксплуатационных показателях должен быть минимальным;

технология изготовления обмотки должна быть по возможности простой, что обуславливает снижение себестоимости всей машины.

В современных машинах наибольшее распространение получили якори с сердечниками из ферромагнитного материала, имеющими пазы на внешней поверхности. Обмотки, укладываемые в эти пазы, подразделяются на петлевые и волновые. В некоторых случаях оправдано исполнение обмотки якоря в виде сочетания обеих названных обмоток.

Основным элементом каждой обмотки является секция, которая состоит из одного или большего числа последовательно соединенных витков, присоединенных своими выводами к коллекторным пластинам. На схемах обмоток всегда принято секции обмоток изображать одинаковыми. Преимущественно распространение получили двухслойные обмотки, для которых характерно расположение одной из сторон секций в нижней части паза, а другой – в верхней.

В простейшем случае в пазу уложены две секционные стороны, и такой паз называется элементарным. При этом число пазов Z, число секций S и число коллекторных пластин K равны между собой.

Требование уменьшения пульсаций выпрямленных токов и напряжения, а также ограничения верхнего уровня напряжения между соседними коллекторными пластинами приводят к необходимости проектирования якорей в машинах постоянного тока с относительно большим числом коллекторных пластин. Вместе с тем изготовление якорей с большим числом пазов нельзя считать оправданным, так как при этом пазы получаются узкими, что приводит к уменьшению коэффициентов заполнения их обмоточным проводом. В итоге получается проигрыш в мощности. Кроме того, увеличения числа зубцов сопровождается удорожанием штамповочных работ и вызывает снижение механической прочности зубцового слоя якоря.

По изложенным соображениям обычно в каждом слое паза располагают рядом несколько (U_п=2,3,4,5,…) секционных сторон. При этом K=S=U_пZ. В данном случае в каждом реальном пазу имеется элементарных пазов, так что в каждом слое элементарного паза лежит одна секционная сторона. Очевидно, что общее число элементарных пазов Z_э=U_пZ.

При U_п>1 чаще всего секции имеют равную ширину, а иногда часть секций имеет меньшую, а часть большую ширину.

В первом случае обмотка называется равносекционной, а во втором – ступенчатой. Последняя обмотка менее технологична, ее применение оправдано в машинах с P_н> 500 кВт.

Для обеспечения наилучших условий работы машины необходимо, чтобы ЭДС всех параллельных ветвей обмотки и их сопротивления были равны между собой. В этом случае токи ветвей i_a также будут равны между собой и определяются соотношением

, (31)

где I_a – ток якоря; а- число пар параллельных ветвей якорной обмотки.

Чтобы обмотка была симметричной, на каждую пару параллельных ветвей должно приходиться целое число (Ц.Ч.) секций и коллекторных пластин:

(32)

Для симметричного расположения параллельных ветвей в магнитном поле необходимо, чтобы

Z/a=Ц.Ч. и 2p/a= Ц.Ч. (33)

Соотношения (31) – (33) являются необходимыми условиями симметрии якорных обмоток и их соблюдение при проектировании обязательно.

В некоторых частных случаях возможно мотивированное отступление от перечисляемых условий симметрии, если при этом не происходит заметного ухудшения работы проектируемой машины.

Для характеристики обмотки якоря используют понятия шагов этой обмотки, которые обычно рассчитаны в числе элементарных пазов. Первый частичный шаг y₁ определяет расстояние по поверхности якоря между начальной и конечной активными сторонами секции. Второй частичный шаг характеризует расстояние между конечной активной стороной данной секции и начальной активной стороной секции, следующей за ней по схеме якорной обмотки. Направление движения по якорю и коллектору слева направо принято считать положительным.