2086

также к возрастанию потоков рассеяния главных полюсов и к ухудшению коммутации. При выборе коэффициента полюсного перекрытия рекомендуется придерживаться средних значений из допустимого диапазона.

3 шаг: расчетная мощность определяется по формуле

1

Р Рн 2 ,

где - коэффициент полезного действия, предварительное значение которого определяется в зависимости от мощности.

Таким образом, в качестве входной информации используются высота оси вращения и соответствующие ей допустимые значения электромагнитных нагрузок. Выходной информацией являются главные размеры - диаметр якоря и длина воздушного зазора.

Генерация вариантов основана на повторении шагов со 2 по 4 для

2.3. ВЫБОР ВАРИАНТА АКТИВНОЙ ЧАСТИ

В общем случае задача выбора варианта активной части - задача многокритериальной оптимизации. В учебном проектировании при выборе варианта активной части проектируемой машины целесообразно использовать неформальные методы принятия решений на основе всестороннего качественного анализа поставленной задачи с учетом требований технического задания.

Для машин общепромышленного применения при выборе варианта целесообразно использовать отношение главных размеров = l/ D, которое должно находиться в пределах от 0,4 до 1,25. Большие значения имеют машины с относительно малым диаметром и большой длиной, и наоборот, малые значения у коротких машин с большим диаметром. При увеличении

машины имеют меньшую массу. В них лучше используется медь обмоток, так как длина лобовых частей по сравнению с длиной их пазовых частей становится меньше. Момент инерции уменьшается, ускоряется процесс пуска и торможения, что особенно важно при проектировании двигателей, предназначенных для работы с частыми пусками. Однако относительное увеличение длины машины при больших значениях затрудняет условия их охлаждения, а в машинах постоянного тока приводит к ухудшению коммутации. В машинах небольших габаритов с увеличением возникают трудности с выполнением необходимого для нормальной работы числа пазов, возрастает трудоемкость изготовления, а следовательно, и стоимость машины.

Если в результате анализа полученных вариантов активной части не удается найти удовлетворяющий условию 0,4 1,25, то необходимо вновь провести генерацию вариантов активной части, используя ближайшее стандартное значение высоты оси вращения.

При разработке электрических машин приходится иметь дело с заданными стандартными рядами высот оси вращения h, а следовательно, и диаметров якоря D. В этом случае требуется установить наиболее целесообразную привязку мощности и высоты вращения при рациональных соотношениях главных размеров lи D.

ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ КУРСОВОГО ПРОЕКТА НЕОБХОДИМО:

Ознакомиться с возможными методами синтеза активной части проектируемой электрической машины

Произвести выбор высоты оси вращения h на основании технического задания

Нормализовать наружный диаметр якоря D

Используя рекомендованные значения электромагнитных нагрузок, сформировать несколько вариантов активной части машины Произвести выбор варианта активной части и соответствующих

главных размеров машины на основании анализа требований технического задания

3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ

РАЗДЕЛ ЯКОРЯ

3.1.ВЫБОР ТИПА ОБМОТКИ ЯКОРЯ

3.2.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБМОТОЧНЫХ ДАННЫХ

3.3.РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИИ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ

Якорь в машине постоянного тока выполняет важную роль в процессе преобразования и передачи энергии. Поэтому определение параметров якоря требует особого внимания. Неудачный выбор параметров якоря может отразиться на всех дальнейших этапах расчета и на технико-экономических и эксплуатационных показателях машины. Расчет параметров якоря можно подразделить на три основных этапа: выбор типа обмотки якоря, определение обмоточных данных, расчет геометрии зубцовой зоны.

Цель раздела - дать рекомендации для выбора и расчета обмоток и геометрии зубцовой зоны машин постоянного тока, показать связь между электрическими и магнитными параметрами якоря.

ПОСЛЕ ИЗУЧЕНИЯ РАЗДЕЛА НЕОБХОДИМО ЗНАТЬ:

Типы обмоток якоря Критерии выбора типа обмотки якоря

Какие параметры относятся к обмоточным данным Как определяются шаги обмотки якоря

Чем ограничиваются максимальное и минимальное значения числа коллекторных пластин От чего зависит выбор формы паза

От каких параметров зависят допустимые значения магнитных индукций в зубцах и ярме сердечника якоря

Как определяется коэффициент заполнения паза обмоткой якоря Алгоритмы расчета обмоточных данных и геометрии зубцовой зоны

3.1. ВЫБОР ТИПА ОБМОТКИ ЯКОРЯ

Прежде чем говорить об определении обмоточных данных, необходимо рассмотреть типы обмоток якоря, применяемые в электрических машинах постоянного тока. Для якорей машин постоянного тока применяются следующие типы обмоток: простая волновая, простая петлевая, сложная волновая, сложная петлевая и комбинированная или лягушечья обмотка. Сложные обмотки называют многоходовыми.

Простейшей частью обмотки является виток - два проводника, стоящих друг от друга на расстоянии, равном полюсному делению (или незначительно отличающемся от него), и соединенных между собой со стороны, противоположной коллектору. Несколько последовательно соединенных витков образуют секцию. Начало и конец секции присоединяются к коллекторным пластинам. Во многих машинах секция содержит один виток.

По схеме соединения проводников обмотки якоря разделяются на волновые и петлевые - по форме, которую они образуют при последовательном соединении секций: первые имеют форму волны, а вторые - форму петли.

Вволновых обмотках последовательно соединяются секции, начала которых расположены под соседними парами полюсов. Таким образом, в четырехполюсной машине при одном обходе вокруг якоря последовательно соединяются две секции, в шестиполюсных - три, в восьмиполюсных - четыре секции. В простых волновых обмотках начала и концы секций присоединяются к коллекторным пластинам, расположенным на расстоянии К/р друг от друга, и через полный обход по якорю конец последней секции соединяется с коллекторной пластиной, отстоящей от первой на одно коллекторное деление, а в сложных волновых обмотках - на m коллекторных делений (К - число коллекторных пластин; р - число пар полюсов; m - число ходов обмотки). Сложные волновые обмотки представляют собой несколько простых волновых обмоток, наложенных на один якорь. Эти обмотки соединяются параллельно щетками на коллекторе

иуравнительными соединениями второго рода, предназначенными для их электрического соединения. Уравнители должны соединять секции обмотки, которые имеют одинаковые потенциалы. Сложная волновая обмотка может быть однократнозамкнутой (замыкается один раз после соединения всех ее секций) либо многократнозамкнутой (обмотка распадается на две или несколько замкнутых обмоток).

Впетлевых обмотках последовательно соединяются секции, начала которых расположены под одним полюсом. Соединив все секции, начала которых расположены под одним полюсом, продолжают обмотку, соединяя

секции под следующим полюсом, и так далее. В простых петлевых обмотках начала и концы секций присоединяются к двум соседним коллекторным пластинам, в сложных петлевых - к коллекторным пластинам, отстоящим друг от друга на m коллекторных делений. Сложная петлевая обмотка представляет собой несколько простых петлевых обмоток, уложенных на один якорь. Проводники каждой параллельной ветви сложной обмотки, так же как и в простой петлевой, располагаются под парой соседних полюсов, поэтому каждая из простых петлевых обмоток, составляющих сложную обмотку, должна выполняться с уравнительными соединениями первого рода.

Лягушечью обмотку можно рассматривать как две параллельно соединенные обмотки: простую петлевую и сложную волновую. Лягушечья обмотка имеет одинаковое число параллельных ветвей в составляющих ее обмотках, поэтому волновую обмотку выполняют многоходовой однократнозамкнутой. Площади поперечного сечения проводников каждой из обмоток одинаковые. К каждой коллекторной пластине присоединяются четыре эффективных проводника - два от петлевой обмотки и два от волновой.

Обмотки обычно выполняются двухслойными: одна сторона секции располагается в верхней части паза, другая сторона - в нижней части паза, отстоящего от первой секции на расстоянии, близком к полюсному делению. Лягушечьи обмотки выполняются четырехслойными: крайние слои принадлежат волновой обмотке, а средние - петлевой. В редких случаях для низковольтных машин на большие токи применяют однослойные обмотки.

Каждая обмотка имеет шаги:

первый частичный шаг y1 - расстояние между сторонами секции, соединенными со стороны, противоположной коллектору (ширина секции);

второй частичный шаг y2 - расстояние между сторонами секции, соединенными со стороны коллектора (расстояние от конца данной секции до начала следующей, с которой она соединяется);

результирующий шаг (шаг по коллектору) yк - расстояние между началами двух секций, следующих друг за другом по схеме обмотки.

Шаги обмотки выражают числом элементарных пазов между соединяемыми сторонами секций, при этом элементарным пазом называют две секционные стороны, расположенные друг под другом. Реальный паз может состоять из одного или нескольких элементарных пазов, то есть по ширине паза может располагаться одна или несколько секционных сторон. Обозначим число элементарных пазов в одном реальном пазу uп .

Если первый частичный шаг, выраженный в пазовых делениях (шаг по пазам yп = y1/uп), равен целому числу, то обмотка равносекционная, если не равен целому числу, то обмотка ступенчатая - секции имеют разную ширину.

Простые волновые якорные обмотки обычно выполняются равносекционными. У машин с высотой оси вращения более 355 мм для улучшения коммутации применяют ступенчатые обмотки. В отдельных случаях используют несимметричные равносекционные обмотки с "мертвой" секцией, которая не присоединяется к коллектору. Такое исполнение обмоток в машинах мощностью до 100 кВт при числе коллекторных пластин более 100 не ухудшает коммутацию. Могут также использоваться обмотки с искусственно замкнутой секцией, что в настоящее время практикуется крайне редко.

Простые петлевые обмотки выполняются равносекционными. Уравнительные соединения первого рода располагаются по одному на один или два паза якоря. Площадь поперечного сечения уравнителей составляет около 30 % площади поперечного сечения эффективного проводника. Сложные петлевые обмотки выполняются для улучшения коммутационных параметров ступенчатыми двухкратнозамкнутыми и имеют уравнительные соединения как первого так и второго рода.

Простые волновые обмотки имеют ряд преимуществ перед простыми петлевыми:

не требуют уравнительных соединений; имеют минимальное число параллельных ветвей (2а = 2), что при

числе полюсов более двух приводит к уменьшению числа проводников обмотки якоря и к упрощению технологии обмоточных работ;

увеличение тока параллельной ветви приводит к улучшению использования зубцового слоя из-за уменьшения объема изоляции.

Область применения простых волновых обмоток ограничивается предельным током параллельной ветви и допустимыми значениями напряжения между коллекторными пластинами.

В общем случае тип обмотки якоря выбирается в зависимости от тока параллельной ветви якоря и числа полюсов.

Ток якоря двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением предварительно определяется следующим образом

где - коэффициент полезного действия, предварительное значение которого зависит от номинальной мощности

kв - коэффициент тока возбуждения, зависящий от мощности (чем больше мощность, тем меньший процент полного тока машины приходится на ток возбуждения)

Число главных полюсов машины 2р зависит от многих факторов. В практике электромашиностроения обычно при наружном диаметре якоря D до 0,1 м принимают 2p = 2, при D от 0,1 до 0,5 м - 2p = 4.

Допустимый ток параллельной ветви в обмотке якоря Iа составляет (250 300) А. В зависимости от данного тока и применяется определенный тип обмотки якоря.

Кроме того, на выбор типа обмотки влияет величина напряжения. Среднее напряжение между коллекторными пластинами не должно превышать допустимого значения.

В результате этих требований установлены следующие области применения отдельных типов обмоток:

простые волновые обмотки, не требующие уравнительных соединений, применяются для машин, мощность которых не превышает 50 кВт при напряжении 110 В; 100 кВт - при 220 В; 320 кВт - при 440 В;

простые петлевые обмотки применяются в двухполюсных машинах малой мощности, а также в многополюсных машинах при мощности выше

500 кВт;

сложные волновые обмотки применяются для машин мощностью (150 300) кВт при 220 В (при простой петлевой обмотке в таких машинах

получается слишком большое число коллекторных пластин);

сложные петлевые обмотки применяются для крупных машин низкого напряжения, а также в тех случаях, когда желательно получить минимальный диаметр якоря;

комбинированные или лягушечьи обмотки применяются в быстроходных машинах большой мощности и в машинах средней мощности при тяжелых условиях коммутации.

На основании выбора типа обмотки проводят расчет обмоточных данных.

3.2. ОРЕДЕЛЕНИЕ ОБМОТОЧНЫХ ДАННЫХ

Число зубцов сердечника якоря определяется по ориентировочным значениям зубцового деления t1 в зависимости от высоты оси вращения h.

Можно определить минимальное и максимальное число зубцов якоря и выбрать наиболее предпочтительное из полученного диапазона

D

Zmin t1max ,

D

Zmax t1min .

Для волновых обмоток Z - нечетное число, для петлевых и лягушечьих Z - четное число.

Определив число зубцов Z, уточняют величину зубцового деления

D t1 Z .

Правильность выбора Z и t1 можно проверить, рассчитав полный ток

паза

Iп = t1 A .

Полный ток паза Iп не должен превышать (1500 1800) А при диаметре якоря D меньше 1 м и 2000 А при D больше 1 м.

Предварительное число эффективных проводников обмотки якоря

Число эффективных проводников в пазу

Nп NZ .

Число эффективных проводников в пазу Nп в двухслойных обмотках округляется до ближайшего четного (желательно, кратного 3, 5 или 7) числа.

Число витков в обмотке якоря

w a N2 .

При числе эффективных проводников обмотки N и числе витков в каждой секции wс число секций S равно

Так как каждая секция соединяется с двумя коллекторными пластинами и при двухслойной обмотке к каждой коллекторной пластине присоединяются концы двух секций, то число коллекторных пластин должно быть равно числу секций

К = S .

При определении числа коллекторных пластин К целесообразно рассмотреть несколько вариантов в зависимости от числа секционные сторон в пазу uп

Во избежании большой разницы в условиях коммутации секций одного паза, желательно, чтобы uп не превышало 5.

При сравнении вариантов следует учесть, что в машинах с полузакрытыми пазами при всыпной обмотке из круглого провода число витков в секции wс = N / 2К целесообразно иметь целым, но оно может быть и дробным, так как в этом случае допускается выполнение секций, расположенных в одном пазу, с разным числом витков (1-2-1; 2-1-2; 5-4-5). При открытых пазах и проводах прямоугольного сечения значение wс должно быть целым. Для улучшения коммутации число витков в секции wс должно быть возможно меньшим. Во всех случаях следует стремиться выполнить обмотку с wс = 1. С увеличением числа витков в секции приходится мириться только тогда, когда большое число коллекторных пластин ведет к недопустимо малой их ширине. Петлевые обмотки с wс больше 1 практически не применяются, за исключением двухполюсных машин, в которых эти обмотки не требуют уравнительных соединений.

Необходимо понимать, что четное число коллекторных пластин К ведет к обмотке с "мертвой" или с искусственно замкнутой секцией, выбор которой должен быть обоснован.

Минимальное значение числа коллекторные пластин ограничивается допустимым значением напряжения Uк,ср между соседними коллекторными

Для расчета коллекторного деления необходимо выбрать наружный диаметр коллектора:

при открытых пазах

Dк = (0,65 0,7) D ;

при полузакрытых овальных пазах

Dк = (0,65 0,8) D .

Диаметр коллектора нормализуется по ГОСТ 19780-74: 80, 90, 100,

112, 125, 140, 160, 180, 200, 224, 250, 280, 315, 355, 400, 450, 500 мм.