2086

образуя своеобразную смазку. При недостатке влажности при высоте над уровнем моря выше 1000 м смазывающие свойства политуры ухудшаются, а механические потери и температура коллектора возрастают в несколько раз. Это приводит к ухудшению коммутации.

Очень большое влияние на искрение оказывают электромагнитные явления, связанные с коммутацией при переключении секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую, когда происходит изменение тока в секции на противоположное.

Одним из важных количественных показателей оценки коммутации является реактивная ЭДС Ер, которая индуктируется в секции в процессе коммутации, когда секция замкнута щеткой накоротко.

Вкоммутируемой секции индуктируется ЭДС самоиндукции еL, так как секция обмотки якоря обладает определенной индуктивностью. Если щетка перекрывает больше одной коллекторной пластины, ток изменяется одновременно в нескольких рядом лежащих секциях и в каждой из них,

помимо ЭДС самоиндукции еL, индуктируются ЭДС взаимоиндукции еM. Реактивная ЭДС в секции будет равна их сумме Еp = еL + еM.

Внастоящее время существует большое количество различных методов и формул для расчета среднего значения реактивной ЭДС. Достаточно хорошие результаты для сравнительной оценки качества коммутации получаются при использовании следующей формулы

Ер = 2 wс Vа А l р 10-6 ,

где Vа - окружная скорость якоря;

р - коэффициент удельной проводимости пазового рассеяния или приведенная удельная проводимость секции:

для прямоугольного паза

Уменьшение реактивной ЭДС облегчает условия коммутации, поэтому при проектировании всеми средствами стремятся получить минимально возможное ее значение.

Уменьшению реактивной ЭДС содействуют уменьшение удельной магнитной проводимости паза путем допустимого снижения высоты и увеличения ширины паза якоря, уменьшение числа витков в секции в машинах со всыпной обмоткой путем допустимого увеличения количества коллекторных пластин. Кроме того удельная магнитная проводимость паза зависит от его формы. Большое влияние на коммутацию машины оказывает окружная скорость якоря. При одних и тех же параметрах быстроходная машина, как правило, коммутирует хуже.

При проектировании машин постоянного тока следует стремиться к тому, чтобы значение реактивной ЭДС Ер при максимальной частоте вращения не выходило за следующие ниже пределы.

Приведенные формулы для определения реактивной ЭДС и удельной проводимости пазового рассеяния являются приближенными. При высоте оси вращения более 315 мм и при напряженных условиях коммутации должны применяться более точные и сложные методики их оценки и расчета коммутационных параметров.

Среднее значение Ер, рассчитанное по приближенной формуле, еще не дает полного представления о коммутационной способности машины. Качество коммутации машины во многом зависит от правильного выбора типа обмотки якоря и ее шагов.

Уменьшение Ер возможно за счет ослабления взаимной индукции между коммутирующими секциями, что достигается укорочением шага секции и применением ступенчатой обмотки.

При больших сечениях проводника обмотки якоря и широких коллекторных пластинах для улучшения коммутации, как показала практика, целесообразно разделить проводник по ширине паза пополам и каждую половину присоединить к отдельной коллекторной пластине, то

демпферы, представляющие собой уложенные в пазы якоря короткозамкнутые катушки, охватывающие активные проводники обмотки якоря. Пазовые демпферы широко применяются для машин, работающих с часто повторяющимися кратковременными перегрузками (генераторы и двигатели для привода прокатных станов).

Как известно, предпочтительной является прямолинейная или несколько ускоренная коммутация (Ер 0), при которой плотность тока под

сбегающим краем щетки может быть получена близкой к нулю, что предотвращает искрение. Однако, если не применять специальных мер, то Ер 0 и коммутация будет замедленной, то есть наименее благоприятной для предотвращения искрообразования.

В зоне коммутации, то есть пространстве, в котором перемещается секция в период коммутации, может существовать поле, внешнее по отношению якоря. При вращении коммутируемой секции в этом поле в ней индуктируется коммутирующая ЭДС или ЭДС от внешнего поля. Среднее значение ЭДС коммутации может быть рассчитано по формуле

Ек = 2 wс Vа lВк ,

где Вк - индукция в зоне коммутации.

Направление коммутирующей ЭДС зависит от полярности поля в зоне коммутации. Она может совпадать по знаку с реактивной ЭДС или быть направлена в противоположную сторону. Для создания ускоренной коммутации изменяют знак ЭДС Ер за счет изменения направления поперечного поля в зоне коммутации. Этот эффект наилучшим образом достигается установкой между главными полюсами на геометрической нейтрали добавочных полюсов. Полярность добавочных полюсов выбирают из условия создания в зоне коммутации магнитного поля определенной полярности. Поэтому в генераторе добавочный полюс должен иметь полярность основного, на который якорь набегает, а в двигателе - наоборот.

Добавочные полюса применяются во всех машинах при мощности более 0,2 кВт. Обычно число добавочных полюсов равно числу основных (2р = 2рд). Двухполюсные машины с диаметром якоря менее 0,1 м выполняются с одним добавочным полюсом. В этих машинах для компенсации реактивной ЭДС индукция под добавочным полюсом должна быть больше, чем при полном числе добавочных полюсов, так как полем добавочного полюса ЭДС индуктируется только в одной стороне секции.

Индукция, которую нужно создать в зоне коммутации определяется из условия Ер = Ек или

пропорциональность между Вк и А во время работы машины при нагрузке необходимо обмотку добавочных полюсов соединить последовательно с обмоткой якоря. При этом магнитная цепь добавочных полюсов должна быть не насыщена, так как только при этом сохраняется пропорциональность между индукцией в зоне коммутации и током якоря.

При оценке коммутации должны быть найдены размеры добавочного полюса и рассчитана обмотка добавочного полюса.

Аналогичный эффект получения Ек может быть достигнут сдвигом щеток с геометрической нейтрали. В генераторе в этом случае щетки нужно сдвинуть с геометрической нейтрали по направлению вращения, а в двигателе - против направления вращения. Однако, в этом случае равенства Ер = Ек можно достичь при заданном угле сдвига лишь при определенной нагрузке. При изменении нагрузки это равенство нарушается и коммутация ухудшается. Кроме того этот метод улучшения коммутации приемлем только для нереверсивных машин.

На условия коммутации также оказывает влияние правильный выбор марки щеток и их параметров и конструкции щеткодержателя.

Подводя итог вышеизложенному, можно считать, что для снижения степени искрения за счет электромагнитных явлений, связанных с коммутацией, применяются следующие меры:

уменьшении реактивной ЭДС; правильный выбор типа обмотки якоря и обмоточных данных; применение добавочных полюсов; сдвиг щеток с геометрической нейтрали;

правильный выбор марки щеток и их параметров.

При оценке коммутационных параметров необходимо учитывать, что при питании машин постоянного тока через выпрямители, а также при переходных процессах (пульсирующая нагрузка, сильные перегрузки, пуск двигателей, короткое замыкание генераторов) условия коммутации ухудшаются.

Одной из причин ухудшения коммутации в этих условиях является наличие в коммутируемых секциях трансформаторной ЭДС Етр, которая возникает при изменении магнитного потока основных полюсов. Компенсация этой ЭДС с помощью добавочных полюсов невозможна, так как закономерности изменения Етр и Ек различны. Поэтому необходимо принять меры к уменьшению пульсаций основного магнитного потока. Для улучшения коммутации в данном случае применяют шихтованные добавочные полюса и станины. Благодаря этому увеличивается сопротивление вихревым токам, и значительно снижается вызванное этими токами демпфирование магнитного потока.

При отклонении коммутации от прямолинейной токи в коммутируемых секциях создают дополнительную реакцию якоря, которая называется коммутационной. При замедленной коммутации коммутационная реакция якоря является размагничивающей в генераторе и намагничивающей в двигателе. При ускоренной коммутации в генераторе возникает намагничивающая коммутационная реакция якоря, а в двигателе - размагничивающая. В обычных условиях коммутационная реакция якоря мала и ее влияние на работу машины незначительно. Однако, в ряде случаев

ее необходимо учитывать, например, при коротком замыкании генераторов или в электромашинных усилителях поперечного поля, в которых основное поле является слабым.

На условия коммутации кроме перечисленных влияют и другие факторы: например, несимметричное расположение полюсов по окружности станины и щеткодержателей на траверсе, а также неточности расчета, появляющиеся из-за определенных упрощений и допущений. Поэтому в конструкции электрической машины предусматриваются возможности экспериментальной настройки коммутации путем изменения числа витков обмотки добавочных полюсов, регулировки воздушного зазора в цепи добавочных полюсов, подбора марки щеток.

6.2. ЩЕТКИ И КОЛЛЕКТОР

Марку щеток выбирают при проектировании машины, но при настройке коммутации изготовленной машины марка щеток может быть изменена. Количественным критерием выбора марки щеток является значение реактивной ЭДС. Из марок щеток, предусмотренных ГОСТ 233275 /1, с. 481/, распространены графитные щетки 611М (при Ер = 3 В) и электрографитированные щетки ЭГ4, ЭГ14, ЭГ74 (при Ер 3 В). Для закрытых машин с кремнийорганической изоляцией класса нагревостойкости Н применяют электрографитированные щетки с особой пропиткой ЭГ74К.

Размеры щеток оговорены в ГОСТ 12232-71 /1, с. 480/. При выборе ширины щетки следует учитывать ее влияние на величину реактивной ЭДС. С одной стороны, при увеличении ширины щетки снижается скорость изменения тока в секции, в результате чего уменьшается ЭДС самоиндукции еL, с другой стороны, увеличение ширины щетки ведет к увеличению числа одновременно коммутируемых секций, а следовательно, к росту ЭДС взаимоиндукции ем. Критерием выбора ширины щетки является отношение ширины зоны коммутации к ширине нейтральной зоны (расстоянию между соседними наконечниками главных полюсов)

где bзк - ширина зоны коммутации

где bщ - ширина щетки;

- укорочение шага обмотки якоря

К

2р y1 .

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

bщ . t к

При больших значениях контактная поверхность щетки не может полностью прилегать к коллектору. Для устранения этого действительную ширину щетки берут не более 30 мм, а необходимая расчетная ширина достигается раздвижкой щеток по окружности коллектора. Кроме того, для улучшения контакта между щеткой и коллектором щетки шириной более 16 мм часто выполняют разрезными. При таком исполнении благодаря уменьшению щетки контакт между нею и коллектором становится менее чувствительным к вибрациям и эксцентричности коллектора, что также улучшает коммутацию машины.

В машинах с петлевыми обмотками имеет значение от 1,5 до 8,0 в зависимости от ширины коллекторного деления. В простых петлевых обмотках

=uп + 0,5 ,

ав сложных петлевых обмотках

(m + 1) .

Вмашинах с простыми волновыми обмотками

=(2 4),

а в сложных волновых обмотках

= (m + 1) .

Выбранную ширину щетки следует округлить до ближайшего стандартного размера /1, с. 480/.

Контактная площадь щеток на одном щеточном пальце траверсы определяется допустимой плотностью тока под щетками Jщ, которая зависит от марки щеток /1, с. 481/. Плотность тока под щеткой обычно принимают на 15 - 20 % меньше плотности тока, указанной в стандарте, учитывая неравномерность распределения тока между щетками.

Контактная площадь щеток на один щеточный болт

I

Sщ p Jщ .

Исходя из этой площади щеток и ранее определенной ширины щетки, выбирают длину щетки таким образом, чтобы на каждом щеточном болте располагалось не менее двух щеток

Sщ Nщ lщ bщ ;

Nщ 2 .

Это требование является более жестким для петлевых обмоток и, особенно, для двухполюсных машин. Оно обусловлено тем, что при одной щетке на болт возможен обрыв тока в параллельных ветвях в случае отрыва щетки от коллектора, например, вследствие сильной вибрации машины.

Отношение длины щетки lщ к ее ширине bщ не должно быть более двух, а длина щетки - более 40 мм. Выбрав длину щетки lщ , уточняют контактную площадь щеток на один щеточный болт.

Далее проверяется плотность тока под щетками

I

Jщ p Nщ bщ lщ .

Во избежании неравномерного износа коллектора, щетки должны быть установлены со сдвигом по длине. С учетом этого активная длина коллектора

Lк = Nщ (lщ + 0,008) + (0,01 0,025) .

В этом выражении 0,008 м - толщина стенок щеткодержателя, а величина (0,01 0,025) м предусмотрена для сдвига щеток по оси или, как обычно говорят, для шахматной расстановки щеток по коллектору (чем меньше диаметр коллектора, тем меньше эта величина).

6.3. МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ ДОБАВОЧНЫХ ПОЛЮСОВ

Алгоритм расчета магнитной цепи добавочных полюсов соответствует алгоритму расчета главной магнитной цепи. Условно однородные участки, на которые разбивается магнитная цепь добавочных полюсов, аналогичны участкам главной магнитной цепи. Только вместо зазора под главным полюсом и сердечника главного полюса данная магнитная цепь содержит зазор под добавочным полюсом и сердечник добавочного полюса.

Для того, чтобы магнитный поток добавочных полюсов изменялся пропорционально току якоря, как было указано ранее, магнитная цепь не должна быть насыщенной, поэтому индукции на участках магнитной цепи должны быть небольшими. При ненасыщенной магнитной цепи для построения характеристики намагничивания, представляющей в данном случае прямолинейную зависимость магнитной индукции в воздушном зазоре под добавочным полюсом от суммарного магнитного напряжения участков магнитной цепи В д = f (F д), достаточно рассчитать одну точку.

При определении зазора между якорем и добавочным полюсом нужно учитывать прямолинейность характеристики намагничивания, необходимую для пропорционального изменения ЭДС, индуктируемой в короткозамкнутой секции полем добавочных полюсов, току якоря. С этой целью желательно иметь зазор под добавочным полюсом возможно большим для того, чтобы уменьшить долю МДС, необходимую для проведения магнитного потока через стальные участки магнитной цепи. Кроме того при большом воздушном зазоре снижаются пульсации магнитного потока под полюсом. Однако большой зазор неблагоприятен в связи с тем, что требует большого числа витков в катушках полюсов, вследствие чего увеличиваются потери в обмотке добавочных полюсов и коэффициент рассеяния полюса. Помимо этого, при большом зазоре возможно проникновение поля основных полюсов в коммутационную зону, что может привести к ухудшению коммутации. Одновременный учет всех этих обстоятельств практически невозможен, поэтому при определении зазора под добавочным полюсом руководствуются опытом предыдущего проектирования и соответствующими рекомендациями

Большие значения относятся к меньшим диаметрам якоря.

При расчете МДС воздушного зазора между якорем и добавочным полюсом следует иметь в виду, что магнитное сопротивление зазора изменяется из-за зубчатого строения якоря, наличия радиальных каналов и углублений под бандажи на сердечнике якоря. Это изменение учитывается поправочным коэффициентом воздушного зазора.

МДС обмотки добавочного полюса Fд у машин без компенсационной обмотки определяется с учетом необходимости скомпенсировать МДС якоря в зоне коммутации, а также создать в этой зоне поле, достаточное для индуктирования в коммутируемой секции ЭДС коммутации Ек, равной и направленной встречно реактивной ЭДС Ер короткозамкнутой секции. Если у машины имеется компенсационная обмотка, то значение МДС Fд уменьшается на величину МДС компенсационной обмотки Fк.

Для полной компенсации Ер необходимо, чтобы кривая Ек возможно ближе совпадала по форме с кривой Ер. Однако практически достигнуть этого невозможно, так как кривая Ер имеет ступенчатый характер. Поэтому рассматриваются средние за время коммутации значения Ер и Ек. Для сохранения пропорциональности между Ер и Ек при изменении нагрузки обмотку добавочного полюса соединяют последовательно с обмоткой якоря. Причем, Ек должна быть несколько больше, чем Ер, чтобы процесс коммутации протекал с некоторым ускорением

Ек = (1,05 1,1) Ер .

Индукция в воздушном зазоре под добавочным полюсом принимается равной индукции в зоне коммутации В д = Вк. Тогда можно записать

Магнитный поток в воздушном зазоре в зоне коммутации под добавочным полюсом

Ф д В д (bдн 2 д ) lдн ,

где bдн - ширина полюсного наконечника добавочного полюса

bдн = kзк bзк ;