книги из ГПНТБ / Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности

где расчетная или внутренняя мощность электродвигателя продол­ жительного режима работы, согласно позиции 1 гл. 1 составляет:

ной мощности и режима работы двигателя; п — скорость вращения двигателя, об/мин; а = 0,60 -н 0,70; В6 — индукция в воздушном зазоре, Т, определяемая по кривым рис. 1.2 в зависимости от отно­ шения Р 21п и режима работы двигателя; A 2s — A 2!%2 — модуль линейной нагрузки якоря, при этом А 2 определяется также по кри­ вым рис. 1.2; т2 — полюсный шаг, см.

Для определения диаметров якорей отдельных габаритов серии двигателей прежде всего выбирается наименьший внутренний диа­

метр полюсов магнитной системы двигателя первого габарита Dni по технологическим или другим соображениям, с учетом ГОСТ 6636—69 (приложение VIII). Тогда диаметр якоря первого габарита

где 6 — длина одностороннего воздушного зазора между внутрен­ ней поверхностью полюсов и якорем, см.

Для определения двух длин lQ и 101 пакетов якоря при наимень­ шей по заданию скорости вращения п следует обеспечить требуемые по шкале при этой скорости первые две полезные мощности двига­

телей первого габарита Р2 и Р2. Для этого вычисляются значения расчетных мощностей (в ваттах) по уравнению (3-2):

где т)' и г)" берутся по кривым рис. 1.1 в зависимости от мощностей Рг и Р2.

где D„г — принятый наименьший диаметр якоря, см; при этом по­

лученные длины /оі и /0і округляются до ближайшей стандартной величины по ГОСТ 6636—69 (приложение VIII).

Следующий габарит двигателей по шкале мощностей опреде­ ляется из условия, чтобы мощность «короткой» машины по длине

110

пакета якоря данного габарита равнялась мощности «длинной» машины предыдущего габарита, умноженной на коэффициент на­ растания мощностей с учетом обеспечения требуемой полезной мощ­ ности по шкале

где Ро — полезная мощность двигателя по шкале для первой длины данного габарита, Вт.

Этот диаметр округляется до ближайшей стандартной величины по ГОСТ 6636—69.

При определении второй длины пакета якоря данного габарита при заданной скорости вращения п для получения требуемой по­

лезной мощности по шкале Р2 необходимо найти расчетную мощ­

где г| берется по кривым рис. 1.1 в зависимости от Р 2.

Тогда вторая длина пакета якоря данного габарита по уравне­ нию (3-1) будет

Аналогичным способом определяются и все остальные габариты серии электродвигателей постоянного тока до наибольшего значе­ ния мощности принятой шкалы.

111. Расчет габаритов серии электродвигателей постоянного тока продолжительного режима работы по шкале мощностей табл. 3-1

Для двигателей постоянного тока продолжительного режима работы при двухполюсном исполнении в данном примере (табл. 3.1) в среднем принято:

сб = 0,67; ß 6 = 0,35 Т; A2S= ^ L = 16, т2

тогда эффективная машинная постоянная серии двигателей по урав­ нению (3-1) получается

111

Примем длину б одностороннего воздушного зазора между по­ верхностью полюсных наконечников и якорем для первых четырех габаритов двигателей серии равной 0,025 см и для последующих — 0,035 см.

Первый габарит. Наименьшим внутренним диаметром полюсов двигателя данной серии по технологическим соображениям и с уче­ том ГОСТ 6636—69 (приложение VIII) можно принять величину

Dn\ = 1,6 см. Следовательно, диаметр якоря Dwi — Dn\ — 26 = = 1,6 — 2-0,025 = 1,55 см, что соответствует минимальному диа­ метру коллектора DK= 1,4 см и рациональному раскрою стандарт­ ного листа электротехнической стали размером 1,0 X 2,0 м. В этом случае получается минимум отходов при штамповке дисков якоря из нарезанных полос листа. Ширина полосы должна быть на 0,5 — 0,6 см больше диаметра якоря.

Далее, в соответствии с уравнениями (3-4) и (3-5) при Р2 = 1 Вт

Длины пакетов якорей первого габарита при п = 4000 об/мин:

что соответствует ГОСТ 6636—69.

Второй габарит. Расчетные мощности двигателей второго габа­ рита по уравнениям (3-6) и (3-9) будут:

Внутренний диаметр полюсов второго габарита при і'о2 = 2,0 см

что соответствует ГОСТ 6636—69; а диаметр якоря данного габа­ рита по уравнению (3-8):

D ;2 = 2,0—2-0,025= 1,95 см.

Аналогичным способом получены данные и остальных габари­ тов рассматриваемой серии двигателей постоянного тока, пред­ ставленных в табл. 3.1. В результате такого расчета, как видно из табл. 3.1, вся шкала мощностей рассматриваемой в качестве при-

112

мера серии двигателей от 1 до 250 Вт оказалась построенной на шести диаметрах якорей по две длины в каждом.

В табл. 3.2 приведены габариты серии двигателей, рассмотрен­ ных в примере.

Из таблицы видно, что при принятой длине одностороннего воз­ душного зазора для первых четырех габаритов б = 0,025 см и по­ следних двух — 0,035 см, внутренние диаметры полюсов соответст­ венно получились 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 3,6 и 4,2 см, что полностью совпадает с нормальными диаметрами калибровых пробок для кон­ троля этих размеров при изготовлении машин.

112. Шкала мощностей электродвигателей кратковременного режима работы

Для электродвигателей постоянного тока кратковременного ре­ жима работы до пяти минут при двухполюсном исполнении в дан­ ном примере в среднем принято:

Следовательно, мощность двигателя кратковременного режима работы до пяти минут при соответствующем габарите будет примерно вдвое больше мощности двигателя продолжительного режима того же габарита. Шкала мощностей этих двигателей в диапазоне от 1 до 250 Вт представлена в табл. 3.1.

Таким образом, серия электродвигателей малой мощности, раз­ работанная для определенного заданного диапазона мощностей и скоростей вращения, позволяет при ограниченном числе моделей двигателей охватить большой диапазон мощностей как продолжи­ тельного, так и кратковременного' режима работы, значительно унифицировать основные узлы и детали двигателей и упростить

113. Выбор числа пазов якорей серии двигателей

При выборе числа и формы пазов якорей серии электродвигате­ лей необходимо учитывать ряд факторов, по-разному влияющих на решение данного вопроса. Например, с увеличением до некото­ рого значения числа пазов на пару полюсов начинает уменьшаться эффективность использования активных материалов машины, так как при большом числе пазов относительно возрастает площадь, занимаемая изоляцией, и, следовательно, относительно умень­ шается полезная площадь для меди. В малых машинах, кроме того, при увеличенном числе пазов якоря приходится уменьшать их глу­ бину, так как получающееся узкое клиновидное пространство на дне паза не может быть использовано для размещения проводни­ ков. Наконец, при большом числе пазов якоря возникает также про­ блема механической прочности зубцов. По соображениям этой проч­ ности не следует практически допускать толщину зубца якоря ме­ нее 1 мм.

Следует отметить, что при выборе числа пазов якоря в малых машинах основное внимание должно быть уделено уменьшению их массы и габаритов. Это обусловливает выбор относительно не­ большого числа пазов, составляющего на пару полюсов от 7 до 15.

В целях уменьшения пульсаций и ослабления явления «прили­ пания» якоря к полюсным наконечникам число пазов в данной се­ рии принято нечетным и равным: на первых двух диаметрах — 9, на вторых двух — 11 и на остальных — 13 (табл. 3.1).

Число коллекторных пластин для каждого из указанных габа­ ритов электродвигателей в соответствии с выбранным числом па­ зов якорей получилось 18, 22 и 26. Диаметры коллекторов выбраны: 1,4 см — для первого и второго габаритов, 2,0 см — для третьего и четвертого и 2,6 см — для остальных габаритов. Таким образом, на 12 моделей электродвигателей данной серии имеется всего только три типа коллектора.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ

РАСЧЕТ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА С ВОЗБУЖДЕНИЕМ ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

4-1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ

В настоящее время постоянные магниты широко используются для возбуждения электродвигателей и генераторов постоянного тока малой мощности.

Применение постоянных магнитов для возбуждения этих машин позволяет:

а) упростить конструкцию машины и уменьшить ее габариты при малых мощностях за счет отсутствия катушек возбуждения;

114

где коэффициент выпуклости этой кривой имеет значение

здесь b — В/Вг и h = Н/Нс — текущие значения индукции в маг­ ните и напряженности размагничивающего поля в относительных единицах; bd = Bd/Br и hd = HdIHc — координаты точки приве­ денной кривой размагничивания, определяющей максимум отда­ ваемой магнитом энергии в пространство; при этом Вг — остаточ­ ная индукция в нейтральном сечении магнита, Т; Нс — коэрци­ тивная сила, А/см.

Другой важной характеристикой качества сплава для постоян­ ных магнитов является величина удельной магнитной энергии, развиваемой в окружающем пространстве единицей объема маг­ нита. Эта энергия в джоулях на 1 см3 выражается, как известно,

соотношением — ~ ■10 .

Параметры литых сплавов соответствующих марок для постоян­ ных магнитов, а именно: индукция Вп напряженность магнитного поля Нс и максимальная удельная магнитная энергия (5Я)макс/2 нормируются ГОСТ 17809—72 (приложение V).

Следует отметить, что магнитное поле постоянного магнита с те­ чением времени изменяется под действием внешних условий: тем­ пературы, радиации, механических нагрузок, внешнего магнит­ ного поля и др.

Различают структурную и магнитную нестабильность магнита. Структурная нестабильность обычно связана с изменением кристал­ лического строения магнита, а магнитная нестабильность его пред­ ставляет собой процесс магнитного старения.

Магнитное старение магнита происходит приблизительно по логарифмическому закону и зависит от формы кривой размагничи­ вания, относительных размеров магнита, температуры и т. п. Ко­ личественно это старение в зависимости от марки сплава характе­ ризуется величиной от десятых долей процента до нескольких про­ центов в год.

Основными методами магнитной стабилизации магнита являются частичное размагничивание его и обработка температурными цик­ лами. Частичное размагничивание магнита состоит в том, что на­ магниченный магнит подвергают воздействию переменного поля с убывающей до нуля амплитудой. При температурной обработке магнита его 3—5 раз нагревают и охлаждают до температуры не­ сколько выше и ниже ожидаемой при эксплуатации.

4-2. КОНСТРУКЦИИ МАГНИТНЫХ СИСТЕМ МАЛЫХ МАШИН

СПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ И РЕАКЦИИ ЯКОРЯ

ВЭТИХ МАШИНАХ

Конструкция магнитной системы малой машины постоянного тока с возбуждением постоянными магнитами принципиально не отличается от конструкции машины с электромагнитным возбужде­

116

нием. В ней отсутствуют лишь катушки возбуждения на полюсах. Наиболее употребительные из этих конструкций представлены на рис. 4.2.

В одних конструкциях постоянные магниты располагаются ра­ диально и имеют форму параллелепипедов, прикрепляемых к сталь­ ной станине (рис. 4.2, а), в других — форму дуг или скоб, скреп­ ляющих два полюса из мягкой стали в алюминиевом корпусе, (рис. 4.2, б), в третьих — в виде кольца, намагниченного по диа­ метру (рис. 4.2, в).

Магнитные системы малых машин постоянного тока с радиаль­ ными (рис. 4.2, а) и кольцевыми (рис. 4.2, в) магнитами выполняются^как двух-, так и четырехполюсными, а системы с дугообраз­ ными магнитами (рис. 4.2, б) — обычно двухполюсными.

Рис. 4.2. Конструкции магнитных систем малых машин с постоянными магнитами: а — радиальный магнит в форме параллелепипеда; 6 — в форме дуг или скоб; в — кольцевой магнит

Что касается влияния поперечной м. д. с. реакции якоря на маг­ нитное поле постоянных магнитов рассматриваемых машин, то при номинальном режиме работы этим влиянием практически можно пренебречь. Это обусловлено тем, что относительная магнитная проницаемость материала магнитов мала, превышая лишь в не­ сколько раз проницаемость воздуха. Следовательно, поперечная м. д. с. якоря при номинальном токе машины не может создать сколько-нибудь заметной величины поперечного поля якоря. Од­ нако при больших кратностях тока якоря по отношению к номиналь­ ному, например при работе двигателя малой мощности в реверсив­ ном режиме, влияние поперечной м. д. с. якоря на магнитное поле постоянного магнита может быть заметным. Действительно при реверсе двигателя ток якоря после изменения своего направления может достигать почти двойной величины тока короткого замыка-

117

Это обусловливает многократное увеличение поперечной состав­ ляющей м. д. с. якоря по отношению к номинальной величине и изменение направления ее действия на обратное. Следовательно, при расчете реверсивных двигателей с постоянными магнитами нужно считаться с влиянием поперечной м. д. с. якоря на размаг­ ничивание магнитов. В остальных же случаях при расчете машин с постоянными магнитами достаточно учитывать только влияние продольной и коммутационной м. д. с. якоря на поле магнитов. Для учета этого влияния служит кривая размагничивания магнита •(рис. 4.3).

Если постоянный магнит намагничен в собранной машине, то рабочая точка магнита К при нагрузке машины лежит на кривой

возбуждения малых машин наклон прямой возврата можно с до­ статочной точностью положить параллельным касательной к кри­ вой размагничивания в точке пересечения последней с осью ординат. В приближенных расчетах этих магнитов можно тангенс угла я}? наклона прямой возврата к оси абсцисс без большой по­ грешности принять в пределах (),2 —■0,3_или угол т|) = 12 -н 16°.

Учет размагничивающего действия продольной и коммутацион­ ной м. д. с. якоря на поле магнита показан на рис. 4.3. В нем сплош­ ные прямые относятся к случаю намагничивания магнита в собран­

линии проводимости собранной машины без учета насыщения ее магнитной системы;X)L— линия проводимости магнита при отсутст­

нии, параллельные соответственно OS и 0 5 '. В результате этих по-

11$

строений рабочими точками магнита при холостом ходе и ңагрузке машины будет соответственно в первом случае — точки N и К, а во втором Р и Т . .

Следуеі отметить, что в нереверсивных малых двигателях по­ стоянного тока продольная и коммутационная м. д. с. якоря усили­ вают поле магнитов. Поэтому при учете их подмагничивающего действия на магнит нужно отрезок ОС на рис. 4.3 отложить вправо

от точки О и провести затем линии С К\ или С параллельно со­ ответственно 0S и OS'. В случае же реверсивного двигателя комму­ тационная м. д. с. якоря, вследствие изменения направления тока якоря при реверсе, ослабляет поле магнита и имеет значительную величину. Следовательно, при учете м. д. с. якоря в этом случае нужно отрезок ОС откладывать влево от точки О (рис. 4.3).

Таким образом, под влиянием размагничивающего или подмаг­ ничивающего действия м. д. с. якоря происходит изменение маг­ нитного состояния постоянных магнитов. В связи с этим для обес­ печения постоянства свойств в работе машин, возбуждаемых по­ стоянными магнитами, следует до начала эксплуатации машины подвергнуть ее воздействию максимальной м. д. с. якоря путем воз­ можно большей перегрузки ее в соответствующем режиме работы.

Так, например, генератор наибольшую перегрузку по току бу­ дет иметь при коротком замыкании, реверсивный двигатель — при работе в реверсивном режиме и нереверсивный двигатель — при безреостатном пуске и коротком замыкании. Таким перегрузочным режимам работы машина должна подвергаться несколько раз, чтобы стабилизировать магнитное поле постоянных магнитов. Вообще для получения максимальной отдачи магнитной энергии магнитами в воздушный зазор машины желательно намагничивать их в собран­ ном в машине состоянии.

4-3. ПОРЯДОК РАСЧЕТА МАШИН С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Расчет малых машин постоянного тока с постоянными магни­ тами в основном производится, так же как и рассмотренных выше машин постоянного тока параллельного или независимого возбуж­ дения, по формулам позиций 1—46 и 60—68 гл. 1.

Особенностью расчета здесь является лишь проверка или уточ­ нение предварительной высоты (длины) полюса hn постоянного магнита, принятой в эскизе магнитной системы позиции 37 гл. 1 при заданном наружном диаметре станины машины. Эта проверка производится с помощью приведенной кривой размагничивания рис. 4.7 и кривой намагничивания машины, получаемой в позиции 44 гл. 1. Вместе с тем при определении основных размеров машины с постоянными магнитами — диаметра и длины пакета якоря £>н2

и/„ — необходимо иметь в виду следующий порядок выбора к. п. д.

ииндукции в воздушном зазоре (кривые на рис. 1.1 и 1.2).

При выборе в позиции 1 к. п. д. машины г) (кривые на рис. 1.1) нужно соответствующие значения его, получаемые по этим кривым, увеличивать на 15—20%.

119