Техн ЕМБ / Лек ТЕД
.pdf
В. Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
Вповітряному зазорі
BЗ BЗО BРЯ ,
де BЗО – індукція в повітряному зазорі від робочого потоку при
холостому ході. |
|
|
|
|
|
При рівномірному (концентричному) зазорі |
BРЯ x , |
||||
BЗО x BЗР (х) const (рис. 2.12). |
|
|
|
|
|
Відстань між осями двох різнополярних щіток: |
|
||||
к |
DК |
|
DК |
. |
(2.39) |
|
|
||||
2 р |
|
DЯ |
|
||
|
|
|
|||
Безперервний, неступінчастий характер залежності UK (x)
відповідає переміщенню однієї секції обмотки в полі головного полюса. При цьому:
К
U K dx U Я U К IrЯ U K . |
(2.40) |
0
Що таке коефіцієнт спотворення розподілу магнітного поля під головним полюсом та коефіцієнт стійкості повітряного зазору? Як ці коефіцієнти пов’язані між собою?
Коефіцієнт спотворення розподілу при рівномірному зазорі:
kСП |
ВЗР ВРЯ |
1 |
|
А |
, |
(2.41) |
|
ВЗР |
|
|
|
2 kП ВЗР |
|||
|
|
|
|
|
|
||
ВРЯ – індукція реакції якоря під краєм полюса.
З урахуванням спаду магнітної напруги в повітряному зазорі FЗ:
k |
1 |
|
А 1 |
|
|
FРЯ |
. |
|
(2.42) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
СП |
|
|
|
2FЗ |
|
|
FЗ |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Коефіцієнт спотворення напруги зростає при послабленні збуд- |
|||||||||||||||
ження: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
А |
|
|
||||||
|
|
|
kСПО |
|
|
|
|
|
|
|
kСП , |
(2.43) |
|||
|
|
|
|
|
2 FЗ |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
де kСПО , kСП |
– коефіцієнти спотворення при ослабленому та |
||||||||||||||
повному збудженні. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
61
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
Рисунок 2.12 – Розподіл напруги по колу коллектора при рівномірному повітряному зазорі
Спотворюючий вплив реакції якоря можливо оцінювати коефіці-
єнтом стійкості повітряного зазору:
|
k |
|
FЗО |
|
|
2FЗО |
, |
(2.44) |
||
|
C |
|
|
|
|
|
||||
|
|
FРЯ |
|
А |
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||
де FЗО |
– спад магнітної напруги під краєм полюса при холо- |
|||||||||
стому ході. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Відповідно: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
1 |
1 kC |
. |
(2.45) |
||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
СП |
|
|
|
|
|
|||
Як впливає коефіцієнт стійкості на роботу машини? Що таке |
||||||||||
конструктивний коефіцієнт стійкості? |
|
|
|
|
|
|||||
При kC |
1 можливе виникнення негативних значень напруги на |
|||||||||
колекторних пластинах за рахунок негативних значень індукції. Це не тільки збільшує UK max , але може призвести до лавинного процесу
62
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
перемагнічування машини з катастрофічним зростанням струму. Машина втрачає магнітну, потенціальну стійкість.
За умовами стійкості:
min |
H UKCP |
, |
(2.46) |
||
kC (UK max |
H UKCP ) |
||||
|
|
||||
|
|
|
|||
де H – коефіцієнт підвищення напруги в умовах експлуатації. Магнітну стійкість найчастіше оцінюють конструктивним
коефіцієнтом стійкості для годинного режиму: |
|
|
|
|
|||
kCK |
FЗ FZ FЯ |
|
2(FЗ FZ |
FЯ ) |
. |
|
(2.47) |
FРЯ |
|
A |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
для машин з концентричним повітряним зазором при |
min |
повинно |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
бути kCKО 0,9 1,0 . Якщо зазор збільшується у напрямі країв го-
ловного полюса (розходиться), полюс має спеціальну форму. Для машин з компенсаційними обмотками та безпазовими якорями kCKО 0,8 0,85 .
2.6. Способи підвищення потенціальної стійкості
Які форми повітряних зазорів застосовують у тягових двигунах та як це впливає на конструкцію осердя головного полюса та роботу тягового двигуна? Що таке коефіцієнт розкриття повітряного зазору? Як зменшують дію реакції якоря за допомогою рогів осердь головних полюсів?
Абсолютної потенціальної стійкості роботи тягових двигунів при всіх експлуатаційних умовах забезпечити не вдається, але її намагаються підвищити. Для цього широко застосовують зазори, які розходяться під головними полюсами. Їх доцільність виходить з рівняння (2.37). Ступінь розширення зазору, який рівномірно розходиться, оцінюють коефіцієнтом його розкриття
kP |
K |
, |
|
||
|
C |
|
де K , C – зазори під краєм та серединою полюса; X – зазор на відстані х від середини полюса.
Зазор, який рівномірно розходиться (рис. 2.13, а), описується рівнянням:
63
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ |
|
X C 1 (kP 1) X , |
(2.48) |
де Х – відносна відстань будь-якої точки х від середини полюса:
X2x 2x , bГ
де bГ – геометрична полюсна дуга.
а |
б |
в |
г |
Рисунок 2.13 – Зазор, який рівномірно розходиться, та індукція в ньому (а); ексцентричний (б), клиноподібний (в) зазори
та зазор, який частково розходиться (г)
Точне виконання зазору, який рівномірно розходиться, утруднене, тому виконують зазори інших форм. Найбільш розповсюджений
64
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
ексцентричний зазор (рис.2.13, б), в якому поверхня полюса має радіус:
R1 |
0.5DЯ |
С |
, |
|
де – зміщення центру кола полюса відносно центра якоря. |
||||
Ексцентричний зазор досить точно описується рівнянням: |
|
|||
X |
C 1 (kP |
1)X 2 . |
(2.49) |
|
Близький до зазору, який рівномірно розходиться, клиноподібний зазор, який досить точно описується рівнянням (2.48). Для нього
R1 |
[(0,5Dя |
С )2 |
|
|
2 ]0,5 . |
|
||||
Така форма зазору викликає технологічні труднощі. Зазор, який |
||||||||||
частково розходиться (на ділянках b) наведено на рис. 2.13, г. |
|
|||||||||
В межах частини, яка розходиться, зазор описується рівнянням: |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
2 |
|
x |
C |
1 |
(kP |
1) |
|
|
, |
(2.50) |
||
k |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
де |
|
k |
|
2b bГ . |
|
|
|
|
||
Таку форму зазору застосовують рідко. |
|
|||||||||
При зазорах, які розходяться, індукція холостого ходу під полю- |
||||||||||
сом BЗО розподіляється нерівномірно (рис. 2.13, а). |
|
|||||||||
Індукції: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
BЗХ |
|
FЗО |
хА |
, |
|
(2.51) |
|||
|
|
kЗ |
(х) |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
ВЗО |
|
|
|
FЗО |
|
. |
|
(2.52) |
|
|
|
|
kЗ (х) |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Найбільше значення індукції ВЗО max |
– під серединою полюса. |
|||||||||
Якщо при концентричному зазорі індукція реакції якоря |
ВРЯ (х) ~ |
|||||||||
FРЯ (х) , тобто змінюється лінійно, то при зазорі, який розходиться |
||||||||||
ВРЯP (х) змінюється менш |
інтенсивно, |
|
ніж FРЯ (х) . Відповідно |
|||||||
індукція ВЗ max буде вже не під краєм полюса, а на відносній відстані х від його середини.
65
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
Для зручності розрахунку магнітних систем нерівномірні зазори замінюють еквівалентним kЗ е , тобто таким концентричним зазо-
ром, у якого спад магнітної напруги відповідає спадові в зазорі, який розходиться:
|
|
kЗ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
bГ |
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
(2.53) |
|||
|
|
е |
bГ |
2 |
|
dx |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
kЗ |
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Тоді коефіцієнт ефективності |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
ke |
|
|
|
|
kЗ |
е |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.54) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Для ексцентричного зазору: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
ke |
|
|
|
|
|
|
|
|
k p |
1 |
|
|
. |
|
|
|
|
|
(2.55) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
arctg |
k p |
1 |
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
Для клиноподібного зазору: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
ke |
|
|
|
|
k p |
1 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.56) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ln k p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Для зазору, який частково розходиться: |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ke |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k p |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
(2.57) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
(1 |
k) |
k p |
1 |
|
k |
arctg |
|
k p |
1 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
Для зазорів, які |
розходяться, |
значення |
найбільшої |
індукції |
||||||||||||||||||||||
Bз max , її відносне розташування |
|
xmax , |
коефіцієнт спотворення |
|||||||||||||||||||||||
розподілу Kсп , можливо визначити |
знаходячи |
максимум |
функції |
|||||||||||||||||||||||
Bз (х) , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dBз (х) |
|
|
d |
|
|
|
Fзо |
xmax A |
|
0 . |
|
|
(2.58) |
||||||||||||
|
|
dx |
|
dx |
|
|
|
|
|
Kз |
(х) |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
Рішення цього рівняння дає значення xmax . Виходячи з рівняння |
||||||||||||||||||||||||||
(2.51), визначають індукцію Bз max й коефіцієнт спотворення |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
Kсп |
1 |
|
|
xmax e Kce |
, |
|
|
|
|
|
|
(2.59) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
66
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
де Kce – коефіцієнт стійкості для ефективного зазору
Kce 2FзоеА ,
Fзое – МРС еквівалентного повітряного зазору при холостому
ході.
Для ексцентричного зазору:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
xmax |
Ксе[ |
|
|
1 |
1 |
|
|
|
1] . |
(2.60) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
Ксе2 (К р |
1) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Для цього ж зазору з рівняння (2.59) |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ксп |
|
|
|
Ксе2 (К р |
1) |
|
. |
(2.61) |
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Ефективність зазорів, |
які |
|
розходяться, залежить від |
їхнього |
|||||||||
розкриття, тобто – від коефіцієнта К р . Звичайно вважають |
К р 2 , |
||||||||||||
Для цих умов ефект від застосування зазору, який розходиться, можливо оцінити як
Кспк |
|
|
|
|
|
|
2 |
1 , |
(2.62) |
||||
|
|
Ксе |
||||
Кспр |
||||||
|
|
|
|
|
||
де Кспк , Кспр – коефіцієнти спотворення концентричного зазо-
ру та такого, який розходиться.
Спотворюючу дію реакції якоря можливо обмежувати за допомо-
гою рогів осердь головних полюсів та діамагнітних (пластмасових) вставок, які підвищують опір потоку реакції якоря (рис. 2.14).
Рисунок 2.14 – Полюсне осердя з тонкими рогами й діамагнітною вставкою: 1 – якір; 2 – полюс; 3 – остов; 4 – діамагнітна вставка
67
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
2.7 Особливості струмознімання в тягових двигунах з компенсаційною обмоткою та безпазовими якорями
Як визначається ступінь компенсації у двигунах з компенсаційною обмоткою?
Компенсаційні обмотки, які нейтралізують спотворюючий вплив реакції якоря, підвищують потенціальну стійкість машини, зменшуючи МРС в зоні комутації, полегшують роботу додаткових полюсів.
Ефективність компенсаційної обмотки (КО) залежить від ступе-
ня компенсації:
Kк |
Fкох |
|
Ако |
|
Ако |
0,8 1,2, |
(2.63) |
Fрях |
|
А |
|
А |
|||
|
|
|
|
|
де Fрях , Fкох – МРС реакції якоря й КО на відстані х від середини полюса; Ако – лінійне навантаження КО:
Ако Nко Іко
Іко І
ак – струм в провідниках КО, який при числі паралельних гілок КО ак 1 дорівнює І.
Як розподіляються МРС та індукція під головним полюсом у двигуні з компенсаційною обмоткою? Які особливості конструкції магнітопроводу такого двигуна?
Дію компенсаційної обмотки можливо пояснити таким чином.
На діаграмі рис.2.15 суцільні лінії відповідають Кк |
1 |
||||||
Найбільша МРС КО: |
|
|
|
|
|
|
|
|
Fко max |
Fря |
0,5А . |
|
|
(2.64) |
|
При Кк 1 МРС |
Fко |
під головним полюсом при концентрич- |
|||||
ному зазорі повністю компенсує |
Fря . Між головними полюсами, де |
||||||
КО відсутня, її МРС Fкоmax |
const . |
|
|
|
|
||
Найбільша залишкова МРС та індукція під додатковим полюсом |
|||||||
(під його серединою): |
|
|
|
|
|
|
|
F' |
F |
|
F |
0,5A (1 К |
к |
) . |
(2.65) |
ря max |
ря max |
коmax |
|
|
|
||
68
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
а
б
в
Рисунок 2.15 – Схема розташування компенсаційної обмотки (а), діаграми її МРС (б), криві розподілу індукції в повітряному зазорі (в)
Значне зменшення Fря max дозволяє зменшити необхідну МРС додаткового полюса (див. § 2.4). Якщо Кк 1, то під головним полю-
сом – недокомпенсація , а при Kк |
1 – перекомпенсація реакції якоря |
||
(штрихові лінії на рис.2.15). |
|
|
|
В двигунах з КО не потрібен зазор, що розходиться. Тому їх ви- |
|||
конують з |
концентричним зазором, зменшеним до |
3 4мм , |
|
(Рном 250 |
300кBт) або до 4.5 |
6.0мм (Рксм 300кBт) . |
|
Зменшення повітряного зазору δ дозволяє зменшити МРС полюсних обмоток та число витків їхніх котушок. Тягові двигуни великих потужностей виконують з КО, тому вони мають кращі конструктивні параметри, ніж без КО.
Найбільш ефективним був би рівномірний розподіл КО та якірної обмотки, а не розташування їх в пазах.
Число пазів КО на полюс Zко 6 12 , що призводить до нерівномірної індукції Bзо навіть при холостому ході.
Як впливає зубчастість поверхні полюсу з компенсаційною обмоткою на розподіл МРС під головним полюсом?
69
В . Д. ФЛОРА . ТЯГОВІ ЕЛЕКТРИЧНІ ДВ ИГУНИ
Врахування тільки зубців полюса дає картину компенсації реакції якоря, наведену на рис. 2.16.
Навіть при Кк |
1 з’являється залишкова МРС |
|||||||||
|
|
0.5tко Ако |
|
F(x) . |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
При цьому |
' 1 F |
Кс Zко |
. |
|||||||
|
|
|||||||||
Ксп |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
Fз |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
З урахуванням зубцевої будови якоря повне значення
|
К |
1 |
|
|
|
|
|
||
Ксп |
Кс Zко |
. |
||
|
||||
|
|
Рисунок 2.16 – Вплив зубцевої будови полюсу на компенсацію реакції якоря
Вплив зубцевої будови магнітопроводів можливо зменшити застосовуючи скіс пазів обмотки якоря (або й КО) в межах кроків t1,tко .
Таке виконання дозволяє наблизити дію МРС обмоток до ідеальної (рис. 2.15), хоча при цьому ускладнюється технологія виготовлення машини.
Які особливості струмознімання в двигунах з безпазовим яко-
рем?
Для покращення струмознімання перспективними є тягові дви-
гуни з безпазовим якорем.
Особливістю таких якорів є те, що їх якірна обмотка суцільним шаром покриває поверхню ізольованого якірного осердя. Їхній розрахунковий діамагнітний зазор між якорем та полюсом
70