Что такое полюсная дуга

На ЭДС машины влияет положение щеток: при нахождении щеток на геометрической нейтрали ЭДС наибольшая, так как в этом случае в каждой параллельной ветви обмотки все секции имеют одинаковое направление ЭДС; если же щетки сместить с нейтрали, то в параллельных ветвях окажутся секции с противоположным направлением ЭДС, в результате ЭДС обмотки якоря будет уменьшена.

При достаточно большом числе коллекторных пластин уменьшения ЭДС машины при сдвиге щеток с нейтрали учитывается множителем :

где — угол смещения оси щеток относительно нейтрали (рис. 10).

Рис. 10. Наведение ЭДС в обмотке якоря при сдвиге

щеток с геометрической нейтрали на угол

Электромагнитный момент. При прохождении по пазовым проводникам обмотки якоря тока на каждом из проводников по­является электромагнитная сила

Совокупность всех электромагнитных сил на якоре, дейст­вующих на плечо, равное радиусу сердечника якоря , создает на якоре электромагнитный момент М.

Исходя из прямоугольного закона рас­пределения магнитной индукции в зазоре (см. рис. 9, а, график 2), следует счи­тать, что сила одновременно действует на число пазовых проводников . Следовательно, электромагнитный момент машины постоянного тока (Н∙м)

Учитывая, что , а также что ток параллельной ветви , получим

Используя выражение основного маг­нитного потока (25.15), а также имея в ви­ду, что , получим выражение электромагнитного момента (Н·м):

где — ток якоря, А;

— величина, постоянная для данной машины.

Электромагнитный момент машины при ее работе в двигательном режиме является вращающим, а при генераторном режиме — тормозящим по отношению к вращающему моменту приводного двигателя.

Подставив из (8) в (12) выражение основного магнитного потока , получим еще одно выражение электромагнитного момента:

где — угловая скорость вращения;

— электромагнитная мощность машины постоянного тока, Вт.

Из (25.26) следует, что в машинах равной мощности электромагнитный момент больше у машины с меньшей частотой вращения якоря.

§ 25.4. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока

Электродвижущая сила. Она наводится в обмотке якоря ос­новным магнитным потоком. Для получения выражения этого по­тока обратимся к графику распределения индукции в зазоре ма­шины (в поперечном сечении), который при равномерном зазоре в пределах каждого полюса имеет вид криволинейной трапеции (рис. 25.14, а, график 1). Заменим действительное распределение индукции в зазоре прямоугольным (график 2), при этом высоту прямоугольника примем равной максимальному значению индук­ции , а ширину — равной величине , при которой площадьпрямоугольника равна площади, ограниченной криволинейной трапецией. Величина называется расчетной полюсной дугой. В машинах постоянного тока расчетная полюсная дуга мало отлича­ется от полюсной дуги :

, (25.13)

или, воспользовавшись коэффициентом полюсного перекрытия , получим

(25.14)

С учетом (25.14) основной магнитный поток (Вб)

(25.15)

Здесь — полюсное деление, мм;— расчетная длина якоря, мм.

Рис. 25.14. Распределение магнитной индукции

в воздуш­ном зазоре машины постоянного тока

Коэффициент полюсного перекрытия имеет большое влия­ние на свойства машины постоянного тока. На первый взгляд ка­жется целесообразным выбрать наибольшее значение , так как это способствует увеличению потока Ф, а следовательно, и увели­чению мощности машины (при заданных размерах). Однако слиш­ком большое , приведет к сближению полюсных наконечников полюсов, что будет способствовать росту магнитного потока рассеяния и неблагоприятно отразится на других свойствах машины. При этом полезный поток машины может оказаться даже меньше предполагаемого значения (см. § 26.1). Обычно = 0,6÷0,8, при этом меньшие значения соответствуют машинам малой мощности.

На рис. 25.14, б показан продольный разрез главного полюса и якоря с радиальными вентиляционными каналами. График рас­пределения магнитной индукции в воздушном зазоре по продоль­ному разрезу машины имеет вид зубчатой кривой (кривая 1). Заменим эту кривую прямоугольником высотой и основанием, величина которого такова, что площадь прямоугольника равнаплощади, ограниченной зубчатой кривой. Это основание пред­ставляет собой расчетную длину якоря (мм)

, (25.16)

где — длина полюса, мм;

(25.17)

— длина якоря без радиальных вентиляционных каналов, мм; —общая длина якоря, включая вентиляционные каналы, мм; — ширина вентиляционного канала (обычно 10 мм), мм.

При выводе формулы ЭДС будем исходить из прямоугольного закона распределения индукции в зазоре, при этом магнитная ин­дукция на участке расчетной полюсной дуги равна, а за ее пределами равна нулю и в проводниках, расположенных за пре­делами , ЭДС не наводится. Это эквивалентно уменьшению общего числа пазовых проводников в обмотке якоря до значения . Исходя из этого и учитывая, что ЭДС обмотки определяем с суммой ЭДС секций, входящих лишь в одну параллельную ветвь с числом пазовых проводников , запишем

, (25.18)

(25.19)

— ЭДС одного пазового проводника обмотки, активная длина ко­торого .

Окружную скорость вращающегося якоря (м/с) заменим час­тотой вращения (об/мин): , где .

С учетом (25.18), (25.19) получим

или, учитывая, что произведение , получим выражениеЭДС машины постоянного тока (В):

, (25.20)

где (25.21)

— постоянная для данной машины величина; Ф — основной маг­нитный поток, Вб; — частота вращения якоря, об/мин.

Значение ЭДС обмотки якоря зависит от ширины секции . Наибольшее значение ЭДС соответствует полному (диаметраль­ному) шагу , так как в этом случае с каждой секцией обмотки сцепляется весь основной магнитный поток Ф. Если же секцияукорочена (у < ), то каждая секция сцепляется лишь с частью ос­новного потока, а поэтому ЭДС обмотки якоря уменьшается. Та­ков же эффект при удлиненном шаге секций (у > ), так как в этом случае каждая секция обмотки сцепляется с основным потоком одной пары полюсов и частично с потоком соседней пары, имею­щим противоположное направление, так что результирующий по­ток, сцепленный с каждой секцией, становится меньше потока од­ной пары полюсов. По этой причине в машинах постоянного тока практическое применение получили секции с полным или укоро­ченным шагом.

На ЭДС машины влияет положение щеток: при нахождении щеток на геометрической нейтрали ЭДС наибольшая, так как в этом случае в каждой параллельной ветви обмотки все секции имеют одинаковое направление ЭДС; если же щетки сместить с нейтрали, то в параллельных ветвях окажутся секции с противоположным направлением ЭДС, в результате ЭДС обмотки якоря будет уменьшена.

При достаточно большом числе коллекторных пластин уменьшения ЭДС машины при сдвиге щеток с нейтрали учитывается множителем :

, (25.22)

где — угол смещения оси щеток относительно нейтрали (рис. 25. 15).

Рис. 25.15. Наведение ЭДС в обмотке якоря при сдвиге

щеток с геометрической нейтрали на угол

Электромагнитный момент. При прохождении по пазовым проводникам обмотки якоря тока на каждом из проводников по­является электромагнитная сила

. (25.23)

Совокупность всех электромагнитных сил на якоре, дейст­вующих на плечо, равное радиусу сердечника якоря , создаетна якоре электромагнитный момент М.

Исходя из прямоугольного закона рас­пределения магнитной индукции в зазоре (см. рис. 25.14, а, график 2), следует счи­тать, что сила одновременно действует на число пазовых проводников .Следовательно, электромагнитный момент машины постоянного тока (Н∙м)

Учитывая, что , а также чтоток параллельной ветви , получим

.

Используя выражение основного маг­нитного потока (25.15), а также имея в ви­ду, что , получим выражениеэлектромагнитного момента (Н·м):

, (25.24)

где — ток якоря, А;

(25.25)

— величина, постоянная для данной машины.

Электромагнитный момент машины при ее работе в двигательном режиме является вращающим, а при генераторном режиме — тормозящим по отношению к вращающему моменту приводного двигателя.

Подставив из (25.20) в (25.24) выражение основного магнитного потока , получим еще одно выражение электромагнитного момента:

, (25.26)

где — угловая скорость вращения;

(25.27)

— электромагнитная мощность машины постоянного тока, Вт.

Из (25.26) следует, что в машинах равной мощности электромагнитный момент больше у машины с меньшей частотой вращения якоря.

ВОЗДУШНЫЙ ЗАЗОР И ПОЛЮСЫ РОТОРА

Воздушный зазор в основном определяет технико-экономические показатели машин. С одной стороны, при увеличении зазора возрастают размеры обмотки возбуждения и потери в этой обмотке. С другой стороны, при малых зазорах повышаются добавочные потери на поверхности полюсных наконечников, а также появляется опасность при деформации ротора задевания его о статор. От зазора зависят возможные кратковременные перегрузки синхронной машины по моменту и мощности. На максимальные значения момента и электромагнитной мощности существенное влияние оказывает синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси . Чем больше зазор, тем меньше индуктивное сопротивление и, следовательно, большими будут кратности максимальных значений момента и мощности . В синхронных машинах общего назначения при выборе воздушного зазоры обычно исходят из значения , при котором или будут иметь необходимые значения. Связь между и зазором устанавливается известным соотношением

Учитывая, что , после преобразований получаем

где — индуктивное сопротивление продольной реакции якоря; — индуктивные сопротивления рассеяния и синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси; — коэффициент воздушного зазора; — коэффициент продольной реакции якоря по рис. 10.23; — коэффициент, учитывающий влияние магнитных напряжений стальных участков магнитной цепи и стыков между полюсом и ярмом для ненасыщенной машины; — максимальная индукция в зазоре при холостом ходе и номинальном напряжении, Тл; Г/м — магнитная постоянная.

Если принять в среднем и то получим

В (10.44) подставляют в А/м, — в теслах, — в м, тогда получаем в метрах. Коэффициент в скобках выбирают тем меньше, чем большее значение имеет . Нижний его предел соответствует . На рис. 10.18 дана зависимость , полученная на основании осреднения расчетных данных явнополюсных синхронных машин общего назначения. По этой зависимости, исходя из заданного значения , можно предварительно найти и подставить в (10.44). Для синхронных двигателей согласно ГОСТ 183 . Такое же значение можно принимать для кратности максимальной мощности у генераторов. Обычно отношение лежит в пределах 1,65…2,5.

Рис. 10.18. Зависимость от

В современных синхронных машинах воздушный зазор по ширине полюсного наконечника делают неодинаковым. Чтобы получить распределение магнитного поля, приближающегося к синусоидальному, зазор под краями полюсов берут примерно в 1,5 раза больше, чем в середине, т. е. , где — зазор под серединой полюса. С этой целью радиус дуги полюсного наконечника выбирают меньше внутреннего радиуса статора (рис. 10.19):

Рис. 10.19. Размеры ротора синхронной явнополюсной машины

Среднее значение зазора принимают равным:

Равномерный воздушный зазор по всей ширине полюсного наконечника в настоящее время применяют иногда в машинах небольшой мощности.

Длина полюсной дуги

где — коэффициент полюсного перекрытия (конструктивный).

При хорда, соединяющая края полюсного наконечника, практически не отличается от дуги.

От зависит использование активного объема машины. С увеличением при прочих равных условиях уменьшается объем активной части машины, но возрастает поток рассеяния полюсов. Обычно выбирают в пределах 0,68…0,73.

Полюсы чаще всего выполняют шихтованными. В крупных машинах для полюсов используют сталь Ст3 толщиной 1 или 1,4 мм. Запрессовку сердечников полюсов осуществляют с помощью нажимных щек и шпилек.

Полюсы в быстроходных машинах при м/с прикрепляют с помощью хвостов к шихтованному остову (см. рис. 10.3 и 10.19), а в тихоходных машинах приворачивают шпильками к ободу магнитного колеса (см. рис. 10.2). Шихтованный обод и магнитное колесо изготавливают из стали Ст3.

У машин мощностью меньше 100 кВт полюсы собирают из листов электротехнической стали и прикрепляют проходящими через них болтами к напрессованной на вал втулке или непосредственно к валу. Применяют конструкцию ротора, показанную на рис. 10.7. Более подробно о креплении полюсов изложено в § 9.5.

Высоту полюсного наконечника (см. рис. 10.19) выбирают, исходя из того, чтобы была возможность разместить на его краях стержни демпферной (пусковой) клетки, а также из условий достаточной механической прочности. В табл. 10.9 приведены значения в зависимости от полюсного деления машины.

Длины полюсного наконечник и полюса по оси машины принимают равными длине статора (или на 1—2 см меньше).

Таблица 10.9. Значения в зависимости от полюсного деления машины

Высота полюсного сердечника , м, предварительно может быть найдена по одной из следующих формул:

для машин 16—20-го габаритов:

для машин 10—15-го габаритов при :

для машин 10—15-го габаритов при :

для машин небольшой мощности (до 100 кВт):

В (10.48) и подставляют в метрах.

Окончательно высоту устанавливают после расчета и укладки обмотки возбуждения (см. § 10.15) и вычерчивания эскиза с расположением ее проводников в межполюсном пространстве.

Ширину полюсного сердечника определяют, исходя из допустимого значения индукции в основании полюса. При определении индукции необходимо учитывать поток рассеяния полюса . Этот поток наряду с основным потоком проходит по сердечнику полюса (см. § 10.11). Таким образом, поток полюса

где — коэффициент рассеяния.

Поток и коэффициент рассеяния зависят от размеров полюса, которые пока неизвестны. Предварительно коэффициент рассеяния можно определить так:

где и — в метрах; — коэффициент, зависящий от высоты полюсного наконечника .

При выборе коэффициента можно руководствоваться следующими данными:

Тогда ширину полюсного сердечника находят по следующей формуле

Коэффициент заполнения полюса сталью принимают при толщине листов 1 мм — 0,95, при толщине листов 1,4 мм — 0,97. Индукцию выбирают в пределах 1,4…1,6 Тл.

Расчетная длина сердечника полюса, м,

где — толщина одной нажимной щеки полюса, м:

В (10.52) принимают , а не , чтобы приближенно учесть ослабление сечения щек за счет закругления краев и отверстий для гаек стяжных шпилек.

Размеры остова или обода магнитного колеса в большинстве случаев определяются конструктивными соображениями и требованиями механической прочности и получаются больше, чем это необходимо для проведения магнитного потока. Ввиду этого при электромагнитном расчете определяют длину остова или обода и их минимально возможную толщину . В дальнейшем при размещении обмотки возбуждения на полюсе и при разработке конструкции толщина остова или обода, а также их внешние диаметры и размеры самого полюса должны быть уточнены:

для крупных машин м, для средних м и для малых ;

Индукция выбирается в пределах 1…1,3 Тл.

Дата добавления: 2017-05-02 ; просмотров: 2425 ;