Конструктивні особливості мпс

Основні деталі

Конструктивна принципова схема (рис.2.1) позначає основні деталі машини: 1 - статор; 2 - ротор; 3 - підшипники; 4 - вал; 5 - зазор; 6 - підшипникові щити; 7 - корпус.

 

 

         

                  

 

 

1 – статор; 2 – ротор; 3 – підшипники; 4 – вал; 

5 – зазор; 6 – щити; 7 – корпус

 

Рисунок 2.1 – Конструктивна схема машини

 

Статор і ротор включають в себе стальні осердя, виготовлені з листів електротехнічної сталі товщиною 0,35...0,5мм. В машині постійного струму (МПС) на статорі розміщують індуктор (полюси з обмотками), що забезпечує створення магнітного потоку в зазорі, на роторі - якорі, що слугує для створе­ння ЕРС в його обмотці. Індуктор складається із головних полюсів, станини (корпус) та додаткових полюсів. Якір складений з осердя (на зовнішній поверхні якого виготовлені пази) та обмотки з мідного дроту. На одному валу з якорем розташовують одну з найважли­віших деталей - колектор. Колектор машини являє собою порожнистий циліндр, що збирається з мідних пластин, ізольованих одна від од­ної (та від валу) міканітом, та стягнутих за допомогою конусних гайок.

Всі вищезазначені частини, які слугують для проведення стру­му, або ж магнітного потоку через зазор, звуться активними частинами машини.

Добавочні полюси необхідні в МПС для покращення комутації  (іскріння під щітками на колекторі). Розташовують їх між головни­ми полюсами по лінії геометричної нейтралі. Частіш за все ці по­люси масивні, але для різкозмінного навантаження їх шихтують.

Колектор і якір напресовують на вал, який обертається в під­шипниках (3). Підшипники закріплюються на бокових щитах 6, що, в свою чергу, фіксуються до корпусу 7.

 

Контрольні питання до тем 1,2

1. Які основні деталі МПС?

2. Що таке статор (ротор)?

3. Яку роль відіграє індуктор МПС?

4. Що таке якір?

5. Де розташовується якорна обмотка, для чого вона?

6. Що таке колектор? Його призначення.

7. Як фіксують щітки?

 

МАГНІТНЕ КОЛО

Потік полюсів

Магнітним колом (МК)МПС зветься сукупність пристроїв для створення і підтримування магнітного потоку Ф₀через феромагні­тні та неферомагнітні ділянки (поділки) магнітної системи. Потік Ф_о     створюється в зазорі (проміжку між статором і ротором) зав­дяки дії МРС індукторних обмоток на полюсах. Кількість полюсів 2р (р - кількість пар полюсів) завжди парне число. Північні N     та південні Sполюси МПС чергуються.

Магнітний потік полюса має дві складові:

- потік в зазорі шириною d - Ф₀ – основний потік;

- потік, що замикається між полюсами по повітряному проміжку, незаходячи в осердя якоря: Ф_s

тому  

Тут коефіцієнт К_s зветься коефіцієнтом розсіювання.

В загальному випадку К_s=1,15...1,25.  

Густина магнітного потоку в зазорі - індукція В_d – визначає величину ЕРС машини - нерівномірна вподовж полюсної дуги t (полюсна поділка) якоря

де Да     - діаметр якоря по його поверхні.

Картина поля в зазорі (рис.3.1) дозволяє знайти розрахункове значення індукції В_d

 

Рисунок 3.1 – Картина поля в зазорі

 

Складна картина поля вподовж полюсної поділки t заміню­ється прямокутною (пунктир на рис.3.1) довжиною в¢.

Закон повного струму

 

 

Рисунок 3.2 – До закону повного струму

 

За основу розрахунку МК прийнято закон повного струму, ана­літичний вираз якого наступний

ліва частина є інтеграл від напруженості магнітного поля по де­якому замкненому контуру  (циркуляція вектора ); І_повн – алгебраїчна сума стру­мів, що входять в контур . Якщо магнітне коло складається з декількох ділянок з постійним значенням напруженості вздовж них, то інтеграл замінюється сумою інтегралів, а саме

  Тоді остаточно маємо:

тут W₁,  W₂,  W₃ … W_k  – кількість витків з відповідни­ми струмами І₁; І₂ і І₃...І _kв контурі. Тут і - но­мер ділянки кола, К- номер струму.

З ТОЕ відомо також, що: котушки з струмом І _k, створюють:

1.  - може бути знайдене з кривих намагнічування з метою вилучення проміжних величин m_{і та} m₀.

2. - може бути заданою згідно з методикою вирішення прямих задач магнітних кіл.

На цій підставі може бути установлений наступний порядок розрахунків магнітного кола:

1. Розподіл кола МК на відрізки (ділянки) з постійною напруженістю Н_і.

      2. Вибір або розрахунок індукції В_ікожної ділянки.

        3. Знаходження Н_і.за значенням В_і      на підставі кривих В=f(H)  заданого матеріалу МК.

       4. Визначення середньої довжини ділянки l_і.

       5.Визначення МРС ділянки F_i=H_il_i та МРС всієї довжини МК  

F_k=F₁+F₂+….

Для знаходження МРС в амперах слід приймати індукцію B в теслах (Тл); Н в [A/м]; l в метрах.

Загальна таблиця одиниць виміру магнітних і електричних ве­личин в системі SI (СІ)наступна:

Для немагнітних матеріалів – діамагнітних і парамагнітних:

m₀=mm₀; m₀=4p×10^-7 Гн/м.

А, тому що для магнітних матеріалів, mзалежить від Н,то залежність В=m_аНзадається в довідниках.

 

 

Ділянки магнітного кола

 

  В магнітному колі машини розрізнюють п'ять ділянок, на яких напруженість поля практично постійна:

- повітряний проміжок-зазор;

- зубцева зона якоря;

-  спинка (тіло) якоря;

- осердя полюса;

- ярмо.

В найбільш загальному виг­ляді потік полюса відносно осі його розпадається на 2 частини, які створюють два однакових симетричних магнітних контури. Кількість цих конту­рів дорівнює 2р - кількості полюсів МПС, а р- кількість пар по­люсів.

Повна МРС F_к на пару полюсів МПС визначається сумою МРС окремих ділянок.

Розрахунки МРС ділянок можуть виконуватись для одного магніт­ного контуру (рис.3.3), тобто розрахунок МК проводиться для сере­дньої силової лінії магнітного потоку контуру.

Рисунок 3.3 – Розрахунки МРС ділянок для одного магніт­ного контуру

 

Так як потік проходить послідовно по всім п'ятьом ділянкам МК, то МРС (холостого ходу МПС) буде дорівнювати:

F_k=F_d+F_з+F_а+F_п+F_я=2×І_збW_зб,

тут І_зб; W_зб - струм та кількість витків обмотки збудження.

Найбільший магнітний опір зосереджений в повітряному проміжку ШС. Для проведення потоку через зазор тратиться 85%МРС всього кола. В табл. 3.1 зведені всі магнітні та геометричні величини ділянок МК.

 

Таблиця 3.1 – Магнітні та геометричні величини ділянок МК

Ділянки магнітного кола	Ф	В	S	H	l	F-МРС
1. Зазор	Ф0	Вd	S d	Н d	2d	F d
2. Зубці	Ф0	В3	S 3	Н 3	2h3	F 3
3. Спинка		Ва	S а	Н а	lа	F а
4. Полюс	Фn=KdФ0	Вn	S n	Н n	2hn	F n
5. Ярмо		Вя	S я	Н Я	lя	F я

 

Тапер згідно з законом повного струму:

враховуючи вираз із ТОЕ: В_і=m_іm₀Н_і, можна записати

але В_і=Фі/Si, тоді  маємо

  Висновок: вищезаписані рівняння показують, що для знаходження F_k треба знайти Н_і     і помножити на l_i та всі добутки просумувати; якщо відомо Ф₀ ігеометричні розміри, то легко знайти В_і   ділянки. Конкретні вирази дивись нижче.

 

МРС зазору

Як уже зазначалося в 3.1. потік полюса в зазорі Ф₀ розподіляється вздовж полюсної поділки tнерівномірно (рис.3.1). Але є ще   одна особливість конструкції МПС, яка впливає на величину МРС зазора F_d. Як вздовж кола якоря, так і по довжині полюса (тобто в поперечному (рис.3.4) та в поздовжньому перерізах) індукція (густина) магнітного потоку розподіляється не рівномірно. Ця картина ускладнюється наявністю пазів (рис.3.4) та радіальних каналів (рис.3.5) вентиляції ротора.

Тому реальна картина поля замінюється зведеною за умови, що ця заміна задовольняв необхідну точність розрахунків. Така замі­на передбачає прямокутне розподілення індукції на більший частині t. В цьому випадку розрахункова полюсна дуга дорівнює:

де в¢=в+2d.

 

 

 

Рисунок 3.4 – Розподіл індукції поля в зазорі

 

Звичайне значення a¢ = 0,6...0,7, в- реальна дуга по­люса.

Вздовж осі полюса дійсна картина індукції замінюється також прямокутною з висотою в_d. l_n- довжина полюса. Якщо:

l_a - повна довжина якоря, а n_k - кількість вентиляційних,  в_к   - ширина каналу, тоді l¢=l_a-n_кв_к, а зведена довжина зазору:

Якщо каналів немає, то l=l_а= l_n. На практиці вважають, що

Після знаходження зведених геометричних розмірів зазору потік

Ф₀=В_d×в¢l¢=B_da¢tl¢.

Звідки

 

 

Рисунок 3.5 –

 

 

Практично: В_d=0,3...1,0 Тл вибір залежить від частоти f перемагнічування якоря: f=n/60, де n – швидкість обертання якоря, об/хв.

Тому що якір МПС зубчастий, то довжина магнітних трубок різна: над зубцями вони коротші і їх більш, над пазами вони дов­ші і їх меню. Цю кар-тину усереднюють, замінюючи реальний зазор d  розрахунковим зведеним d¢

d¢=К_dd.

Тут К_d- коефіцієнт зазору, підраховується він за допомогою формули Картера для МПС з прямокутними пазами:

де  – зубцева поділка ( =в_з1+в_n1) по поверхні якоря  –;

   в₃₁ – ширина зубця (по зовнішньому діаметру).

В заключення наведемо формулу для F_d

 

МРС зубцевої зони

 

Проминувши зазор магнітний потік Ф₀     вступає в зубцеву зону, де він розгалуджується по двом напрямкам: по зубцях і по пазах.

Співвідношення між цими двома потоками залежить від магніт­ної проводимості цих напрямків

,

тут S_п і S_з – переріз паза і зубця, а h_п і h_з  –   висота зубця.

Розрахунок зубцевої зони проводять на одній зубцевій поділ­ці  

.

Потік однієї полюсної поділки в зазорі:

Ф_t=В_d×t₁l¢.

З іншого боку (рис.3.6) потік Ф_t   (на відстані X     від поверхні якоря) розподілений на 2 складові (зубцеву і пазову)

Ф_t=Ф_зx+Ф_nx.

Якщо поділити на площину поперечного перерізу зубця S_зх на від­стані Xвід зазору, будемо мати:

Це три індукції:

а)  – розрахункова індукція, якби весь потік Ф_t проходив по зубцю,  або ;

 б)        - реально існуюча індукція в зубці на відстані Х;

в)  третя складова перетворюється таким чином:

 Тут S_зх – поперечний переріз паза (м²): ;

  К_пх – пазовий (іноді зубцевий) коефіцієнт, що залежить від геометрії паза і зубця, а саме

де t_х – зубцева поділка по перетину Х (від поверхні якоря);

в_зх – ширина зубця у цьому перетині;

l¢ – розрахункова довжина якоря;

l – повна довжина пакета якоря;

К_с – коефіцієнт заповнення, що враховує товщину ізоляції листів якоря, К_с=0,88¸0,93.

Рисунок 3.6 –  Розподіл поля в зубцевій зоні

 

Визначання МРС зубцевої зони можна знайти, як інтегральне значення кривої Н(х)(рис.3.6), але ця крива для кожної маши­ни має свій вигляд. Тому її інтегрування практично дуже усклад­нюється. При конструюванні МК розрахунки ведуть наступним чином.

В довідниках дають сімейство характеристик:

В¢_зх=f(Н_зх), яке будується за рівнянням

В¢_зх=В_зх+m₀Н_пxK_пx=В_зх+m₀Н_зxK_пx,

тут Н_пx= Н_зx, тому що і паз, ізубець знаходяться дід однією магнітною напругою

U_m=Hl=H_пh_п=H_зh_з, а h_п=h_з то H_п=H_з.

Сімейство кривих будується для різних заданих значень K_пx (від K_пx=0,5 до K_пx=2,2).

 

 

Рисунок 3.7 – Сімейство кривих для зубцевої зони

 

Побудова В¢_зх=f(Н_зх)  здійснюється таким чином:

1. Будується крива В(Н)для заданої сталі.

1. Задаються рядом значень В_зхі знаходять Н_зх по кривій В(Н).  

2. Задаються коефіцієнтом К_п (наприклад, К_п=0,5).

4. Знаходять: В¢_зх=В_зх+m₀Н_{зx (}точка К₁).

5. Будується   В¢_зх=f(Н_зх)  вище від кривої В(Н).

Таку побудову вже здійснили для всіх можливих К_пхі на­вели в посібниках для проектування МПС з прямокутними пазами. Маючи сімейство характеристик, можна знайти значення Н_зх за заданою величиною X, знаючи розрахункову В¢_зх  та пазовий коефіцієнт К_пх     для цього Х-го перерізу, потім побудувати Н_з=f(х), проінтегрувати її і знайти необхідна значення Н_зяк інтеграл поділений на h₃.

Практично величину інтегрального значення Н_ззнаходять за формулою чисельного інтегрування монотонних кривих (формула Сімпсона):    

  Тобто беруть три переріза зубця .

Для Х=0,

  Х=0,5×h₃ (середина зубця):

Для Х=h₃ (дно паза):

Знаючи К_п1; К_Пср; К_п2,   та відповідні В¢₃₁; В¢_3ср; В¢₃₂ знаходимо необхідні Н₃₁; Н_3ср; Н₃₂. Потім обчислюють інтегральне Н₃ і знаходять МРС зубцевої зони:

F₃=2H₃h₃.

Спрощені розрахунки МРС зубцевої зони виконують для :

Орієнтовне значення індукції в зубці (максимум)

в₃₂=1,8 ¸ 2,3 Тл.

 

МРС спинки якоря

 

Хоча відомо, що потік Ф_ав спинці якоря розподіляться нерівномірно (біля зубців індукція вища, ніж біля валу), але цим явищем нехтують і виходять із середньої величини індукції В_а:

тут D₁ - внутрішній діаметр осердя (або діаметр вала). З кривої намагнічування В(Н)для заданої сталі знаходимо напруженість Н_а в залежності від В_а. Тоді:

де (див.рис.3.3)

     Найбільш поширене значення В_а=1,0¸1,5.

 

МРС полюсів і ярма

 

Порядок розрахунків МРС полюсів і ярма такий же, як і для якоря, тобто:

де S_n – перетин полюса.

Орієнтовано:

                            K_s=1,28      D_а<25 см;

                            K_s=1,25      D_а>25 (до 75 см).

З кривої В(Н) знаходимо Н_п, а далі:

F_п=H_п×2h_n=2Н_п× h_n

 

потік в ярмі:

Індукція в ярмі:

тут s_я – переріз ярма, Н_я – з кривих В(Н) для литої сталі ярма за відомою індукцією.

Довжина путі потоку в ярмі, якщо відома радіальна висота ярма  h_я, знаходиться за виразом

Потім знаходимо F_я=Н_я×l_я.