Литература / Пиотровский_Электрические_машины_учебник_1974

одного стержня. Для увеличения напряжения должна быть увеличена окружная скорость стержня или же концы каждого изолированного стержня необходимо присоединить к отдельным кольцам и через щетки включить последовательно так, чтобы о. д. с отдельных стер­ жней складывалась. В обоих случаях значительно возрастают потери от трения щеток о кольца и снижается надежность машины.

Основным достоинством униполярной машины является отсутствие пульсаций напряжения и простота конструкции. Униполярные ма­ шины могут применяться при низком напряжении (до 25 в) и большом токе (свыше 10 000 а). При более высоком напряжении и меньшем токе униполярные машины не имеют существенных преимуществ по сравнению с коллекторными машинами и в настоящее время не изготовляются. Поэтому в дальнейшем рассматриваются рабочие

процессы наиболее распространенных машин постоянного тока с чередующейся полярностью полюсов.

Для нормальной работы машины (рис. 1-5), передачи вращающего момента, обеспечения необходимой жесткости и прочности активных частей имеются конструктивные части: вал 7, подшипники 8 , подшип­ никовые щиты 9 или фундаментная плита с подшипниковыми стой­ ками, щеткодержатели 10. Для охлаждения машины служит венти­ лятор 11.

Главные полюсы предназначены для создания основного маг­ нитного потока в машине. Полюс (рис. 1-7) состоит из сердечника 1 и катушки возбуждения 2. Со стороны, обращенной к якорю, сер­ дечник полюса имеет расширенную часть — полюсный наконечник, при помощи которого достигается необходимое распределение маг­ нитного потока в зазоре между полюсами и якорем. Наконечник ис­ пользуется также для крепления катушки возбуждения. В современ­ ных машинах сердечник полюса собирается на заклепках из листовой стали толщиной 0,5—1 мм. Катушка изготовляется из медного или алюминиевого обмоточного провода. Намотка катушки малых машин производится на шаблон, а крупных машин — на жесткий каркас.

Полюс прикрепляется к станине 3 при помощи болтов 4. Станина представляет собой короткий полый цилиндр, по которому проходит

17 ;

магнитный поток от одного полюса к двум соседним. Кроме того, ста­ нина является основным конструктивным элементом статора, обеспе­ чивающим жесткость и прочность всего индуктора. Если диаметр станины не превышает 1 м, то к ней крепятся также подшипниковые щиты. Станина снабжается лапами для установки на фундаменте или, при небольших размерах, фланцем. Станины современных машин изготовляются из стального проката или стального литья.

Рис. 1-7. Главный полюс

Добавочные полюсы предназначены для улучшения коммутации и применяются в машинах мощностью свыше 0,6 кет. Добавочный полюс (рис. 1-8), так же как главный, состоит из сердечника 1 и катуш­ ки 2. Добавочные полюсы устанавливаются между главными и кре­ пятся к станине болтами. Обычно сердечники добавочных полюсов выполняются из стальной поковки, но в машинах, работающих при резко переменной нагрузке, они выполняются из листовой стали.

Для изготовления сердечника якоря применяется листовая электротехническая сталь толщиной 0,5 мм. Если диаметр якоря не превышает 1 м, то сердечник собирается из цельных дисков (рис. 1-9) либо колец, а при больших диаметрах сердечник собирается из коль­ цевых сегментов (рис. 1-10). Для уменьшения потерь от вихревых токов поверхность дисков ц сегментов покрывается изоляционным лаком. Если осевой размер сердечника превышает 25 см, то обычно

18

ся боковая цилиндрическая поверхность. Такой коллектор с креплением пластин 1 нажимными шайбами 2 и 3 показан на рис. 1-12. Медные пластины коллектора изолируются друг от друга

Г л а в а в то р а я МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

2'1, Участки магнитной цепи машины

На поперечном разрезе машины (рис. 2-1) показан путь магнит­ ного потока, созданного главными полюсами. Весь поток Фп полюса делится на две неравные части. Большая из них — основной магнит­ ный поток Ф5, поступает через зазор в якорь, разветвляется в сер­ дечнике якоря, подходит к соседним полюсам и замыкается через

Рис. 2-1. Магнитная цепь машины постоянного тока

ярмо. іМеньшая часть (Фа — поток рассеяния) замыкается между по­ люсами, минуя якорь.

Обычно коэффициент рассеяния ка = 1,1 — 1,25.

Путь основного магнитного потока в машине состоит из замкнутых магнитных цепей, каждая из которых охватывает пару полюсов. Вследствие магнитной симметрии отдельные магнитные цепи много­ полюсной машины одинаковы и магнитные потоки (а также их состав­ ляющие Ф5 и Ф„) равны между собой, поэтому в дальнейшем рас­ сматривается магнитная цепь одной пары полюсов.

Для улучшения магнитной прюводимости магнитную цепь выпол­ няют из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, стального литья или стального проката. Вращающаяся часть машины отделена от неподвижной части зазором, который обычно заполнен воздухом. С целью уменьшения потерь от гистерезиса и вихревых токов перемагничиваемые части магнитной цепи изготовляют из лис­ товой электротехнической стали — специальной стали, содержащей кремний, который способствует уменьшению потерь, но немного за­ трудняет ее обработку. Неперемагничиваемые части магпитной

21

цепи могут быть изготовлены из стального литья или стального про­ ката.

При расчете магнитной цепи определяется намагничивающая сила, создающая необходимый магнитный поток. Расчет произво­ дится на основе закона полного тока фНсІЬ = 2 /, по которому инте­ грал напряженности Н магнитного поля для замкнутого контура равен полному току 2 /, т. е. алгебраической сумме токов всех охва­ тываемых контуром проводников.

Для упрощения задачи можно разделить замкнутый контур на несколько участков с неизменной напряженностью магнитного поля на каждом участке или с одной закономерностью изменении этой на­ пряженности на длине участка, тогда закон полного тока напишется в следующем виде:

Отдельные слагаемые #jLj левой части равенства можно рассмат­ ривать как составляющие Fj намагничивающей силы, необходимые для создания напряженности іД на рассматриваемом участке длиной Lj. Таким образом, для одного участка рассматриваемого контура

и общая намагничивающая сила

В магнитной цепи электрической машины напряженность маг­ нитного поля изменяется на границе участков из различных материа­ лов. По этому признаку магнитную цепь машины постоянного тока можно разделить на пять участков: зазор, зубцовая зона, сердечник якоря, сердечник полюса и ярмо. Намагничивающая сила, необхо­ димая для проведения магнитного потока по перечисленным участкам

(2-4),

Намагничивающие силы для отдельных участков (Ft — для двой­ ного зазора, F32 —■для двойной зубцовой зоны якоря, FC2 — для сер­ дечника якоря, Fn — для двух полюсов и FC1 — для ярма) не равны между собой. Первое слагаемое в машинах составляет (0,6—0,8) F0. В крупных и средних машинах F32 является вторым по величине слагаемым. На долю трех последних слагаемых приходится не более 0,1 F0. (В двухполюсных машинах малой мощности вторым по вели­ чине слагаемым обычно является FC1). Поэтому определение двух первых слагаемых уравнения (2-5) должно выполняться с значительно большей точностью, чем остальных.

Размеры участков магнитной цепи или известны (в выполненной машине), или устанавливаются по рекомендуемым величинам индук­ ции (при проектировании машины), поэтому для необходимого маг­ нитного потока может быть определена индукция на всех участках магнитной цени.

22

Напряженность магнитного поля зависит от индукции и магнит­ ной проницаемости р материала рассматриваемого участка

Таким образом, для участка с известной магнитной проницаемо­ стью [Xj необходимая намагничивающая сила

(2-7)

гг

Почти все немагнитные материалы (воздух, медь, изоляционные материалы) имеют магнитную проницаемость р0 = 4я • ІО' 7 гн/м.

Рис. 2-2. Характеристики намагничивания элек­ тротехнической стали, литой стали и стального проката

Для ферромагнитных материалов проницаемость р весьма велика и является переменной величиной. Поэтому зависимость (2-6) выра­ жают для этих материалов в графической форме в виде характеристик намагничивания В — f (Я) или в форме таблиц. Соответствующие характеристики для литой стали, стального проката и листовой электротехнической стали горяче- и холоднокатаной показаны на рис. 2-2 и 2-3.

В табл. 2-1 приводятся индукции и удельные потери, согласно ГОСТ 802—58, для некоторых марок электротехнической стали. Величина индукции указана для пяти значений напряженности маг­ нитного поля 10, 25, 50, 100 и 300 а/см. Удельные потери приведены для частоты перемагничивания 50 гц и трех значений индукции: 1,0, 1,5 и 1,7 тл.

Таким образом, чтобы определить намагничивающую силу, необ­ ходимую для создания заданного потока Фг, требуется вычислить значение индукции на отдельных участках магнитной цепи машины. По характеристике намагничивания материала (рис. 2-2 и 2-3) можно

23

установить напряженность магнитного поля для полученной индук­ ции и вычислить необходимую намагничивающую силу для каждого

Масштаб В

if00 800 '1200 WOO 2000 а/сн

280.1~32.0а/сн

' Масштаб А

Рис. 2-3. Характеристики намагничивания электротехнической стали

участка по формуле (2-3). Если магнитная проницаемость материала неизменна, то вычисление необходимой намагничивающей силы для

Таблица 2-1

24

такого участка можно выполнить по (2-7), зная значение пндуйции 7),-. Необходимая намагничивающая сила магнитной цепи равна сумме намагничивающих сил для отдельных участков.

Непосредственное определение магнитного потока по заданной намагничивающей силе F0 и размерам магнитной цепи невозможно вследствие отсутствия аналитического выражения характеристики намагничивания ферромагнитных материалов. Поставленная задача может быть решена путем вычисления необходимой намагничивающей силы для ряда предполагаемых значений Ф5 и последующего уточне­ ния его по построенной характеристике намагничивания магнитной цепи.

2-2. Намагничивающая сила для зазора

Основной магнитный поток в зазоре распределяется на части цилиндрической поверхности якоря, ограниченной двумя обраэую-

н г е л я я і

“ЛV/--- МV----«W—I'

г'

Рис. 2-4. Распределение магнитной индукции под полю­ сом: а — на полюсном делении; б — по длине якоря

щими между полюсами и двумя дугами по краям сердечника якоря. Величина этой поверхности определяется диаметром Dm якоря, количеством полюсов 2р и длиной /2 якоря. Длина дуги между обра­ зующими соответствует полюсному делению

На рис. 2-4, а показаны пути магнитного потока в поперечном раз­ резе зазора и распределение индукции в зазоре на спрямленной части окружности якоря. Индукция не остается постоянной на полюсном делении вследствие различной длины пути магнитного потока над зубцами, над пазами и у краев полюсного наконечника. Над зубцами индукция больше, а над пазами меньше, на образующих между полю­ сами индукция равна нулю. На рис. 2-4, б показаны пути магнитного потока в продольном разрезе зазора и распределение индукции по длине якоря. Здесь индукция также не остается постоянной вслед­ ствие увеличенной длины пути магнитного потока над радиальными вентиляционными каналами.

25

Действительные картины распределения индукции н обоих направ­ лениях требуют сложных методов расчета, поэтому их заменяют более простыми картинами, которые позволяют значительно упро­ стить расчет и в то же время обеспечивают необходимую точность результатов. Зубчатое распределение индукции в поперечном разрезе зазора заменяют участком с постоянной индукцией 5 6, равной сред­ ней индукции на большей части полюсной дуги (рис. 2-4, а). Границы участка устанавливаются таким образом, чтобы площадь полученного прямоугольника с основанием Ъ' равнялась площади, охватываемой действительной кривой распределения индукции. При такой замене часть основного магнитного потока, приходящаяся на полюсное деле­ ние и единицу длины якоря, сохраняется постоянной. Относительная расчетная полюсная дуга в машинах постоянного тока а' — Ь'/т = = 0,6 -г- 0,7. При неизменном зазоре б под полюсным наконечни­ ком и измеренной полюсной дуге b наконечника расчетная полюс­ ная дуга £>' = £> +26 .

Действительное распределение индукции в продольном разрезе зазора также заменяют прямоугольником с уже установленной высо­ той Ва (рис. 2-4, б). Основание 12 этого прямоугольника зависит от распределения индукции. При наличии радиальных вентиляционных каналов уменьшение индукции над каналами учитывается соответст­ вующим уменьшением основания прямоугольника. Если 12 — полная

В современных машинах постоянного тока индукция Вътем боль­ ше, чем больше мощность машины и чем меньше частота перемагничивания рпі60 стали якоря и находится в пределах 0,25—1 тл.

Длина пути магнитного потока в зазоре различна — над зубцами короче, а над пазами длиннее (рис. 2-4, а). Таким образом, расчетная длина б' пути магнитного потока больше измеренного зазора б между полюсом и якорем

26