Электромеханика

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение. 

Электрические машины постоянного тока широко применяются  в различных отраслях

промышленности.

Значительное  распространение электродвигателей  постоянного тока объясняется

их ценными  качествами: высокими пусковым, тормозным и перегрузочным

моментами, сравнительно высоким быстродействием, что важно  при реверсировании

и торможении, возможностью широкого и плавного регулирования  частоты

вращения.

Электродвигатели  постоянного тока используют для  регулируемых приводов,

например, для  приводов различных станков и  механизмов. Мощности этих

электродвигателей достигают сотен киловатт. В связи  с автоматизацией

управления производственными  процессами и механизмами расширяется  область

применения маломощных двигателей постоянного тока общего применения мощностью

от единиц до сотен ватт.

Генераторы постоянного  тока общего применения в настоящее  время используются

реже, чем электродвигатели, поскольку значительное распространение  получают

ионные и полупроводниковые преобразователи.

Электродвигатели  и генераторы постоянного тока составляют значительную часть

электрооборудования летательных аппаратов, Генераторы постоянного тока

применяют в  качестве источников питания; максимальная мощность их достигает

30 КВт. Электродвигатели летательных аппаратов используют для привода

различных механизмов; мощность их имеет значительный диапазон – от долей до

десятков киловатт. На самолетах, например, устанавливается  более 200

различных электродвигателей  постоянного тока. Двигатели постоянного тока

широко используются в электрической тяге, в приводе  подъемных устройств, для

привода металлорежущих станков. Мощные двигатели постоянного  тока применяются

для привода  прокатных станов и на судах для  вращения гребных винтов.

Постоянный ток для питания двигателей получается с помощью генераторов

постоянного тока или выпрямительных установок, преобразующих  переменный ток в

постоянный.

Генераторы постоянного  тока являются источником питания для  промышленных

установок, потребляющих постоянный ток низкого напряжения (электролизные и

гальванические  установки). Питание обмоток возбуждения  мощных синхронных

генераторов осуществляется во многих случаях от генераторов  постоянного тока

(возбудителей).

В зависимости  от схемы питания обмотки возбуждения  машины постоянного тока

разделяются на несколько типов ( с независимым, параллельным,

последовательным  и смешанным возбуждением).

Ежегодный выпуск машин постоянного тока в РФ значительно  меньше выпуска машин

переменного тока, что обусловлено дороговизной двигателей постоянного тока.

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Основные элементы конструкции МПТ 

В машинах постоянного  тока насажанный на вал роторный сердечник  вместе с

заложенной в  его пазах якорной обмоткой обычно называется якорем. Якорь машины

постоянного тока вращается в магнитном поле, создаваемом обмотками возбуждения

1, надетыми на  неподвижные полюсы 2 (рис 1). По

проводникам 6 нагруженной  якорной обмотки проходит ток. В

результате взаимодействия полей обмоток возбуждения и  якорной создается

электромагнитный  момент, возникновение которого можно также объяснить

взаимодействием тока якорной обмотки с магнитным  потоком машины.

Из технологических  соображений сердечник полюсов  обычно набирается на

шпильках из листов электротехнической стали толщиной 0,5—1 мм (рис. 2). Одна

сторона полюса прикрепляется к станине, часто  при помощи болтов, другая —

располагается

     Рис.   1.   Устройство     машины    постоянного тока:

     1 — обмотка    возбуждения;   2 — полюсы;  

3 — ярмо; 4 —  полюсный  наконечник;    5

— якорь;   6 — проводники  якорной обмотки;   7

— зубец  якорного сердечника;   8 — воздушный  зазор машины

     Рис. 2. Полюс   машины постоянного  тока:

     2 — полюсный сердечник; 2 — воздушный  зазор; 

3 — полюсный  наконечник; 4 — обмотка возбуждения  5

— болт для крепления полюса;      6 — ярмо

вблизи якоря. Зазор между полюсом и якорным  сердечником является рабочим

воздушным зазором  машины. Со стороны, обращенной к якорю, полюс заканчивается

так называемым полюсным наконечником, форма и размер которого выбираются

таким образом, чтобы способствовать лучшему распределению  потока в воздушном

зазоре. На полюсе размещается катушка обмотки  возбуждения. Иногда в малых

машинах полюсы не имеют обмотки возбуждения  и выполняются из постоянных

магнитов. Часть  станины, по которой проходит постоянный магнитный поток,

называется ярмом.

Основная часть  потока Ф (см. рис. 1), создаваемого обмоткой

возбуждения, идет через сердечник 2 северного полюса N

, воздушный зазор  8, зубцы 7 и спинку якоря 

5, после чего  поток проходит аналогичный путь в обратной

последовательности  к южному соседнему полюсу S и через ярмо

3 возвращается  к северному полюсу N. Поток Ф

проходит замкнутый  путь, который показан на рис. 1 линиями  магнитной индукции.

Полярность полюсов  чередуется (северный, южный, северный и т. д.).

На рис. 3, а  представлено распределение магнитной  индукции в воздушном зазоре

двухполюсной  машины в функции геометрического  угла α.

Начало координат  и выбрано посередине между полюсами. В этой точке значение

индукции равно  нулю. По мере приближения к полюсному наконечнику индукция

возрастает, сначала  медленно (до точки а) у края полюсного

наконечника, а  затем резко. Под серединой полюсного  наконечника в точке 

b индукция имеет наибольшее значение. Кривая распределения индукции

располагается симметрично относительно оси полюса и в точке с,

находящейся посередине между полюсами, проходит через нуль, затем индукция

меняет знак. Кривая cde является зеркальным отображением

относительно  оси абсцисс кривой oabc.

Области, в которых  индукция имеет положительное и отрицательное значение,

чередуются. В  общем случае машина может иметь  р пар полюсов.

Тогда при полном обходе всего воздушного зазора разместится  пространственных

периодов изменения  индукции, так как каждый период соответствует длине

поверхности сердечника якоря, расположенной под двумя полюсами. Например, в

четырехполюсной машине (р=2) имеются два пространственных периода

(рис. 4). В теории  электрических машин, кроме угла  αг

, измеряемого  в геометрических градусах, пользуются  также понятием угла

αэ, измеряемого в электрических градусах. Принимают, что

каждому пространственному  периоду изменения кривой распределения  индукции

соответствует электрический угол αэ=360 эл.

град или 2π эл. рад. Поэтому

                αэ=ραг                  (1)

например, на рис. 3 видно, что при числе пар полюсов  р==2 имеем αэ=2ссг.

При вращении ротора в проводниках якорной обмотки  индукти­руется э. д. с.

Согласно закону электромагнитной индукции э.д.с.. проводника

Рис. 3. Кривые изменения  магнитной индукции в пространстве и э.д.с.

проводника якорной  обмотки во времени:

     а  — пространственное распределение  индукции под полюсом; б 

— изменение  э.д.с.. проводника во времени; в —  выпрямленное  при

помощи  коллектора напряжение на щетках

              e=Bαlν,        (2)             

где Ва — нормальная составляющая индукции в точке, определяемой углом а, в

которой в данный момент времени находится проводник, тл;

I — активная длина проводника, т. е. длина, в которой индук­тируется э. д.

с., м;

v — скорость перемещения проводника относительно потока, м/сек.

 

     Рис. 4. Распределение потока в четырехполюсной машине:

     а  — чередование полюсов; б —  распределение индукции в воздушном  зазоре

При работе машины длина l активного проводника сохраняется

неизменной. Поэтому в случае равномерного вращения (v=const)

имеем

       e≡Bα.            (3)      

Из выражения (3) следует, что при равномерном  вращении якорной обмотки изменение

э.д.с е проводника во времени (см. рис. 3, б) в соответствующем

масштабе повторяет  кривую распределения индукции в воздушном зазоре В

α, (см. рис. 3, а). Анализируя кривую изменения э.д.с. во

времени, видим, что в проводниках якорной  обмотки индуктируется переменная

э.д.с.

В двухполюсной машине за один оборот вращения в проводниках  якорной обмотки

индуктируется э.д.с., частота которой f=n/60 гц, где n

— скорость вращения потока относительно проводника, вычисляемая  в оборотах в

минуту. Если машина имеет р пар полюсов, то за один оборот

ротора под  проводником пройдет р пространственных волн

магнитного поля. Они наведут э.д.с., частота которой в р раз

больше, т. е.

Выражение (4) определяет частоту э.д.с. многополюсной машины. Оно показывает,

что частота  э.д.с. пропорциональна числу полюсов  машины и скорости ее

вращения.

В системе единиц СИ скорость вращения w имеет размерность

электрический радиан в секунду. Подставляя в (4) значение w,

выраженное через  механическую скорость вращения