Конструирование конденсаторов переменной ёмкости с механическим управлением

С, пФ                                                             f, кГц 

                                                                                          1300 

500                                                                                    1200

                                      1                                                  1100

400                                                                                    1000

                                              2                  3                               900                     4              3

300                                                                                      800                 2

                                                                                            700

200                                                                                      600                1

                                                                                            500

                                        4                                                  400

100                                                                                      300

                                                                                            200

     0       20    40    60  80                                    0     20     40     60      80   

рис 2.3 

     Требуемая функциональная характеристика может  быть получена приданием специального очертания роторным пластинам или при помощи выреза на статоре, а также всевозможных изломов контурах пластин, ступенчатых радиусов, подключением дополнительной ёмкости и т. д. На рисунке 2.4 изображены очертания пластин различных конденсаторов. Из них следует, что роторные пластины прямочастотных КПЕ имеют чрезвычайно вытянутую форму. Это понижает механическую жёсткость ротора и увеличивает объём конденсатора. Для устранения этого форму пластин изменяют, получая её очертания при помощи 2-х и 3-х сопрягаемых поверхностей (окружностей различного радиуса); площадь такой упрощённой пластины выбирается равной площади пластины правильной формы (очертание показано пунктиром).

     Удовлетворительную  линейную зависимость частоты от угла поворота можно получить и при полукруглом роторе, сместив центр его вращения относительно центра пластины. В этих случаях линейность изменения частоты несколько нарушается, но общая погрешность не превышает 6-8%.

     При малых коэффициентах перекрытия диапазона форма роторных пластин  КПЕ всех типов приближается к полукруглой.

     Более жесткой конструкцией обладают конденсаторы с полукруглым ротором и специальным  статором. Статор при этом снабжается вырезом с переменным радиусом, форма  которого определяет требуемый закон  изменения ёмкости. 

       
 

     а)                       б)                    в)                     г)                       д)

     рис.2.4. 

     Конденсаторы  с плоскими пластинами и поступательным перемещением: вращательное перемещение  заменяется на поступательное перемещение  с предельной длинной L. КПЕ с плоскими пластинами и поступательным перемещением не находят широкого применения. Возможны две конструкции КПЕ с цилиндрическими пластинами: 1) с поступательным перемещением одного цилиндра относительно другого; 2) с вращательным перемещением одного цилиндра вокруг другого. Способы изменения ёмкости при поступательном перемещении изображены на рисунке 2.5.

       
 

      

     а)                                      б)                                       в)

     Рис 2.5

 

      3. Расчет прямоёмкостного конденсатора переменной ёмкости 

     3.1 Теоретические данные к расчёту 

     Задачей расчета конденсатора переменной ёмкости  является определение конфигурации роторных и статорных пластин, их количества и величины зазора. При этом считаются заданными минимальная и максимальная ёмкости контура, функциональная характеристика, а также требования к точности, стабильности и условиям работы конденсатора.

     Рассмотрим  расчет при первом способе получения  необходимого закона ёмкости, то есть, определим, как должен изменяться радиус ротора для получения необходимой  функциональной характеристики. Примем, что угловой диапазон перемещения  ротора равен 180⁰.

     На  рисунке 3.1. изображены пластины конденсатора, ротор которого введён на угол . Давая углу малое приращение , получим соответствующее приращение ёмкостной площади , равное площади заштрихованного сектора: . С другой стороны имеем: . Сравнивая эти два выражения, получим:

     (1) , где n – общее число пластин (ротора и статора); d – зазор между пластинами ротора и статора; - радиус выреза на статоре для пропуска оси.

     Все линейные размеры в приведённых  формулах выражены в сантиметрах, ёмкость  – в пикофарадах, а углы – в  градусах.

     Полученное  выражение (1) является исходным для  расчёта очертания ротора конденсаторов любых типов, так как требует определения лишь значения отношения , что может быть выполнено как аналитически, так и графически.

                                   
 

                                                                                      R         

                                                                                       

 

Рис. 3.1 

     Прямоёмкостный  конденсат имеет линейную функциональную зависимость (характеристику). Поэтому и , то есть его ротор будет иметь полукруглую форму.

     Для расчёта можно принять, что: .

     Дальнейший  расчёт проводится по формуле (1). Форма  роторов конденсаторов других типов  отличается от полукруглой, поэтому расчёт их очертания производится для ряда значений угла , взятых через 10-20⁰.  

     3.2 Определение исходных данных и численный расчёт 

     Для расчёта КПЕ необходимо предварительно определение минимальной и максимальной ёмкостей контура, числа пластин n, зазора d и радиуса выреза на статорных пластинах r₀. 

     С_min=40 , С_max=400  

     Общее число пластин выбирается на основании  следующих соображений: при большом  числе пластин длина конденсатора получается чрезмерной, при малом – возрастают размеры каждой пластины, что понижает их жёсткость. Рекомендуется число пластин выбирать так, чтобы длина конденсаторной секции примерно была равна среднему радиусу ротора.

     Ориентировочно  число пластин можно выбрать по таблице 3.1. 

     Таб. 3.1

 

     Для С_max=400 пФ выбираем число пластин n=20.

     Величина  зазора d выбирается исходя из размеров конденсатора, требуемой точности, необходимой стабильности и электрической прочности, а также производственно-технологических соображений. Чем больше зазор, тем выше электрическая прочность, стабильность, надёжность и прочность функциональной характеристики и тем легче производство конденсатора. Объём конденсатора примерно пропорционален квадрату величины зазора, поэтому при его увеличении – размеры конденсатора существенно возрастают.

     Точное  определение зазора по электрической  прочности встречает рая трудностей, так как электрическая прочность воздуха зависит от атмосферного давления и других климатических факторов, а также от частоты, расстояния между пластинами, состояния их поверхности и т.д.

     Для приближённого расчёта можно  исходить из того, что при нормальном давлении допустимая напряжённость поля между пластинами составляет 650-750В/мм (для переменного напряжения высокой частоты).

     Величина  зазора может быть найдена из соотношения: .

     При напряжениях меньше 200-250 В пробой через воздух не может произойти ни при каких условиях. В этом случае величину зазора следует выбирать, исходя из конструктивных соображений. В этом случае величину зазора следует выбирать, исходя из конструктивных соображений. В этом случае величину зазора следует выбирать, исходя из конструктивных соображений. В этом случае величину зазора следует выбирать, исходя из конструктивных соображений. В этом случае величину зазора следует выбирать, исходя из конструктивных соображений. В этом случае величину зазора следует выбирать, исходя из конструктивных соображений. В этом случае величину зазора следует выбирать, исходя из конструктивных соображений. В этом случае величину зазора следует выбирать, исходя из конструктивных соображений. В этом случае величину зазора следует выбирать, исходя из конструктивных соображений.

     U_раб=500 В: мм. Округлим до 1 мм.

     Радиус  выреза на статорных пластинах r₀ определяется диаметром оси и зазором между осью и кромками статорных пластин. Этот зазор часто в 2-3 раза больше зазора между пластинами. Его уменьшение повышает минимальную ёмкость конденсатора и отрицательно сказывается на стабильности. Обычно величина r₀ составляет 5-10мм. Исходя из вышесказанного, определим r₀=5мм.

     По  назначенным данным выполняем расчёт:

     С_min=40 пФ

     С_max=400 пФ

     n=20

     r₀=5мм=0,5см.

     d=1мм=0,1см.

     Следовательно, пластины ротора имеют радиус 3,733 сантиметра.

     Теперь  нужно сконструировать остальные  составляющие конструкции и стабильность конденсатора рассчитать исходя из выбранных материалов и конструктивных решений.