Меню

Магнитная цепь машины постоянного тока при холостом ходе



Магнитная и электрическая цепи машин постоянного тока

Магнитная цепь машины предназначена для создания и распределения магнитного поля в воздушном зазоре и состоит из главных полюсов, сердечника якоря, воздушного зазора между полюсами и якорем и ярма (станины). В зависимости от числа главных полюсов магнитная система может быть двух- (рис. 1.1), четырех-(рис. 1.6), шестиполюсной и т.д. Пути магнитного потока для четырехполюсной машины показаны на рис. 1.6.

Распределение магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре характеризуется кривой В (α) (рис. 1.7), где α – дуга окружности якоря (на рис. 1.7 магнитная система развернута в плоскость). Почти постоянное значение индукции В в воздушном зазоре необходимо для получения примерно постоянной ЭДС в проводниках, находящихся под полюсом, и оно обеспечивается специальной формой полюсных наконечников.

Линии симметрии m, n, делящие пространство между полюсами пополам, называются геометрическими нейтральными линиями, а линии, проходящие через точки, где В = 0, — физическими нейтральными линиями (в данном случае геометрическая и физическая нейтральные линии совпадают). Дуга между соседними нейтральными линиями называется полюсным делением. Она обозначается буквой τ и может выражаться в метрах, градусах, радианах, числе пазов и в других удобных для расчета единицах.

Электрическая цепь машины состоит из обмотки якоря, коллектора и щеток. Как указывалось, проводники якоря, соединяясь через коллекторные пластины, образуют замкнутую цепь. При вращении якоря по часовой стрелке проводники обмотки якоря пересекают магнитное поле полюсов и в них наводится переменная ЭДС: в верхней половине обмотки ЭДС направлены от нас, в нижней – к нам.

Так как e = B l υ, где В — индукция магнитного поля, l длина проводника, υ – линейная скорость пересечения магнитного поля, то при υ = const кривая ЭДС в проводнике e повторяет кривую В (рис. 1.7). В обмотке якоря ЭДС отдельных проводников алгебраически суммируются. Если двигаться от проводника 1 к проводнику 6 (см. рис. 1.8) и далее по ходу обмотки, то в проводниках 1—6—3— 8 ЭДС имеют одно направление, а в проводниках 5—2— 7—4 – противоположное. Результирующая ЭДС в контуре обмотки оказывается равной нулю. С обмоткой через коллекторные пластины соединяются щетки, к которым подключается внешняя цепь. Для получения максимальной ЭДС щетки должны устанавливаться между точками, имеющими наибольшую разность потенциалов. Такими точками в рассматриваемом случае являются точки т, п (рис. 1.8), которые располагаются на физической нейтральной линии.

В обмотке якоря относительно внешней цепи образуются две параллельные ветви, ЭДС которых равны и которые во внешней цепи действуют согласно. При вращении якоря картина распределения ЭДС не изменяется, меняются только номера проводников, входящих в параллельные ветви. Разность потенциалов между щетками остается практически постоянной (если пренебречь небольшими пульсациямии ЭДС).

Замкнутую обмотку якоря можно получить двумя способами: соединять на коллекторе проводники обмотки двигаясь вперед – назад, т.е. возвращаясь назад к соседнему проводнику (рис. 1.9, а), или только вперед, обходя проводники якоря, двигаясь все время в одном направлении (рис. 1.9,б). Очевидно, что в любом случае каждый следующий проводник должен находится под полюсом противоположной полярности.

Это означает, что шаг обмотки близок к полюсному делению τ. В первом случае получаем так называемую петлевую обмотку, во втором – волновую обмотку.

В петлевых обмотках при числе полюсов больше двух (6, 8 и т.д.) число параллельных ветвей и щеток равно числу полюсов. В волновых обмотках число параллельных ветвей и щеток вне зависимости от числа полюсов равно двум.

Источник

Магнитная цепь машины постоянного тока в режиме холостого хода

Магнитная система машины постоянного тока состоит из ста­нины (ярма), сердечников главных полюсов с полюсными наконеч­никами, воздушного зазора и сердечника якоря.

На рис. 26.1 показана картина магнитного поля четырехполюс-ной машины. При этом имеется в виду машина, работающая в ре­жиме х.х., когда МДС создается лишь обмоткой возбуждения, а в обмотке якоря и обмотке добавочных полюсов тока нет или он настолько мал, что его влиянием на картину магнитного поля мож­но пренебречь. В целях упрощения на рисунке не показаны доба­вочные полюса, так как в режиме х.х. их влияние на картину маг­нитного поля машины незначительно.

Рис. 26.1. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме х.х.

Как это следует из рис. 26.1, магнитный поток главных полюсов состоит из двух неравных частей: большая часть образует основ­ной магнитный поток Ф, а меньшая — магнитный поток рассеяния полюсов Фσ. Поток рассеяния учитывается коэффициентом рассея­ния δ (см. § 20.1).

Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения на пару полюсов в режиме х.х. определяется суммой магнитных напряжений на участ­ках магнитной цепи (рис. 26.2):

Читайте также:  Условия для самовозбуждения генератора постоянного тока с параллельным возбуждением

где Fδ, Fz, Fm, Fa, Fя — магнитные напряжения воздушного зазора, зубцового слоя якоря, главного полюса, спинки якоря, станины (ярма) соответственно.

Если машина имеет компенсационную обмотку (см. § 26.4), то в (26.1) следует ввести еще одно слагаемое Fzm, представляющее собой магнитное напряжение зубцового слоя главного полюса.

Порядок расчета магнитных напряжений на участках магнит­ной цепи машины постоянного тока в принципе такой же, что и в случае асинхронной машины (см. гл. 11). При этом расчет магнит­ных напряжений станины и сердечника главного полюса ведут по магнитному потоку главного полюса Фт, который больше основно­го потока Ф на значение потока рассеяния Ф:

где — коэффициент рассеяния.

При заданном значении ЭДС машины Еа определяют требуемое значение основного магнитного потока [см. (25.20)] (Вб):

Далее рассчитывают магнитную индукцию для каждого участ­ка магнитной цепи:

Рис. 26.2. Магнитная цепь машины постоянного тока

где Фх — магнитный поток на данном участке магнитной цепи, Вб;

Sx — площадь поперечного сечения этого участка, м 2 .

Получаемые при этом значения магнитной индукции (Тл) на

различных участках магнитной цепи для машин постоянного тока

общепромышленного применения должны находиться в пределах

приведенных ниже значений:

Воздушный зазор. 0,4—1,0

Зубцовый слой якоря. 1,7—2,6

Сердечник якоря. 0,7—1,5

Сердечник полюса. 1,4—1,7

Меньшие значения индукции соответствуют машинам малой

По таблицам или кривым намагничивания для соответствующих ферромагнитных материалов находят напряженность магнитного поля на участках магнитной цепи Нх, а затем определяют маг­нитное напряжение (А)

и МДС обмотки возбуждения на пару полюсов по (26.1).

Значения магнитных напряжений для различных участков маг­нитной цепи неодинаковы и зависят от магнитных сопротивлений этих участков. Наибольшим магнитным сопротивлением обладает воздушный зазор, поэтому магнитное напряжение Fδ намного больше любого из слагаемых выражения

Рис. 26.3. Пазы якоря

(26.1). Другие участки маг­нитной цепи выполняют из ферромагнитных материалов. В маши­нах постоянного тока для изготовления различных элементов маг­нитной цепи применяют следующие материалы.

Сердечник якоря — тонколистовые электротехнические стали марок 2013, 2312 и 2411 толщиной 0,5 мм (см. табл. 11.1).

Сердечник главного полюса — листовая анизотропная (холоднокатаная) сталь марки 3411 толщиной 1 мм, пластины не изолируют, коэффициент заполнения сердечника сталью kcт=0,98.

Станина — в машинах малой мощности станину выполняют из стальных цельнотянутых труб, а для машин средней и большой мощности станины делают сварными из листовой конструкционной стали марки СтЗ.

Пазы сердечника якоря делают либо овальными полузакрытыми (зубцы с параллельными стенками, рис. 26.3, а), либо открытыми прямоугольной формы (пазы с параллельными стенками, рис. 26.3,б).

Магнитная характеристика машины постоянного тока Ф* = f(F*) в принципе не отличается от кривой, показанной на рис. 11.5. Коэффициент насыщения магнитной цепи

для машин постоянного тока kμ = 1,20 1,70.

Источник

Магнитное поле машин постоянного тока при холостом ходе?

Магнитный поток при холостом ходе в машине создается только МДС FB обмотки возбуждения.

Режим холостого хода. Вэтом режиме магнитный поток Фв при симметричном воздушном зазоре между якорем исердечником главного полюса распределяется симметрично относительно продольной оси машины (рис. 10.21).

Зависимость магнитного потока возбуждения Фв от МДС FB(рис. 10.22) для машин постоянного тока подобна магнит-ной характеристике для синхронных машин. Однако при про-ектировании машин постоянного тока допускают большие индукции на участках магнитной цепи (в зубцах, якоре, ста-нине и полюсах), чем в синхронных машинах, вследствие чего для них коэффициент насыщения kнac = F/Fб = =ab/ac=1,2. 2. Расчет магнитной цепи машины постоян-ного тока производят так же, как и для машин переменного тока (см. § 4.7).

Реакция якоря.При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит ток, вследствие чего возникает МДС якоря. Воздействие МДС якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Для упрощения анализа явления реакции якоря будем пренебрегать насыщением магнитной цепи машины и считать, что МДС FB обмотки

Рис. 10.21. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме

холостого хода: 1 — полюс; 2 — обмотка возбуждения; 3 — якорь; 4 — корпус (станина)

возбуждения и МДС Fa обмотки якоря расходуются на преодоление магнитными потоками воздушного зазора. В этом случае вместо указанных МДС можно рассматривать соответствующие потоки: возбуждения Фв и реакции яко­ря Фа.

При холостом ходе магнитный поток возбуждения направлен по продольной оси машины (рис. 10.23, а). При работе под нагрузкой магнитный поток, созданный МДС якоря в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали, направлен по поперечной оси машины (см. рис. 10.23, б), поэтому магнитное поле якоря Фаq и Faq называют поперечным. В результате действия реакции якоря симметричное распределение магнитного поля машины относительно оси главных полюсов искажается и результирующее поле оказывается смещенным к одному из краев каждого главного полюса (рис. 10.23, в). При этом физическая нейтраль О’О’ (линия, соединяющая точки

Читайте также:  Тепловое действие тока используется при работе

Рис. 10.22. Магнитная характеристика машины постоянного тока (а) и график для определения размагничивающего действия поперечного поля реакции якоря (б)

Рис. 10.23. Характер магнитного поля машины постоянного тока, создаваемые обмоткой возбуждения (а), обмоткой якоря (б) и резуль­тирующего поля (в)

окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смеща-ется ртносительно геометрической нейтрали ОО на не-который угол β. В генераторах (обозначение Г на рис. 10.23, в) физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря; в двигателях (обозначение Д)против направления вращения.

Чтобы построить кривую Bpe3=f(x) распределения резуль­тирующей индукции вдоль окружности якоря, применим метод суперпозиции. Его можно использовать, если пре­небречь насыщением магнитной цепи машины и считать, что МДС FB и Faq расходуются на компенсацию разности магнитных потенциалов в воздушном зазоре. Так как обмотка возбуждения является сосредоточенной, то кривая распределения создаваемой ею МДС F’B=f(x) имеет форму прямоугольника, где F’B = 0,5FB— МДС, приходящаяся на один воздушный зазор. В этом случае кривая индукции BB=f(x) имеет форму криволинейной трапеции (рис. 10.24, а).

Для построения кривой МДС Faqx=f(x) и создаваемой ею индукции Baqx=f(x) примем, что обмотка якоря рав­номерно распределена по его окружности. Тогда на ос­новании закона полного тока МДС якоря, действующая вдоль контура обхода через точки воздушного зазора на расстоянии χ от оси главных полюсов,

2Faqx = 2xA, (10.11)

а МДС, приходящаяся на один зазор,

где A = iaN/(πDa)—линейная нагрузка якоря (число ампер, приходящихся на 1 см окружности якоря).

Следовательно, МДС якоря Faqx изме­няется линейно вдоль его окружности

(рис. 10.24,б); под се­рединой главного по­люса она равна нулю, а в точках, где уста­новлены щетки, имеет максимальное значе­ние. При ненасыщен­ной магнитной системе магнитная индукция в воздушном зазоре

(10.13)

где δχ — значение воз­душного зазора в точ­ке х.

Рис. 10.24. Кривые распределения индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока в)

Из (10.12) следует, что под полюсом при δх = const индукция Baqx изменяется линейно вдоль окружности яко­ря. Но в межполюсном пространстве резко возрастает длина магнитной силовой линии, т. е. воздушный зазор δχ, и поэтому резко уменьшается индукция Baqx=f(x). В резуль­тате кривая распределения индукции Baqx=f(x) приобретает седлообразную форму.

Кривую распределения результирующей индукции Врсз = =f(x) можно получить алгебраическим сложением ординат

кривых BB=f(x) и Baqx=f(x). Эта кривая (рис. 10.24, в) имеет пики индукции Втах под краями главных полюсов.

Таким образом, реакция якоря оказывает неблагоприят­ное влияние на работу машины постоянного тока: а) физи­ческая нейтраль О’О’ (см. рис. 10.23, в) смещается относи­тельно геометрической нейтрали ОО на некоторый угол β· б) искажается кривая распределения индукции Bpe3=f(x) в воздушном зазоре и возрастает индукция под одним из краев главных полюсов, что ведет к повышению напряжения в секциях, когда их стороны проходят зоны с увеличенной индукцией. Кроме того, как показано ниже, результирующий магнитный поток машины при насыщенной магнитной цепи уменьшается.

Размагничивающее действие поперечного поля реакции якоря.Если магнитная цепь машины не насыщена, то кривая результирующей индукции в воздушном зазоре под действием реакции якоря искажается (рис. 10.24, в), однако площадь ее остается равной площади кривой индукции при холостом ходе (рис. 10.24, а). Следовательно, результиру­ющий поток Фрез при нагрузке равен потоку Фв при холостом ходе. Однако при насыщенной магнитной цепи реакция якоря уменьшает поток Фрез. Чтобы установить влияние МДС Faq на величину потока Фрез, рассмотрим зависимость результирующей индукции Врез в воздушном зазоре от результирующей МДС Fpe3X = F’B ± Faqx , дейст­вующей в некоторой точке χ зазора (см. рис. 10.22,б).

Примем, что в машине насыщены только зубцы якоря. Тогда МДС F’B расходуется на преодоление магнитного сопротивления одного воздушного зазора и одного зубцо-вого слоя. В точках, лежащих под серединой полюсов, эта МДС создает индукцию Вср = Вв, так как в этих точках Faqx = 0. По мере приближения к одному из краев полюса N, например к правому, индукция В возрастает до величины Bпрх,так как здесь действует МДС F’B + Faqx; при приближении к другому краю того же полюса (в данном случае к левому) индукция уменьшается до Влевх, так как здесь действует МДС F’B-Faqx. Однако из-за нелинейного характера зависимости Врез=f(х) прирост индукции Впрх у правого края полюса меньше, чем снижение индукции Bлевx y левого края, вследствие чего результирующий поток машины уменьшается (см. косую штриховку в кривой индукции на рис. 10.24, в). Снижение магнитного потока под действием МДС якоря обычно невелико и составляет всего 1. 3%, однако оно существенно влияет на характеристики генераторов постоянного тока и приводит к уменьшению ЭДС Ε машины при нагрузке по сравнению с ЭДС Ео при холостом ходе.

Читайте также:  Конденсатор катушка индуктивности цепи синусоидального тока

Если машина работает при небольших токах возбуж­дения, т. е. на прямолинейной части (машина не насыщена), то реакция якоря размагничивающего действия не оказывает. Аналогичный эффект получается и при значительном насы­щении, когда машина снова работает на прямолинейном участке магнитной характеристики.

Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. Вэтом случае окружность якоря с обмоткой можно разделить на четыре зоны (рис. 10.25). Две из них охва­тывают стороны секций в пределах угла 2 а и образуют продольную МДС Fad = (2α/π)A, а две другие охватывают стороны секций в пределах угла (π — 2α) и образуют поперечную МДС F =(π-2α)А/π.

Продольная МДС Fad создает продольный поток Φαd, который может сильно увеличивать или уменьшать результи­рующий магнитный поток машины Фрез в зависимости от того, совпадает МДС Fad с FB или направлена против нее.

Рис. 10.25. Схемы возникновения продольной (а) и по­перечной (б) МДС якоря при сдвиге щеток с геометри­ческой нейтрали

Направление определяется тем, в какую сторону сдвинуты щетки. Если щетки сдвинуты по направлению вращения генератора или против направления вращения электро­двигателя, то продольная МДС Fadразмагничивает машину. При сдвиге щеток в обратном направлении МДС Fad подмагничивает машину. Свойство продольной МДС Fad изменять результирующий магнитный поток Фрез исполь­зуется в некоторых специальных машинах, например в эле­ктромашинных усилителях с поперечным полем. Поперечная МДС Faq создает магнитный поток Фаq; она действует на поток Фрез так же, как и при расположении щеток на геометрической нейтрали.

Источник

Магнитная цепь машины постоянного тока при холостом ходе

date image2015-02-27
views image1465

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

При проектировании машины постоянного тока возникает необходимость определения зависимости основного магнитного потока от тока обмотки возбуждения полюсов .
Магнитная цепь машины изображена на рис.4.7, штриховой линией показана силовая магнитная линия потока .

Магнитную цепь рассчитывают на основе закона полного тока

где Н — напряженность магнитного поля, А/м; — элемент длины магнитной линии, м; — полный ток, охватываемый магнитной линией, А.
Магнитную цепь разбивают на участки и заменяют интеграл суммой, полагая, что на протяжении каждого участка напряженность Н постоянна. Магнитная цепь состоит из следующих участков: воздушный зазор ( ), зубцы якоря ( ), спинка якоря( ), полюсы ( ), ярмо ( ).

МДС обмотки возбуждения на полюс, выраженная через МДС участков магнитной цепи, равна

где — МДС обмотки возбуждения; — число витков и ток обмотки возбуждения; — МДС воздушного зазора; — МДС спинки якоря; — МДС полюса; МДС ярма; напряженности магнитного поля на участках, А/м; — средние длины силовых магнитных линий, м. При расчете магнитной цепи, исходя из заданного значения ЭДС якоря и пропорциональной ей индукции в воздушном зазоре , определяют значения Н на отдельных участках цепи. Если выполнить расчет для ряда значений основного потока , то можно построить зависимость , которая называется кривой намагничивания или магнитной характеристикой машины. Значения коэффициента насыщения магнитной цепи для машин общепромышленного применения находятся в пределах 1,25 1,35.

Генераторы постоянного тока, их классификация по способу возбуждения. Условия самовозбуждения генераторов параллельного и смешанного возбуждения. Основные характеристики генераторов независимого возбуждения и самовозбуждения. Энергетическая диаграмма. Уравнение ЭДС, электромагнитный момент. Потери мощности и КПД машинф постоянного тока.

Генератор постоянного тока преобразует механическую энергию в электрическую. В зависимости от способов соединения обмоток возбуждения с якорем генераторы классифицируются:

1. генератор независимого возбуждения, рис. 188.

2. генераторы с самовозбуждением:

а) генератор параллельного возбуждения, рис. 189.

б) генератор последовательного возбуждения, рис. 190.

в) генератор смешанного возбуждения, рис. 191.

Энергетическая диаграмма генератора независимого возбуждения (рис. 192).

— механическая мощность на валу

— отдаваемая электрическая мощность

— потери магнитные, механические, электрические, потери в щеточном контакте.

Разделив уравнение на ток якоря , получим:

Источник