Розрахунок механічних характеристик

Будова двигуна постійного струму та принцип його дії

Будова ДПС

Електрична машина постійного струму складається зі статора, якоря, колектора, щіткотримача і підшипникових щитів (малюнок 1). Статор складається з станини (корпусу), головних і додаткових полюсів, які мають обмотки збудження. Цю нерухому частину машини іноді називають індуктором. Головне його призначення - створення магнітного потоку. Станина виготовляється зі сталі, до неї болтами кріпляться головні і додаткові полюси, а також підшипникові щити. Зверху на станині є кільця для транспортування, знизу - лапи для кріплення машини до фундаменту. Головні полюса машини набираються з листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 -1 мм з метою зменшення втрат, які виникають через пульсації магнітного поля полюсів у повітряному зазорі під полюсами. Сталеві листи осердя полюса спресовані і скріплені заклепками.

Малюнок 1

I - вал, 2 - передній підшипниковий щит, 3 - колектор, 4 - щіткотримач; 5 – осердя якоря з обмоткою; 6 - головний полюс; 7 - полюсна котушка; 8 - станина; 9 - задній підшипниковий щит; 10 - вентилятор; 11 - лапи; 12 - підшипник

Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
04КП.040000.001.ПЗ  
Полюса (малюнок 2) призначені для створення основного магнітного потоку і складаються з 1- станини, шихтованого осердя 2 і котушки збудження 3. Шихтоване осердя необхідне для ослаблення вихрових струмів. Нижню, більш широку, частина осердя полюса називають полюсним наконечником. На машинах постійного струму полюсні котушки роблять без каркасними – намотуванням мідного дроту безпосередньо на сердечник полюса, попередньо наклавши на нього ізоляційну прокладку. У більшості машин (потужністю понад 1кВт) полюсних котушку роблять каркасною: обмотувальний дріт намотують на каркас (зазвичай пластмасовий), а потім надягають на сердечник полюса.

Якір машини постійного струму (малюнок 3) складається з валу, осердя, обмотки і колектора. Осердя якоря збирається з шихтованих листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм і спресовується з обох сторін за допомогою натискних шайб. У машинах з радіальної системою вентиляції листи осердя збираються в окремі пакети товщиною 6-8 см, між якими роблять вентиляційні канали завширшки 1 см. При осьовому вентиляції в осерді виконують отвір для проходження повітря вздовж валу. На зовнішній поверхні якоря є пази для обмотки.

Обмотка якоря виготовляється з мідних проводів круглого або прямокутного перерізу у вигляді заздалегідь виконаних секцій. Вони укладаються в пази, де ретельно ізолюються. Обмотку роблять двошаровою: розміщують в кожному пазу дві сторони різних якірних котушок - одну над іншою. Обмотку закріплюють у пазах клинами (дерев'яними, гетінаксових або

Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
04КП.040000.001.ПЗ  
текстолітовими), а лобові частини кріплять спеціальним дротяним бандажем. У деяких конструкціях клини не застосовують, а обмотку кріплять бандажем. У сучасних машинах для бандажування якорів використовують скляну стрічку.

Колектор призначений для перетворення змінної ЕРС в постійну – в генераторі і постійний струм у змінний - у двигуні. Колектор машини постійного струму збирається з клиноподібних пластин холоднокатаної міді Основними елементами колектора є мідні колекторні пластини, зібрані таким чином, що колектор набуває циліндричну форму. Нижня частина колекторних пластин 6 має форму «ластівчиного хвоста». Після складання колектора ці частини пластин виявляються затиснутими між сталевими шайбами 1 і 3. Конусні шайби стягнуті гвинтами 2. Колекторні пластини ізольовані один від одного і від сталевих шайб міканітовими прокладками 4. Верхня частина колекторних пластин5, звана півником, має вузький поздовжній паз, в який закладають провідники обмотки якоря і припаюють. Пластини ізолюють одну від іншої прокладками з колекторного міканіту товщиною 0,5 - 1 мм. Колектори з першим способом кріплення називають арочними, з другим - клиновими. Найбільш поширені арочні колектори.

У швидкохідних машинах великої потужності для запобігання витріщання пластин під дією відцентрових сил застосовують зовнішні ізольовані бандажні кільця.

Щіткотримач (малюнок 5) (здвоєний) складається з корпусу 4, в який поміщені щітки 3, курка 1, що представляє собою відкидну деталь, що передає тиск пружини 2 на щітку. Щіткотримач кріплять на пальці затискачем 5. Щітка забезпечена гнучким тросом 6 для включення її в електричний ланцюг машини.

Всі щіткотримачі однієї полярності з'єднані між собою мідними шинами,

Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
04КП.040000.001.ПЗ  
підключеними до виводів машини. Кількість щіткових комплектів відповідає числу головних полюсів. Щітки розташовують на колекторі по осі головних полюсів У машинах малої потужності застосовують трубчасті щіткотримачі, які кріплять в підшипниковому щиті.

Щітки залежно від складу порошку, способу виготовлення і фізичних властивостей поділяють на шість основних груп: вугільно-графітові, графітові, електрографітові, мідно-графітові, бронзографітові і срібно-графітові.

Підшипникові щити електричної машини служать як сполучні деталей між станиною і якорем, а також опорною конструкцією для якоря, вал якого обертається в підшипниках, встановлених в щитах.

Принцип дії

На малюнку 6 показаний поперечний розріз спрощеної моделі колекторного двигуна. Якщо до щіток А та В подати напругу U від джерела постійного струму, то в обмотці якоря з’явиться струм ia. У результаті взаємодії струму ia у сторонах a та d витка с полем постійного магніту (полем збудження) з’являться електромагнітні сили, H що створюють електромагнітний момент.

Під дією цього моменту якір приходить в обертання. Після повороту якоря на 180°електромагнітні сили і електромагнітний момент не змінять свого напряму, оскільки при переході кожного пазового провідника обмотки якоря із зони одного магнітного полюса в зону іншого полюса постійного магніту в цих провідниках міняється напрям струму. Пояснюється це тим, що при повороті якоря на 180° пластини а' і d' колектора міняються місцями. Таким чином, призначення колектора і щіток в двигуні постійного струму полягає в тому, щоб змінювати напрям струму у витках обмотки якоря при їх переході із зони одного магнітного полюса в зону іншого полюса, при цьому напрям електромагнітних сил, що створюють електромагнітний момент М, що обертає, залишається незмінним.

Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
04КП.040000.001.ПЗ  
2.2 Основні типи асинхронних двигунів

Асинхронний двигун з коротко замкнутим ротором.

Асинхронні ел. двигуни найпоширеніші ел. двигуни в усьому світі. Простота їх конструкції, і низька вартість цілком може характеризувати «коротиші» найпозитивнішим чином. Принцип дії цих двигунів можна розглядати тільки в контексті з їх конструкцією, тому давайте розглянемо основні вузли і, природно, відповідну термінологію. Асинхронні електричні двигуни змінного струму з короткозамкнутим ротором складаються з двох основних вузлів: статора і ротора.

Ротор (малюнок 7) це та частина двигуна, яка обертається всередині статора. З конструктивної точки зору ротор - тіло обертання, що означає симетрію відносно осі обертання. Ротор, в принципі, дуже простий і цілком надійний. Виглядає він як звичайна циліндрична болванка з якої стирчать кінці валу, але це тільки здається, що ротор простий. Виготовляється він з різних матеріалів і з досить точними розмірами.

У роторі є обмотка, але побачити її не представляється можливим так, як обмотка ця виконується досить незвичайним чином. Обмотку заливають у пази ротора розплавленим алюмінієм. Іноді її виконують з мідних стрижнів, які забивають в пази і приварюють по обох кінцях до мідних кілець. У результаті, виходить, що обмотка у роторі короткозамкнена і виглядає вона як «біляча клітка» ( див. малюнок 8).

Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
04КП.040000.001.ПЗ  
Такі обмотки досить масивні і тому механічно міцні. Якщо ел. двигун буде працювати в штатному режимі або при короткочасних перевантаженнях, то така обмотка практично вічна. Звідси і висока надійність усього асинхронного ел. двигуна з к.з. ротором.

Осердя ротора виходить не однорідним. Але навіщо така складність у виготовленні? Ясна річ, шихтувати осердя з окремих пластин доводиться не для забави. Справа в тому, що при змінному струмі магнітний потік, який проходить по сердечникові теж змінний. При цьому в кожній пластині наводяться вихрові струми, які виділяються у вигляді тепла. Вихрові струми паразитні так, як нагрівання осердя, власне, нам не потрібен. Завдання будь-якого ел.двигуна - перетворювати електричну енергію в механічну. Нагрів - це втрати ел. енергії та зниження ККД машини.

Порівняння асинхронного двигуна з кз ротором і фазним ротором.

Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором має важливі відмінності як від асинхронного двигуна з фазним ротором, так і від двигунів постійного струму. Ці відмінності обумовлені конструктивною особливістю його ротора, що виключає можливість введення додаткових опорів в ланцюг роторної обмотки. При пуску асинхронного двигуна з фазним ротором в ланцюг його ротора вводять додаткові опору. Підбором відповідної величини опору пускового реостата можна зменшити пусковий струм двигуна до будь-якої необхідної величини. У той же час введення опорів в ланцюг ротора дозволяє регулювати пусковий момент двигуна. При певній величині опору пускового реостата можна отримати найбільший пусковий момент, відповідний перевантажувальної здатності двигуна. Поступово виводячи опір в міру розгону, отримують швидкий пуск двигуна при обмеженій величині струму. Інакше протікає пуск двигуна з короткозамкненим ротором. Якщо ротор виконаний з круглими пазами, то початковий пусковий момент двигуна невеликий. Ввести додатковий опір в

Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
04КП.040000.001.ПЗ  
ланцюг ротора і тим самим зменшити пусковий струм і збільшити пусковий момент двигуна тут неможливо. Великий пусковий струм двигуна, що перевищує в 4,5 - 7 разів номінальний, завантажує мережу, викликаючи при великій потужності двигуна зниження напруги в живильній мережі. Це несприятливо позначається на умовах роботи інших струмоприймачів.

Обмежений пусковий момент, що становить 0,8 - 1,3 від номінального, ускладнює пуск двигуна під навантаженням. Якщо пусковий момент менше моменту навантаження на валу, то, очевидно, двигун буде загальмований навантаженням і взагалі не розженеться.

Тому пусковий струм і пусковий момент асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором є його найважливішими експлуатаційними показниками. Зменшити пусковий струм короткозамкнутого двигуна можна шляхом введення в ланцюг його статорної обмотки додаткового опору. Однак при цьому зменшується перевантажувальна здатність двигуна і в ще більшому ступені його пусковий момент. Тому такий спосіб обмеження струму застосовується тільки в тих випадках, коли двигун пускається з невеликим навантаженням на валу, а його потужність сумірна з потужністю трансформатора, від якого він отримує напругу.

Поліпшеними пусковими властивостями володіють двигуни зі спеціальним виконанням ротора - з глибоким пазом або з подвійною білячої клітиною. При пуску такі двигуни розвивають підвищений пусковий момент в порівнянні з двигунами нормального виконання. Крім того, спеціальне виконання коротко замкнутого ротора дещо обмежує і пусковий струм двигуна. Більшість же двигунів з короткозамкненим ротором має пусковий момент, значно менше критичного. Тому при виборі двигуна потрібно перевіряти його не тільки по нагріванню і перевантажувальної здібності, але і по пусковому моменту. Друга важлива відмінність двигуна з короткозамкненим ротором від двигуна з фазовим ротором пов'язано з втратами енергії, що виділяються в двигуні під час пусків і гальмувань. Втрати енергії в опорах статорної і роторної ланцюгів при пуску залежать від квадрата струму, а також від тривалості часу пуску. Якщо

Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
04КП.040000.001.ПЗ  
порівняти втрати енергії при пуску двигуна з фазним ротором, з відповідними втратами при пуску двигуна з короткозамкненим ротором, неважко зробити висновок, що пускові втрати в короткозамкнений двигун більше. Дійсно, при однаковій тривалості пуску пусковий струм двигуна з короткозамкненим ротором в 2,5 - 3,5 рази більше, ніж пусковий струм двигуна з кільцями, який обмежується пусковим реостатом. Отже, втрати енергії в обмотках статора і ротора за час пуску для двигуна з короткозамкненим ротором в 6 - 12 разів вище, ніж у двигуна з фазовим ротором. Великі втрати при пусках і гальмуваннях асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором викликають його додатковий нагрів. При тривалому режимі роботи, коли двигун пускається лише кілька разів на добу, цей додатковий нагрів в середньому невеликий і практично не позначається на допустимому навантаженні. При повторно-короткочасному режимі в залежності від тривалості та характеру робочого циклу двигун повинен включатися від десятків до кількох сотень і навіть тисяч разів на годину. Очевидно, в такому режимі великі втрати при пусках і гальмуваннях будуть надавати дуже істотний вплив на нагрівання двигуна, і не враховувати їх при виборі двигуна неприпустимо.

Асинхронний двигун з фазним ротором (мал. 11, 12) застосовують для приводу таких машин і механізмів, які пускаються в хід під навантаженням (крани, ліфти та ін.) У подібних приводах двигун повинен розвивати при пуску максимальний момент, що досягається за допомогою пускового реостата

У цих випадках на роторі укладається трифазна обмотка з геометричними осями фазних котушок (1), зсунутими в просторі один відносно одного на 120градусів.

Фази обмотки з'єднуються зіркою і кінці їх приєднуються до трьох контактних кілець (3), насадженим на вал (2) і електрично ізольованим як від валу, так і один від одного. За допомогою щіток (4), що знаходяться в ковзному контакті з кільцями (3), є можливість включати

Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
04КП.040000.001.ПЗ  
в ланцюзі фазних обмоток регулювальні реостати (5). Асинхронний двигун з фазним ротором має кращі пускові та регулювальні властивості, проте йому притаманні великі маса, розміри і вартість, ніж асинхронному двигуну з короткозамкненим ротором

Мал.11. Електрична схема асинхронного двигуна з фазним ротором (а) і його умовне графічне зображення (б): 1 - статор; 2 - ротор; 3 - контактні кільця зі щітками, 4 - пусковий реостат

Мал 12. Основні конструктивні вузли асинхронного двигуна з фазним ротором: 1 - пристосування для підйому щіток; 2, 12 - підшипникові щити; 3 - щіткотримачі, 4 - траверса; 5 - обмотка статора; 6 - остов; 7 – осердя статора; 8 - коробка з виводамии; 9 – осердя ротора; 10 - обмотка ротора; 11 - контактні кільця

Обмотку фазного ротора зазвичай з'єднують «зіркою». Кінці її приєднують до трьох контактних кілець, до яких за допомогою щіток підключають трифазний пусковий реостат, тобто в кожну фазу ротора у момент пуску вводять додаткове активний опір.

Для зменшення зносу контактних кілець і щіток двигуни з фазним ротором іноді постачають пристосуваннями 1 (див. мал.12) для підйому щіток і замикання кілець на коротко після виключення реостата.

Лінійний двигун є електричною машиною, принцип роботи якої заснований на використанні енергії бігового магнітного поля. Основна перевага таких

Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
04КП.040000.001.ПЗ  
двигунів полягає у відсутності кінематичних ланцюгів для перетворення обертального руху в лінійне, що істотно спрощує конструкцію приводиться в рух механізму і підвищує його ККД. Існує велика різноманітність лінійних двигунів. В даний час більший інтерес проявляється до асинхронних лінійним двигунам як відносно простим за конструкцією.

Ці двигуни можна представити як розрізану з твірною і розгорнуту в площину звичайну асинхронну машину обертального руху. Розгорнутий у площину статор асинхронного двигуна є первинним елементом, а розгорнутий ротор вторинним елементом лінійного двигуна (мал. 1).

Сталевий сердечник первинного елемента виконується з шихтованої сталі, а в його пазах укладається багатофазна (зазвичай трифазна) обмотка. Вторинний елемент виконується з короткозамкненою обмоткою, укладеної в пази сталевого сердечника, або являє собою суцільну струмопровідну пластину. Пластина виготовляється з міді, алюмінію або феромагнітної сталі. При включенні обмотки первинного елемента в багатофазну мережа утворюється магнітне поле, яке переміщається уздовж магнітопроводу зі швидкістю

V 1 = 2τf 1

де τ - полюсний поділ;

f 1 - частота живлячої напруги.

При своєму переміщенні магнітне поле індукує у вторинному елементі машини ЕРС. Ця ЕРС викликає струми, від взаємодії яких з магнітним полем утворюється механічна сила (тягове зусилля), яка прагне зрушити елементи відносно один одного.

У лінійному двигуні в залежності від його конструкції і призначення можливо відносне переміщення як первинного, так і вторинного елемента. Як і в

Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
04КП.040000.001.ПЗ  
звичайному асинхронному двигуні, переміщення елемента відбувається з деяким ковзанням щодо поля

S = ( v 1 – v ) / v 1

де v- швидкість руху елемента.

Номінальна ковзання лінійного двигуна одно 2-6%.

На роботу лінійного двигуна справляють істотний вплив крайові ефекти, що виникають із-за кінцевих розмірів розімкнутих магнітопроводів елементів. Це призводить до погіршення таких характеристик, як тягове зусилля, коефіцієнт потужності і ККД.

Лінійні двигуни можуть бути успішно застосовані на стрічкових і візкових конвеєрах, в приводах ескалаторів та рухомих тротуарів, в металорізальних і ткацьких верстатах, де робочі органи здійснюють зворотно-поступальний рух. Великі перспективи має застосування лінійних двигунів для транспорту. Основною перевагою лінійного двигуна в цьому випадку є можливість отримання високих швидкостей руху до 400-500 км / ч.

Однофазний конденсаторний двигун

Асинхронний електродвигун, що живиться від однофазної мережі і має на статорі дві обмотки, одна з яких включається в мережу безпосередньо, а інша - послідовно з електричним конденсатором для утворення обертового магнітного поля.

Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
04КП.040000.001.ПЗ  
Конденсатори створюють зсув фаз між струмами обмоток, осі яких зміщені в просторі. Найбільший обертаючий момент розвивається, коли зсув фаз струмів становить 90, а їх амплітуди підібрані так, що обертове поле стає круговим. При пуску К. а.д. обидва конденсатора включені, а після його розгону один з конденсаторів відключають; це обумовлено тим, що при номінальній частоті обертання потрібно значно менша ємність, ніж при пуску. К. а. д. по пускових і робочих характеристик близький до трифазного асинхронного двигуна. Застосовується в електроприводах малої потужності; при потужностях понад 1 квт використовується рідко внаслідок значної вартості і розмірів конденсаторів. Є також двофазний асинхронний двигун та трифазний на відміну від трифазного, має можливість плавного регулювання частоти обертання ротора. Робиться це одним із двох способів: амплітудним (зміною напруги U) і фазним (зміною ємності конденсатора С). Двофазні двигуни отримали широке поширення в побутових приладах та лабораторної практиці.

Розрахункова частина

Розрахунок механічних характеристик

Змн.
Арк.
№ докум.
Підпис
Дата
Арк.
04КП.040000.001.ПЗ  
Для двигуна постійного струму незалежного збудження типу4ПФ112S,

дано такі паспортні данні двигуна: = 4 кВт; U= 220В; = 24 А;

= 900об/хв;

 

Номінальний опір двигуна:


Коефіцієнт корисної дії двигуна при номінальному навантаженні:


Опір якоря двигуна:

 


Швидкість ідеального холостого ходу двигуна:

 

 

 

 

Природна характеристика є прямою лінією, що проходить через крапки = 107 рад/сек. I=0 і = 94,2 рад/сек; = 24 А. (див. у додатках малюнок 1)