Глава 11 Проектирование машин постоянного тока (Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин), страница 6

11.5. РАСЧЕТ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА ПОД ГЛАВНЫМИ ПОЛЮСАМИ. КОМПЕНСАЦИОННАЯ ОБМОТКА

Воздушный зазор под главными полюсами является одним из главных размеров машины, хотя выбирают его часто, исходя из тех­нологических и конструктивных соображений. От размера этого за­зора зависят основные характеристики машины, а также потенциа­льные условия коммутации на коллекторе, допустимый диапазон регулирования частоты вращения и т. д.

Поскольку в машинах постоянного тока, за редким исключени­ем, щетки устанавливаются строго по линии геометрической ней­трали, а магнитная цепь насыщена, то при расчете магнитной цепи машины рассматривают только поперечную составляющую реак­ции якоря и влияние ее на магнитное поле в воздушном зазоре.

Расчет размагничивающего действия поперечной реакции якоря производят по переходной характеристике (рис. 11.16), построенной по результатам расчета магнитной цепи (см. табл. 11.19). При нагрузке под действием поперечной реакции якоря магнитное поле в воздушном зазоре искажается: под одним краем полюса индукция уменьшается, под другим возрастает. Точки и , отстоящие от ординаты на расстоянии 0,5 (где — ши­рина полюсной дуги), определяют значения и под краями полюсов, а кривая daf— распределение индукции в воздушном зазоре на протяжении полюсной дуги.

Среднее значение индукции в воздушном зазоре в этом случае можно определить по формуле, известной из общего курса теории электрических машин [6]:

, (11.35)

где — индукция в воздушном зазоре в режиме холостого хода.

Для определения МДС размагничивания поперечной реакции якоря необходимо ось криволинейного четырехугольника сместить по оси на отрезок . В масштабе МДС этот от­резок определяет размагничивающее действие реакции якоря.

Как видно из рис. 11.16, поперечная реакция якоря нарастает от середины полюсной дуги к его краям. При значительной попереч­ной реакции якоря может произойти опрокидывание поля под од­ним краем полюса: точка d сместится по кривой индукции (рис. 11.16) в область отрицательных значений .

Так как поле реакции якоря замыкается по контуру — зубцы якоря, спинка якоря, воздушный зазор, полюсный наконечник, то воздушный зазор выбирают таким, чтобы индукция на протяже­нии всей полюсной дуги не изменяла своего направления. Обычно это условие выполняется на всех рабочих диапазонах изменения тока якоря и индукции в воздушном зазоре, если воздушный зазор находится в пределах, указанных на рис. 11.17.

Рис. 11.16. Переходная характеристика машины постоянного тока

Рис. 11.17. Зависимость длины воздуш­ного зазора от диаметра якоря

Рис. 11.18. Полюсный наконечник главного полюса

Рис. 11.19. Пазы компенсационной обмотки

В целях снижения реакции якоря под краями полюсов воздуш­ный зазор может выполняться эксцентричным или с приподнятыми краями полюсов (рис. 11.18). В этом случае воздушный зазор может быть рассчитан по формуле

, (11.36)

где — коэффициент приведения неравно­мерного воздушного зазора, имеющего размер под середи­ной полюса и под краем полюсного наконечника. Обычно .

В машинах серии 4П и в машинах других серий при диаметрах якоря свыше 300 мм, а также в машинах с широким диапазоном ре­гулирования частоты вращения и большой кратностью перегрузок для компенсации поперечной реакции якоря в зоне полюсной дуги применяют компенсационную обмотку.

Конструктивно компенсационную обмотку выполняют в виде однослойной катушечной, а в крупных машинах — в виде стержне­вой обмотки и укладывают в пазы наконечников главных полюсов (рис. 11.19) или в пазы статора в машинах серии 4П.

Схема выполнения компенсационной обмотки приведена на рис. 11.20, где буквами N и S обозначена полярность добавочных полюсов.

Рис. 11.20. Схема выполнения компенсационной обмотки

При расчете компенсационной обмотки обычно принимают ее МДС в зоне полюсной дуги в пределах

. (11.37)

Компенсационную обмотку соединяют последовательно с об­моткой якоря, что создает автоматическую компенсацию реакции якоря при любом токе нагрузки.

Во избежание вибраций магнитного происхождения зубцовый шаг по полюсному наконечнику (см. рис. 11.19) должен отлича­ться от зубцового шага по якорю. Это условие обычно выпол­няется, если число пазов компенсационной обмотки находится в пределах

. (11.38)

Число зубцов должно быть четным. Выбор числа зубцов и расчет зубцовой зоны компенсационной обмотки производят в сле­дующем порядке.

Определяют число проводников компенсационной обмотки на один полюс:

, (11.39)

где — число параллельных ветвей компенсационной обмотки; / — ток якоря, А.

Число параллельных ветвей принимают равным единице при токе якоря до 2000 А. Если ток в пазу компенсационной обмотки превышает 2000 А, то ее выполняют в две параллельные ветви: = 2.

Выбирая Z_K в диапазоне от 6 до 12, определяют шаг , ширину зубца где — коэффициент рассеяния главного полюса; Тл — индукция в минимальном се­чении зубца компенсационной обмотки.

Ширина паза в свету равна:

. (11.40)

При выбранном числе пазов определяют число проводников обмотки в одном пазу:

. (11.41)

Число округляют до ближайшего целого числа.

Площадь поперечного сечения проводника компенсационной обмотки

, (11.42)

где — плотность тока в компенсационной обмотке.

В зависимости от класса нагревостойкости изоляции плотность тока принимают равной (4,7...5,2)·10⁶ А/м² для класса В, (5,3...5,8)·10⁶ А/м² для класса F и (6,0...6,6)·10⁶ А/м² для класса Н. Плотность тока в компенсационных обмотках машин серии 4П при­нимают в соответствии с рекомендациями по выбору плотности тока в статорных обмотках асинхронных машин серии 4А.

При числе проводников в пазу более двух компенсационную обмотку выполняют катушечной с укладкой в открытые пазы. В этом случае проводники размещают в зависимости от выбран­ных размеров элементарного проводника либо меньшей, либо бо­льшей стороной по ширине паза. Стороны катушечных групп мо­гут укладываться как в один, так и в два ряда по ширине паза (рис. 11.21, а—в). При числе проводников в пазу = 1 или 2 (рис. 11.21, г, д) обмотку выполняют стержневой. Стержневые об­мотки из неизолированной шинной меди изолируют и вставляют с торца в полузакрытые пазы, ширину шлица паза принимают равной 2—3 мм. В лобовых частях стержни соединяют дугами из неизолированной шинной меди.

Конструкция изоляции компенсационных обмоток в пазу и ло­бовых частях приведена в табл. 11.13—11.15.

После выбора стандартных размеров проводника, схемы разме­щения проводников в пазу и клас­са нагревостойкости изоляции обмотки окончательно рассчиты­вают размеры пазов, уточняют степень компенсации:

. (11.43)

Коэффициент , должен нахо­диться в пределах 0,85 — 1,15.

Высота клина принимается равной = 2,5 мм, высота шлица = 1,0 мм.

Средняя ширина катушки компенсационной обмотки, м,

, (11.44)

Рис. 11.21. Укладка проводников в пазы компенсационной обмотки

Таблица 11.13. Изоляция компенсационной обмотки машин постоянного тока

(пазы прямоугольные полузакрытые, обмотка однослойная стержневая, h = 355...500 мм, напряжение до 1000 В)

Таблица 11.14. Изоляция компенсационной обмотки двигателей постоянного тока

(пазы прямоугольные открытые, обмотка однослойная секционная из неизолированных проводов, =355...500 мм, напряжение до 1000 В, изоляция класса нагревостойкости В)

Таблица 11.15. Изоляция компенсационной обмотка машин постоянного тока (пазы прямоугольные открытые, обмотка однослойная секционная из неизолированных проводов, А = 355...500 мм, напряжение до 1000 В)

где — диаметр внутренней поверхности главного полюса; — высота паза компенсационной обмотки; — ширина полюсного нако­нечника.