Приложение 1. Марки и размеры круглых медных обмоточных проводов. 3 страница

(2.3.7)

Для простой петлевой обмотки якоря первый, второй, результирующий частичные шаги по якорю в элементарных пазах, а также результирующий шаг по коллектору в коллекторных делениях соответственно равны

(2.3.8)

где - ноль или правильная дробь, делающая y₁ целым числом.

Для простой волновой обмотки

(2.3.9)

если - четное число

, если - нечетное число (2.3.10)

После этого вычерчивается схема обмотки. Примеры выполненных схем обмоток показаны на рис. 2.3.1 и 2.3.2[2], где п.д. - пазовое деление, к.д. - коллекторное.

Рис. 2.3.1 Схема простой петлевой якорной обмотки

 

Рис. 2.3.2 Схема простой волновой якорной обмотки

 

Линейная нагрузка якоря

А/м (2.3.11)

Полученная здесь величина не должна отличаться от ранее предварительно принятой более чем на ±5%.

 

2.4 Размеры зубцов, пазов, проводов и электрические параметры якоря

 

В машинах постоянного тока малой мощности применяются почти исключительно полузакрытые пазы якоря круглой, овальной, трапецеидальной и прямоугольной формы.

На рис. 2.4.1 представлены наиболее часто встречающиеся формы пазов якоря этих машин. Круглая форма пазов упрощает и удешевляет изготовление штампа для якоря, что снижает стоимость изготовления машины.

Обмотки якорей электродвигателей постоянного тока малой мощности выполняются преимущественно из круглого медного обмоточного провода с изоляцией марок ПЭЛ, ПЭТ, ПЭВ-2, ПЭТВ, ПЭФ-2, ПЭЛШО и ПЭЛШКО.

Рис.2.4.1 Формы пазов якоря:

а) круглый; б) трапецеидальный

 

Перечисленные марки проводов расшифровываются следующим образом:

ПЭЛ – провод эмалированный лакостойкий;

ПЭТ – провод эмалированный лакостойкий с повышенной теплостойкостью;

ПЭВ-2 – провод, изолированный высокопрочной эмалью в два слоя;

ПЭЛШО – провод, изолированный лакостойкой эмалью и одним слоем обмотки из натурального шелка;

ПЭЛШКО – провод, изолированный лакостойкой эмалью и одним слоем из шелка капрон;

ПБД – провод, изолированный двумя слоями обмотки из хлопчатобумажной пряжки

ПЭТВ – провод эмалированный лакостойкий с высокой теплостойкостью;

ПЭФ-2 – провод, изолированный фторопластовой эмалью в два слоя;

ПЭТКСОТ – провод эмалированный теплостойкий со стекловолокном в один слой.

Провода марок ПЭТВ, ПЭФ-2 и ПЭТКСОТ принадлежат к категории теплостойких обмоточных проводов, допускающих длительно температуру нагрева до 180÷200 º С. Эти провода применяются в теплостойких малогабаритных электрических машинах специального назначения.

Провода марок ПЭЛ, ПЭТ, ПЭВ-2 обеспечивают высокий коэффициент заполнения паза, но не всегда достаточно надежны в отношениях изоляции, в особенности при относительно высоких напряжениях машины. Провода марок ПЭЛШО и ПЭЛШКО дают достаточно высокий коэффициент заполнения паза и надежны в отношении изоляции. При напряжениях машины 6–12 В можно ограничиться проводами марок ПЭЛ и ПЭТ, при напряжениях 12–30 В —проводами марок ПЭЛ, ПЭТ и ПЭВ-2 и при напряжениях 110 В и выше—проводами марок ПЭЛШО, ПЭЛШКО или ПБД.

В электродвигателях постоянного тока малой мощности допустимая плотность тока в обмотке якоря выбирается в зависимости от режима работы, типа исполнения и условий охлаждения и применения машины. Как известно, тепловой режим машины постоянного тока в основном определяется величиной произведения линейной нагрузки якоря на плотность тока в его обмотке AS·j_a и условиями теплоотдачи.

При допустимой плотности тока j_a в обмотке якоря для данного режима работы и условий применения машины наибольшее превышение температуры якоря над температурой окружающей среды в этом случае не будет превосходить допустимого значения. Для установления условий выбора этой плотности тока при различных режимах работы можно воспользоваться известными из теории кривыми нагревания во времени якоря машины.

Если воспользоваться известными уравнениями теории нагревания и охлаждения электрических машин, то для удельной тепловой загрузки наружной цилиндрической поверхности пакета якоря можно получить следующие соотношения:

при продолжительном режиме работы машины

Вт/м², (2.4.1)

где - предельно допустимое превышение температуры якоря над температурой окружающей среды;

-окружная скорость якоря м/сек;

в случае закрытого исполнения машины без вентилятора:

Вт/м² при . (2.4.2)

Если учесть предельные превышения температуры якоря, то для определения средней допустимой плотности тока в обмотке якоря обычных малых машин получаются следующие соотношения:

при

до 5000 об/мин А/м²

от 5000 до 10 000 об/мин А/м² (2.4.3)

при

до 5000 об/мин А/м²

от 5000 до 10 000 об/мин А/м² (2.4.4)

 

Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря двухполюсных электродвигателей малой мощности можно выбирать также по кривым (рис. 2.4.2) в зависимости от полезного вращающего момента [1].

Момент на валу электродвигателя определяется по уравнению

Н∙м. (2.4.5)

Предварительно сечение провода обмотки якоря

м². (2.4.6)

Сечение и диаметр провода окончательно выбираются по ближайшим большим данным из приложения 1

где –диаметры проводов без изоляции и с изоляцией.

Окончательная плотность тока в проводнике обмотки якоря

А/м². (2.4.7)

Рис.2.4.2 Кривые допустимых плотностей тока в обмотке якоря двухполюсных машин постоянного тока малой мощности в зависимости от вращающего момента при продолжительном режиме работы и закрытом исполнении.

 

Площадь паза, занимаемая изолированными проводниками,

м², (2.4.8)

где f₀ = 0,70 ÷ 0,74 — технологический коэффициент, учитывающий неплотности укладки проводников в пазы.

Площадь паза, занимаемая пазовой изоляцией

м² (2.4.9)

где м — толщина пазовой изоляции из кабельной бумаги, лакированной ткани или электрокартона, выбираемая в зависимости от напряжения машины:

м при напряжении 6 — 12 В;

м при напряжении 12 — 30 В;

м при напряжении 110 — 220 В.

,м — периметр паза.

Площадь паза, занимаемая клином,

м², (2.4.10)

где можно принять ширину клина

м (2.4.11)

 

и его высоту

м (2.4.12)

 

Общая требуемая площадь паза

м², (2.4.13)

В практике расчета машин малой мощности большей частью пользуются понятием коэффициента заполнения паза изолированным проводом в виде отношения

, (2.4.14)

где , м² — площадь поперечного сечения провода с изоляцией.

Величина коэффициента составляет

В случае круглой формы диаметр паза якоря (см. рис. 2.4.1а)

м, (2.4.15)

Рис. 2.4.3 Определение размеров паза якоря

 

В случае овальной или трапецеидальной формы паза с одинаковой толщиной зубца по высоте (см. рис. 2.4.1,б) для определения ширины и высоты паза удобнее прежде всего рассчитать минимальную толщину зубца:

, (2.4.16)

где Тл

При этом по соображениям механической прочности толщина зубца не должна быть менее 1 мм. Затем вычерчивается в увеличенном масштабе, часть окружности якоря с зубовым шагом t₁ и наносится толщина относительно осей двух соседних зубцов (рис.2.4.3). После этого выбирается соответствующая высота паза , исходя из требуемой площади его и определяются b_П1, b_П2, h_а.

При выборе следует иметь в виду необходимую высоту сердечника якоря в отношении допустимой индукции и механической прочности. Вообще, согласно опыту построенных машин малой мощности, высота сердечника якоря составляет

.м, (2.4.17)

диаметр вала

Ширина прорези паза (рис. 2.4.1)

, (2.4.18)

где большие значения коэффициента перед относятся к более тонким проводам.

Высота коронки:

м

Зубцовые шаги по вершинам, серединам и основаниям зубцов якоря с круглым пазом:

м, (2.4.19)

м, (2.4.20)

м, (2.4.21)

где высота паза

м; (2.4.22)

размеры зубца:

м, (2.4.23)

м, (2.4.24)

, м (2.4.25)

Размеры трапецеидального паза можно вычислить:

, (2.4.26)

, где , , (2.4.27)

. (2.4.28)

Проверка максимальной индукции в минимальном сечении зубца

Тл, (2.4.29)

где — коэффициент, учитывающий лаковую изоляцию между листами пакета якоря.

Максимальная индукция в зубцах якоря электродвигателей постоянного тока малой мощности продолжительного (длительного) режима по технологическим условиям обычно получается в пределах 1,3÷1,5 Тл. В отдельных случаях возможно некоторое превышение этих значений. Эскизы пазов якоря с укладкой обмотки даны на рис. 2.4.4.

Рис. 2.4.4 Укладка проводов обмотки якоря в круглый (а) и овальный (б) пазы:

1 — клин; 2 — обмотка; 3 —пазовая изоляция

 

Средняя длина проводника обмотки якоря.

При

, м, (2.4.30)

при

, м (2.4.31)

Сопротивление обмотки якоря в нагретом состоянии при расчетной температуре ⁰ С

Ом, (2.4.32)

где Ом·м — удельное электрическое сопротивление меди при ⁰С, — коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления обмотки при нагревании её от ⁰ С до ⁰ С.

Падение напряжения в обмотке якоря при полной нагрузке.

В, (2.4.33)

Падение напряжения в обмотке якоря электродвигателей малой мощности составляет примерно 10÷20% от номинального напряжения машины.

 

2.5 Коллектор, щеткодержатели и щетки

В конструктивном, производственном и эксплуатационном отношениях коллектор представляет собой наиболее ответственную часть машины. Коллекторные пластины в электродвигателях малой мощности изготовляются из твердотянутой меди и изолируется друг от друга и от вала миканитом или пластмассой.

Рис. 2.5.1 Коллекторы:

а) развальцованный; б) с втулкой из пластмассы

 

В целях устранения механических причин искрения коллектор должен иметь строго цилиндрическую и гладкую поверхность; конструкции щеткодержателя должны обеспечивать правильное положение и работу щеток на коллекторе.

Конструкции коллекторов электродвигателей постоянного тока малой мощности представлены на рис. 2.5.1.

Толщина тела коллектора обычно составляет

м. (2.5.1)

В рассматриваемых малых электродвигателях применяются щеткодержатели трубчатого и коробчатого типа. В них щетка расположена перпендикулярна к коллектору и давление пружины на нее действует непосредственно в радиальном направлении. В трубчатых это давление осуществляется с помощью винтовой пружины, а в коробчатых — спиральной.

В высокоскоростных машинах малой мощности при скоростях вращения порядка 10000 об/мин и выше заметно усиливаются механические вибрации щеток на коллекторе под влиянием его биения из-за наличия некоторого эксцентриситета, нецилиндричности поверхности и других механических факторов.

Вследствие этого происходит усиление искрения под щетками. Как показывает опыт, для уменьшения вибраций щеток в этом случае целесообразно применить так называемые реактивные щеткодержатели, в которых щетки располагаются под некоторым углом к поверхности коллектора в направлении вращении последнего.

Втулки трубчатых и обоймы коробчатых щеткодержателей выполняются прямоугольной формы. Длина щетки по втулке или обойме берется в приделах 1,5 — 2 ширины щетки по оси коллектора. Щетка выступает из втулки или обоймы на 1 — 2 мм.

Предварительный диаметр коллектора. Диаметр коллектора предварительно выбирается из соотношения

м. (2.5.2)

Коллекторное деление

, (2.5.3)

в машинах малой мощности обычно ширина коллекторных пластин м.

Толщина миканитовой или пластмассовой изоляции между коллекторными пластинами в зависимости от напряжения составляет:

м при напряжении до 30 В;

м при напряжении 110 В и выше.

После выбора и окончательное коллекторное деление

м. (2.5.4)

Окончательный диаметр коллектора

м. (2.5.5)

Окружная скорость коллектора

м/с (2.5.6)

Окружная скорость коллектора составляет 0,5 — 0,9 от величины окружной скорости якоря.

В низковольтных электродвигателях постоянного тока малой мощности применяются медно-графитные щетки марок М-1, М-6 и МГ. В высоковольтных электродвигателях (110 — 220 В) находят применение, кроме указанных, также и электрографитированные щетки марок ЭГ-8 и ЭГ-14.

Физические свойства и плотности тока указанных сортов щеток, а также их номинальные размеры представлены соответственно в табл. 2.5.1 и 2.5.2.

Предварительный выбор плотности тока под щетками по принятому сорту их производится по таблице 2.5.1.

Физические свойства и плотности тока щеток Таблица 2.5.1

Группа щеток	Марка щеток	Допустимая плотность тока , А/м2	Переходное падение напряжения на пару щеток при номинальном токе и окружной скорости 15м/с Uщ, В	Максимальная окружная скорость , м/с	Коэффициент трения при =15 м/с	Удельное нажатие pщ, Н/м2
Угольно-графитные Графитные   Электрографитированные   Меднографитные     Бронзографитные	Т-6 УГ-2   Г-1 Г-3 Г-8   ЭГ-2 ЭГ-14   М-1 М-3 М-6 МГ МГ-4   БГ	6*104 8*104   7*104 10*104 11*104   10*104 10*104   15*104 12*104 15*104 20*104 15*104   20*104	2 0,5 2 0,4   2,2 0,5 1,9 0,4 1,9 0,4   2,7 0,6 2,5 0,5   1,5 0,5 1,8 0,4 1,5 0,5 0,2 0,1 1,1 0,5   0,3 0,1		0,30 0,25   0,30 0,25 0,25   0,20 0,25   0,25 0,25 0,20 0,20 0,20   0,25	(1,96-2,35) *104 (1,96-2,35) *104   (1,96-2,35) *104 (1,96-2,35) *104 (1,96-2,94) *104 (1,96-2,35) *104 (1,96-3,92) *104   (1,47-1,96) *104 (1,47-1,96) *104 (1,47-1,96) *104 (1,76-2,26) *104 (1,96-2,35) *104     (1,68-2,16) *104

Площадь сечения щетки

м², (2.5.7)

Ширина щетки по дуге окружности коллектора

м, (2.5.8)

Длина щетки по оси коллектора

м. (2.5.9)

Высота щетки

м. (2.5.10)

Размеры щеток окончательно уточняются по табл. 2.5.2.

Окончательная плотность тока под щетками

А/м ² (2.5.11)

Активная длина коллектора по оси вала

м. (2.5.12)

Полная длина коллектора по оси вала

м. (2.5.13)

Так как в рассматриваемых машинах постоянного тока малой мощности добавочные полюса в коммутационной зоне отсутствуют и щетки на коллекторе обычно располагаются соответственно положению геометрической нейтрали, то процесс коммутации тока в короткозамкнутых секциях якоря получается замедленным из-за наличия в них реактивной э.д.с. е_r и э.д.с. реакции якоря е_a. Обе эти э.д.с. суммируются и вызывают в цепи короткозамкнутой секции добавочный ток, способствующий увеличению плотности тока на сбегающем крае щетке.

Номинальные размеры щеток Таблица 2.5.2

Обозначение типов щеток	Ширина по окружности коллектора bщ, м	Длина по оси коллектора ащ, м	Высота hщ, м
ФО (щетка прямоугольная для радиальных щеткодержателей)	1,0*10-3	1,6*10-3	6,3*10-3
1,6*10-3	2,0*10-3	5,0*10-3 6,3*10-3 8,0*10-3
2,0*10-3	2,5*10-3	6,3*10-3 10,0*10-3 6,3*10-3 10,0*10-3
3,2*10-3 4,0*10-3	6,3*10-3 10,0*10-3
2,5*10-3	3,2*10-3
4,0*10-3 5,0*10-3 6,3*10-3	8,0*10-3 10,0*10-3 12,5*10-3
3,2*10-3	4,0*10-3	8,0*10-3 10,0*10-3 12,5*10-3
5,0*10-3	10,0*10-3 12,5*10-3 16,0*10-3
6,3*10-3	10,0*10-3 12,5*10-3 16,0*10-3
Ф8-А1 (щетка прямоугольная для радиальных щеткодержателей со спиральной пружиной)	4,0*10-3	5,0*10-3 6,3*10-3 8,0*10-3	8,0*10-3 12,5*10-3 16,0*10-3
5,0*10-3	6,3*10-3 10,0*10-3 12,5*10-3	12,5*10-3 16,0*10-3 20,0*10-3
6,3*10-3	8,0*10-3 10,0*10-3	20,0*10-3 25,0*10-3
8,0*10-3	10,0*10-3 12,5*10-3	25,0*10-3 25,0*10-3

В момент размыкания цепи секции при наличии в ней указанных э.д.с. и тока между этим краем щетки и сбегающей коллекторной пластиной возникают небольшие электрические дуги в виде мелких искр. Интенсивность этих искр зависит от величины результирующей э.д.с. в короткозамкнутой секции . Для получения допустимого искрения под щетками величина этой э.д.с. в секции не должна превышать определенного значения. Однако коммутация тока в секции может также ухудшаться вследствие влияние поля полюсов, если ширина коммутационной зоны будет близка к расстоянию между краями наконечников двух соседних полюсов.