Файл: Методические указания по изучению разделов и тем курса Исполнительные механизмы систем управления.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 04.05.2024
Просмотров: 56
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
- магнитная энергия, заключенная в наружном поле электромагнита; и - линейное и угловое перемещения якоря.
Электромагнит - довольно сложная система с распределенными параметрами, у которой из-за сложности формул теории поля обычно не удается получить выражения вида
или
Поэтому здесь, так же как и при расчете тяговых усилий постоянного магнита, расчет системы с распределенными параметрами обычно заменяют расчетом магнитной цепи с сосредоточенными параметрами.
Для определения тяговых усилий и моментов, создаваемых намагничивающей силой, принимают
где
и
- энергия рабочего поля и поля рассеяния;
- намагничивающая сила, поддерживающая магнитное поле во внешнем пространстве;
-магнитная проводимость рабочего зазора.
У нейтральных электромагнитов перемещение якоря в пределах его рабочего хода мало отражается на величине энергии поля рассеяния. Поэтому, считая
получают
Отсюда получим следующие формулы для тягового усилия Р и момента М:
(6.1)
(6.2)
Коэффициенты k1и k2зависят от конструкции якоря и формы поля в рабочем зазоре. Их значения приведены в таблице 6.1, где обозначено: х -ход якоря, а - угол поворота якоря, рад.
63
мотке пружина отводит якорь от магнитопровода, и поток постоянного магнита замыкается через шунт. При включении обмотки в ней возникает намагничивающая сила, под воздействием которой поток постоянного магнита становится в шунте равным нулю и начинает замыкаться через якорь, вызывая его притяжение.
Рис. 6.2 Конструктивные схемы поляризованных электромагнитов
Удерживающие электромагниты предназначены для работы в автоматических устройствах, требующих практически мгновенного отпускания в строго определенный момент времени. Принцип действия удерживающего электромагнита (рис. 6.2,л) с последовательным соединением магнитных полей также основан на перераспределении потока постоянного магнита между якорем и шунтом, но, в отличие от притягивающих электромагнитов, при включении тока намагничивающая сила обмотки уменьшает до нуля поток не в шунте, а в якоре.
Принцип действия одинарного (рис. 6.2,м) и сдвоенного (рис. 6.2,н) удерживающих электромагнитов основан на явлении насыщения участков магнитопровода вблизи круглых отверстий, сквозь которые проходят витки
62
Эти факторы позволяют при устранении скользящего контакта коллектор-щетки сохранить основную особенность машины постоянного тока, заключающуюся в том, что частота переключения катушек обмотки якоря определяется частотой вращения ротора. Благодаря этому бесконтактный
двигатель постоянного тока в основном сохраняет характеристики коллекторного двигателя с независимым возбуждением.
Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока
Преобразование электрической энергии в механическую наглядно показано с помощью энергетической диаграммы (рис. 3.4), где
полная электрическая мощность;
- потери в цепи возбуждения;
- потери в цепи якоря; - потери холостого хода;
полная механическая мощность на валу (
- электромагнитная мощность); - полезная механическая мощность.
3.2 Методика расчета характеристик электродвигателя постоянного тока параллельного возбуждения
Исходными данными для расчета являются характеристики электродвигателя постоянного тока параллельного возбуждения, приведенные в таблице 3.1.
Таблица 3.1
В таблице 3.1 -напряжение; - полезная мощность; -номинальная скорость вращения;
- токи якоря и возбуждения;
потери холостого хода от полезной мощности.
Требуется: определить ток холостого хода, сопротивления обмоток якоря и возбуждения, номинальный момент на валу электродвигателя, скорость вращения якоря двигателя при холостом ходе, КПД двигателя.
Из рассмотрения энергетической диаграммы работы двигателя постоянного тока следует уравнение баланса мощностей:
где
Полагая
получим
Сопротивление обмотки якоря находим из выражения
(3.7)
Сопротивление обмотки возбуждения:
(3.8)
Ток якоря при холостом ходе определяем, полагая
В этом случае уравнение баланса мощностей имеет вид
где
- ток якоря электродвигателя при холостом ходе.
32
6.3 Конструкции поляризованных электромагнитов
Поляризованные электромагниты (рис. 6.2) в конструктивном отношении гораздо сложнее нейтральных, но отличаются высоким быстродействием. Поэтому их широко применяют в устройствах автоматики. Быстродействие поляризованных электромагнитов объясняется тем, что благодаря наличию постоянного магнита исключается время на накопление энергии, необходимой для срабатывания. По величине хода якоря поляризованные электромагниты принято делить на электромагниты с малым и большим ходом.
Основные особенности поляризованных электромагнитов с малым ходом якоря (рис. 6.2). Это - быстродействие и возможность реверсировать движение якоря переменой знака (или фазы) управляющего сигнала. Системы с подвижным магнитом (рис. 6.2,а) и с подвижным электромагнитом (рис. 6.2,6) развивают большой вращающий момент и применяются в следящих устройствах. В первом случае реверс осуществляется переменой знака, а во втором - изменением фазы управляющего тока. Системы с расщепленным полюсом (рис. 6.2.в), с наружным (рис. 6.2,г) или внутренним (рис. 6.2,д) магнитом отличаются простотой и технологичностью конструкции, но в них нет разделения поляризующего и управляющего магнитных полей. В системе с расщепленным полюсом поляризующий поток насыщает магнитопровод и увеличивает магнитное сопротивление пути замыкания управляющего потока. В системе с наружным магнитом
поток управляющей обмотки встречает большое сопротивление, т.к. может замыкаться лишь по воздуху и через постоянный магнит. В системе с внутренним магнитом плохо используется поляризующий поток якоря.
Системы с частично (рис. 6.2,е) и полностью (рис. 6.2,ж,з) разделенными полями сложнее, чем системы с неразделенными полями, но развивают большой вращающий момент. Наибольшим вращающим моментом обладает система (рис. 6.2,з) с поперечным поляризующим потоком. Для получения линейной тяговой характеристики здесь применяют «когти» (выступы полюсных наконечников), по которым основная часть поляризующего потока переходит в торцы якоря.
Поляризованные электромагниты с большим ходом якоря (рис. 6.2). Такие электромагниты делят на притягивающие и удерживающие. Принцип действия притягивающих электромагнитов с параллельным (рис. 6.2.и) и последовательным (рис. 6.2,к) соединениями магнитных полей основан на перераспределении потока постоянного магнита между якорем и шунтирующей якорь частью магнитопровода. При включенной об-
61
ными из пластин для уменьшения потерь от вихревых токов. Пластинчатый магнитопровод обеспечивает наибольшую скорость срабатывания и одинаково применим для возбуждения как постоянным, так и переменным током.
Электромагниты с поворотными торцовым (рис. 6.1,в) и боковым (рис. 6.1,г) якорями применяют в нейтральных реле. Вариант с торцовым якорем лучше в конструктивном отношении (якорь имеет меньшую массу, призменная опора обеспечивает малое трение). Вариант с боковым якорем лучше в технологическом отношении (малое число деталей, изготовление магнитопровода штамповкой) и дешевле.
Втяжные электромагниты П-образного (рис. 6.1,д) и горшечного (рис. 6.1,е) типов применяют в малогабаритных виброустойчивых реле и в автоматических приборных устройствах. П-образный магнит проще в технологическом отношении, но хуже использует активные материалы и развивает меньшее тяговое усилие, чем одинаковый по весу электромагнит горшечного типа. Быстродействующие электромагниты горшечного типа имеют высокий сердечник и короткий пустотелый якорь. Втяжные таре
Электромагнит - довольно сложная система с распределенными параметрами, у которой из-за сложности формул теории поля обычно не удается получить выражения вида
или Поэтому здесь, так же как и при расчете тяговых усилий постоянного магнита, расчет системы с распределенными параметрами обычно заменяют расчетом магнитной цепи с сосредоточенными параметрами.
Для определения тяговых усилий и моментов, создаваемых намагничивающей силой, принимают
где и - энергия рабочего поля и поля рассеяния; - намагничивающая сила, поддерживающая магнитное поле во внешнем пространстве; -магнитная проводимость рабочего зазора.У нейтральных электромагнитов перемещение якоря в пределах его рабочего хода мало отражается на величине энергии поля рассеяния. Поэтому, считая
получают Отсюда получим следующие формулы для тягового усилия Р и момента М: (6.1) (6.2)Коэффициенты k1и k2зависят от конструкции якоря и формы поля в рабочем зазоре. Их значения приведены в таблице 6.1, где обозначено: х -ход якоря, а - угол поворота якоря, рад.
63
мотке пружина отводит якорь от магнитопровода, и поток постоянного магнита замыкается через шунт. При включении обмотки в ней возникает намагничивающая сила, под воздействием которой поток постоянного магнита становится в шунте равным нулю и начинает замыкаться через якорь, вызывая его притяжение.
Рис. 6.2 Конструктивные схемы поляризованных электромагнитов
Удерживающие электромагниты предназначены для работы в автоматических устройствах, требующих практически мгновенного отпускания в строго определенный момент времени. Принцип действия удерживающего электромагнита (рис. 6.2,л) с последовательным соединением магнитных полей также основан на перераспределении потока постоянного магнита между якорем и шунтом, но, в отличие от притягивающих электромагнитов, при включении тока намагничивающая сила обмотки уменьшает до нуля поток не в шунте, а в якоре.
Принцип действия одинарного (рис. 6.2,м) и сдвоенного (рис. 6.2,н) удерживающих электромагнитов основан на явлении насыщения участков магнитопровода вблизи круглых отверстий, сквозь которые проходят витки
62
-
Силовая обмотка якоря расположена на статоре и состоит из нескольких катушек, сдвинутых относительно друг друга в пространстве. Ротор выполняют в виде постоянного магнита. -
Положение оси магнитного потока ротора по отношению к осям катушек силовой обмотки статора определяется бесконтактными датчиками (трансформаторными, индукционными, магнито-электрическими, фотоэлектрическими). -
Бесконтактный полупроводниковый коммутатор осуществляет коммутацию катушек силовой обмотки статора по сигналам датчиков положения. При мощности двигателей до 0,5-1 кВт в качестве коммутирующих элементов обычно используются транзисторы, при большей мощности-тиристоры.
Эти факторы позволяют при устранении скользящего контакта коллектор-щетки сохранить основную особенность машины постоянного тока, заключающуюся в том, что частота переключения катушек обмотки якоря определяется частотой вращения ротора. Благодаря этому бесконтактный
двигатель постоянного тока в основном сохраняет характеристики коллекторного двигателя с независимым возбуждением.
Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока
Преобразование электрической энергии в механическую наглядно показано с помощью энергетической диаграммы (рис. 3.4), где
полная электрическая мощность; - потери в цепи возбуждения; - потери в цепи якоря; - потери холостого хода; полная механическая мощность на валу ( - электромагнитная мощность); - полезная механическая мощность. 3.2 Методика расчета характеристик электродвигателя постоянного тока параллельного возбуждения
Исходными данными для расчета являются характеристики электродвигателя постоянного тока параллельного возбуждения, приведенные в таблице 3.1.
Таблица 3.1
В таблице 3.1 -напряжение; - полезная мощность; -номинальная скорость вращения;
- токи якоря и возбуждения; потери холостого хода от полезной мощности.Требуется: определить ток холостого хода, сопротивления обмоток якоря и возбуждения, номинальный момент на валу электродвигателя, скорость вращения якоря двигателя при холостом ходе, КПД двигателя.
Из рассмотрения энергетической диаграммы работы двигателя постоянного тока следует уравнение баланса мощностей:
где
Полагая
получим Сопротивление обмотки якоря находим из выражения
(3.7)Сопротивление обмотки возбуждения:
(3.8)Ток якоря при холостом ходе определяем, полагая
В этом случае уравнение баланса мощностей имеет вид
где
- ток якоря электродвигателя при холостом ходе.32
6.3 Конструкции поляризованных электромагнитов
Поляризованные электромагниты (рис. 6.2) в конструктивном отношении гораздо сложнее нейтральных, но отличаются высоким быстродействием. Поэтому их широко применяют в устройствах автоматики. Быстродействие поляризованных электромагнитов объясняется тем, что благодаря наличию постоянного магнита исключается время на накопление энергии, необходимой для срабатывания. По величине хода якоря поляризованные электромагниты принято делить на электромагниты с малым и большим ходом.
Основные особенности поляризованных электромагнитов с малым ходом якоря (рис. 6.2). Это - быстродействие и возможность реверсировать движение якоря переменой знака (или фазы) управляющего сигнала. Системы с подвижным магнитом (рис. 6.2,а) и с подвижным электромагнитом (рис. 6.2,6) развивают большой вращающий момент и применяются в следящих устройствах. В первом случае реверс осуществляется переменой знака, а во втором - изменением фазы управляющего тока. Системы с расщепленным полюсом (рис. 6.2.в), с наружным (рис. 6.2,г) или внутренним (рис. 6.2,д) магнитом отличаются простотой и технологичностью конструкции, но в них нет разделения поляризующего и управляющего магнитных полей. В системе с расщепленным полюсом поляризующий поток насыщает магнитопровод и увеличивает магнитное сопротивление пути замыкания управляющего потока. В системе с наружным магнитом
поток управляющей обмотки встречает большое сопротивление, т.к. может замыкаться лишь по воздуху и через постоянный магнит. В системе с внутренним магнитом плохо используется поляризующий поток якоря.
Системы с частично (рис. 6.2,е) и полностью (рис. 6.2,ж,з) разделенными полями сложнее, чем системы с неразделенными полями, но развивают большой вращающий момент. Наибольшим вращающим моментом обладает система (рис. 6.2,з) с поперечным поляризующим потоком. Для получения линейной тяговой характеристики здесь применяют «когти» (выступы полюсных наконечников), по которым основная часть поляризующего потока переходит в торцы якоря.
Поляризованные электромагниты с большим ходом якоря (рис. 6.2). Такие электромагниты делят на притягивающие и удерживающие. Принцип действия притягивающих электромагнитов с параллельным (рис. 6.2.и) и последовательным (рис. 6.2,к) соединениями магнитных полей основан на перераспределении потока постоянного магнита между якорем и шунтирующей якорь частью магнитопровода. При включенной об-
61
ными из пластин для уменьшения потерь от вихревых токов. Пластинчатый магнитопровод обеспечивает наибольшую скорость срабатывания и одинаково применим для возбуждения как постоянным, так и переменным током.
Электромагниты с поворотными торцовым (рис. 6.1,в) и боковым (рис. 6.1,г) якорями применяют в нейтральных реле. Вариант с торцовым якорем лучше в конструктивном отношении (якорь имеет меньшую массу, призменная опора обеспечивает малое трение). Вариант с боковым якорем лучше в технологическом отношении (малое число деталей, изготовление магнитопровода штамповкой) и дешевле.
Втяжные электромагниты П-образного (рис. 6.1,д) и горшечного (рис. 6.1,е) типов применяют в малогабаритных виброустойчивых реле и в автоматических приборных устройствах. П-образный магнит проще в технологическом отношении, но хуже использует активные материалы и развивает меньшее тяговое усилие, чем одинаковый по весу электромагнит горшечного типа. Быстродействующие электромагниты горшечного типа имеют высокий сердечник и короткий пустотелый якорь. Втяжные таре
