Шишкин В.П. Электрические микромашины. Курс лекций - файл Elektricheskie_mikromashinu.doc

Шишкин В.П. Электрические микромашины. Курс лекций
скачать (889.9 kb.)
Доступные файлы (1):
Elektricheskie_mikromashinu.doc1902kb.09.02.2006 12:31скачать

Elektricheskie_mikromashinu.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24

Введение




к.т.н., профессор Шишкин В.П.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИКРОМАШИНЫ


КУРС ЛЕКЦИЙ

ИВАНОВО 2001

Конспект включает 28 лекций, которые автор читает для студентов специальности 180100 «Электромеханика» и направления подготовки бакалавров 551300 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии». Некоторые фрагменты этих лекций используются в курсе «Электрические машины» для студентов специальности 200400 «Промышленная электроника».

Порядок изложения материала в основном подобен порядку, принятому в большинстве учебников по электрическим микромашинам. Рассматриваются электрические микромашины общепромышленного применения и микромашины систем автоматики. По каждому типу машин приведены вопросы общей теории, принципа действия, основные характеристики и особенности их конструкции. В конце каждой лекции либо ее разделов предлагается ряд вопросов или задач, которые ставят целью более вдумчивое прочтение материала, дополнительное размышление над ним.

ВВЕДЕНИЕ


Если бы все электрические машины были одинаковы, как бы они были скучны и не интересны для изучения. К счастью, электрические машины бывают большие и бывают маленькие и даже очень маленькие – так называемые микромашины.

Электрическими микромашинами принято называть машины мощностью от долей ватта до нескольких десятков ватт. Такие машины находят широкое применение в системах автоматики, телемеханики, в вычислительной технике, выполняя различные, порой уникальные функции. От их качества и надежности зависит качество и надежность очень ответственных систем, выход из строя которых дорого обходится народному хозяйству. Особенно большое количество микромашин выпускается для аппаратуры звукозаписи и звуковоспроизведения, кино- и телекамер, детских игрушек, медицинских и бытовых приборов. Каждый может прикинуть, сколько микромашин окружает его дома. Ведь холодильники и стиральные машины, кофемолки и соковыжималки, вентиляторы и фены, электробритвы и многое-многое другое приводится в движение двигателями небольшой мощности.

Электрические микромашины отличаются от машин средней и большой мощности не только малыми размерами. Для них характерны :

Есть и другие отличительные особенности, как в вопросах технологии производства, теории проектирования, так и в свойствах и функциях, выполняемых микромашинами.

В зависимости от назначения все электрические микромашины можно разделить на две большие группы:

  1. микромашины общепромышленного применения;

  2. микромашины автоматических устройств.

Это деление, с одной стороны, условно, ибо одна и та же машина может применяться и в общепромышленных механизмах, и в системах автоматики, а с другой стороны, правомерно, ибо функции, выполняемые ими при этом весьма специфичны. В свою очередь каждая из указанных групп подразделяется на большое число подгрупп.
ЛИТЕРАТУРА

  1. Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. -М., Высш. шк., 1988.-475 с.

  2. Хрущев В.В. Электрические машины систем автоматики. -Л., Энергоатомиздат, 1985.- 363 с.

  3. Арменский Е.В., Фалк Г.В. Электрические микромашины. -М.,Высш. шк., 1985. - 230 с.

  4. Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А. Проектирование асинхронных микродвигателей с применением ЭВМ.- М., Высш. шк., 1980. -358 с.

  5. Шишкин В.П. Изыскание оптимальных характеристик асинхронных двигателей для привода ткацких станков с учетом электромагнитных переходных процессов. Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук: 05.232. - М., 1971. -29 с.

  6. Каасик П.Ю. Тихоходные безредукторные микродвигатели. -Л., Энергоатомиздат, 1974. - 134 с.

  7. Лавриненко В.В., Карташев И.А., Вишневский В.С. Пьезоэлектрические двигатели. - М., Энергия, 1980. - 109 с.

ЛЕКЦИЯ 1



Раздел 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МИКРОМАШИНЫ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНИЯ
I. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ОДНОФАЗНЫХ И НЕСИММЕТРИЧНЫХ ДВУХФАЗНЫХ МИКРОМАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Характерная особенность микромашин переменного тока заключается в том, что в подавляющем большинстве случаев они являются несимметричными двухфазными машинами. Причиной несимметрии могут быть разные числа витков в обмотках статора, сдвиг намагничивающих сил в пространстве и во времени на углы, отличные от 90о, неравномерные воздушные зазоры и некоторые другие обстоятельства.

Однофазными принято называть микромашины не только с одной обмоткой на статоре, но и с двумя обмотками, сдвинутыми на 90 электрических градусов, но питающимися от однофазной сети. И хотя машины с одной обмоткой на статоре встречаются крайне редко, рассмотрение теории начнем с этих машин.

§ 1.1. Намагничивающие силы и магнитные поля однофазных микромашин


Известно, что при питании однофазной распределенной обмотки статора переменным током возникает пульсирующая намагничивающая сила (НС), первая гармоника которой в каждой точке воздушного зазора изменяется по следующему закону:

(1.1)
где: Fm - амплитуда намагничивающей силы; ?1t - координата времени (фаза);x - координата по расточке статора; ?- полюсное деление.

Магнитное поле такой обмотки неподвижно в пространстве, но изменяется во времени с частотой сети от + Фm до -Фm, т.е. пульсирует. Используя тригонометрические преобразования, выражению (1.1) можно придать вид

(1.2)
Каждое слагаемое (1.2) представляет волну НС по величине равную половине амплитуды исходной НС, но в отличие от (1.1) не пульсирующую, а вращающуюся в пространстве с синхронной угловой частотой w1. Одна из них (F1) вращается согласно с ротором и называется прямой, другая (F2.) вращается встречно ротору и называется обратной. Волны НС создают свои магнитные поля.

Таким образом, пульсирующее магнитное поле можно представить двумя круговыми, вращающимися в разные стороны одинаковыми магнитными полями.
Задача 1.1. Построить и определить длину вектора пульсирующей НС как результат сложения двух векторов (F1 = F2 = Fm/2), вращающихся в противоположные стороны, в моменты времени t = 0; t = 1/8·Т; t = 2/8·Т;t = 3/8·T; t = 4/8·T, где Т-период (время одного оборота). В момент времени t = 0 НС совпадают.

§ 1.2. Намагничивающие силы и магнитные поля несимметричных двухфазных микромашин


Рассмотрим машину с двумя обмотками на статоре А и В, числа витков которых не равны друг другу WA ? WB. Обмотки сдвинуты в пространстве на угол ? ? 90o, токи в обмотках сдвинуты во времени на угол ? ? 90o. (рис.1.1).

При питании обмоток переменными токами iA = ImAsin?1t и iB= ImBsin(?1t+ ?) возникают пульсирующие НС FA и FB ,каждую из которых можно представить в виде двух половинок

FA1 =FA2 = FmA/2 и FB1 =FB2 = FmB/2,

(1.3)



Рис.1.1. Диаграмма НС несимметричной двухфазной микромашины переменного тока
вращающихся в разные стороны. При этом FA1 и FB1 вращаются в одном направлении, а FA2 и FB2 – в противоположном.

В момент времени, когда FA1 и FA2 совпадают с осью обмотки А, FB1 и FB2 будут сдвинуты относительно оси обмотки В на угол ?, т.к. на такой же угол сдвинуты токи iA и iB.

Составляющие FA1 и FB1, вращаясь с синхронной скоростью, остаются неподвижными друг относительно друга, поэтому их можно сложить и получить результирующую прямовращающуюся НС



(1.4)

Поступая аналогично для обратновращающихся НС, получим

(1.4ґ)
По правилам тригонометрии сумма углов, прилежащих к одной стороне параллелограмма равна 180о, поэтому


Тогда с учетом (1.3) формулы (1.4) и (1.4’) принимают вид



(1.5)

(1.6)

Поскольку cos(q -b) = cos(b - q), можно сделать вывод о том, что изменение пространственного или временного углов сдвига НС в одинаковой мере сказывается на величине и характере магнитного поля машины.

Намагничивающие силы F1 и F2 разные, но неизменные по величине, вращаются с угловой частотой ?1в противоположных направлениях. В любой момент времени эти силы можно сложить и получить результирующую НС Fp, которая, очевидно, вращается в сторону большей НС и при этом изменяется по величине. Построив траекторию, описываемую концом вектора Fp, получим э л л и п с.

Следовательно, в несимметричных двухфазных микромашинах в общем случае образуются эллиптические намагничивающие силы и эллиптические вращающиеся магнитные поля. Эти поля можно заменить двумя круговыми, разными по величине полями, вращающимися во встречных направлениях.
Задача 1.2. Построить вектор НС, получаемый как сумму двух вращающихся в разные стороны НС F1 и F2 = 0,25·F1 в моменты времени: t = 0; t = 1/8 T; t = 2/8·T; t = 3/8·T; t = 4/8·T. При t = 0 F1 и F2 совпадают.

ЛЕКЦИЯ 2
§ 1.3. Частота вращения эллиптического поля



На рис. 1.2. показаны векторы прямо и обратно вращающихся НС (F1 и F2), а также вектор результирующей НС (FР) в различные моменты времени. Из рисунка видно, что большая ось эллипса равна удвоенной сумме, а малая ось удвоенной разности намагничивающих сил F1 и F2:

a= 2(F1 + F2); b = 2(F1 – F2).

Из последнего выражения легко увидеть, что при равенстве нулю одной из НС (F1 или F2), поле становится круговым, а при равенстве НС друг другу (F1 = F2) оно превращается в пульсирующее, т.е. эллипс вырождается в линию.



Рис. 1.2. К вопросу о частоте вращения эллиптического поля
Будем фиксировать через каждые 1/8·Т прямо и обратно вращающиеся НС F1 , F2 и их сумму Fp. За одно и то же время векторы F1 и F2 каждый раз будут поворачиваться на углы ± 45є, а их сумма Fp первый раз повернется на угол g1, второй раз на угол g2 и т.д. Из рис. 1.2 видно, что g1< g2, а поскольку временные отрезки одинаковые, это означает, что Fp вращается с переменной частотой.

Следовательно, эллиптическое магнитное поле вращается с переменной угловой частотой: большей возле малой оси эллипса и меньшей возле большой оси эллипса.

Исследованиями установлено [1], что

(1.7)

где: k = (F1 – F2)/(F1+ F2) - коэффициент формы эллипса.



Рис. 1.3. Осциллограмма мгновенной скорости эллиптического поля.
Используя формулу (1.7), найдем максимальные и минимальные значения мгновенной скорости вращения эллиптического поля.

Если w1t = 0, то sin w1t = 0, cos w1t = 1, wэ = kw1, а поскольку коэффициент kменьше 1, wэ = min.

Если w1t = p/2, то sin w1t = 1, cos w1t = 0, wэ = w1/k, а поскольку коэффициент kменьше 1, wэ = max.

На рис. 1.3 показана осциллограмма мгновенной скорости вращения эллиптического поля.

Эллиптическое поле вызывает неодинаковое насыщение участков магнитной цепи (где поле больше, там и насыщение больше), неодинаковые потери в стали, неодинаковые нагревы этих участков, магнитострикционные шумы.
Задача 1.3. Определите во сколько раз ?э.max и ?э.min отличаются от синхронной ?1 , если F2 = 0,5F1?

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   24


Введение
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации