Лабораторная работа № 5

Исследование магнитного поля машины постоянного тока

Цель работы:

виртуально:моделирование одного сектора машины постоянного тока и построение картины распределения его магнитных полей;

аналитически:исследование распределения магнитного поля внутри машины постоянного тока, расчёт основных характеристик машины по картине магнитного поля.

1. Основы теории

При изучении теории обратить внимание на следующее.

Полный магнитный поток машины постоянного тока складывается из основного потока и потоков рассеяния. Распределение потоков определяется магнитными сопротивлениями отдельных участков машины.

Магнитное сопротивление машины постоянного тока складывается из сопротивления участков магнитопровода,сопротивления зазора между полюсами и якорем машины, магнитного сопротивления между полюсами, полюсом и станиной. Так как сопротивление зазора между полюсами и якорем машины сопоставимо с сопротивлением между полюсами, полюсом и станиной, то в машине постоянного тока довольно значительны потоки рассеяния. Указанные потоки снижают полезный поток машины. Не учёт потоков рассеяния снижает точность расчёта машины.

Уточним сказанное на поперечном разрезе электрической машины рис. 1 (ввиду симметрии относительно осей полюсов на рисунке показана только четверть машины).

Магнитное поле машины создаётся обмотками возбуждения 1, 8. С целью улучшения характеристик магнитного поля машины обмотки возбуждения мощных электрических машин выполняют секционированными. В настоящей работе предполагается секционирование обмоток.

Основная часть магнитного потока машины (полезный поток Ф₀) замыкается по контуру: полюс 2, воздушный зазор 3, якорь 4, воздушный зазор 5, полюс 6, станина 7, полюс 2.

Первая составляющая не основной части магнитного потока машины (поток рассеяния Ф_р1) замыкается по контуру: полюс 2, полюс 6, станина 7, полюс 2. Вторая составляющая не основной части магнитного потока машины (поток рассеяния Ф_р2) замыкается по контуру: полюс 2, станина 7, полюс 2. Аналогичная картина наблюдается и у второго полюса.

Согласно выполненному выше анализу, картина магнитных потоков в воздушных промежутках выбранной части машины должна, примерно, соответствовать картине, образованной линиями со стрелками. Здесь линиями со стрелками обозначены линии магнитной индукции. Пространство между линиями магнитной индукции образует трубки магнитного потока.

Пунктирные линии, перпендикулярные к линиям магнитной индукции, обозначают линии равного магнитного потенциала. Линия аб, являющаяся линией симметрии между полюсами, также является линией равного магнитного потенциала.

Ввиду симметрии машины, рассмотренная картина магнитных потоков справедлива для всех полюсов. Поэтому нет необходимости исследовать поле по всей машине в целом, но достаточно исследовать только одну её часть.

Рис. 1.

2. Рабочее задание

1. Заблаговременно получить у преподавателя данные об основных параметрах машины. Изобразить модель рис. 2 на листе бумаги в удобном масштабе, с указанием координат особых точек. Построить схему в программе FEMM.

2. Исходя из плотности магнитного потока (магнитной индукции) под полюсом рассчитать основные магнитные характеристики машины: основной магнитный поток, поток рассеяния между полюсами, поток рассеяния на станину, магнитное сопротивление полюса.

Расчёты выполнять исходя из положения, что поток одной трубки, рассчитанный под полюсом, равен , гдеl – длина машины в осевом направлении, х – средняя ширина трубки магнитного потока под полюсом. Потоки всех трубок численно равны между собой.

3. Рассчитать намагничивающую силу катушки и разность магнитных потенциалов между полюсом и якорем. Сопоставить и проанализировать полученные величины.

4. В программе Феммпостроить график линий магнитного потока и график плотности магнитного потока. Для чего выделить сектор окружности якоря, задать построение графика магнитной индукции (PlotX-Y;B).

5. На полученной картине поля, вручную, построить линии равного магнитного потенциала. Обозначить трубки рабочего потока и потоков рассеяния (на станину, на полюс). Объяснить причины появления потоков рассеяния;

6. Изменяя значения магнитной проницаемости, в заданном диапазоне, для материала станины, подобрать вариант с минимальными потерями на рассеяние. Объяснить влияние материала на распределение линий поля (по указанию преподавателя).

Рис. 2.Модель одного сектора машины постоянного тока

3. Виртуальные исследования

1. Запускаем программу

2. Создаем новый документ, выбираем Магнитную задачу, тип поля – Плоскопараллельное;

3. Чертим заданную схему, совмещая границы рисунка с началом координат и осями Х-Y;

4. Границы модели являются границами Дирихле;

5. Создаем обмотку с заданными значениями тока и количества витков;

6. Задаем материалы:

• для полюсных катушек материал – медь 14 AWG;

• для полюсов и якоря – сталь 1010 Steel;

• для материала станины создаем материал, с магнитной проницаемостью по осям µ1. При отсутствии указаний принять материал полюсов;

• материал среды – воздух;

7. Строим требуемые картины поля.

4. Оформление отчёта

Отчёт по работе выполняется в соответствии с общими требованиями по оформлению, в соответствии с рабочим заданием.

5. Вопросы для самопроверки

1. Как графически изображается магнитное поле?

2. Какими величинами характеризуется магнитное поле?

3. Как оценить достоверность построенной модели?

4. Почему ферромагнитные тела изменяют картину поля катушки с током?