Визначення механічних характеристик електричних двигунів

Київ-2012

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5

ВИЗНАЧЕННЯ МЕХАНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЕЛЕКТРИЧНИХ ДВИГУНІВ

Мета роботи:

визначення залежностей частоти обертання ротору електродвигуна та

його механічної потужності від моменту, який розвиває двигун

1. Електродвигуни постійного струму.

Принцип дії та конструкції двигунів постійного струму.

Робота всіх електродвигунів побудована на принципі взаємодії провідника, у якому тече струм, із магнітним полем.

Рис. 1. Схема двигуна Рис. 2. Конструкція двигуна постійного струму:

постійного струму 1 – підшипник; 2 – бандаж ротора; 3 – передня кришка;

4 – корпус; 5 – сердечник полюса; 6 – вал; 7, 9 – обмотка ротора; 8 – сердечник ротора; 10 – обмотка збудження; 11 – ізолятор ротора; 12 – пластина колектора; 13 – кільце колектора; 14 – тримач щітки; 15 – задня кришка

Схема двигуна постійного струму наведена на рис. 22.2. Магнітне поле створюють у корпусі двигуна (статорі) за допомогою постійних магнітів 1, 4 чи котушок електро-магнітів. На циліндричному роторі 2 розміщують паралельно його осі провідники 3 (вони створюють замкнену петлю), у які підводять струм від джерела живлення за допомогою контактних пластин колектора 6 та контактуючих з ними щіток 5, 7 (у реальній конструкції провідники розташовують по всій поверхні ротора, чи виконують у вигляді його обмоток).

Конструкція двигуна з електромагнітними обмотками полюсів на статорі наведена на рис. 2.

Магнітопроводи виконують з матеріалів, що мають високу магнітну проник-ливість та набирають із тонких штампованих пластин (останнє зменшує збитки від вихрових струмів). Обмотки ротора укладають у пази на ньому та закріплюють бандажами; кінці обмоток підключають до контактних пластин, що знаходяться у прорізях на поверхні циліндричного колектора. Т. зв. щітки, що контактують з пласти-нами колектора, пресують з графіту чи вугілля (з домішкою порошка міді) та закріплюють у спеціальних тримачах.

Полюси магнітів на статорі для двигунів відносно малої потужності виконують з постійних магнітів, що зменшує витрати електричної енергії від джерела живлення. Конструкція такого двигуна - на рис. 3.

Рис. 3. Двигун з постій-ними магнітами на статорі:

1 – вал; 2 – корпус; 3 – постійний магніт; 4 – ротор; 5 – обмотка ротора; 6 – щіткотримач; 7 – колектор

У електроприводах ССДК застосовують також мікродвигуни із порожнистим малоінерційним ротором (рис. 4).

Рис. 4. Мікродви-гуни із порожнистим ротором:

1 – корпус; 2 – обмотка збуд- ження; 3 – полюс; 4 – порожни-стий ротор; 5 – феромагнітний

сердечник; 6 – кришка корпусу; 7 – колектор; 8 – постійний магніт

Магнітний потік у статорі створюється обмоткою збудження чи постійними магнітами, а ротор являє собою порожнистий стакан, стінки якого знаходяться між полюсами статора та внутрішнім нерухомим феромагнітним сердечником (останнім може бути постійний магніт циліндричної форми). Обмотки ротора розміщують на його поверхні та заливають епоксидною смолою. Індуктивність плоских обмоток незначна, тому суттєво збільшуються моменти, що розвиває двигун у перехідних режимах; також зменшується момент інерції ротора. Завдяки всьому тому швидкодія електропривода значно підвищується.

Техніка друкованого монтажу дозволяє обмотки ротора виконати друкованими провідниками. Циліндричний порожнистий ротор мікродвигуна із друкованою обмоткою представлений на рис. 5; обмотка нанесена хімічним способом на зовнішню та внутрішню поверхні пластмасового циліндру, кінці її приєднані до колектора. Всередині ротора знаходиться циліндричний постійний магніт, який разом із магнітами статора створює магнітне поле, у якому знаходяться провідники ротора; при роботі двигуна цей магніт повинен бути нерухомим, тому він встановлений на валу на підшипниках.

Рис. 5. Конструкція порож-нистого ротора із друко-ваною обмоткою:

1 – ротор; 2 – колектор; 3 – внутріш- ній постійний магніт; 4 – вал; 5 – вен-ти лятор

Перевагами двигунів з друкованими обмотками є малий момент інерції ротора, мала індуктивність обмоток, внаслідок якої суттево зростають моменти, що розвиває двигун у перехідних режимах – все це значно підвищує швидкодію приводу.

Механічні характеристики та електричні схеми двигунів.

Частота обертання n ротора двигуна залежить від навантаження його зовнішнім моментом – це перша механічна характеристика двигуна n = f₁ (T), вона визначає роботу двигуна у ССДК. Для визначення витрат потужності N від джерела живлення застосовують другу механічну характеристику – залежність N = f₂ (n) .

Характеристики двигунів постійного струму визначаються способами живлення системи збудження магнітного поля у статорі: з незалежним, паралельним, послідов-ним, змішаним збудженням та з постійними магнітами (рис. 6).

Рис. 6. Схеми двигунів постійного струму: Рис. 7. Механічні характеристики

а – з паралельним, б – послідовним, ; двигунів постій ного струму:

в – змішаним збудженням, г – з постійними магнітами 1 – з паралельним збудженням; 2 – з послідовним;

3 – із змішаним збудженням

Механічні характеристики двигунів з незалежним, паралельним збудженням та з постіними магнітами – т.зв. “жорсткі” (рис. 7), тобто частота обертання ротору практично не змінюється при зміні зовнішнього моменту навантаження; вона лінійно залежить тільки від струму, що протікає через ротор. Такі двигуни найкраще підходять для приводів ССДК, положення вихідної ланки яких повинно слідкувати за зміною керуючого сигналу, а також для приводів з постійною швидкістю переміщення цієї ланки (останній випадок – для приводів магнітної стрічки магнітофонів).

Двигуни послідовного струму з характеристикою типу 2 (т.зв. “м’якою”) підхо-дять для приводів, де частота обертання із збільшенням моменту повинна зменшу-ватися. Наприклад, у магнітофонах така характеристика потрібна для приводів вузлів намотування стрічки: при її постійних лінійній швидкості та силі натяжіння із зростанням радіусу стрічки на котушці росте й момент на ній, а кутова швидкість валу зменшується.

При значному зменшенні моменту навантаження двигуна послідовного збудження частота обертання зростає і може досягнути загрозливого значення для міцності кон-струкції, і якщо таке зменшення моменту можливе, застосовують двигуни із змішаним збудженням (характеристика типу 3).

2. Експериментальне визначення механічних характеристик

електродвигуна постійного струму

2.1. Методика визначення характеристик

Якщо ротор двигуна навантажувати моментами та заміряти частоту обертання, можливо одержати першу механічну характеристику у вигляді функції n = f₁ (T). Друга – функція N = f₂ (n), може бути знайдена через залежність N = Т , де  – кутова швидкість ротора (рад/с), але перед тим необхідно перетворити першу характеристику до вигляду Т =  ().

2.2. Схема експериментальної установки наведена на рис. 8.

Рис. 8. Визначення механічних

характеристик двигуна:

1 – електродвигун; 2 – диск на валу ротора;

3 – гальмувальний диск; 4 – пружина галь-

ма; 5 – регулювальна гайка; 6 – з’єднуваль-

ний тросик; 7 – вимірювальна пружина; 8 –

стрілка; 9 – шкала; 10 – амперметр

На валу двигуна 1 закріплюють диск 2, до якого за допомогою пружини 4 притискають гальмувальний диск 3. Завдяки тертю на поверхнях дисків 2 та 3 виникає гальмуваль-ний момент Т, який й навантажує ротор, при цьому швидкість ротора  починає зменшу-

ватися (без навантаження вона дорівнює швидкості холостого ходу _о – макси-мальній ). Якщо швидкість ротора встановилась та не змінюється, момент Т_д, що розвиває двигун, дорівнює гальмувальному Т.

Необхідно визначити момент Т = 0,5D_т F_пр , де D_т – діаметр гальмувального диску 3 (замірюють штангенциркулем); F_пр – сила вимірювальної пружини 7, яку необхідно розрахувати за формулою

де G = 7,810⁴ МПа – модуль пружності другого роду для сталі; d – діаметр дроту, мм, із якого виготовлена пружина; c = D_ср /d – індекс пружини, D_ср – середній іі діаметр, мм; f – деформація пружини під дією сили F_пр , мм; n_в – число витків пружини.

Кутову швидкість ротора  визначають за допомогою амперметра 10, який вимірює струм через ротор, а цей струм пропорційний  . Частоту обертання ротора можливо розрахувати за формулою n = (3 – 0,75I ) 10³ об/хв, де І – струм, який фіксує амперметр 10.

2.3. Проведення експерименту:

• за допомогою регулювальної гайки 5 відводять диск 3 від диску 2; вмикають живлення двигуна; визначають частоту ротора _о ;

• поступово, гайкою 5 починають притискати диски один до одного; коли швидкість обертання встановлюється, фіксують деформацію пружини f та показники амперметра – струм І (кількість таких експериментальних точок бажано одержати якомога більше).

Якщо навантажувальний момент перевищує максимально допустимий, система блокування вимикає мережу живлення двигуна.

Необхідно відвести диски від контактування один із одним та повторити експеримент.

3. Обробка результатів експерименту

3.1. Одержання регресійних залежностей методом найменших квадратів. Якщо є серія експериментальних точок – пари х_і – у_і , їх взаємозв’язок – регресію – одержу-ють, виходячи із умови, що сума квадратів відхилень експериментальних даних від теоретичної функції у = f (x) повинна бути мінімальною:

Найчастіше намагаються регресію одержати у вигляді лінійної функції :

f (x) = bx + a , для якої

Коефіцієнти лінійної регресії можна одержати з формул:

де m – кількість пар експериментальних точок.

Обробка методом найменших квадратів може бути проведена за допомогою інженерних мікрокалькуляторів, які мають “вбудовані” програми статистичної обробки результатів (наприклад, CASIO fx-350ES), чи у Mathcad’і .

3.2. Визначення характеристики n = f₁(T). Значення моментів Т_і та частот обер- тання п_і – пари експериментальних точок – обробляють методом найменших квадратів й одержують лінійні функції n = aT + b та Т = a₁ + b₁ , кожна із яких може вважатися першою механічною характеристикою двигуна.

3.3. Визначення характеристики N = f₂ (n). Функцію Т = a₁ + b₁ необхідно підставити у вираз потужності N = Т , що дає характеристику N = (a₁ + b₁) – нелінійну другу механічну характеристику двигуна.

4. Оформлення звіту із лабораторної роботи.

У звіті необхідно навести протокол первинних вимірювань параметрів: деформації вимірювальної пружини f_і – відповідні показники амперметра І_і ; на основі цих вимірювань одержані перерахунком значення Т_і – n_і (момент – частота обертання ротора); розраховані значення N_і – n_і (потужність – частота обертання).

Скласти таблицю:

№	I, А	f, мм	n, об/хв	, рад/с	Fпр, Н	T, Н·м	N, Вт
0
1
…
max

Обидві механічні характеристики зобразити у вигляді діаграм, на які нанести експериментальні точки та теоретичні залежності n = f₁ (T) та N = f₂ (n) .

Література

1. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Изд. переработанное. – М.: Наука, 1980.

2. Брускин Д.Э. и др. Электрические машины и микромашины. Учебник для вузов/Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов. 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, 1981.

3. Рощин Г.И. Несущие конструкции и механизмы РЭА: Учебник для вузов. – М.: Высш. школа, 1981.

4. Уваров Б.М. Механіка: Навчальний посібник. – Київ: ВМУРоЛ „УКРАЇНА”, 2006.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Лабораторна робіта №6

з курсу «Механіка»

ВИВЧЕННЯ КОНСТРУКЦІЙ МЕХАНІЗМІВ

СЛІДКУЮЧИХ СИСТЕМ ДИСТАНЦІЙНОГО КЕРУВАННЯ

Київ-2012

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА N 6

ВИВЧЕННЯ КОНСТРУКЦІЙ МЕХАНІЗМІВ

СЛІДКУЮЧИХ СИСТЕМ ДИСТАНЦІЙНОГО КЕРУВАННЯ

Ціль роботи  ознайомитися з конструкцією механізмів слідкуючих систем дистанційного керування (ССДУ), вивчити їхні деталі і вузли, придбати навички в оформленні принципових кінематичних схем механізмів.