Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка универсальной расчетной модели и программного обеспечения для исследования коммутационных процессов в коллекторных электрических машинах малой мощности 13
1.1 Общие положения 13
1.2 Расчетная модель коллекторной электрической машины 14
1.3 Универсальная компьютерная программа для расчета коммутации коллекторных электрических машин 22
1.4 Анализ особенностей коммутационных процессов в коллекторных электрических машинах 29
1.5 Выводы 45
2. Разработка диагностической системы для оценки механического состояния устройств скользящего токосъёма в статических и динамических режимах работы 47
2.1 Общие положения 47
2.2 Высокоточная система диагностирования состояния коллекторно-щеточного узла 48
2.3 Разработка программного обеспечения для организации взаимодействия персонального компьютера и контроллера 55
2.4 Методика поламельной базовой коррекции измерений 58
2.5 Экспериментальное подтверждение принципов построения диагностических систем с высокими точностными показателями 63
2.6 Выводы 71
3. Создание математической модели расчета контактных сопротивлений в процессе коммутации коллекторных электрических машинах с учетом влияния механических факторов 73
3.1 Оценка влияния механических факторов на качество коммутации коллекторных электрических машин 73
3.2 Расчет динамических давлений в скользящем контакте 79
3.3 Методика расчета контактных проводимостей 86
3.4 Блок компьютерной программы для расчета контактных сопротивлений в процессе коммутации коллекторных электрических машин с учетом механического состояния скользящего контакта 93
3.5 Особенности процесса коммутации секций якоря в электрической машине при учете действия механических факторов 95
3.6 Оценка влияния основных механических параметров коллекторно -щеточного узла на коммутационный процесс 103
3.7 Выводы 116
4. Коммутация в электрических машинах с нетрадиционной электромагнитной архитектурой активной зоны с учетом механического состояния скользящего контакта 119
4.1 Общие положения 119
4.2 Анализ влияния механического состояния коллекторов на процесс коммутации электрических машин с демпфированными обмотками якоря 120
4.3 Особенности коммутации в электрических машинах с анизотропными индукторами при учете действия механических факторов 126
4.4 Исследование особенностей влияния механических параметров коллекторно-щеточного узла на коммутацию электрических машин с демпфированными обмотками якоря и анизотропными линдукторами 133
4.5 Выводы 136
Заключение 138
Литература 144
Приложения 155
- Расчетная модель коллекторной электрической машины
- Высокоточная система диагностирования состояния коллекторно-щеточного узла
- Расчет динамических давлений в скользящем контакте
- Анализ влияния механического состояния коллекторов на процесс коммутации электрических машин с демпфированными обмотками якоря
Введение к работе
При всеобщем увлечении электроприводами и двигателями с полупроводниковыми преобразователями, в последние годы незаслуженно ослаб научный интерес к коллекторным машинам постоянного и переменного тока, которые, тем не менее, продолжают выпускаться, совершенствоваться и широко применяться в практике [21,40]. Подавляющее большинство бытовых приборов с вращающимися рабочими органами используют в качестве привода коллекторные электродвигатели малой мощности выпрямленного или переменного тока. Поэтому выпуск малых коллекторных машин (МКМ) постоянного и переменного тока постоянно увеличивается, достигая в настоящее время нескольких млн. машин в год. Характерно, что промышленно — развитые страны увеличивают вдвое выпуск МКМ каждые 5-7 лет [58]. Известно, что выход из строя МКМ происходит главным образом из-за износовых отказов коллекторно — щеточного узла (КЩУ) [35]. При этом одной из основных причин возникновения повышенного износа элементов скользящего контакта (СК) является низкая коммутационная устойчивость таких машин. Малые электрические машины в большинстве своем являются высокоскоростными, причем дублирование СК в ряде случаев отсутствует. Возникающая при этом механическая нестабильность контактирования приводит к ухудшению качества коммутации. Растущие требования по увеличению удельных нагрузок и частот вращения, предъявляемые к коллекторным электрическим машинам (КЭМ) малой мощности, усугубляют проблему повышения их коммутационной устойчивости.
Современное представление о процессе коммутации и путях повышения коммутационной устойчивости связано с именами таких исследователей, как Е. Арнольд, А.Е. Алексеев, О.Г. Вегнер, А.Б. Иоффе, М.Ф. Карасев, А.С. Курбасов, А.И. Скороспешкин, Б.Ф. Токарев, В.П.
Толкунов, В.В. Фетисов, B.C. Хвостов, В.Д. Авилов, Р.Ф. Бекишев, В.Я. Беспалов, В.А. Кожевников, И.П. Копылов, СИ. Качин и др. [1, 5, 7, 27, 42, 43, 57, 79, 81, 83, 92, 94, 15, 48].
Тем не менее, и по сегодняшний день неудовлетворительная коммутация остается наиболее острой проблемой, сдерживающей рост удельных мощностей коллекторных машин, снижающей срок их службы, влияющей на электромагнитную совместимость с радиоэлектронными системами и ограничивающей область применения данного класса электрических машин [48, 77]. Одной из главных причин неудовлетворительного протекания коммутационных процессов в современных коллекторных машинах являются ограниченные функциональные возможности применяемых конструкций активных элементов [48].
Следовательно, без создания прогрессивных конструкций коллекторно-щеточных узлов с повышенными функциональными свойствами, обеспечивающими стабильность и надежность работы СК в заданном диапазоне эксплуатационных параметров, а также без создания систем диагностирования СК в различных режимах работы нельзя существенно увеличить коммутационную устойчивость коллекторных машин. Большие возможности в плане развития коллекторных машин заключены также в разработке новых методик и программ для их оптимального проектирования [64].
Работы, проводимые в Томском политехническом университете под руководством докторов технических наук Р.Ф. Бекишева и СИ. Качина, показали, что одним из эффективных путей повышения коммутационной устойчивости коллекторных электрических машин является использование нетрадиционных конструкций их активной зоны [14, 45, 16].
Однако вопросы влияния механических факторов на работу таких электрических машин практически не рассматривались.
Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования по определению воздействия механических факторов на работу коллекторных
электрических машин с нетрадиционными конструкциями активной зоны, а также создание систем диагностирования СК в различных режимах работы и разработка новых методик и программ для их оптимального проектирования с учетом механического состояния КЩУ являются актуальными и представляют научный и практический интерес.
Цель работы. Создание программно - аппаратных средств для оценки коммутационной напряженности коллекторных электрических машин малой мощности с учетом механического состояния КЩУ. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи: - создать универсальную расчетную модель и программное обеспечение для расчета коммутационных процессов в машинах малой мощности с различной электромагнитной архитектурой их активной зоны, позволяющие оценить коммутационную напряженность электрических, как с дополнительными полюсами, так и без них;
- разработать математическую модель и программное обеспечение, дающие возможность учитывать влияние механического состояния КЩУ электрической машины на коммутационный процесс;
- разработать диагностический комплекс нового поколения для оценки механического состояния коллекторно-щеточных узлов в статических и динамических режимах работы на основе сочетания аналоговой и цифровой электронной техники, а также создания специальных методик и расчетных программ для обработки получаемой информации с целью достижения максимальной точности измерений;
- экспериментально подтвердить предложенные расчетные методики на искусственных аппаратах и опытных образцах электрических машин.
Основные методы научных исследований. При комплексных исследованиях коллекторно-щеточных узлов использовалась теория планирования эксперимента. При создании универсального программного продукта для расчета коммутационных процессов в обобщенной электрической машине с нетрадиционными конструкциями ее активной зоны широко использовались теория электрических машин, методы математического моделирования, методы расчета магнитных полей, численные методы решения дифференциальных уравнений. Для повышения надежности вычислений и расширения области варьирования параметров исследуемых коммутируемых контуров использовалась предложенная автором работы [48] модификация численных методов интегрирования дифференциальных уравнений, позволяющая исключить операции деления на ноль при малых значениях индуктивностей секций. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялись электронные таблицы Excel, а также специализированный пакет программ MathCAD. Разработка оригинальных программных продуктов осуществлялась в средах Visual С4"1" 6.0 и LabView 5.0.
Экспериментальные исследования проводились на специально разработанных установках с использованием статистических методов обработки результатов измерений.
Научная новизна. Создана универсальная расчетная модель для исследования коммутационных процессов машинах с различной электромагнитной архитектурой активной зоны, позволяющая рассчитывать основные коммутационные показатели коллекторных электрических машин с различными конструкциями обмоток якоря при использовании индукторов с разной степенью анизотропии магнитных свойств в машинах с дополнительными полюсами и без них;
Предложена оригинальная математическая модель расчета коммутационных процессов в коллекторных электрических машинах с учетом влияния механических факторов, позволяющая определять деформации контактного слоя и сопротивления в контакте между щеткой и коллектором с учетом упругих свойств коллекторно-щеточного узла;
Впервые проведен анализ влияния факторов механической природы на процесс коммутации и коммутационную напряженность электрических машин с нетрадиционной электромагнитной архитектурой активной зоны; Предложены принципы создания высокоточных диагностических средств для динамического контроля профиля коллекторов с применением компьютерной техники и специальных методик обработки получаемой информации, позволяющих значительно повысить точность измерений. Практическая ценность работы. Значимость проведенных работ определяется комплексностью теоретических, конструкторских, технологических и экспериментальных исследований, направленных на создание и внедрение в производство методик и программ для осуществления проектирования всего многообразия коллекторных электрических машин малой мощности, а также диагностических систем контроля механического состояния КЩУ с целью отработки конструкций коллекторов на всех стадиях технологического процесса выпуска электрических машин и в период их эксплуатации у потребителя. Созданое универсальное программное обеспечение, позволяет рассчитывать основные коммутационные показатели коллекторных электрических машин с традиционными и нетрадиционными конструктивными решениями элементов их активной зоны, что обуславливает ее практическое применение для решения широкого круга задач при проектировании электрических машин малой мощности; Разработаная диагностическая система для дистанционного контроля профилей коллекторов в статических и динамических режимах их работы, отличается высокой точностью измерений благодаря применению оригинальных конструкций токовихревых датчиков, цифровой обработке измеряемого сигнала на компьютере и использованию метода поламельной базовой коррекции в процессе измерений, что особенно важно при отработке конструкций коллекторов и технологий их изготовления;
Созданное программное обеспечение позволяет рассчитывать коммутационный процесс в электрических машинах малой мощности с различной электромагнитной архитектурой активной зоны с учетом действия механических факторов, что дает возможность точнее оценить коммутационную напряженность коллекторных электрических машин и формулировать требования по оптимизации основных параметров коллекторно-щеточного узла.
Реализация результатов работы. Выполнение ряда задач диссертационной работы осуществлялось в соответствии с грантом Томского политехнического университета, а также с грантом 7.14С /2003 по фундаментальным исследованиям в области энергетики и электротехники Минобразования РФ. Теоретические, конструкторские и технологические проблемы решались применительно к изделиям бытовой техники и электроинструмента на следующих предприятиях: ФГУП научно - производственный центр «Полюс» (г. Томск); Пермская научно-производственная приборостроительная компания.
Разработанный программный продукт для расчета коммутации электрических машин малой мощности применяется в Пермской научно-производственной приборостроительной компании и на научно -производственном центре «Полюс» (г. Томск).
Использование материалов диссертационной работы предприятиями и научно-исследовательскими организациями подтверждено актами о внедрении, представленными в приложении.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на V областной научно-практической конференции "Современные техника и технологии" (Томск, 1999); on the third Russian-Korean International Symposium on Science and Technology (Novosibirsk, 1999); VII международной научно-практической конференции "Современные техника и технологии" (Томск, 2001); на международной научно-технической конференции "Электромеханические преобразователи энергии" (Томск, 2001); on the 5th Korean- Russian International Symposium on Science and Technology (Tomsk, 2001); on the eight International Scientific and Practical Conference of Students, Post graduates and Young Scientists «Modern Technique and Technologies» (Tomsk, 2002); на V международной конференции «Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение» (Крым, 2003); на VIII всероссийской научно-технической конференции "Современные тенденции в развитии и конструировании коллекторных и других электромеханических преобразователей энергии" (Омск, 2003); на международной научно-технической конференции "Измерение, контроль, информатизация" (Барнаул, 2003); на научных семинарах кафедр "Электропривод и электрооборудование" и "Электрические машины и аппараты" Томского политехнического университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ автора, в том числе получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех основных разделов, заключения, выполнена на 106 страницах машинописного текста, содержит 49 страниц иллюстраций, 1 таблицу, список используемой литературы из 101 наименования и приложений на 3 страницах. Общий объем диссертации составляет 155 страниц.
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и основные задачи работы, характеризуются научная новизна и практическая ценность результатов исследований.
В первом разделе излагается методология создания и структура универсальной расчетной программы для исследования коммутационных процессов в машинах с традиционными и нетрадиционными конструкциями элементов активной зоны коллекторных машин малой мощности, включая электродвигатели без дополнительных полюсов.
Во втором разделе излагаются принципы построения диагностического средства нового поколения с высокими потребительскими свойствами для дистанционного контроля механического состояния коллекторно-щеточных узлов электрических машин.
В третьем разделе разрабатывается математическая модель для расчета процесса коммутации в коллекторных электрических машинах с учетом влияния механических факторов, позволяющая определять деформации контактного слоя и давления в контакте между щеткой и коллектором с учетом упругих свойств КЩУ, а также сопротивления сбегающего и набегающего краев щетки в каждой точке по окружности коллектора.
В четвертом разделе исследуется влияние механических факторов на коммутационные процессы в электрических машинах с различной электромагнитной архитектурой их активной зоны.
В приложении приводятся акты внедрения результатов диссертационной работы.
Расчетная модель коллекторной электрической машины
В связи с вышесказанным требуется создание математической модели коллекторной электрической машины с произвольной конструкцией обмотки якоря, учитывающей влияние поля основных полюсов на коммутацию, возможную анизотропию магнитных свойств индуктора, а также механическую и электрическую нестабильность скользящего контакта.
Разработанная при участии автора диссертационной работы универсальная расчетная модель коллекторной электрической машины в полной мере удовлетворяет указанным выше требованиям и позволяет производить расчет коммутационных процессов в машинах, секции которых содержат до трех отдельных катушек, произвольным образом расположенных в пазах якоря, а магнитопровод индуктора может обладать заданной анизотропией магнитных свойств вдоль и поперек основных полюсов.
На рис 1.1 приведена расчетная модель двухполюсной (в качестве примера) коллекторной электрической машины. Здесь ф — угол сдвига щёток с геометрической нейтрали; а- угол между первым пазом и первой ламелью; р - пространственное положение первой ламели относительно геометрической нейтрали; cpzi - пространственное положение первого паза относительно геометрической нейтрали (pzl=p±a, (1.1) где р - пространственное положение первой ламели относительно геометрической нейтрали. Пространственное положение текущего паза определяется следующим образом Ч ФггО -ОЗбО/Кп, (1.2) где N — порядковый номер паза, положение которого определяется; Кп — количество пазов в якоре электрической машины. При расчете магнитного поля в воздушном зазоре электрической машины намагничивающая сила (НС) реакции якоря определялась для обобщенной конструкции индуктора, имеющего различные магнитные проводимости вдоль высоты основных полюсов и в их поперечном направлении. При этом распределение величины НС реакции якоря вдоль расточки индуктора рассчитывалось по уравнению где F - распределение НС реакции якоря вдоль расточки индуктора для его изотропной конструкции; Fn - постоянная составляющая НС реакции якоря, зависящая от величины смещения щеток с геометрической нейтрали; эквивалентного зазора в средней части основных полюсов; 53 п. - эквивалентное значение зазора в средней части основных полюсов; 5 - зазор под основным полюсом; Ьп - ширина наконечника полюса; Ьмп - межполюсное расстояние по окружности якоря; hn- высота основного полюса. Отметим, что знак величины Fn меняется в зависимости от участка окружности якоря, для которого определяется НС реакции якоря (для двух полюсной машины окружность якоря разбивается на четыре расчетных участка). Характер выражений, по которым рассчитывается величина Fn, также определяется порядковым номером рассматриваемого участка окружности якоря.
Зазор под основными полюсами машины принимался постоянным, а магнитная проводимость участков магнитной цепи в междуполюсном пространстве рассчитывалась на основании уравнения распределения индукции, полученного методом конформных отображений с помощью интеграла Кристоффеля - Шварца [70, 84, 101]. При этом зависимость индукции от координаты по поверхности якоря получаем в виде: где х - координата по поверхности якоря от геометрической нейтрали; ао — ширина междуполюсного окна по поверхности якоря; 5 — равномерный воздушный зазор под главным полюсом; В - индукция магнитного поля в междуполюсном пространстве в точке с координатой х; Вт = FB UO / 5 -магнитная индукция равномерного поля возбуждения под серединой полюса; FB- намагничивающая сила основного поля. Выражение (1.4) справедливо для машин постоянного тока, у которых воздушный зазор постоянен, при этом необходимо пренебречь зубчатостью якоря. Учет влияния насыщения магнитной цепи на распределение индукции в воздушном зазоре машины осуществлялся с использованием аппроксимирующей зависимости ее переходной магнитной характеристики. Таким образом, в процедуре расчета магнитного поля в воздушном зазоре электрической машины заложены возможности изменения магнитного сопротивления поперек основных полюсов, что расширяет область ф конструктивных решений индукторов, к которым применима разработанная 18 программа. В частности, данная программа пригодна для расчета магнитного поля машин с индукторами, предложенными в [73, 74]. Особенностью выполнения расчета коммутации секции в период ее замыкания щеткой является использование для решения дифференциальных уравнений предложенной в [48] разновидности метода численного интегрирования (модификация метода Эйлера с опережающим дифференцированием). В соответствии с предложенным методом интегрирования и схемами коммутируемых контуров дифференциальные уравнения коммутируемой секции на этапах, когда отсутствует магнитная связь (рис. 1.2) с другими коммутируемыми секциями и когда существует магнитная связь (рис. 1.3) с какой-либо коммутируемой секцией (1 рщ 2), записываются в виде следующих выражений
Высокоточная система диагностирования состояния коллекторно-щеточного узла
Для решения задач экспериментальных профилометрических исследований КЩУ, а также регистрации линейных микроперемещений щеток электрической машины в колодцах щеткодержателей в процессе эксплуатации при участии автора разработана диагностическая система, общий вид и функциональная схема которой представлены на рис. 2.1, 2.2 [24,49]. В таблице 2.1 приведены основные технические характеристики одноканального варианта профилометра для разгонной установки Основными аппаратными частями системы являются: - аналоговая часть; - датчик синхронизации; - контроллер; - IBM-совместимый персональный компьютер. Функциональная схема аналоговой части прибора, и ее выходной сигнал в процессе измерения профиля коллектора приведены на рис. 2.3, 2.4. В данном комплексе аналоговая часть выдает сигнал в диапазоне - 2... 6 В, что пропорционально диапазону расстояний от измерительной щели датчика до измеряемой поверхности 0... 800 мкм. Для динамического контроля профиля коллекторов применимы оптический, радиолокационный, емкостный, электростатический и вихретоковый методы бесконтактного измерения перемещений. Наиболее перспективным из них, а поэтому и получающим все более широкое признание является метод вихретокового контроля, который характеризуется высокой стабильностью результатов измерений, помехоустойчивостью к магнитным и электрическим полям машины, простотой реализации, надежностью и сравнительно низкой стоимостью аппаратуры.
Так в качестве измерительного датчика (ИД) в разработанной системе используется датчик вихретокового типа, который, по существу, представляет собой трансформатор с воздушным зазором, вторичной обмоткой которого является контролируемая поверхность из электропроводящего материала.
Локальность контроля датчика определяется зоной концентрации поля, которая может изменяться тем или иным способом в зависимости от конкретных задач [28].
Желательным является формирование узкой диаграммы направленности электромагнитного поля в тангенциальном направлении коллекторной пластины и шириной вдоль ламели, равной ширине дорожки скольжения по коллектору. В этом случае измеряемый сигнал пропорционален некоторому усредненному положению точек поверхности ламели в пространстве на протяжении всей ширины дорожки скольжения, что несет в себе более полную и объективную информацию в сравнении с измерениями в отдельных точках диаметральных сечений ламелей (характерный вид выходного сигнала аналоговой части прибора, измеренного с помощью электронного осциллографа при вращающемся коллекторе, представлен на рис. 2.4).
При точечных замерах профиля какой-либо коллекторной пластины разброс в показаниях может составлять единицы мкм лишь за счет шероховатости поверхности, что соизмеримо с допустимыми перепадами между коллекторными пластинами и не всегда отражает реальное взаимное положение поверхностей отдельных коллекторных пластин.
Разработанная диагностическая система может быть использована для измерения вибраций щеток электрических машин, для чего на их поверхности крепится медная фольга, и ее перемещение фиксируется датчиком прибора.
Кроме того, бесконтактные профилометры позволяют регистрировать степень изнашивания контактных поверхностей (при стабильном профиле дорожки скольжения) путем сравнения уровня измеряемого профиля с базовыми поверхностями, нанесенными на дорожки скольжения [10]. Контроллер предназначен для оцифровки аналогового сигнала датчика расстояния и передачи результатов измерений в персональный компьютер. Основными элементами контроллера являются микроконтроллер Atmegal28-16AI, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) AD7892 и схема приема-передатчика интерфейса RS-232 [23, 31].
Выбор АЦП типа Analog Devices AD7892 вызван тем, что данный преобразователь имеет встроенный источник опорного напряжения (ИОН) с достаточной для устройства стабильностью. Разрядность АЦП позволяет гарантировать точность преобразования 0,00244 диск/В или 0,244 диск/мкм. В контроллере использован параллельный интерфейс данного АЦП. Максимальная частота преобразования АЦП — 500 кГц. Микроконтроллер Atmegal28-16AI помимо большого объема внутрисхемно-программируемой FLASH-памяти 128 кБ, имеет на кристалле ОЗУ объемом 4 кБ. Такого объема достаточно для временного хранения не менее 1500 выборок АЦП, а значит, не требуется установки дополнительной микросхемы ОЗУ. Кроме того, оказалось удобным использование 16-разрядного счетчика-таймера в режиме Fast-PWM для формирования периодического сигнала запуска АЦП на преобразование. Примененное для аналого — цифрового преобразования схемное решение обладает оригинальностью заключающейся в том, что частота оцифровки сигнала (т.е. запуска АЦП) определяется с учетом скорости вращения коллектора. При этом на определенной доле оборота коллектора, при любой скорости его вращения, укладывается заданное количество выборок. Это в сочетании с быстродействующей RISC-архитектурой обеспечило максимальную частоту измерений не менее 440 кГц. Микроконтроллер имеет встроенный универсальный синхронно-асинхронный приемо-передатчик (USART). Программирование контроллера осуществлялось на языке Assembler в среде AVR-studio.
Схема приемо-передатчика представляет собой гальванически развязанный преобразователь уровней TTJI/RS-232. Гальваническая развязка выполнена на оптронах и преобразователе напряжения типа DC/DC. Персональный компьютер (ПК) предназначен для управления работой контроллера, приема результатов измерений и их математической обработки. Обменивается персональный компьютер с контроллером по стандартному последовательному интерфейсу RS-232 через встроенный порт. Безусловно, для организации взаимодействия персонального компьютера и контроллера, а также визуализации получаемых результатов необходима разработка соответствующего программного обеспечения.
Расчет динамических давлений в скользящем контакте
Нахождение общей закономерности движения щетки под действием полигармонических сил со стороны коллектора определяет ее перемещения относительно профиля коллектора и позволяет получить распределение давлений в контакте между щеткой и коллектором по его окружности.
Рассмотрим щетку как элемент колебательной системы, находящийся под действием полигармонических возмущающих сил. Расчетная схема 80 колебательной.системы КЩУ представлена на рис. 3.2. На схеме приняты следующие обозначения: С і — жесткость нажимной пружины; Сг — жесткость контактного слоя; F — сила нажатия пружины; F — сила трения щетки о щеткодержатель в условиях знакопеременных вибраций; тщ — масса щетки; S(t) - полигармоническая функция, описывающая профиль коллектора; х -координата абсолютных перемещений щетки относительно профиля коллектора. Дифференциальное уравнение движения щетки запишем в следующем виде динамическая сила, создающая давление в контакте; Ак— деформация контактного слоя «щетка — коллектор»; ткп - масса курка и пружины; h - коэффициент, характеризующий положение щетки в пространстве; к- коэффициент вязкого трения в системе «щетка — держатель»; h Координата абсолютных перемещений х щетки относительно профиля коллектора в і - той точке, в свою очередь, определяется как где Sj(t) — высота профиля коллектора в і - той точке; Ay - деформация контактного слоя «щетка — коллектор» в і - той точке. В соответствии с выражением (3.6) перепишем уравнение (3.5) в виде уравнение (2.4) является уравнением второго порядка и, к его численному решению применим метод правых разностей [20], Тогда деформация контактного слоя рассчитывается как Безусловно, для численного решения уравнения (3.7) необходимо знать в каждый момент времени зависимость динамической силы от деформации контактного слоя, для определения которой представим КЩУ в виде щетки прямоугольной формы, контактирующей с ламелями так же прямоугольной формы (рис. 3.3). При этом принимаются следующие допущения: - щетка способна перемещаться только в радиальном направлении; - во внимание принимаются лишь силы, действующие на щетку со стороны нажимной пружины и ламелей в направлении, нормальном к поверхности контакта; - безотрывные перемещения щетки относительно пластин коллектора происходят в зоне упругих деформаций; - демпфирование, обусловленное внутренним трением в контактном слое, не учитывается. Перемещение щетки по окружности коллектора сопровождается постоянным изменением перекрываемых ею площадей коллекторных пластин, величин межламельных перепадов и общего числа ламелей, находящихся под щеткой. В соответствии с этим изменяется вид и число 83 уравнений системы, описывающей распределение мгновенных сил, создающих давление в контакте между щеткой и каждой из контактирующих с ней ламелей. Существующие в настоящее время КЭМ малой мощности в большинстве своем имеют щеточное перекрытие больше единицы, поэтому рассмотрим определение мгновенных давлений в контакте на примере СК, имеющего щеточное перекрытие /? = 1,5. На рис. 3.3 проиллюстрировано перемещение щетки на одно коллекторное деление в виде последовательного движения ее по четырем участкам, каждый из которых характеризуется своей системой уравнений распределения сил.
Система уравнений для первого участка (а), на котором происходит сход щетки с 1 и заход ее на 3 ламель, запишется в следующем виде
На втором участке (б) сбегающий край проходит межламельное пространство 1-2
На третьем участке (в) происходит полное перекрытие ламели заходящей под щетку
Анализ влияния механического состояния коллекторов на процесс коммутации электрических машин с демпфированными обмотками якоря
Как уже отмечалось, перспективным направлением развития коллекторных машин является применение демпфированных обмоток на якоре.
Существенной особенностью данного типа обмоток якоря является наличие высокой электромагнитной связи у всех коммутируемых секций с последующими (в порядке коммутации) секциями. В простейшем случае демпфированная обмотка якоря состоит из секций, разделенных на две катушки с одинаковым шагом по якорю и смещённых относительно друг друга на одно зубцовое деление (рис. 4.1).
При этом все секции якоря имеют повышенную электромагнитную связь с соседними секциями, которая, к тому же, может быть практически одинаковой у всех секций якоря. Одновременно в данной обмотке достигается снижение величины индуктивности секций вследствие ее разбиения на две катушки и их размещения в разных пазах якоря.
Высокая коммутирующая способность демпфированных обмоток выражается в существенном снижении энергии, выделяющейся в электрических дуговых разрядах под щётками в конце периода коммутации секций якоря.
Поскольку электромагнитная энергия, запасённая в секции, определяется величиной индуктивности и током секции, то любое уменьшение данных параметров в момент разрыва коммутируемого контура обеспечивает снижение энергии коммутационного искрения. Поэтому естественно, что уменьшение величины индуктивности секций в демпфированных обмотках якоря непосредственно сказывается на снижении энергии искрения под щётками.
Одновременно при этом создаются и лучшие условия для протекания процесса коммутации, что позволяет уменьшать так называемый ток разрыва, который существует в секции якоря в момент завершения её коммутации сопротивлением щёточного контакта и который также определяет энергию коммутационного искрения.
Кроме того, часть электромагнитной энергии секции в конце периода коммутации, при наличии соответствующих условий, может быть передана в соседние коммутируемые контуры, что также уменьшает величину энергии секции, реализуемую в скользящем контакте в виде искрения.
Естественно, что для достижения максимального эффекта от использования демпфированных обмоток потребуется, во-первых, обеспечение устойчивой работы скользящего контакта в механическом отношении и, во-вторых, создание специальных методик и программ, позволяющих анализировать влияние механических параметров на выходные характеристики машин с такого рода обмотками.
В качестве примера рассмотрим особенности коммутации с учетом механических факторов варианта выполнения демпфированной обмотки, проанализированной в главе 1. При этом используются механические параметры профиля коллектора рекомендованные как наихудшие (с точки зрения коммутации) в главе 3.
Для обмотки на рис. 1.26 ( ws = 75, Wi = 40, W2 = 35) характер коммутации при работе в реверсивном режиме (щетки расположены на нейтрали) выглядит в соответствии с рис. 4.2. Коммутация здесь замедленная, суммарная энергия искрения секций паза якоря снижена в 13,3 раза и составляет W = 1,436-1 О 4 Дж (в сравнении с W = 1,911 -10 3 Дж у базового варианта), а максимальная энергия отдельной секции паза уменьшена более чем в 23 раз в сравнении с базовым однокатушечным вариантом выполнения секций якоря. При этом расчет коммутации при том же варианте демпфированной обмотки без учета механических факторов (глава 1) показал снижение суммарной энергии более чем в 14, а максимальной энергии отдельной секции более чем в 16 раз. Как видим, существенное улучшение процесса коммутации электрических машин с демпфированными обмотками якоря влечет многократное снижение энергии искрения под щетками, что благоприятно отражается на ряде важных эксплуатационных показателей изделий.
В первую очередь, это положительно влияет на характеристики изнашивания элементов коллекторно-щеточного узла, поскольку эрозионная составляющая изнашивания у напряженных в коммутационном отношении машин, как правило, преобладает. В результате интенсивность изнашивания контактных элементов в усовершенствованных машинах снижается, увеличивается временной период до замены комплекта щеток и ресурс коллекторно-щеточного узла в целом [48].
Следует отметить, что полученные расчетные данные с достаточно высокой степенью соответствуют результатам, полученным при экспериментальных исследованиях. Так, например, в модернизированном образце перфоратора БПР 24IE с демпфированной обмоткой на якоре снижение степени искрения позволило уменьшить интенсивность изнашивания щеток в 19,2 раза (Приложение).
При угле сдвига щеток с нейтрали в 27 характер коммутации секций паза становится ускоренным (рис. 4.3). Причем суммарная энергия искрения в этом случае превышает базовый уровень в 10 раз и составляет W = 2,44 -10"5 Дж по сравнению с W = 2,64-10"6 Дж у серийного варианта исполнения обмотки якоря. В данном случае прослеживается необходимость уменьшения угле сдвига щеток с нейтрали, что помимо уменьшения суммарной энергии искрения по якорю повлечет за собой ряд положительных последствий таких, например, как увеличение энергетических показателей.
Сравнение коммутации при идеальном механическом состоянии профиля коллектора и худшем его механическом состоянии (с точки зрения коммутации), указанном в главе 3, показало, что суммарная энергия искрения секций паза якоря при учете механических факторов остается примерно на том же уровне и составляет W = 1,445 -10"4 Дж (в сравнении с W = 1,5 -10"4 Дж при идеальной механике СК). Однако максимальная энергия отдельной секции паза (W = 2,857-10 5 Дж) увеличивается почти в 2 раза в сравнении с серийным однокатушечным вариантом выполнения секций якоря, при котором W = 1,437-10"5 Дж. Следует также отметить, что чувствительность коммутации электрических машин с демпфированными обмотками на якоре к влиянию механических факторов выше, чем у серийных конструкций. Для конструкции электрической машины с демпфированной обмоткой якоря максимальная энергия отдельной секции паза увеличилась почти в 2 раза, а для серийной конструкции лишь в 1,5 раза. Этот факт еще раз подчеркивает необходимость подбора для каждого конкретного случая оптимальной конструкции демпфированной обмотки с целью получения наилучших коммутационных показателей.
Таким образом, при учете влияния механических факторов при расчете коммутации электрических машин с демпфированными обмотками якоря суммарная энергия искрения секций паза якоря увеличивается при учете механических факторов остается примерно на том же уровне что и при идеальной механике СК. Максимальная энергия отдельной секции паза увеличивается почти в 2 раза в сравнении с сравнении с коммутацией той же машины при идеальной механике СК. Прослеживается большая чувствительность данных обмоток к механике СК по сравнению с серийными конструкциями
