диплом. Диплом. Развитие общества невозможно без использования энергии. Масштабы энергопотребления за несколько тысячелетий возросли до громадных величин. Потребность в энергии резко повышается с техническим и культурным прогрессом

• Название: Развитие общества невозможно без использования энергии. Масштабы энергопотребления за несколько тысячелетий возросли до громадных величин. Потребность в энергии резко повышается с техническим и культурным прогрессом
• Анкор: диплом
• Дата: 23.05.2023
• Размер: 1.35 Mb.
• Имя файла: Диплом.docx
• Тип: Документы; #1155186
• страница: 3 из 5

.

2 КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Обоснование выбора двигателя для поперечно-строгального станка

Основными конструкциями линейных асинхронных двигателей являются плоская и цилиндрическая. В свою очередь, плоский линейный асинхронный двигатель может быть одно- и двухсторонним.

Линейный асинхронный двигатель можно получить, если мысленно разрезать по образующим обычный асинхронный двигатель и развернуть в плоскости его пакеты статора и ротора. Статор линейного асинхронного двигателя называется индуктором, ротор - бегуном. Во всех линейных асинхронных двигателях длина вторичного элемента, или бегуна, превышает длину сердечника индуктора. Превышение определяется задаваемым перемещением (ходом) бегуна.

В линейных асинхронных двигателях вместо вращающегося с частотой n₁=f₁p образуется бегущее со скоростью ν₁=2f₁τ магнитное поле, которое создаётся трёхфазной обмоткой при подключении её к трёхфазной сети. Бегущее поле наводит в короткозамкнутой обмотке бегуна ЭДС, имеющую частоту f₂=sf₁ и вызывающую появление токов. Эти токи совместно с бегущим магнитным полем образуют силу, приводящую бегун в движение со скоростью ν=(1-s)ν₁.

Из-за разомкнутости сердечников индуктора и бегуна в линейных асинхронных двигателях появляются дополнительные магнитные поля на концах сердечника индуктора (продольный краевой эффект).

Продольный краевой эффект приводит к появлению паразитных тормозных усилий, обусловленных наличием наряду с бегущей пульсирующей составляющей магнитного поля, к неравномерному распределению токов в фазах обмотки, к появлению дополнительных потерь в обмотке статора и во вторичном элементе. Для ослабления продольного краевого эффекта в линейных асинхронных двигателях применяются трёхфазные обмотки с дополнительными катушечными сторонами и компенсированными элементами в виде короткозамкнутых витков.

Если в качестве бегуна используется сплошная твердая электропроводящая полоса или жидкий металл, в них возникают токи, текущие на краях и вдоль бегуна и приводящие к появлению поперечного краевого эффекта.

Поперечный краевой эффект выражается в неравномерном распределении токов по ширине вторичного элемента, что приводит к появлению поперечных сил, действующих параллельно плоскости индуктора и стремящихся сдвинуть вторичный элемент относительно индуктора в направлении, перпендикулярном направлению движения, если продольные оси первичного и вторичного элементов смещены друг относительно друга. Кроме того, возникают поперечные силы, стремящиеся притянуть плоский вторичный элемент к индуктору. При применении цилиндрической конструкции поперечный краевой эффект исключается благодаря осевой симметрии. В тихоходных линейных асинхронных двигателях (скорость меньше 3 м/с), а так же при больших значениях 2р влияние продольного краевого эффекта на рабочие характеристики можно не учитывать.

Разомкнутость и конечная ширина магнитопроводов и возникающие из-за этого продольные и поперечные краевые эффекты вносят особенности в теорию и методику расчёта линейных асинхронных двигателей. В качестве исходных данных задаются циклограмма и график изменения силы, значение пусковой силы и пределы целесообразного изменения частоты на выходе преобразователя частоты. Исходные конструктивные параметры – это длина хода бегуна и максимально-допустимые размеры.

В основе всех разработанных моделей и методик лежит решение задачи определения магнитного поля в области расположения вторичного элемента при конечных размерах индуктора. Магнитное поле определяется в режимах холостого хода и нагрузки. Последовательно определяются магнитные индукции, ЭДС и токи, учитывающие краевые эффекты, а затем силы, зависящие от скольжения, КПД и коэффициент мощности. Расчёт при учёте конструктивных особенностей и краевых эффектов в общем случае является невозможным без упрощающих допущений. Количество и характер принимаемых допущений обуславливают вид расчётной модели линейных асинхронных двигателей.

В одномерных расчётных моделях учитывается изменение магнитного поля по одной координате, параллельной продольной или поперечной оси двигателя. В результате учитываются либо продольный, либо поперечный краевой эффект. Двухмерные модели позволяют учитывать один из краевых эффектов и изменение магнитного поля по высоте рабочего зазора. В трёхмерных моделях, когда одновременно учитываются два вида краевых эффектов, рассчитывается изменение индукции по трём координатам.

Обычными для одномерных моделей являются следующие допущения: индукторы не имеют пазов, что учитывается введением эквивалентного магнитного зазора δ_э=k_μk_δδ; магнитная проницаемость стали сердечников индуктора и бегуна μ_ст=∞, электропроводность σ_ст=0, имеющее место в реальных линейных асинхронных двигателях магнитное насыщение учитывается увеличением δ_э через коэффициент насыщения k_μ; поперечный краевой эффект не учитывается; вторичный элемент в виде твёрдой электропроводящей полосы имеет толщину δ_с, и находится внутри зазора δ_э; обмотки индуктора заменяются эквивалентными тонкими токовыми слоями, расположенными на внутренних поверхностях индуктора и имеющими линейную поверхностную плотность тока j₁. Влияние продольного краевого эффекта зависит от свойств активных материалов и скорости вторичного элемента. В общем случае индуктивное сопротивление зависит от режима работы, что необходимо учитывать при разработке преобразователя частоты и средств автоматического управления для линейных асинхронных двигателей. Уравнения, соответствующие двух- и трёхмерным моделям, позволяют получать более точные числовые значения рассматриваемых физических величин. Однако одномерным моделям соответствуют более простые аналитические выражения с чётко выраженными параметрическими связями. Расчёты с помощью одномерных моделей являются достаточно точными для многих практических случаев.

В асинхронном двигателе регулирование скорости движения бегуна обеспечивается либо за счёт повышения скольжения, либо при использовании статического преобразователя частоты.

Линейный асинхронный двигатель предназначен для повторно-кратковременных режимов работы с заданной пусковой силой. Рабочие циклы включают разгон, движение с максимальной скоростью и торможение. Рабочие циклы определённой продолжительности повторяются через заданные промежутки времени (паузы). Предполагается, что двигатель управляется с помощью преобразователя частоты, обеспечивающего как разгон при повышении частоты от f_min до f_max, так и генераторное торможение. Напряжение на выходе преобразователя частоты может регулироваться необходимым образом (закон определяется из расчёта, а затем уточняется и обеспечивается системой автоматического управления) при изменении частоты.

Цилиндрический линейных асинхронный двигатель относится к одной из двух основных конструкций линейных асинхронных двигателей и имеет предпочтение перед плоским, так как в нём исключается поперечный краевой эффект.

Бегун может иметь различные исполнения. Аналогом короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя является бегун плоского линейного асинхронного двигателя в виде ферромагнитной полосы с пазами, в которые уложены электропроводимые стержни, замкнутые накоротко с обеих сторон шинами.






1 – сердечник индуктора (статора), 2 – обмотка индуктора, 3 – бегун (ротор), 4 – неактивная часть индуктора.

Рисунок 2.1 – Схемы плоских линейных асинхронных двигателей



1 – спинка бегуна, 2 - чередующиеся медные и стальные кольца, 3 – воздушный зазор (между индуктором и бегуном), 4 – обмотка индуктора, 5 – технологический зазор, 6 – стальной сердечник.

Рисунок 2.2 – Схема цилиндрического линейного асинхронного двигателя
В качестве бегуна плоского линейного двигателя может использоваться электропроводящая неферромагнитная шина. Двухслойных бегун состоит из стальной полосы (спинки бегуна) и электропроводящей шины. Спинка бегуна может быть выполнена сплошной или шихтованной.

Цилиндрический линейный асинхронный двигатель может иметь аналогичные конструкции бегуна, например, одним из является стальная труба, на которую напрессованы вперемежку стальные кольца (зубцы) и медные кольца (пазы).

Однослойная концентрическая обмотка с расположением лобовых частей в трех плоскостях наиболее удобна в изготовлении, так как при её выполнении не возникает трудностей с размещением крайних катушечных сторон. Для его компенсации применяется компенсационная катушка с числом витков W_к. Ток I_к этой катушки должен изменятся в фазе с током фазы С обмотки, и поэтому она соединяется последовательно с данной фазой. Применение компенсационных катушек приводит к увеличению полного сопротивления фазы С и вызывает нежелательную асимметрию токов фаз.



Рисунок 2.3 – Трехфазная однослойная трехплоскостная концентрическая обмотка с 2р=4, Z₁=24, q=2




Двухслойные обмотки более предпочтительны для использования в линейных двигателях, чем однослойные, по своим электромагнитным свойствам. Прежде всего это связано с тем, что токи в их лобовых частях направлены встречно и поэтому создают более слабый пульсирующий поток. Однако при укладке катушек, соединяемых по правилам образования двухслойных обмоток обычных асинхронных двигателей, в статоре линейных асинхронных двигателей остаются полупустые пазы. В результате в двигателях с обмоткой, выполненной по указанной схеме, поле на концах индуктора будет ослаблено, что приведёт к уменьшению силы, развиваемой в активной зоне.

Для ликвидации этого недостатка полупустые пазы заполняют дополнительными катушечными сторонами с токами, равными токам фаз.

Обмотки цилиндрических линейных асинхронных двигателей состоят из кольцевых катушек, каждая из которых соответствует одной катушечной стороне обмотки. Обмотки можно выполнять с сокращённым шагом, если в каждый паз уложить две катушки и сместить электрически фазные зоны двух слоев катушек друг относительно друга, однако применение таких обмоток серьёзно усложняет конструкцию двигателя и процедуру изготовления. В результате выигрыш от улучшения кривой поля в зазоре не компенсирует повышенных затрат на производство.

Полюсное деление выбирается минимально возможным по конструктивным соображениям: не может быть взята ширина зубцов меньше, чем 1-2мм, пазов – менее 3 мм. При этом τ_min=m₁qt_1min=12мм.




Рисунок 2.4 – Трехфазная обмотка цилиндрического линейного асинхронного двигателя с 2р=4, Z1 = 24, a=1 и компенсационными катушками

Для строгального станка наиболее предпочтителен вариант цилиндрического линейного асинхронного двигателя с однослойной трёхфазной обмоткой с обычным шагом из-за отсутствия краевых эффектов (за счёт конструктивных особенностей и скорости хода двигателя), относительной простоты расчёта и изготовления.
2.2 Разработка конструкции линейного асинхронного двигателя

Представление об устройстве линейного асинхронного двигателя можно получить, если мысленно разрезать по образующей пакеты статора ротора обычного асинхронного двигателя и развернуть их в плоскость. Образовавшаяся плоская конструкция представляет собой принципиальную схему линейного двигателя. Если обмотки статора такого двигателя подключить к сети переменного тока, то образуется бегущее магнитное поле, создаваемое фазной обмоткой при подключении ее к трехфазной сети. Ось поля будет перемещаться вдоль воздушного зазора со скоростью, пропорциональной частоте питающего напряжения и длине полюсного деления: v₁=2f₁t, вместо магнитного поля обычного асинхронного двигателя вращающегося с частотой перемещающееся вдоль зазора магнитное поле пересекает проводники короткозамкнутой обмотки бегуна и индуктирует в них ЭДС имеющую частоту f₂=f₁s, под действием которой по обмотке начнут протекать токи. Взаимодействие токов с магнитным полем приведет к появлению силы, действующей в направлении перемещения магнитного поля.

Вторичный элемент под действием этой силы начнет двигаться с некоторый отставанием (скольжением) от магнитного поля, как и в обычном асинхронном двигателе. Из-за разомкнутости сердечников индуктора и бегуна в линейном aсинхронном двигателе появляются дополнительные магнитные поля на концах сердечника индуктора - продольный краевой эффект.

Продольно краевой эффект оказывает влияние на работу линейного асинхронного двигателя и его характеристики. Физическая сущность продольного краевого эффекта оказывает существенное влияние на работу линейного асинхронного двигателя и его характеристики. Физическая сущность продольного краевого эффекта заключается в обрыве бегущего поля индуктора на входном и выходном концах линейного асинхронного двигателя и затягивании в пространстве токов, наводимых во вторичном элементе, относительно входного и выходного концов индуктора. В результате в индукторе создаются кроме бегущего поля пульсирующие поля, создающие усилия, противодействующие силам, создаваемым основным бегущим полем.

Токи вторичного элемента оказываются сдвинутыми относительно осей полюсов индукторов, создающих бегущее магнитное поле, и также вызывают вредное действие. Для ослабления продольного краевого эффекта в линейных асинхронных двигателях применяются трёхфазные обмотки с дополнительными катушечными сторонами и компенсированными элементами в виде короткозамкнутых витков.

Поперечный краевой эффект выражается в неравномерном распределении токов по ширине вторичного элемента. Поперечный краевой эффект приводит к появлению поперечных сил, действующих параллельно плоскости индуктора и стремящихся сдвинуть вторичный элемент относительно индуктора в направлении, перпендикулярном направлению движения, если продольные оси первичного и вторичного элементов смещены друг относительно друга. Кроме того, вследствие поперечно краевых эффектов возникают поперечные силы, стремящиеся притянуть плоский вторичный элемент к индуктору. При применении цилиндрической конструкции линейного асинхронного двигателя поперечно краевой эффект исключается благодаря осевой симметрии.

Вторичный элемент линейного двигателя не всегда снабжается обмоткой. Обмотки статора линейных двигателей имеют те же схемы соединения, что и обычные асинхронные двигатели, и подключаются обычно к сети трехфазного переменного тока. В качестве бегуна можно использовать цельнометаллический сердечник, на который напрессовываются вперемежку стальные кольца (пазы). Очень часто линейные двигатели работают в так называемом обращенном режиме движения, когда вторичный элемент неподвижен, а передвигается статор. Такой линейный двигатель, получивший название двигателя с подвижным статором, находит широкое применение на девическом транспорте.

Преимущество линейных двигателей определяется прямолинейностью движения вторичного элемента (или статора), что естественно сочетается с характером движения исполнительного органа станка.

Принципиальной конструктивной особенностью цилиндрических линейных асинхронных двигателей является то, что вторичный элемент заключен внутри первичной части, что не позволяет изготавливать двигатели длиноходовыми. В свою очередь, плоский линейный асинхронный двигатель может быть одно и двухсторонним. Во всех линейных асинхронных двигателях длина вторичного элемента, или бегуна, превышает длину сердечника индуктора. Превышение определяется задаваемым перемещением (ходом) бегуна. Разомкнутость и конечная ширина магнитопроводов в линейном асинхронном двигателе и возникающие из-за этого продольные и поперечные краевые эффекты вносят особенности в теорию и методику расчёта линейных асинхронных двигателей. В основе всех разработанных моделей и методик лежит решение задачи определения магнитного поля в области расположения вторичного элемента при конечных размерах индуктора. Магнитное поле определяется в режимах холостого хода и нагрузки. Последовательно определяются магнитные индукции, ЭДС и токи, учитывающие продольно краевые эффекты и поперечно краевые эффекты, а затем силы, зависящие от скольжения, КПД и коэффициент мощности линейного асинхронного двигателя. Расчет при учёте конструктивных особенностей и имеющих место в линейных асинхронных двигателях краевых эффектов в общем случае является возможным без упрощающих допущений. Количество и характер принимаемых допущений обуславливают вид расчётной модели линейного асинхронного двигателя.

Крепиться цилиндрический линейный двигатель будет непосредственно к станине.