FEMM 5

Часть V · Электрические машины → § 27 · Машины постоянного тока и синхронные реактивные машины

Занятие 27.1

Машина постоянного тока и реакция якоря

Цель и задачи

Цель. Оценить реакцию якоря машины постоянного тока.

Задачи

  • Построить отдельную схему поля и токов якоря.
  • Вывести взаимосвязь ЭДС и момента через мощность.
Что нужно вспомнить перед началом

Если одно из понятий незнакомо, вернитесь к предыдущему занятию и воспроизведите его численный пример. После этого переходите к новой постановке.

Место занятия в инженерной методике

Расчётная лабораторная работа · Сопоставление магнитной структуры и моментных свойств машины

Инженерный вопрос. Как изменение тока якоря искажает поле возбуждения?

Согласованные состояния секций и поле реакции якоря позволяют оценивать искажение потока, момент и положение нейтрали до рассмотрения коммутации.

Последовательность решения, отчёт и критерии результата

Результат получают из наблюдаемых величин и проверяют в условиях данного практикума.

Последовательность решения

  1. Обосновать постановку и способ измерения. Свяжите геометрию, оси и токовые состояния с источником момента. Определите, какие составляющие нужно рассчитывать отдельными опытами.

  2. Согласованный двигатель постоянного тока. Проследите знак момента и зависимость отклика от положения и возбуждения в принятой системе осей.

  3. Двухполюсная машина постоянного тока с пазовым якорем. Выполните действия практикума по его исходной таблице. Сравните профиль поля и момент при согласованных токовых состояниях.

  4. Ответить на вопрос по своим результатам. Сопоставьте варианты при одинаковых ограничениях по току, скорости и геометрическому масштабу; объясните источник различия.

Что включить в отчёт

Результат этого занятия. Сопоставление с объяснением искажения поля и принятой коммутации.

Данные именно этого опыта. Сравните профиль поля и момент при согласованных токовых состояниях.

Оформление наблюдений. Токовые состояния, положение, момент и потокосцепления; при сравнении вариантов — одинаковые ограничения и геометрические множители.

Как обосновать результат

Проверка из практикума. Проверьте полярность поля, равенство противоположных токовых сторон, знак момента и сетку зазора. Численный пример с k\Phi = 0{,}08 \,\text{В}\cdot \text{с} остаётся независимым аналитическим эталоном; для этой геометрии коэффициент измеряется заново.

Независимый контроль. Используйте симметрию, энергетический ориентир или независимый режим, предусмотренный занятием; зубцовый момент отделяйте от нагрузочного.

Критерий выполнения. Возбуждение и якорь заданы отдельно, момент и напряжение имеют согласованные знаки, мощностный эталон проверен; выводов об искрении нет.

Точность и расхождения. Оцените сеточную и угловую устойчивость требуемого момента. Среднее значение, амплитуда пульсаций и локальная производная имеют разные требования к шагу.

Основание сравнения. Используйте моментные и энергетические соотношения из занятия с принятой системой осей. Статическая карта не подтверждает сама по себе коммутацию, переходный процесс или тепловой режим машины.

Вывод для устройства

Свяжите результат с выбором токового угла, рабочей зоны или геометрии машины; статические точки не заменяют анализ коммутации и теплового режима.

Границы вывода. Токовое состояние сечения не моделирует автоматически коллектор, искрение, тепловой режим и полный переходный процесс.

Теория и вывод формул

В машине постоянного тока поле статора взаимодействует с токами якоря, пространственное распределение которых поддерживается коллектором. Неподвижный полевой расчёт позволяет исследовать момент и реакцию якоря в выбранном состоянии; переходный процесс коммутации рассматривается отдельно.

Соглашения об обозначениях и единицах
  • \(i(t)\), \(u(t)\) — мгновенные значения; \(\widehat I\), \(\widehat U\) — комплексные амплитуды; \(\underline I_{\text{д}}\), \(\underline U_{\text{д}}\) — комплексные действующие значения. Для синусоиды \(\widehat I=\sqrt{2}\,\underline I_{\text{д}}\); действующее значение тока равно \(|\underline I_{\text{д}}|\). Нормировка обязательно учитывается в формулах мощности.
  • \(\Phi=\int_S\mathbf B\cdot\mathrm d\mathbf S\) — поток через ориентированную поверхность; \(\Psi=\sum_k\oint_{C_k}\mathbf A\cdot\mathrm d\mathbf l\) — потокосцепление последовательных витков с согласованными замкнутыми контурами. Только при одинаковом сцепленном потоке каждого витка \(\Psi=N\Phi\). Обе величины измеряются в веберах: число витков безразмерно. Запись «Вб·виток» подчёркивает суммирование.
  • \(\theta_{\text{м}}\), \(\Omega\) (также \(\omega_{\text{мех}}\)) — механические угол и угловая скорость. Для основной гармоники \(\theta_{\text{э}}=p\theta_{\text{м}}\), \(\omega_{\text{э}}=p\Omega\), где \(p\) — число пар полюсов. Геометрический период зубцов задаётся отдельно. В производных по углу используйте радианы.
  • Статическая индуктивность \(L_{\text{ст}}=\Psi/i\) — наклон секущей из начала координат; это определение используется при \(\Psi(0)=0\) и \(i\ne0\). Динамическая индуктивность \(L_{\text{дин}}=\partial\Psi/\partial i\) — наклон касательной (дифференциальная, инкрементальная); положение и остальные токи фиксированы. Для линейной характеристики без смещения обе равны одной индуктивности \(L\). При постоянных магнитах и взаимном возбуждении сначала учитывают ненулевое смещение потокосцепления.
  • Положительные направления, оси и специальные индексы определяются в конкретной задаче. Единицу берите из условия или заголовка таблицы; перед подстановкой в формулу СИ переводите миллиметры в метры, миллигенри в генри и градусы в радианы.
  • Численные результаты обычно показаны с четырьмя значащими цифрами; для сравнения близких значений в таблицах сходимости сохранено больше цифр. Полные значения остаются в исходных расчётных данных. Малые остатки вычисления координат на осях показаны как ноль; малые физические величины сохраняются в показательной записи.
Указатель формул этого занятия
  1. (27.1) · Поле, якорь и коллектор
  2. (27.2) · Реакция якоря и ограничения снимка

Поле, якорь и коллектор

В классической машине постоянного тока поле создаётся обмоткой возбуждения или постоянными магнитами статора, а ток якоря распределяется по проводникам ротора. Коллектор меняет соединения вращающихся секций, сохраняя нужное пространственное направление токовой нагрузки относительно полюсов. Поэтому в статическом сечении необходимо задавать карту знаков токов в конкретном положении.

Сила на проводнике в основном поле определяется произведением I l \times B. Сумма моментов сил активных проводников даёт электромагнитный момент. При той же магнитной связи движение проводников создаёт ЭДС. Если T = k\Phi I_{\text{я}} и E = k\Phi \Omega, то T\Omega=E I_{\text{я}}: один коэффициент связи обеспечивает согласование электрической и механической мощности.

T_{\text{эм}}=k\Phi I_{\text{я}},\qquad E=k\Phi\Omega,\qquad EI_{\text{я}}=T_{\text{эм}}\Omega
(27.1)
k\Phi здесь один коэффициент в \text{В}\cdot \text{с} = \text{Н}\cdot \text{м}/\text{А}. Для подробной геометрии он зависит от числа проводников, полюсов и параллельных ветвей.

Реакция якоря и ограничения снимка

Поле токов якоря искажает поле возбуждения и может смещать магнитную нейтраль. Сравнение трёх опытов — возбуждение, якорь, оба источника — показывает эту реакцию. В насыщенной стали простая сумма отдельных полей уже неверна; полезно исследовать полный момент и локальную индукцию.

Переходная коммутация секции включает индуктивность, изменение тока, контакт щётки, сопротивление и временную цепь. Ни цветная магнитостатическая карта поля, ни произвольная перестановка знаков не рассчитывают искрение или качество коммутации. В этом занятии рассматриваются два корректных токовых распределения для двух положений и поясняется, что автоматический закон переключений является дополнительной цепной моделью.

В готовом файле машины постоянного тока ток возбуждения = 2 \,\text{А} и ток якоря = 3 \,\text{А}, частота 0, глубина 80 \,\text{мм}; токи распределены по 12 пазовым областям. Они доходят до поверхности ротора радиуса 58 \,\text{мм} и поэтому не называются закрытыми пазами. Модель показывает только один идеализированный расчёт при фиксированных токах; численный пример с U_{\text{я}} = 12 \,\text{В} и k\Phi = 0{,}08 \,\text{В}\cdot \text{с} не является найденной рабочей точкой данного файла.

U_{\text{я}}=R_{\text{я}}I_{\text{я}}+E,\qquad P_{\text{вх,я}}=P_{\text{медь,я}}+P_{\text{преобр}}
(27.2)
Двигательное направление тока принято внутрь якоря. Питание возбуждения и механические потери относятся к полной границе отдельно.

Баланс энергии машины постоянного тока

Поток возбуждения и средняя коммутация считаются заданными; рассматривается установившийся режим якорной цепи.

  1. ЭДС пропорциональна потоку и механической скорости. Электромагнитная сила на проводниках даёт момент, пропорциональный тому же потоку и току якоря.

  2. Умножьте уравнение якорного напряжения на ток. Полученная электрическая мощность распадается на медные потери и мощность преобразования.

  3. Проверьте совпадение произведения ЭДС на ток с произведением момента на скорость. Затем отдельно учтите питание возбуждения, механические и магнитные потери.

Таблица 27.1. Обозначения и единицы
ВеличинаФизический смыслЕдиница СИ
IТок обмотки; в статике постоянныйА
\PhiМагнитный поток через выбранную поверхностьВб
RАктивное электрическое сопротивлениеОм
TЭлектромагнитный моментН·м
\OmegaМеханическая угловая скоростьрад/с
PСредняя активная мощностьВт

Границы применимости. Распределённый токовый слой или несколько статических токовых состояний не воспроизводят искрение и переходный процесс коммутации. Реакция якоря может менять поток и нарушать постоянство коэффициента.

Разобранный численный пример

Согласованный двигатель постоянного тока

Дано. U_{\text{я}} = 12 \,\text{В}; R_{\text{я}} = 0{,}4 \,\text{Ом}; коэффициент k\Phi = 0{,}08 \,\text{В}\cdot \text{с}; \Omega = 100 \,\text{рад}/\text{с}.

  1. E = 0{,}08\cdot 100 = 8 \,\text{В}. Ток якоря (12-8)/0{,}4 = 10 \,\text{А}.

  2. Электромагнитный момент 0{,}08\cdot 10 = 0{,}8 \,\text{Н}\cdot \text{м}; развиваемая мощность T \Omega = 80 \,\text{Вт}.

  3. Вход якоря 120 \,\text{Вт}; медные потери 0{,}4\cdot 10^{2} = 40 \,\text{Вт}; сумма 80+40 = 120 \,\text{Вт}.

Ответ: Напряжение, ток, скорость и момент образуют одну согласованную точку. КПД всей машины неизвестен без возбуждения и прочих потерь.

Проверка: Размерность k\Phi \Omega даёт вольты, k\Phi I — \text{Н}\cdot \text{м}. При смене направления потока либо тока знак момента меняется.

Практикум в FEMM 5

Двухполюсная машина постоянного тока с пазовым якорем

Таблица 27.2. Исходные данные практикума
Исходная величинаЗначениеЕдиница
Радиус ротора / расточки58 / 60мм
Активная длина80мм
Ярмо / полюсные области статора80\text{–}100 / 60\text{–}80мм
Число пазов якоря121
Число витков стороны обмотки50витков
Ток возбуждения / ток якоря2 / 3А
  1. Создайте плоскую магнитостатическую задачу глубиной 80 \,\text{мм}. Статорное ярмо — кольцо радиусов 80\text{–}100 \,\text{мм}; два противоположных полюса — сектора радиусов 60\text{–}80 \,\text{мм} шириной 60^\circ, с центрами 0^\circ и 180^\circ. Воздух ограничьте квадратом x,y = \pm 170 \,\text{мм} с A = 0.
  2. Ротор имеет внутренний воздушный вал радиуса 18 \,\text{мм} и наружную поверхность радиуса 58 \,\text{мм}. Двенадцать пазовых областей идут от 43 до 58 \,\text{мм}, имеют ширину 12^\circ и повторяются через 30^\circ. Эти области доходят до поверхности: модель не объявляется закрытопазным якорем.
  3. Обмотка возбуждения представлена четырьмя кольцевыми секторами радиусов 65\text{–}77 \,\text{мм} шириной 12^\circ, центры 50^\circ, 130^\circ, 230^\circ, 310^\circ. Назначьте цепь «Обмотка возбуждения» с током 2 \,\text{А} и витки -200, -200, +200, +200 соответственно. Проверьте направление поля и два магнитных полюса.
  4. В пазах якоря задайте одну цепь «Обмотка якоря» с током 3 \,\text{А}. У паза k с центром \theta_k = 30k градусов знак 50 витков равен знаку \sin(\theta_k+15^\circ): верхняя тройка пар положительна, нижняя отрицательна. Это пространственное распределение токов идеализированной коллекторной машины при фиксированном положении ротора.
  5. В первом эталоне железо линейное \mu_r = 1000, проводимость нулевая; обмоточные области \mu_r = 1, \sigma = 0. Реальная медь и щёточные падения не рассчитываются этими областями и добавляются только по отдельным цепным данным.
  6. Выполните три опыта: только возбуждение, только ток якоря и оба источника. Получите момент ротора и сравните знак с направлением поля и проводников. При смене знака якорного тока проверьте смену момента.
  7. Для нового угла ротора заново назначьте знаки токовой нагрузки согласно неподвижной оси щёток; поворот всех прежних знаков вместе с ротором без переключения описывает другую систему. Временной переходный контакт и искрение здесь не рассчитываются.

Ожидаемый результат. Смена якорного тока меняет направление момента; совместное поле показывает реакцию якоря. Двенадцать пазовых токовых областей задают пространственное состояние идеализированной коммутации, а не временную модель контакта щёток.

Как проверить. Проверьте полярность поля, равенство противоположных токовых сторон, знак момента и сетку зазора. Численный пример с k\Phi = 0{,}08 \,\text{В}\cdot \text{с} остаётся независимым аналитическим эталоном; для этой геометрии коэффициент измеряется заново.

Обработка и анализ результатов

Как изменение тока якоря искажает поле возбуждения?

  1. Сравните профиль поля и момент при согласованных токовых состояниях.
  2. Сопоставьте варианты при одинаковых ограничениях по току, скорости и геометрическому масштабу; объясните источник различия.

С чем сравнить. Используйте моментные и энергетические соотношения из занятия с принятой системой осей. Статическая карта не подтверждает сама по себе коммутацию, переходный процесс или тепловой режим машины.

Итог работы. Сопоставление с объяснением искажения поля и принятой коммутации.

Пошаговая настройка расчётного примера

Откройте отдельную страницу с последовательными действиями, точными параметрами, накопительными файлами этапов и программами с русскими комментариями.

Все расчётные примеры курса

Расчётный образец FEMM 5

Откройте модель, воспроизведите указанный режим и сопоставьте свои измерения с таблицей результатов.

Таблица 27.3. Результаты расчётного образца
ВеличинаРезультатЕдиница
Частота0Гц
Активная длина80мм
Ток цепи Обмотка якоря3А
Потокосцепление цепи Обмотка якоря-0,002636Вб
Ток цепи Обмотка возбуждения2А
Потокосцепление цепи Обмотка возбуждения0,04573Вб
Момент на исходной учебной сетке-0,07276Н·м
Энергия поля0,04177Дж
Модуль B в контрольной точке0,05915Тл
Координаты контрольной точки (x, y)56,42; 17,25мм
Момент на проверенной уточнённой сетке-0,07309Н·м
Визуализация численных данных FEMM 5: Машина постоянного тока. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.
Рисунок 27.1. Визуализация численных данных FEMM 5: Машина постоянного тока. Это экспорт результатов поля, а не снимок окна программы.

Двумерная модель активной части. Модель стали с постоянной магнитной проницаемостью не описывает насыщение. Идеализированные обмотки с нулевой проводимостью не учитывают все потери. Сеточная проверка момента этой рабочей точки выполнена отдельно; её критерии, методы и границы приведены в протоколе. У острых кромок модели стали с постоянной проницаемостью возможны большие локальные значения B. Они не описывают реальный материал и сами по себе не доказывают насыщение или повреждение. Проверяйте нелинейную характеристику материала и сходимость поля в физически заданной области.

Ориентиры в интерфейсе
Геометрия: машина постоянного тока, поле возбуждения и пространственный снимок коллекторных токов
Рисунок 27.2. Геометрия: машина постоянного тока, поле возбуждения и пространственный снимок коллекторных токов Открыть в полном размере
Распределение магнитной индукции: машина постоянного тока, поле возбуждения и пространственный снимок коллекторных токов
Рисунок 27.3. Распределение магнитной индукции: машина постоянного тока, поле возбуждения и пространственный снимок коллекторных токов Открыть в полном размере
Машина постоянного тока: выбранная сетка воздушного зазора.
Рисунок 27.4. Машина постоянного тока: выбранная сетка воздушного зазора. Открыть в полном размере
Машина постоянного тока: момент ротора на выбранной сетке.
Рисунок 27.5. Машина постоянного тока: момент ротора на выбранной сетке. Открыть в полном размере

Расчётные исследования по теме

Изучите физическую постановку, выполните программу во встроенном Python FEMM 5 и проверьте результаты по сохранённым моделям и независимым критериям.

Все темы учебного практикума

Окна FEMM 5

Снимки интерфейса FEMM показывают геометрию, настройки и работу с результатами в FEMM 5. Откройте изображение, чтобы рассмотреть подписи и значения в полном размере.

Реакция якоря машины постоянного тока: раздельное и совместное возбуждение. Геометрия учебной модели; подписи скрыты для читаемости.
Реакция якоря машины постоянного тока: раздельное и совместное возбуждение. Геометрия учебной модели; подписи скрыты для читаемости. Открыть в полном размере
Сохранённое решение «Реакция якоря машины постоянного тока: раздельное и совместное возбуждение». Модуль магнитной индукции |B|, Тл, и линии статического магнитного поля; рабочая область модели.
Сохранённое решение «Реакция якоря машины постоянного тока: раздельное и совместное возбуждение». Модуль магнитной индукции |B|, Тл, и линии статического магнитного поля; рабочая область модели. Открыть в полном размере

Самостоятельная работа

Получите две токовые карты якоря и объясните различие полевого момента, пространственного переключения и реальной переходной коммутации.

Критерий выполнения: Возбуждение и якорь заданы отдельно, момент и напряжение имеют согласованные знаки, мощностный эталон проверен; выводов об искрении нет.
Первоисточники и дополнительное чтение по занятию
  1. [33] — 24–39; 45–52
  2. [2] — Программа: трансформаторы, индукционные, синхронные машины и машины постоянного тока
  3. Н. Бьянки. PM motor design with FEMM — скачанный отдельный раздел, физика и постобработка — 84–112: токовые оси и момент; сравнение с основными принципами; старый интерфейс и Lua не назначаются обязательным инструментом
Пояснения и типичные ошибки
Почему одинаковый k\Phi используется в ЭДС и моменте?

Это следствие согласования электромеханической мощности в одной системе единиц.

Что отсутствует в одном магнитостатическом состоянии коллектора?

История токов коммутируемых секций, контакт щётки, переходное напряжение и процессы искрения.

На что обратить внимание

  • Полевая картина названа расчётом качества коммутации.
  • Сопротивление возбуждения потеряно при заявлении общего КПД.
  • Одно и то же распределение токов вращается без объяснения коллектора.