Лавриненко В.А. (сост.). Электрические двигатели для бытовой техники

Подождите немного. Документ загружается.

В.А.Лавриненко

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ

ДЛЯ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ

ЧЕБОКСАРЫ 1999

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ БЫТОВОЙ ТЕХНИКИ

Методические указания к лабораторным работам

ЧЕБОКСАРЫ 1999

УДК 621.313-181.48

Составитель В.А.Лавриненко

Электрические двигатели для бытовой техники: Метод. указания

к лабораторным работам/ Сост. Лавриненко В.А. Чуваш. ун-т. Чебокса-

ры, 1999. 64 с.

Включены описания двух лабораторных работ по исследованию

конденсаторного асинхронного двигателя и коллекторного двигателя

переменного тока. Даны методики проведения лабораторных работ,

описание конструкций и основных свойств электрических двигателей,

оборудования стендов.

Для студентов, изучающих курс “Электрические микромашины”.

Утверждено Методическим советом университета

Ответственный редактор: д-р техн. наук, профессор Ефименко Е.И.

Составление.

 Лавриненко В.А.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Насыщение техникой такой сферы жизнедеятельности человека, как

быт, является особенностью цивилизации. Электрические двигатели

(ЭД) составляют основу любого бытового электромеханического при-

бора (БЭП). В 1887 г. ЭД начали использоваться в вентиляторах,

в 1889 г. - в швейных машинах, в 1895 г. - в бормашинах, в 1901 г. -

в пылесосах.

С тех пор путем синтеза фундаментальных достижений человека в

области искусства, науки и техники созданы разнообразные БЭП. Как

правило, для нового БЭП разрабатывается свой электродвигатель с це-

лью наилучшего удовлетворения всех предъявляемых к прибору требо-

ваний. Мощность ЭД бытовой техники не превышает, как правило,

750Вт. Производство ЭД малой мощности (750 Вт и менее) постоянно

растет, на их долю приходится примерно третья часть выпускаемых в

мире электрических машин. На сегодняшний день в каждой семье ис-

пользуется более десятка ЭД малой мощности. Число конструктивных

модификаций ЭД, используемых в БЭП, достигает нескольких тысяч.

Широкая номенклатура ЭД обусловлена их применением в большом

количестве электромеханических систем с разнообразными требова-

ниями к механической характеристике, виброакустическим показате-

лям, полям рассеяния, надежности, режиму работы, климатическому

исполнению, количеству выполняемых функций, объему выпускаемых

партий.

Многообразным конструкциям ЭД малой мощности свойственны

следующие особенности:

1) малое число пазов на полюс и фазу q=Z/(2p·m), что обусловливает

большое влияние обмоточных и зубцовых высших гармоник на техни-

ческие характеристики;

2) зависимость формы двигателя от конструкции механизмов или

приборов (встраиваемые исполнения, совмещение некоторых узлов

машины с рабочими органами механизмов);

3) наличие асимметрии, связанной с принципом действия ЭД;

4) сложная конфигурация магнитной цепи статора, наличие насы-

щающихся магнитных шунтов;

5) существенно большее влияние активного сопротивления

R и ин-

дуктивного сопротивления рассеяния X

1

обмотки статора на техниче-

ские характеристики двигателей из-за меньших габаритов. Если в ЭД

большой мощности

R составляет доли и единицы процента и в 2-3

раза меньше индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора

1

, то в двигателях малой мощности эта величина достигает 30-50 % и

может стать больше X

1

в 5 раз;

6) незначительное влияние переходных электромагнитных процес-

сов по сравнению с электромеханическими процессами вследствие

очень малой электромагнитной постоянной времени T

=L/R из-за

большого активного сопротивления R. Электромагнитная постоянная

времени

T меньше электромеханической постоянной времени

T на

порядок и более;

7) пониженный к.п.д. из-за большего влияния электрических, меха-

нических и добавочных потерь. Например, у двигателя КД-6-4 мощно-

стью 6 Вт механические потери равны примерно 1 Вт;

8) относительно большой намагничивающий ток и наличие обрат-

новращающегося поля обусловливают низкий к.п.д. у большинства ЭД;

9) более высокая вероятность перегрева, что объясняется их малы-

ми габаритами и незначительной площадью поверхности, с которой от-

водится тепло в окружающую среду. Этот недостаток усугубляется при

встраивании электродвигателя в рабочий механизм;

10) более сильное влияние качества производственных процессов на

технические характеристики двигателей;

11) увеличенный в 10-100 раз расход электротехнических материа-

лов на единицу мощности ЭД.

Совершенствование БЭП привело к тому, что отдельные конструк-

тивные элементы и узлы ЭД несут дополнительную функциональную

нагрузку в качестве элементов конструкции прибора. Часто ЭД не име-

ют корпуса в том виде, в котором он используется в двигателях обще-

промышленного назначения. Например, корпус подшипника ЭД сти-

ральной машины может служить одновременно частью корпуса насоса

для слива воды из бака. Для привода компрессоров бытовых холодиль-

ников используются встраиваемые ЭД, которые поставляются в виде

пакетов статора и ротора с обмотками без подшипниковых щитов и ва-

ла. В вентиляторах используют ЭД обращенного исполнения с внут-

ренним статором и внешним ротором, на котором закреплены лопасти

вентилятора. Подобные конструктивные решения позволяют умень-

шить габариты и массу БЭП в целом.

Необходимость обеспечения низкой стоимости ЭД для БЭП требует

снижения расхода активных материалов. В то же время к к.п.д. предъ-

являются менее жесткие требования, чем в машинах большой мощно-

сти. Увеличение к.п.д. ЭД малой мощности приводит к существенному

повышению их стоимости. В связи с этим выбор ЭД для БЭП должен

быть экономически обоснован. Например, снижение к.п.д. ЭД ком-

прессора холодильника приводит к увеличению температуры его на-

грева. Из-за наличия избыточного тепла увеличивается продолжитель-

ность работы компрессора, повышается расход электроэнергии, что

может стать причиной более значительных экономических издержек,

чем экономия на двигателе с низким к.п.д.

К ЭД, применяемым, в печатающих устройствах компьютеров, по-

мимо указанных требований предъявляются более жесткие требования

к динамическим характеристикам, к.п.д., сроку службы, надежности.

Необходимость выполнения противоречивых требований заставляет

разработчиков и производителей БЭП решать многокритериальные за-

дачи, что обуславливает узкую специализацию.

Предлагаемые лабораторные работы имеют своей целью получение

знаний о свойствах ЭД в процессе экспериментальных исследований.

Основное внимание уделяется изучению конструкции, физических ос-

нов работы, исследованию свойств электрических машин, приобрете-

нию навыков в использовании эксперимента как метода познания ок-

ружающей среды.

Для выполнения работ учебная группа разбивается на 4 бригады.

При подготовке к лабораторной работе студент обязан: 1) изучить со-

ответствующие теоретические разделы и методические указания; 2) на-

рисовать принципиальную схему стенда, составить таблицы для записи

результатов; 3) усвоить правила техники безопасности при работе в ла-

боратории.

Проверка подготовленности к выполнению очередной лабораторной

работы осуществляется преподавателем на коллоквиуме или при лич-

ном опросе. Если студент не знает содержания и методики проведения

лабораторной работы, он не допускается к ее выполнению.

Лабораторные работы выполняются только с разрешения препода-

вателя или лаборанта и в их присутствии. Перед началом лабораторных

работ необходимо пройти инструктаж по технике безопасности и про-

вести следующие мероприятия: 1) убедиться в том, что стенд отключен

от электропитания; 2) проверить шины заземления и их подключение к

исследуемой установке; 3) проверить, нет ли наружных повреждений

соединительных проводов и оборудования стенда; 4) убрать все посто-

ронние предметы с лабораторного стенда; 5) занять рабочие места и не

покидать их без разрешения преподавателя.

Для выполнения лабораторной работы необходимо: 1) собрать схему

и предъявить ее для проверки преподавателю или лаборанту, и только

после их разрешения производить включение; 2) проверить работоспо-

собность системы экстренного откл

ючения напряжения питания;

3) включить лабораторный стенд и провести необходимые работы со-

гласно методическим указаниям; 4) немедленно отключить стенд, если

появились визуально регистрируемые неисправности, и сообщить об

этом преподавателю или лаборанту; 5) поддерживать порядок и не

вмешиваться в работу других бригад.

После завершения работ преподавателю предъявляются опытные

данные для проверки, а лаборанту - лабораторный стенд. Затем схема

разбирается, приборы и соединительные провода сдаются. Все органы

управления стендом должны находиться в исходном положении.

По каждой лабораторной работе студент составляет индивидуальный

отчет, который должен содержать титульный лист, принципиальные

схемы, цель и программу работы, результаты исследования в виде таб-

лиц и графиков с необходимыми пояснениями и выводами. Отчет вы-

полняется на листах бумаги формата А4 (297х210 мм) в соответствии с

требованиями ГОСТ. Все листы отчета должны быть сброшюрованы.

Отчет предъявляется преподавателю для проверки и является необхо-

димым условием для сдачи зачета по лабораторной работе.

Во время зачета студент должен показать прочные знания по соот-

ветствующим разделам дисциплины, а также по использованию мето-

дов физического и математического моделирования ЭД. При отсутст-

вии требуемого уровня знаний преподаватель не принимает зачет и до-

пускает студента к повторному зачету не ранее чем через 7 дней. Если и

при повторном зачете студент показал неудовлетворительные знания,

он вновь выполняет лабораторную работу в полном объеме в составе

бригады из двух человек (как минимум). В случае, если студент не за-

щитил две лабораторные работы, он автоматически не допускается к

выполнению следующей работы.

Лабораторная работа 26

ИССЛЕДОВАНИЕ КОНДЕНСАТОРНОГО АСИНХРОННОГО

ДВИГАТЕЛЯ

Цель работы - изучение конструкции, принципа действия и основ-

ных свойств конденсаторного асинхронного двигателя.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Практическое использование асинхронных машин началось в

конце XIX в. В 1884 г. серб Тесла сконструировал модель асинхронно-

го двигателя переменного тока с двухфазной обмоткой статора, а 12 ок-

тября 1887 года подал заявку на изобретение. Тесла использовал явно-

полюсный статор с двумя взаимно перпендикулярными катушками и

ротор с двумя независимыми катушками. В 1887 г. американцем Шел-

ленбургом был изобретен двигатель с расщепленными (экранирован-

ными) полюсами, у которого одна из обмоток двухобмоточного асин-

хронного двигателя была замкнута накоротко. В 1889 г. выходец из

России Доливо-Добровольский предложил конструкцию ротора с ко-

роткозамкнутой обмоткой типа «беличья клетка», которая позволила

существенно улучшить к.п.д. двигателя. Фазосдвигающий конденсатор

впервые был использован в 1890 г. французами Хитином и Лебланком.

В настоящее время примерно 70 % асинхронных двигателей исполь-

зуется в бытовой технике. Конденсаторные асинхронные двигатели

(КАД) относятся к машинам малой мощности. При больших мощно-

стях резко увеличиваются размеры и стоимость конденсатора.

КАД является наиболее распространенным типом двигателей пере-

менного тока малой мощности, поскольку по своим характеристикам

он удовлетворяет требованиям большинства электроприводов элек-

трических приборов и аппаратов. Этот двигатель отличается низкой

стоимостью и уровнем шума, высоким коэффициентом мощности, не

требует затрат на эксплуатацию и является бесконтактным.

Недостатком КАД является небольшой пусковой момент

)

(





. Для увеличения пускового момента изготавливается

обмотка ротора с повышенным активным сопротивлением либо на вре-

мя пуска параллельно рабочему включается пусковой конденсатор.

Широкое использование КАД в электрических приборах и аппара-

тах бытового назначения выдвигает на первое место требование низ-

кой стоимости и высокой технологичности. Их производство практиче-

ски полностью автоматизировано и ориентировано на выпуск миллио-

нов двигателей в год. Благодаря этому в течение нескольких десятиле-

тий стоимость КАД на мировом рынке практически не меняется или

даже несколько снижается.

КАД находит применение в системах автоматики, медицинской и

сельскохозяйственной технике, в домашнем хозяйстве: в обогреватель-

ных приборах, насосах, стиральных, моечных и вязальных машинах,

вентиляторах и рукосушителях, мясорубках, холодильниках, пишущих

машинках, звукозаписывающих устройствах.

Существуют универсальные асинхронные двигатели серии УАД,

предназначенные для работы как от однофазной, так и от трехфазной

сети переменного тока.

2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Конденсаторным асинхронным двигателем (КАД) называется дви-

гатель с расщепленной фазой, у которого в цепь вспомогательной об-

мотки постоянно включен конденсатор (сокращенное название конден-

саторный двигатель - англ. capacitor motor) [13].

В КАД питающая фаза расщеплена на две электрические цепи -

главной и вспомогательной обмоток, смещенных в пространстве.

Включение конденсатора в цепь вспомогательной обмотки (фазы) по-

зволяет сдвинуть во времени её ток относительно тока главной обмот-

ки. По способу питания КАД является однофазным, а по конструкции

обмотки статора - двухфазным. На практике однофазным двигателем

(англ. - single-phase motor) принято называть двигатель, который по-

требляет однофазный переменный ток. Обмоткой (англ. - winding) на-

зывают совокупность витков или катушек, образующих электрическую

цепь. Обмотка является одним из важнейших элементов конструкции

двигателя и, как правило, гальванически не связана с другой электри-

ческой цепью. Фаза (англ. - phase) - одна из электрических цепей, вхо-

дящая в состав многофазной цепи, характеризующаяся тем, что дейст-

вующая в ней э.д.с. (напряжение) сдвинута во времени по отношению к

другим цепям (фазам).

Обмотка статора КАД может быть двух- или трехфазной, сосредо-

точенной или распределенной. Распределенная обмотка 3 размещается

в пазах, расположенных равномерно вдоль окружности статора (рис.1).

По исполнению КАД является несимметричной электрической ма-

шиной. Ему свойственна электрическая несимметрия: главная и вспо-

могательная обмотки (фазы) имеют неодинаковые сопротивления, раз-

личное число витков, могут занимать разное число пазов, изготовлены

из провода различного диаметра. У явнополюсного КАД наряду с про-

странственной имеется магнитная асимметрия - различная магнитная

проводимость вдоль окружности воздушного зазора. Реже используют-

ся КАД с пространственной асимметрией - произвольным углом

сдвига обмоток. Встречаются однофазные двигатели, имеющие одно-

временно электрическую, магнитную и пространственную асимметрии

(например, асинхронные двигатели с экранированными полюсами).

Сердечники статора 1 и ротора 2 КАД выполняются шихтован-

ными, т.е. собираются в пакеты из штампованных листов электротех-

нической стали толщиной 0,35-0,5 мм (рис.2). Сердечники статора стя-

гиваются шпильками или скобами. Слой окиси, образующийся на по-

верхности листов электротехнической стали при их термической обра-

ботке, препятствует замыканию соседних листов магнитной системы.

Высокое значение удельного электрического сопротивления электро-

Рис. 1. КАД с распределенной обмоткой статора:

1 - вал; 2,3 - сердечник и обмотка статора; 4 - кз

кольцо; 5 - вентилятор; 6 - подшипниковый щит

Рис.2. Листы сердечников ста-

тора 1 и ротора 2 КАД с рас-

пределенной обмоткой