Название работы: Исследование электрических гиромоторов
Категория: Лабораторная работа
Предметная область: Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы
Описание: Совокупность ротора электропривода роторных опор называемых главными опорами гироскопа и элементов крепящих двигатель на раме гироскопа представляет собой гиромотор гиродвигатель. Кинетический момент равен произведению момента инерции ротора J на угловую скорость его вращения 2: H=J2. Для получения максимально возможного момента инерции ротора в заданных габаритах гиромоторы выполняются по обращенной схеме. В отличие от обычного двигателя статор гиромотора размещается внутри охватывающего его ротора.
Дата добавления: 2013-08-01
Размер файла: 327 KB
Работу скачали: 29 чел.
Лабораторная работа №3
Исследование электрических гиромоторов
Цель работы – ознакомление с особенностями работы электрических гиромоторов, с методами определения их основных параметров и исследование влияния на них изменения внешних условий.
Оборудование, измерительные приборы и инструменты. лабораторная установка, источник переменного тока, амперметр, генератор звуковой частоты, осциллограф, компрессор.
I. Краткие теоретические сведения
В большинстве классических гироскопических приборов ротор гироскопа приводится во вращение электродвигателем. Совокупность ротора, электропривода, роторных опор, называемых главными опорами гироскопа, и элементов, крепящих двигатель на раме гироскопа, представляет собой гиромотор (гиродвигатель).
Особенности конструкции, устройства и свойства гиромоторов определяются требованиями, которые предъявляются к гироскопам, основными из которых являются: большой кинетический момент, постоянство кинетического момента, малое время разгона до номинальной скорости, большой ресурс работы.
В настоящее время, за исключением редких специальных случаев, используются гиромоторы переменного тока – асинхронные и синхронные с трехфазной статорной обмоткой.
Кинетический момент равен произведению момента инерции ротора J на угловую скорость его вращения 2.
В свою очередь, осевой момент инерции вращающегося цилиндра равен
J = mr 2 /2. где m. r – масса и радиус цилиндра соответственно.
Для получения максимально возможного момента инерции ротора в заданных габаритах гиромоторы выполняются по обращенной схеме. В отличие от обычного двигателя статор гиромотора размещается внутри охватывающего его ротора. Такая компоновка позволяет значительно увеличить размеры вращающегося ротора и получить в заданных габаритах максимально возможный момент инерции и, соответственно, кинетический момент ротора.
Массу ротора гиромотора также стремятся сделать максимально возможной. Это достигается путем запрессовки на собственно ротор массивного обода из прочного материала с достаточно большой плотностью (стали или латуни).
Скорость вращения ротора 2 стремятся сделать также достаточно высокой. Для этого используют повышенные частоты питания (400 Гц и более), а также применяют статорные обмотки с малым числом пар полюсов (обычно одна пара). Увеличение скорости вращения ограничивается пределом механической прочности, допускаемым материалом ротора, а также сроком службы подшипников.
Основным режимом работы гиродвигателя является вращение ротора с максимальной скоростью, который для обычных электродвигателей является режимом холостого хода. При этом с вала гиродвигателя не снимается полезная мощность. Однако для гиродвигателей этот режим считается номинальным, так как нагрузка на двигатель близка к предельной именно при установившемся режиме работы. Это объясняется обстоятельствами, обусловленными обращенной конструкцией двигателя и стремлением отдать максимальный объем машины вращающимся частям, создающим кинетический момент. Поэтому вследствие больших габаритов и массы ротора тормозной момент сил трения о воздушную среду и в подшипниках значительно больше, чем в обычных электродвигателях; мощность двигателя вследствие меньшей площади, занимаемой обмоткой статора, и худших условий охлаждения, значительно ниже.
Важным режимом работы для гиродвигателя является пусковой. В процессе разгона момент, развиваемый гиродвигателем, идет на преодоление большого динамического момента М Д = d 2 / dt. а также моментов трения в подшипниках и о воздух или иную окружающую среду. Вследствие большого момента инерции ротора и относительно малого электромагнитного момента пуск электрического гиродвигателя без принятия специальных мер может быть продолжительным по времени, иногда до 20…30 минут.
При достижении ротором установившейся скорости вращения динамический момент становится равным нулю и момент, развиваемый гиродвигателем, уравновешивается моментами трения. По его значению можно определить полезную мощность гиродвигателя
Мощность, потребляемая гиромотором, целиком идет на покрытие потерь в нем, то есть выделяется в виде тепла в магнитной цепи, обмотках, подшипниках и т.д.
Для уменьшения времени разгона, что часто эквивалентно сокращению времени готовности всего прибора, в некоторых схемах на время пуска увеличивают амплитуду подводимого к двигателю напряжения, применяют специальные источники питания, позволяющие плавно повышать частоту и амплитуду питающего напряжения, применяют энергию сжатого газа, пороха, спиральной пружины. Все методы форсированного запуска гиромоторов в той или иной степени решают поставленную задачу, однако, требуют либо существенного усложнения конструкции двигателя, либо усложнения соответствующей аппаратуры.
При проектировании гиродвигателей стремятся всемерно уменьшить моменты трения. С этой целью подбираются специальные шарикоподшипники самого высокого класса точности; для уменьшения аэродинамического сопротивления среды роторы гиродвигателей делают обтекаемыми, полируя их поверхность и скашивая грани. С этой же целью иногда гиромоторы помещают в герметичные кожухи, внутри которых создается вакуум либо разреженная газовая среда.
В вакуумных гиромоторах остаточное давление внутри гирокамеры составляет 1…5 мм рт. ст. то есть газовая среда практически отсутствует. Это позволяет снизить мощность, потребляемую гиромотором, так как практически исключается момент аэродинамического сопротивления, а также уменьшить время разгона ротора. Однако вакуумирование имеет и отрицательные стороны:1) плохой теплоотвод от внутренних деталей и узлов гиромотора, так как отсутствует наиболее эффективный способ отвода тепла – конвекция, что влечет за собой неравномерный прогрев конструкции; 2) ухудшение условий работы подшипников, так как обычные смазки в условиях вакуума испаряются, а устойчивые к вакууму смазки обладают пониженными характеристиками.
Гирокамеры газонаполненных гиромоторов заполняются газовой смесью (обычно водородом с примесью гелия), имеющей оптимальные давление, газодинамические и тепловые характеристики. При этом мощность, потребляемая гиромотором, несколько повышается, но зато практически исключаются недостатки, характерные для вакуумных гиромоторов. Современные прецизионные гиромоторы выполняются газонаполненными.
Слабым звеном в традиционных конструкциях гиромоторов является шариковый подшипник. Его износ, неравномерное испарение и перетекание смазки, осевые смещения сепаратора вызывают смещение центра тяжести гиромотора и, следовательно, дрейф гироприбора; неидеальность изготовления и монтажа подшипника обусловливают вибрацию гиромотора; долговечность подшипника, как правило, определяет срок службы гиромотора и гироприбора в целом.
Однороторные гиромоторы в большинстве конструкций обладают существенным недостатком – раскрытием ротора при высоких скоростях вращения под действием центробежных сил, что приводит к смещению центра тяжести всей конструкции, то есть разбалансу гироприбора (см. рис. 1).
Рассмотрим пример, иллюстрирующий погрешность трехстепенного гироприбора от смещения центра тяжести. Пусть кинетический момент гиромотора Н= 4,9 Нмс, вес G = 19,6 Н, смещение центра тяжести l = 10 -6 м, объект, на котором установлен прибор, движется с ускорением а. Тогда скорость ухода град/час.
Таким образом, смещение центра тяжести гироскопа даже на 1 микрон приводит к существенным погрешностям прибора, особенно при ускоренном движении объекта.
Для устранения вредного влияния раскрытия ротора при его вращении применяются двухстаторные гиромоторы. Их особенностью и характерным признаком является наличие двух гиродвигателей, вращающих общий симметричный маховик. При вращении обе половинки ротора раскрываются, но смещения происходят в противоположных направлениях, поэтому положение центра тяжести всего гиромотора не изменяется (см. рис. 2). Недостатки таких гиромоторов связаны с наличием двух гиродвигателей. Двигатель, разделенный на две половины, требует для своего размещения большего объема, потребляет большую мощность, чем единый двигатель, развивающий такой же вращающий момент.
По роду тока гиромоторы можно разделить на моторы постоянного и переменного тока. Последние могут быть асинхронными либо синхронными.
Гиродвигатели постоянного тока в настоящее время практически не применяются из-за наличия у них быстроизнашивающегося и малонадежного щеточно – коллекторного узла.
Наиболее широко используются асинхронные гиромоторы. Они выполняются трехфазными обращенными (очень редко однофазными) и имеют короткозамкнутый ротор в виде "беличьей клетки". С целью получения "жесткой" механической характеристики в зоне рабочей скорости обмотка ротора имеет малое активное сопротивление.
К одному из недостатков асинхронных гиромоторов следует отнести сравнительно большое время разгона. Это объясняется трудностью получения одновременно жесткой механической характеристики в зоне рабочих скоростей и большого пускового момента.
Другим недостатком асинхронных гиромоторов является некоторая нестабильность скорости вращения при изменении условий эксплуатации – температуры и давления, амплитуды напряжения питания.
Для достижения требуемого постоянства скорости вращения иногда прибегают к стабилизации амплитуды и частоты питающего напряжения.
В ответственных приборах находят применение гиродвигатели со встроенным датчиком скорости для управления соответствующими параметрами источника питания. Это позволяет существенно повысить точность стабилизации скорости вращения ротора.
На рис. 3 изображена конструктивная схема одного из типов асинхронного гиромотора. Его особенностью является наличие невращающейся оси и составного ротора. В крупном гиромотор состоит из узла статора, узла ротора и шарикоподшипниковых узлов.
Пакет статора 7 набирается из штампованных тонких пластин электротехнической стали. Каждая пластина перед сборкой в пакет смазывается клеем. Пакет статора собирается на латунной втулке, конец которой развальцовывается. Пакет со втулкой напрессовывается на стальную ось 8.
В пазах сердечника статора укладывается трехфазная обмотка 6, соединенная звездой. Выводные концы обмотки проходят через отверстие в оси.
Пакет ротора 4 набран из тонких штампованных пластин электротехнической стали, склеенных клеем. В пазы сердечника заливается алюминиевый сплав, образуя "беличью клетку" 5.
На ротор напрессован цилиндрический латунный или стальной обод 3 с коническими поверхностями у торцов. Обод имеет полированную внешнюю поверхность и внутренние расточки под беличье колесо, фланец и крышку. Сумма масс перечисленных элементов составляет массу вращающихся частей, что обеспечивает большое значение момента инерции ротора гироскопа относительно главной оси вращения.
С одной стороны ротор прикрывается стальным фланцем, а с другой стороны – стальной крышкой. Цапфы фланца и крышки установлены в подшипники 1.
Большинство деталей гиромоторов изготавливается с допусками самых высоких классов точности и высокой чистотой поверхности. Ротор гиромотора подвергается тщательной динамической балансировке на специальном оборудовании. Балансировка производится высверливанием отверстий на конической поверхности обода 4.
В качестве синхронных гиромоторов используются, как правило, гистерезисные. Это объясняется их хорошими пусковыми свойствами и легкостью входа в синхронизм. При постоянной частоте питающего напряжения эти двигатели обладают абсолютно "жесткой" механической характеристикой, обеспечивая абсолютную стабильность средней скорости вращения при изменении в определенных пределах моментов сопротивления.
По устройству гистерезисные гиродвигатели аналогичны асинхронным. Разница состоит в отличии конструкции ротора. Вместо магнитопровода и "беличьей клетки" запрессованы кольца из викаллоя. Синхронные гистерезисные гиромоторы обычно проектируются для точных гироприборов и имеют симметричный маховик и два внутренних статора.
К основным недостаткам гистерезисных гиромоторов можно отнести меньший, чем у асинхронных, коэффициент полезного действия и колебания мгновенной скорости ротора при изменении внешних условий.
II. Описание лабораторной установки
Лабораторная установка содержит два гиромотора, помещенных в барокамеру. Один мотор асинхронный, другой - синхронный гистерезисный.
Паспортные данные исследуемых гиромоторов:
тип двигателя - асинхронный трехфазный;
напряжение питания – 36 В, 400 Гц;
пусковой ток – не более А;
рабочий ток – не более А;
число пар полюсов – 1;
кинетический момент – 0,4 Нмс;
скорость вращения ротора –
время разгона –
потребляемая мощность - Вт.
тип двигателя синхронный трехфазный;
напряжение питания – 36 В, 400 Гц;
пусковой ток – не более А;
рабочий ток – не более А;
число пар полюсов – 1;
кинетический момент – 0,4 Нмс;
скорость вращения ротора –
время разгона –
потребляемая мощность - Вт.
Барокамера имеет герметичную конструкцию и в ней можно имитировать подъем на высоту путем создания разряжения, выкачивая воздух с помощью компрессора. Соответствующая высота контролируется барометрическим высотомеров, установленным в барокамере. Питание на моторы подается через гермовводы, расположенные на боковой стенке барокамеры.
На амперметре, входящем в состав макета, имеется переключатель исследуемых моторов (ГМ1 или ГМ2) и переключатель диапазона измерений тока.
III. Порядок выполнения работы
- Ознакомиться с конструкциями гиромоторов и их узлов, имеющихся в лаборатории.
- Измерить время разгона асинхронного гиромотора при нормальном атмосферном давлении и давлении, соответствующем высоте 8000 м. Время разгона определяется при помощи секундомера и амперметра, включенного в одну из фаз статора. Установившееся значение тока свидетельствует об установившейся скорости вращения ротора. В процессе увеличения скорости вращения и соответствующего уменьшения тока необходимо пользоваться переключателем диапазона измерений амперметра. Зафиксировать пусковое и установившееся значения токов. Определить электромеханическую постоянную времени гиромотора и величину скольжения.
- Определить скорость вращения гиромотора в установившемся режиме при пониженном и нормальном атмосферном давлении. Скорость вращения необходимо производить с помощью генератора низкой частоты и осциллографа по методике, изложенной в Приложении 1.
- Снять кривую выбега гиромотора, то есть зависимость изменения скорости вращения от времени при выключенном питании. При этом необходимо стремиться получить максимальное количество точек ближе к максимальной скорости вращения.
- По полученным кривым определить моменты сил сопротивления вращению ротора для нормального и пониженного атмосферных давлений. Методика определения моментов сил сопротивления изложена в Приложении 3. а методика определения момента инерции ротора – в Приложении 2.
- Повторить исследования по пп. 2 – 5 для синхронного гиромотора.
IV. Содержание отчета
В отчете должны быть приведены таблицы, графики и расчетные величины для обоих гиромоторов, полученные при выполнении пп. 2 – 6 предыдущего раздела, а также выводы по работе.
V. Контрольные вопросы
- Поясните, почему в зоне рабочей скорости асинхронный гиромотор должен иметь "жесткую" механическую характеристику.
- Как достигается высокая "жесткость" механической характеристики асинхронного гиромотора в зоне рабочей скорости?
- Чем определяется время разгона гиромотора?
- Чем определяется стабильность скорости вращения гиромотора?
- Укажите способы уменьшения времени разгона гиромоторов.
Список рекомендуемой литературы.
1. Степанковский Ю.В. Преобразующие устройства приборов. Т. 1. Электродвигатели (силовые микромашины). – К. Корн ійчук. 2002. 207 с.
Рекомендуем ознакомится: http://5fan.ru