Курсовая работа: Конструирование конденсаторов переменной ёмкости с механическим управлением
2.2 Выбор направления проектирования на основе данного задания
В задании нужно рассчитать и сконструировать односекционный конденсатор переменной ёмкости для нормальных условий эксплуатации. Даны пределы изменения ёмкости. Тип конденсатора прямоёмкостный. Рабочее напряжение Uраб=500 В.
В первую очередь определимся с условиями эксплуатации прибора. Из задания видно, что конденсатор работает в нормальных условиях.
Нормальными условиями эксплуатации принято считать
условия, при котором температура окружающего воздуха составляет +15
+250С, влажность
45-70% и атмосферное давление 
Па
(650-800 мм рт. ст.), отсутствуют агрессивные газы, испарения соли и
механические воздействия, а также радиационные воздействия. Из всего этого
следует вывод, что строгих требований по защите от температуры, давления,
радиации, механических воздействий, по герметизации конденсатора, не сложно, а
значит, упрощается конструкция.
Конденсатор односекционный, следовательно, у него
имеется один ротор и один статор. Тип конденсатора прямоёмкостный. Такие
конденсаторы характеризуются функциональной линейной характеристикой при
повороте подвижной системы на угол 
: С
=а
+в.
При этом плотность настройки, получается, по диапазону не равномерно; при малых ёмкостях она велика, а при больших – мала. Такие конденсаторы применяют часто в качестве регулировочных, подстроечных и для настройки контуров при малом коэффициенте перекрытия диапазона. В этом случае шкала по частоте получается практически линейной. На рисунке 2.1 приведены графики изменения ёмкостей и частоты контура с прямоёмкостным конденсатором.
Прямоёмкосный конденсатор имеет простейшую форму пластин – полукруглую. При этом можно получить удовлетворительную линейную зависимость ёмкости от угла поворота (рисунок 2.2).
Напряжение, на котором работает конденсатор, даёт возможность варьировать зазор между пластинами, т. к. при данном напряжении вероятность пробоя воздуха (как диэлектрика) очень низка.
С, пФ
f, кГц
1300
500 1200
1100
400 1000
900
300 800
700
200 600
500
400
100 300
200
0 20 40 60 80 
0
20 40 60 80 
рис 2.1 рис 2.2
Все вышеприведённые факторы обличают процесс конструирования, и есть возможность заранее спрогнозировать основные элементы конструкции.
2.3 Обзор и анализ аналогичных конструкций
Кроме рассмотренных прямоёмкостных конденсаторов есть ещё множество других, отличающихся по своим характеристикам друг от друга приборов.
Само различие конденсаторов может заключаться в методе изменения ёмкости. Наиболее целесообразным в настоящий момент остаётся метод управления ёмкостью через геометрические параметры, определяющие взаимодействующую поверхность электродов конденсатора.
Управление ёмкостью через изменение проницаемости трудно и к тому же чревато изменением других важных параметров конденсатора. Остальные способы, так или иначе, связаны с напряженностью поля конденсатора, что влияет на электрическую прочность.
Сохранить постоянство расстояний между поверхностями электродов конденсатора, изменяя его ёмкость при помощи того или иного перемещения электродов, приводящего лишь к изменению взаимодействующей поверхности их, можно лишь при наличии таких, цилиндрических или сферических конденсаторов (при неполных сферах).
Конденсаторы с плоскими пластинами и вращательным перемещением одних пластин относительно других:
- прямоёмкостные (см. выше).
- прямоволновые – дают
линейное изменение длины волны контура. Ёмкость конденсатора при этом должна
изменяться не линейно: 
. Такие
конденсаторы имеют ограниченное применение: преимущественно в некоторых
измерительных приборах.
- прямочастотные конденсаторы дают линейную зависимость частоты контура от угла поворота ротора, что обеспечивает постоянную
-
плотность настройки по диапазону.
Функциональная характеристика ёмкости при этом имеет вид: 
, т. е. ёмкость должна
убывать при увеличении угла поворота. Более привычны прямочастотные
конденсаторы с так называемым “обратным вращением”, у которых при увеличении
угла поворота ёмкость возрастает, а частота контура убывает: 
. Прямочастотные
конденсаторы имеют широкое применение в РЭА.
-
логарифмические конденсаторы
характеризуется постоянным, в пределах диапазона, относительным изменением
мкости или частоты. В первом случае конденсаторы называют
мкостно-логарифмическими - 
, а во втором частотно-логарифмическими -
. По характеру изменения частоты логарифмические конденсаторы
приближаются к прямочастотным, но обеспечивают одинаковую точность отсчёта по
всему диапазону, поэтому широкое применение в различной РЭА.
Другие виды конденсаторов имеют ограниченное применение, поэтому мы их не рассматриваем.
В приведённых формулах а и b
постоянные, неодинаковые для разных типов конденсаторов. (Определяются по
начальным условиям, т. е. при 
).
Графики изменения ёмкости и частоты контура с различными конденсаторами
приведены на рисунке 2.3.
С, пФ f, кГц
1300
500 1200
1 1100
400 1000
2 3 900 4 3
300 800 2
700
200 600 1
500
4 400
100 300
200
0 20 40 60 80 
0 20 40 60 80 
рис 2.3
Требуемая функциональная характеристика может быть получена приданием специального очертания роторным пластинам или при помощи выреза на статоре, а также всевозможных изломов контурах пластин, ступенчатых радиусов, подключением дополнительной ёмкости и т. д. На рисунке 2.4 изображены очертания пластин различных конденсаторов. Из них следует, что роторные пластины прямочастотных КПЕ имеют чрезвычайно вытянутую форму. Это понижает механическую жёсткость ротора и увеличивает объём конденсатора. Для устранения этого форму пластин изменяют, получая её очертания при помощи 2-х и 3-х сопрягаемых поверхностей (окружностей различного радиуса); площадь такой упрощённой пластины выбирается равной площади пластины правильной формы (очертание показано пунктиром).
Удовлетворительную линейную зависимость частоты от угла поворота можно получить и при полукруглом роторе, сместив центр его вращения относительно центра пластины. В этих случаях линейность изменения частоты несколько нарушается, но общая погрешность не превышает 6-8%.
При малых коэффициентах перекрытия диапазона форма роторных пластин КПЕ всех типов приближается к полукруглой.
Более жесткой конструкцией обладают конденсаторы с полукруглым ротором и специальным статором. Статор при этом снабжается вырезом с переменным радиусом, форма которого определяет требуемый закон изменения мкости.
а) б) в) г) д)
рис.2.4.
Конденсаторы с плоскими пластинами и поступательным перемещением: вращательное перемещение заменяется на поступательное перемещение с предельной длинной L. КПЕ с плоскими пластинами и поступательным перемещением не находят широкого применения. Возможны две конструкции КПЕ с цилиндрическими пластинами: 1) с поступательным перемещением одного цилиндра относительно другого; 2) с вращательным перемещением одного цилиндра вокруг другого. Способы изменения ёмкости при поступательном перемещении изображены на рисунке 2.5.
а) б) в)
Рис 2.5
3. Расчет прямоёмкостного конденсатора переменной ёмкости
3.1 Теоретические данные к расчёту
Задачей расчета конденсатора переменной ёмкости является определение конфигурации роторных и статорных пластин, их количества и величины зазора. При этом считаются заданными минимальная и максимальная мкости контура, функциональная характеристика, а также требования к точности, стабильности и условиям работы конденсатора.
Рассмотрим расчет при первом способе получения необходимого закона ёмкости, то есть, определим, как должен изменяться радиус ротора для получения необходимой функциональной характеристики. Примем, что угловой диапазон перемещения ротора равен 1800.
На рисунке 3.1. изображены пластины конденсатора,
ротор которого введён на угол 
. Давая
углу 
малое приращение 
, получим соответствующее
приращение ёмкостной площади 
, равное площади заштрихованного сектора: 
. С другой стороны имеем: 
. Сравнивая эти два
выражения, получим:
(1)
, где n – общее число пластин (ротора и статора); d
зазор между пластинами ротора и статора; 
-
радиус выреза на статоре для пропуска оси.
Все линейные размеры в приведённых формулах выражены в сантиметрах, ёмкость – в пикофарадах, а углы – в градусах.
Полученное выражение (1) является исходным для расчёта
очертания ротора конденсаторов любых типов, так как требует определения лишь
значения отношения 
, что может быть выполнено как аналитически, так и графически.
R 
Рис. 3.1
Прямоёмкостный конденсат имеет линейную функциональную
зависимость (характеристику). Поэтому 
и
, то есть его ротор будет
иметь полукруглую форму.
Для расчёта можно принять, что: 
.
Дальнейший расчёт проводится по формуле (1). Форма
роторов конденсаторов других типов отличается от полукруглой, поэтому расчёт их
очертания производится для ряда значений угла 
,
взятых через 10-200.
3.2 Определение исходных данных и численный расчёт
Для расчёта КПЕ необходимо предварительно определение минимальной и максимальной ёмкостей контура, числа пластин n, зазора d и радиуса выреза на статорных пластинах r0.
Сmin=40
, Сmax=400
Общее число пластин выбирается на основании следующих соображений: при большом числе пластин длина конденсатора получается чрезмерной, при малом – возрастают размеры каждой пластины, что понижает их жёсткость. Рекомендуется число пластин выбирать так, чтобы длина конденсаторной секции примерно была равна среднему радиусу ротора.
Ориентировочно число пластин можно выбрать по таблице 3.1.
Таб. 3.1
|
Ck.max, пФ |
до 750 | 350-500 | 200-300 | 100-150 | 50-60 | 40-50 | 25-35 | 15-20 | до 15 |
| N | до 33 | 15-25 | 9-11 | 7-13 | 7-23 | 7-14 | 5-11 | 3-7 | 3-5 |
Для Сmax=400 пФ выбираем число пластин n=20.
Величина зазора d выбирается исходя из размеров конденсатора, требуемой точности, необходимой стабильности и электрической прочности, а также производственно-технологических соображений. Чем больше зазор, тем выше электрическая прочность, стабильность, надёжность и прочность функциональной характеристики и тем легче производство конденсатора. Объём конденсатора примерно пропорционален квадрату величины зазора, поэтому при его увеличении – размеры конденсатора существенно возрастают.
Точное определение зазора по электрической прочности встречает рая трудностей, так как электрическая прочность воздуха зависит от атмосферного давления и других климатических факторов, а также от частоты, расстояния между пластинами, состояния их поверхности и т.д.
Для приближённого расчёта можно исходить из того, что при нормальном давлении допустимая напряжённость поля между пластинами составляет 650-750В/мм (для переменного напряжения высокой частоты).
