Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 27
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСТИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ Кафедра: «ЭтЭЭм» КУРСОВОЙ ПРОЕКТ на тему: «Двигатель постоянного тока» КП 14020365 637 Выполнил: Кузнецов К. И. Проверил: Пашнин В.М. Хабаровск 2007 Почти вся электрическая энергия вырабатывается электрическими машинами. Но электрические машины могут работать не только в генераторном режиме, но и в двигательном, преобразуя электрическую энергию в механическую. Обладая высокими энергетическими показателями и меньшими, по сравнению с другими преобразователями энергии, расходами материалов на единицу мощности, экологически чистые электромеханические преобразователи имеют в жизни человеческого общества огромное значение. При проектировании электрической машины приходится учитывать большое количество факторов, от которых зависят её эксплуатационные свойства, заводская себестоимость и надёжность в работе. При проектировании выбор материалов, размеров активных и конструктивных частей машины должен быть технически и экономически обоснован. При этом следует использовать предшествующий опыт и ориентироваться на данные современных машин. Однако необходимо критически относиться к этим данным, выявить недостатки машин и найти способы их устранения. Целью данной работы была разработка конструкции двигателя постоянного тока. За основу конструкции была принята машина постоянного тока серии 2П. Проектирование двигателя включает в себя выбор и расчёт размеров статора и ротора, обмоток, изоляции, конструктивных деталей, объединение их в конструктивные узлы и общую компоновку всех его частей. Материалы, размеры и формы конструктивных деталей должны быть так выбраны и отдельные детали так объединены, чтобы двигатель по возможности наилучшим образом соответствовал своему назначению и был наиболее экономичным в работе и изготовлении. 1 Выбор и расчёт главных размеров двигателя 1.1 1.2 Определяем предварительное значение номинального тока: 1.3 Ток якоря: где значение коэффициента 1.4 Определяем электромагнитную мощность двигателя: 1.5 Диаметр якоря D можно принять равным высоте оси вращения: Определяем наружный диаметр якоря DН
, м: 1.6 1.7 1.8
Определяем расчётную длину якоря: 1.9 Определяем отношение длины магнитопровода якоря к его диаметру: полученное λ удовлетворяет условию 1.10 Принимаем число полюсов двигателя 2р = 4. 1.11 Находим полюсное деление: 1.12 Определяем расчётную ширину полюсного наконечника: 1.13 Действительная ширина полюсного наконечника при эксцентричном зазоре под главными полюсами 2 Выбор обмотки якоря 2.1 Т.к. ток якоря меньше 600 А, выбираем простую волновую обмотку (2а = 2). Ток параллельной ветви равен: 2.2 Определяем предварительное общее число эффективных проводников обмотки якоря: 2.3 Крайние пределы чисел пазов якоря: где t1
– зубцовый шаг, граничные значения которого зависят от высоты оси вращения. Принимаем t1
max
= 0.02 м; t1
min
= 0.01 м. Тогда: Ориентировочное число пазов якоря: где отношение Зубцовый шаг: 2.4 Число эффективных проводников в пазу: В симметричной двухслойной обмотке это число должно быть четным. Принимаем Nп
=24, тогда число проводников в обмотке якоря определяется как 2.5 Т.к. диаметр якоря меньше 200 мм, пазы якоря выполняем полузакрытыми овальной формы, зубцы с параллельными стенками. Выбор такой конструкции обусловлен тем, что обмотка якоря таких машин выполняется всыпной из эмалированных медных проводников круглого сечения, образующих мягкие секции, которые легко можно уложить в пазы через сравнительно узкие шлицы. 2.6 Выбор числа коллекторных пластин. Минимальное число коллекторных пластин К ограничивается допустимым значением напряжения между соседними коллекторными пластинами. Для серийных машин без компенсационной обмотки Минимальное значение К: Принимаем коллекторное деление: Максимальное значение К: где Число коллекторных пластин: где Данные полученные ранее записываем в таблицу: Уточнённое значение линейной нагрузки, А/м где 2.7 Скорректированная длина якоря: 2.8 Наружный диаметр коллектора 2.9 Окружная скорость коллектора: 2.10 Коллекторное деление tk
= 3.27 мм 2.11 Полный ток паза: 2.12 Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря: где 2.13 Предварительное сечение эффективного провода: Для обмоток якоря с полузакрытыми пазами из [табл.2.4] выбираем круглый провод марки ПЭТВ с сечением 0.883 мм2
, диаметром неизолированного провода 1.06 мм и диаметром изолированного провода 1.14 мм. Число элементарных проводников 3 Расчёт геометрии зубцовой зоны 3.1 Площадь поперечного сечения обмотки, уложенной в один полузакрытый паз: где dИЗ
= 1.14 мм – диаметр одного изолированного провода; nЭЛ
= 1 – число элементарных проводников в одном эффективном; WС
= 4 – число витков в секции; un
= 3 – число элементарных пазов в одном реальном; КЗ
= 0.7 – коэффициент заполнения паза изолированными проводниками. Тогда: 3.2 Высоту паза предварительно выбираем по рис 3.1 в зависимости от диаметра якоря: hП
= 25 мм Ширина шлица bШ
должна быть больше суммы максимального диаметра изолированного проводника и двухсторонней толщины пазовой изоляции. Принимаем bШ
= 2 мм. Высоту шлица принимаем hШ
= 0.6 мм. 3.3 Ширина зубца: где BZ
= 2 Тл– допустимое значение магнитной индукции в зубцах для частоты перемагничивания 50Гц и двигателя со степенью защиты IP22 и способом охлаждения ICO1; КС
= 0,95 – коэффициент заполнения пакета якоря сталью. Тогда: 3.4 Большой радиус паза: 3.5 Меньший радиус паза: 3.6 Расстояние между центрами радиусов: 3.7 Минимальное сечение зубцов якоря: 3.8 Предварительное значение ЭДС: ЕН
= КД
∙UН
где КД
= 0.9 – выбирается в зависимости от мощности двигателя по табл.1.1. Тогда: ЕН
= 0.9∙440 = 396 В 3.9 Предварительное значение магнитного потока на полюс: 3.10 Индукция в сечении зубцов (сталь марки 2312): Bz
не удовлетворяет условию Bz
≤2. В таком случае пересчитываем 4 Расчёт обмотки якоря 4.1 Длина лобовой части витка при 2р = 4: 4.2 Средняя длина полувитка обмотки якоря: lа ср
= (lп
+ lл
), м где lп
≈ lδ
= 0.16 – длина якоря приближённая для машин без радиальной вентиляции, м Тогда: lа ср
= 0.16+ 0.158= 0.318 м 4.3 Полная длина проводников обмотки якоря: Lма
= N·lа ср
= 960·0.318= 305.28 м 4.4 Сопротивление обмотки якоря при температуре t = 20 ˚С: 4.5 Сопротивление обмотки якоря при температуре t = 75 ˚С: Rda
= 1.22Rа
= 1.22·1.6 = 1.952 Ом 4.6 Масса меди обмотки якоря: Мма
= 8900·lа ср
·N·q0
= 8900·0.318·960·0.83635·10-6
= 2.272 кг 4.7 Расчёт шагов обмотки. Шаг по коллектору для простой волновой обмотки: Результирующий шаг Y = YК
= 59 Первый частичный шаг: где Σ – дробное число, с помощью которого Y1
округляется до целого числа. Тогда: Второй частичный шаг: Y2
= Y – Y1
= 59 – 30 = 29 5 Определение размеров магнитной цепи 5.1 Предварительное значение внутреннего диаметра якоря и диаметра вала: 5.2 Высота спинки якоря: Магнитная индукция в спинке якоря: где Kc
= 0,95; Тогда Bj
не удовлетворяет условию 5.3 Принимаем сталь марки 3411 толщиной 0.5 мм, у которой известно Кс
= 0.95; σг
= 1.2; bp
= 0.07812 м Ширина выступа полюсного наконечника равна 5.4 Ширина сердечника главного полюса: 5.5 Индукция в сердечнике: 5.6 Сечение станины: где ВС
= 1,3 – индукция в станине, Тл. 5.7 Длина станины: lC
= lг
+ 0.4D = 0.285 + 0.4·0,16 = 0.221 м 5.8 Высота станины: 5.9 Наружный диаметр станины: 5.10 Внутренний диаметр станины: dC
= DH
– 2hC
= 0.31 – 2·0.0278= 0.254 м 5.11 Высота главного полюса: где δ = 0.015м – предварительное значение воздушного зазора по [рис 5.2.] 6 Расчётные сечения магнитной цепи 6.1 Сечение воздушного зазора: Sδ
= bρ
·lδ
= 0.0781·0.285 = 0.0222 м2
6.2 Длина стали якоря: 6.3 Минимальное сечение зубцов якоря из п.3.7: S 6.4 Сечение спинки якоря: Sj
= lс.
∙hj
= 0.27∙0.0175 = 0.0473 м2
6.5 Сечение сердечников главных полюсов: Sr
= Kc
∙lr
∙br
= 0.95∙0.285∙0.0469 = 0.0127 м2
6.6 Сечение станины из п. 5.6.: SC
= 0.00614 м2
7 Средние длины магнитных линий 7.1 Воздушный зазор δ = 0.015 м. 7.2 Коэффициент воздушного зазора, учитывающий наличие пазов овальной формы на якоре: 7.3 Расчётная длина воздушного зазора: 7.4 Зубцы якоря для пазов овальной формы: 7.5 Спинка якоря: 7.6 Сердечник главного полюса: Lr
= hr
= 0.017 м 7.7 Воздушный зазор между главным полюсом и станиной: LС.П.
= 2lr
·10-4
+10-4
= 2·0.285·10-4
+10-4
= 0.000157 м 7.8 Станина: 8 Индукция в расчётных сечениях магнитной цепи 8.1 Индукция в воздушном зазоре: 8.2 Индукция в сечении зубцов якоря: 8.3 Индукция в спинке якоря: 8.4 Индукция в сердечнике главного полюса: 8.5 Индукция в станине: 9 Магнитное напряжение отдельных участков магнитной цепи 9.1 Магнитное напряжение воздушного зазора: 9.2 Коэффициент вытеснения потока: 9.3 Магнитное напряжение зубцов якоря: FZ
= 2HZ
LZ
= 2∙38800·0.0242 = 1877.92 А 9.4 Магнитное напряжение спинки якоря: Fj
= Hj
Lj
= 1000·0.0451 = 45.1 А 9.5 Магнитное напряжение сердечника главного полюса: Fr
=2Hr
Lr
= 2∙460·0.017 = 15.64 А 9.6
Магнитное напряжение воздушного зазора между главным полюсом и станиной: FС.П
= 1.6·Br
·LС.П
∙106
= 1.6·1.26·0.000157·106
= 316.512 А 9.7 Магнитное напряжение станины: FС
= HС
LС
= 550·0.1247 = 68.585 А 9.8 Суммарная МДС на пару полюсов: FΣ
= Fδ
+ FZ
+ Fj
+ Fr
+ FС.П
+ FC
= 1456.77 + 1877.92 + 45.1+ 15.64 + +316.512+198.273 = 3780.527 А 9.9 МДС переходного слоя: FδZj
= Fδ
+ FZ
+ Fj
= 1456.77+1877.92+45.1 = 3379.79 A Аналогично производится расчёт для потоков равных 0,5; 0,75; 0,9; 1,1; 1,15 от номинального значения. Результаты расчёта сведены в таблицу 1. Таблица 1 – Расчёт характеристики намагничивания машины. № п/п Расчётная величина Ед. вел. Магнитный поток Напряженность магнитного поля Напряженность магнитного поля Магнитный поток главного полюса Напряжённость магнитного поля Магнитная индук. в возд. зазоре между гл. пол. и стан. Магнитное напряж. возд. зазора между гл. полюсом и стан. Напряжённость магнитного поля По данным таблицы строятся характеристика намагничивания Bδ
=f (FΣ
)и переходная характеристика Bδ
=f (FδZi
) Рисунок 1. Характеристика намагничивания и переходная характеристика 10 Расчёт параллельной обмотки возбуждения 10.1 Размагничивающее действие реакции якоря: Fqd
= 180 А. 10.2 Необходимая МДС параллельной обмотки: FВ
= FΣ
+ Fqd
= 3780.527 + 180 = 3960.527 А 10.3 Средняя длина витка катушки параллельной обмотки: lср.в.
= 2(lr
+ br
) + π(bКТ.В
+ 2ΔИЗ
), м где bКТ.В
= 0.03 – ширина катушки, м; ΔИЗ
= 0.75·10-3
– толщина изоляции, м. Тогда: lср.в.
= 2(0.285 + 0.0469) + 3.14(0.03 + 2·0.75·10-3
) = 0.67 м 10.4 Сечение меди параллельной обмотки: где КЗ.В
= 1.1 – коэффициент запаса; m = 1.22 – коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления меди при увеличении температуры до 75˚С. Тогда: Окончательно принимаем стандартный круглый медный провод марки ПЭТВ с сечением qВ
= 0.283 мм2
, диаметром без изоляции d = 0.6 мм и диаметром с изоляцией dИЗ
= 0.655 мм. 10.5 Номинальная плотность тока принимается: JВ
= 4.45·106
А/м2
10.6 Число витков на пару полюсов: 10.7 Номинальный ток возбуждения: 10.8 Полная длина обмотки: LB
= p·lСР.В
·WB
= 2·0.67·3145 = 4214.3 м 10.9 Сопротивление обмотки возбуждения при температуре υ=20˚С: 10.10 Сопротивление обмотки возбуждения при температуре υ=75˚С: RB
75
= m·RB
20
= 1.22·261.25 = 318.73 Ом 10.11 Масса меди параллельной обмотки: mм.в.
= 8.9·lв.ср.
·Wв
·qв
·103
= 8.9·0.67·3145·0.283·10-6
·103
= 5.307 кг 11 Коллектор и щётки 11.1 Ширина нейтральной зоны: bН.З
= τ– bР
= 0.126 – 0.0781 = 0.0479 м 11.2 Ширина щётки для простой волновой обмотки: bЩ
= 3.5tК
= 3.5·0.00327 = 0.0115 м Окончательно принимаем стандартную ширину щётки: bЩ
= 0.0125 м. Длина щётки lЩ
= 0.025 м. 11.3 Поверхность соприкосновения щётки с коллектором: SЩ
= bЩ
·lЩ
= 0.0125·0.025 = 0.0003125 м2
11.4 При допустимой плотности тока JЩ
= 11·104
,А/м2
, число щёток на болт: Окончательно принимаем NЩ
= 1. 11.5 Поверхность соприкосновения всех щёток с коллектором: ΣSЩ
= 2р·NЩ
·SЩ
= 4·1·0.0003125 = 0.00125 м2
11.6 Плотность тока под щётками: 11.7 Активная длина коллектора: lК
= NЩ
(lЩ
+ 8·10-3
) + 10·10-3
= 1(0.025 + 8·10-3
) + 10-2
= 0.043 м 12 Потери и КПД 12.1 Электрические потери в обмотке якоря: Рmа
= I2
Rda
= 16.7272
·1.952 = 546.16 Вт 12.2 Электрические потери в параллельной обмотке возбуждения: РМ.В
= I2
ВН
·RВ75
= 1.2592
·318.73= 505.21 Вт 12.3 Электрические потери в переходном контакте щёток на коллекторе: РЭ.Щ
= I·2ΔUЩ
, Вт где 2ΔUЩ
= 2 – потери напряжения в переходных контактах, В. Тогда: РЭ.Щ
= 16.727·2 = 33.454 Вт 12.4 Потери на трение щёток о коллектор: РТ.Щ
= ΣSЩ
·РЩ
·f·VК
, Вт где РЩ
= 3·104
Па – давление на щётку; f = 0.2 – коэффициент трения щётки. Тогда: РТ.Щ
= 0.00125·3·104
·0.2·14.392 = 107.94 Вт 12.5 Потери в подшипниках и на вентиляцию определим по рис.13.1.: РТ.П
+ РВЕНТ.
= 105 Вт. 12.6 Масса стали ярма якоря: 12.7 Условная масса стали зубцов якоря с овальными пазами: 12.8 Магнитные потери в ярме якоря: Pj
= mj
·Pj
, Вт где Pj
– удельные потери в ярме якоря, Вт/кг: где Р1.0/50
= 1.75 – удельные потери в стали для В = 1.0 Тл и f=50 Гц, Вт/кг; f = β = 2. Тогда удельные потери: Общие магнитные потери в ярме якоря: Pj
= 83.553·16.97 = 1417.89 Вт 12.9 Магнитные потери в зубцах якоря: PZ
= mZ
·PZ
, Вт где Тогда общие магнитные потери в зубцах якоря: PZ
= 7.14·34.63 = 247.26 Вт 12.10 Добавочные потери: 12.11 Сумма потерь: ΣР = Рmа
+ РМ.В
+ РЭ.Щ
+ РТ.Щ
+ (РТ.П
+ РВЕНТ.
) + Pj
+ PZ
+ РДОБ
= = 546.16 + 505.21 + 33.454 + 107.94 + 105 + 1417.89 + 247.26 + 96.37 = 3059.284 Вт 12.12 КПД двигателя: Рисунок 2.Электрическая машина постоянного тока. 1 – пробка винтовая; 2 – крышка; 3 – лабиринт: 4 – масленка; 5 – подшипник; 6 – лабиринт; 7 – траверса; 8 – щит подшипниковый; 9 – коллектор; 10 – станина; 11 – якорь; 12 – винт грузовой; 13 – вентилятор; 14 – щит подшипниковый; 15 – лабиринт; 16 – подшипник; 17 – лабиринт; 18 – вал; 19 – полюс добавочный; 20 – полюс главный; 21 – конденсатор; 22 – коробка выводов; 23 – болт для заземления. Заключение Проектирование электрической машины представляет собой сложную задачу. Для её разрешения требуются глубокие теоретические знания, многие опытные данные и достаточно подробные сведения о назначении машины и условия, в которых она будет работать. В результате расчёта был спроектирован двигатель на заданную мощность. Был произведен выбор и расчет размеров статора и ротора, обмоток, изоляции, конструктивных деталей. Список литературы 1. Пашнин В. М. Электрические машины: Методические указания к курсовому проекту. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. – 40 с.: ил. 2. Сергеев П. С. и др. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, переработ. и доп. М., “Энергия”, 1969.
|