Разработка конструкции двигателя постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

Исходные данные

1. Выбор и расчёт главных размеров двигателя

2. Выбор обмотки якоря

4. Расчёт обмотки якоря

3. Расчёт геометрии зубцовой зоны

5. Определение размеров магнитной цепи

6. Расчётные сечения магнитной цепи

7. Средние длины магнитных линий

8. Индукция в расчётных сечениях магнитной цепи

9. Магнитное напряжение отдельных участков магнитной цепи

10. Расчёт параллельной обмотки возбуждения

11. Коллектор и щётки

12. Потери и КПД

Заключение

Список литературы

двигатель якорь зубцовый магнитный



Введение

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.

Исходные данные

Рассчитать и разработать конструкцию двигателя постоянного тока с параметрами:

номинальной мощностью Pн = 8,3 кВт;

номинальным напряжением Uн = 220 В;

номинальной частотой вращения nн = 1500 об/мин;

высота оси вращения h = 180 мм.



1. Выбор и расчёт главных размеров двигателя

зн - предварительное значение КПД двигателя назначаем в зависимости от его мощности по [рис1.1]. Принимаем среднее значение зн = 0,84.

Определяем предварительное значение номинального тока:

Ток якоря:

где значение коэффициента выбираем из табл.1.1., =0,042

Определяем электромагнитную мощность двигателя:

Диаметр якоря D можно принять равным высоте оси вращения:

Определяем наружный диаметр якоря DН, м:



- линейная нагрузка якоря по [рис1.3].

- магнитная индукция в воздушном зазоре по [рис1.4].

- расчетный коэффициент полюсного перекрытия по [рис1.5].

Определяем расчётную длину якоря:

Определяем отношение длины магнитопровода якоря к его диаметру:

полученное л удовлетворяет условию

Принимаем число полюсов двигателя 2р = 4.

Находим полюсное деление:

Определяем расчётную ширину полюсного наконечника:

,

.

Действительная ширина полюсного наконечника при эксцентричном зазоре под главными полюсами

.

2. Выбор обмотки якоря

Т.к. ток якоря меньше 600 А, выбираем простую волновую обмотку

(2а = 2). Ток параллельной ветви равен:

Определяем предварительное общее число эффективных проводников обмотки якоря:

Крайние пределы чисел пазов якоря:

,

где t1 - зубцовый шаг, граничные значения которого зависят от высоты оси вращения.

Принимаем t1max = 0,02 м; t1min = 0,01 м. Тогда:

Ориентировочное число пазов якоря:



где отношение определяется по табл.2.1

=9

Зубцовый шаг:

Число эффективных проводников в пазу:

В симметричной двухслойной обмотке это число должно быть четным. Принимаем Nп=18, тогда число проводников в обмотке якоря определяется как .

Т.к. диаметр якоря до 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.

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 -- наружный диаметр коллектора

-при полузакрытых пазах

Выбираем наружный диаметр коллектора из стандартного ряда =140 мм

Число коллекторных пластин:

,



где - число элементарных пазов в одном реальном ( =3).

Данные полученные ранее записываем в таблицу:

Выбираем =3, К=108, Wc=3, Ukcp=8,15 B, tk=4,1 мм

un	К = un·Z		,В	,мм
1	36	9	24,44	12,2
2	72	4,5	12,22	6,1
3	108	3	8,15	4,1

Уточнённое значение линейной нагрузки, А/м

Скорректированная длина якоря:

Наружный диаметр коллектора =140 мм

Окружная скорость коллектора:

Коллекторное деление tk = 4,1 мм

Полный ток паза:



.

Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря:

,

где - принимаем в зависимости от диаметра якоря по [рис 1.3].

.

Предварительное сечение эффективного провода:

,

Для обмоток якоря с полузакрытыми пазами из [табл.2.4] выбираем круглый провод марки ПЭТВ с сечением 2,27 мм2, диаметром неизолированного провода 1,7 мм и диаметром изолированного провода 1,785 мм.

Диаметр изолированного провода не должен превышать 1,8 мм.



3. Расчёт геометрии зубцовой зоны

Площадь поперечного сечения обмотки, уложенной в один полузакрытый паз:

где dИЗ = 1,785 мм - диаметр одного изолированного провода;

nЭЛ = 1 - число элементарных проводников в одном эффективном;

WС = 3 - число витков в секции;

un = 3 - число элементарных пазов в одном реальном;

КЗ = 0,7 - коэффициент заполнения паза изолированными проводниками.

Тогда:

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 = dИЗ+ 1 мм = 1,785+1=2,785.

Высоту шлица принимаем hШ = 0,6 мм.

Ширина зубца:

где f-частота перемагничивания

;

BZ = 1,85 Тл- допустимое значение магнитной индукции в зубцах для частоты перемагничивания двигателя со степенью защиты IP22 и способом охлаждения ICO1;

КС = 0,95 - коэффициент заполнения пакета якоря сталью.

Тогда:

м

Большой радиус паза:

Меньший радиус паза:

Расстояние между центрами радиусов:

Минимальное сечение зубцов якоря:



Предварительное значение ЭДС:

ЕН = КД•UН

где КД = 0,9 - выбирается в зависимости от мощности двигателя по табл.1.1. Тогда:

ЕН = 0,9•220 = 198 В

Предварительное значение магнитного потока на полюс:

Для простой волновой обмотки а=1

Индукция в сечении зубцов (сталь марки 2312):

Bz удовлетворяет условию Bz ?2.

4. Расчёт обмотки якоря

Длина лобовой части витка при 2р = 4:



Средняя длина полувитка обмотки якоря:

lа ср = (lп + lл), м

где lп ? lд = 0,103 - длина якоря приближённая для машин без радиальной вентиляции, м

Тогда:

lа ср = 0,103 + 0,1767= 0,28 м

Полная длина проводников обмотки якоря:

Lма = N?lа ср = 648?0,28= 181,46 м

Сопротивление обмотки якоря при температуре t = 20 ?С:

Сопротивление обмотки якоря при температуре t = 75 ?С:

Rda = 1,22Rа = 1,22?0,351 = 0,428 Ом

Масса меди обмотки якоря:

Мма = 8900?lа ср?N?qа = 8900?0,28?648?2,27?10-6 = 3,67 кг

Расчёт шагов обмотки. Шаг по коллектору для простой волновой обмотки:

Результирующий шаг Y = YК = 53

Первый частичный шаг:

где У - дробное число, с помощью которого Y1 округляется до целого числа.

Тогда:

Второй частичный шаг:

Y2 = Y - Y1 = 53 - 27 = 26

5. Определение размеров магнитной цепи

Предварительное значение внутреннего диаметра якоря и диаметра вала:



Высота спинки якоря:

Магнитная индукция в спинке якоря:

где - площадь поперечного сечения спинки якоря;

Kc = 0,95;

Тогда

Bj не удовлетворяет условию . В таком случае делаем перерасчет внутреннего диаметра якоря Do:

Принимаем сталь марки 3411 толщиной 0,5 мм, у которой известно

Кс = 0,95; уг = 1,2; bp = 0,0905 м

Длина сердечника

Ширина выступа полюсного наконечника равна:



Ширина сердечника главного полюса:

Индукция в сердечнике:

Сечение станины:

где ВС = 1,3 - индукция в станине, Тл.

Длина станины:

lC = lг + 0,4D = 0,103 + 0,4?0,18 = 0,175 м

Высота станины:

Внутренний диаметр станины:



dC = DH - 2hC = 0,35 - 2?0,016= 0,318 м

Высота главного полюса:

где д = 0.01м - предварительное значение воздушного зазора по [рис 5.2.]

6. Расчётные сечения магнитной цепи

Сечение воздушного зазора:

Sд = bс?lд = 0,0905?0,103 = 0,0094 м2

Длина стали якоря:

Минимальное сечение зубцов якоря из п.3.7:

S=0,0035 м

Сечение спинки якоря:

Sj = lс.•hj = 0,098•0,0223 = 0,0022 м2



Сечение сердечников главных полюсов:

Sr = Kc•lr•br = 0,95•0,103•0,0543 = 0,0053 м2

Сечение станины из п. 5.6.:

SC = 0,00282 м2

7. Средние длины магнитных линий

Воздушный зазор д = 0,01 м.

Коэффициент воздушного зазора, учитывающий наличие пазов овальной формы на якоре:

Расчётная длина воздушного зазора:

Зубцы якоря для пазов овальной формы:

Спинка якоря:



Сердечник главного полюса:

Lr = hr = 0,049 м

Воздушный зазор между главным полюсом и станиной:

LС.П. = 2lr·10-4+10-4 = 2·0,103·10-4+10-4 = 0,000121 м

Станина:

8. Индукция в расчётных сечениях магнитной цепи

Индукция в воздушном зазоре:

Индукция в сечении зубцов якоря:



Индукция в спинке якоря:

Индукция в сердечнике главного полюса:

Для стали 3411 допустимое значение 1,5 Тл.

Индукция в станине:

9. Магнитное напряжение отдельных участков магнитной цепи

Магнитное напряжение воздушного зазора:

Коэффициент вытеснения потока:



Магнитное напряжение зубцов якоря:

FZ = HZLZ = 8900·0,0241 = 214,5А

Магнитное напряжение спинки якоря:

Fj = HjLj = 1000·0,0534 = 53,4 А

Магнитное напряжение сердечника главного полюса:

Fr =2HrLr = 2•310·0,049 = 30,3 А

Магнитное напряжение воздушного зазора между главным полюсом и станиной:

FС.П = 0,8·Br·LС.П•106= 0,8·1,38·0,000121·106 = 133,9 А

Магнитное напряжение станины:

FС = HСLС = 1590·0,14 = 222,6 А

Суммарная МДС на пару полюсов:

FУ = Fд + FZ + Fj + Fr + FС.П + FC = 5357 + 214,5 + 53,4+ 30,3 +133,9+222,6 = 6011,7 А

МДС переходного слоя:

FдZj = Fд + FZ + Fj = 5357 + 214,5 + 53,4= 5624,9 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	Расчётная формула	Ед. вел.	0,5ФдН	0,75ФдН	0,9ФдН	ФдН	1,1ФдН	1,15ФдН
1	ЭДС	Е	В	99	148,5	178,2	198	217,8	227,7
2	Магнитный поток		Вб	0,00306	0,00458	0,00550	0,00611	0,00672	0,00703
3	Магнитная индукция в воздушном зазоре		Тл	0,327	0,490	0,588	0,654	0,719	0,752
4	МДС воздушного зазора		А	2678,4	4017,6	4821,2	5357	5892,5	6160,4
5	Магнитная индукция в зубцах якоря		Тл	0,86	1,29	1,55	1,72	1,89	1,98
6	Напряженность магнитного поля	НZ		170	520	2350	8900	18800	34400
7	Магнитное напряжение зубцов	FZ = HZLZ	А	4,1	12,5	56,6	214,5	453,1	829,0
8	Магнитная индукция в спинке якоря		Тл	0.7	1.05	1.26	1.4	1.54	1.61
9	Напряженность магнитного поля	Нj		96	270	460	1000	2200	3600
10	Магнитное напряжение в спинке якоря	Fj = Hj Lj	А	5,13	14,42	24,56	53,40	117,48	192,24
11	Магнитный поток главного полюса	Фr = угФд	Вб	0,0037	0,0055	0,0066	0,0073	0,0081	0,0084
12	Магнитная индукция в серд. глав. полюса		Тл	0,69	1,03	1,24	1,38	1,51	1,58
13	Напряжённость магнитного поля	Нr		99	192	255	310	402	492
14	Магнитное напряжение серд. глав. полюса	Fr = 2HrLr	А	9,7	18,8	25,0	30,3	39,4	48,2
15	Магнитная индук. в возд. зазоре между гл. пол. и стан.	ВС.П = Вr	Тл	0,69	1,03	1,24	1,38	1,51	1,58
16	Магнитное напряж. возд. зазора между гл. полюсом и стан.	FС.П = =0,8·106·Br·LС.П	А	67,0	100,5	120,5	133,9	147,3	154,0
17	Магнитная индукция в станине		Тл	0,65	0,97	1,17	1,30	1,43	1,49
18	Напряжённость магнитного поля	НС		535	885	1227	1590	2300	2800
19	Магнитное напряжение станины	FС = HСLС	А	74,9	123,9	171,78	222,6	322	392
20	Сумма магн. напряж. всех участков магнит. цепи	FУ = Fд + FZ + Fj + Fr + +FС.П + FC	А	2839,2	4287,8	5219,7	6011,7	6971,8	7775,9
21	Сумма магн. напряжений участков переходного слоя	FдZj = Fд + FZ + Fj	А	2687,7	4044,6	4902,4	5624,9	6463,1	7181,7

По данным таблицы строятся характеристика намагничивания

Bд=f (FУ)и переходная характеристика Bд=f (FдZi)

Рисунок 1. Характеристика намагничивания и переходная характеристика

Рисунок 2. Характеристика магнитного потока

10. Расчёт параллельной обмотки возбуждения

Размагничивающее действие реакции якоря:

0,5Аbp = 1115 А.

Тл

Тл

Тл

Тл

По переходной характеристики определяем: Fqd = 38,3 А.

Необходимая МДС параллельной обмотки:

FВ = FУ + Fqd = 6011,7 + 38,3 = 6050 А

Средняя длина витка катушки параллельной обмотки:

lср.в. = 2(lr + br) + р(bКТ.В + 2ДИЗ), м

где bКТ.В = 0,03 - ширина катушки, м;

ДИЗ = 0,5?10-3 - толщина изоляции, м.

Тогда:

lср.в. = 2? (0,103 + 0,0543) + 3,14? (0,03 + 2?0,5?10-3) = 0,4126 м

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 = 1,094 мм2, диаметром без изоляции d = 1,18 мм и диаметром с изоляцией dИЗ = 1,26 мм.

Номинальная плотность тока принимается:

JВ = 4,45?106 А/м2

Число витков на пару полюсов:

Номинальный ток возбуждения:

Полная длина обмотки:

LB = 2p?lСР.В?WB = 4?0,4126?1243 = 2051,4 м



Сопротивление обмотки возбуждения при температуре х=20?С:

Сопротивление обмотки возбуждения при температуре х=75?С:

RB75 = m?RB20 = 1,22 ? 32,9 = 40,13 Ом

Масса меди параллельной обмотки:

mм.в. = 8,9?lв.ср.?Wв?qв?103 = 8,9?0,4126?1243?1,094?10-6?103 = 4,993 кг

11. Коллектор и щётки

Ширина нейтральной зоны:

bН.З = ф- bР = 0,1414 - 0,0905 = 0,0509 м

Ширина щётки для простой волновой обмотки:

bЩ = 3tК = 3?0,0041 = 0,0123 м

Окончательно принимаем стандартную ширину щётки:

bЩ = 0,025 м. Длина щётки lЩ = 0,032 м.

Поверхность соприкосновения щётки с коллектором:

SЩ = bЩ?lЩ = 0,025?0,032 = 0,0008 м2

При допустимой плотности тока JЩ = 11?104 ,А/м2, число щёток на болт:

Окончательно принимаем NЩ = 1.

Поверхность соприкосновения всех щёток с коллектором:

УSЩ = 2р?NЩ?SЩ = 4?1?0,0008 = 0,0032 м2

Плотность тока под щётками:

Активная длина коллектора:

lК = NЩ ? (lЩ + 8?10-3) + 10?10-3 = 1? (0,032 + 8?10-3) + 10-2 = 0,05 м

12. Потери и КПД

Электрические потери в параллельной обмотке возбуждения:

РМ.В = I2ВН?RВ75 = 4,872?40,13= 950,77 Вт

Электрические потери в переходном контакте щёток на коллекторе:



РЭ.Щ = I?2ДUЩ, Вт

где 2ДUЩ = 2 - потери напряжения в переходных контактах, В.

Тогда:

РЭ.Щ = 43,027?2 = 86,054 Вт

Потери на трение щёток о коллектор:

РТ.Щ = УSЩ?РЩ?f?VК, Вт

где РЩ = 3?104 Па - давление на щётку;

f = 0,2 - коэффициент трения щётки.

Тогда:

РТ.Щ = 0,0032?3?104?0,2?10,996 = 211,12 Вт

Потери в подшипниках и на вентиляцию определим по рис.13.1.:

РТ.П + РВЕНТ. = 100 Вт.

Масса стали ярма якоря:

Условная масса стали зубцов якоря с овальными пазами:



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 = - частота перемагничивания, Гц;

в = 2.

Тогда удельные потери:

Общие магнитные потери в ярме якоря:

Pj = 5,763?7,9 = 45,53 Вт

Магнитные потери в зубцах якоря:

PZ = mZ?PZ, Вт

где - удельные потери, Вт/кг.

Тогда общие магнитные потери в зубцах якоря:

PZ = 3,596?11,91 = 42,83 Вт

Добавочные потери:

Сумма потерь:

УР = РМ.В + РЭ.Щ + РТ.Щ + (РТ.П + РВЕНТ.) + Pj + PZ + РДОБ ;

УР= 950,77 + 86,054 + 211,12 + 100 + 45,53 + 42,83 + 98,81 = 1535,114 Вт

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., Моисеева О. В. Электрические машины постоянного тока: Методические указания к курсовому проекту. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2014. - 40 с.: ил.

2. Сергеев П. С. и др. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, переработ. и доп. М., “Энергия”, 1969.

3. Копылов И. П. Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергия, 1980. - 496 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...