Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)

Кафедра «Электрические машины и общая электротехника»

Расчётно-графическая работа

Двигателя постоянного тока в системах электропривода

по дисциплине «Основы электропривода технологических установок »

А.В. Мельников

Омск 2015



Реферат

Курсовой проект содержит 38 страниц, 4 источника, 4 листов графического материала. ток обмотка двигатель плотность

Двигатель постоянного тока, номинальная мощность, частота вращения, магнитопровод, якорь, нагрузка, обмотка.

Объектом проектирования является двигатель постоянного тока.

Цель работы - закрепление теоретических знаний, расчетов всех узлов двигателя постоянного тока и приобретение опыта конструирования.

Задача курсового проекта - построение чертежа двигателя постоянного тока. Для этого необходимо рассчитать параметры, представленные ниже.

1. Высота оси вращения h

2. Внешний диаметр корпуса машины Dвн

3. Диаметр якоря D

4. Расчетная длина якоря lд

5. Внешний диаметр коллектора Dк

6. Внутренний диаметр якоря D0

7. Внутренний диаметр станины dc

8. Длина стали якоря lст

9. Средняя длина лобовой части lл

10. Высота главного полюса hг

11. Ширина полюсного наконечника bp

12. Длина сердечника lг

13. Ширина сердечника добавочного полюса bд

14. д - воздушный зазор по рис. 4.3

15. Параметры щетки П.6.



Содержание

Введение

1. Задание на проектирование двигателя постоянного тока

2. Выбор главных размеров машины

3. Расчет обмотки и пазов якоря

4. Расчет магнитной цепи

5. Расчет обмотки возбуждения

6. Коллектор и щетки

7. Расчет добавочных полюсов

8. Потери и КПД

Библиографический список

Приложение: Эскизный сборочный чертеж ДПТ на формате А1



Введение

Электрические машины в общем объеме производства электротехнической промышленности занимают основное место, поэтому их технико-экономические показатели и эксплуатационные свойства имеют важно е значение для экономики нашей страны.

Проектирование электрических машин соединяет в себе знание процессов электромеханического преобразования энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров-электромехаников, создающих новую или улучшающих уже выпускаемую машину, а также умение применять вычислительную технику.

Двигатели постоянного тока допускают плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне, характеризуются высокими пусковыми и перегрузочными моментами. Это определило их распространение в приводах, требующих изменения частоты вращения или специальных скоростных характеристик: в станкостроении, электрическом транспорте и в других отраслях народного хозяйства.

1. Задание на проектирование двигателя постоянного типа

Разработка любого изделия всех отраслей промышленности определяется техническим заданием, в котором устанавливаются основное назначение, технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к проектируемому изделию.

В техническом задании на проектируемую машину постоянного тока указываются следующие данные: номинальная мощность машины, номиналь-ное напряжение сети, номинальная частота вращения, род возбуждения, испол-нение двигателя по степени защиты, способам монтажа и охлаждения, условия эксплуатации при воздействии климатических и механических факторов, номинальный режим работы и допускаемое превышение температуры, класс изоляции по нагревостойкости, массогабаритные характеристики [1].

За основу конструкции принять машину постоянного тока серии 2П с параллельным возбуждением без стабилизирующей обмотки (см. рис. П.1.). Исполнение двигателя по степени защиты - IP22; способ охлаждения - самовентиляция ICO1; режим работы - продолжительный; класс изоляции по нагревостойкости - В; исполнение по форме монтажа - с горизонтальным валом, лапами вниз.

В качестве исходных данных для выполнения данной курсовой работы, посвященной отдельным вопросам расчета двигателя постоянного тока (ДПТ), будут служить значения номинальной мощности P_н, номинального напряжения сети U_н, номинальной частоты вращения n_н, высота оси вращения до нижней опорной поверхности лап h (табл. 1.1 и 1.2).

Таблица 1.1Исходные данные проектируемого ДПТ

Параметры	Последняя цифра варианта
	4
Напряжение Uн, В	220
Высота оси вращения h, мм	160
Номер строки из табл. 1.2 для выбора мощности Pн	2

Таблица 1.2Исходные данные проектируемого ДПТ

Параметр	Предпоследняя цифра варианта
	3
Номинальная частота вращения nн, об/мин	1000
Номинальная мощность Pн, кВт	5,3

2. Выбор главных размеров машины

Машины постоянного тока имеют единую шкалу высоты оси вращения. При заданной высоте оси вращения h внешний диаметр корпуса машины не может превышать размера 2h, м:

(2.1)

Предварительное значение диаметра якоря, м,

, (2.2)

где µ = 1 - относительная радиальная высота магнитной системы.

Предварительное значение P, кВт:

з=0,82=82



(2.3)

Расчетная длина якоря, м,

, (2.4)

где б_д = 0,62;

A = А/м;

B_д =0,6 Тл.

Отношение длины магнитопровода якоря к его диаметру

(2.5)

Число главных полюсов машин постоянного тока общего назначения 2p=4

Полюсное деление, м,

(2.6)

Расчетная ширина полюсного наконечника, м,

(2.7)

Действительная ширина полюсного наконечника при эксцентричном зазоре равна расчетной ширине, м:

(2.8)

3. Расчет обмотки и пазов якоря

Тип обмотки и число параллельных ветвей определяются исходя из принятого числа главных полюсов 2р и тока параллельной ветви I_a.

Предварительное значение тока двигателя, А,

; (3.1)

Значения коэффициента k_в=0,05

ток якоря, А,

(3.2)

Ток параллельной ветви, А,



, (3.3)

где a - число параллельных ветвей,

а=1

Таблица 3.1Значения коэффициентов k_д и k_в

Мощность машины, кВт	kд	kв
1-10	0,82	0,05

Исходя из принятого числа главных полюсов 2р, предварительного значения тока якоря I_н и числа параллельных ветвей принимается тип обмотки.

При токе якоря до 600 А допускается выбор простой волновой обмотки, от 500 до 1400 А - простой петлевой обмотки.

=27.91 - простая волновая обмотка

Предварительное общее число эффективных проводников обмотки якоря

(3.4)

По соотношению Z?/2p (табл. 3.2) рассчитывается число пазов якоря

(3.5)

Таблица 3.2 Зависимость соотношению Z?/2p от диаметра якоря

D, м	0,155
Z?/2p	12

Число пазов якоря должно находиться в следующем диапазоне:

(3.6)

, (3.7)

где t_Z1max, t_Z1min - зубцовый шаг, крайние пределы которого определяются для различных высот вращения из соотношений табл. 3.3.

Таблица 3.3Зависимость зубцового шага от высоты оси

h, мм	160
tZ1, мм	10-20

Зубцовый шаг для выбранного Z

(3.8)

Число эффективных проводников в пазу

(3.9)

Принимаем целое четное число =16, тогда

Выбираем паз якоря полузакрытой овальной формы, зубцы с параллельными стенками

Таблица 3.4Результаты расчета числа коллекторных пластин К

Вариант выполнения обмотки
1	1	48	8	18.33
2	2	96	4	9.17
3	3	144	2.67	6.11

Выбираем 2 вариант.

Внешний диаметр коллектора, м:

при полузакрытых пазах -

D_к = (0,65 ч 0,85) D, (3.10)

По таблице предпочтительного ряда чисел принимаем диаметр коллектора

D_к =0,125 м.

Коллекторное деление, м,

(3.11)

После выбора варианта обмотки необходимо уточнить линейную нагрузку, А/м:

(3.12)

Корректируются длина якоря, м:

(3.13)

Окружная скорость коллектора, м/с,

(3.14)

Полный ток паза обмотки якоря, А:

(3.15)

Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря, А/м²,

(3.16)

где, AJ = А/м²

Предварительное сечение эффективного провода, м²,

, (3.17)

Для всыпных обмоток якоря с полузакрытыми пазами следует выбрать круглый провод марки ПЭТВ при классе нагревостойкости изоляции В [2, табл. П.3.1]. Диаметр изолированного провода d_из не должен превышать 1,8 мм. Эффективные проводники всыпных обмоток обычно состоят из нескольких элементарных проводников выбранного диаметра. Число элементарных проводников n_эл и сечение элементарного проводника q_эл должны соответствовать условию:

, (3.18)

где n_эл - число элементарных проводников, оно должно быть целым.

,

n_эл =3

Сечение и размеры овальных проводников обмотки якоря с полузакрытыми пазами определяются при расчете по размерам паза и зубца [2, табл. П.3.2].

При овальной форме паза зубцы выполняются с равновеликим по высоте сечением. Площадь поперечного сечения обмотки, уложенной в один полузакрытый паз, ,

, (3.20)

Высота паза h_п предварительно выбирается по рис. 3.2, ширина шлица b_ш

должна быть больше суммы максимального диаметра изолированного проводника и двухсторонней толщины пазовой изоляции (0,3 мм). Высота шлица h_ш = = 0,5 - 0,8 мм.

Ширина зубца, м,

,(3.21)

где B_Z - 1.85 Тл;

k_c = 0,95.

Частота перемагничивания, Гц:

, (3.22)

Больший радиус паза, м,

; (3.23)

;

меньший, м:

; (3.24)

расстояние между центрами радиусов, м,

; (3.25)

;

минимальное сечение зубцов якоря, м²,

. (3.26)

.

Предварительное значение ЭДС для двигателя, В,

, (3.27)

где k_д=0,82

;

Предварительное значение магнитного потока на полюс, Вб,

, (3.28)

Для магнитопровода якоря принимаем сталь марки 2312. Индукция в сечении зубцов, Тл,

, (3.29)

Средняя длина лобовой части, м:

при 2р ? 4 -

(3.30)

Средняя длина полувитка секций обмотки якоря, м,

, (3.31)

Полная длина обмотки якоря, м,

, (3.32)

Сопротивление обмотки якоря при температуре ? = 20 °С, Ом,

, (3.33)

= 0.219

Сопротивление обмотки якоря при ? = 75 °С, Ом,

, (3.34)

масса меди обмотки якоря, кг,

, (3.35)

Число элементарных пазов Z_э, число секций во всей обмотке якоря S, число пластин коллектора К и число пазов якоря Z связаны соотношением:

Z_э = S = К = Zu_п, (3.36)

Шаг простой петлевой обмотки по коллектору равен результирующему шагу:

у_к = у = , (3.37)

Первый частичный шаг

, (3.38)

Второй частичный шаг

y₂ = y - y₁, (3.39)

4. Расчет магнитной цепи

Предварительное значение внутреннего диаметра якоря, м:

, (4.1)

Высота спинки якоря, м:

, (4.2)



Для сердечника главных полюсов принимается сталь марки 3411 толщиной 0,5 мм, коэффициент заполнения сталью k_с = 0,95.

Коэффициент рассеяния у_г = 1,2

Длина сердечника l_г = l_д=0,16

Ширина выступа полюсного наконечника b_г.в. = 0,1b_p=0,0075

Ширина сердечника главного полюса, м:

, (4.3)

Индукция в сердечнике главного полюса, Тл:

, (4.4)

Сечение станины, м²:

, (4.5)

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

Расчетная длина станины для машин постоянного тока, м:

, (4.6)



Высота станины h_с определяется по формуле, м:

, (4.7)

Внутренний диаметр станины, м:

, (4.8)

Высота главного полюса, м:

, (4.9)

Сечение воздушного зазора, м²:

, (4.10)

Длина стали якоря, м:

, (4.11)

Сечение спинки якоря, м²:

, (4.12)

Сечение сердечника главного полюса, м²:

, (4.13)

Коэффициент воздушного зазора, учитывающий наличие пазов на якоре:

для пазов овальной формы -

; (4.14)

;

Расчетная длина воздушного зазора, м:

(4.15)

Длина магнитной линии в зубцах якоря, мм:

для пазов овальной формы -

; (4.16)

;

Длина магнитной линии в спинке якоря, м:

, (4.17)

Длина магнитной линии в сердечнике главного полюса, м:

, (4.18)

Воздушный зазор между главным полюсом и станиной, м:

, (4.19)

Длина магнитной линии в станине, м:

, (4.20)

Индукция в воздушном зазоре, Тл:

, (4.21)



Индукция в сечении зубцов якоря, Тл:

, (4.22)

Индукция в спинке якоря, Тл:

, (4.23)

Индукция в сердечнике главного полюса, Тл:

, (4.24)

Индукция в станине, Тл:

, (4.25)

Индукция в воздушном зазоре между главным полюсом и станиной, Тл:

, (4.26)

Магнитное напряжение воздушного зазора, А:

, (4.27)

Коэффициент вытеснения потока

, (4.28)

Магнитное напряжение зубцов якоря, А:

, (4.29)

где H_z=14600 А/м

Магнитное напряжение ярма якоря, А:

, (4.30)

где H_j = 118 А/м

Магнитное напряжение сердечника главного полюса, А:

, (4.31)

где H_г = 170 А/м

Магнитное напряжение воздушного зазора между главным полюсом и станиной, А:

, (4.32)

Магнитное напряжение станины, А:

(4.33)

где H_с = 1630 А/м

Суммарная МДС на полюс, А:

, (4.34)

МДС переходной характеристики, А:

, (4.35)

Аналогичным образом проводится расчет для участков магнитной цепи при значениях магнитного потока в воздушном зазоре от 0,5 Ф_дн до 1,15 Ф_дн. Результаты расчета сводятся в табл. 4.1.

По данным табл. 4.1 строятся характеристика намагничивания B_д =f(F_У) и переходная характеристика B_д =f(F_дzj) машины постоянного тока.

Таблица 4.1Расчет характеристик намагничивания машины

Расчетная величина	Расчетная формула	Единица измерения	0,5 Фд н	0,75 Фд н	0,9 Фд н	Фд н	1,1 Фд н	1,15 Фд н
1	2	3	4	5	6	7	8	9
ЭДС	E	В	90.2	135.3	162.36	180.4	198.44	207.46
Магнитный поток		Вб	0.0035	0.00525	0.0063	0.007	0.0077	0.00805
Магнитная индукция в воздушном зазоре		Тл	0.2915	0.4373	0.525	0.583	0.6413	0.67
МДС воздушного зазора		А	312	468	561.6	624	684.4	717.6
Магнитная индукция в зубцах якоря		Тл	0.45	1.02	1.46	1.805	2.184	2.387
Напряженность магнитного поля в зубцах якоря для стали 2312	HZ	А/м	6700	10050	12060	13400	14740	15410
Магнитное напряжение		А	147.4	221.1	265.32	294.8	324.28	339.02
Магнитная индукция в спинке якоря		Тл	0.372	0.559	0.67	0.745	0.819	0.856
Напряженность магнитного поля в спинке якоря для стали 2312	Hj	А/м	68	81	93	113	150	170
Магнитное напряжение спинки якоря		А	3.14	3.74	4.3	5.22	6.93	7.854
Магнитный поток главного полюса		Вб	0.0042	0.0063	0.00756	0.0084	0.00924	0.00966
Магнитная индукция в сердечнике главного полюса		Тл	0.46	0.69	0.83	0.921	1.013	1.059
Напряженность магнитного поля в сердечнике главного полюса	Hг	А/м	85	127.5	153	170	187	195.5
Магнитное напряжение сердечника главного полюса		А	5.25	7.88	9.46	10.506	11.557	12.082
Магнитная индукция в воздушном зазоре между главным полюсом и станиной		Тл	0.46	0.69	0.829	0.921	1.013	1.059
Магнитное напряжение воздушного зазора между станиной и главным полюсом		А	48.63	72.95	87.54	97.26	106.99	111.85
Магнитная индукция в станине		Тл	0.66	0.984	1.18	1.31	1.44	1.509
Напряженность магнитного поля в станине	Hс	А/м	535	898	1248	1630	2370	2990
Магнитное напряжение станины		А	65.805	110.454	153.504	200.49	291.51	367.77
Сумма значений магнитного напряжения всех участков магнитной цепи		А	582.231	884.123	1081.71	1232.28	1427.67	1556.18
Сумма значений магнитного напряжения участков переходного слоя		А	462.54	692.84	831.22	924.02	1017.61	1064.47

5. Расчет обмотки возбуждения

Среднее значение индукции определяется по уравнению, Тл:

, (5.1)

Необходимая МДС параллельной обмотки, А,

=74

, (5.2)

Средняя длина витка обмотки, м,

, (5.3)

где Д_из - толщина изоляции катушки, Д_из = 0,5 ч 0,8·10^-3 м

Размеры катушек:

b_кт Ч h_кт = 0,0250,038

Сечение меди параллельной обмотки, мм²,

, (5.4)

где a - число параллельных ветвей обмотки параллельного возбуждения, a = 1; k_з - коэффициент запаса, k_з = 1,1 - 1,2; - удельное сопротивление меди, Ом·м.

q_в=0.159

Число витков обмотки на один полюс

, (5.5)

Исходя из предыдущего, определяем номинальный ток возбуждения, А,

, (5.6)

Плотность тока в обмотке, А/м²,

, (5.7)

Полная длина обмотки, м,

, (5.8)



Сопротивление обмотки возбуждения при ? = 20 °С, Ом,

, (5.9)

Сопротивление обмотки возбуждения при ? =75 °С, Ом,

(5.10)

Масса меди обмотки возбуждения, кг,

(5.11)

6. Коллектор и щетки

Ширина нейтральной зоны, м,

, (6.1)

Принимается ширина щетки, м:

при простой волновой обмотке -



b_щ = , (6.2)

Принятое значение ширины щетки округляется до ближайшего стандартного размера b_щ = 16 мм.

Марка щетки определяется условиями работы. Для генераторов и двигателей со средними и затрудненными условиями коммутации принимается марка щетки ЭГ14 с плотностью тока J_щ =11 A/см² и скоростью по коллектору н_к = 40 м/с.

Поверхность соприкосновения щетки с коллектором, м²,

(6.3)

При допустимой плотности тока J_щ =11·10⁴ А/м² число щеток

, (6.4)

Округляем N_щ =1

Поверхность соприкосновения всех щеток с коллектором, м²,

, (6.5)

Плотность тока под щетками, А/м²,

, (6.6)

Активная длина коллектора при шахматном расположении щеток по длине коллектора, м,

, (6.7)

7. Расчет добавочных полюсов

МДС обмотки добавочного полюса, А,

, (7.1)

Число витков обмотки на один добавочный полюс

, (7.2)

где а_д - число параллельных ветвей обмотки добавочного полюса, а_д = 1.

Число витков округляется до ближайшего целого числа = 102

Предварительное сечение проводников, м²,

, (7.3)

где J_д - плотность тока при IP22, J_д = 4.5•10⁶ А/м².

Сердечник добавочного полюса, м:

l_д = l_a при D > 0,132 м;

l_д = l_a=0.306

Средняя длина витка обмотки добавочного полюса, м,

, (7.4)

где b_д = м;

Д_из = 2·10^-3 м.

Полная длина проводников обмотки, м,

, (7.5)

Сопротивление обмотки добавочных полюсов при ? = 20 °С, Ом,

, (7.6)

Сопротивление обмотки добавочных полюсов при ? = 75 °С, Ом,

, (7.7)

Масса меди обмотки добавочных полюсов

, (7.8)

8. Потери и КПД

Электрические потери в обмотке якоря при ? =75 °С, Вт,

, (8.1)

Электрические потери в обмотке добавочных полюсов, Вт,

, (8.2)

Электрические потери в параллельной обмотке возбуждения, Вт,

, (8.3)



Электрические потери в переходном контакте щеток, Вт,

, (8.4)

где 2ДU_щ = 2,5 В для щеток марки ЭГ-14.

Потери на трение щеток о коллектор, Вт,

, (8.5)

где p_щ - давление на щетку (для щетки марки ЭГ-14 p_щ = 3·10⁴ Па);

f - коэффициент трения щетки, f = 0,2;

Потери в подшипниках P_т.п и на вентиляцию P_вент =0,2 кВт= 200 Вт

Масса стали ярма якоря определяется по формуле, кг:

, (8.6)

Условная масса стали зубцов якоря, кг,

, (8.7)

,

Магнитные потери в стали зубцов и ярма якоря, Вт,

, (8.8)

где с_1,0/50 - удельные потери в стали, с_1,0/50 = 1,785Вт/кг;

в - коэффициент пропорциональности, в = 2.

Добавочные потери, Вт,

, (8.9)

Сумма потерь, Вт,

, (8.10)

Потребляемая мощность, Вт,

, (8.11)

Коэффициент полезного действия

, (8.12)



Заключение

В ходе выполнения расчета и проектирования, был произведен расчет основных параметров двигателя постоянного тока. Были получены навыки проектирования типовой схемы двигателя.

Двигатели постоянного тока допускают плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне, характеризуются высокими пусковыми и перегрузочными моментами. Это определило их распространение в приводах, требующих изменения частоты вращения или специальных скоростных характеристик: в станкостроении, электрическом транспорте и в других отраслях народного хозяйства.

Параметры из расчетов.

1. Высота оси вращения h=160

2. Внешний диаметр корпуса машины Dвн =0,31

3. Диаметр якоря D =0,155

4. Расчетная длина якоря lд =0,175

5. Внешний диаметр коллектора Dк =0.125

6. Внутренний диаметр якоря D0 =0,0471

7. Внутренний диаметр станины dc =0,281

8. Длина стали якоря lст =0,152

9. Средняя длина лобовой части lл =0, 1464

10. Высота главного полюса hг=0,0618

11. Ширина полюсного наконечника bp =0.075

12. Длина сердечника lг = lд.

13. Ширина сердечника добавочного полюса bд =0,06

14. д - воздушный зазор по рис. 4.3=0,0013

15. Параметры щетки П.6.

Библиографический список

1. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под общей ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1989. Т. 1. 456 с.

2. Копылов И. П. Проектирование электрических машин / И. П. Копылов, Б. К. Клоков, В. П. Морозкин. М.: Высшая школа, 2005. 767 с.

3. Вольдек А. И. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы / А. И. Вольдек, В. В. Попов. СПб.: Питер, 2008. 320 с.

4. Расчет двигателя постоянного тока. Методические указания к выполнению курсовой работы / П. Г. Петров, Е. А. Третьяков; Омский гос.ун-т путей сообщения. Омск, 2014. 43 с

Размещено на Allbest.ru

...