Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Министерство науки и высшего образования российской федерации

Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М.Д. Миллионщикова

Кафедра: Электротехника и электропривод

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине: Электрические машины

На тему:

Проектирование электрических машин малой мощности

Выполнил Каимов А.М.

Студент Группы АНП-18

Руководитель Магомадов Р.А-М.

Грозный 2020



Задание

На курсовой проект студента 3 курса Каимова Адама Махмаевича

Института энергетики группы АНП - 18

I. Тема КП: Проектирование электрических машин малой мощности

II. Исходные данные по КП: Проектирование электрических машин малой мощности

III.1. Справочник по электрическим машинам. Том 1 / Под общей редакцией И.П. Копылова и Б.К. Клокова. - М.: Энергоатомиздат. 2014. 456

2. Справочник по электрическим машинам. Том 2 / Под общей редакцией И. П. Копылова и Б.К. Клокова. - М.: Энергоатомиздат. 2016. 688 с.

3. Алексеев Ю.В., Рабинович А.А. Краново-металлургические и экскаваторные двигатели постоянного тока: Справочник - М.: Энергоатомиздат. 2015. 168 с.

4. Тембель П.В., Геращенко А.А. Справочник по обмоточным данным электрических машин и аппаратов. - К.: Техника. 2014. 475 с.

5. Пашнин В.М. Электрические машины: Методические указания к курсовому проекту. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2014. - 40 с.: ил.



Содержание

Введение

Глава 1. Задание на проектирование двигателя постоянного тока

1.1 Задание на проектирование двигателя постоянного тока

1.2 Выбор главных размеров машины

1.3 Расчет обмотки и пазов якоря

Глава 2. Расчет магнитной цепи и предварительное значение внутреннего диаметра якоря, м

2.1 Расчет магнитной цепи

2.2 Предварительное значение внутреннего диаметра якоря, м

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Двигатели постоянного тока обладают большой глубиной регулирования частоты вращения и сохраняют во всём диапазоне регулирования высокий коэффициент полезного действия. Несмотря на то, что при традиционной конструкции они в 2-3 раза дороже асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором их применяют во всех тех случаях, когда их свойства имеют решающее значение.

Двигатели постоянного тока находят применение в металлообрабатывающих станках, с их помощью приводятся в действие прокатные станы. Крановые двигатели находят применение в приводах различных подъёмных механизмов.

Двигатели постоянного тока широко используются в электрической тяге, например, на магистральных электровозах, в качестве рабочих двигателей на тепловозах, на пригородных электропоездах, в метрополитенах, на трамваях, троллейбусах и т.д. Двигатели постоянного тока используют для привода во вращение гребных винтов на морских судах. Они используются в автомобилях, тракторах, самолётах и других летательных аппаратах, где имеется питание на постоянном токе.

Серия 2П машин постоянного тока спроектирована к 1974 году в полном соответствии с рекомендациями. Серия охватывает высоты оси вращения от 90 мм до 315 мм и диапазон мощностей от 0,37 кВт до 200 кВт. Машины этой серии предназначены для работы в широко регулируемых приводах.

В машинах серии 2П, по сравнению с машинами других серий, повышена перегрузочная способность, расширен диапазон регулирования частоты вращения, повышена мощность на единицу массы, улучшены динамические свойства, уменьшены шум и вибрации, увеличена надёжность и ресурс работы.

Электрическая машина является существенным элементом энергетических систем и установок, а также многочисленных электротехнических схем, поведение которых в значительной мере зависит от рабочих свойств электрической машины. Поэтому для специалистов, работающих в самых разнообразных отраслях электроэнергетики, является необходимым изучение основ теории электрических машин.

Объектом проектирования является двигатель постоянного тока.

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

В соответствии с обозначенной целью исследования были поставлены и рассмотрены следующие задачи:

1. Задание на проектирование двигателя постоянного тока

2. Расчет магнитной цепи Предварительное значение внутреннего диаметра якоря, м.

Структура работы состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованных источников и литературы.



Глава 1. Аналитическая часть

1.1 Задание на проектирование двигателя постоянного тока

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.

За основу конструкции принять машину постоянного тока серии 2П с параллельным возбуждением без стабилизирующей обмотки.

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: P_н - 30 кВт; U_н - 220 Вт; n_н - 3000 об/мин; h - 225 мм.

1.2 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:

, (1.1)

Предварительное значение диаметра якоря, м,

, (1.2)

где µ = 1 - относительная радиальная высота магнитной системы.

Истинное значение электромагнитной мощности можно определить только после полного расчета электрической машины - на этапе расчета ее характеристик, поэтому ее предварительное значение P?определяется по номинальной мощности P_ни принятому значению КПД з [4, рис. 2.1], кВт:

, (1.3)

Расчетная длина якоря, м,

, (1.4)

где б_д - коэффициент полюсного перекрытия;

A - линейная нагрузка, А/м;

B_д - индукция в воздушном зазоре, Тл.

Увеличение электромагнитных нагрузок A и B_д приводит к улучшению использования объема якоря. Однако с ростом линейной нагрузки A увеличивается нагрев якоря и машины, ухудшается коммутация, с повышением B_д насыщаются отдельные участки магнитной цепи.

При выборе линейных нагрузок необходимо учитывать, что для хорошо охлаждаемых машин можно выбрать более высокие значения линейных нагрузок; для тихоходных машин, работающих с перегрузками и частыми реверсами, необходимо принимать меньшие значения линейных нагрузок.

Отношение длины магнитопровода якоря к его диаметру

. (1.5)

Для машин общепромышленного применения рекомендованные значения л находятся в пределах 0,4 ? л ? 1,25. Если значение л окажется за пределами указанного диапазона, необходимо выбрать другие значения б_д, A и B_д.

Число главных полюсов машин постоянного тока общего назначения в зависимости от диаметра принимается из. 2p = 2

Полюсное деление, м,

. (1.6)

Расчетная ширина полюсного наконечника, м,

(1.7)

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

(1.8)

1.3 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,

; (1.9)

ток якоря, А,

. (1.10)

Значения коэффициента k_в, определяющего отношение тока возбуждения к току якоря, k_в = 0,02.

Ток параллельной ветви, А,

, (1.11)

где a - число параллельных ветвей, определяется исходя из допустимого тока параллельной ветви I_a?250 ч300 А.

Предварительное общее число эффективных проводников обмотки якоря

. (1.12)

По соотношению Z?/2p, рассчитывается число пазов якоря, Z?/2p = 12.

. (1.13)

Число пазов якоря должно находиться в следующем диапазоне:

; (1.14)

, (1.15)

где t_Z1max, t_Z1min- зубцовый шаг, крайние пределы которого определяются для различных высот вращения из соотношений, t_Z1max = 35, t_Z1min = 15.

Зубцовый шаг для выбранного Z



. (1.16)

Число эффективных проводников в пазу

. (1.17)

При симметричной двухслойной обмотке это число проводников должно быть четным, поэтому полученное значение N_п округляется до ближайшего меньшего четного числа и окончательное значение Nопределяется по соотношению (1.17).

При диаметре якоря свыше 0,2 м применяют открытые пазы, обмотка якоря выполнена из прямоугольного обмоточного провода в виде формованных жестких секций.

Для расчета числа коллекторных пластин К целесообразно рассмотреть несколько вариантов выполнения обмотки с различным числом секционных сторон в пазу u_п.

Число коллекторных пластин К выбирается из при условии, что число витков в секции W_с должно быть минимальным целым числом, напряжение между коллекторными пластинами U_кср не должно превышать 16 В для серийных машин без компенсационной обмотки и 30 В для машин малой мощности (до 1 кВт).



Таблица 1.1

Результаты расчета числа коллекторных пластин К

Вариант выполнения обмотки
1	1	24	3	18,3
2	2	48	1,5	9,16
3	3	72	1	6,1

Внешний диаметр коллектора, м:

при открытых пазах -

D_к = (0,65ч 0,7) D; (1.18)

По полученному значению принимается ближайшееD_к из стандартного ряда: 56, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 125, 140, 160, 180, 200, 224, 250, 280, 315,355, 400, 450, 500, 560 мм.

Коллекторное деление, м,

. (1.19)

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

. (1.20)



Корректируются длина якоря, м:

; (1.21)

окружная скорость коллектора, м/с,

; (1.22)

полный ток паза обмотки якоря, А:

. (1.23)

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

, (1.24)

Произведение AJвыбирается из, AJ = .

Предварительное сечение эффективного провода, м²,



. (1.25)

Ширина зубца, м,

, (1.26)

где B_Z- допустимое значение индукции в зубцах B_Z = 1,85 Тл; k_c- коэффициент заполнения пакета якоря сталью, k_c = 0,95.

Частота перемагничивания определяется по выражению, Гц:

. (1.27)

После выбора размеров паза и зубца определяется максимальная ширина проводника с изоляцией, м:

. (1.28)

При скосах пазов на одно или половину зубцового деления расчетную ширину паза (3.20) необходимо уменьшить на 0,1 мм.

Предельно допустимая высота проводника с изоляцией, м,

, (1.29)

где h_к - высота клина, h_к = 4 мм.

По рассчитанному значению q'выбирается стандартный проводник размером a_пр Ч b_пр марки ПЭТВП при классе изоляции B при условии (1.30) с учетом ограничений (1.28), (1.29), n_эл ? 4.

. (1.30)

После проверки размещения всех проводников обмотки якоря в пазу с учетом клина, пазовой витковой изоляции уточняются размеры паза, которые округляются до ближайшей десятой доли миллиметра.

Минимальное сечение зубцов при прямоугольных пазах, м²,

. (1.31)

Составляется эскиз пазов прямоугольной формы.

Предварительное значение ЭДС для двигателя В,

, (1.32)

Значения коэффициента k_д приведены в,k_д = 0,85.

Предварительное значение магнитного потока на полюс, Вб,

, (1.33)

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

(1.34)

Средняя длина лобовой части, м: при 2р = 2 -

(1.35)

Средняя длина полувитка секций обмотки якоря, м,

, (1.36)

где l_л - длина лобовой части, м; l_п- длина якоря, м.

Полная длина обмотки якоря, м,



, (1.37)

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

(1.38)

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

; (1.39)

масса меди обмотки якоря, кг,

(1.40)

Обмотки якоря подразделяются на волновые и петлевые. В зависимости от схем соединения каждая из них подразделяется на простые и сложные. Тип обмотки якоря выбирается согласно рекомендациям, приведенным в источнике. Соотношения размеров и схемы обмоток характеризуются двумя частичными и результирующими шагами, шагом по коллектору и шагом по пазам якоря. Частичные шаги (y₁ и y₂) и результирующий шаг у измеряются в элементарных пазах.

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. (1.41)

Схемы обмоток якорей машин постоянного тока изображают на чертежах в виде развернутых схем. Их изображение имеет ряд особенностей, связанных с тем, что каждая катушка обмотки якоря состоит из нескольких секций и имеет столько пар выводных концов, сколько секций содержится в ней. Выводные концы секций соединены с пластинами коллектора. Поэтому на схеме обмотки якоря нужно показывать пазовые части катушки одной линией, а лобовые части каждой секции - отрезками, соединенными с концами пазовой части и с пластинами коллектора. В простых петлевых обмотках якоря результирующий шаг равен шагу по коллектору:

у = у_к = у₁ - у₂ = ± 1. (1.42)

Большее распространение получили обмотки с у = 1, так как при у = - 1 лобовые части секций несколько удлиняются и в них возникает дополнительное перекрещивание выводных концов.

Первый частичный шаг петлевой обмотки выбирают близким к полюсному делению:

у₁ = Z_э/ 2p ± б, (1.43)

конструкция постоянный ток магнитный якорь

где б - наименьшее число (или дробь), при котором у₁ выражен целым числом, кратным числу u_п.

По полученным данным необходимо построить схему обмотки.

Глава 2. Расчет магнитной цепи и предварительное значение внутреннего диаметра якоря, м

2.1 Расчет магнитной цепи

. (2.1)

Высота спинки якоря, м:

(2.2)

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

Коэффициент рассеяния у_г = 1,15 при 2p = 2, у_г = 1,2 при 2p = 4, у_г = 1,25 при 2p = 6. Длина сердечника l_г = l_д. Ширина выступа полюсного наконечника b_г.в. = 0,1b_p.

Ширина сердечника главного полюса, м:

, (2.3)

Индукция в сердечнике главного полюса, Тл:



. (2.4)

Для стали марки 3411 допустимым значением индукции

В_г = 1,6 - 1,7 Тл.

Сечение станины, м²:

, (2.5)

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

Расчетная длина станины для машин постоянного тока, м:

, (2.6)

где l_г - длина главного полюса.

Высота станины h_с определяется по формуле, м:

.(4.7)



2.2 Предварительное значение внутреннего диаметра якоря, м

Внутренний диаметр станины, м:

. (2.8)

Высота главного полюса, м:

, (2.9)

где д - воздушный зазор, д = .

Сечение воздушного зазора, м²:

. (2.10)

Длина стали якоря, м:

. (211)

Сечение спинки якоря, м²:

. (2.12)

Сечение сердечника главного полюса, м²:

. (2.13)

Коэффициент воздушного зазора, учитывающий наличие пазов на якоре:

для пазов прямоугольной формы -

. (2.14)

Расчетная длина воздушного зазора, м:

(2.15)

Длина магнитной линии в зубцах якоря, м:

для пазов прямоугольной формы -

(2.16)

Длина магнитной линии в спинке якоря, м:



(2.17)

Длина магнитной линии в сердечнике главного полюса, м:

. (2.18)

Воздушный зазор между главным полюсом и станиной, м:

. (4219)

Длина магнитной линии в станине, м:

. (2.20)

Индукция в воздушном зазоре, Тл:

. 24.21)



Индукция в сечении зубцов якоря, Тл:

. (2.22)

Индукция в спинке якоря, Тл:

. (2.23)

Индукция в сердечнике главного полюса, Тл:

. (2.24)

Индукция в станине, Тл:

. (2.25)

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

. (2.26)

Магнитное напряжение воздушного зазора, А:

. (2.27)

Коэффициент вытеснения потока

. (2.28)

Магнитное напряжение зубцов якоря, А:

, (2.29)

где H_z определяется по B_z для стали марки 2312[2, табл. П.1.8].

Магнитное напряжение ярма якоря, А:

, (2.30)

где H _jопределяется по B_j для стали 2312[2, табл. П.1.8].

Магнитное напряжение сердечника главного полюса, А:

, (2.31)

где H_г определяется по B_г для стали 3411.

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

. (2.32)

Магнитное напряжение станины, А:

(2.33)

где H_с определяется по B_с для массивной стали Ст3[2, табл. П.1.15].

Суммарная МДС на полюс, А:

. (2.34)

МДС переходной характеристики, А:

. (2.35)

Аналогичным образом проводится расчет для участков магнитной цепи при значениях магнитного потока в воздушном зазоре от 0,5Ф_дн до 1,15 Ф_дн. Результаты расчета сводятся в табл. 2.1.

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 2.1

Расчет характеристик намагничивания машины

Расчетная величина	Расчетная формула	Ед. изм.	0,5Фдн	0,75Фдн	0,9Фдн	Фдн	1,1Фдн	1,15Фдн
1	2	3	4	5	6	7	8	9
ЭДС	E	В	93,5	140,25	168,3	187	205,7	215,05
Магнитный поток		Вб	0,0058	0,0088	0,0105	0,0117	0,0129	0,0135
Магнитная индукция в воздушном зазоре		Тл	0,130293	0,19544	0,2345	0,2605	0,2866	0,2996
МДС воздушного зазора		А	312,70	469,05	562,866	625,406	687,947	719,217
Магнитная индукция в зубцах якоря		Тл	0,42736	0,641042	0,76925	0,85472	0,9401	0,9829
Напряженность магнитного поля в зубцах якоря для стали 2312	HZ	А/м	73	92	126	165	195	276
Магнитное напряжение		А	2,19	2,76	3,78	4,95	5,85	8,28
Магнитная индукция в спинке якоря		Тл	0,2882	0,4323	0,5188	0,576	0,6341	0,662
Напряженность магнитного поля в спинке якоря для стали 2312	Hj	А/м	34	72	78	84	90	93
Магнитное напряжение спинки якоря		А	3,808	8,064	8,736	9,408	10,08	10,416
Магнитный поток главного полюса		Вб	0,0067	0,010144	0,0123	0,013	0,01487	0,015554
Магнитная индукция в сердечнике главного полюса		Тл	0,198	0,298	0,358	0,3979	0,437	0,457
Напряженность магнитного поля в сердечнике главного полюса	Hг	А/м	34	51	61	69	72	74
Магнитное напряжение сердечника главного полюса		А	30,9	46,4	55,5	62,7	65,5	67,3
Магнитная индукция в воздушном зазоре между главным полюсом и станиной		Тл	0,19889	0,298349	0,35801	0,39779	0,43757	0,457469
Магнитное напряжение воздушного зазора между станиной и главным полюсом		А	15,911	23,867	28,641	31,823	35,006	36,597
Магнитная индукция в станине		Тл	0,676	1,014	1,217	1,352	1,487	1,5553
Напряженность магнитного поля в станине	Hс	А/м	96	240	400	1000	1600	3400
Магнитное напряжение станины		А	32,544	81,36	135,6	339	542,4	1152,6
Сумма значений магнитного напряжения всех участков магнитной цепи		А	398,097	631,51	795,133	1073,37	1346,80	1994,451
Сумма значений магнитного напряжения участков переходного слоя		А	318,701	479,879	575,382	639,764	703,877	737,9136

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.

Необходимо иметь физические представления о процессах, происходящих в электрических машинах, понимать принцип действия и знать их устройство. Инженерная практика имеет дело с количественными расчетами и теория должна дать для этого необходимую основу. Такой основой должно служить по возможности аналитическое описание рабочих свойств электрических машин и процессов, происходящих в них. Изучающему дисциплину нужно помимо физических представлений усвоить уравнения, описывающие электрические машины, параметры, входящие в эти уравнения, и, наконец, сами методы исследования. Данные методические указания призваны оказать помощь студентам в практическом применении теоретических знаний для решения задач по расчету параметров и режимов работы электрических машин и трансформаторов.

Электрические машины в общем объеме производства электротехнической промышленности занимают основное место, поэтому их технико-экономические показатели и эксплуатационные свойства имеют важное 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.

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



Список использованной литературы

1. Бурковская Т.А. Проектирование электрических машин постоянного тока: Учеб. пособие. - Воронеж: Издательство "Научная книга", 2018

2. Вольдек А.И. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы / А.И. Вольдек, В.В. Попов. СПб.: Питер, 2018

3. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. / Под ред. О.Д. Гольдберга. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 2018

4. Жерве Г.К. Расчет асинхронного двигателя при перемотке. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 2018

5. Копылов И.П. Проектирование электрических машин / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин. М.: Высшая школа, 2015

6. Копылов, И.П., Проектирование электрических машин: учеб. для вузов/И. П. Копылов, Ф.А. Горяинов, Б.К. Клоков и др.; под ред. И.П. Копылова. - М.: Энергия, 2018

7. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. - М.: Энергия, 2018

8. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Высшая школа, Логос, 2019

9. Кацман М.М. Расчет и конструирование электрических машин. - М.: Энергоатомиздат, 2017

10. Кравчук А.Э., Шлаф М.М., Афонин Е.И., Соболевская Е.А. Справочник. Асинхронные двигатели серии 4А. - М.: Энергоиздат, 2018

11. Лихачев В.А. Электродвигатели асинхронные. - М.: Высшая школа, 2016

12. Лопухина Е.М., Семенчуков Г.А. Проектирование асинхронных двигателей с применением ЭВМ. М.: Высшая школа, 2019

13. Расчет двигателя постоянного тока. Методические указания к выполнению курсовой работы / П.Г. Петров, Е.А. Третьяков; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2018

14. Рубо Л.Г. Пересчет и ремонт асинхронных двигателей мощностью до 160 кВт. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 2018

15. Попов В.И., Ахунов Т.А., Макаров Л.Н. Современные асинхронные машины: Новая Российская серия РА. - М.: Издательство «Знак», 2019

16. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под общей ред. И. П. Копылова, Б.К., Клокова. М.: Энергоатомиздат, 2016

17. Электротехнический справочник: В 4 т. Т.2 Электротехничесикие изделия и устройства /Под. общ. ред. В.Г. Герасимова. - М.: Издательство МЭИ, 2019

Размещено на allbest.ru

...