«Основы электромеханики». Методические указания по выполнению курсового проекта (работы) для студент. «Основы электромеханики». Методические указания по выполнению ку. Методические указания по выполнению курсового проекта (работы) для студентов
 Скачать 0.63 Mb.
|
|
Проектный расчет 2-го типа Пусть заданы: D – наружный диаметр электромагнита, м; L – длина электромагнита, м; δя – ход якоря, м; U – напряжение источника питания (расчетное напряжение), В; доп – допустимое превышение температуры электромагнита при продолжительном режиме работы, 0 С. Требуется определить размеры магнитопровода и параметры катушки, обеспечивающие максимально возможное тяговое усилие при заданных параметрах. Расчет электромагнита производится в следующей последовательности. 1. Оценка тягового усилия: а) тяговое усилие, которое может быть получено при заданных исходных данных (7 – пл. стоп, 7а – кон. стоп, 7б – диск. – якорь): (7) (7а) (7б) Здесь величины nуд, δ, δп, определяются аналогично проектному расчету 1-го типа, приведенному выше; б) для втяжного электромагнита форма стопа уточняется по значению конструктивного фактора в соответствии с рис. 2б. для электромагнита с дисковым якорем тип электромагнита также уточняется по значению конструктивного фактора в соответствии с рис. 2а. 2. Определение конструктивных размеров магнитопровода: а) внутренний диаметр магнитопровода втяжных электромагнитов D1 = 0,87D б) диаметр якоря d = 0,5D (8;8а) Диаметр сердечника дискового электромагнита d = 0,5D (8б) в) толщина фланца втяжных электромагнитов C = 0,12D (9;9а) Толщина дискового якоря и толщина фланца дискового электромагнита C = 0,12D (9б) г) толщина фланца на периферии C1 = 0,06D д) сечение якоря S =πd2 /4 е) длина окна магнитопровода под катушку l = L – 2C ж) длина стопа lст =(0,3...0,55)l. 3. Определение размеров и параметров катушки: а) средний диаметр катушки Dср = 0,5(Dн + dвн) = 0,5[(D1 - 2δкк) + (d + 2b)] где Dн – наружный диаметр катушки, м; dвн – внутренний диаметр катушки, м; δкк – зазор между катушкой и корпусом, м; b – толщина каркаса, м; б) высота намотки hк = 0,5(Dн – dвн) = 0,5[(D1 - 2δкк) - (d + 2b)] в) длина намотки lк =L - 2(b1 + C); г) сопротивление катушки, необходимое для обеспечения заданного теплового режима: Rдоп = U2 / πD(L + 0,5D)nуд д) диаметр провода е) диаметр провода округляется до стандартного значения в соответствии с таблицей проводов и для принятой марки провода находится его диаметр в изоляции dиз; ж) число витков катушки W = 0,865lкhк/d2из з) сопротивление при нормальных условиях (+20о С) R0 = 710-8Dср W/d2пр и) длина намоточного провода Lпр = Dср W 4. Уточнение значения тягового усилия, развиваемого электромагнитом при расчетном напряжении: а) полная магнитодвижущая сила F = WU/R; б) максимальная магнитная индукция (10 – пл. стоп, 10а – кон. стоп, 10б – диск. – якорь) B = 0 F/( + п) (10) B = 0 F/(sin0,5 + п) (10а) B = 0 F/2 (10б) в) по графику = f(B) (рис. 4) находится значение поправочного коэффициента ; г) тяговое усилие, развиваемое электромагнитом : Р =02F2S/2(+п)2 Р =02F2S/2(sin0,5+п)2 Р =02F2S/42 Поверочный расчет Поверочный расчет производится при известных конструкции, размерах и параметрах электромагнита: а) размерах магнитопровода D, D1, d, C, C1, L, l, lcт, ; б) размерах и параметрах катушки Dн, dвн, lк, b, dпр, dиз, W, R; в) других параметрах я, нп, п, U. Требуется определить тяговое усилие электромагнита, его тепловой режим, потребление тока, степень насыщенности магнитопровода. Расчет электромагнита производится в следующей последовательности. 1. Проверка размеров магнитопровода и параметров катушки: а) D1 = 0,87D; б) d = 0,5D; в) C = 0,12D; г) С1 = 0,06D; д) l = L - 2C; е) lст = (0,3...0,55)l; ж) сечение якоря S = d2 /4; з) средний диаметр катушки Dср = 0,5(Dн + dвн); и) высота намотки hк = 0,5(Dн – dвн) ; к) число витков катушки W = 0,865lкhк /d2из; л) сопротивление катушки R0 = 710-8 DсрW/d2пр; м) значение потребляемого тока I = U/R. 2. Определение тягового усилия, развиваемого электромагнитом при расчетном напряжении: а) полная магнитодвижущая сила F = WU/R; б) максимальная магнитная индукция: B = 0 F/( + п) (11) B = 0 F/(sin0,5 + п) (11а) B = 0 F/2 (11б) в) по графику =f(B) (рис. 4) находится значение поправочного коэффициента ; г) тяговое усилие, развиваемое электромагнитом: Р =02F2S/2(+п)2 (12) Р =02F2S/2(sin0,5+п)2 (12а) Р =02F2S/42 (12б) 3. Проверка правильности выбора формы стопа или типа электромагнита в соответствии с рис. 2 4. Определение превышения температуры электромагнита: а) удельная мощность рассеяния nуд = U2 / D(L + 0,5D)R б) по графику Q = f(nуд) (рис. 3) для найденной удельной мощности рассеяния определяется превышение температуры электромагнита Q. 5.3. Расчет винтовой пружины Проектирование винтовых пружин растяжения - сжатия состоит в выборе материала проволоки и определении размеров пружины: среднего диаметра D , диаметра проволоки d , числа рабочих витков iр и длины H0 пружины в свободном состоянии. Решение задачи проектирования винтовой пружины неоднозначно, так как заданным свойствам могут удовлетворять пружины различной геометрии и из разных материалов. Поэтому при проектировании обычно находят размеры нескольких пружин, удовлетворяющих заданным условиям, и из них выбирают ту, которая лучше других подходит к механизму прибора. Для выбранного материала необходимо назначить величину допускаемого касательного напряжения при кручении [ T ]. Свойства пружинных материалов приведены в [4, прил. 43]. Наиболее удобно расчет размеров пружины вести по требуемой жесткости пружины k и максимальной растягивающей или сжимающей силе Pmax. Жесткость пружины связана с максимальной силой соотношением где Xmax - максимальное перемещение подвижных частей. Подбор среднего диаметра пружины D, диаметра проволоки d и числа рабочих витков ip производят, используя уравнения прочности и жесткости преобразовав их к виду d = 8Pmax cK T /( П [ T] ) (14) (15) где c – индекс пружины; KT – коэффициент увеличения напряжения у внутренней стороны витка (сравнительно с напряжением, возникающим при кручении прямого стержня). Его величина зависит от индекса пружины и может быть найдена по приближенной формуле kT = (4c + 2)/(4c - 3) (16) Для упрощения расчетов целесообразно вначале вычислить значения 8P max /( П [ T ] ) и G/(8k). Затем следует задаться несколькими значениями индекса пружины c = D/d в пределах от 4...6 до 16...20. Пружины меньших индексов применяют редко. Редко используются пружины и с большим значением индекса. При индексе выше 16...20 существенно увеличивается диаметр пружины, резко уменьшается их изгибная прочность. Если нет каких-либо специальных требований, следует выбирать среднее значение индекса с = 8...12. Задавшись рядом значений индекса и найдя отвечающие им значения коэффициента k T, определяют по (14) диаметры проволоки, соответствующие выбранным значениям индекса c. Выбрав из сортамента пружинной проволоки [4, прил.3] ближайшие большие значения диаметров, подставляют их в формулу (15) и определяют рабочее число витков пружин при каждом значении индекса. По значениям c и d определяют средний диаметр пружины D = dc, наружный Dн =d(c+1) или внутренний Dвн = d(c-1) диаметры пружины. Величины d и iр используют для определения начальной длины (высоты) пружины H0. Для пружин сжатия H0 = (siр + iк)d + Xmax (17) Коэффициент s определяется зазором между витками в ее наиболее сжатом состоянии, т.е. когда она сжата силой Pmax. Зазор необходим для компенсации погрешности шага витков. Величину s обычно выбирают в пределах 1,2...1,5; iк - число опорных, концевых витков. Величина iк зависит от конструкции пружины, ее назначения. Для неответственных пружин iк =1,5. При повышенных требованиях к точности характеристики пружины число концевых витков увеличивают до iк =3 (по 1,5 витка с каждой стороны). Для пружин растяжения, навиваемых обычно без зазора между витками высота пружины H0 = iр d + ФD (18) Коэффициент Ф учитывает размеры зацепов [5] и в зависимости от их конструкции принимается в пределах от 0,5 до 2. В результате такого проектирования получают ряд пружин с соответствующими значениями d, D и H0, из этого ряда выбирают пружину, наилучшим образом подходящую к разрабатываемой конструкции. 5.4. Разработка программ расчета и анализ статических характеристик системы Расчет статических и динамических характеристик электромеханической системы рассматриваемого класса основан на применении методик, изложенных в [5], и использует нелинейную математическую модель. К основным статическим характеристикам относятся: уравнения связи Ф = f(i,), внешняя характеристика = f(i), механическая характеристика Fдв = f(i,). Для получения выражений, позволяющих рассчитать статические характеристики, необходимо составить схему замещения магнитной цепи исполнительного устройства и записать нелинейное алгебраическое уравнение (уравнение Кирхгофа для магнитной цепи). Решение этого уравнения требует использования соответствующих численных методов и применения ЭВМ. Пользуясь методикой и алгоритмами, изложенными в [5], составить схему замещения магнитной цепи, записать уравнения связи и нелинейное алгебраическое уравнение магнитной цепи, составить программы расчета и рассчитать механическую характеристику разработанной системы для максимального тока нагретого электромагнита. 5.5. Выбор жесткости возвратной пружины и элементов ключевого усилителя мощности Для выбора возвратной пружины и элементов ключевого усилителя мощности необходимо провести анализ влияния их параметров на динамические характеристики системы. При включении электромагнита якорь преодолевает сопротивление возвратной пружины Fпр = Кпр и внешней силы нагрузки Fн, причем чем больше жесткость пружины, тем больше сила сопротивления и время срабатывания электромагнита. При отключении электромагнита (при подаче на базу транзистора усилителя мощности запирающего напряжения) ток в обмотке начинает уменьшаться, сила, прижимающая якорь к упору, также уменьшается и, когда ее величина становится меньше силы пружины, якорь начинает возвратное движение. Причем, чем быстрее в цепи обмотки спадает ток и чем больше жесткость возвратной пружины, тем быстрее якорь возвращается в исходное состояние. При отключении обмотки на ней появляется напряжение самоиндукции, направленное в одну сторону с напряжением источника питания, что может привести к выходу из строя транзистора. Для защиты транзистора от пробоя используются стабилитроны, ограничивающие напряжение на коллекторе транзистора. Спад тока при отключении будет тем быстрее, чем больше предельно допустимое напряжение на коллекторе транзистора, защищенного от пробоя стабилитроном. Таким образом, для обеспечения быстрого спада тока необходимо использовать высоковольтные транзисторы. Для определения жесткости пружины и элементов выходного каскада усилителя мощности можно рекомендовать следующую методику: - повторяя несколько раз процесс расчета динамических характеристик электромагнита подобрать величину жесткости пружины так, чтобы время срабатывания было на 5...10 % меньше требуемого по заданию; - задать предельно допустимое напряжение на транзисторе на два порядка больше напряжения источника питания и для выбранной величины жесткости пружины рассчитать время возврата якоря электромагнита в исходное положение. Если это время на 10...15 % меньше требуемого, то величина жесткости пружины выбрана правильно; - повторяя несколько раз процесс расчета динамических характеристик, определить предельно допустимое напряжение, при котором время возврата якоря электромагнита исходное положение будет равно заданному; - по предельно допустимому напряжению и требуемому току коллектора транзистора ik = (1,2...1,4)imax выбрать типы транзистора и стабилитрона. 5.6. Разработка программ расчета и анализ динамических характеристик системы Основными динамическими характеристиками электромеханической системы являются переходные характеристики по току в обмотке и перемещению якоря электромагнита. Расчет этих характеристик сводиться к решению нелинейной математической модели [5]: (19) В математической модели (19) используются следующие обозначения: x, xc – координата и скорость якоря; Fд – движущая сила; Fн – сила нагрузки, Eк – коллекторная эдс; i – ток в обмотке; B – индукция в минимальном сечении магнитопровода Smin; m – масса подвижных частей; С – жесткость пружины; h – коэффициент вязкого трения; iв – вихревой ток; r, rв – сопротивление обмотки и эквивалентное сопротивление путей вихревых токов; Gр – проводимость рассеяния; Uсо – напряжение стабилизации стабилитрона; rто, rтз – сопротивление открытого и закрытого транзистора. Для получения динамических характеристик необходимо, пользуясь методикой и алгоритмами, приведенными в [5], составить программу и рассчитать переходные процессы по току в обмотке электромагнита, перемещению якоря, скорости перемещения якоря, индукции в минимальном сечении и движущей силе в зависимости от времени переключения транзистора выходного каскада усилителя мощности. Используя полученные данные и при необходимости повторяя потребное число раз расчет динамических характеристик, подобрать пружину, используя методику, изложенную выше. 5.7. Расчет источника питания Расчет источника питания постоянного тока включает выбор трансформатора, выбор схемы, элементов и расчет параметров выпрямителя, выбор типа фильтра. Режим выпрямителя в значительной степени определяется типом фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются емкостные фильтры Г-образные LC, RC и П-образные CLC и CRC фильтры. Емкостный фильтр характерен для выпрямителей, рассчитанных на малые токи нагрузки. На выходе выпрямителя параллельно нагрузке включается конденсатор для уменьшения пульсации выпрямленного напряжения. Реакция нагрузки на выпрямитель зависит от емкости конденсатора, сопротивление которого для переменной составляющей много меньше сопротивления нагрузки. Если фильтр выпрямителя начинается с дросселя, обладающего большой индуктивностью, то нагрузка выпрямителя - индуктивная. Выпрямитель характеризуется: выходными параметрами; параметрами, характеризующими режим диодов, и параметрами трансформатора. Наиболее распространенный вентиль в маломощных устройствах - полупроводниковый диод. К выходным параметрам выпрямителя относятся: номинальное среднее выпрямленное напряжение U0; номинальный средний выпрямленный ток I0; коэффициент пульсации выпрямленного напряжения kп01; частота пульсации выпрямленного напряжения fп; внутреннее сопротивление выпрямителя r0. Коэффициентом пульсации kп01 называется отношение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения U01 к среднему значению выпрямленного напряжения U0. Диоды в выпрямителях характеризуются средним значением прямого тока Iпр ср; действующим значением тока Iпр; амплитудой тока Iпр max; амплитудой обратного напряжения Uобр max; средней мощностью Pпр ср. Для трансформаторов, работающих в выпрямителях, определяются действующие значения напряжений U1, U2 и токов I1, I2 первичной и вторичной обмоток; мощности первичной и вторичной обмоток S1, S2; габаритная мощность трансформатора Sг. В выпрямителях для питания аппаратуры от однофазной сети переменного тока применяются однополупериодная схема выпрямления, двухполупериодная схема выпрямления с выводом средней точки, мостовая схема. Однофазный выпрямитель по мостовой схеме рис. 5. среди прочих вариантов двухполупериодных выпрямителей обладает наилучшими технико-экономическими показателями. Применяется в основном с емкостным, Г-образным и П-образным RC и LC фильтрами. Достоинства такого выпрямителя - повышенная частота пульсации, относительно небольшое обратное напряжение, хорошее использование трансформатора, возможность работы от сети переменного тока без трансформатора. К недостаткам выпрямителя относятся повышенное падение напряжения в диодном комплекте, невозможность установки однотипных полупроводниковых вентилей на одном радиаторе без изолирующих прокладок. Пример расчета выпрямителя приведен в [6]. TV VD4 VD1 I2 a I1 U1 U2 VD2 VD3 Uom1 б Рис. 5. Схема однофазного выпрямителя 5.8. Разработка конструкции электромеханической системы |