Вариант 2. Расчёт авиационного реверсивного электрического двигателя с последовательным возбуждением

• Название: Расчёт авиационного реверсивного электрического двигателя с последовательным возбуждением
• Анкор: Вариант 2.6
• Дата: 21.04.2023
• Размер: 245.27 Kb.
• Имя файла: 2.6.docx
• Тип: Курсовая; #1078234

Кирсановский авиационный технический колледж –

филиал МГТУ ГА.

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Электрифицированное оборудование воздушного судна»

Специальность 25.02.03

«Техническая эксплуатация электрифицированных и

пилотажно-навигационных комплексов»
_____________ * * * _____________
Тема: «Расчёт авиационного реверсивного электрического двигателя с последовательным возбуждением».

Разработал ________ /Кайзер Д.И./
(подпись) (Фамилия И.О.)

Группа: «50»

Руководитель __________ /Махмудов Р.Ф. /
(подпись) (Фамилия И.О.)

г. Кирсанов

2021 год

Оглавление

Введение 3

Раздел 1. Коллекторные машины 4

1.1 Основные сведения 4

1.2 Пуск двигателя 6

1.3 Двигатель последовательного возбуждения 7

Раздел 2. Расчёт авиационного реверсивного электрического двигателя с последовательным возбуждением 10

2.1 Выбор основных размеров 10

2.2 Расчёт обмотки якоря 14

2.3 Размеры магнитопровода 16

2.4 Расчёт последовательной обмотки возбуждения 17

2.5 Коллектор и щётки 18

Заключение 19

Используемая литература. 20

Введение

Гражданская авиация в России и за рубежом развивается по одним законам. Оборудование воздушных судов совершенствуется в соответствии с общими мировыми тенденциями и с требованиями ИКАО. Пассажирские самолёты имеют ряд специфических особенностей. К ним относятся повышенная надёжность оборудования, малая продолжительность стоянок между рейсами (15ч 30 мин.) высокий коэффициент использования (до 18 часов в сутки), и большой срок службы между капитальными ремонтами (4000ч - 5000 ч.). Повышение надёжности оборудования, повышает безаварийность.

В результате модернизации оборудования изменяются требования и к системам электроснабжения, например (особенностью является создание комфорта для пассажиров, для чего устанавливаются системы кондиционирования, комфортного освещения, телевизоры).

Следовательно, возрастает мощность системы электроснабжения.

Установка точных пилотажно-навигационных комплексов повышает требования к стабильности работы систем электроснабжения, т.е. системы электроснабжения являются комплексом неразрывно связанным с основными характеристиками самолёта, например (Применение на самолёте мощных потребителей требует установки трехфазной системы переменного тока и повышенного трёхфазного напряжения U = 200/115 В, f = 400 Гц., что по сравнению с низковольтной системой постоянного напряжения, вес меди проводов уменьшает в 18 раз, а вес трёхфазных агрегатов на ? меньше однофазных).

В данном курсовом проекте рассмотрим все особенности и характеристики коллекторного электродвигателя с последовательным возбуждением, а также на основании исходных данных определим его основные размеры и произведём расчёт обмотки, пазов якоря и обмотки возбуждения.

Раздел 1. Коллекторные машины

1.1 Основные сведения

Основным видом машины постоянного тока является коллекторная. Принцип ее работы излагается на примере генератора в его простейшем исполнении (рис 1, а). Внутри неподвижной магнитной системы чередующейся полярности помещен виток, стороны которого при вращении описывают окружность. Магнитное поле предполагается равномерным. При вращении витка с неизменной скоростью в его сторонах аб и cd индуктируется синусоидальная э. д. с. , аналогично тому, как это было при вращении магнитного поля относительно витка, когда рассматривалось образование э. д. с. в синхронном генераторе.


Рис 1. Простейшая модель генератора постоянного тока.

Рис 2. Модель машины постоянного тока с двумя витками на якоре.

Выпрямление переменной э. д. с. витка в э. д. с. постоянного знака на зажимах машины происходит при помощи устройства, называемого коллектором, который в простейшем виде в рассматриваемом примере представляет собой два полукольца, изолированных друг от друга, к которым присоединены концы витка. На эти полукольца, вращающиеся вместе с присоединенной к ним стороной витка, наложены неподвижные щетки.
Для выяснения принципа выпрямления проследим процесс образования э. д. с. в витке и возникновения разности потенциалов между полукольцами, которые назовем коллекторными пластинами.
Согласно правилу правой руки, в положении витка, изображенном на рисунке 1, а, в верхней его стороне ab э. д. с. направлена «к нам», в нижней cd — «от нас». Если к щеткам подключить внешнюю цепь, то в ней будет протекать ток от щетки А к щетке В. Следовательно, щетка А будет положительной ( +), щетка В — отрицательной (—).
Когда в процессе движения стороны витка аб и cd расположатся на нейтральной линии, э. д. с. витка пройдет через нулевое значение. Миновав нейтральную линию, каждая из сторон витка окажется в магнитном поле другого знака, и э. д. с. в витке изменит направление.
Но именно в тот момент, когда виток своими сторонами переходит в зону действия поля другого знака, связанные с его концами коллекторные пластины покидают щетки, с которыми они соприкасались до подхода к нейтральной линии, и начинают соприкасаться каждая е другой щеткой. Следовательно, знак э.д.с. на щетках не изменяется, так как каждая из них касается коллекторной пластины, когда соединенная с пластиной сторона витка находится в сфере действия полюса определенной полярности. Кривая э.д.с. на щетках изображена на рисунке 1, в, полярность щеток не меняется, и, следовательно, ток во внешней цепи остается по направлению постоянным.
Чтобы усовершенствовать рассмотренную принципиальную схему, то есть увеличить значение и уменьшить пульсацию э.д.с., заменяют виток катушкой, смещая катушки относительно друг друга в пространстве. На рисунке 2, а, показан генератор с двумя витками, сдвинутыми в пространстве на 90°; каждый из витков присоединен к своей паре коллекторных пластин. Электродвижущие силы витков соответственно сместятся во времени, и пульсация э.д.с. на щетках генератора заметно уменьшится (сплошная линия по верхушкам кривых на рис 2, б). Увеличивая число витков (катушек) и соответственно число коллекторных пластин, можно уменьшить пульсацию до незначительной величины.

1.2 Пуск двигателя

Перед пуском двигателя необходимо рычаг Р реостата поставить на холостой контакт. Затем включают рубильник, переводят рычаг на первый промежуточный контакт 1 и цепь якоря двигателя оказывается подключенной к сети через наибольшее сопротивление реостата

Одновременно через рычаг Р и шину Ш к сети подключается обмотка возбуждения, ток в которой в течение всего периода пуска не зависит от положения рычага Р, так как сопротивление шины по сравнению с сопротивлением обмотки возбуждения пренебрежимо мало.

С появлением тока в цепи якоря возникает пусковой момент , под действием которого начинается вращение якоря. По мере нарастания частоты вращения увеличивается противо-ЭДС = , что ведет к уменьшению пускового тока и пускового момента.

По мере разгона якоря двигателя рычаг пускового реостата переключают в положения 2, 3 и т. д. В положении 5 рычага реостата пуск двигателя заканчивается (=0). Сопротивление пускового реостата выбирают обычно таким, чтобы наибольший пусковой ток превышал номинальный не более чем в 2--3 раза.

Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно, так как это вызвало бы значительные потери энергии. Кроме того, пусковые реостаты были бы громоздкими. Поэтому в двигателях большой мощности применяют безреостатный пуск двигателя путем понижения напряжения. Примерами этого являются пуск тяговых двигателей электровоза переключением их с последовательного соединения при пуске на параллельное при нормальной работе или пуск двигателя в схеме «генератор - двигатель».

1.3 Двигатель последовательного возбуждения

У двигателя с после­довательным возбуждением ток якоря является и током возбуждения I= I_Я= I_В, так как обмотка возбуждения его соединена последовательно с якорем . Магнитный поток двигателя меняется пропорционально току якоря, пока сер­дечник не достигнет магнитного насыщения. Пусковой реостат после оконча­ния пуска полностью выводится.

В этом двигателе обмотка возбуждения включена последовательно в цепь якоря, поэтому магнитный поток Ф в нем зависит от тока нагрузки. При небольших нагрузках магнитная система машины не насыщена и зависимость магнитного потока от тока нагрузки прямо пропорциональна.

При уменьшении нагрузки двигателя последовательного возбуждения частота вращения резко увеличивается и при нагрузке меньше 25 % от номинальной может достигнуть опасных для двигателя значений («разнос»). Поэтому работа двигателя последовательного возбуждения или его пуск при нагрузке на валу меньше 25 % от номинальной недопустима.

Для более надежной работы вал двигателя последовательного возбуждения должен быть жестко соединен с рабочим механизмом посредством муфты и зубчатой передачи. Применение ременной передачи недопустимо, так как при обрыве или сбросе ремня может произойти «разнос» двигателя. Учитывая возможность работы двигателя на повышенных частотах вращения, двигатели последовательного возбуждения, согласно ГОСТу, подвергают испытанию в течение 2 мин на превышение частоты вращения на 20 % сверх максимальной, указанной на заводском щите, но не меньше чем на 50 % сверх номинальной.

Частоту вращения двигателей последовательного возбуждения можно регулировать изменением либо напряжения U, либо магнитного потока обмотки возбуждения. В первом случае в цепь якоря последовательно включают регулировочный реостат Rрг. С увеличением сопротивления этого реостата уменьшаются напряжение на входе двигателя и частота его вращения. Этот метод регулирования применяют главным образом в двигателях небольшой мощности. В случае значительной мощности двигателя этот способ неэкономичен из-за больших потерь энергии в Rpr. Кроме того, реостат Rpr, рассчитываемый на рабочий ток двигателя, получается громоздким и дорогостоящим.

При совместной работе нескольких однотипных двигателей частоту вращения регулируют изменением схемы их включения относительно друг друга. Так, при параллельном включении двигателей каждый из них оказывается под полным напряжением сети, а при последовательном включении двух двигателей на каждый двигатель приходится половина напряжения сети. При одновременной работе большего числа двигателей возможно большее количество вариантов включения. Этот способ регулирования частоты вращения применяют в электровозах, где установлено несколько одинаковых тяговых двигателей.

Изменение подводимого к двигателю напряжения возможно также при питании двигателя от источника постоянного тока с регулируемым напряжением. При уменьшении подводимого к двигателю напряжения его механические характеристики смещаются вниз, практически не меняя своей кривизны.

Регулировать частоту вращения двигателя изменением магнитного потока можно тремя способами: шунтированием обмотки возбуждения реостатом Rpr , секционированием обмотки возбуждения и шунтированием обмотки якоря реостатом.



Рис 3. Схема двигателя постоянного тока с последо­вательным возбуждением

Раздел 2. Расчёт авиационного реверсивного электрического двигателя с последовательным возбуждением

2.1 Выбор основных размеров

Задание 2

Таблица 1

№ n/n	Исходные данные	Вариант
		6
1.	Полезная мощность на валу Pн (Вт)	500
2.	Напряжение (В)	28
3.	Частота вращения (об/мин) n	7500
4.	Режим работы	Повторно-кратковременный (30с – работы, 5 мин – перерыв, 5 циклов, после чего охлаждение)
5.	КПД	не менее 0,85
6.	Охлаждение	Естественное

Электромагнитная мощность двигателя (кВт), где E определяется из кривой по отношению (рис 4.).

Ток якоря I_я двигателя определяется по формуле .



Рис 4. Зависимость

Исходя из графика (рис 4.) определим противоЭДС E:

_, откуда E= 0,71

=0,71*28=19,88 В

Ток якоря I_я двигателя равен:

= =21,008 А

Электромагнитная мощность двигателя:

P_э=E*I_я*10^-3 (кВт)=19,88*21,008*10^-3=0,417 кВт

Диаметр якоря и число полюсов электродвигателя определяется по отношению из кривых (рис 5.)



Рис 5. График зависимости диаметра якоря электродвигателя постоянного тока от отношения из кривых:

1, 4, 5 – ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННОГО режима с естественным охлаждением;

2 – ДЛИТЕЛЬНОГО режима с естественным охлаждением;

3 – ДЛИТЕЛЬНОГО режима с самовентиляцией.



Рис 6. График зависимости индукции в воздушном зазоре В_б от диаметра якоря D в авиационных машинах постоянного тока



Рис 7. График зависимости линейной нагрузки А авиационных машин постоянного тока длительного режима от диаметра D:1- генераторы с поддувом; 2- генераторы и двигатели с самовентиляцией; 3- двигатели с естественным охлаждением

Исходя из графика (рис 5) выбираем диаметр якоря и число полюсов электродвигателя. По графику (рис 6) - магнитную индукцию. По графику (рис 7) определяем плотность тока в обмотках А.

2р=4; D=4,5(см); А=35 (А); В_б=0,5(Ф).

Определим длину якоря: (см), где - расчетный коэффициент полюсной дуги.

Примерное значение для авиационных электродвигателей

Таблица 2

Pн (Вт)	5-100	100-500	500-1000	1000-3000
	0,55	0,6-0,63	0,63-0,65	0,65-0,72

Линейная нагрузка ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННОГО режима работы определяется , где – коэффициент тепловой перегрузки, который для заданного варианта равен _т=15,65



Длина якоря: = = 4,04 см

Полюсное деление (Ом).

= = 3,53 Ом

Отношение длины якоря к полюсному делению – должно быть в пределах 0,8 – 1,6.

= = 1,14

2.2 Расчёт обмотки якоря

Число проводов в одной параллельной ветви = ,

где: = 0,000427 – магнитный поток;



2а – число параллельных ветвей. Обычно для двигателей применяют простую волновую обмотку 2а=2.

Общее число проводников обмотки якоря



Число витков в секции W, стремятся выбрать наименьшим, так как при этом уменьшается ЭДС в короткозамкнутой секции и улучшается коммутация. Число W, может быть предварительно определено по кривым (рис 7.).

При W_s 1

W_s = 7

Число коллекторных пластин на паз в авиационных машинах .

Для волновой обмотки при 2P = 4И_n должно быть взято 2 или 4. Задавшись И_n определяют число пазов :Z= .



Полное число проводников в пазу

Сечение обмотки якоря S_я определяется из соотношения , где .

= 2 – 4 (А/мм²) – для машин с естественным охлаждением.



мм²

После определения сечения уточняется и выбирается провод по таблицам Приложения 1 [1].



Рис 7. Изменение числа витков в секции с ростом мощности авиационных машин постоянного тока

Сопротивление обмотки якоря определяется выражением

, где: – удельное сопротивление меди обмотки при температуре +120⁰С;

– средняя длина полувитка обмотки якоря (м).

– длина лобовой части обмотки:

Для обмотки из круглого провода при 2p=4 Ом.







Падение напряжения в обмотке якоря .

2.3 Размеры магнитопровода

Магнитопровод изготовляется из следующих материалов: якорь – из стали марки 321 толщиной 0,35 мм (изоляция листов – оксидирование); полюсы из стали 3 толщиной 0,5 мм; корпус – из стали 10.

Воздушный зазор (см), где (см).

Величина воздушного зазора авиационных двигателей постоянного тока.

Таблица 3

Pн (Вт)	До 100	100-1000	1000-10000	10000-30000
(см)	0,015	0,025-0,03	0,035-0,08	0,06

см

Высота спинки якоря h_я определяется по формуле

Таблица 4

Pн (Вт)	до 100	100-1000	˃ 1000
Вя (тл)	1,0-1,3	1,3-1,5	1,5-1,7
Вm (тл)	1,0-1,2	1,2-1,4	1,4-1,7
Вj (тл)	1,0-1,2	1,1-1,3	1,3-1,5

К_с = 0,95 – коэффициент заполнения пакета сталью;

В_я – магнитная индукция в спинке якоря, по данным табл. 4

В_я (тл) = 1,3-1,5

В_m (тл) = 1,2-1,4

В_j (тл) = 1,1-1,3



Внутренний диаметр якоря D_я = D-2(h_n+h_я)

D_я = 4,5-2*(0,63+0,37) = 2,5 см

Диаметр вала d_в равен внутреннему диаметру якоря D_вн : d_в = D_вн.

Магнитный поток, проходящий через полюсы и корпус, равен: Ф_т = К_в*Ф, где Кв = 1,1-1,25

Ф_т = 1,25*0,000427 = 0,000533

Сечение полюса (см²), где значение величины магнитной индукции в полюсах В_m выбирается по данным из табл. 4.

см²

Длина сердечника полюса l_m берется равной или меньшей длины якоря

l : l_т ≤ l.

Задавшись длиной l_m находят ширину полюса в_т : .

см

Высота полюса h_m определяется как h_т ≈ (1-1,3)*в_т .

h_т ≈ 1,2*1,078 = 1,2986

Сечение корпуса (см²), где В_j магнитная индукция в корпусе, которая берется из данных табл. 4.

см²

Длина корпуса l_j равна l_j = (1,25-1,4)l_т, а высота спинки корпуса по механическим соображениям не может быть меньше 3,5 мм.

l_j = 1,25*4 = 5



Наружный диаметр машины .

мм

Отношение наружного диаметра к диаметру якоря находится в пределах:

2.4 Расчёт последовательной обмотки возбуждения

Сечение меди обмотки возбуждения

для машин с естественным охлаждением.

А/мм²

мм²

Рассчитанное сечение уточняется по таблицам с округлением до ближайшего большого значения и выбирается диаметр провода (Приложение 1 [1]).

Средняя длина витка обмотки возбуждения , где ширина катушки принимается равной 0,15-0,02 (м).

м

Сопротивление обмотки возбуждения , где I_п – пусковой ток.

Ом

Необходимое число витков на один полюс , где , а (м).



МДС обмотки возбуждения на один полюс .

2.5 Коллектор и щётки

Диаметр коллектора машин постоянного тока с естественным или наружным охлаждением обычно равен D_к = (0,6-0,8)D.

D_к = 0,6 * 4,5 = 2,7 см

Величина коллекторного деления: , и находится в пределах

1,5 – 4,5 мм.



Ширина коллекторной пластины , где – толщина изоляции между пластинами.



Окружная скорость коллектора не должна превышать 50 – 55 м/с.



Общая площадь щёточного контакта одного болта (см²).

где: P_щ = P – число пар щёточных болтов;

; А/см² – для двигателей с естественным охлаждением, ширину щётки обычно берут равной и не превышающей 10 мм.





Длина щётки для обеспечения хорошей коммутация не должна превышать 20 – 25 мм. Размеры щёток уточняются и по таблице ГОСТов.

Число щёток на один болт , равное должно быть целым числом.

щетки

Заключение

При выполнении курсового проекта я произвела расчёт авиационного реверсивного электрического двигателя с последовательным возбуждением, на основании исходных данных были рассчитаны и получены его основные параметры:

- основные размеры электродвигателя;

- параметры обмотки якоря;

- размеры магнитопровода;

- параметры обмотки возбуждения;

- выбраны щётки и рассчитан коллектор.

Полученные результаты примерно равны действительным параметрам авиационного реверсивного электрического двигателя. Таким образом, исходя из расчетов, зная сечение, я выяснила, что обмотка якоря и обмотка ротора изготовляется из проводов типа ПБД (приложение 1 [1]). Определила, что использовалась марка щетки МГС-7 с сечением 6,5x12,5 мм² (приложение 3 [1]).

Другой раздел курсового проекта представляет собой теоретические сведения о коллекторных двигателях: основных понятиях, пуске двигателя и двигателе последовательного возбуждения.

Используемая литература.

1. Махмудов Р.Ф., Колесников А.М. Методические указания и задания к курсовому проекту по дисциплинам «Электрифицированное оборудование воздушных судов для специальности 25.02.03», «Техническая эксплуатация электрифицированных и пилотажно-навигационных комплексов»: Кирсанов КАТК ГА, 2019г.