Курсовой проект - Расчет двигателя постоянного тока. Расчет двигателя постоянного тока
![]()
|
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСТИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ Кафедра: «ЭтЭЭм» КУРСОВОЙ ПРОЕКТ на тему: «Расчет двигателя постоянного тока» КП 14020365 637 Выполнил: Кузнецов К. И. Проверил: Пашнин В.М. Хабаровск 2007 ВведениеПочти 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. 1 Выбор и расчёт главных размеров двигателя 1.1 ![]() 1.2 Определяем предварительное значение номинального тока: ![]() ![]() 1.3 Ток якоря: ![]() где значение коэффициента ![]() ![]() ![]() 1.4 Определяем электромагнитную мощность двигателя: ![]() ![]() 1.5 Диаметр якоря D можно принять равным высоте оси вращения: ![]() Определяем наружный диаметр якоря DН, м: ![]() ![]() 1.6 ![]() 1.7 ![]() ![]()
![]() ![]() 1.9 Определяем отношение длины магнитопровода якоря к его диаметру: ![]() ![]() полученное λ удовлетворяет условию ![]() 1.10 Принимаем число полюсов двигателя 2р = 4. 1.11 Находим полюсное деление: ![]() ![]() 1.12 Определяем расчётную ширину полюсного наконечника: ![]() ![]() 1.13 Действительная ширина полюсного наконечника при эксцентричном зазоре под главными полюсами ![]() 2 Выбор обмотки якоря 2.1 Т.к. ток якоря меньше 600 А, выбираем простую волновую обмотку (2а = 2). Ток параллельной ветви равен: ![]() ![]() 2.2 Определяем предварительное общее число эффективных проводников обмотки якоря: ![]() ![]() 2.3 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 ![]() ![]() Зубцовый шаг: ![]() ![]() 2.4 Число эффективных проводников в пазу: ![]() ![]() В симметричной двухслойной обмотке это число должно быть четным. Принимаем Nп=24, тогда число проводников в обмотке якоря определяется как ![]() 2.5 Т.к. диаметр якоря меньше 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. 2.6 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 ![]() Число коллекторных пластин: ![]() где ![]() ![]() Данные полученные ранее записываем в таблицу:
![]() ![]() где ![]() 2.7 Скорректированная длина якоря: ![]() ![]() 2.8 Наружный диаметр коллектора ![]() 2.9 Окружная скорость коллектора: ![]() ![]() 2.10 Коллекторное деление tk = 3.27 мм 2.11 Полный ток паза: ![]() ![]() 2.12 Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря: ![]() где ![]() ![]() 2.13 Предварительное сечение эффективного провода: ![]() ![]() Для обмоток якоря с полузакрытыми пазами из [табл.2.4] выбираем круглый провод марки ПЭТВ с сечением 0.883 мм2 , диаметром неизолированного провода 1.06 мм и диаметром изолированного провода 1.14 мм. Число элементарных проводников ![]() 3 Расчёт геометрии зубцовой зоны 3.1 Площадь поперечного сечения обмотки, уложенной в один полузакрытый паз: ![]() где dИЗ = 1.14 мм – диаметр одного изолированного провода; nЭЛ = 1 – число элементарных проводников в одном эффективном; WС = 4 – число витков в секции; un = 3 – число элементарных пазов в одном реальном; КЗ = 0.7 – коэффициент заполнения паза изолированными проводниками. Тогда: ![]() 3.2 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 = 2 мм. Высоту шлица принимаем hШ = 0.6 мм. 3.3 Ширина зубца: ![]() где BZ = 2 Тл– допустимое значение магнитной индукции в зубцах для частоты перемагничивания 50Гц и двигателя со степенью защиты IP22 и способом охлаждения ICO1; КС = 0,95 – коэффициент заполнения пакета якоря сталью. Тогда: ![]() 3.4 Большой радиус паза: ![]() ![]() 3.5 Меньший радиус паза: ![]() ![]() 3.6 Расстояние между центрами радиусов: ![]() ![]() 3.7 Минимальное сечение зубцов якоря: ![]() ![]() 3.8 Предварительное значение ЭДС: ЕН = КД∙UН где КД = 0.9 – выбирается в зависимости от мощности двигателя по табл.1.1. Тогда: ЕН = 0.9∙440 = 396 В 3.9 Предварительное значение магнитного потока на полюс: ![]() 3.10 Индукция в сечении зубцов (сталь марки 2312): ![]() Bz не удовлетворяет условию Bz ≤2. В таком случае пересчитываем ![]() ![]() ![]() 4 Расчёт обмотки якоря 4.1 Длина лобовой части витка при 2р = 4: ![]() 4.2 Средняя длина полувитка обмотки якоря: lа ср = (lп + lл), м где lп ≈ lδ = 0.16 – длина якоря приближённая для машин без радиальной вентиляции, м Тогда: lа ср = 0.16+ 0.158= 0.318 м 4.3 Полная длина проводников обмотки якоря: Lма = N·lа ср = 960·0.318= 305.28 м 4.4 Сопротивление обмотки якоря при температуре t = 20 ˚С: ![]() ![]() 4.5 Сопротивление обмотки якоря при температуре t = 75 ˚С: Rda = 1.22Rа = 1.22·1.6 = 1.952 Ом 4.6 Масса меди обмотки якоря: Мма = 8900·lа ср·N·q0 = 8900·0.318·960·0.83635·10-6 = 2.272 кг 4.7 Расчёт шагов обмотки. Шаг по коллектору для простой волновой обмотки: ![]() Результирующий шаг Y = YК = 59 Первый частичный шаг: ![]() где Σ – дробное число, с помощью которого Y1 округляется до целого числа. Тогда: ![]() Второй частичный шаг: Y2 = Y – Y1 = 59 – 30 = 29 5 Определение размеров магнитной цепи 5.1 Предварительное значение внутреннего диаметра якоря и диаметра вала: ![]() 5.2 Высота спинки якоря: ![]() Магнитная индукция в спинке якоря: ![]() где ![]() Kc = 0,95; ![]() Тогда ![]() Bj не удовлетворяет условию ![]() ![]() ![]() 5.3 Принимаем сталь марки 3411 толщиной 0.5 мм, у которой известно Кс = 0.95; σг = 1.2; bp = 0.07812 м Ширина выступа полюсного наконечника равна ![]() 5.4 Ширина сердечника главного полюса: ![]() ![]() 5.5 Индукция в сердечнике: ![]() 5.6 Сечение станины: ![]() где ВС = 1,3 – индукция в станине, Тл. ![]() 5.7 Длина станины: lC = lг + 0.4D = 0.285 + 0.4·0,16 = 0.221 м 5.8 Высота станины: ![]() 5.9 Наружный диаметр станины: ![]() 5.10 Внутренний диаметр станины: dC = DH – 2hC = 0.31 – 2·0.0278= 0.254 м 5.11 Высота главного полюса: ![]() где δ = 0.015м – предварительное значение воздушного зазора по [рис 5.2.] ![]() 6 Расчётные сечения магнитной цепи 6.1 Сечение воздушного зазора: Sδ = bρ·lδ = 0.0781·0.285 = 0.0222 м2 6.2 Длина стали якоря: ![]() 6.3 Минимальное сечение зубцов якоря из п.3.7: S ![]() ![]() 6.4 Сечение спинки якоря: \ Sj = lс.∙hj = 0.27∙0.0175 = 0.0473 м2 6.5 Сечение сердечников главных полюсов: Sr = Kc∙lr∙br = 0.95∙0.285∙0.0469 = 0.0127 м2 6.6 Сечение станины из п. 5.6.: SC = 0.00614 м2 7 Средние длины магнитных линий 7.1 Воздушный зазор δ = 0.015 м. 7.2 Коэффициент воздушного зазора, учитывающий наличие пазов овальной формы на якоре: ![]() 7.3 Расчётная длина воздушного зазора: ![]() 7.4 Зубцы якоря для пазов овальной формы: ![]() 7.5 Спинка якоря: ![]() 7.6 Сердечник главного полюса: Lr = hr = 0.017 м 7.7 Воздушный зазор между главным полюсом и станиной: LС.П. = 2lr·10-4+10-4 = 2·0.285·10-4+10-4 = 0.000157 м 7.8 Станина: ![]() 8 Индукция в расчётных сечениях магнитной цепи 8.1 Индукция в воздушном зазоре: ![]() 8.2 Индукция в сечении зубцов якоря: ![]() 8.3 Индукция в спинке якоря: ![]() 8.4 Индукция в сердечнике главного полюса: ![]() 8.5 Индукция в станине: ![]() 9 Магнитное напряжение отдельных участков магнитной цепи 9.1 Магнитное напряжение воздушного зазора: ![]() 9.2 Коэффициент вытеснения потока: ![]() 9.3 Магнитное напряжение зубцов якоря: FZ = 2HZLZ = 2∙38800·0.0242 = 1877.92 А 9.4 Магнитное напряжение спинки якоря: Fj = HjLj = 1000·0.0451 = 45.1 А 9.5 Магнитное напряжение сердечника главного полюса: Fr =2HrLr = 2∙460·0.017 = 15.64 А
FС.П = 1.6·Br·LС.П∙106= 1.6·1.26·0.000157·106 = 316.512 А 9.7 Магнитное напряжение станины: FС = HСLС = 550·0.1247 = 68.585 А 9.8 Суммарная МДС на пару полюсов: FΣ = Fδ + FZ + Fj + Fr + FС.П + FC = 1456.77 + 1877.92 + 45.1+ 15.64 + +316.512+198.273 = 3780.527 А 9.9 МДС переходного слоя: FδZj = Fδ + FZ + Fj = 1456.77+1877.92+45.1 = 3379.79 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.
По данным таблицы строятся характеристика намагничивания Bδ=f (FΣ)и переходная характеристика Bδ=f (FδZi) ![]() Рисунок 1. Характеристика намагничивания и переходная характеристика 10 Расчёт параллельной обмотки возбуждения 10.1 Размагничивающее действие реакции якоря: Fqd = 180 А. 10.2 Необходимая МДС параллельной обмотки: FВ = FΣ + Fqd = 3780.527 + 180 = 3960.527 А 10.3 Средняя длина витка катушки параллельной обмотки: lср.в. = 2(lr + br) + π(bКТ.В + 2ΔИЗ), м где bКТ.В = 0.03 – ширина катушки, м; ΔИЗ = 0.75·10-3 – толщина изоляции, м. Тогда: lср.в. = 2(0.285 + 0.0469) + 3.14(0.03 + 2·0.75·10-3) = 0.67 м 10.4 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 = 0.283 мм2, диаметром без изоляции d = 0.6 мм и диаметром с изоляцией dИЗ = 0.655 мм. 10.5 Номинальная плотность тока принимается: JВ = 4.45·106 А/м2 10.6 Число витков на пару полюсов: ![]() 10.7 Номинальный ток возбуждения: ![]() 10.8 Полная длина обмотки: LB = p·lСР.В·WB = 2·0.67·3145 = 4214.3 м 10.9 Сопротивление обмотки возбуждения при температуре υ=20˚С: ![]() 10.10 Сопротивление обмотки возбуждения при температуре υ=75˚С: RB75 = m·RB20 = 1.22·261.25 = 318.73 Ом 10.11 Масса меди параллельной обмотки: mм.в. = 8.9·lв.ср.·Wв·qв·103 = 8.9·0.67·3145·0.283·10-6·103 = 5.307 кг 11 Коллектор и щётки 11.1 Ширина нейтральной зоны: bН.З = τ– bР = 0.126 – 0.0781 = 0.0479 м 11.2 Ширина щётки для простой волновой обмотки: bЩ = 3.5tК = 3.5·0.00327 = 0.0115 м Окончательно принимаем стандартную ширину щётки: bЩ = 0.0125 м. Длина щётки lЩ = 0.025 м. 11.3 Поверхность соприкосновения щётки с коллектором: SЩ = bЩ·lЩ = 0.0125·0.025 = 0.0003125 м2 11.4 При допустимой плотности тока JЩ = 11·104 ,А/м2, число щёток на болт: ![]() Окончательно принимаем NЩ = 1. 11.5 Поверхность соприкосновения всех щёток с коллектором: ΣSЩ = 2р·NЩ·SЩ = 4·1·0.0003125 = 0.00125 м2 11.6 Плотность тока под щётками: ![]() 11.7 Активная длина коллектора: lК = NЩ(lЩ + 8·10-3) + 10·10-3 = 1(0.025 + 8·10-3) + 10-2 = 0.043 м 12 Потери и КПД 12.1 Электрические потери в обмотке якоря: Рmа = I2Rda = 16.7272·1.952 = 546.16 Вт 12.2 Электрические потери в параллельной обмотке возбуждения: РМ.В = I2ВН·RВ75 = 1.2592·318.73= 505.21 Вт 12.3 Электрические потери в переходном контакте щёток на коллекторе: РЭ.Щ = I·2ΔUЩ, Вт где 2ΔUЩ = 2 – потери напряжения в переходных контактах, В. Тогда: РЭ.Щ = 16.727·2 = 33.454 Вт 12.4 Потери на трение щёток о коллектор: РТ.Щ = ΣSЩ·РЩ·f·VК, Вт где РЩ = 3·104 Па – давление на щётку; f = 0.2 – коэффициент трения щётки. Тогда: РТ.Щ = 0.00125·3·104·0.2·14.392 = 107.94 Вт 12.5 Потери в подшипниках и на вентиляцию определим по рис.13.1.: РТ.П + РВЕНТ. = 105 Вт. 12.6 Масса стали ярма якоря: ![]() ![]() 12.7 Условная масса стали зубцов якоря с овальными пазами: ![]() 12.8 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 = ![]() β = 2. Тогда удельные потери: ![]() Общие магнитные потери в ярме якоря: Pj = 83.553·16.97 = 1417.89 Вт 12.9 Магнитные потери в зубцах якоря: PZ = mZ·PZ, Вт где ![]() Тогда общие магнитные потери в зубцах якоря: PZ = 7.14·34.63 = 247.26 Вт 12.10 Добавочные потери: ![]() 12.11 Сумма потерь: ΣР = Рmа + РМ.В + РЭ.Щ + РТ.Щ + (РТ.П + РВЕНТ.) + Pj + PZ + РДОБ = = 546.16 + 505.21 + 33.454 + 107.94 + 105 + 1417.89 + 247.26 + 96.37 = 3059.284 Вт 12.12 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. Электрические машины: Методические указания к курсовому проекту. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. – 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. |