«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

• Название: Методические указания по выполнению курсового проекта (работы) для студентов
• Анкор: «Основы электромеханики». Методические указания по выполнению курсового проекта (работы) для студент.doc
• Дата: 12.12.2017
• Размер: 0.63 Mb.
• Имя файла: «Основы электромеханики». Методические указания по выполнению ку.doc
• Тип: Методические указания; #10901
• Категория: Механика
• страница: 1 из 3

Министерство образования Российской Федерации

Тульский государственный университет
Кафедра «Системы автоматического управления»

«Основы электромеханики»

Методические указания
по выполнению курсового проекта (работы) для студентов
Направление подготовки: 550200 Автоматизация и управление

Специальности подготовки: 210500 Системы управления летательных аппаратов, 071800 Мехатроника, очной формы обучения

Тула 2004г.


Разработали:

Н.С. Илюхина, к.т.н.. доцент каф. САУ

А.П. Панков, к.т.н.. доцент каф. САУ

I. ВВЕДЕНИЕ
Электромеханические системы относятся к большому классу устройств, которые широко используются в различ­ных автоматических системах и средствах автоматики. При проектировании электромеханических систем (ЭМС) и входящих в них исполнительных устройств разработчики сталкиваются со значительными трудностями, связанными, главным образом, с отсутствием литературы, обобщающей накопленный опыт проектирования и достаточно простых методов расчета и проектирования подобных устройств.

Цель настоящего учебного пособия дать краткое описание типовых конст­рукций ЭМС и их элементов, изложить ос­новы проектирования и инженер­ные методы расчета элек­тромеханических систем, квазиоптимальных по выполняе­мой работе.

Основные типовые конструкции исполнительных уст­ройств ЭМС с по­ступательным перемещением подвижных частей приведены на рис. 1.

На рис. 1а представлено исполнительное устройство втяж­ного типа с не­зависимой регулировкой хода якоря и воз­вратной пружины. Электромаг­нит имеет плоский стоп и со­стоит из корпуса 4, стопа 5, якоря 6, обмотки 7, намотанной на немагнитный каркас 8, возвратной пружины 11, выход­ного штока 14. Позиции 9, 10, 12, 13 по­мечают специальные крепежные детали (гайки и контргайки). Колодка 1 с контактами 2 предназначена для подпайки выводов 3 обмотки. В качестве габаритных размеров приведены: наружный диа­метр корпуса D, полная длина исполнительного устройства L1 и максимальный ход якоря _я, Начальное усилие P_н указывается без учета силы пружины.

На рис. 1б изображен электромагнит тянущего и толкающего действия с неизменным рабочим ходом и регулируемой силой возвратной пружины. Он имеет усеченный кони­ческий стоп (  = 60^о ) и состоит из корпуса 2, обмотки 3, намотанной на составной каркас (же­стко соединенные фла­нец 5 и втулка 4), якоря 6, возвратной пружины 9. В якоре с обеих сторон жестко закреплены тянущий 12 и толкаю­щий 1 штоки. Рабочий ход выставляется посредством прокладки 7 и огра­ничивается крышкой 8. По­зициями 10, 11 по­мечены регулировочная и крепежные детали.

Электромагнит тянущего и толкающего действия с посто­янным рабочим ходом, без возвратной пружины (рис. 1в) имеет стоп 1 и якорь 2, которые в области рабочего зазора выполнены в виде фер­ромагнитного шунта (ФМШ). Пози­цией 3 помечен фланец слабо развитый в осевом направле­нии. ФМШ обеспечивает электромагниту сравнительно поло­гую тяговую характери­стику.


4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
я

3

2

D P_н

1
L1


a.


1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

б.
1 2

3

в.
3 4 5 6 7 8 9

2

1

г. д.
Рис. 1. Конструкция типовых исполнительных устройств ЭМС.

Электромагнит втяжного типа с коническим якорем (рис. 1г) не имеет возвратной пружины. Характерная особенность элек­тромагнита: соприкос­новение стопа и якоря в конце хода происходит не по конической поверхно­сти, а по плоским торцевым поверхностям стопа и якоря.

Электромагнит (рис. 1д) с постоянным рабочим ходом не имеет возврат­ной пружины и отличается комбинированной формой рабочего зазора (соче­тание плоского стопа с кониче­ским). Электромаг­нит включает якорь 6 с внутренним кону­сом (для уменьшения массы) и наружными продольными па­зами 5 (уменьшение вихревых токов, увеличение быстродей­ствия), стоп 8, корпус 9, катушку 7. Поступательное движе­ние якоря осуществляется в на­правляющей развитого фланца 4, ход якоря ограничивается упором 2 и ре­гулируется про­кладкой 3. Серьга 1 служит для сопряжения электромагнита с нагрузкой. Тяговая характеристика объединяет достоин­ства конического и плоского стопов: повышенное начальное усилие и достаточно высокое уси­лие отрыва.
2. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
Цель курсового проекта - закрепление и углубление сту­дентами теорети­ческих знаний, приобретение практических навыков по проектированию электромеханических систем. Указанная цель опре­делила следующие задачи курсового проектирования [2]:

- овладение методиками проектировочного расчета элек­тромеханических систем;

- получение практического опыта применения ЭВМ для решения инженер­ных задач;

- получение начальных навыков разработки и оформления конструктор­ской документации;

- изучение требований ЕСКД, ЕСТД, и др.;

- приобретение навыков инженерного творчества.

3. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
3.1. Тематика курсового проекта
Тематика курсового проекта посвящена разработке элек­тромеханических систем, используемых в качестве исполни­тельных устройств в автоматиче­ских системах и системах управления.

Основными объектами курсового проектирования явля­ются электромеха­нические системы с электромагнитами по­стоянного тока, имеющими посту­пательное перемещение подвижных частей (с дисковым якорем, с втяжным якорем различной формы стопа, с ферромагнитным шунтом).

При определении тематики курсового проекта руководи­тель должен учи­тывать индивидуальные наклонности сту­дентов, исполь­зуя результаты работ, выполненных ими в рамках НИРС и УИРС.
3.2. Исходные данные к курсовому проекту
Исходные данные к курсовому проекту выдаются препо­давателем и включают:

- требования к статическим и динамическим характеристикам системы;

- параметры, характеризующие источник питания;

- условия эксплуатации.

Помимо перечисленных данных, оговаривается режим ра­боты электроме­ханической системы.
3.3. Задание на курсовой проект
В большинстве случаев задание должно быть типовым, основанным на методиках проектирования, приведенных в лекционном курсе и учебных по­собиях. Наиболее способным и хорошо подготовлен­ным студентам целесо­образно выда­вать индивидуальные задания, содержа­щие элементы науч­ного исследования.

Типовое задание на проектирование предусматривает проработку следующих вопросов:

- выбор типа конструкции электромагнита;

- проектный расчет электромагнита, включающий определение параметров магнитопровода, обмотки и составление эскиза маг­нитной цепи;

- поверочный расчет электромагнита;

- выбор схемы и расчет усилителя мощности;

- разработка программы расчета статических и динамиче­ских характери­стик;

- анализ статических и динамических характеристик элек­тромеханической системы;

- расчет источника питания.
3.4. Объем курсового проекта
Курсовой проект должен включать пояснительную за­писку объемом 25-30 листов (формата А4) рукописного тек­ста и графическую часть объемом 2-3 листа формата А1.

Графическая часть курсового проекта должна содержать:

- сборочный чертеж спроектированной системы (формат А1);

- рабочие чертежи деталей (формат А1);

- принципиальные схемы усилителя мощности и источ­ника питания (формат А2).
3.5. Организация работы над курсовым проектом
Курсовой проект (работа) выполняется студентами специальностей 071800 и 210500 в 6-ом семестре. Работа над курсовым проектом строится в соответствии с планом-графиком, согласно которому предусмотрено выполнение следующих этапов:

- выбор типа конструкции электромагнита, проектный расчет размеров магнитопровода и параметров обмотки;

- поверочный расчет электромагнита;

- разработка программ расчета и анализ статических характеристик системы;

- выбор схемы и расчет усилителя мощности;

- разработка программ расчета и анализ динамических характеристик системы;

- расчет источника питания;

- разработка конструкции электромеханической системы;

- разработка принципиальных электрических схем электромеханической системы;

- разработка рабочих чертежей 4...5 деталей (по указанию руководителя);

- оформление пояснительной записки и графической части курсового про­екта.

План-график выполнения индивидуального задания разрабатывается студентом и утверждается руководителем проекта. Студент обязан регулярно регистрировать выполнение каждого этапа работы у руководителя.

Курсовой проект (работа) считается законченным, если выполнены все пункты задания, пояснительная записка и чертежи подписаны студентом и руководителем. Срок защиты проекта указывается в специ­альной графе задания на проектирование.

В процессе выполнения курсового проекта (работы) руководитель проводит групповые и индивидуальные консультации со студентами. Тематика группо­вых консультаций регламентируется рабочими программами дисциплин "«Специальные главы ТОЭ и основы электромеханики»" и «Основы электромеханики». На индивидуальных консультациях руководитель контролирует ход выполнения курсового проекта (работы), делает замечания по проделанной работе и дает рекомендации по решению конкретных вопросов.
3.6. Защита курсового проекта (работы)
Защита курсового проекта (работы) представляет собой форму проверки степени овладения студентом методами проектирования электромеханических систем и уровня приобретенных им практических инженерных навыков.

Защита курсового проекта (работы) состоит в устном сообщении студента (5...6 минут) по существу проделанной им работы и ответах на вопросы. В своем сообщении студент должен осветить постановку задачи проектирования, методы ее ре­шения и полученные резуль­таты. Студент должен сопровождать устный рассказ обращением к графи­ческим материалам, поясняя сказанное.

Защита проекта (работы) проводится перед комиссией из преподавателей кафедры САУ с участием руководителя проекта. Вопросы, задаваемые студенту членами комиссии, как правило, относятся к содержанию проекта, но могут касаться и смежных дисциплин.

4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ НАД КУРСОВЫМ ПРОЕКТОМ
4.1. План построения и содержание разделов

пояснительной записки к курсовому проекту работы)
Рубрикация и содержание разделов расчетно-пояснитель­ной записки должны соответствовать ГОСТ 7.32-81, в соот­ветствии с которым записка должна иметь:

- титульный лист;

- задание на курсовой проект (работы);

- реферат;

- содержание;

- введение;

- основную часть;

- заключение;

- библиографический список;

- приложения.

Образец оформления титульного листа приведен в приложении 1.

Задание на курсовой проект(работу) оформляется в соответствии с образцом, приве­денным в приложении 2.

Реферат должен содержать: сведения об объеме, количестве иллюстраций, таблиц, библиографических источников, перечень ключевых слов, текст реферата.

Введение расчетно-пояснительной записки должно содержать краткую характеристику объекта проектирования, формулировку цели и задач проекта, обоснование принятого в проекте метода решения.

В основной части расчетно-пояснительной записки должны помещаться сведения, отражающие существо, методику и основные результаты выполненной разработки. Расчеты, приводимые в записке, должны содержать эскизы, расчетные схемы, иллюстрирующие физический смысл выполняемого расчета.
5. МЕТОДИКИ ПРОЕКТНЫХ РАСЧЕТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИ­ТОВ.
При проектировании втяжных электромагнитов (ЭМ) можно выделить два основных типа расчетов: проектный и поверочный. В зависимости от тех­нического задания про­ектный расчет проводится по двум методикам:

- по заданному усилию, ходу якоря, тепловому режиму рассчитываются размеры магнитопровода и параметры ка­тушки, обеспечивающие заданные параметры при мини­мальных габаритах;

- по заданным габаритам, ходу якоря, тепловому режиму рассчитываются размеры магнитопровода и параметры ка­тушки, обеспечивающие макси­мально возможное тяговое усилие при заданных параметрах.

Поверочный расчет позволяет по известным размерам маг­нитопровода, параметрам катушки, ходу якоря определить тяговое уси­лие электромагнита, его тепловой режим, по­требление тока, степень насыщенности магнитопро­вода.
5.1. Выбор конструктивного типа и формы стопа.
В инженерной практике широкое распространение полу­чил способ вы­бора типа электромагнита и формы стопа по конструктив­ному фактору (КФ) [1]
(1)
где P – тяговое усилие,  – ход якоря.

Для количественного сопоставления экономичности основных типов электромагнитов (с дисковым якорем, втяжным якорем с различной формой стопа, ферромагнитным шунтом) с различными конструктивными

факторами и выбора соответствующего типа электромаг­нита можно поль­зоваться диаграммой (рис. 2а).

Из всего многообразия конструктивных исполнений ЭМ с помощью рис.2а по значению конструктивного фактора (1), известному в начале проектирования, выбирается оптимальный тип ЭМ (по максимальным значениям критериев A/Q, A/V, A/N, A/F – здесь A – номинальная мощность, Q – масса ЭМ, V – скорость перемещения подвижных частей, N – мощность, F – МДС катушки). На стыках областей примене­ния (не заштрихованные области на рис. 2а) возможно ис­пользование обоих смежных типов ЭМ.

При выборе электромагнита с втяжным якорем рациональная форма стопа определяется по значению коэффициента формы и усеченности конуса h как отношение малого диаметра конуса к большому, равному диаметру якоря.

Применение стопов с  > 120^о нерационально, так как тяговая характе­ристика при этом близка к характеристике плоского стопа и выигрыш по усилию незначителен. Кони­ческие стопы с  < 30^о целесообразны для сравнительно больших ходов якоря и для получения пологой тяговой характеристики, когда нельзя применять магниты с ФМШ.
С дисковым

якорем
С втяжным

якорем
С ферромагнит-

ным шунтом
20 40 100 200 400 10³ 210³ 410³ 10⁴ 210⁴ КФ*1000,Н^0,5/м

а.


0,4

0,2
0

1,510² 210² 410² 610² 10³ 210³ 410³ 610³ 10⁴ КФ*1000,Н^0,5/м
б.

Рис. 2. Области применения: а) рациональных типов элек­тромагнитов;

б) рациональных форм стопов электромаг­нитов с втяжным якорем.

5.2. Аналитический метод расчета электромагнитов
Электромагниты с коническим и плоским стопами кон­структивно раз­личаются только формой исполнения стопа. Различие в их расчете обуслов­лено разными выражениями тяговых сил, которые достаточно сложны, особенно для усеченно-конического стопа. Поэтому на этапе синтеза при­меняются упрощенные выражения для тяговых сил:

- для плоского стопа

- для конического стопа

где – угол конуса при вершине (для плоского стопа  =180^о);

- магнитная индукция в рабочем зазоре, Тл.

При этом электромагнит с плоским стопом можно рас­сматривать как част­ный случай электромагнита с коническим стопом.

Расчет электромагнитов с дисковым якорем проводится аналогично расче­там электромагнитов с плоским стопом.

Отличия в формулах для электромагнитов втяжного типа с коническим стопом будут помечаться литерой "а", для электромагни­тов с дисковым яко­рем – литерой "б".
Проектный расчет 1-го типа
Допустим, заданы следующие основные параметры проектируемого

электромагнита: P – тяговое усилие, которое должен разви­вать электромаг­нит в начале хода якоря, Н; – ход якоря, м; U – напряже­ние источника пита­ния, В; Q_доп – допустимое превышение температуры электромагнита при продолжительном режиме работы, ^оС.

Требуется определить размеры магнитопровода и пара­метры катушки, обеспечивающие заданные характеристики при мини­мальных габаритах.

Расчет электромагнитов производится в следующей по­следовательно­сти.

1. Уточнение формы стопа. Форма стопа уточняется по значению

конструктивного параметра КФ в соответствии с графиками рис. 2б.

где =_я+_нп – рабочий зазор, м; – толщина немагнитной прокладки, м; обычно _нп=(0,05…0,1)_я, причем большему ходу соответст­вует мень­шее значение коэффициента и наоборот. В некоторых случаях немагнитная про­кладка может отсутствовать (_нп =0).

2. Определение основных размеров электромагнита:

а) диаметр якоря электромагнита

(2)

(2а)

(2б)

Для получения минимальных габаритов, объема, массы, потерь магнито­движущей силы значение B_ необходимо при­нимать 0,7...1,1 Тл (для элек­тротехнических сталей марки 20895)[3].

б) наружный диаметр электромагнита D = 2d;

в) длина электромагнита

(3)

(3а)

(3б)

где _п – паразитный зазор, м, _п=(4...5)е ; е – эксцентри­ситет якоря по отно­шению к фланцу (равен половине разности диаметров направляющей втулки и якоря с учетом предельных отклонений их разме­ров); обычно _п=(0,015...0,05)10^-2 м (в случае примене­ния развитого воротничка _п0); r – удельное сопротивление про­вода, Ом*м; оп­ределяется для заданного превы­шения температуры по фор­муле =₀(1+₀); ₀ – удельное сопротивление провода при 20^o С, для медного провода ₀ =1,75.10^-8 Ом*м; α₀ – темпера­тур­ный коэффици­ент металла провода, для медного провода

α₀=0,004 1/^oС; n_уд – удель­ная мощность рассеяния, Вт/м²; определяется по графику Q =f(n_уд) (рис.3);

г) отношение габаритных размеров электромагнита L/D и их оценка. Наи­более удачное конструктивное оформление втяжных электромагнитов обес­печивается при L/D=0,7...1,8, электромагнитов с дисковым якорем - при L/D=0,4...0,8. Если полученное отношение га­баритных размеров электро­магнитов не соответствует желаемому, то расчет повторяют с п.2а, задаваясь при этом другим значением магнит­ной индукции;

д) по принятому диаметру якоря уточняется значение магнитной

индукции

(4)

(4а)
(4б)

е) по графику Ф=f₁(B_) (рис. 4) определя­ется значение по­правочного коэф­фициента относительного падения магнито­движущей силы ;

ж) максимальное значение магнитной индукции B = B_/;
^о,С


140

3

120

1

100

2

80


60

40
20
0

200 400 600 800 1000 n_уд,Вт/м²
Рис. 3. Зависимость между превышением температуры и удельной

мощностью рассеяния при различных условиях те­плопередачи:

1 - плохие, 2 - средние, 3 - хорошие.

3. Определение остальных размеров магнитопровода:

а) внутренний диаметр магнитопровода

D₁= 0,87D

б) толщина фланца; для дискового якоря - толщина якоря и толщина фланца

С = 0,12D (5;5а)

в) толщина фланца на периферии

С₁ = 0,06D

г) длина окна магнитопровода под катушку

l = L – 2C

д) длина стопа l_ст =(0,3...0,55)l.


0,95
0,90 1 -  = f₁(B_б)
2 -  = f₂(B)

0,85

2

0,80

1

0,75

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 В,Т

Рис. 4. Области разброса и усредненные зависимости по­правочного коэф­фициента от магнитной индукции: 1 - в рабочем зазоре; 2 -максимальной.
4. Определение параметров катушки:

а) средний диаметр катушки

D_ср = 0,5[(D₁ - 2_кк) + (d + 2b)]

где b – толщина каркаса, м (обычно b=(0,05...0,25)10^-2 м); _кк – зазор между внутренним диаметром магнитопровода (корпуса) и наружным диаметром обмотки, м (для низковольтных электромагнитов _кк=(0,025...0,2)10^-2м);

б) диаметр провода (6 – пл. стоп, 6а – кон. стоп, 6б – диск. – якорь)

(6)

(6а)

(6б)

в) диаметр провода округляется до стандартного значения в соответствии с таблицей проводов и для принятой марки провода находится его диаметр в изоляции d_из;

г) высота намотки катушки

h_к = 0,5(D₁ – d_вн) = 0,5[(D₁ - 2δ_кк) - (d + 2b)]

д) длина катушки

l_к = L - 2(b₁+ C)

е) число витков катушки

W = 0,865l_кh_к/d²_из

ж) сопротивление катушки при нормальных условиях (+20^о С)

з) длина намоточного провода

L_пр =D_срW