Синхронный двигатель с возбуждением от постоянных магнитов

Постоянные магниты

Марка постоянных магнитов - «неодим-железо-бор». Магниты выполняются прямоугольной формы и имеют размеры паза сердечника ротора. Постоянные магниты устанавливаются в предварительно пропитанные эпоксидным клеем-компаундом пазы ротора.

Немагнитная втулка

Немагнитная втулка изготавливается из алюминия путём литья под давлением и выполняет роль промежуточной детали между валом и сердечником ротора. Втулка выполняется немагнитной во избежание замыкания потоков рассеяния.

Боковые щиты

Боковые щиты отливаются под давлением из сплава Д16Т. В щитах имеют отверстия под стяжные болты.

Щиты сажаются на статор двигателя и притягиваются к станине болтами.

Вентилятор

Вентилятор отливается под давлением на термопласт автомате из полиамида П-12Б-20. Вентилятор закрыт кожухом так же выполненным из полиамида.

Вентиляционный расчет

Расход воздуха, необходимого для охлаждения, м³/с

где k_m = 1,5 - коэффициент, учитывающий изменение условий охлаждения;

И_в = 30 - подогрев воздуха при прохождении по охлаждающему тракту для класса изоляции F, єС;

С_в = 1100 - теплоёмкость воздуха, Дж / м³;

УP_гр = 1250 Вт - все потери выделяющиеся в двигателе за исключением потерь в подшипниках.

Расчет суммарного сопротивления

Площадь сечения входного канала, м²

,

где - внешний диаметр входного канала (определяем по чертёжу);

- внутренний диаметр входного канала (определяем по чертёжу).

Сечение входного канала без решётки, м²

.

Коэффициент динамического давления

.

Коэффициент аэродинамического сопротивления

,

где - коэффициент местного сопротивления.

Сопротивление входа через решётку кожуха вентилятора

.

Сечение поворота потока, м²

,

где - угол поворота (определяем по чертёжу);

- диаметр канала (определяем по чертёжу);

- внешний диаметр входного канала (определяем по чертёжу).

Сопротивление поворота потока за кожухом вентилятора

,

где ;

- коэффициент местного аэродинамического сопротивления поворота за кожухом выбирается в зависимости от угла поворота.

Сечение поворота потока, м²

,

где - угол поворота (определяем по чертёжу);

- диаметр канала, (определяем по чертёжу);

- диаметр канала, (определяем по чертёжу).

Сопротивление поворота потока за вентилятором, перед входом в межреберные каналы

,

где - коэффициент местного аэродинамического сопротивления поворота за вентилятором, перед выходом в межрёберные каналы.

Суммарное сечение рёбер корпуса, м²

,

где b_p1 = 0.005 - толщина ребра у основания, м

b_p2 = 0.002 - толщина ребра на гребне, м;

h_р = 0.0195 - высота ребра, м;

n_р = 27 - число рёбер.

Сечение поворота потока, м²

.

Сечение межреберного потока, м²

.

Сопротивление косого входа в межрёберные каналы

,

где ;

- коэффициент местного аэродинамического сопротивления косого входа в межрёберные каналы.

Сопротивление поворота потока в межрёберных каналах

,

где - коэффициент местного аэродинамического сопротивления поворота потока в межрёберных каналах;

- сечение канала.

Сопротивление выхода потока из межрёберных каналов

,

где - коэффициент местного аэродинамического сопротивления поворота потока в межрёберных каналах;

;

- сечение канала.

Суммарное аэродинамическое сопротивление вентиляционной цепи



Расчет необходимого напора воздуха

Необходимый напор воздуха, кг/м²

.

Размер вентилятора электрической машины

- диаметр наружной кромки вентилятора;

- диаметр входной кромки вентилятора;

- ширина лопатки вентилятора;

- длина лопатки вентилятора;

- число лопаток вентилятора;

- энергетический КПД вентилятора;

- аэродинамический КПД вентилятора в режиме холостого хода, по рекомендации [6].

Окружная скорость на выходной кромке вентилятора, м/с

.

Окружная скорость на входной кромке вентилятора, м/с

.

Напор воздуха Х.Х. при отсутствии расхода воздуха

,

где - удельный вес охлаждающей среды.

Максимальный расход воздуха при отсутствии давления

,

где - сечение на выходной кромке вентилятор.

Тепловой расчет

Эквивалентный гидравлический диаметр лобовой части

.

Диаметр внешней поверхности лобовых частей

0,12 м

Поверхность свисающих частей корпуса

Принимаем l_к=0,1 м.

Внутренняя поверхность подшипникового щита

где D_п= 0,07 м - диаметр внешней поверхности подшипникового узла (определяется по чертежу).

Внешняя поверхность корпуса (станины)

Полная внешняя поверхность с учетом оребрения , подрезки ребер (определяется по чертежу)

где h_реб, n_реб - высота и число ребер на корпусе .

Коэффициент оребрения

.

Расчет коэффициента теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи с поверхности лобовых частей

,

где л_в=0,031 Вт/м·°С - коэффициент теплопроводности воздуха при t=90°C;

- число Рейнольдса;

- окружная скорость ротора;

- кинематическая вязкость воздуха при t=90°C;

- критерий Прандля;

- теплопроводность воздуха при t=90°C;

- плотность воздуха при t=90°C.

Коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности сердечника статора

при Re ? 2·10³ - критерий Рейнольдса.

Коэффициент теплоотдачи `свисающих` частей корпуса

;

где - критерий Нуссельта;

- критерий Рейнольдса.

Коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности подшипниковых щитов

,

где

- критерий Нуссельта;

- критерий Рейнольдса.

Коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности при естественном охлаждении

Коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности корпуса

,

где - коэффициент излучения с поверхности корпуса, покрытого эмалью;

- абсолютная температура корпуса (зависит от требования эксплуатации и класса изоляции);

- абсолютная температура окружающей среды;

- разность температуры между корпусом и окружающей средой.

Коэффициент теплоотдачи естественной конвекцией

,

где - критерий Нуссельта;

- критерий Грисгофа;

g=9,81 м/с² - ускорение силы тяжести.

Суммарный коэффициент теплоотдачи с поверхности корпуса

.

Расчет тепловых сопротивлений

Тепловое сопротивление между пазовой и лобовой частью

где л_m=380 Вт/м·°С - коэффициент теплопроводности меди ;

- сечение меди в пазу.

Тепловое сопротивление между пазом и ярмом статора

где л_экв=0,238 Вт/м·°С - коэффициент теплопроводности (эквивалентный) пучка проводников обмотки статора в пазу

л_из=0,2 Вт/м·°С - коэффициент теплопроводности пазовой обмотки;

л_эм=0,2 Вт/м·°С - коэффициент теплопроводности эмали покрытия проводников обмотки статора [8];

л_л=0,2 Вт/м·°С - коэффициент теплопроводности лака;

И_m=140°С - допустимая температура для класса изоляции F;

k_p=0,3 - коэффициент пропитки.

Тепловое сопротивление между пазом и зубцом статора

Тепловое сопротивление между зубцами и ярмом статора

Л_ст=33 Вт/м·°С - коэффициент теплопроводности электротехнической стали сердечника статора.

Тепловое сопротивление между зубцовой, пазовой зоной и ярмом статора

Тепловое сопротивление между внутренней поверхностью корпуса и ярмом статора

где д_тех=0,027·10^-3 м - величина технологического зазора между сердечником и корпусом.

Тепловое сопротивление между лобовой частью и внутренним воздухом

Где

средний зазор в зоне перехода тепла между проводниками.

Тепловое сопротивление между зубцами и воздушным зазором

Тепловое сопротивление между внутренней поверхностью свисающих частей корпуса и подшипниковыми щитами

Тепловое сопротивление внешней поверхности корпуса и щитов

Греющие потери

Приведение электрических потерь в обмотке статора к допустимой рабочей температуре

где k_Иq=1,1 - коэффициент приведения электрических потерь к допустимой рабочей температуре класса изоляции F.

Потери в пазовой части обмотки статора

Потери в лобовой части обмотки статора

Потери в зубцовой зоне статора

Потери в ярме статора

Потери в роторе

Расчет перегревов закрытого двигателя с естественным охлаждением

Система уравнения для расчета перегревов активных частей двигателя относительно корпуса

где - тепловая проводимость.

Перегревы активных частей по отношению к корпусу

В результате решения системы уравнения определяем перегревы активных частей по отношению к корпусу электрической машины:

И₁=28,4 °С - перегрев пазовой части обмотки статора;

И₂=30,001 °С - перегрев лобовой части обмотки статора;

И₃=10,55 °С - перегрев узла статора;

И₄=14,078 °С - перегрев зубцовой зоны статора;

И₅=8,264 °С - перегрев ярма сердечника статора;

И₆=51,001 °С - перегрев ротора.

Перегревы корпуса (станины) электрического двигателя

Перегрев активных частей двигателя

Перегрев пазовой части обмотки статора



Перегрев лобовой части обмотки статора

Перегрев зубцов сердечника статора

Перегрев ярма сердечника статора

Перегрев воздуха внутри статора

Средний перегрев обмотки статора

Механический расчёт

Расчет вала на жесткость

Расчет вала на жесткость состоит в определении результирующего прогиба вала посередине сердечника ротора

,

где f_Т - прогиб вала от силы тяжести;

f_П - прогиб вала от реакции передачи;

f_М - прогиб вала от силы магнитного тяжения.

Прогиб вала посередине длины пакета

Зная вес ротора G, можно найти прогиб вала по середине его длины:

,

где - жесткость вала при деформации изгиба;

Па - модуль упругости для стальных валов;

- экваториальный момент инерции сечения вала;

l - расстояние между подшипниковыми опорами;

R₀ - радиус вала.

Вес ротора G = 1.02 кг.

Расстояние между подшипниковыми опорами l = 183 мм.

Диаметр вала под пакетом ротора D₀ = 2R₀ = 28 мм.

м⁴.

Н/м.

.

Прогиб вала от реакции передачи.

Прогиб вала от реакции передачи определяется по следующей формуле:

где реакция передачи

здесь r = 0,03 м - радиус окружности кулачков муфты;

k_П =0,3 - коэффициент учитывающий передачу упругой кулачковой муфтой;

М_н =14,2 Нм - наибольший вращающий момент;

с = 0,0365 м - расстояние от опорного подшипника до кулачков упругой муфты;

.

.

Прогиб вала от сил одностороннего магнитного тяжения

Установившийся прогиб вала от сил одностороннего магнитного тяжения можно определить по следующей формуле:

,

где сила одностороннего магнитного тяжения;

D₂ = 0.0822 м - внешний диаметр ротора;

e₀ = k_eд + f_T + fП =0,1·0,0004 + 2,095·10^-8 +1,95·10^-6 =4,198·10^-6м -

начальный расчетный эксцентриситет ротора;

д = 0,4 мм - величина воздушного зазора;

- коэффициент учитывающий начальный эксцентриситет ротора;

l_д = 130 мм - наибольшая длина воздушного зазора;

- коэффициент учитывающий полюсность машины.

Результирующий прогиб вала

Результирующий прогиб вала от силы тяжести ротора, реакции передачи и силы магнитного тяжения:

f = f_T + f_П + f_M = 0,0002 + 0,00195 + 0,0018 = 0,00377 мм,

Что гораздо меньше величины воздушного зазора.

Расчет вала на прочность

Расчет заключается в определении эквивалентного значения напряжения при совместном действии на вал изгибающего Ми и крутящего Мн моментов.



где d = 19 мм - наиболее напряжённое сечение вала.

При расчете вала на прочность должно соблюдаться условие:

где _Т - предел текучести стали, Па

Например, для стали марки 45 _Т = 360·10⁶ Па.

Расчет изгибающего момента

Изгибающий момент в рассматриваемом сечении вала

где - сила тяжести полумуфты.

Расчет реакции опор

Для полного анализа определим также изгибающий момент на участке вала между подшипниками. Для этого необходимо определить реакцию опоры

Значение изгибающего момента окончательно:

Окончательно



Определение критической частоты вращения

Вал электрической машины представляет собой упругую систему, в которой под действием внешних сил возбуждаются колебания. Наиболее тяжелым случаем является резонанс колебаний, когда частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных колебаний вала, нагруженного ротором. Для устойчивой работы вала необходимо, чтобы номинальная частота вращения отличалась от критической по крайней мере на 30%.

Прогиб вала от силы тяжести полумуфты

Первая критическая частота вращения

Принимаемые технические решения

Для сердечника применяем холоднокатаную изотропную электротехническую сталь 2412 по ГОСТ 21427.2-83, толщиной 0.5 мм с электроизоляционным покрытием, не ухудшающим штампуемость, имеющую высокую магнитную проницаемость и малые удельные потери при перемагничивании, благодаря высокому содержанию кремния, а также малые разнотолщинность и разноплоскостность, что позволит увеличить коэффициент заполнения пакета сталью и улучшить энергетические показатели. Применение рулонной стали, позволит механизировать процесс изготовления листов магнитопровода, путем штамповки, при этом будут сведены к минимуму отходы стали.

Ротор двигателя сборный и состоит из вала с напрессованной на него втулкой из немагнитного материала и пакета ротора с установленными в нём постоянными магнитами. Для пакета ротора применим конструкцию коллекторного типа, которая создает более высокую, чем при радиальном расположении, концентрацию магнитного потока, и позволяет уменьшить массогабаритные показатели двигателя.

Материал магнитов неодим-железо-бор, что обусловлено высокой стойкостью к размагничиванию (перемагничиванию), дешевизной и распространенностью. Данные магниты имеют высокую магнитную энергию и являются одними из наиболее перспективными в настоящее время. Показатели данного магнита достигают значения остаточной магнитной индукции Тл, коэрцитивной силы - кА/м, кДж/м, плотность - 7,4 г/см. Неодим распространён в природе в 5-10 раз более, чем, например, самарий, менее дефицитен и значительно дешевле.

Стоимость неодима в несколько раз ниже стоимости редкоземельных магнитов, хотя его энергия превышает последний в 1,5 раза. Эти магниты позволяют получить высокое значение магнитной индукции в области воздушного зазора при минимальном объёме машины. С учётом современных требований к малым габаритным размерам машины выбираем данные магниты как наиболее предпочтительные.

Для электродвигателя выбираем однозубцовую дробную обмотку с q<1. Это связано с тем, что применение однозубцовых обмоток на статоре принципиально не влияет на его конструкцию, но позволяет обеспечить повышение ряда технико-экономических показателей. Основные достоинства:

- обеспечивается большое число пар полюсов при достаточно малом диаметре расточки статора;

- снижается расход обмоточной меди и изоляции за счет уменьшения доли лобовых частей (длина лобовой части определяется практически шириной зубца);

- упрощается технология укладки обмотки, так как каждая катушка охватывает один зубец;

- укладка обмотки легко поддаётся автоматизации в условиях серийного производства.

Для изготовления обмотки применяем медный провод марки ПЭТ-155 круглого сечения, его изоляция (высокопрочная эмаль на полиэфирной основе) обеспечивает класс изоляции «F». Использование таких проводов эффективно тем, что толщина их изоляционного слоя мала (0,08 мм), что позволяет повысить коэффициент заполнения паза медью. Кроме того, эмалевая изоляция обладает высокой теплопроводностью и влагостойкостью. Повышение коэффициента заполнения паза медью влечет за собой повышение коэффициента использования активной части, которое реализовано как уменьшение ее размеров и массы.

Для пазовой изоляции применяем пленку толщиной 0,19 мм по ТУ 6-05-1974-76. Эта пленка обладает высокими электрическими и механическими свойствами, влагостойкостью, стойкостью к растворителям пропиточных лаков, к большинству кислот невысокой концентрации, к плесени. Применение такой изоляции улучшает условия теплоотдачи за счёт большей теплопроводности, уменьшение толщины изоляции повышает коэффициент заполнения паза.

Для пропитки обмотки выбираем алкидномеламиновый лак МЛ-92. Этот состав обладает невысокой стоимостью, удовлетворительной цементирующей способностью, влагостойкостью и маслостойкостью. Пропитка обмотки повышает электрическую и механическую прочность обмотки, улучшает ее теплоотдачу, которая в свою очередь, в значительной мере определяет уровень электромагнитных нагрузок, т.е. степень использования активной части машины.

Вал электрической машины изготавливается по ГОСТ 1050-74. Для вала выбираем сталь марки 45. Заготовкой для вала служит круг калиброванный по ГОСТ 7417-75. При заданной форме заготовки расход металла (при заданной длине вала) определяется только диаметром заготовки. Вал спроектирован с минимально возможными переходами от одной ступени к другой, что значительно повышает прочность вала в опасных сечениях и снижает трудоемкость механической обработки.

Для корпуса и подшипниковых щитов используем сплав Д16Т. Данный материал обладает хорошими технологическими свойствами. Корпус изготавливается методом экструзии, что повышает технологичность изделия и уменьшает его себестоимость. В верхней части корпуса размещаем разъемы для выводов обмотки статора и датчика положения ротора.

В качестве опор используем однорядные закрытые шарикоподшипники со смазкой на весь период службы электродвигателя по ГОСТ 8338-75, как наиболее распространенные и надежные. Из опыта проектирования подобных машин известно что, применение таких подшипников снижает эксплуатационные расходы и упрощает конструкцию машины.

В качестве системы охлаждения двигателя используется искусственная самовентиляция, то есть внешний обдув двигателя вентилятором, установленным на валу двигателя. Это улучшает теплоотдачу корпуса двигателя позволяя, тем самым, уменьшить массогабаритные показатели двигателя.

Предварительно примем: линейную нагрузку A=(280ч300)10² А/м., магнитную индукцию в воздушном зазоре: B_д=(0.8ч1.0)Тл. Выбор электромагнитных нагрузок является одной из основополагающих частей электромагнитного расчета. От выбора значенийА и B_дзависят массогабаритные показатели машины: чем больше эти величины, тем меньше её размеры. Однако при чрезмерных значениях, происходит насыщение участков магнитопровода машины, что приводит к увеличению потерь в стали магнитопровода и ухудшению энергетических показателей. При чрезмерном увеличении А может произойти перемагничивание полюсов ротора. Для исключения этого явления приходится увеличивать зазор. В разрабатываемом двигатели значение А и B_дзависит также от количества и характеристик применяемых постоянных магнитов. Таким образом, уровень электромагнитных нагрузок нельзя определить однозначно и поэтому выбор А и B_д на начальном этапе расчёта машины, как правило, основывается на анализе результатов полученных при разработках других аналогичных машин.

Размещено на Allbest.ru