Расчёт авиационного реверсивного электрического двигателя с последовательным возбуждением

Размещено на http://www.allbest.ru/

КАТК - филиал МГТУ ГА

Курсовой проект

тема «Расчёт авиационного реверсивного электрического двигателя с последовательным возбуждением»

по дисциплине «БЭМВС»

Разработала: Матвеева М.С.

Группа: «35э»

Руководитель: Кузьмин Е.И.

Кирсанов 2013

Содержание

Введение

Раздел 1. Коллекторный двигатель

1.1 Основные сведения

1.2 Пуск двигателя

1.3 Двигатель последовательного возбуждения»

Раздел 2. Расчёт авиационного реверсивного электрического двигателя с последовательным возбуждением

2.1 Выбор основных размеров

2.2 Расчёт обмотки якоря

2.3 Размеры магнитопровода

2.4 Расчёт последовательной обмотки возбуждения

2.5 Коллектор и щетки

Заключение

Используемая литература



Введение

электродвигатель обмотка магнитопровод последовательный

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 (15ч30 мин.) высокий коэффициент использования (до 18 часов в сутки), и большой срок службы между капитальными ремонтами (4000ч5000 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 курсом 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.

Для всего выше изложенного были использованы работы Л.А, Ломоносовой, В.А. Паля, Д.А. Городского, М.П. Костенко и др. по теоретическим исследованиям и физическим интерпретациям параметров коллекторных машин.



Раздел 1. Коллекторные машины

1.1 Основные сведения

Коллекторные машины обладают свойством обратимости, т. е. они могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока, то в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре электромагнитный момент М, который является не тормозящим, как это имело место в генераторе, а вращающим.

Под действием электромагнитного момента якоря машина начнет вращаться, т. е. машина будет работать в режиме двигателя, потребляя из сети электрическую энергию и преобразуя ее в механическую. В процессе работы двигателя его якорь вращается в магнитном поле. В обмотке якоря индуцируется ЭДС Еа, направление которой можно определить по правилу «правой руки». По своей природе она не отличается от ЭДС, наводимой в обмотке якоря генератора. В двигателе же ЭДС направлена против тока Iа, и поэтому ее называют противоэлектродвижущей силой (противо-ЭДС) якоря (рис. 29.1).

Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения,

(рис. 29.1).

Из (29.1) следует, что подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря. На основании (29.1) ток якоря



Умножив обе части уравнения (29.1) на ток якоря Iа, получим уравнение мощности для цепи якоря:

(29.3)

где UIa -- мощность в цепи обмотки якоря; -- мощность электрических потерь в цепи якоря.

Для выяснения сущности выражения ЕаIа проделаем следующее преобразование:

Рис. 29.1. Направление проти во-ЭДС в обмотке якоря двига теля

или

Но, согласно (25.24),

Тогда



где - угловая частота вращения якоря; Рэм -- электромагнитная мощность двигателя.

Следовательно, выражение ЕаIа представляет собой электромагнитную мощность двигателя. Преобразовав выражение (29.3) с учетом (29.4), получим

Анализ этого уравнения показывает, что с увеличением нагрузки на вал двигателя, т. е. с увеличением электромагнитного момента М, возрастает мощность в цепи обмотки якоря UIa, т. е. мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным (U = const), то увеличение нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря Iа.

В зависимости от способа возбуждения двигатели постоянного тока, так же как и генераторы, разделяют на двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (магнитоэлектрические) и с электромагнитным возбуждением. Последние в соответствии со схемой включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря подразделяют на двигатели параллельного (шунтовые), последовательного (сериесные) и смешанного (компаундные) возбуждения.

В соответствии с формулой ЭДС частота вращения двигателя (об/мин)

Подставив значение Еа из (29.1), получим (об/мин)

т. е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Физически это объясняется тем, что повышение напряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности (U -- Еа) это, в свою очередь, ведет к росту тока Iа [см. (29.2)]. Вследствие этого возросший ток повышает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизменным, то частота вращения двигателя увеличивается.

Из (29.5) следует, что регулировать частоту вращения двигателя можно изменением либо напряжения U, подводимого к двигателю, либо основного магнитного потока Ф, либо электрического сопротивления в цепи якоря .

Направление вращения якоря зависит от направлений магнитного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря. Поэтому, изменив направление какой-либо из указанных величин, можно изменить направление вращения якоря. Следует иметь в виду, что переключение общих зажимов схемы у рубильника не дает изменения направления вращения якоря, так как при этом одновременно изменяется направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения.

1.2 Пуск двигателя

Ток якоря двигателя определяется формулой (29.2). Если принять U и неизменными, то ток Iа зависит от противо-ЭДС Еа. Наибольшего значения ток Iа достигает при пуске двигателя в ход. В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен (n = 0) и в его обмотке не индуцируется ЭДС (Еа = 0). Поэтому при непосредственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток

.(29.6)

Обычно сопротивление не велико, поэтому значение пускового тока достигает недопустимо больших значений, в 10--20 раз превышающих номинальный ток двигателя.

Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых, он может вызвать в машине круговой огонь, а во- вторых, при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пусковой момент, который оказывает ударное действие на вращающиеся части двигателя и может механически их разрушить. И наконец, этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети, что неблагоприятно отражается на работе других потребителей, включенных в эту сеть. Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть (безреостатный пуск) обычно применяют для двигателей мощностью не более 0,7--1,0 кВт. В этих двигателях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и небольшим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3--5 раз превышает номинальный, что не представляет опасности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности, то при их пуске для ограничения пускового тока используют пусковые реостаты (ПР), включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).

Перед пуском двигателя необходимо рычаг Р реостата поставить на холостой контакт О (рис. 29.2). 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.

Пусковой ток якоря при полном сопротивлении пускового реостата

С появлением тока в цепи якоря Inmax возникает пусковой момент Mnmax, под действием которого начинается вращение якоря. По мере нарастания частоты вращения увеличивается противо-ЭДС Еа = СеФn, 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.

Так как вращающий момент двигателя М прямо пропорционален потоку Ф [см. (25.24)], то для облегчения пуска двигателя параллельного и смешанного возбуждения сопротивление реостата в цепи возбуждения следует полностью вывести?

(= 0). Поток возбуждения Ф в этом случае получает наибольшее значение и двигатель развивает необходимый вращающий момент при меньшем токе якоря.

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

В этом двигателе обмотка возбуждения включена последовательно в цепь якоря (рис. 29.9, а), 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, т. е.. В этом случае найдем по (25.24) электромагнитный момент:

Формула частоты вращения (29.5) примет вид

Здесь Rф -- коэффициент пропорциональности.

Таким образом, вращающий момент двигателя при ненасыщенном состоянии магнитной системы пропорционален квадрату тока, а частота вращения обратно пропорциональна току нагрузки.

Рис. 29.9. Двигатель последовательного возбуждения:

а -- принципиальная схема; 6 -- рабочие характеристики; в -- механические характеристики; 1 -- естественная характеристика; 2 -- искусственная характеристика

На рис. 29.9, б представлены рабочие характеристики М = f(I) и n = f(I) двигателя последовательного возбуждения. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной системы двигателя. В этом случае магнитный поток при возрастании нагрузки практически не изменяется и характеристики двигателя приобретают почти прямолинейный характер. Характеристика частоты вращения двигателя последовательного возбуждения показывает, что частота вращения двигателя значительно меняется при изменениях нагрузки. Такую характеристику принято называть мягкой.

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.

Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения n = f(M) представлены на рис. 29.9, в. Резко падающие кривые механических характеристик (естественная 1 и искусственная 2) обеспечивают двигателю последовательного возбуждения устойчивую работу при любой механической нагрузке. Свойство этих двигателей развивать большой вращающий момент, пропорциональный квадрату тока нагрузки, имеет важное значение, особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как с постепенным увеличением нагрузки двигателя мощность на его входе растет медленнее, чем вращающий момент. Эта особенность двигателей последовательного возбуждения является одной из причин их широкого применения в качестве тяговых двигателей на транспорте, а также в качестве крановых двигателей в подъемных установках, т. е. во всех случаях электропривода с тяжелыми условиями пуска и сочетания значительных нагрузок на вал двигателя с малой частотой вращения.

Номинальное изменение частоты вращения двигателя последовательного возбуждения

(29.16)

где n[о,25] -- частота вращения при нагрузке двигателя, составляющей 25 % от 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(рис. 29.10, а). 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 (рис. 29.10,6). 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 (например, по схеме, аналогичной рис. 29.6, а). При уменьшении подводимого к двигателю напряжения его механические характеристики смещаются вниз, практически не меняя своей кривизны (рис. 29.11).

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

Рис. 29.10. Регулирование частоты вращения двигателей последовательного возбуждения

Включение реостата Rрг , шунтирующего обмотку возбуждения (рис. 29.10, в), а также уменьшение сопротивления этого реостата ведет к снижению тока возбуждения , а следовательно, к росту частоты вращения. Этот способ экономичнее предыдущего (см. рис. 29.10, а), применяется чаще и оценивается коэффициентом регулирования Обычно сопротивление реостата Rрг принимается таким, чтобы

При секционировании обмотки возбуждения (рис. 29.10, г) отключение части витков обмотки сопровождается ростом частоты вращения.

Рис. 29.11. Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения при изменении подводимого напряжения

При шунтировании обмотки якоря реостатом гш (см. рис. 29.10, в) увеличивается ток возбуждения Ib=Ia +Iш, что вызывает уменьшение частоты вращения. Этот способ регулирования, хотя и обеспечивает глубокую регулировку, неэкономичен и применяется очень редко.



Раздел 2. Расчёт авиационного реверсивного электрического двигателя с последовательным возбуждением

2.1 Выбор основных размеров

№ п/п	Исходные данные	Вариант
		4
1	Полезная мощность (Вт)	350
2	Напряжение (В)	27
3	Частота вращения (об/мин)	8000
4	КПД	не менее 0,85
5	Режим работы	Длительный с самовентиляцией

Электромагнитная мощность двигателя , где Е определяется из кривой по отношению (рис. 1).

Ток якоря I_я двигателя определяется по формуле

Рис 1. Зависимость =f(P_н)



Ток якоря I_я двигателя равен:

Исходя из графика (рис 1.) определим противо ЭДС E:

Электромагнитная мощность двигателя:

Диаметр якоря и число полюсов электродвигателя определяется по отношению из кривых (рис.2).

1, 4, 5 - повторно-кратковременный режим с естественным

охлаждением;

2 - длительный режим с естественным охлаждением;

3 - длительный режима с самовентиляцией

Рис. 2. График зависимости диаметра якоря электродвигателя постоянного тока от отношения

Рис. 3. График зависимости индукции воздушном зазоре В_б от диаметра якоря D в авиационных машинах постоянного тока.

1 - генераторы с поддувом;

2 - генераторы и двигатели с самовентиляцией;

3 - двигатели с естественным охлаждением

Рис. 4. График зависимости линейной нагрузки А авиационных машин постоянного тока длительного режима от диаметра D

Исходя из графика (рис. 2) выбираем диаметр якоря и число полюсов электродвигателя. По графику (рис. 3) - магнитную индукцию. По графику (рис. 4) определяем плотность тока в обмотках А.

= 0,04



2р=4;D=7(см);А=150();.

Примерное значение б для авиационных электродвигателей.

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

Определим длину якоря:

Полюсное деление:

Отношение длины якоря к полюсному делению должно быть в пределах (0,8 - 1,6):

2.2 Расчёт обмотки якоря

Для данного двигателя применим простую волновую обмотку. Для нее число параллельных ветвей 2а=2.

Определим магнитный поток:

Число проводов в одной параллельной ветви:



Общее число проводников обмотки якоря:

Число витков в секции W_s стремятся выбрать наименьшим, так как при этом уменьшается ЭДС в короткозамкнутой секции и улучшается коммутация. Число W_s может быть предварительно определено по кривым (рис.5).

Примем W_s=1. Определим число коллекторных пластин:

Число пазов при И_п=1:

Полное число проводников в пазу:

Сечение обмотки якоря:

Определим сопротивление обмотки якоря:

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:

Величина воздушного зазора авиационных двигателей постоянного тока

Р (Вт)	до 100	100-1000	1000-10000	10000-30000
(см)	0,015-0,02	0,025-0,03	0,035-0,08	0,06-0,1

Высота спинки якоря:

Примем высоту прямоугольного паза равной

Рассчитаем внутренний диаметр якоря:

Диаметр вала равен внутреннему диаметру якоря:

Магнитный поток, проходящий через полюсы и корпус равен:

Сечение полюса:

Длину сердечника полюса приняла равной длине якоря:

Найдем ширину полюса:

Высота полюса определяется как:

Сечение корпуса:

Длина корпуса равна:

Высота спинки корпуса (по механическим соображением не может быть меньше 3,5 мм):

Наружный диаметр машины:



Отношение наружного диаметра к диаметру якоря находится в пределах (1,4 - 1,9)

2.4 Расчёт последовательной обмотки возбуждения

Сечение меди обмотки возбуждения:

Средняя длина витка обмотки возбуждения:

Сопротивление обмотки возбуждения:

Необходимое число витков на один полюс:



МДС обмотки возбуждения на один полюс:

2.5 Коллектор и щётки

Диаметр коллектора машин постоянного тока наружным охлаждением равен:

Величина коллекторного деления равна:

Ширина коллекторной пластины:

Окружная скорость коллектора не должна превышать 50 - 55 м/с, и равна:

Общая площадь щёточного контакта одного болта:

- число пар щёточных болтов;

Ширина щётки:

Длина щётки для обеспечения хорошей коммутации не должна превышать 20 - 25 мм.

Размеры щёток уточняются по таблице ГОСТов. Для данного двигателя выберем щетки МГС-7 с размерами 8Ч5.

Число щёток на один болт равно:



Заключение

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

- размеры;

- расчёт обмотки якоря;

- расчёт обмотки возбуждения и т.д..

Полученные результаты примерно равны действительным параметрам авиационного реверсивного электрического двигателя.

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



Используемая литература

1. Ю.С. Аркуша «Электрооборудование самолётов и его эксплуатации».

2. М.М. Кацман «Электрические машины автоматических устройств».

3. Конспект лекций по предмету «Бортовое Электрооборудование Магистральных Воздушных Судов».

4. К.С. Бобов, М.В. Кравчук «Авиационные Электрические Машины»

Размещено на Allbest.ru