Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Электротехника и электрические машины»

Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине

«Электрические машины»

Расчет двигателя постоянного тока

Студент гр. 12И

И.В. Соколов

Руководитель- Доцент каф. «ЭМ и ОЭ»

П.Г. Петров

Омск 2015



ВВЕДЕНИЕ

Электрические машины в общем объеме производства электротехнической промышленности занимают основное место, поэтому их технико-экономические показатели и эксплуатационные свойства имеют важное значение для экономики нашей страны.

Проектирование электрических машин соединяет в себе знание процессов электромеханического преобразования энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров-электромехаников, создающих новую или улучшающих уже выпускаемую машину, а также умение применять вычислительную технику.

Двигатели постоянного тока допускают плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне, характеризуются высокими пусковыми и перегрузочными моментами. Это определило их распространение в приводах, требующих изменения частоты вращения или специальных скоростных характеристик: в станкостроении, электрическом транспорте и в других отраслях народного хозяйства.

1. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯПОСТОЯННОГО ТОКА

Разработка любого изделия всех отраслей промышленности определяется техническим заданием, в котором устанавливаются основное назначение, технические характеристики, показатели качества и технико-экономические требования, предъявляемые к проектируемому изделию.

За основу конструкции принять машину постоянного тока серии 2П с параллельным возбуждением без стабилизирующей обмотки (см.рис. П.1.).Исполнение двигателя по степени защиты - IP22; способ охлаждения - самовентиляция ICO1; режим работы - продолжительный; класс изоляции по нагревостойкости - В; исполнение по форме монтажа - с горизонтальным валом, лапами вниз.

В качестве исходных данных для выполнения данной курсовой работы, посвященной отдельным вопросам расчета двигателя постоянного тока (ДПТ), будут служить значения:

Pн - 55 кВт;

Uн - 440 Вт;

nн - 750 об/мин;

h - 315 мм.



2. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ МАШИНЫ

Машины постоянного тока имеют единую шкалу высоты оси вращения. При заданной высоте оси вращения h внешний диаметр корпуса машины не может превышать размера 2h,м:

, (2.1)

Предварительное значение диаметра якоря, м,

, (2.2)

где µ = 1 - относительная радиальная высота магнитной системы.

Истинное значение электромагнитной мощности можно определить только после полного расчета электрической машины - на этапе расчета ее характеристик, поэтому ее предварительное значение P?определяется по номинальной мощности Pни принятому значению КПД?[4, рис. 2.1], кВт:

, (2.3)

Расчетная длина якоря, м,



, (2.4)

обмотка паз якорь магнитный

где ?? - коэффициент полюсного перекрытия[4, рис. 2.2];A - линейная нагрузка[4, рис. 2.3], А/м;B? - индукция в воздушном зазоре[4, рис. 2.4], Тл.

Увеличение электромагнитных нагрузок AиB?приводит к улучшению использования объема якоря.

Однако с ростом линейной нагрузкиAувеличивается нагрев якоря и машины, ухудшается коммутация, с повышениемB?насыщаются отдельные участки магнитной цепи.

При выборе линейных нагрузок необходимо учитывать, что для хорошо охлаждаемых машин можно выбрать более высокие значения линейных нагрузок; для тихоходных машин, работающих с перегрузками и частыми реверсами, необходимо принимать меньшие значения линейных нагрузок.

Отношение длины магнитопровода якоря к его диаметру:

. (2.5)

Для машин общепромышленного применения рекомендованные значения ? находятся в пределах 0,4 ? ? ? 1,25. Если значение ? окажется за пределами указанного диапазона, необходимо выбрать другие значения ??, A и B?.

Число главных полюсов машин постоянного тока общего назначения в зависимости от диаметра.

2p=4

Полюсное деление, м,

. (2.6)

Расчетная ширина полюсного наконечника, м,

(2.7)

Действительная ширина полюсного наконечника при эксцентричном зазоре равна расчетной ширине, м:

(2.8)



3. РасчетОБМОТКИ и пазовЯКОРЯ

Тип обмотки и число параллельных ветвей определяются исходя из принятого числа главных полюсов 2ри тока параллельной ветви Ia.

Предварительное значение тока двигателя, А,

; (3.1)

ток якоря ,А,

. (3.2)

Значения коэффициента kв, определяющего отношение тока возбуждения к току якоря, kв=0,04[4, табл. 3.1].

Ток параллельной ветви, А,

(3.3)

где a - число параллельных ветвей, определяется исходя из допустимого тока параллельной ветви Ia?250 ?300 А.

Предварительное общее число эффективных проводников обмотки якоря

. (3.4)

По соотношению Z?/2p, рассчитывается число пазов якоря, Z?/2p= 12.

. (3.5)

Число пазов якорядолжно находиться в следующем диапазоне:

; (3.6)

, (3.7)

где tZ1max, tZ1min- зубцовый шаг, крайние пределы которого определяются для различных высот вращения из соотношений, tZ1max=35, tZ1min = 15.

Зубцовый шаг для выбранного Z



(3.8)

Число эффективных проводников в пазу

. (3.9)

При симметричной двухслойной обмотке это число проводников должно быть четным, поэтому полученное значение Nп округляется до ближайшего меньшего четного числа и окончательное значение Nопределяется по соотношению (3.9).

При диаметре якоря свыше 0,2 м применяют открытые пазы, обмотка якоря выполнена из прямоугольного обмоточного провода в видеформованных жестких секций.

Для расчета числа коллекторных пластин К целесообразно рассмотреть несколько вариантов выполнения обмотки с различным числом секционных сторон в пазухе.

Число коллекторных пластин К выбирается из [4, табл. 3.1]при условии, что число витков в секции Wс должно быть минимальным целым числом, напряжение между коллекторными пластинами Uкср не должно превышать 16 В для серийных машин без компенсационной обмотки и 30 В для машин малой мощности (до 1 кВт).



Таблица 3.1Результаты расчета числа коллекторных пластин К

Вариант выполнения обмотки
1	1	48	4	36,6
2	2	96	2	18,3
3	3	144	1,6	9,6

Внешний диаметр коллектора, м:

при открытых пазах -

Dк = (0,65? 0,7) D; (3.10)

По полученному значению принимается ближайшееDк из стандартного ряда: 56, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 125, 140, 160, 180, 200, 224, 250, 280, 315,355, 400, 450, 500, 560 мм.

Коллекторное деление, м,

. (3.11)

После выбора варианта обмотки необходимо уточнить линейную нагрузку, А/м:

. (3.12)

Корректируются длина якоря, м:

; (3.13)

окружная скорость коллектора, м/с,

; (3.14)

полный ток паза обмотки якоря, А:

. (3.15)

Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря, А/м2,

, (3.16)

Произведение A J выбирается из, AJ=.

Предварительное сечение эффективного провода, м2,

. (3.17)

Ширина зубца, м,

, (3.18)

где BZ- допустимое значение индукции в зубцахBZ= 2,4 Тл; kc- коэффициент заполнения пакета якоря сталью, kc= 0,95.

Частота перемагничивания определяется по выражению, Гц:

(3.19)

После выбора размеров паза и зубца определяется максимальная ширина проводника с изоляцией, м:

(3.20)

При скосах пазов на одно или половину зубцового деления расчетную ширину паза (3.20) необходимо уменьшить на 0,1 мм.

Предельно допустимая высота проводника с изоляцией, м,

, (3.21)

где hк- высота клина, hк = 4 мм.

По рассчитанному значению q?выбирается стандартный проводник размером aпр ? bпр марки ПЭТВП при классе изоляции B при условии (3.22) с учетом ограничений (3.20), (3.21), nэл ? 4.

. (3.22)

После проверки размещения всех проводников обмотки якоря в пазу с учетом клина, пазовой витковой изоляции уточняются размеры паза, которые округляются до ближайшей десятой доли миллиметра.

Минимальное сечение зубцов при прямоугольных пазах, м2,

. (3.23)



Рисунок 1- Эскиз пазов с параллельными стенками при креплении обмоток бандажом

Предварительное значение ЭДС для двигателя, В,

, (3.24)

Значения коэффициента kд приведены в,kд = 0,9.

Предварительное значение магнитного потока на полюс, Вб,

, (3.25)

Для магнитопровода якоря принимаем сталь марки 2312. Индукция в сечении зубцов, Тл,

(3.26)



Средняя длина лобовой части, м:

при 2р ?4 -

(3.27)

Средняя длина полувитка секций обмотки якоря, м,

, (3.28)

где lл - длина лобовой части, м; lп- длина якоря, м.

Полная длина обмотки якоря, м,

, (3.29)

Сопротивление обмотки якоря при температуре?=20°С, Ом,

(3.30)

Сопротивление обмотки якоря при ?=75°С, Ом,

; (3.31)

масса меди обмотки якоря, кг,

(3.32)

Обмотки якоря подразделяются на волновые и петлевые. В зависимости от схем соединения каждая из них подразделяется на простые и сложные. Тип обмотки якоря выбирается согласно рекомендациям, приведенным в источнике [2].Соотношения размеров и схемы обмоток характеризуются двумя частичными и результирующими шагами, шагом по коллектору и шагом по пазам якоря[3]. Частичные шаги (y1иy2) и результирующий шаг у измеряются в элементарных пазах.

Число элементарных пазов Zэ, число секций во всей обмотке якоря S, число пластин коллектора К и число пазов якоря Z связаны соотношением:

Zэ = S = К = Z•uп. (3.33)

Схемы обмоток якорей машин постоянного тока изображают на чертежах в виде развернутых схем. Их изображение имеет ряд особенностей, связанных с тем, что каждая катушка обмотки якоря состоит из нескольких секций и имеет столько пар выводных концов, сколько секций содержится в ней. Выводные концы секций соединены с пластинами коллектора. Поэтому на схеме обмотки якоря нужно показывать пазовые части катушки одной линией, а лобовые части каждой секции - отрезками, соединенными с концами пазовой части и с пластинами коллектора.

В простых петлевых обмотках якоря результирующий шаг равен шагу по коллектору:

у = ук = у1 - у2 = ± 1. (3.34)

Большее распространение получили обмотки с у = 1, так как при у = - 1 лобовые части секций несколько удлиняются и в них возникает дополнительное перекрещивание выводных концов.

Первый частичный шаг петлевой обмотки выбирают близким к полюсному делению:

у1 = Zэ/ 2p ± ?, (3.35)

где ? - наименьшее число (или дробь), при котором у1 выражен целым числом, кратным числу uп.

По полученным данным необходимо построить схему обмотки.



4. Расчет магнитной цепи

Рисунок 2- Полюсный наконечник главного полюса

Предварительное значение внутреннего диаметра якоря, м:

. (4.1)

Высота спинки якоря, м:

(4.2)

Для сердечника главных полюсов принимается сталь марки 3411 толщиной 0,5 мм, коэффициент заполнения сталью kс=0,95.

Коэффициент рассеяния ?г= 1,15 при 2p = 2, ?г= 1,2 при 2p = 4, ?г= 1,25 при 2p = 6. Длина сердечника lг = l?. Ширина выступа полюсного наконечника bг.в. = 0,1bp.

Ширина сердечника главного полюса, м:

, (4.3)

Индукция в сердечнике главного полюса, Тл:

. (4.4)

Для стали марки 3411 допустимым значением индукции является Вг=1,6 - 1,7 Тл.

Сечение станины, м2:

, (4.5)

где Вс- индукция в станине, Вс=1,3 Тл.

Расчетная длина станины для машин постоянного тока, м:

(4.6)

где lг - длина главного полюса.

Высота станины hс определяется по формуле, м:

(4.7)

Внутренний диаметр станины, м:

(4.8)

Высота главного полюса, м:

(4.9)

где ? - воздушный зазор, ? =.

Сечение воздушного зазора, м2:

. (4.10)

Длина стали якоря, м:

(4.11)

Сечение спинки якоря, м2:

(4.12)

Сечение сердечника главного полюса, м2:

(4.13)

Коэффициент воздушного зазора, учитывающий наличие пазов на якоре:

для пазов прямоугольной формы -

(4.14)

Расчетная длина воздушного зазора, м:

(4.15)

Длина магнитной линии в зубцах якоря, м:

для пазов прямоугольной формы -

(4.16)

Длина магнитной линии в спинке якоря, м:

(4.17)

Длина магнитной линии в сердечнике главного полюса, м:

(4.18)

Воздушный зазор между главным полюсом и станиной, м:

(4.19)

Длина магнитной линии в станине, м:

. (4.20)

Индукция в воздушном зазоре, Тл:

(4.21)

Индукция в сечении зубцов якоря, Тл:

(4.22)

Индукция в спинке якоря, Тл:

(4.23)

Индукция в сердечнике главного полюса, Тл:

(4.24)

Для стали марки 3411 допустимое значение индукцииВг=1,6 - 1,7 Тл.

Индукция в станине, Тл:

(4.25)

Индукция в воздушном зазоре между главным полюсом и станиной, Тл:

(4.26)

Магнитное напряжение воздушного зазора, А:

. (4.27)

Коэффициент вытеснения потока

(4.28)

Магнитное напряжение зубцов якоря, А:

, (4.29)

где Hzопределяется по Bzдля стали марки 2312[2, табл. П.1.8].

Магнитное напряжение ярма якоря, А:

, (4.30)

где Hjопределяется по Bjдля стали 2312[2, табл. П.1.8].

Магнитное напряжение сердечника главного полюса, А:

, (4.31)

где Hг определяется по Bг для стали 3411[2, табл. П.1.16].

Магнитное напряжение воздушного зазора между главным полюсом и станиной, А:

. (4.32)

Магнитное напряжение станины, А:

(4.33)

где Hс определяется по Bс для массивной стали Ст3[2, табл. П.1.15].

Суммарная МДС на полюс, А:

. (4.34)

МДС переходной характеристики, А:

. (4.35)

Аналогичным образом проводится расчет для участков магнитной цепи при значениях магнитного потока в воздушном зазоре от 0,5Ф?н до 1,15 Ф?н.

Результаты расчета сводятся в табл. 4.1.

По данным табл. 4.1 строятся характеристика намагничивания B? = f(F?) и переходная характеристикаB? =f(F?zj)машины постоянного тока.

Таблица 4.1 Расчет характеристик намагничивания машины

Расчетная величина	Расчетная формула	Единица измерения	0,5Ф?н	0,75Ф?н	0,9Ф?н	Ф?н	1,1Ф?н	1,15Ф?н
1	2	3	4	5	6	7	8	9
ЭДС	E	В	198	297	356,4	396	435,6	455,4
Магнитный поток		Вб	0,020625	0,030937	0,03712	0,04125	0,04537	0,047437
Магнитная индукция в воздушном зазоре		Тл	0,388681	0,583022	0,69962	0,77736	0,85509	0,89396
МДС воздушного зазора		А	469,527	704,291	845,149	939,054	1032,96	1079,91
Магнитная индукция в зубцах якоря		Тл	1,1689	1,7534	2,104	2,3379	2,5717	2,6886
Напряженность магнитного поля в зубцах якоря для стали 2312	HZ	А/м	360	10600	65500	248000	296000	296000
Магнитное напряжение		А	12,6	371	2292,5	8680	10360	10360
Магнитная индукция в спинке якоря		Тл	0,5182	0,7773	0,9327	1,0364	1,14	1,19
Напряженность магнитного поля в спинке якоря для стали 2312	Hj	А/м	77	131	205	264	340	390
Магнитное напряжение спинки якоря		А	7,78085	13,23755	20,71525	26,6772	34,357	39,4095
Магнитный поток главного полюса		Вб	0,02475	0,037125	0,04455	0,0495	0,05445	0,056925
Магнитная индукция в сердечнике главного полюса		Тл	0,619	0,928	1,114	1,238	1,361	1,423
Напряженность магнитного поля в сердечнике главного полюса	Hг	А/м	170	170	220	310	450	540
Магнитное напряжение сердечникаглавного полюса		А	18,972	18,972	24,552	34,596	50,22	60,264
Магнитная индукция в воздушном зазоре между главным полюсом и станиной		Тл	0,619	0,928	1,114	1,238	1,361	1,423
Магнитное напряжение воздушного зазора между станиной и главным полюсом		А	37,62	56,43	67,716	75,24	82,764	86,526
Магнитная индукция в станине		Тл	0,64994	0,97492	1,1699	1,2998	1,4298	1,49487
Напряженность магнитного поля в станине	Hс	А/м	525	885	1207	1555	2230	2800
Магнитное напряжение станины		А	130,2	219,48	299,336	385,64	553,04	694,4
Сумма значений магнитного напряжения всех участков магнитной цепи		А	676,7	1383,41	3549,96	10141,207	12113,34	12320,5124
Сумма значений магнитного напряжения участков переходного слоя		А	489,908	1088,528	3158,36	9645,73	11427,31	11479,322

5. РАСЧЕТ ОБМОТКИ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Рисунок 3- Переходная характеристика

При нагрузке под действием реакции якоря магнитное поле в воздушном зазоре искажается: под одним краем полюса индукция уменьшается, под другим возрастает. Точки d и f откладываются от ординаты ab на расстоянии0,5Abp (bp- ширина полюсной дуги). Ордината ab равна B? для Ф?н(см. табл. 4.1).

Ординатой de определяется B?min, а ординатой fh - B?max.

Среднее значение индукции определяется по уравнению, Тл:

. (5.1)

Необходимая МДС параллельной обмотки, А,

(5.2)



Средняя длина витка обмотки, м,

(5.3)

где ?из-толщина изоляции катушки, ?из = 0,5 ? 0,8·10-3 м.

Размеры катушек ориентировочно могут быть приняты в зависимости от диаметра якоря.

Сечение меди параллельной обмотки, мм2,

, (5.4)

где a- число параллельных ветвей обмотки параллельного возбуждения, a= 1; kз - коэффициент запаса, kз = 1,1 - 1,2;- удельное сопротивление меди, Ом·м.

Для выполнения обмотки возбуждения принимается стандартный круглый медный провод марки ПЭТВ с сечением qв ?q?в, диаметром без изоляции d и диаметром с изоляцией dиз[2, табл. П.3.1].

Для расчета числа витков необходимо задаться плотностью тока Jв в обмотке возбуждения. Средние значения Jв могут быть приняты равными
(4,5 - 6)·106 А/м2 при исполнении по степени защиты IP22.

Число витков обмотки на один полюс



(5.5)

где - номинальный ток возбуждения.

Исходя из предыдущего, определяем номинальный ток возбуждения, А,

(5.6)

Плотность тока в обмотке, А/м2,

(5.7)

Полная длина обмотки, м,

. (5.8)

Сопротивление обмотки возбуждения при ?=20°С, Ом,



. (5.9)

Сопротивление обмотки возбуждения при ?=75°С, Ом,

(5.10)

Масса меди обмотки возбуждения, кг,

(5.11)



6. КОЛЛЕКТОР И ЩЕТКИ

Ширина нейтральной зоны, м,

. (6.1)

Принимается ширина щетки, м:

при простой петлевой обмотке -

bщ=(uп+0,5)tk (6.2)

Принятое значение ширины щетки округляется до ближайшего стандартного размера bщ[2, табл. П.4.1].

Марка щетки определяется условиями работы. Для генераторов и двигателей со средними и затрудненными условиями коммутации принимается марка щетки ЭГ14 с плотностью тока Jщ=11 A/см2искоростью по коллектору ?к=40 м/с.

Поверхность соприкосновения щетки с коллектором,м2,

(6.3)

При допустимой плотности токаJщ =11·104 А/м2 число щеток

. (6.4)

По выбранным размерам щеток bщ,lщ и Nщ определяют фактическую контактную площадь и уточняют плотность тока в щеточном контакте Jщ.

Поверхность соприкосновения всех щеток с коллектором,м2,

. (6.5)

Плотность тока под щетками, А/м2,

. (6.6)

Активная длина коллектора при шахматном расположении щеток по длине коллектора, м,

. (6.7)



7. РАСЧЕТ ДОБАВОЧНЫХ ПОЛЮСОВ

МДС обмотки добавочного полюса, А,

. (7.1)

Число витков обмотки на один добавочный полюс

(7.2)

где ад - число параллельных ветвей обмотки добавочного полюса, ад = 1.

Число витков округляется до ближайшего целого числа.

Предварительное сечение проводников, м2,

(7.3)

где Jд- плотность тока при IP22, Jд= (4,5 ? 6,5)106 А/м2.

Выбирается проводник обмотки добавочных полюсов из провода ПСД стандартного сечения [2, табл. П.3.1].

Сердечник добавочного полюса, м:

lд =laпри D> 0,132 м;

lд =la- (5 ? 10)·10-3при D ?0,132 м.

Ширина сердечника bд выбирается из рис. 7.1.

Средняя длина витка обмотки добавочного полюса, м,

(7.4)

где bд и lд - ширина и длина сердечника добавочного полюса; bктд- ширина катушки добавочного полюса;?из -односторонний размер зазора между сердечником добавочного полюса и катушкой с учетом изоляции сердечника, ?из = (1,7 ? 2,2)·10-3 м.

Полная длина проводников обмотки, м,

(7.5)

Сопротивление обмотки добавочных полюсов при ? =20°С, Ом,

(7.6)

Сопротивление обмотки добавочных полюсов при ? =75°С, Ом,

. (7.7)

Масса меди обмотки добавочных полюсов

(7.8)



8. ПОТЕРИ И КПД

Электрические потери в обмотке якоря при ? =75°С, Вт,

(8.1)

Электрические потери в обмотке добавочных полюсов, Вт,

(8.2)

Электрические потери в параллельной обмотке возбуждения, Вт,

(8.3)

Электрические потери в переходном контакте щеток, Вт,

(8.4)

где 2?Uщ= 2,5В для щеток марки ЭГ-14.

Потери на трение щеток о коллектор, Вт,

(8.5)



где pщ - давление на щетку (для щетки марки ЭГ-14 pщ= 3·104Па);f- коэффициент трения щетки, f = 0,2;?к - окружная скорость коллектора, м/с.

Масса стали ярма якоря определяется по формуле, кг:

(8.6)

Условная масса стали зубцов якоря, кг,

(8.7)

Магнитные потери в стали зубцов и ярма якоря, Вт,

(8.8)

где ?1,0/50 - удельные потери в стали, ?1,0/50 = 1,785Вт/кг;? - коэффициент пропорциональности, ? = 2.

Добавочные потери, Вт,

(8.9)

Сумма потерь, Вт,

. (8.10)

Потребляемая мощность, Вт,

(8.11)

Коэффициент полезного действия

(8.12)



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения расчета и проектирования, был произведен расчет основных параметров двигателя постоянного тока. Были получены навыки проектирования типовой схемы двигателя.

Двигатели постоянного тока допускают плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне, характеризуются высокими пусковыми и перегрузочными моментами. Это определило их распространение в приводах, требующих изменения частоты вращения или специальных скоростных характеристик: в станкостроении, электрическом транспорте и в других отраслях народного хозяйства.



Библиографический список

1. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под общей ред. И. П. Копылова Б. К. Клокова. М.: Энергоатомиздат, 1989. Т. 1. 456 с.

2. Копылов И. П.Проектирование электрических машин / И. П. Копылов Б. К. Клоков В. П. Морозкин. М.: Высшая школа, 2005. 767 с.

3. Вольдек А. И. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы / А. И. Вольдек, В. В. Попов. СПб.: Питер, 2008. 320 с.

4. Расчет двигателя постоянного тока. Методические указания к выполнению курсовой работы / П. Г. Петров, Е. А. Третьяков; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2014. 43с

Размещено на Allbest.ru