Расчет двигателя постоянного тока

эскиз квадранта магнитной цепи.frw

главный полюс.frw

коллекторная пластина.frw

чертеж двигателя.cdw

пояснительная записка.docx

ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Номинальная мощность – Рн = 22 кВт.
Номинальное напряжение – Uн= 340 В.
Номинальная частота вращения – nн = 1000 обмин.
Ориентировочная высота оси вращения – hов = 250 мм.
Диаметр и длина свободного конца вала – d1 × l1 = 55 × 110 мм × мм.
Способ возбуждения – параллельное со стабилизирующей последовательной обмоткой.
Класс изоляции по нагревостойкости – В.
Исполнение защищённое (IP-22 по ГОСТ 17494-72).
Способ охлаждения – аксиальная самовентиляция (ICO1 по ГОСТ 20459-75).
Номинальный режим работы – продолжительный (S1 по ГОСТ 183-74).
Исполнение по форме монтажа – с горизонтальным валом лапами вниз
(IM1001 по ГОСТ 2479-79).
Установочно-присоединительные размеры должны соответствовать ГОСТ 18709-73.
Во всём неоговоренном двигатель должен удовлетворять ГОСТ 183-74.
При конструировании принимать за основу технические решения хорошо отлаженные в промышленных сериях П и 2П.
Электромагнитный расчёт двигателя4
1. Выбор главных размеров и электромагнитных нагрузок4
2. Выбор типа обмотки и расчёт зубцового слоя якоря5
3. Выбор размеров коллектора и щёток10
4. Расчёт главной магнитной цепи13
5. Расчёт магнитной цепи коммутирующих полюсов22
Тепловой расчёт двигателя24
1. Расчёт потерь и коэффициента полезного действия в номинальном режиме24
2.Выбор конструкции и приближённый расчёт вентилятора26
3. Расчёт нагрева якоря и коллектора28
4. Расчёт нагрева обмоток возбуждения главных полюсов29
5. Расчёт нагрева обмоток коммутирующих полюсов30
Расчёт и построение рабочих характеристик30
Расчёт параметров определяющих характер переходных процессов34
Краткое обоснование и описание принятых технических решений34
Библиографический список35
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ
1. Выбор главных размеров и электромагнитных нагрузок
Номинальная угловая скорость якоря –
Ориентировочное значение коэффициента полезного действия двигателя в номинальном режиме –
Расчётная мощность двигателя –
Внешний диаметр якоря:
а) ориентировочный –
б) ближайшее большее значение выбранное из стандартного ряда –
Коэффициент полюсной дуги–
Предварительное значение линейной нагрузки якоря-
Предварительное значение индукции в воздушном зазоре под главным полюсом –
Расчётная длина сердечника –
Принятое число полюсов –
Соотношение размеров сердечника якоря –
Частота перемагничивания якоря в номинальном режиме –
в) ближайшее меньшее значение выбранное из стандартного ряда –
см. Коэффициент полюсной дуги– .
Принятое число полюсов – 2р = 4
Полюсное деление – см.
Варианты главных размеров и электромагнитных нагрузок якоря
Для дальнейших расчётов принят вариант 1.
2. Выбор типа обмотки и расчёт зубцового слоя якоря
Предварительное значение ЭДС якоря в номинальном режиме –
Расчётный ток якоря –
Расчётный ток параллельной ветви обмотки якоря –
Предварительное полное число эффективных проводников двухслойной обмотки якоря
Предварительное значение зубцового деления якоря –
(18) Предварительное число пазов якоря (округляется до целого) –
Уточнённое зубцовое деление –
Предварительное число эффективных проводников на паз –
Число витков в секции якорной обмотки –
Число коллекторных делений на паз –
Полное число коллекторных делений (предварительно) –
Шаг по коллектору для простой волновой обмотки –
К дальнейшему расчёту приняты:
Первый частичный шаг обмотки якоря –
Уточнённое значение линейной нагрузки –
Результаты уточненных расчетов в таблице 2
Предварительное значение ширины паза с параллельными стенками –
Предварительное значение глубины паза якоря –
Предварительное значение ширины зубца якоря у основания –
Коэффициент заполнения шихтованного сердечника якоря электротехнической сталью толщиной 05 мм –
Предварительное значение индукции в основании зубца –
Предварительное значение плотности тока в эффективном проводнике обмотки–
Предварительное значение площади поперечного сечения эффективного проводника –
Принятая толщина клина –
Ширина эффективного проводника в первом приближении –
Высота эффективного проводника в первом приближении –
Размеры эффективного проводника принятые по сортаменту обмоточных проводов прямоугольного сечения –
Плотность тока в принятом поперечном сечении эффективного проводника –
Ширина паза для выбранных поперечных размеров эффективного проводника –
Глубина паза для выбранных поперечных размеров эффективного проводника –
Зубцовое деление на глубине паза –
Ширина зубца у основания –
Расчётная индукция в основании зубца при выбранных размерах эффективного проводника –
Эскиз паза приведен на рис. 1
Параметры зубцового слоя якоря
Магнитный поток пары полюсов в воздушном зазоре в номинальном режиме –
Окончательное расчётное значение длины сердечника якоря –
3. Выбор размеров коллектора и щёток
Предварительный размер диаметра коллектора –
Принятый нормализованный диаметр коллектора –
Уточнённый размер коллекторного деления –
Среднее напряжение между смежными коллекторными пластинами) –
Предварительная ширина щётки –
Ширина щётки принятая по шкале размеров –
Щёточное перекрытие –
Ширина расчётной нейтральной зоны на окружности якоря –
Ширина зоны коммутации –
Предварительное значение площади контактной поверхности комплекта щёток на од-ном –
Предварительная суммарная длина контактной поверхности комплекта щёток на одном бракете –
Принятая суммарная длина контактной поверхности щёток на одном бракете –
Расчётная плотность тока под щёткой –
Длина рабочей поверхности коллектора –
Длина коллекторной пластины –
Диаметр коллектора по петушкам –
Чертеж коллекторной пластины представлен на рис. 2
4 Расчёт главной магнитной цепи.
Принятая расчётная величина индукции в сердечнике главного полюса –
Принятый коэффициент рассеяния потока в магнитной цепи главных полюсов –
Ширина сердечника главного полюса –
Предварительное значение высоты сердечника главного
Расчётная полюсная дуга –
Принятое значение величины воздушного зазора под центром главного полюса –
Толщина выступа полюсного наконечника в наименьшем сечении –
Принятая ширина выступа полюсного наконечника (обычно составляет (01 02)) –
Расчётная напряжённость магнитного поля в сердечнике –
Магнитное напряжение сердечников главных полюсов –
Коэффициент воздушного зазора под главным полюсом с приподнятыми краями –
Магнитное напряжение воздушного зазора на пару полюсов –
Зубцовое деление якоря в расчётных сечениях:
на середине высоты зубца –
Ширина зубца якоря в расчётных сечениях:
на поверхности якоря –
на середине высоты –
Площадь расчётного сечения зубцового слоя на полюсном делении якоря:
Индукция в расчётных сечениях зубцового слоя якоря:
Расчётное значение напряжённости магнитного поля в зубцах –
Магнитное напряжение зубцового слоя якоря на пару полюсов (высота зубца равна глу-бине прямоугольного паза) –
Расчётное значение внутреннего диаметра сердечника якоря –
Принятый диаметр вентиляционного канала –
Число аксиальных вентиляционных каналов -
Число рядов каналов –
Расчётная высота спинки якоря –
Расчётная площадь поперечного сечения спинки якоря –
Длина средней линии индукции в спинке якоря –
Индукция в спинке якоря –
Напряжённость магнитного поля в спинке якоря –
Магнитное напряжение спинки якоря –
Принятое значение индукции в ярме массивной станины –
Площадь сечения ярма станины –
Толщина ярма станины –
Напряжённость магнитного поля в ярме станины ( по графику на рис. 13) –
Наружный диаметр станины –
Расчётная длина средней линии индукции в станине –
Магнитное напряжение станины –
Расчётный технологический зазор на стыке между станиной и сердечником главного полюса –
Магнитное напряжение стыка на пару полюсов –
Намагничивающая сила (МДС) пары полюсов необходимая для создания номинального магнитного потока в воздушном зазоре при холостом ходе двигателя –
Магнитное напряжение контура по которому замыкается поток якоря –
Расчётная напряжённость магнитного поля в зубцовом слое якоря
Кривая намагничивания и переходная характеристика.
Размагничивающее действие поперечной реакции якоря в первом приближении –
Уточнённое размагничивающее действие поперечной реакции якоря –
Кривая намагничивания в относительных единицах где Фотн=ФФн а Fотн=F0Fн0 на рис. 3
Кривая намагничивания в относительных единицах.
Переходная характеристика для расчета размагничивающего действия поперечной реакции якоря при работе двигателя с номинальной нагрузкой на валу.
Намагничивающая сила (МДС) последовательной обмотки на пару полюсов –
Число витков последовательной обмотки на полюс –
Намагничивающая сила (МДС) параллельной обмотки с поправкой на приближённость расчётов –
Ориентировочная мощность потребляемая цепью параллельной обмотки –
Максимальный ток параллельной обмотки –
Число витков параллельной обмотки на полюс –
Ориентировочное значение плотности тока в параллельной обмотке –
Ориентировочная площадь поперечного сечения провода параллельной обмотки –
Принятые размеры поперечного сечения провода параллельной обмотки –
Расчётная плотность тока в параллельной обмотке –
Коэффициент укладки рядовой обмотки –
Полная площадь поперечного сечения параллельной обмотки в окне между главным и коммутирующим полюсами –
Ориентировочное значение плотности тока в последовательной обмотке – (Амм2) (129)
Ориентировочная площадь поперечного сечения провода последовательной обмотки –
Принятые размеры неизолированного провода для последовательных
обмоток в цепи якоря –
Расчётная плотность тока в обмотках включённых последовательно в цепь якоря –
Площадь поперечного сечения катушки последовательной обмотки в окне между глав-ным и коммутирующим полюсами –
Основные результаты расчета главной магнитной цепи и уточненные параметры обмоток возбуждения в таблице 5.
Параметры главной магнитной цепи и обмоток возбуждения
Эскиз квадранта поперечного сечения магнитной цепи двигателя на рис. 5
5. Расчёт магнитной цепи коммутирующих полюсов
Расчётная длина лобовых частей полусекции обмотки якоря –
Приведённая удельная магнитная проводимость для потоков рассеяния на один паз якоря –
Усреднённое значение реактивной ЭДС в коммутируемой секции –
Индукция в воздушном зазоре под коммутирующим полюсом –
Магнитный поток в воздушном зазоре под коммутирующим полюсом –
Принятое значение коэффициента рассеяния потока коммутирующих полюсов –
Магнитный поток в сердечнике коммутирующего полюса –
Воздушный зазор под коммутирующим полюсом –
Ширина наконечника коммутирующего полюса –
Расчётная длина сердечника коммутирующего полюса –
Индукция в сердечнике –
Наибольшее значение индукции в станине –
Коэффициент воздушного зазора для коммутирующих полюсов –
Магнитное напряжение воздушного зазора на пару коммутирующих полюсов –
Намагничивающая сила пары коммутирующих полюсов –
Число витков катушки коммутирующего полюса –
Площадь поперечного сечения катушки в междуполюсном окне –
Результаты расчета магнитной цепи коммутирующих полюсов представлены в таблице 6
Результаты расчета магнитной цепи коммутирующих полюсов
ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ДВИГАТЕЛЯ
1. Расчёт потерь и коэффициента полезного действия в номинальном режиме
Сопротивление обмотки якоря при рабочей температуре –
Потери в обмотке якоря –
Средняя длина витка параллельной обмотки возбуждения –
Сопротивление параллельной обмотки возбуждения при рабочей температуре –
Потери в параллельной обмотке возбуждения –
Средняя длина витка последовательной (стабилизирующей) обмотки возбуждения –
Сопротивление последовательной обмотки возбуждения –
Потери в последовательной обмотке возбуждения –
Средняя длина витка обмотки коммутирующих полюсов –
Сопротивление обмотки коммутирующих полюсов –
Потери в обмотке коммутирующих полюсов –
Электрические потери в скользящем контакте щётки-коллектор –
стали зубцового слоя якоря –
Фактор магнитных потерь учитывающий изменение свойств стали марки 2013 в зави-симости от частоты перемагничивания при индукции 1 Тл и особенности технологического процесса изготовления якоря –
Потери в стали зубцов якоря –
Потери в стали спинки якоря –
Суммарная площадь контактной поверхности щёток –
Окружная скорость коллектора –
Потери на трение в скользящем контакте –
Механические потери –
Добавочные потери –
Сумма всех потерь –
Расчётный коэффициент полезного действия –
Потери мощности и коэффициент полезного действия в номинальном режиме
2. Выбор конструкции и приближённый расчёт вентилятора
Наружный диаметр колеса вентилятора –
Внутренний диаметр колеса –
Осевая длина лопатки вентилятора –
Ориентировочное число лопаток –
Окружная скорость по наружному диаметру колеса вентилятора –
Окружная скорость по внутреннему диаметру –
Необходимое количество охлаждающего воздуха –
Аэродинамическое сопротивление воздухопровода машины –
Необходимый рабочий напор вентилятора –
Напор вентилятора при закрытых входных отверстиях воздухопровода –
Площадь окна для прохода воздуха на внешнем диаметре колеса вентилятора –
Максимальная скорость воздуха обеспечиваемая вентилятором –
Рис. 6 Совмещенные характеристики вентилятора и воздухопровода.
. Ориентировочное значение скорости охлаждающего воздуха по оси машины –
3. Расчёт нагрева якоря и коллектора
Периметр изоляции паза якоря –
Перепад температуры в пазовой изоляции обмотки якоря –
Удельный тепловой поток теплорассеивающей поверхности сердечника якоря –
Окружная скорость якоря –
Расчётная скорость воздуха охлаждающего поверхность якоря –
Коэффициент теплоотдачи поверхности сердечника якоря –
Превышение температуры сердечника якоря –
Удельный тепловой поток теплорассеивающей поверхности лобовых частей обмотки якоря –
Коэффициент теплоотдачи поверхности лобовых частей обмотки якоря –
Превышение температуры лобовых частей обмотки якоря –
Среднее превышение температуры обмотки якоря –
Удельный тепловой поток теплорассеивающей поверхности коллектора –
Превышение температуры коллектора –
4. Расчёт нагрева обмоток возбуждения главных полюсов
Периметр обдуваемой охлаждающим воздухом поверхности катушек обмотки –
Площадь обдуваемой охлаждающим воздухом поверхности катушек –
Удельный тепловой поток с теплорассеивающей поверхности обмотки возбуждения –
Коэффициент теплоотдачи поверхности обмоток возбуждения –
Превышение температуры поверхности обмоток возбуждения –
Средний коэффициент теплопроводности по ширине катушки пропитанной компаунд-ной массой –
Перепад температуры внутри катушки –
Перепад температуры в наружной изоляции катушки –
Превышение температуры наиболее нагретых областей обмоток возбуждения –
5. Расчёт нагрева обмоток коммутирующих полюсов
5.1 Нагрев однослойных катушек
Периметр обдуваемой охлаждающим воздухом поверхности катушек –
Удельный тепловой поток –
Коэффициент теплоотдачи для неизолированной поверхности –
Превышение температуры поверхности изолированных катушек –
Превышение температуры наиболее нагретых областей многослойной обмотки комму-тирующих полюсов –
Основные результаты теплового расчёта
Расчёт и построение рабочих характеристик
Номинальный ток якоря –
Номинальный ток возбуждения –
Результаты расчёта рабочих характеристик двигателя
Результирующая намагничивающая сила на пару полюсов в относительных единицах –
Угловая скорость якоря –
Ток потребляемый двигателем –
Потребляемая мощность –
Потери в роторе при холостом ходе –
Ток якоря при холостом ходе –
Мощность на валу двигателя –
Коэффициент полезного действия –
Рабочие характеристики
Расчёт параметров определяющих характер переходных процессов
Динамический момент инерции ротора –
Электромеханическая постоянная времени –
Индуктивность цепи якоря некомпенсированного двигателя –
Электромагнитная постоянная времени цепи якоря –
Индуктивность параллельной обмотки в режимах близких к номинальному -
Сопротивление цепи возбуждения в номинальном режиме
Постоянная времени цепи возбуждения
Краткое обоснование и описание принятых технических решений
При выполнении курсового проекта вставали вопросы проектирования некоторых узлов и элементов двигателя постоянного тока. В частности выполнение устройства коллектора машины зазоров между катушками параллельной и последовательной обмоток и якорем обмоткодержателя увеличение внешнего диаметра одного из колец вентилятора уменьшение зазора между вентилятором и корпусом машины.
Коллектор состоит из медных пластин изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. Пластины имеют трапецеидальное сечение и вместе с прокладками составляют кольцо которое скрепляется с помощью нажимных фланцев стянутых стяжными болтами. От нажимных фланцев пластины коллектора изолируются миканитовыми коллекторными манжетами. Собранный коллектор крепится на валу с помощью шпонки. Для уменьшения расхода материала и улучшения охлаждения машины коллектор крепится с помощью литых спиц.
В зазоры между катушками параллельной и последовательной обмоток и якорем загоняются клинья которые обеспечивают технологический радиус закругления витков обмотки тем самым сохраняя их изоляцию неповрежденной.
В конструкции обмоткодержателя ребра имеют трапецеидальный вид что позволяет уменьшить длину кольца с помощью которого обмоткодержатель крепится к шпонке а также размер самой шпонки.
Охлаждение рабочих частей машины происходит с помощью центробежного вентилятора. Воздух засасывается через решетку расположенную в противоположной стороне от вентилятора проходит параллельно якорю и выбрасывается в решетку расположенную под вентилятором. Для того чтобы горячий воздух не возвращался обратно в машину увеличивают внешний диаметр кольца вентилятора. Также уменьшают зазор между вентилятором и корпусом машины обеспечивая при этом сокращение материала и уменьшение габаритов электрической машины.
Библиографический список
Справочник по электрическим машинам. Том 1 Под общей редакцией И. П. Копылова и Б. К. Клокова. М.: Энергоатомиздат. 1988. 456 с.
Справочник по электрическим машинам. Том 2 Под общей редакцией И. П. Копылова и Б. К. Клокова. М.: Энергоатомиздат. 1989. 688 с.
Алексеев Ю. В. Рабинович А. А.. Краново-металлургические и экскаваторные двига-тели постоянного тока: Справочник М.: Энергоатомиздат. 1985. 168 с.
Тембель П. В. Геращенко А. А. Справочник по обмоточным данным электрических машин и аппаратов. – К.: Технiка. 1982. 475 с.
Лившиц П. С. Справочник по щеткам электрических машин. – М.: Энергоатомиздат. 1983. 216 с.
Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов Под редакцией И. П. Копылова. – М.: Энергия. 1980. 496 с.
Проектирование электрических машин. Изд. четвёртое переработанное и дополнен-ное Под ред. И. П. Копылова. – М. : Высшая школа. 2005. 767 с.
Гольдберг О. Д. Гурин Я. С. Свириденко И. С. Проектирование электрических машин: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа. 1984. 431 с.
Сергеев П. С. Виноградов Н. В. Горяинов Ф. А. Проектирование электрических машин. – М.: Энергия. 1969. 632 с.
Гурин Я. С. Курочкин М. Н. Проектирование машин постоянного тока. – М. Л.: ГЭИ. 1961. 351 с.
Рабинович И. Н. Шубов И. Г. Проектирование машин постоянного тока. – Л.: Энергия. 1967. 504 с.
Шуйский В. П. Расчет электрических машин. – Л.: Энергия. 732 с.
Борисенко А. И. Данько В. Г. Яковлев А. И. Аэродинамика и теплопередача в электрических машинах. М.: Энергия. 1974.
Виноградов В. И. Вентиляторы электрических машин. – Л.: Энергоиздат. 1981. 200 с.
Ермолин Н. П. Расчет коллекторных машин малой мощности. – Л.: Энергия. 216 с.
Терзян А. А. Автоматизированное проектирование электрических машин. – М.: Энергоатомиздат. 1983. 256 с.
Автоматизированное проектирование электрических машин Под редакцией Ю. Б. Бородулина. – М.: Высшая школа. 1989. 280 с.
Жерве Г. К. Обмотки электрических машин. – Л.: Энергоатомиздат. 1989. 400 с.
Кучера Ярослав Гапл Йозеф. Обмотки электрических вращательных машин. – Издательство Чехословацкой Академии наук. Прага. 1963. 981 с.
Видеман Е. Келленбергер В. Конструкции электрических машин. – Л.: Энергия. 1972. 520 с.
Алексеев А. Е. Конструкция электрических машин. – М.; Л.: ГЭИ. 1958. 427 с.
Гурин Я. С. Кузнецов Б. И. Проектирование серий электрических машин. – М.: Энергия. 1978. 479. с.
Александров К. К. Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. – М.: Энергоатомиздат. 1990. 285 с.
Александров К. К. Кузьмина Е. Г. Электротехнические чертежи и схемы. Второе издание исправленное и дополненное. – М.: Издательство МЭИ. 2004.
Электротехнический справочник. Том 1 Под общ. Ред. П. Г. Грудинского и др. – М.: Энергия. 1974. 776 с.
Петров Г. Н. Электрические машины. Часть третья. – М.: Энергия. 1968. 224 с.
Битюцкий И. Б. Новые методы расчёта и наладки коммутации машин постоянного тока. – Новочеркасск.: Изв. вузов. Электромеханика. 2003. 225 с.
Битюцкий И. Б. Калинин М. С. TCoRV Расчёт реактивной ЭДС коммутации при тангенциальном расположении секций обмотки в пазах якоря Свидетельство об официаль-ной регистрации программы для ЭВМ № 2003610294. РОСПАТЕНТ. 31.01.2003 г. Бюл. 2003 № 2.
Антонов М. В. Герасимова Л. С. Технология производства электрических машин. – М.: Энергоиздат. 1982. 511 с.
Осьмаков А. А. Технология и оборудование производства электрических машин. – М.: Высшая школа. 1980. 312 с.
Виноградов Н. В. Производство электрических машин. – М.: Энергия. 1970. 288 с.

паз.frw