Государственноеобщеобразовательное учреждение
Высшегопрофессионального образования
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙУНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Кафедра «Электротехника, электроникаи электромеханика»
Курсовой проект
По дисциплине: “Электрические машины”
на тему: “Расчет машины постоянноготока”
Хабаровск 2011
Содержание
Введение
1. Выборглавных размеров
2. Выборобмотки якоря
3. Расчетгеометрии зубцовой зоны
4. Расчетобмотки якоря
5.Определение размеров магнитной цепи
6. Расчетсечения магнитной цепи
7. Средниедлины магнитных линий
8. Индукцияв расчетных сечениях магнитной цепи
9. Магнитноенапряжение отдельных участков магнитной цепи
10. Расчетпараллельной обмотки возбуждения
11.Коллектор и щетки
12. Расчетобмотки добавочных полюсов
13. Потери иКПД
Заключение
Списокиспользуемой литературы
Введение
В общем объеме производства электротехнической промышленностиэлектрические машины занимают ведущее место, а поэтому эксплуатационныесвойства новых электрических машин имеют важное значение для экономики России.
Проектирование электрических машин основано на знаниипроцессов электромеханического преобразования энергии и опыта инженеров – электромехаников,умеющих применять вычислительную технику.
При проектировании электрических машин конструктивныеэлементы должны быть рассчитаны так, что бы при изготовлении машинытрудоёмкость и расход материалов были наименьшими, а при эксплуатации онидолжны обладать оптимальными энергетическими показателями с учетом современногомирового уровня изготовления, а также требований государственных и отраслевыхстандартов.
Высокая трудоемкость расчетов электрических машин непозволяет проводить, исследования, оптимизировать различные параметры ихарактеристики, создавать реальные проекты электрических машин. Громоздкиерасчетные формулы не дают возможности увидеть закономерности сложных процессов,протекающих в электрических машинах, а также создания высоконадежной техники науровне лучших мировых образцов.
В данном курсовом проекте производится расчет двигателяпостоянного тока параллельного возбуждения без стабилизирующей обмотки,исполнения по степени защиты — IP22, по способу охлаждения – IC01, изоляциякласса В, за основу принята машина постоянного тока серии 2П.
Исходные данные:
Номинальная мощность – />
Номинальное напряжение – />
Номинальная частота вращения – />
Высота оси вращения – />
Возбуждение параллельное без стабилизирующей обмотки.Исполнение по степени защиты – IP22, по способу охлаждения – самовентиляция(ICO1).
Режим работы – длительный. Изоляция класса нагревостойкости –В.
За основу конструкции принять машину постоянного тока серии Пили 2П.
1. Выбор главных размеров
двигатель постоянный ток обмотка якорь
Предварительное значение КПД />
Номинальный ток (предварительное значение) определяется поформуле:
/>(1.1)
/>
Ток якоря определяется по формуле:
/>(1.2)
где /> – коэффициент,который для машин мощностью от 10 – 100 кВт берется в интервале 0,035 – 0,02;
/>
Электромагнитная мощностьдля электрических машинобщего назначения:
/>(1.3)
/>
Наружный диаметр машины определяется из уравнения:
/>(1.4)
/>
Для четырех полюсной машины (2р = 4) D» h.
/>
Линейная нагрузка якоря равняется />;
Индукция в воздушном зазоре равняется />;
Расчетный коэффициент полюсной дуги />;
Расчетная длина якоря:
/>(1.5)
/>
Отношение длины магнитопровода якоря к его диаметру:
/>(1.6)
/>
Для машины общепромышленного применения рекомендованныезначения l находятся впределах 0,4 £ l £ 1,25.
Число полюсов машины равно 2р = 4;
Полюсное деление:
/>(1.7)
/>
Расчетная ширина полюсного наконечника:
/>(1.8)
/>
Действительная ширина полюсного наконечника />;
2. Выбор обмотки якоря
Ток параллельной ветви:
/>(2.1)
/>
Предварительное общее число эффективных проводников обмоткиякоря:
/>(2.2)
/>
Крайние пределы чисел пазов якоря:
/> />(2.3)
где t1 – зубцовый шаг, крайние пределы которогоопределяются для различных высот вращения из следующих соотношений:h, мм 80–200 225–315 355–500 t, мм 10–20 15–35 18–40
/> />
/> />
Ориентировочно число пазов можно определить по формуле:
/>(2.4)
отношение />
/>
При выбранном Z t1:
/>(2.5)
/>
Число эффективных проводников в пазу (целое число):
/>(2.6)
/>
/>
Максимальное число коллекторных пластин:
/>(2.7)
где /> – числоэлементарных пазов в одном реальном и />;
/>
Напряжения между соседними коллекторными пластинами:
/>(2.8)
/>
Коллекторное деление:
/>(2.9)
где DК – диаметр коллектора и при полузакрытыхпазах DК = (0,65–0,85) D.
/>
Число коллекторныхпластин уточняют путём сравнения вариантов:
Таблица 2.1Варианты выполнения обмотки якоря№
un
К=unZ
Wc=N/2K
Uк ср
t к, мм 1 1 44 2 10 12 2 2 88 1 5 5,9 3 3 132 0,66 3,3 3,99 Принято 1 44 2 10 12
Число витков в секции (целое число):
/>(2.10)
/>
Уточненное значение линейной нагрузки:
/>(2.11)
/>
Скорректированная длина якоря:
/>(2.12)
/>
Окружная скорость коллектора:
/>(2.13)
/>
Полный ток паза:
/>(2.14)
/>
Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря:
/>(2.15)
где />
/>
Предварительное сечение эффективного провода:
/>(2.16)
/>
Для всыпных обмоток сполузакрытыми пазами из таблицы 2.4 [1] выбираем круглый провод марки ПЭТВ приклассе нагревостойкости B:
nэл = 6
qэл = 1,539 мм2 .
dнеиз = 1,4 мм.
dиз = 1,485 мм.Определяем сечение эффективного проводника:
qa=nэлqэл(2.19)
qa=6∙1,539 = 9,234 мм2.
3. Расчет геометрии зубцовой зоны
Площадь поперечного сечения обмотки, уложенной в один полузакрытыйпаз:
/>(3.1)
где /> – диаметр одногоизолированного провода; /> – числоэлементарных проводников в одном эффективном; /> –число витков в секции; />– числоэлементарных пазов в одном реальном; /> – коэффициентзаполнения паза изолированными проводниками />.
/>
Высота паза />;
Ширина шлица />;
Высота шлица />;
Ширина зубца:
/>(3.2)
где /> – допустимоезначение индукции в зубцах; КС – коэффициент заполнения пакета якорясталью, КС = 0,95.
/>
Большой радиус паза:
/>(3.3)
/>
Меньший радиус паза:
/>(3.4)
/>
Расстояние между центрами радиусов:
/>(3.5)
/>
Минимальное сечение зубцов якоря:
/>(3.6)
/>
/>
Рис. 3.1 Полузакрытые пазы овальной формы с параллельными сторонамизубцов
Составляется эскиз пазов овальной формы по рис. 3.1.
Предварительное значение внутреннего диаметра якоря и диаметравала:
/>(3.7)
/>
Предварительное значение ЭДС:
/>(3.8)
где />– коэффициент; />
/>
Предварительное значение магнитного потока на полюс:
/>(3.9)
/>
Для магнитопровода якоря принимается сталь марки 2312. Индукцияв сечении зубцов:
/>(3.10)
/>
4. Расчет обмотки якоря
Длина лобовой части витка:
/>(4.1)
/>
Средняя длина полувитка обмотки якоря:
/>(4.2)
где />–длина якоря,приближенно для машин без радиальной вентиляции />.
/>
Полная длина проводников обмотки якоря:
/>(4.3)
/>
Сопротивление обмотки якоря при температуре 20 °С:
/>(4.4)
/>
Сопротивление обмотки якоря при температуре 75 °С:
/>(4.5)
/>
Масса меди обмотки якоря:
/>(4.6)
/>
Расчет шагов обмотки:
Шаг по коллектору />:
/>(4.7)
/> />
Первый частичный шаг />:
/>(4.8)
где å – дробное число, с помощью которого Y1 округляется до целогочисла
/>
/>5. Определениеразмеров магнитной цепи
Высота спинки якоря (см. рис. 3.1):
/>(5.1)
/>
Магнитная индукция в спинке якоря:
/>(5.2)
где />–площадь поперечного сечения спинки якоря с учетом аксиальных каналов диаметромd.
/>
Предельно допустимое значение магнитной индукции в спинкеякоря Bj=1.4¸1.45 Тл.
/>
/>
Ширина выступа полюсного наконечника:
/>(5.3)
где />из п. 1.13.
/>
Ширина сердечника главного полюса:
/>(5.4)
/>
Индукция в сердечнике:
/>(5.5)
где />для четырехполюсной машины.
Для стали 3411 предельно допустимая индукция />
Размеры главного полюса показаны на рис. 5.1
/>
Рис. 5.1 Полюсный наконечник главного полюса.
/>
Сечение станины:
/>(5.6)
где ВС – индукция в станине, ВС = 1,3Тл.
/>
Длина станины:
/>(5.7)
/>
Высота станины:
/>(5.8)
/>
Наружный диаметр станины:
/>(5.9)
/>
Внутренний диаметр станины:
/>(5.10)
/>
Высота главного полюса:
/>(5.11)
где d –воздушный зазор; d =0,0018
/>
6. Расчетные сечения магнитной цепи
Сечение воздушного зазора:
/>(6.1)
/>
Длина стали якоря:
/>(6.2)
/>
Минимальное сечение зубцов якоря:
SZ из п. 3.7 />
Сечение спинки якоря:
/>(6.3)
/>
Сечение сердечников главных полюсов:
/>(6.4)
где />
/>
Сечение станины:
/> из п. 5.5
/>
7. Средние длины магнитных линий
Воздушный зазор:
/>
Коэффициент воздушного зазора, учитывающий наличие пазов наякоре:
/>(7.1)
/>
Расчетная длина воздушного зазора:
/>(7.2)
/>
Зубцы якоря:
/>(7.3)
/>
Спинка якоря:
/>(7.4)
/>
Сердечник главного полюса:
/>
Воздушный зазор между главным полюсом и станиной:
/>(7.5)
/>
Станина:
/>(7.6)
/> 8. Индукция врасчетных сечениях магнитной цепи
Индукция в воздушном зазоре:
/>(8.1)
/>
Индукция в сечении зубцов якоря:
/>(8.2)
/>
Индукция в спинке якоря:
/> из п. 5.1 />
Индукция в сердечнике главного полюса:
/> из п. 5.4 />
Индукция в станине:
/>(8.3)
где /> для четырехполюсной машины;
/>
9. Магнитное напряжение отдельных участков магнитной цепи
Таблица 9.2 — Расчёт характеристики намагничиванияРасчётная величина Расчётная формула Ед. изм.
0,5Fdн
0,75Fdн
Fdн
1,1Fdн
1,15Fdн
1,2Fdн ЭДС E В 53,35 80 106,7 117,4 122,7 128 Магнитный поток
/> Вб 0,006 0,009 0,012 0,0132 0,0138 0,0144 Магнитная индукция в воздушном зазоре
/> Тл 0,305 0,457 0,61 0,67 0,7 0,732 МДС воздушного зазора
Fd=1,6∙106BdLd А 1054,45 1581,67 2108,9 2319,39 2425,235 2530,68 Магнитная индукция в зубцах якоря
Bz=KzBd Тл 0,805 1,21 1,61 1,77 1,85 1,93 Напряжённость магнитного поля в зубцах якоря
Hz А/м 140 410 3600 11700 16400 23700 Магнитное напряжение зубцов
Fz=2HzLz А 5,6 16,456 144,49 469,6063 658,25 951,2539 Магнитная индукция в спинке якоря
/> Тл 0,465 0,6975 0,93 1,023 1,0695 1,116 Напряжённость магнитного поля в спинке якоря
Hj А/м 73 96 205 252 282 320 Магнитное напряжение в спинке якоря
Fj=HjLj А 2,26 3,39 14,53 4,972 5,198 5,424 Магнитный поток главного полюса
Fг=sгFd Вб 0,007275 0,01091 0,01455 0,016 0,0167 0,0175 Магнитная индукция в сердечнике главного полюса
/> Тл 0,55 0,825 1,1 1,21 1,256 1,32 Напряжённость магнитного поля в сердечнике главного полюса
Hг А/м 81 136 213 246 261 283 Магнитное напряжение сердечника главного полюса
Fг=2HгLг А 13,467 22,61 35,41 40,90 43,395 47,053 Магнитная индукция в воздушном зазоре между главным полюсом и станиной
Bс п=Вг Тл 0,55 0,825 1,1 1,21 1,256 1, 32 Магнитное напряжение воздушного зазора между главным полюсом и станиной
Fс п=1,6∙106BгLс п А 102,6313 153,947 205,4 225,789 234,373 246,315 Магнитная индукция в станине
/> Тл 0,65 0,98 1,30 1,43 1,50 1,56 Напряжённость магнитного поля в станине
Нс А/м 535 898 1590 2300 2890 3560 Магнитное напряжение станины
Fc=HсLс А 93,827 157,49 278,852 403,37 506,844 624,348 Суммарная МДС на пару полюсов
FS=Fd+Fz+Fj+Fг+Fc n+Fc А 1272,235 1935,563 2787,58 3464 3873,295 4405,07 МДС переходного слоя
Fdjz=Fd+Fz+Fj А 1060,05 1601,52 2267,9 2793,97 3088,68 3487,358
/>Поданным таблицы 9.2 строится переходная характеристика Bδ=f(FδZj)рис. 9.1.
/>
/>Рисунок 9.1Характеристика холостого хода /> ипереходная характеристика />
10. Расчет параллельной обмотки возбуждения
Необходимая МДС параллельной обмотки:
/>(10.1)
/>
Средняя длина витка катушки параллельной обмотки:
/>(10.2)
Толщина изоляции /> принимаетсяприближенно /> при диаметрах якоря до />. />.
/>
Сечение меди параллельной обмотки:
/>(10.3)
где />–коэффициентзапаса; />– коэффициент, учитывающийувеличение сопротивления меди при увеличении температуры до 75 0С.
/>
Номинальная плотность тока принимается:
/>(10.4)
Число витков на пару полюсов:
/>(10.5)
/>
Номинальный ток возбуждения:
/>(10.6)
/>
Полная длина обмотки:
/>(10.7)
/>
Сопротивление обмотки возбуждения при температуре 20°С:
/>(10.8)
/>
Сопротивление обмотки возбуждения при температуре 75°С:
/>(10.9)
/>
Масса меди параллельной обмотки:
/>(10.10)
/>
11. Коллектор и щетки
Ширина нейтральной зоны:
/>(11.1)
/>
Принимается ширина щетки:
/>(11.2)
/>
Поверхность соприкосновения щетки с коллектором:
/>(11.3)
/>
При допустимой плотности тока />, число щеток на болт:
/>(11.4)
/>
Поверхность соприкосновения всех щеток с коллектором:
/>(11.5)
/>
Плотность тока под щетками:
/>(11.6)
/>
Активная длина коллектора:
/>(11.7)
/>
12. Расчет обмотки добавочных полюсов
МДС обмотки добавочных полюсов длямашин постоянного тока без компенсационной обмотки находится в пределах:
/>(12.1)
/>
Число витков на один полюс:
/>(12.2)
где ад – число параллельных ветвей обмоткидобавочных полюсов, ад=1
/>
Предварительное сечение проводников:
/>(12.3)
где />, при IP23
/>
/>
Принимаем сердечник добавочного полюса длиной />:
при />равной длинеякоря />
/>
Ширина сердечника />
Средняя длина витка обмотки добавочного полюса:
/>(12.4)
где />–ширина катушки добавочного полюса; /> и/>– односторонний размерзазора между сердечником добавочного полюса и катушкой с учетом изоляциисердечника; /> при диаметрах якоря D до 0,5 м.
/>
Полная длина проводников обмотки:
/>(12.5)
/>
12.7 Сопротивление обмотки добавочных полюсов при температуре20 0С:
/>(12.6)
/>
Сопротивление при температуре 75 0С:
/>(12.7)
/>
Масса меди обмотки добавочных полюсов:
/>(12.8)
/>
13. Потери и КПД
Электрические потери в обмотке якоря:
/>(13.1)
/>
Электрические потери в обмотке добавочных полюсов:
/>(13.2)
/>
Электрические потери в параллельной обмотке возбуждения:
/>(13.3)
/>
Электрические потери в переходном контакте щеток на коллекторе:
/>(13.4)
где /> – потеринапряжения в переходных контактах />
/>
Потери на трение щеток о коллектор:
/>(13.5)
где /> –давление на щётку />; /> – коэффициент трения щетки/>;
/>
Потери в подшипниках и на вентиляцию:
Принимаем />
Масса стали ярма якоря:
/>(13.6)
/>
Условная масса стали зубцов якоря с овальными пазами:
/>(13.7)
/>
Магнитные потери в ярме якоря:
/>(13.8)
где />– удельные потерив ярме якоря:
/>(13.9)
где /> – удельныепотери в стали для /> и />; />– частота перемагничивания />;
/>
/>
Магнитные потери в зубцах якоря:
/>(13.10)
где />
/>
Добавочные потери:
/>(13.11)
/>
Сумма потерь:
/>(13.12)
/>
КПД машин:
/> (13.13)
/>
Конструкция двигателя постоянного тока
/>
/>
Заключение
В данной работе был выполнен расчет двигателя постоянноготока параллельного возбуждения: исполнения по степени защиты – IP22, по способуохлаждения – IC01, изоляция класса В, за основу была взята машина серии 2П.
В частности был произведен расчет главных размеров двигателя,выбрана и рассчитана обмотка якоря, произведен расчет и проверка магнитной цепимашины, также расчет параллельной обмотки возбуждения, щеточно-коллекторногоузла и добавочных полюсов. В заключении был произведен расчет потерь икоэффициента полезного действия машины и сделан подробный чертеж машиныпостоянного тока с приведенной спецификацией.
Список используемой литературы
1. ВольдекА.И. Электрические машины. – Л.: Энергия, 1978.
2. Виноградов Н.В. Производствоэлектрических машин. – М.: Энергия, 1970.
3. Иванов –Смоленский А.В. Электрические машины. – М.: Энергия, 1980.
4. КопыловаИ.П. Электрические машины. – М.: Энергоатомиздат, 1986.
5.Проектирование электрических машин. / Под ред. Копылова И.П. – М.: Энергия,1980.