ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСТИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Кафедра: «ЭтЭЭм»
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
на тему: «Двигатель постоянного тока»
КП 14020365 637
Выполнил: Кузнецов К. И.
Проверил: Пашнин В.М.
Хабаровск
2007
Введение
Почти вся электрическая энергия вырабатывается электрическими машинами. Но электрические машины могут работать не только в генераторном режиме, но и в двигательном, преобразуя электрическую энергию в механическую. Обладая высокими энергетическими показателями и меньшими, по сравнению с другими преобразователями энергии, расходами материалов на единицу мощности, экологически чистые электромеханические преобразователи имеют в жизни человеческого общества огромное значение.
При проектировании электрической машины приходится учитывать большое количество факторов, от которых зависят её эксплуатационные свойства, заводская себестоимость и надёжность в работе.
При проектировании выбор материалов, размеров активных и конструктивных частей машины должен быть технически и экономически обоснован. При этом следует использовать предшествующий опыт и ориентироваться на данные современных машин. Однако необходимо критически относиться к этим данным, выявить недостатки машин и найти способы их устранения.
Целью данной работы была разработка конструкции двигателя постоянного тока. За основу конструкции была принята машина постоянного тока серии 2П. Проектирование двигателя включает в себя выбор и расчёт размеров статора и ротора, обмоток, изоляции, конструктивных деталей, объединение их в конструктивные узлы и общую компоновку всех его частей.
Материалы, размеры и формы конструктивных деталей должны быть так выбраны и отдельные детали так объединены, чтобы двигатель по возможности наилучшим образом соответствовал своему назначению и был наиболее экономичным в работе и изготовлении.
1 Выбор и расчёт главных размеров двигателя
1.1 /> – предварительное значение КПД двигателя назначаем в зависимости от его мощности по [рис1.1]. Принимаем среднее значение ηн = 0,8.
1.2 Определяем предварительное значение номинального тока:
/>
/>А
1.3 Ток якоря:
/>
где значение коэффициента /> выбираем из табл.1.1., />=0,08
/>А
1.4 Определяем электромагнитную мощность двигателя:
/>,
/>кВт
1.5 Диаметр якоря Dможно принять равным высоте оси вращения:
/>
Определяем наружный диаметр якоря DН, м:
/>,
/>.
1.6 />– линейная нагрузка якоря по [рис1.3].
1.7 />– магнитная индукция в воздушном зазоре по [рис1.4].
/> – расчетный коэффициент полюсного перекрытия по [рис1.5].
Определяем расчётную длину якоря:
/>,
/> м
1.9 Определяем отношение длины магнитопровода якоря к его диаметру:
/>,
/>.
полученное λ удовлетворяет условию />
1.10 Принимаем число полюсов двигателя 2р = 4.
1.11 Находим полюсное деление:
/>
/>.
1.12 Определяем расчётную ширину полюсного наконечника:
/>,
/>.
1.13 Действительная ширина полюсного наконечника при эксцентричном зазоре под главными полюсами
/>.
2 Выбор обмотки якоря
2.1 Т.к. ток якоря меньше 600 А, выбираем простую волновую обмотку
(2а = 2). Ток параллельной ветви равен:
/>,
/>.
2.2 Определяем предварительное общее число эффективных проводников обмотки якоря:
/>,
/>.
2.3 Крайние пределы чисел пазов якоря:
/>,
где t1 – зубцовый шаг, граничные значения которого зависят от высоты оси вращения.
Принимаем t1max = 0.02 м; t1min = 0.01 м. Тогда:
/>.
Ориентировочное число пазов якоря:
/>
/>
где отношение /> определяется по табл.2.1--PAGE_BREAK--
/>=10
Зубцовый шаг:
/>
/>
2.4 Число эффективных проводников в пазу:
/>
/>
В симметричной двухслойной обмотке это число должно быть четным. Принимаем Nп=24, тогда число проводников в обмотке якоря определяется как />.
2.5 Т.к. диаметр якоря меньше 200 мм, пазы якоря выполняем полузакрытыми овальной формы, зубцы с параллельными стенками. Выбор такой конструкции обусловлен тем, что обмотка якоря таких машин выполняется всыпной из эмалированных медных проводников круглого сечения, образующих мягкие секции, которые легко можно уложить в пазы через сравнительно узкие шлицы.
2.6 Выбор числа коллекторных пластин. Минимальное число коллекторных пластин К ограничивается допустимым значением напряжения между соседними коллекторными пластинами. Для серийных машин без компенсационной обмотки />.
Минимальное значение К:
/>,
/>
Принимаем коллекторное деление:
/>
Максимальное значение К:
/>
где /> – наружный диаметр коллектора
Число коллекторных пластин:
/>,
где /> — число элементарных пазов в одном реальном (/> =3).
Данные полученные ранее записываем в таблицу:
un
К = un·Z
/>
/>
/>
3
120
4
18
3.27 Уточнённое значение линейной нагрузки, А/м
/>,
/>,
где />
2.7 Скорректированная длина якоря:
/>
/>
2.8 Наружный диаметр коллектора />
2.9 Окружная скорость коллектора:
/>,
/>
2.10 Коллекторное деление tk= 3.27 мм
2.11 Полный ток паза:
/>
/>.
2.12 Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря:
/>,
где /> — принимаем в зависимости от диаметра якоря по [рис 1.3].
/>.
2.13 Предварительное сечение эффективного провода:
/>,
/>
Для обмоток якоря с полузакрытыми пазами из [табл.2.4] выбираем круглый провод марки ПЭТВ с сечением 0.883 мм2, диаметром неизолированного провода 1.06 мм и диаметром изолированного провода 1.14 мм.
Число элементарных проводников />.
3 Расчёт геометрии зубцовой зоны
3.1 Площадь поперечного сечения обмотки, уложенной в один полузакрытый паз:
/>
где dИЗ = 1.14 мм – диаметр одного изолированного провода;
nЭЛ = 1 – число элементарных проводников в одном эффективном;
WС = 4 – число витков в секции;
un = 3 – число элементарных пазов в одном реальном;
КЗ = 0.7 – коэффициент заполнения паза изолированными проводниками.
Тогда:
/>
3.2 Высоту паза предварительно выбираем по рис 3.1 в зависимости от диаметра якоря:
hП = 25 мм
Ширина шлица bШ должна быть больше суммы максимального диаметра изолированного проводника и двухсторонней толщины пазовой изоляции. Принимаем bШ = 2 мм.
Высоту шлица принимаем hШ = 0.6 мм.
3.3 Ширина зубца:
/>
где BZ = 2 Тл– допустимое значение магнитной индукции в зубцах для частоты перемагничивания 50Гц и двигателя со степенью защиты IP22 и способом охлаждения ICO1;
КС = 0,95 – коэффициент заполнения пакета якоря сталью.
Тогда:
/>м
3.4 Большой радиус паза:
/>,
/>м
3.5 Меньший радиус паза:
/>,
/>м
3.6 Расстояние между центрами радиусов: продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
/>
3.7 Минимальное сечение зубцов якоря:
/>
/>
3.8 Предварительное значение ЭДС:
ЕН = КД∙UН
где КД = 0.9 – выбирается в зависимости от мощности двигателя по табл.1.1. Тогда:
ЕН = 0.9∙440 = 396 В
3.9 Предварительное значение магнитного потока на полюс:
/>
3.10 Индукция в сечении зубцов (сталь марки 2312):
/>
Bzне удовлетворяет условию Bz ≤2. В таком случае пересчитываем /> так, что бы выполнялось условие Bz ≤2:
/>
/>
4 Расчёт обмотки якоря
4.1 Длина лобовой части витка при 2р = 4:
/>
4.2 Средняя длина полувитка обмотки якоря:
lа ср = (lп + lл), м
где lп ≈ lδ = 0.16 – длина якоря приближённая для машин без радиальной вентиляции, м
Тогда:
lа ср = 0.16+ 0.158= 0.318 м
4.3 Полная длина проводников обмотки якоря:
Lма = N·lа ср = 960·0.318= 305.28 м
4.4 Сопротивление обмотки якоря при температуре t = 20 ˚С:
/>
/>
4.5 Сопротивление обмотки якоря при температуре t = 75 ˚С:
Rda = 1.22Rа = 1.22·1.6 = 1.952 Ом
4.6 Масса меди обмотки якоря:
Мма = 8900·lа ср·N·q0= 8900·0.318·960·0.83635·10-6 = 2.272 кг
4.7 Расчёт шагов обмотки. Шаг по коллектору для простой волновой обмотки:
/>
Результирующий шаг Y = YК = 59
Первый частичный шаг:
/>
где Σ – дробное число, с помощью которого Y1 округляется до целого числа.
Тогда:
/>
Второй частичный шаг:
Y2 = Y – Y1 = 59 – 30 = 29
5 Определение размеров магнитной цепи
5.1 Предварительное значение внутреннего диаметра якоря и диаметра вала:
/>
5.2 Высота спинки якоря:
/>
Магнитная индукция в спинке якоря:
/>
где />– площадь поперечного сечения спинки якоря;
Kc= 0,95; />
Тогда />
Bj не удовлетворяет условию />. В таком случае делаем перерасчет внутреннего диаметра якоря Do:
/>/>
5.3 Принимаем сталь марки 3411 толщиной 0.5 мм, у которой известно
Кс = 0.95; σг = 1.2; bp = 0.07812 м
Ширина выступа полюсного наконечника равна
/>
5.4 Ширина сердечника главного полюса:
/>
/>
5.5 Индукция в сердечнике:
/>
5.6 Сечение станины:
/>
где ВС = 1,3 – индукция в станине, Тл.
/>
5.7 Длина станины:
lC = lг + 0.4D = 0.285 + 0.4·0,16 = 0.221 м
5.8 Высота станины:
/>
5.9 Наружный диаметр станины:
/>
5.10 Внутренний диаметр станины:
dC = DH – 2hC = 0.31 – 2·0.0278= 0.254 м
5.11 Высота главного полюса:
/>
где δ = 0.015м – предварительное значение воздушного зазора по [рис 5.2.]
/>
6 Расчётные сечения магнитной цепи
6.1 Сечение воздушного зазора:
Sδ = bρ·lδ = 0.0781·0.285 = 0.0222 м2 продолжение
--PAGE_BREAK--
6.2 Длина стали якоря:
/>
6.3 Минимальное сечение зубцов якоря из п.3.7:
S/>=0.00665 м/>
6.4 Сечение спинки якоря:
Sj = lс.∙hj = 0.27∙0.0175 = 0.0473 м2
6.5 Сечение сердечников главных полюсов:
Sr = Kc∙lr∙br = 0.95∙0.285∙0.0469 = 0.0127 м2
6.6 Сечение станины из п. 5.6.:
SC = 0.00614 м2
7 Средние длины магнитных линий
7.1 Воздушный зазор δ = 0.015 м.
7.2 Коэффициент воздушного зазора, учитывающий наличие пазов овальной формы на якоре:
/>
7.3 Расчётная длина воздушного зазора:
/>
7.4 Зубцы якоря для пазов овальной формы:
/>
7.5 Спинка якоря:
/>
7.6 Сердечник главного полюса:
Lr = hr = 0.017 м
7.7 Воздушный зазор между главным полюсом и станиной:
LС.П. = 2lr·10-4+10-4 = 2·0.285·10-4+10-4 = 0.000157 м
7.8 Станина:
/>
8 Индукция в расчётных сечениях магнитной цепи
8.1 Индукция в воздушном зазоре:
/>
8.2 Индукция в сечении зубцов якоря:
/>
8.3 Индукция в спинке якоря:
/>
8.4 Индукция в сердечнике главного полюса:
/>
8.5 Индукция в станине:
/>
9 Магнитное напряжение отдельных участков магнитной цепи
9.1 Магнитное напряжение воздушного зазора:
/>
9.2 Коэффициент вытеснения потока:
/>
9.3 Магнитное напряжение зубцов якоря:
FZ = 2HZLZ = 2∙38800·0.0242 = 1877.92 А
9.4 Магнитное напряжение спинки якоря:
Fj = HjLj = 1000·0.0451 = 45.1 А
9.5 Магнитное напряжение сердечника главного полюса:
Fr =2HrLr = 2∙460·0.017 = 15.64 А
Магнитное напряжение воздушного зазора между главным полюсом и станиной:
FС.П = 1.6·Br·LС.П∙106= 1.6·1.26·0.000157·106 = 316.512 А
9.7 Магнитное напряжение станины:
FС = HСLС = 550·0.1247 = 68.585 А
9.8 Суммарная МДС на пару полюсов:
FΣ = Fδ + FZ + Fj + Fr + FС.П + FC = 1456.77 + 1877.92 + 45.1+ 15.64 + +316.512+198.273 = 3780.527 А
9.9 МДС переходного слоя:
FδZj = Fδ + FZ + Fj = 1456.77+1877.92+45.1 = 3379.79 A
Аналогично производится расчёт для потоков равных 0,5; 0,75; 0,9; 1,1; 1,15 от номинального значения. Результаты расчёта сведены в таблицу 1.
Таблица 1 – Расчёт характеристики намагничивания машины.
№
п/п
Расчётная
величина
Расчётная формула
Ед.
вел.
0,5ФδН
0,75ФδН
0,9ФδН
ФδН
1,1ФδН
1,15ФδН
1
ЭДС
Е
В
–
–
–
396
–
–
2
Магнитный
поток
/>
Вб
0.00655
0.009975
0.01197
0.0133
0.01463
0.015295
3
Магнитная индукция в воздушном зазоре
/>
Тл
0.3
0.45
0.54
0.6
0.66
0.69
4
МДС воздушного зазора
/>
А
728.385
1092.578
1311.093
1456.77
1602.447
1675.286
5
Магнитная индукция в зубцах якоря
/>
Тл
1
1.5
1.8
2
2.2
2.3
6
Напряженность
магнитного поля
НZ
/>
240
1600
13400
38800
144000
224000
7
Магнитное напряжение зубцов
FZ= 2HZLZ
А
11.616
77.44
648.56
1877.92
6969.6
10841.6
8
Магнитная индукция в спинке якоря
/>
Тл
0.7
1.05
1.26
1.4
1.54
1.61
9
Напряженность
магнитного поля
Нj
/>
96
270
460
1000
2200
3600
10
Магнитное напряжение в спинке якоря
Fj= HjLj
А
4.3296
12.177
20.746
45.1
99.22
162.36
11
Магнитный поток
главного полюса
Фr= σгФδ
Вб
0.00798
0.01197
0.014364
0.01596
0.017556
0.018354
12
Магнитная индукция в серд. глав. полюса
/>
Тл
0.63
0.95
1.13
1.26
1.39
1.45
13
Напряжённость
магнитного поля
Нr
/>
89
215
330
460
940
1300
14
Магнитное напряжение серд. глав. полюса
Fr= 2HrLr
А
3.026
7.31
11.22
15.64
31.96
44.2
15
Магнитная индук.
в возд. зазоре между гл. пол. и стан.
ВС.П= Вr
Тл
0.63
0.95
1.13
1.26
1.39
1.45
16
Магнитное напряж.
возд. зазора между гл. полюсом и стан.
FС.П= =1.6·106·Br·LС.П
А
158.256
237.384
284.8608
316.512
348.1632
364
17
Магнитная индукция в станине
/>
Тл
0.65
0.98
1.17
1.3
1.43
1.5
18
Напряжённость
магнитного поля
НС
/>
91
230
370
550
1180
1600
19
Магнитное напряжение станины
FС= HСLС
А
11.3477
28.681
46.139
68.585
147.146
199.52
20
Сумма магн. напряж. всех участков магнит. цепи
FΣ= Fδ+ FZ+ Fj+ Fr+ +FС.П+ FC
А
916.9603
1455.57
2322.619
3780.527
9198.5362
13286.95
21
Сумма магн. напряжений участков переходного слоя
FδZj= Fδ+ FZ+ Fj
А
744.3306
1182.195
1980.399
3379.79
8671.267
12679.25 продолжение
--PAGE_BREAK--
По данным таблицы строятся характеристика намагничивания
Bδ=f (FΣ)и переходная характеристика Bδ=f (FδZi)
/>
Рисунок 2. Характеристика намагничивания и переходная характеристика
10 Расчёт параллельной обмотки возбуждения
10.1 Размагничивающее действие реакции якоря:
Fqd = 180 А.
10.2 Необходимая МДС параллельной обмотки:
FВ = FΣ + Fqd = 3780.527 + 180 = 3960.527 А
10.3 Средняя длина витка катушки параллельной обмотки:
lср.в. = 2(lr + br) + π(bКТ.В+ 2ΔИЗ), м
где bКТ.В = 0.03 – ширина катушки, м;
ΔИЗ = 0.75·10-3 – толщина изоляции, м.
Тогда:
lср.в. = 2(0.285 + 0.0469) + 3.14(0.03 + 2·0.75·10-3) = 0.67 м
10.4 Сечение меди параллельной обмотки:
/>
где КЗ.В = 1.1 – коэффициент запаса;
m = 1.22 – коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления меди при увеличении температуры до 75˚С.
Тогда:
/>
Окончательно принимаем стандартный круглый медный провод марки ПЭТВ с сечением qВ = 0.283 мм2, диаметром без изоляции d = 0.6 мм и диаметром с изоляцией dИЗ = 0.655 мм.
10.5 Номинальная плотность тока принимается:
JВ = 4.45·106 А/м2
10.6 Число витков на пару полюсов:
/>
10.7 Номинальный ток возбуждения:
/>
10.8 Полная длина обмотки:
LB = p·lСР.В·WB = 2·0.67·3145 = 4214.3 м
10.9 Сопротивление обмотки возбуждения при температуре υ=20˚С:
/>
10.10 Сопротивление обмотки возбуждения при температуре υ=75˚С:
RB75 = m·RB20 = 1.22·261.25 = 318.73 Ом
10.11 Масса меди параллельной обмотки:
mм.в. = 8.9·lв.ср.·Wв·qв·103 = 8.9·0.67·3145·0.283·10-6·103 = 5.307 кг
11 Коллектор и щётки
11.1 Ширина нейтральной зоны:
bН.З = τ– bР = 0.126 – 0.0781 = 0.0479 м
11.2 Ширина щётки для простой волновой обмотки:
bЩ = 3.5tК = 3.5·0.00327 = 0.0115 м
Окончательно принимаем стандартную ширину щётки: bЩ = 0.0125 м. Длина щётки lЩ = 0.025 м.
11.3 Поверхность соприкосновения щётки с коллектором:
SЩ = bЩ·lЩ = 0.0125·0.025 = 0.0003125 м2
11.4 При допустимой плотности тока JЩ = 11·104, А/м2, число щёток на болт:
/>
Окончательно принимаем NЩ = 1.
11.5 Поверхность соприкосновения всех щёток с коллектором:
ΣSЩ = 2р·NЩ·SЩ = 4·1·0.0003125 = 0.00125 м2
11.6 Плотность тока под щётками:
/>
11.7 Активная длина коллектора:
lК = NЩ(lЩ + 8·10-3) + 10·10-3 = 1(0.025 + 8·10-3) + 10-2 = 0.043 м
12 Потери и КПД
12.1 Электрические потери в обмотке якоря:
Рmа = I2Rda = 16.7272·1.952 = 546.16 Вт
12.2 Электрические потери в параллельной обмотке возбуждения:
РМ.В = I2ВН·RВ75 = 1.2592·318.73= 505.21 Вт
12.3 Электрические потери в переходном контакте щёток на коллекторе:
РЭ.Щ = I·2ΔUЩ, Вт
где 2ΔUЩ = 2 – потери напряжения в переходных контактах, В.
Тогда:
РЭ.Щ = 16.727·2 = 33.454 Вт
12.4 Потери на трение щёток о коллектор:
РТ.Щ= ΣSЩ·РЩ·f·VК, Вт
где РЩ = 3·104 Па – давление на щётку;
f = 0.2 – коэффициент трения щётки.
Тогда:
РТ.Щ = 0.00125·3·104·0.2·14.392 = 107.94 Вт
12.5 Потери в подшипниках и на вентиляцию определим по рис.13.1.:
РТ.П + РВЕНТ. = 105 Вт.
12.6 Масса стали ярма якоря:
/>
/>
12.7 Условная масса стали зубцов якоря с овальными пазами:
/>
12.8 Магнитные потери в ярме якоря:
Pj = mj·Pj, Вт продолжение
--PAGE_BREAK--
где Pj – удельные потери в ярме якоря, Вт/кг:
/>
где Р1.0/50 = 1.75 – удельные потери в стали для В = 1.0 Тл и f=50 Гц, Вт/кг;
f = /> – частота перемагничивания, Гц;
β = 2.
Тогда удельные потери:
/>
Общие магнитные потери в ярме якоря:
Pj = 83.553·16.97 = 1417.89 Вт
12.9 Магнитные потери в зубцах якоря:
PZ = mZ·PZ, Вт
где /> — удельные потери, Вт/кг.
Тогда общие магнитные потери в зубцах якоря:
PZ = 7.14·34.63 = 247.26 Вт
12.10 Добавочные потери:
/>
12.11 Сумма потерь:
ΣР = Рmа + РМ.В + РЭ.Щ + РТ.Щ + (РТ.П + РВЕНТ.) + Pj + PZ + РДОБ =
= 546.16 + 505.21 + 33.454 + 107.94 + 105 + 1417.89 + 247.26 + 96.37 = 3059.284 Вт
12.12 КПД двигателя:
/>
/>
Рисунок 2.Электрическая машина постоянного тока.
1 – пробка винтовая; 2 – крышка; 3 – лабиринт: 4 – масленка; 5 – подшипник; 6 – лабиринт; 7 – траверса; 8 – щит подшипниковый; 9 – коллектор; 10 – станина; 11 – якорь; 12 – винт грузовой; 13 – вентилятор; 14 – щит подшипниковый; 15 – лабиринт; 16 – подшипник; 17 – лабиринт; 18 – вал; 19 – полюс добавочный; 20 – полюс главный; 21 – конденсатор; 22 – коробка выводов; 23 – болт для заземления.
Заключение
Проектирование электрической машины представляет собой сложную задачу. Для её разрешения требуются глубокие теоретические знания, многие опытные данные и достаточно подробные сведения о назначении машины и условия, в которых она будет работать.
В результате расчёта был спроектирован двигатель на заданную мощность. Был произведен выбор и расчет размеров статора и ротора, обмоток, изоляции, конструктивных деталей.
Список литературы
1. Пашнин В. М. Электрические машины: Методические указания к курсовому проекту. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2000. – 40 с.: ил.
2. Сергеев П. С. и др. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, переработ. и доп. М., “Энергия”, 1969.
3. Копылов И. П. Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов. – М.: Энергия, 1980. – 496 с., ил.