Учебная работа. Курсовая работа: Двигатель постоянного тока

Учебная работа. Курсовая работа: Двигатель постоянного тока

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

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 D можно 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].

1.8
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 t1
max
= 0.02 м; t1
min
= 0.01 м. Тогда:

.

ориентировочное число пазов якоря:

где отношение определяется по табл.2.1

=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

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

,

,

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 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:

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

3.10 Индукция в сечении зубцов (сталь марки 2312):

Bz
не 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

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

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
= 2HZ
LZ
= 2∙38800·0.0242 = 1877.92 А

9.4 Магнитное напряжение спинки якоря:

Fj
= Hj
Lj
= 1000·0.0451 = 45.1 А

9.5 Магнитное напряжение сердечника главного полюса:

Fr
=2Hr
Lr
= 2∙460·0.017 = 15.64 А

9.6
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
= HС
LС
= 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
= 2HZ
LZ

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
= Hj
Lj

А
4.3296
12.177
20.746
45.1
99.22
162.36

11

Магнитный поток

главного полюса

Фr
= σг
Фδ

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
= 2Hr
Lr

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
= HС
LС

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

По данным таблицы строятся характеристика намагничивания

Bδ
=f (FΣ
)и переходная характеристика Bδ
=f (FδZi
)

рисунок 1. 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:

RB
75
= m·RB
20
= 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
= I2
Rda
= 16.7272
·1.952 = 546.16 Вт

12.2 электрические потери в параллельной обмотке возбуждения:

РМ.В
= I2
ВН
·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

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.