Расчет двигателя постоянного тока

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ 

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСТИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                       Кафедра: «ЭтЭЭм» 
 
 
 
 

КУРСОВОЙ  ПРОЕКТ 

на тему: «Расчет  двигателя 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   η_н = 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 D можно принять равным высоте оси вращения: 

 

        Определяем наружный диаметр якоря D_Н, 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].

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 t_1max = 0.02 м; t_1min = 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 N_п=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: 

       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 t_k = 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  d_ИЗ = 1.14 мм – диаметр одного изолированного провода;

        n_ЭЛ = 1 – число элементарных проводников в одном эффективном;

        W_С = 4 – число витков в секции;

        u_n = 3 – число элементарных пазов в одном реальном;

        К_З = 0.7 – коэффициент заполнения паза изолированными    проводниками. 

        Тогда:

 
 

3.2 Высоту паза предварительно выбираем по рис 3.1 в зависимости от диаметра якоря:

h_П = 25 мм 

        Ширина шлица b_Ш должна быть больше суммы максимального диаметра изолированного проводника и двухсторонней толщины пазовой изоляции. Принимаем b_Ш = 2 мм.

        Высоту шлица принимаем h_Ш = 0.6 мм. 

3.3   Ширина зубца:

 

        где  B_Z = 2 Тл– допустимое значение магнитной индукции в зубцах для частоты перемагничивания 50Гц  и двигателя со степенью защиты IP22 и способом охлаждения ICO1;

        К_С = 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: 

Е_Н = К_Д∙U_Н

        где К_Д = 0.9 – выбирается в зависимости от мощности двигателя по табл.1.1. Тогда:

Е_Н = 0.9∙440 = 396 В 

3.9  Предварительное значение магнитного потока на полюс: 

 
 

3.10 Индукция в сечении зубцов (сталь марки 2312): 

B_z не удовлетворяет условию B_z ≤2. В таком случае пересчитываем так, что бы выполнялось условие B_z ≤2: 

 

 
 

4 Расчёт обмотки  якоря 

4.1  Длина лобовой части витка при 2р = 4: 
 

 
 

4.2  Средняя длина полувитка обмотки якоря: 

l_{а ср} = (l_п + l_л), м 

        где  l_п ≈ l_δ = 0.16 – длина якоря приближённая для машин без радиальной вентиляции, м 

        Тогда:

l_{а ср} = 0.16+ 0.158= 0.318 м 
 

4.3  Полная длина проводников обмотки якоря: 
 

L_ма = N·l_{а 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: 
 

R_da = 1.22R_а = 1.22·1.6 = 1.952 Ом 
 

4.6  Масса меди обмотки якоря: 
 

М_ма = 8900·l_{а 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 = Y_К = 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;

        K_c = 0,95; 

        Тогда  

 B_j не удовлетворяет условию . В таком случае делаем перерасчет внутреннего диаметра якоря D_o:

 

5.3  Принимаем сталь марки 3411 толщиной 0.5 мм, у которой известно

       К_с = 0.95; σ_г = 1.2; b_p = 0.07812 м

       Ширина выступа полюсного наконечника  равна 

 
 

5.4  Ширина сердечника главного полюса:

 
 

 

5.5  Индукция в сердечнике: 

 

5.6  Сечение станины:

 

       где В_С = 1,3 – индукция в станине, Тл. 

 

5.7  Длина станины: 

l_C = l_г + 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: 
 

d_C = D_H – 2h_C = 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: 

S_δ = b_ρ·l_δ = 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: 

\ 

S_j = l_с.∙h_j = 0.27∙0.0175 = 0.0473 м² 
 

6.5  Сечение сердечников главных полюсов: 
 
 

S_r = K_c∙l_r∙b_r = 0.95∙0.285∙0.0469 = 0.0127 м² 

6.6  Сечение станины из п. 5.6.: 
 

S_C = 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: 
 
 

L_r = h_r = 0.017 м 
 

7.7  Воздушный зазор между главным полюсом и станиной: 
 
 

L_С.П. = 2l_r·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: 

F_Z = 2H_ZL_Z = 2∙38800·0.0242 = 1877.92 А 

9.4  Магнитное напряжение спинки якоря: 
 

F_j = H_jL_j = 1000·0.0451 = 45.1 А 
 

9.5  Магнитное напряжение сердечника главного полюса: 

F_r =2H_rL_r = 2∙460·0.017 = 15.64 А