Расчеты универсального коллекторного электродвигателя

Содержание

ВВЕДЕНИЕ…………………………………….……………………………………

1. ОБЩАЯ ЧАСТЬ

1.1 Назначение, конструкция, принцип работы и  правила эксплуатации универсального колекторного двигателя………………………………………

1.2 Применение универсальных колекторных электродвигателей в электоробытовой технике………………. ……………..............................................

2. РАСЧЕТ УНИВЕРСАЛЬНОГО  КОЛЛЕКТОРНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

2.1 Основные  размеры электродвигателя…………………………………………

2.2 Обмотка  якоря…………………………………………………………………..

2.3 Размеры  зубцов, пазов и проводов обмотки якоря…………………………..

2.4 Коллектор  и щетки……………………………………………………………..

2.5 Расчет  магнитной системы двигателя………………………………………...

2.6 Расчет  обмотки возбуждения………………………………………………….

2.7 Потери  и КПД двигателя………………………………………………………

Вывод……………………………………………………………………………….

Список  использованных источников……………………………………………..

Приложение  А……………………………………………………………………… 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    ВВЕДЕНИЕ

    При современном развитии техники каждую машину строят по предварительному расчету. При расчете определяют размеры  машины, чтобы она надежно работала при минимальной затрате материалов на ее изготовление. Расчет электрических машин не ограничивается проверкой их механической прочности, электрическая машина должна развивать требуемую мощность, части машины при работе не должны нагреваться выше допустимой температуры, изоляция ее обмоток должна выдерживать расчетный срок службы и не разрушаться под воздействием приложенного напряжения, характеристики машины должны удовлетворять техническим требованиям. Поэтому расчет электрической машины состоит из некоторых частей. При электромагнитном расчете определяют ее основные размеры и обмоточные данные; тепловой расчет – позволяет узнать до какой температуры нагреваются активные части машины; по расчету различных режимов работы строят характеристики машины; расчет изоляции обмоток требуется для выбора соответствующих изоляционных материалов, числа слоев изоляции и необходимых промежутков между частями машины, находящимися под напряжением; механические расчеты необходимы для определения размеров и марки стали вала, числа витков и сечения проволочных бандажей, выбора типа и размеров подшипников, прочности коллектора и других частей машины. Применение новых материалов и усовершенствование методов расчета позволили снизить до 60 кг массу электродвигателя, мощностью 10 кВт вместо 200 кг. Для снижения расхода материалов надо тщательно изучать опыт работы построенных микроэлектродвигателей, совершенствовать методы их проектирования, разрабатывать новые типы электродвигателей и новые методы их изготовления. Целью моей курсовой работы является осуществление проверочного расчета универсального коллекторного двигателя типа УВ. 

    ОБЩАЯ ЧАСТЬ

    1.1 Назначение, конструкция, принцип работы и правила эксплуатации универсального колекторного двигателя.

    Электродвигатели являются одними из основных сборочных единиц бытовых электроприборов и во многом определяют их надежность и эксплуатационные характеристики.

          По роду питающего  напряжения электродвигатели подразделяют на двигатели:

    Постоянного тока;

    Переменного тока;

    Универсальные.

    По  конструктивному исполнению двигатели  могут быть:

    Коллекторными;

    Бесколлекторными.

    Электродвигатели  постоянного тока работают только от источника постоянного тока (сеть постоянного тока, аккумуляторная батарея, сухие элементы, выпрямители). Все двигатели постоянного тока являются коллекторными.

    Универсальные электродвигатели могут работать от источников как постоянного, так  и переменного тока. Такие двигатели  применяют в приборах (например, электрических бритвах), для которых  по условиям эксплуатации возможен переход от одного вида источника питания к другому.

          В зависимости от способа соединения фаз различают  двигатели:

    С последовательным соединением;

    Параллельным  соединением;

    Последовательно-параллельным соединением.

    Частота вращения коллекторных электродвигателей в отличие от бесколлекторных не зависит от частоты питающего тока и составляет 3000…28000 мин^-1. Это позволяет использовать их в бытовых приборах, для

которых необходима высокая частота вращения рабочих органов (пылесосы, полотеры, миксеры, смесители, кофемолки и др.) Кроме того, следует отметить хорошие регулировочные свойства данных двигателей.

    Коллекторный  электродвигатель постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной  – статора(индуктора) и вращающейся  – ротора (якоря), разделенных воздушным зазором.

    Основным  элементом обмотки якоря  является секция, содержащая один или несколько  витков. Начало и конец секции присоединены к двум коллекторным пластинам. Каждая секция имеет активные стороны, расположенные  в пазах сердечника якоря, и лобовые части, посредством которых ее активные части соединяются между собой и с коллекторными пластинами.

    Коллекторные  электродвигатели переменного тока отличаются от коллекторных двигателей постоянного тока тем, что в них  используется шихтованная магнитная система индуктора, уменьшающая потери на гистерезис и вихревые токи. Наибольшее распространение получили электродвигатели переменного тока с последовательным возбуждением.

    Универсальные коллекторные электродвигатели могут  работать от сети как переменного, так и постоянного тока при одинаковой скорости вращения в режиме номинальной нагрузки. По конструкции и принципу действия они аналогичны двигателям постоянного тока последовательного возбуждения.

    Коллекторные  электродвигатели снабжаются устройством для подавления радиопомех, возникающих из-за искрения на щетках. Это устройство обычно представляет собой блок конденсаторов постоянной емкости, подключаемый параллельно щеткам.

    В настоящее время промышленностью  изготавливаются электрические машины постоянного тока, предназначенные для работы в различных условиях. Поэтому отдельные узлы машин могут иметь различную конструкцию, но общая конструктивная схема этих машин одинакова. 
 

    Машина  постоянного тока состоит из неподвижной  части – статора и вращающейся части – якоря, разделенных воздушным зазором. Статор состоит из станины, на внутренней поверхности которой крепятся главные полюса с обмотками. Главные полюса служат для создания магнитного потока, а добавочные – для улучшения коммутации.

    Якорь машины постоянного тока состоит  из вала, сердечника, обмотки и коллектора. Концы вала находятся в подшипниках, расположенных в подшипниковых  щитах. Для лучшего охлаждения у  большинства машин имеется вентилятор.

    Станина. Станина машины постоянного тока служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов. Кроме того, станина является магнитопроводом, так как через нее замыкается основной магнитный поток машины. Поэтому станины машин постоянного тока изготавливаются из стали – материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. Для крепления машины к фундаменту станина имеет отлитые или приваренные лапы с отверстиями для крепящих болтов. По окружности станины имеются отверстия для крепления главных и добавочных полюсов. В верхней части станина имеет подъемное кольцо (рым-болт), служащее для подъема машины при ее сборке и монтаже.

    В машинах малой и средней мощности станина представляет собой цельную  конструкцию в виде стальной отливки  или же сваренную из листовой стали. В крупных машинах станины делают разъемными, что облегчает их монтаж и транспортировку.

    Главные полюса. Магнитное поле в машине постоянного тока создается намагничивающей  силой обмотки возбуждения, которая  выполняется в виде полюсных катушек, надетых на сердечники главных полюсов. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник заканчивается полюсным наконечником, посредством которого обеспечивается требуемое распределение магнитного потока на поверхности якоря. 

    Сердечники  главных полюсов изготавливаются в виде пакетов стальных листов толщиной от 1 до 2 мм. Пакет прессуют и стягивают шпильками. Такой конструкцией достигается уменьшение вихревых токов в сердечнике полюса, возникновение которых объясняется изменением (пульсацией) магнитной индукции в полюсных наконечниках при вращении якоря, имеющего зубчатую поверхность.

    Полюса  крепятся к станине болтами или  шпильками. Полюсные катушки выполняются  из медного провода, намотанного  на каркас из изолирующего материала. Иногда катушку делят по высоте на несколько частей, между которыми оставляют вентиляционные каналы. Такая конструкция обеспечивает лучшее охлаждение катушки.

    Добавочные  полюса. Добавочные полюса применяют  в машинах мощностью свыше 1 квт  с целью уменьшения искрения на щетках.

    Добавочный  полюс состоит из сердечника и катушки, выполненной из медного изолированного провода с сечением, рассчитанным на рабочий ток машины, так как катушки добавочных полюсов включаются последовательно с обмоткой якоря. Сердечник добавочного полюса изготавливается из стали и имеет обычно монолитную конструкцию. Из-за малой величины магнитной индукции в сердечниках добавочных полюсов в них практически не индуцируются вихревые токи. Добавочные полюса устанавливают посередине между главными полюсами и крепят к станине болтами.

    Якорь. Якорь машины постоянного тока состоит  из вала, сердечника, обмотки и коллектора.

    Сердечник якоря представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Листы  изолируют друг от друга лаком или бумагой и собирают в общий пакет, который насаживают на вал якоря. Пакет удерживается в сжатом состоянии нажимными шайбами. Такая конструкция сердечника якоря дает возможность уменьшить потери энергии в нем от действия вихревых токов, возникающих в результате перемагничивания сердечника при вращении якоря в магнитном поле. Для лучшего охлаждения машины обычно в сердечниках якоря устраивают вентиляционные каналы для охлаждающего воздуха. На поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые укладывается обмотка якоря.

    Обмотку якоря выполняют из медного провода  круглого или прямоугольного сечения  и располагают в пазах сердечника якоря, где она тщательно изолируется  от сердечника. Пазы сердечника могут  быть открытыми и полузакрытыми. Открытые пазы применяют в машинах средней и большой мощности, а полузакрытые – в машинах малой мощности.

    Обмотка якоря состоит из секций, концы  которых припаиваются к пластинам  коллектора.

    Для прочного закрепления проводов обмотки  якоря в пазах применяются  деревянные, гетинаксовые или текстолитовые клинья. Применение деревянных клиньев не обеспечивает надежного крепления, так как при высыхании они ослабевают и могут выпасть из паза. В машинах малой мощности пазы не заклиниваются, а прикрываются сверху бандажом. Для того чтобы бандаж не выступал за пределы якоря, место под бандаж делают несколько меньшего диаметра.

    Бандаж  выполняется из стальной или бронзовой  проволоки, наматываемой непосредственно  на сталь якоря.

    Лобовые части обмотки крепятся к обмоткодержателю также посредством проволочного бандажа.

    Коллектор машины выполняют из пластин холоднократной меди, которые изолируют друг друга  прокладками из коллекторного миканита. Выступающую часть коллекторной пластины называют «петушком», к ней  припаивают провода обмотки якоря. Нижние края пластины имеют форму «ласточкиного хвоста». После сборки коллектора эти края оказываются зажатыми между двумя нажимными шайбами, изолированными от коллекторных пластин миканитовыми конусами и цилиндрами. Чтобы миканитовые прокладки при срабатывании пластин коллектора не выступали над пластинами, что вызвало бы вибрацию щеток, искрение и преждевременный износ щеток, между коллекторными пластинами фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм.

    Коллекторы  электрических машин малой мощности часто выполняются путем запрессовки медных пластин в пластмассу. Пластмасса в этом случае является скрепляющим и изолирующим материалом. Такая конструкция коллектора проста в изготовлении, но может примениться лишь при скорости вращения до 10 000об/мин.

    Щеточное устройство. Для получения электрического контакта с поверхностью коллектора в машине постоянного тока имеются щетки. Для установки щеток в машине служит щеточное устройство, которое состоит из щеточной траверзы, пальце, щеткодержателей.

    Щеточная  траверза обычно крепится к подшипниковому щиту и только в машинах большой мощности она крепится к станине. Между щеточной траверзой и пальцами имеется изоляция. На каждый палец устанавливают комплект щеткодержателей. Число пальцев обычно равно числу главных полюсов в машине. Щеткодержатель состоит из обоймы, в которую помещают передающую давление пружины на щетку. Крепление щеткодержателя на пальце осуществляется посредством зажима. Для присоединения элементов электрической цепи машины к щетке последняя снабжается гибким тросиком. Все щеткодержатели одной полярности соединяют между собой сборными шинами, присоединенными к выводам машины. Одним из условий бесперебойной работы электрической машины является плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором. Следовательно, щеточное устройство является ответственным узлом машины: щетка должна иметь надежный контакт с коллектором, давление на щетку должно быть отрегулировано, так как чрезмерный нажим может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора, а недостаточный нажим – искрение на коллекторе.

    Помимо  указанных частей, машина имеет два  подшипниковых щита: передний (со стороны  коллектора) и задний. Щиты с помощью  болтов крепятся к станине. В центральной  части щита имеется расточка, где  располагается подшипник. Обычно в машинах применяются шариковые или роликовые подшипники качения: лишь в некоторых машинах, с целью обеспечения бесшумности в процессе работы, применяют подшипники скольжения.

    Для присоединения обмоток машины к  электрической сети машина снабжается  коробкой выводов, где на изоляционный панели делаются выводы концов обмоток. Обычно панель с выводами располагают на станине, а в некоторых машинах малой мощности – на переднем подшипниковом щите. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    1.2 Применение универсальных  колекторных электродвигателей в электоробытовой технике

      Универсальные коллекторные двигатели  находят широкое применение благодаря  следующему: могут работать от  источников как постоянного так  и переменного тока; при работе от любого из источников допускают возможность плавного и широкого регулирования частоты вращения изменением подводимого к двигателю напряжения с помощью якорного или полюсного регулирования; позволяют получить при промышленной частоте сети весьма высокую частоту вращения якоря 1000-40000 об/мин, недостижимую при применении асинхронных и синхронных двигателей промышленной частоты без повышающего редуктора.

        Универсальные коллекторные двигатели  используются во многих бытовых  машинах (пылесосах, швейных машинах,  кофемолках, электродрелях), в медицинской технике, в автоматических системах.

      В ряде сложных моделей электрических приборов, например стиральных машин, применяется электронная система управления коллекторным электродвигателем. Она представляет собой цифровой электронный модуль. Регулирование и поддержание заданной скорости вращения электродвигателя производится автоматически. Реверс двигателя осуществляется специальным реле реверса с электронным управлением и двумя переключателями. Контроль скорости вращения осуществляет тахометр. Для этого он производит сравнение фактического числа оборотов двигателя с запрограммированным эталонным значением. Сигнал ошибки тахометра подается на плату управления, которая корректирует фактическую скорость вращения двигателя. Для защиты электродвигателя от перегрузки в системе управления имеется защитное реле. 
 
 
 

2. РАСЧЕТ УНИВЕРСАЛЬНОГО  КОЛЛЕКТОРНОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

    Основой для расчета универсальных коллекторных электродвигателей являются следующие  данные:

    Номинальная потребляемая мощность  Р₂=270 Вт

    Напряжение  сети  U=127 В

    Частота вращения якоря  n=8000 об/мин

    Частота сети   f₁=50 Гц

    Режим работы - продолжительный.

    2.1. Основные размеры двигателя

    2.1.1 Расчетная мощность электродвигателя:

    - для двигателей при длительном режиме работы

    где h - коэффициент полезного действия, который выбирается по кривым (рис. 1) или принимается следующим:

    для двигателей мощностью

    Р₂£ 100 Вт               h = 0,5 ¸ 0,53;

    Р₂£ 200 Вт               h = 0,55 ¸ 0,6;

    Р₂£ 300 Вт               h = 0,6 ¸0,65;

    Р₂  - номинальная потребляемая мощность по заданию.

    2.1.2. Ток и ЭДС якоря при нагрузке

= А (1.2)

= В (1.3)

    где U – напряжение сети по заданию;

    cosj - коэффициент мощности вибирается по кривым ( рис.2):

    в случае 2р = 2  коэффициент трансформации  k = 0,1 ¸0,15,

    в случае 2p = 4  коэффицинет трансформации k = 0,05¸0,075.

    Универсальные коллекторные электродвигатели мощностью  до 150¸200 Вт обычно выполняются двухполюсными, а свыше этих мощностей - четырехполюсными.

    2.1.3. Машинная постоянная

    где В_d – амплитудное значение индукции  в воздушном зазоре, выбирается по кривым ( рис.  ): при длительном режиме работы двигателя В_d может находится в пределах (0,3¸0,6) Тл.

    АS – линейная нагрузка якоря, которая выбирается по кривым (рис. ), может находиться в пределах (40¸200) А/см;

    a = 0,6 ¸ 0,7 – коэффициент полюсного перекрытия.

    2.1.4. Диаметр и расчетная длина пакета якоря, см

    D_а =

    L₀ = x×D_n = 1 · 3,9 = 3,9  (1.6)

    где x= L₀/D_а = (0,4¸1,6) – отношение длины пакета якоря к его диаметру;

           n - частота вращения двигателя по заданию.

    2.1.5. Полюсный шаг, см

    t₂ =

    где р – число пар полюсов

    2.1.6. Частота перемагничивания стали якоря

    2.2. Обмотка якоря

    2.1.1. Полезный  магнитный поток

    где В_d - из формулы.

    b₀ = a ×t₂ – полюсная дуга

    b₀  = 0,63 · 3,6 = 2,3  (2.2)

    где a – из формулы.

    2.2.2. Число проводников обмотки якоря

    где а = 1,

    Е - ЭДС якоря при нагрузке из формулы (1.2),

    n – по заданию.

    2.2.3. Число пазов якоря

    Z₂ = (2,5¸4) D_а = 9,75÷15,6  (2.4)

    Z₂ = 12

    c округлением до ближайшего целого  непарного числа.

    2.2.4. Число коллекторных пластин

    К = (2¸3) Z₂ = 2 · 12 = 24  (2.5)

    при этом, как правило К =  2 · Z₂      при 2р=2

    2.2.5. Число витков в секции обмотки

    где N –  из формулы (2.2),

           К - из формулы (2.4). 

          2.2.6. Окончательная величина линейной нагрузки якоря

    где D_a – из формулы (1.4),

            I₂ - из формулы (1.2).

    Полученная  величина АS не должна отличаться от предыдущей, полученной ранее по формуле, более, чем на 5%. 
 

    2.3. Размеры зубцов, пазов и проводов обмотки якоря

    2.3.1. Предварительный выбор плотности тока в обмотке якоря.

    Удельная  тепловая нагрузка боковой поверхности  якоря при продолжительном режиме работы двигателя при нормальном давлении воздуха

    q = Q_m××a¹×(1+0,1ν) =  65·0,0017·(1+0,1·16,3) = 0,3  (3.1)

      где Q_m = 65⁰,

            a¹  = 0,0017 Вт/см²´град.,

      линейная скорость якоря, м/с 

    ν =

    2.3.2. Допустимая плотность тока в обмотке якоря

    2.3.3. Сечение и диаметр провода обмотки якоря

    где – плотность тока , А/мм²;

    для двигателей продолжительного режима работы         = (6¸12) А/мм²

    Используя полученное сечение, согласно ГОСТ 7262-78 или ГОСТ 6324-80, окончательно принимаем  сечение провода обмотки якоря  S₂ ; отношение диаметра голого провода к диаметру изолированного провода d₂/d_2и .

    Для универсальных коллекторных электродвигателей  применяется медный изолированный  провод марок ПЭТ, ПЭВ-2, ПЭЛШО, ПЕЛШКО.

          2.3.4. Окончательная плотность тока  в проводе обмотки якоря