Проектирование генератора постоянного тока с параллельным возбуждением

1. Исходные данные

2. Выбор основных размеров с расчётом вариантов

2.1 Электромагнитная мощность генератора, выбор числа пар полюсов и коэффициента полюсной дуги

2.2 Выбор размеров якоря

2.3 Расчёт размеров корпуса генератора

3. Выбор типа и расчёт обмотки якоря

3.1 Выбор типа обмотки якоря

3.2 Расчёт обмотки якоря

3.3 Расчёт дополнительных размеров якоря

3.4 Коллектор и щётки

4. Расчёт магнитной цепи и построение характеристики холостого хода

4.1 Расчёт магнитной цепи

4.2 Характеристики холостого хода

5. Определение магнитодвижущей силы (МДС) возбуждения при нагрузке

5.1 Определение поперечной реакции якоря

5.2 Расчёт обмотки возбуждения генератора

6. Проверка коммутации и расчёт дополнительных полюсов

6.1 Проверка коммутации

6.2 Расчёт дополнительных полюсов

6.3 Уточнение ЭДС генератора

7. Определение полной и относительной активной и конструктивной массы генератора

7.1 Определение активной массы

7.2 Полная масса генератора

8. Определение потерь и коэффициента полезного действия (КПД)

8.1 Определение потерь

8.2 Коэффициент полезного действия

9. Расчёт характеристик генератора

9.1 Расчёт семейства нагрузочных характеристик генератора

9.2 Построение внешней характеристики генератора

9.3 Построение регулировочной характеристики генератора

10. Механический расчёт вала и выбор подшипников

10.1 Механический расчёт вала

10.2 Расчёт шарикоподшипников Список использованной литературы

1. Исходные данные

1. Номинальная мощность ;

2. Номинальное напряжение ;

3. Номинальный диапазон частот вращения ;

4. Способ охлаждения — продув забортного воздуха;

5. Режим работы — продолжительный.

Задание

Проектирование генератора постоянного тока с параллельным возбуждением.

2. Выбор основных размеров с расчётом вариантов

2.1 Электромагнитная мощность генератора, выбор числа пар полюсов и коэффициента полюсной дуги

Расчёт электромагнитной мощности

Принимаем предварительно ток возбуждения и рассчитываем ток нагрузки генератора Тогда ток якоря Электродвижущая сила (ЭДС) генератора Принимаем ЭДС генератора .

Электромагнитная мощность генератора

Выбор числа пар полюсов и коэффициента полюсной дуги

Согласно рекомендациям выбираем число пар полюсов, а коэффициент полюсной дуги

2.2 Выбор размеров якоря

Расчёт 1-го варианта генератора

Согласно рекомендациям диаметр якоря, принимаем .

Рекомендуемая индукция в воздушном зазоре .

Рекомендуемая линейная нагрузка .

Длина якоря

при ,

Отношение длины якоря к его диаметру

Расчёт 2-го варианта генератора

Принимаем (Учитывая наличие штампа).

Рекомендуемая индукция в воздушном зазоре .

Рекомендуемая линейная нагрузка .

Длина якоря

при ,

Отношение длины якоря к его диаметру

Расчёт 3-го варианта генератора

Принимаем (Учитывая наличие штампа).

Рекомендуемая индукция в воздушном зазоре .

Рекомендуемая линейная нагрузка .

Длина якоря

при, (мы вынуждены снизить линейную нагрузку против рекомендованной величины, для того чтобы якорная обмотка поместилась в пазу).

Отношение длины якоря к его диаметру

Выбор варианта генератора по результатам предварительных расчётов

Рассчитываем зону оптимальных значений

.

Исходя из того, что первый вариант в эту зону не попадает, также учитывая то обстоятельство, что охлаждение генератора производится продувом забортного воздуха, а это требует увеличения диаметра якоря и уменьшения его длины для улучшения интенсивности теплосъёма, для улучшения коммутационных характеристик, выбираем третий вариант генератора.

Выбираем следующие параметры генератора

— Диаметр якоря

— Длина якоря

— Индукция в воздушном зазоре

— Линейная нагрузка

2.3 Расчёт размеров корпуса генератора

Воздушный зазор

Полюсное деление Расчётная длина дуги полюса Воздушный зазор Принимаем воздушный зазор

Размеры полюса

Магнитный поток в воздушном зазоре Коэффициент рассеивания полюсов, принимаем

Магнитный поток, проходящий через полюсы и корпус Допустимую индукцию в полюсе принимаем

Площадь сечения полюса Задаёмся длиной полюсного наконечника и длиной сердечника полюса

Коэффициент заполнения пакета сталью, учитывающий изоляцию между листами стали якоря

Ширина полюса Высота полюса вместе с наконечником

принимаем

Допустимую индукцию в полюсном наконечнике принимаем

Высота полюсного наконечника при несимметричном полюсе (с половинным числом дополнительных полюсов) Действительная длина дуги полюса

Размеры корпуса

Принимаем допустимую индукцию в корпусе (ярме)

Площадь сечения корпуса (ярма) Активная длина корпуса

принимаем. Высота спинки ярма (корпуса) Наружный диаметр машины

3. Выбор типа и расчёт обмотки якоря

3.1 Выбор типа обмотки якоря

Принимается простая петлевая обмотка. Число пар параллельных ветвей обмотки якоря. При этом ток одной параллельной ветви

что не превышает допустимых значений.

3.2 Расчёт обмотки якоря

Расчёт количественных соотношений обмотки и коллектора

Общее число проводников обмотки якоря

принимаем

Число витков в секции принимаем .

Принимаем число коллекторных пластин на паз .

Число коллекторных пластин при ,

Число пазов Количество пазов приходящееся на один полюс

.

Укорочение .

Шаг обмотки по пазам, из первого паза в девятый.

Шаг по коллектору .

Полное число проводников в пазу .

Проверяем условия симметрии. Для простой петлевой обмотки отношение, равно целому числу и отношение является целым числом следовательно, условие симметрии обмоток выполняется.

Размеры провода обмотки якоря

Зубцовое деление по наружной поверхности якоря

.

Принимаем высоту паза .

Зубцовый шаг в основании зубца

.

Принимаем максимально допустимую индукцию в основании зубца якоря .

Ширина основания зубца якоря

.

Ширина паза

.

Принимаем плотность тока в обмотке якоря .

Сечение меди обмотки якоря

.

Принимаем толщину изоляции в пазу.

Ширина изолированного провода

.

Выбираем для изготовления обмотки прямоугольный провод марки ПШД. Размеры неизолированного провода. Размеры изолированного провода .

Проверяем фактическую плотность тока в проводнике обмотки якоря Принимаем длину лобовой части обмотки якоря .

Длина полувитка обмотки якоря

.

Сопротивление обмотки якоря при температуре и удельном сопротивлении меди

.

Размещение проводников в пазу

Размещение проводников в пазу показано на эскизе рис. 1 в соответствии с расчётной таблицей 1.

Табл. 1. — Расчёт размещения проводников в пазу

Уравнительные соединения

Шаг уравнительного соединения или (от первой коллекторной пластины к тридцать пятой).

Число уравнителей

.

Принимаем, соединение осуществляется через 3 ч 4 коллекторные пластины в следующем порядке:

1−35−69−103; 4−38−72−106; 8−42−76−110; 11−45−79−113; 15−49−83−117; 18−52−86−120; 22−56−90−124; 25−59−93−127; 29−63−97−131; 32−66−100−134

Сечение меди уравнительного соединения

.

Для изготовления уравнителей принимаем круглый провод ПЭВ-2 диаметром 1,3/1,4 мм, сечением 1,327 мм².

3.3 Расчёт дополнительных размеров якоря

Принимаем магнитную индукцию в спинке якоря

Высота спинки якоря Внутренний диаметр якоря

3.4 Коллектор и щётки

Коллектор

Принимаем диаметр коллектора .

Окружная скорость коллектора Коллекторное деление

.

Принимаем толщину изоляции .

Ширина коллекторной пластины

.

Заплечико коллекторной пластины

таким образом .

Щётки

Принимаем число щёточных болтов .

Принимаем плотность тока под щёткой .

Общая площадь щёточного контакта одного болта

.

Ширина щётки

принимаем .

Принимаем длину щётки (ГОСТ 12 232−71) .

Принимаем угол наклона реактивного щёткодержателя .

Число щёток на один болт

принимаем .

Проверка плотности тока под щёткой

.

По выше рассчитанным параметрам выбираем щётки типа МГС-7, .

Длина рабочей поверхности коллектора

.

Рис. 1. — Эскиз паза якоря

4. Расчёт магнитной цепи и построение характеристики холостого хода

4.1 Расчёт магнитной цепи

Выбор материалов для изготовления магнитопровода

Магнитопровод генератора изготавливается из следующих материалов:

— якорь — сталь Э21 толщиной 0,5 мм, изоляция листов — оксидирование;

— полюсы — сталь Э толщиной 0,5 мм, изоляция листов — оксидирование;

— корпус — сталь Э.

Разбиение магнитной цепи на участки

Эскиз магнитной цепи представлен на рис 2. Магнитная цепь разбита на шесть участков:

— Воздушный зазор;

— Зубцы якоря;

— Спинка якоря;

— Полюсы;

— Воздушный зазор между полюсом и корпусом (стык);

— Корпус (ярмо).

Определение длин силовых линий

Длина силовой линии в зубце Средний диаметр якоря

.

Длина силовой линии в спинке якоря

что хорошо согласуется с эскизом магнитной цепи машины Рис. .

Длина силовой линии в полюсе .

Средний диаметр корпуса

.

Длина силовой линии в корпусе

что хорошо согласуется с эскизом магнитной цепи машины рис. 2.

Рис. 2. — Эскиз магнитной цепи машины

Определение зубцовых и пазовых коэффициентов, коэффициента воздушного зазора

Высота зубца .

Высота одной трети от минимального сечения зубца Диаметр окружности на высоте одной трети от минимального сечения зубца

.

Величина зубцового деления на высоте одной трети от минимального сечения зубца

.

Ширина зубца на высоте одной трети от минимального сечения зубца

.

Зубцовый коэффициент на высоте одной трети от минимального сечения зубца

.

Пазовый коэффициент на высоте одной трети от минимального сечения зубца

.

Определяем

где — ширина шлица паза.

Тогда коэффициент воздушного зазора

Основной расчёт магнитной цепи генератора

Основной расчёт магнитной цепи генератора сведён в таблицу 2.

Табл. 2. — Расчёт магнитной цепи генератора

18 470*^** Определение действительной индукции в зубце якоря при её превышении 18 000 Гс показано на

Расшифровка строк таблицы:

1. Магнитный поток.

2. Индукция в воздушном зазоре.

3. Индукция в зубце.

4. Средняя напряжённость поля в зубце.

5. Намагничивающая сила зубца.

6. Индукция в спинке якоря.

7. Напряжённость поля в спинке якоря.

8. Намагничивающая сила спинки якоря.

9. Намагничивающая сила воздушного зазора.

10. Намагничивающая сила переходного слоя.

11. Магнитный поток в полюсе.

12. Индукция в сердечнике полюса.

13. Напряжённость поля в сердечнике полюса.

14. Намагничивающая сила сердечника полюса.

15. Индукция в ярме.

16. Напряжённость поля в ярме.

17. Намагничивающая сила ярма.

18. Намагничивающая сила стыка.

19. Суммарная намагничивающая сила сердечника, стыка и ярма.

20. Полная намагничивающая сила на один полюс при холостом ходе.

Определение действительной индукции в зубце якоря при её превышении 18 000 Гс производим по уравнению

где — магнитная проницаемость паза (воздуха), — расчётная индукция в зубце.

Для

Для

Определение действительной индукции в зубце якоря графическим методом показано на рис. 3.

Рис. 3. — Определение напряжённости поля в зубце якоря при индукции, превышающей величину 18 000 Гс

4.2 Характеристики холостого хода

По результатам расчёта магнитной цепи генератора для нескольких значений магнитного потока, строим характеристику холостого хода рис. 4, и переходную характеристику рис. 5.

Рис. 4. — Характеристика холостого хода

Рис. 5. — Переходная характеристика

5. Определение магнитодвижущей силы (МДС) возбуждения при нагрузке

5.1 Определение поперечной реакции якоря

Зависимость линейной нагрузки от тока якоря определяется выражением

.

Зависимость намагничивающей силы якоря от тока якоря

.

Для определения поперечной реакции якоря строим на переходной характеристике кривую Рис. 5 при номинальном токе нагрузки, т. е.. Расчёты необходимые для построения, сведены в таблицу 3.

Табл. 3. — Расчёт

По рис. 6 определяем величину поперечной реакции якоря .

Рис. 6. — Определение поперечной реакции якоря

5.2 Расчёт обмотки возбуждения генератора

Определение полной магнитодвижущей силы и выбор регулятора напряжения

Определяем полную МДС возбуждения на один полюс при нагрузке

.

Выбираем для совместной работы с генератором регулятор напряжения РН-180, со следующими характеристиками:

— Номинальное поддерживаемое напряжение ;

— максимальная мощность угольного столба ;

— минимальное рабочее сопротивление угольного столба .

Определение параметров катушки обмотки возбуждения

Минимальное сопротивление обмотки возбуждения

.

Максимальное сопротивление обмотки возбуждения

.

Определяем число витков катушки возбуждения на одном полюсе

.

Выбираем для катушки возбуждения провод ПЭВ-2 диаметром, диаметр изолированного провода, площадь сечения .

Определяем высоту катушки обмотки возбуждения

.

Принимаем толщину изоляционных прокладок .

Количество проводников по высоте катушки

принимаем .

Число проводников по ширине катушки Намотка катушки выполняется в шахматном порядке (коэффициент намотки), ширина катушки (изолированной)

.

Средняя длина витка

.

Проверяем сопротивление обмотки возбуждения (удельное сопротивление меди при рабочей температуре)

.

сопротивление обмотки возбуждения находится в требуемых пределах.

Плотность тока в обмотке возбуждения

^** Величина плотности тока ниже рекомендуемой, но это облегчает тепловой режим работы машины.

6. Проверка коммутации и расчёт дополнительных полюсов

генератор постоянный ток якорь возбуждение

6.1 Проверка коммутации

Проверка ширины зоны коммутации

Приведённая к якорю ширина щётки

.

Приведённое к якорю коллекторное деление

.

Укорочение шага обмотки, выраженное в коллекторных делениях Ширина зоны коммутации Ширина коммутационной зоны не превышает междуполюсного расстояния .

Расчёт величины реактивной ЭДС между смежными коллекторными пластинами

Число витков в коммутируемой секции .

Окружная скорость якоря

.

Размеры необходимые для расчёта удельной магнитной проводимости паза берём из эскиза паза рис. 7.

— ;

— ;

— ;

— ;

— .

Рис. 7. — Эскиз паза для расчёта магнитной проводимости Удельная магнитная проводимость паза

.

Ширина наконечника дополнительного полюса

принимаем .

Воздушный зазор под дополнительным полюсом

принимаем .

Коэффициент воздушного зазора дополнительного полюса

.

Удельная магнитная проводимость головки зубца

.

Значение удельной магнитной проводимости лобовых частей определяем приближённо

принимаем .

Принимаем удельную магнитную проводимость бандажа.

Щёточное перекрытие коллекторных пластин

принимаем. Определяем табличный коэффициент .

Коэффициент средней удельной проводимости

.

Реактивная ЭДС между смежными коллекторными пластинами

.

Расчёт величины ЭДС от поперечного поля реакции якоря

Индукция в зоне коммутации от действия поперечной реакции якоря, приближённо Э.Д.С. от поперечного поля реакции якоря при половинном числе дополнительных полюсов

.

Проверка величины суммы реактивной ЭДС и ЭДС от поперечной реакции якоря

Сумма реактивной ЭДС и ЭДС от поперечной реакции якоря

что удовлетворяет условию обеспечения удовлетворительной коммутации.

6.2 Расчёт дополнительных полюсов

Размеры дополнительного полюса

Индукция коммутирующего поля

.

Длину полюсного наконечника принимаем равной длине якоря .

Магнитный поток в воздушном зазоре дополнительного полюса

.

Принимаем коэффициент рассеяния дополнительных полюсов .

Магнитный поток в сердечнике дополнительного полюса

.

Принимаем индукцию в сердечнике полюса .

Площадь поперечного сечения сердечника дополнительного полюса

.

Принимаем длину сердечника дополнительного полюса .

Ширина сердечника дополнительного полюса

.

Высота дополнительного полюса

.

Принимаем высоту полюсного наконечника дополнительного полюса .

Определение намагничивающей силы обмотки дополнительного полюса

Расчёт магнитной цепи дополнительных полюсов сведён в таблицу 4.

Определение падения магнитного напряжения в цепи дополнительных полюсов , производим по уравнениям:

;

.

Табл. 4. — Расчёт магнитной цепи дополнительных полюсов

Индекс I означает, что расчёт ведётся по цепи «дополнительный полюс — разноимённый главный», II — «дополнительный полюс — одноимённый главный».

Так как, то можно считать .

Расчёт обмотки дополнительного полюса

Намагничивающая сила обмотки дополнительного полюса

.

Принимаем число параллельных ветвей обмотки дополнительных полюсов .

Число витков на одном дополнительном полюсе

принимаем .

Принимаем плотность тока в обмотке дополнительных полюсов .

Сечение меди обмотки дополнительных полюсов

.

Конструкция катушки — намотка «на ребро» из голого прямоугольного провода марки МГМ, размером, площадью сечения, прокладки между витками из электрокартона толщиной и изоляция катушки также из электрокартона толщиной. При этом ширина катушки, высота катушки

.

Средняя длина витка

.

Сопротивление обмотки дополнительных полюсов при ()

.

6.3 Уточнение ЭДС генератора

Падение напряжения в обмотке якоря

.

Падение напряжения на обмотке дополнительных полюсов

.

Падение напряжения в щёточном контакте .

ЭДС генератора

что практически соответствует расчётному.

7. Определение полной и относительной активной и конструктивной массы генератора

7.1 Определение активной массы

Масса стали якоря

Диаметр начала паза .

Вес спинки якоря Площадь паза

.

Масса стали зубцов якоря Масса стали якоря

.

Масса стали корпуса и полюсов

Масса стали корпуса

.

Площадь поперечного сечения полюсного наконечника основного полюса

.

Площадь поперечного сечения сердечника основного полюса

.

Масса стали основных полюсов Площадь поперечного сечения полюсного наконечника дополнительного полюса

.

Площадь поперечного сечения сердечника основного полюса

.

Масса стали дополнительных полюсов

Масса меди

Масса меди обмотки якоря

.

Масса меди обмотки возбуждения главных полюсов

.

Масса меди обмотки возбуждения дополнительных полюсов

.

Полная масса меди генератора

.

Полная активная масса генератора

Полная активная масса стали генератора

.

Полная активная масса генератора

.

7.2 Полная масса генератора

Принимаем конструктивный коэффициент .

Полная масса генератора

.

8. Определение потерь и коэффициента полезного действия (КПД)

8.1 Определение потерь

Потери в меди

Потери в меди обмотки якоря

.

Потери в меди обмотки возбуждения (включая потери угольном столбе регулятора напряжения)

.

Потери в меди обмотки дополнительных полюсов

.

Электрические потери в щёточном контакте

.

Потери в стали

Принимаем технологический коэффициент .

Удельные потери в стали Э21 .

Частота перемагничивания

.

Коэффициент частоты

.

Потери в стали

.

Потери на трение щёток о коллектор

Площадь щёточного контакта

.

Удельное давление на щётку .

Коэффициент трения

Окружная скорость коллектора

.

Потери на трение щёток о коллектор

.

Сумма потерь на трение в подшипниках и потерь на трение о воздух, дополнительные потери

Сумма потерь на трение в подшипниках и потерь на трение о воздух

.

Дополнительные потери

.

8.2 Коэффициент полезного действия

Сумма потерь в генераторе при номинальной нагрузке и скорости

Потребляемая мощность

.

Коэффициент полезного действия

.

9. Расчёт характеристик генератора

9.1 Расчёт семейства нагрузочных характеристик генератора

Коэффициент

.

Сумма сопротивления якоря и дополнительных полюсов

.

Падение напряжения в щёточном контакте указано в табл. 5.

Табл. 5. — Падение напряжения в щёточном контакте

Пересчёт характеристик при в нагрузочные характеристики производим по уравнениям:

Результаты расчётов сведены в табл. 6.

Табл. 6. — Расчёт нагрузочных характеристик

По результатам расчёта строим семейство нагрузочных характеристик при .

9.2 Построение внешней характеристики генератора

Построение внешней характеристики генератора при производим используя семейство нагрузочных характеристик при. Для чего строим на нём уравнение и точки пересечения линии уравнения с семейством нагрузочных характеристик и будут искомыми точками внешней характеристики.

9.3 Построение регулировочной характеристики генератора

Построение регулировочной характеристики генератора при производим используя семейство нагрузочных характеристик при. Для чего проводим горизонтальную линию соответствующую и точки её пересечения с семейством нагрузочных характеристик будут искомыми точками регулировочной характеристики генератора (рис. 8).

Рис. 8. — Семейство нагрузочных характеристик

Рис. 9. — Семейство нагрузочных характеристик

Рис. 10. — Внешние характеристики генератора, при различных значениях сопротивления цепи возбуждения Рис. 11. — Регулировочная характеристика генератора для

10. Механический расчёт вала и выбор подшипников

10.1 Механический расчёт вала

Длина вала

.

Модуль упругости для стали.

Экваториальный момент инерции для сплошного вала

.

Определяем жёсткость вала

.

Принимаем начальный эксцентриситет

.

Определяем начальное значение силы магнитного притяжения

.

Фиктивная жёсткость вала

.

Величина установившейся силы магнитного притяжения

.

10.2 Расчёт шарикоподшипников

Принимаем силу приложенную на свободном конце вала .

Расстояние (из чертежа).

Расстояние (из чертежа).

Выступ вала принимаем .

Определяем реакцию в 1-й опоре

.

Определяем реакцию в 2-й опоре

.

Принимаем аксиальную нагрузку .

Долговечность подшипника .

Коэффициент, учитывающий характер нагрузки .

Коэффициент, учитывающий различие во влиянии на долговечность радиальных и аксиальных усилий .

Определяем постоянную подшипника, расположенного со стороны привода и осуществляющего фиксацию вала

.

Определяем постоянную подшипника, расположенного со стороны коллектора и позволяющего осевое перемещение вала С учётом диаметра вала выбираем шарикоподшипник радиальный однорядный (тип 204) со следующими параметрами:

— постоянная подшипника С=12,7· 10³;

— внутренний диаметр d=20 мм;

— внешний диаметр D=47 мм;

— предельная скорость вращения n=18 000 об/мин;

— ширина подшипника b=14 мм.

1. Морозов А. Г. Расчёт электрических машин постоянного тока. — М.: Высшая школа, 1972.

2. Бертинов А. И., Ризник Г. А. Проектирование авиационных электрических машин постоянного тока. — М.: Оборонгиз, 1958.