Проектирование двигателя постоянного тока

Министерство транспорта и связи Украины Днепропетровский национальный университет железнодорожного транспорта им. ак. В. А. Лазаряна Кафедра «Автоматизированный электропривод»

Курсовой проект По курсу: «Электрические машины»

На тему:

Проектирование двигателя постоянного тока Днепропетровск — 2010

• Задание на проектирование
• 1. Магнитная цепь машины. Размеры, конфигурация, материал
• 1.1 Главные размеры
• 1.2 Сердечник якоря
• 1.3 Сердечник главных полюсов
• 1.4 Сердечники добавочных полюсов
• 1.5 Станина
• 2. Обмотка якоря
• 2.1 Тип и шаги обмотки якоря. Количество витков обмотки, коллекторных пластин, пазов
• 2.2 Обмотка якоря с прямоугольными открытыми пазами
• 2.3 Обмотка добавочных полюсов
• 2.4 Стабилизирующая последовательная обмотка главных полюсов
• 3. Характеристика намагничивания машины
• 3.1 Уточнение магнитного потока
• 3.2 МДС для воздушного зазора между якорем и главным полюсом
• 3.3 МДС для зубцов якоря
• 3.4 МДС для спинки якоря
• 3.5 МДС для сердечника главного полюса
• 3.6 МДС для зазора в стыке между главным полюсом и станиной
• 3.7 МДС для станины
• 3.8 Суммарная МДС магнитной цепи
• 4. Обмотка главных полюсов
• 4.1 Последовательная обмотка главных полюсов
• 4.2 Размещение обмоток главных и добавочных полюсов
• 4.3 Независимая обмотка главных полюсов
• 4.4 Последовательная обмотка главных полюсов
• 4.5 Стабилизирующая последовательная обмотка
• 4.6 Обмотка добавочных полюсов
• 4.7 Щётки и коллектор
• 4.8 Коммутационные параметры
• 4.9 Номинальный режим
• 5. Рабочие характеристики
• 5.1 Рабочие характеристики при независимом возбуждении
• 5.2 Регулирование частоты вращения
• 5.2.1 Регулирование частоты вращения вверх
• 5.2.2 Регулирование частоты вращения вни
• 6. Тепловой расчет
• 6.1 Потери в обмотках и контактах щёток
• 6.2 Обмотка якоря
• 6.3 Обмотка добавочных полюсов
• 6.4 Независимая обмотка главных полюсов
• 6.5 Коллектор
• 7. Вентиляционный расчёт
• 7.1 Масса и динамические показатели
• Вывод

Задание на проектирование

Спроектировать двигатель постоянного тока для электропривода с широким двухдиапазонным регулированием.

Исходные данные:

Номинальный режим работы — Продолжительный (S1)

Номинальная отдаваемая мощность ;

Номинальное напряжение ;

Номинальная частота вращения ;

Предел регулирования частоты вращения:

вверх от номинальной ;

вниз от номинальной ;

Кратковременная перегрузка по току ;

Род возбуждения — Независимое, напряжением 220 В, и последовательное Источник и условия питания — Двухзонный тиристорный преобразователь с коэффициентом пульсации 0,2

Степень защиты от внешних воздействий — IP22

Способ охлаждения — IC01Проектирование

1. Магнитная цепь машины. Размеры, конфигурация, материал

1.1 Главные размеры

— высота оси вращения

— минимальн. расстояние от нижней части корпуса до опорной плоскости лап максимальный наружный диаметр сердечника статора:

— максимальный наружный диаметр сердечника якоря

(Гольдберг, и др. стр. 224, рис. 10−2а)

(для машин с независимым или последовательным возбуждением)

— предварительный КПД (Гольдберг, и др. стр. 225, рис. 10−4а) расчетная мощность:

Принимаем изоляцию класса нагревостойкости F

— расчетная линейная нагрузка (Гольдберг, и др. стр. 225, рис. 10−5а)

— расчетная индукция в воздушном зазоре (Гольдберг, и др. стр. 225, рис. 10−5б)

— коэффициент полюсного перекрытия (Гольдберг, и др. стр. 226, рис. 10−6)

Расчетная длина сердечника якоря:

(Гольдберг, и др. стр. 227, рис. 10−7)

1.2 Сердечник якоря

Принимаем для сердечника якоря: сталь 2312 толщиной, листы сердечника якоря лакированные; форма пазов — открытая прямоугольная.

— коэффициент заполнения сердечника якоря сталью

— припуск на сборку сердечника по ширине паза

— припуск на сборку сердечника по высоте паза (Гольдберг, и др. стр. 228, табл. 10−6)

— конструктивная длина сердечника якоря Эффективная длина сердечника якоря

— количество аксиальных вентиляционных каналов в сердечнике якоря

— диаметр канала (Гольдберг, и др. стр. 229)

— предварительный внутренний диаметр листов якоря (Гольдберг, и др. стр. 230, рис. 10−10)

1.3 Сердечник главных полюсов

Принимаем для сердечников главных полюсов сталь 2312 толщиной, листы сердечников полюсов неизолированные; компенсационной обмотки нет; вид воздушного зазора между главными полюсами и якорем эксцентричный.

— коэффициент заполнения сердечника сталью

— эквивалентный воздушный зазор (Гольдберг, и др. стр. 231, рис. 10−13)

— высота зазора у оси полюса высота зазора у края полюса длина сердечника полюса полюсное деление расчетная ширина полюсной дуги

— действительная ширина полюсной дуги

— предварительная магнитная индукция в сердечнике полюса;

предварительное значение магнитного потока в воздушном зазоре эффективная длина сердечника полюса ширина сердечника полюса ширина уступа полюса для упора обмотки возбуждения

высота в наименьшем поперечном сечении наконечника

1.4 Сердечники добавочных полюсов

Принимаем для сердечников добавочных полюсов сталь марки 3411 толщиной; листы сердечников полюсов неизолированные.

— количество добавочных полюсов

— длина наконечника добавочного полюса

— длина добавочного полюса

— предварительная ширина сердечника добавочного полюса (Гольдберг, и др. стр. 233, рис. 10−15)

— воздушный зазор добавочн. полюса (Гольдберг, и др. стр. 233, рис. 10−16)

1.5 Станина

Принимаем монолитную станину из стали марки Ст3

длина станины

— предварительная магнитная индукция в станине предварительная высота станины

— принятое значение высоты станины

— среднее значение высоты станины (Гольдберг, и др. стр. 233, рис. 10−17)

магнитная индукция в месте распространения магнитного потока в станине при входе его в главный полюс

— допустимое её значение внутренний диаметр станины высота главного полюса

высота добавочного полюса

2. Обмотка якоря

2.1 Тип и шаги обмотки якоря. Количество витков обмотки, коллекторных пластин, пазов

— предварительный ток якоря Принимаем простую волновую обмотку (Гольдберг, и др. стр. 237, табл. 10−7) из провода ПЭТ-155

— количество параллельных ветвей (Гольдберг, и др. стр. 240, табл. 10−8)

— предварит. кол-во витков обмотки

— число проводов по ширине паза (Гольдберг, и др. стр. 240, табл 10−8)

— предварительное кол-во витков в секции

— принятое количество витков в секции

— предварительное кол-во пазов якоря

— количество пазов якоря

— количество коллекторных пластин

— зубцовое деление по наружному диаметру якоря

— наружный диаметр коллектора (ГОСТ 19 780−74)

— коллекторное деление

— максимальное межламельное при нагрузке

— число витков обмотки якоря

— количество эффективных проводников в пазу

— ток в пазу

— первый частичный шаг по реальным пазам

— шаг по коллектору

— первый частичный шаг по элементарным пазам

— второй частичный шаг по элементарным пазам

— высота паза (Гольдберг, и др. стр. 244, рис. 10−21)

— высота спинки якоря

— частота перемагничивания

2.2 Обмотка якоря с прямоугольными открытыми пазами

Принимаем пазы якоря прямоугольной формы, открытые.

— предварительная магнитная индукция в наиболее узком месте зубца

— предварительная ширина зубца в наиболее узком месте

— магнитная индукция в спинке якоря

— максимальная магнитная индукция в спинке якоря

— предварительная ширина паза в штампе

— общая толщина изоляции в пазу по его ширине

— общая толщина изоляции в пазу по его высоте

— количество проводников, размещаемых в пазу по высоте

— количество элементарных проводов в эффективном

— высота бандажной канавки

— двусторонняя толщина изоляции провода

— допустимая ширина провода с витковой изоляцией

— то же, без изоляции

— ближайшая стандартная ширина провода без изоляции и с изоляцией

— допустимая высота провода с витковой изоляцией

— то же, без изоляции

— ближайшая стандартная высота провода без изоляции и с изоляцией

— площадь поперечного сечения провода без изоляции

— уточнен. ширина паза в штампе

— уточнённая высота паза в штампе

— плотность тока в обмотке

— удельная тепловая нагрузка якоря от потерь в обмотке

— допустимое значение (Гольдберг, и др. стр. 245, рис 10−22)

допускается превышение величины на 15% сверх допустимого значения

— средн. зубцовое деление якоря

— средняя ширина секции обмотки

— средняя длина одной лобовой части обмотки

— средняя длина витка обмотки

— сопротивление обмотки (20°С)

— то же, в относительных единицах

— то же, контрольное значение

— длина вылета лобовой части обмотки

2.3 Обмотка добавочных полюсов

поперечная МДС якоря

— количество групп катушек добавочных полюсов, соединяемых параллельно

— предварительное количество витков катушки добавочного полюса

— уточнённое количество витков

— уточнённая МДС катушки

— уточнённое отношение МДС

— предварительная плотность тока в обмотке

— предварительная площадь поперечного сечения проводника Принимаем провод неизолированный гнутый на ребро

— принимаемые стандартные размеры проводника без изоляции

— площадь поперечного сечения принятого проводника

— размеры проводника с изоляцией

— уточнённая плотность тока в обмотке

— предварительная ширина катушки

— средняя длина витка катушки

— сопротивление обмотки при 20°C

2.4 Стабилизирующая последовательная обмотка главных полюсов

Принимаем размеры и марку провода такими же, как и у обмотки добавочных полюсов.

— МДС стабилизирующей обмотки на полюс

— все катушки обмотки соединены последовательно

— предварит. количество витков в катушке

— уточнённое количество витков

— уточнённое значение МДС обмотки

— предварительная ширина катушки

— средняя длина витка катушки

— сопротивление обмотки при 20°C

3. Характеристика намагничивания машины

3.1 Уточнение магнитного потока

— сопротивление обмоток якорной цепи, приведенное к стандартной рабочей температуре

— уточнённая ЭДС при номинальном режиме работы двигателя

— уточнённый магнитный поток

3.2 МДС для воздушного зазора между якорем и главным полюсом

— площадь попер. сечения в воздушном зазоре

— уточн. магн. индукция в зазоре

— коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения якоря Предварительное (до проведения механического расчёта бандажей) значение коэффициента, учитывающего увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие наличия бандажных канавок сердечника якоря:

— общий коэффициент воздушного зазора

— МДС для воздушного зазора

3.3 МДС для зубцов якоря

— ширина зубца в наиболее узкой части

— площадь поперечного сечения зубцов в наиболее узкой части

— уточнённая магнитная индукция в зубцах в наиболее узкой части

— ширина зубца в наиболее широкой части

— то же, в средней части

— площадь поперечного сечения зубцов в наиболее широкой части

— то же, в средней части

— в наиболее широкой части

— в средней части

— коэффициент зубцов в узкой части

— то же, в наиболее широкой части

— то же, в средней части

— напряженность магнитного поля в зубцах в наиболее узкой части

— то же, в наиболее широкой части

— то же, в средней части

— среднее значение напряжённости магнитного поля в зубцах

— средняя длина пути магнитного потока

— МДС для зубцов

3.4 МДС для спинки якоря

— расчётная площадь поперечного сечения спинки якоря

— уточнённая магнитная индукция в спинке якоря

— напряжённость магнитного поля в спинке якоря

— ср. длина пути магнитн. потока

— МДС для спинки якоря

3.5 МДС для сердечника главного полюса

— площадь поперечн. сечения сердечника полюса

— уточнённая магнитная индукция в сердечнике полюса

— напряженность магнитного поля в сердечнике главного полюса

— средняя длина пути магнитного потока

— МДС для сердечника полюса

3.6 МДС для зазора в стыке между главным полюсом и станиной

— эквивалентный зазор в стыке между главным полюсом и станиной

— МДС для зазора

3.7 МДС для станины

— площадь поперечного сечения станины

— уточнённая магнитная индукция в станине

— напряжённость магнитного поля в стали станины

— средняя длина пути магнитного потока

— МДС для станины

двигатель постоянный магнитный якорь обмотка

3.8 Суммарная МДС магнитной цепи

— суммарная магнитодвижущая сила магнитной цепи

— коэффициент насыщения магнитной цепи Результаты расчёта характеристики намагничивания

4. Размещение обмоток главных и добавочных полюсов

4.1 Обмотка главных полюсов

Независимая обмотка главных полюсов

(Гольдберг, и др. стр. 275, рис. 10−29)

— размагничив. действие поперечной МДС якоря

— МДС обмотки независимого возбуждения

— предварительная ширина катушки

— средняя длина витка обмотки

— предварительное поперечное сечение провода Принимаем круглый провод марки ПЭТ-155

— принятое ближайшее стандартное поперечное сечение провода

— диаметр принятого провода без изоляции

— диаметр принятого провода с изоляцией

— уточнённый коэффициент запаса

— предв. плотность тока в обмотке (Гольдберг, и др. стр. 278, рис. 10−30)

— предварительное кол-во витков одной катушки

— уточнённое (округлённое) количество витков одной катушки

— уточнённая плотность тока в обмотке

— сопротивление обмотки при

— максимальный ток обмотки

— максимальная МДС

4.2 Последовательная обмотка главных полюсов

Принимаем размеры и марку провода такими же, как и у обмотки добавочных полюсов.

— предварительная ширина катушки

— средняя длина витка катушки

— сопротивление обмотки (при 20°С)

4.3 Независимая обмотка главных полюсов

Принимаем исполнение в виде двух шайб с числом витков в каждой — 340. Количество проводников по ширине в каждой шайбе ,

по высоте ;

— ширина катушки

— высота катушки

4.4 Последовательная обмотка главных полюсов

Принимаем форму параллелепипеда

— ширина катушки

— высота катушки

4.5 Стабилизирующая последовательная обмотка

— ширина катушки

4.6 Обмотка добавочных полюсов

Принимаем форму параллелепипеда

— ширина катушки

— высота катушки

4.7 Щётки и коллектор

— ширина щётки

— длина щётки

— число перекрытых щёткой коллекторных делений

— укорочение

— ширина зоны коммутации

— контактная площадь одной щётки

— необходимая контактная площадь всех щёток

— количество щёток на одном бракете

— уточнённое количество щёток на одном бракете

— уточнён. контактная площадь всех щёток

— уточнённая плотность тока под щётками

— активная длина коллектора

— окружная скорость коллектора при номинальной частоте вращения

4.8 Коммутационные параметры

— проводимость рассеяния паза

— максимальная окружная скорость якоря

— реактивная ЭДС коммутирующих секций

— среднее значение магнитной индукции в зазоре под добавочным полюсом

— коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения якоря

— то же, бандажных канавок сердечника якоря

— необходимый зазор под добавочным полюсом

— уточнённый общий коэффициент воздушного зазора

— ещё более уточнённый воздушный зазор под добавочным полюсом

— магнитный поток в зазоре под добавочным полюсом при номинальной нагрузке

— то же, при перегрузке

— номинальный магнитный поток в сердечнике добавочного полюса

— в сердечнике добавочного полюса при перегрузке

— площадь поперечного сечения сердечника добавочного полюса

— магнитная индукция в сердечнике добавочного полюса при перегрузке

— расчётная магнитная индукция на участках станины, в которых суммируются магнитные потоки главных и добавочных полюсов

— расчётная магнитная индукция на участках спинки якоря, в которых суммируются магнитные потоки главных и добавочных полюсов

4.9 Номинальный режим

— масса стали зубцов якоря

— магнитные потери в зубцах

— масса стали спинки якоря

— магнитные потери в спинке якоря

— суммарные магнитные потери в стали

— потери на трение щёток о коллектор

— потери на трение подшипников, трение о воздух и на вентиляцию машины

— суммарные механические потери

— добавочные потери

— электромагнитная мощность двигателя

— ЭДС якоря двигателя

— уточнённый ток якоря двигателя

— уточнённый ток двигателя

— подводимая мощность двигателя

— суммарные потери в двигателе

— уточнённый КПД двигателя

— дважды уточнённый магнитный поток двигателя (до этого он был 10.36Е-3)

— МДС магнитной цепи двигателя (по хар-ке намагничивания машины)

— уточнённая поперечная МДС якоря

— размагничивающее действие МДС якоря Не стоило считать уточнённую поперечную МДС якоря и её размагничивающее действие. Они мало изменились. Можно было просто взять готовое из раздела «Независимая обмотка главных полюсов».

— дважды уточнённая МДС последовательной стабилизирующей обмотки

— необходимая МДС независимой обмотки главных полюсов двигателя

— момент вращения на валу двигателя

5. Рабочие характеристики

5.1 Рабочие характеристики при независимом возбуждении

5.2 Регулирование частоты вращения

5.2.1 Регулирование частоты вращения вверх

— магнитный поток при максимальной частоте вращения

— МДС при минимальном магнитном потоке (по хар-ке намагничивания). Минимальный ток возбуждения

— максимальная величина регулирующего сопротивления

— частота вращения при холостом ходе и ослабленном возбуждении

5.2.2 Регулирование частоты вращения вниз

— допустимый момент вращения на валу при наименьшей частоте вращения

— при

— ток якоря при минимальной частоте вращения

— ЭДС при минимальной частоте вращения

— напряжение на якоре при минимальной частоте вращения

— результирующая МДС при минимальной частоте вращения (по характеристике намагничивания)

— размагничивающая МДС реакции якоря

— МДС стабилизирующей обмотки

— МДС обмотки возбуждения главных полюсов при минимальной частоте вращения

— ток обмотки возбуждения при минимальной частоте вращения

— максимальная величина регулирующего сопротивления

6. Тепловой расчет

6.1 Потери в обмотках и контактах щёток

— потери в обмотке якоря

— потери в обмотке добавочных полюсов

— потери в стабилизирующей последовательной обмотке

— потери в независ. обмотке главных полюсов

— потери в контактах щёток

6.2 Обмотка якоря

— условная поверхность охлаждения активной части якоря

— условный периметр поперечного сечения паза

— условная поверхность охлаждения пазов

— то же, лобовых частей обмотки

— то же, машины

— удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали, отнесённых к поверхности охлаждения активной части якоря

— то же, от потерь в активной части обмотки, отнесённых к поверхности охлаждения пазов

— то же, от потерь в лобовых частях обмотки, отнесённых к поверхности охлаждения лобовых частей обмотки

— окружная скорость якоря при номинальной частоте вращения

— коэффициент теплоотдачи поверхности якоря (Гольдберг, и др. стр. 300, рис. 10−34)

— превышение температуры поверхности активной части якоря над температурой воздуха внутри машины

— перепад температуры в изоляции паза и проводов

— превышение температуры поверхности лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри машины

— перепад температуры в изоляции проводов лобовых частей обмотки

— среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри машины

— сумма потерь в машине, передаваемая воздуху внутри машины

— среднее превышение температуры воздуха внутри машины над температурой наружного охлаждающего воздуха

— среднее превышение температуры обмотки якоря над температурой наружного охлаждающего воздуха

6.3 Обмотка добавочных полюсов

— условная поверхность охлаждения обмотки

— удельный тепловой поток от потерь в обмотке, отнесённых к поверхности охлаждения обмотки

— коэффициент теплоотдачи наружной поверхности охлаждения обмотки возбуждения (Гольдберг, и др. стр. 301, рис. 10−36)

— превышение температуры наружной поверхности охлаждения обмотки над температурой воздуха внутри машины

— перепад температуры в наружной и внутренней изоляции многослойных катушек обмотки из изолированных проводов

— среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри машины

— среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного охлаждающего воздуха

6.4 Независимая обмотка главных полюсов

— условная поверхность охлаждения всех катушек

— удельный тепловой поток от потерь в обмотке, отнесённых к поверхности охлаждения обмотки

— превышение температуры наружной поверхности охлаждения обмотки над температурой воздуха внутри машины

— перепад температуры в наружной и внутренней изоляции обмотки

— среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри машины

— среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного охлаждающего воздуха

6.5 Коллектор

— условная поверхность охлаждения коллектора

— удельный поток от потерь на коллекторе, отнесённых к поверхности охлаждения коллектора

— превышение температуры коллектора над температурой воздуха внутри машины

— превышение температуры коллектора над температурой наружного охлаждающего воздуха у машины со входом воздуха со стороны коллектора

7. Вентиляционный расчёт

— необходимый расход воздуха

— эквивалентное аэродинамическое сопротивление воздухопровода машины

— наружный диаметр вентилятора

— внутр. диаметр колеса вентилятора

— длина лопатки вентилятора

— количество лопаток вентилятора

— линейная скорость вентилятора по наружному диаметру

— то же, по

внутреннему

— напор вентилятора при холостом ходе

— площадь поперечного сечения входных отверстий вентилятора

— максимальный расход воздуха

— действительный расход воздуха вентилятора

— действительный напор вентилятора

7.1 Масса и динамические показатели

масса проводов обмотки якоря

масса проводов обмотки добавочных полюсов

масса проводов стабилизирующей последовательной обмотки

масса проводов независимой обмотки главных полюсов

— масса меди

коллектора

— суммарная масса

проводов обмоток и меди коллектора

— масса стали зубцов сердечника якоря (см. раздел

«Номинальный режим»)

— масса стали спинки сердечника якоря

— масса стали сердечников главных полюсов

— масса стали сердечников добавочных полюсов

— станины

— суммарная масса активной стали

— масса изоляции машины

— масса конструкционных материалов

— масса машины

— динамический момент инерции якоря

— электромеханическая постоянная времени якоря

Вывод

В данном курсовом проекте мы рассчитывали машину постоянного тока.

По результатам расчета можно сказать, что это двигатель с предельно большим расходом воздуха, то есть машина «холодная», это значит что сделан большой запас по стали, даже смотря на массогабаритные параметры, которые также можно уменьшить. Этой цели можно добиться увеличив ширину обмоток полюсов, тем самым уменьшив высоту полюсов и следовательно самую станину. В остальном машина имеет нормальные коммутационные параметры.