Расчет самолетного генератора

1. Расчёт электрической машины

1.1 Расчет авиационного генератора с параллельным возбуждением

Таблица 1 — Исходные данные

Цель расчета: рассчитать самолетный генератор, работающий с угольным регулятором напряжения РН-180.

Таблица 2 — Паспортные данные угольного регулятора РН-180 2 серии

При расчете следует определить:

— номинальную мощность генератора;

— длину и диаметр якоря генератора;

— данные обмотки якоря;

— размеры магнитопровода;

— данные обмотки возбуждения;

— коллектор и щетки.

1.1.1 Выбор основных размеров генератора

Электромагнитная мощность генератора:

(1.1)

где выбирается по кривой (рис. 1).

. (1.2)

Так как генератор работает совместно с угольным регулятором напряжения, то ток возбуждения определяется по формуле:

где Р_умах=180 (Вт).

Рис. 1. Зависимость E/U_H=f (P_H)

Номинальная мощность генератора равна:

. (1.3)

Используя отношение

используя график кривой (рис. 2), выбираем число пар полюсов и диаметр якоря:

Рис. 2. График зависимости диаметра якоря генератора от отношения

Диаметр округляем до ближайшего значения в таблице № 3, в которой указаны рекомендуемые диаметры якорей, принятых в единых сериях машин.

Таблица 3

Из таблицы № 3 имеем: D=10,6 (см); ?_ш=0,5 (см).

По величине диаметра D, используя кривые (рис. 3 и рис. 4), определяем магнитную индукцию в воздушном зазоре B_? и плотность тока в обмотках А. При этом необходимо учесть, что чем больше электромагнитная нагрузка (В_?, А), тем меньше размеры якоря. Однако увеличение, А и В_? ограничивается, тем, что возрастают потеря мощности в меди и стали, увеличивается перегрев и снижается коэффициент полезного действия машины.

Для якоря определяется из основного расчета управления:

(1.4)

где ?=0,65, B_?=0.88 (Тл), A=350 (А/см).

Отношение

где. ? лежит в пределах 0,8−1,6, что удовлетворяет условию.

1.1.2 Расчет обмотки якоря

Число проводников в одной параллельной ветви:

где

. (1.5)

Число витков ?_s секции следует выбирать наименьшим, т. к. при этом уменьшается ЭДС в короткозамкнутой секции и улучшается коммутация. При ?_s=1 число коллекторных пластин:

. (1.6)

Число пазов:

где U_n=4 — число коллекторных пластин на паз, выбирается равным 1 или 3 при 2 р=4, или 2 или 4 при 2 р=6.

Шаг обмотки по пазам:

где,. (1.7)

Знак соответствует обмотке с укороченным шагом. Шаг по коллектору

Полное число проводников в пазу:

. (1.8)

Сечение обмотки якоря определяем как:

где j_я — плотность тока, для машин с продувом равна j_я=20 [A/мм²].

Далее пользуемся ближайшим значением S_я=2.7759 (мм²), выбранным в приложении № 1 методических указаний по выполнению курсовой работы Сопротивление обмотки якоря определяется по формуле:

(1.9)

где — удельное сопротивление меди обмотки при температуре +120^о С;

Средняя длина полувитка обмотки якоря:

(1.10)

— длина лобовой части обмотки, определяется: — в случаи обмотки из прямоугольного провода.

1.1.3 Размеры магнитопровода

Магнитопровод генератора изготавливается из следующих материалов:

— якорь (сталь Э21 толщиной 0.35 мм);

— изоляция листов (оксидирование);

— полюсы (сталь Э или ЭА (армко);

Воздушный зазор:

(1.11)

где .

Величина воздушного зазора авиационных электрических машин постоянного тока приведена в таблице № 4.

Таблица 4

Внутренний диаметр якоря D_вн определяется высотой спинки якоря ?_я:

(1.12)

где В_я=1,5 (Тл) — магнитная индукция в спинке якоря, определяется по таблице № 5.

Таблице 5

Для авиационных машин постоянного тока высота прямоугольного паза колеблется ?_я в пределах 0,65−1,3 см.

Диаметр якоря определяем по кривой на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость диаметра вала от диаметра якоря Магнитный поток, проходящий через полюсы и корпус, равен:

(1.13)

где К_?=1,1 — коэффициент рассеивания полюсов.

Сечение полюсов:

. (1.14)

Ширина полюса:

(1.15)

Высота полюса:

h_m=1,3в_m=1,3•2,16=2,8. (1.16)

Сечение корпуса:

. (1.17)

Длина корпуса:

. (1.18)

Высота спинки корпуса:

не менее 0,35, что удовлетворяет поставленным условиям.

Наружный диаметр машины:

. (1.19)

Отношение

? находится в пределах 1,4?1,9, что удовлетворяет поставленным условиям.

1.1.4 Расчет параллельной обмотки возбуждения

Сечение меди обмотки возбуждения:

(1.20)

где j_в= 7 А/мм² (для машин с продувом).

Средняя длина витка ОВ:

(1.21)

где в_к=0,017 — ширина одной катушки.

Необходимое число витков на один полюс:

. (1.22)

МДС ОВ на один полюс определяется как:

. (1.23)

1.1.5 Коллектор и щетки

Диаметр коллектора принимается равным диаметру якоря D_k=D (для генераторов с продувом).

Коллекторное деление:

. (1.24)

Ширина коллекторной пластины:

(1.25)

где ?к=0,05 см — толщина изоляции между пластинами.

Окружная скорость коллектора:

(1.26)

не превышает 50−55 м/с, что удовлетворяет поставленным условиям.

Общая площадь щеточного контакта:

(1.27)

где Р_щ=Р, а j_щ=20 (А/см²).

Определим данное значение «Технические параметры щеток» настоящего методического указания по выполнению курсовой работы в таблице № 6.

Таблица 6

Ширина щетки:

. (1.28)

Число щеток на один болт:

. (1.29)

1.2 Расчет трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Расчет асинхронного двигателя следует производить по исходным данным таблицы 7.

Таблица 7 — Исходные данные

В процессе расчета необходимо определить:

— основные размеры двигателя;

— частоту вращения ротора и номинальный момент;

— параметры обмотки и пазов статора;

— параметры обмотки и пазов ротора;

1.2.1 Выбор основных размеров

Величинами, определяющими основные размеры электродвигателя (внутренний диаметр статора и длинна) при заданных полезной мощности и частоте вращения являются:

· Относительная ЭДС .

· КПД

· Коэффициент мощности, зависящий от числа пар полюсов, конструкции ротора, режима работы и мощности.

· Коэффициент обмотки статора К_01, зависит от типа и способа выполнения обмотки и ориентировочно выбирается для диаметральных обмоток равным 0,96.

· Коэффициент формы кривой поля К_ф зависит от степени насыщения магнитной цепи, обычно равен 1,11−1,065. Он с увеличением мощности уменьшается.

· Коэффициент полюсного перекрытия? зависит тоже от степени насыщения магнитной цепи.

Расчетная мощность двигателя:

; (2.1)

где; .

Коэффициент использования машины:

где В_?=0,6 — магнитная индукция в воздушном зазоре, А=220 — линейная нагрузка.

При выборе В_? и, А необходимо иметь ввиду, что они оказывают основное влияние на главные размеры. Чем больше эти величины, тем меньше габаритные размеры. Однако с увеличением их увеличиваются электрические и магнитные потери, температура нагрева, снижается КПД.

Для увеличения максимального вращающегося момента двигателя и, следовательно, для увеличения его перегрузочной способности надо увеличить значение В_? и уменьшить значение А, а для увеличения коэффициента мощности необходимо уменьшить В_? и увеличить А.

Конструктивный коэффициент:

. (2.2)

Число пар полюсов:

. (2.3)

Внутренний диаметр статора (диаметр расточки):

(2.4)

Длина пакета статора:

. (2.5)

Величина воздушного зазора приближенно вычисляется по эмпирической формуле:

. (2.6)

Диаметр ротора:

. (2.7)

Наружный диаметр двигателя:

(2.8)

где коэффициент К_д=1,25.

Полюсное деление:

. (2.9)

Окружная скорость ротора:

. (2.10)

Частота вращения ротора:

. (2.11)

Номинальный развиваемый момент:

. (2.12)

1.2.2 Расчет обмотки и пазов статора

В авиационных асинхронных электродвигателях мощности до 1 кВт целесообразно применять однослойные, равносекционные обмотки, которые проще в изготовлении, имеют компактную укладку лобовых соединений, меньшее число катушек и обеспечивают лучшее заполнение паза.

Число пазов на полюс и фазу статора q₁ целесообразно принимать q₁=2.

Число пазов статора:

(2.13)

где m₁ число фаз.

Полюсное деление по пазам: .

Шаг обмотки статора по пазам:.

Магнитный поток полюса:

.

Номинальное напряжение фазы статора при соединении звезда:

.

Число последовательно соединенных витков одной фазы статора:

(2.14)

Номинальный ток фазы статора:

. (2.17)

Плотность тока в обмотках статора j₁=4,5 (А/мм²) c естественным охлаждением при длительном режиме работы.

Сечение неизолированного проводника обмотки статора:

мм²). (2.18)

Диаметр неизолированного провода круглой формы:

. (2.19)

По величине диаметра определяются размеры провода, класс, тип, толщина изоляции согласно действующим, из которых следует, что за диаметр неизолированного провода следует принять величину d₁=0,069 (мм), для которой соответствует максимальный диаметр изоляционного провода ПЭВ-1 d₂=0,74 (мм) с толщиной изоляции? d₁₂=0,05 (мм).

Число активных проводников, приходящихся на паз статора:

. (2.20)

Полное число проводников всех фаз:

. (2.21)

Выберем овальный паз с круглым проводом.

Активное сопротивление обмотки статора при температуре +120 °C:

(2.22)

где ().

Средняя длинна обмотки статора для однослойной равносекционной обмотки:

. (2.23)

1.2.3 Расчет обмотки и пазов ротора

Обмотки ротора выполнены в виде беличьей клетки из медных, латунных или алюминиевых стержней. Выбор материала определяется возможностью обеспечения заданной кратности пускового момента.

. (2.24)

ЭДС в стержне ротора при холостом ходе, отнесенная к частоте сети:

. (2.25)

Ток в стержне ротора:

(2.26)

где

Для стержней ротора машин с естественным охлаждением и длительным режимом работы величина плотности тока J_ст2 =9,5 (А/мм²).

Сечение стержня ротора:

. (2.27)

Пазы ротора имеют в основном круглую и прямоугольную форму.

Размеры паза определяются согласно сечению S_ст2 в соответствии с принятой формой паза.

Размеры стержня ротора для круглого паза:

. (2.28)

Размеры паза ротора (круглого):

. (2.29)

Ток в кольце, замыкавшем стержни ротора накоротко:

. (2.30)

Сечение кольца ротора:

(2.31)

где .

Активное сопротивление стержня:

. (2.32)

Сопротивление участка кольца между двумя стержнями:

(2.33)

где .

2. Расчет выпрямительного устройства

В прочесе расчета необходимо выбрать наиболее рациональную схему выпрямления, определить число и тип вентилей, подобрать схему к рассчитанным элементам сглаживающего фильтра, найти электрические и конструктивные параметры силового трансформатора, составить электрическую схему выпрямительного устройства. Исходные данные приведены в таблице № 8.

Таблица № 8

2.1 Выбор схемы выпрямителя

Вид фильтра определяется родом нагрузки вентиля. В нашем случае целесообразно выбрать однофазную мостовую схему выпрямления, обладающая более низким входным сопротивлением. В схеме, по сравнению с однофазной полупроводниковой и двухполупериодными схемами выпрямления, лучше используется трансформатор, обратное напряжение на вентиль в два раза меньше.

Достоинства: обладает низким выходным сопротивлением; высокий коэффициент использования мощности и поэтому может быть рекомендована в устройствах повышенной мощности при выходных напряжениях от десятков до сотен вольт; обратное напряжение на вентиль в два раза меньше.

Недостатки: применение четырех вентилей; невозможность установки вентилей без изоляции на одном радиаторе; удвоенное прямое напряжение на вентильной группе.

Расчёт выпрямителя и фильтра Сопротивление нагрузки выпрямителя:

(3.1)

Выходная мощность выпрямителя:

Рис. 6. Схема однофазного мостового выпрямителя Рис. 7. Схема фильтра Определим требуемый коэффициент фильтрации:

Таблица 9

Напряжение на входе фильтра:

Зададимся значениями вспомогательных коэффициентов: В=0.9, D=2.1, N=200.

Определим ориентировочные значения параметров вентилей:

(3.5)

(3.6)

Выберем тип вентиля. Характеристики вентиля приведены в таблице № 10.

Таблица 10

Дифференциальное сопротивление для выбранного вентиля:

(3.7)

Потеря мощности на вентилях:

(3.8)

2.3 Расчет трансформатора

Определим приблизительно активное сопротивление и индуктивность рассеивания трансформатора:

двигатель трансформатор авиационный ток

(3.9)

где S=2 — для броневого трансформатора и двухкатушечного;

В_m=1.5 Тл;

K_r=5,1 и K_L=6,4 — коэффициенты для схемы при индуктивной реакции.

Активное сопротивление фазы выпрямителя:

(3.11)

Определим параметры трансформатора из таблиц № 16 методических указаний:

; (3.12)

; (3.13)

; (3.14)

; (3.15)

(3.16)

Для изготовления сердечника трансформатор, работающего на частотах 400 Гц следует применять сталь марок Э44 и Э340 с толщиной пластин 0,1 мм. По кривой (рис. 8) определим плотность тока в обмотках трансформатора, а по кривой (рис. 9) КПД трансформатора.

Рис. 8. Зависимость плотности тока в обмотках от мощности трансформатора Рис. 9. Зависимость КПД от мощности трансформатора где K_M=0,25;

К_с=0,88 при толщине пластин 0,1 мм.

Коэффициент трансформации:

(3.18)

Величина тока:

(3.19)

Сечение проводов обмоток:

; (3.20)

. (3.21)

Потери в трансформаторе:

. (3.22)

КПД выпрямителя:

. (3.23)

Выводы

В ходе проведения курсовой работы мною были получены основные массогабаритные и параметрические показатели авиационного генератора с параллельным возбуждением и трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Расчетные характеристики удовлетворяют поставленным условиям в исходных вариантах заданий и основным нормативно-техническим допускам по проектированию электрических машин.

Был также произведен расчет выпрямительного устройства и построены временные графики работы схемы выпрямителя, соответствующие варианту задания.

Данная курсовая работа позволяет сформировать комплекс основных методологических знаний в области проектирования авиационных электрических машин, принципах организации систем электроснабжения, что является неотъемлемым знанием авиационного инженера. Полученные знания в ходе выполнения курсовой работы будут неразрывно согласовываться с принципами проведения технической эксплуатации авиационного оборудования.

Список источников

1. В. И. Дъяков. Типовые расчеты по электрооборудованию. М., «Высшая школа», 1980 г.

2. М. П. Костенко. Электрические машины. М., «Энергия», 1973 г.

3. М. М. Кацман. Расчет и конструирование электрических машин. М., «Энергоатомиздат», 1984 г.

4. М. Г. Чиликин. Общий курс электропривода. М. «Энергия», 1971 г.