Расчет электродвигателя постоянного тока

1. Задание на расчет Исходные данные:

мощность на валу P2 = 150 Вт;

напряжение сети U = 12 В;

частота вращения n = 4000 об/мин;

возбуждениепараллельное;

режим работы — длительный;

исполнение — закрытое;

температура окружающего воздуха — и 0 = 25 єС.

2. Основные размеры электродвигателя Расчетная или внутренняя электромагнитная мощность машины:

Вт, где по кривой рис. 2.2.1 для Р2 = 150 Вт принято з = 0,65.

Ток якоря электродвигателя при параллельном возбуждении:

А где ток возбуждения:

А Э.Д.С. якоря электродвигателя:

В Машинная постоянная:

электродвигатель постоянный ток расчет где принято б = (0,6ч0,70)=0,65 и по кривым рис. 2.2.2. для

Вд = 0,4 Тл; AS = 100· 102 А/м Примем предварительно:

Диаметр расточки полюсов и расчетная длина пакета якоря будут:

м м

Окончательный диаметр якоря:

м, где принято д = (0,2ч0,4)· 10−3 = 0,3· 10−3

Окружная скорость якоря:

м/сек Полюсный шаг и расчетная полюсная дуга:

м м,

где 2р = 2

Приближенно длина воздушного зазора:

м Действительная полюсная дуга: м Частота перемагничивания стали якоря:

Гц.

3. Обмотка якоря Вылет лобовой части обмотки по оси вала:

м Полезный поток полюса при нагрузке машины:

Вб Число проводников обмотки якоря:

где, а = 1

Число пазов якоря:

Число коллекторных пластин:

Число витков в секции обмотки якоря:

Число проводников в пазу якоря:

Шаги простой петлевой обмотки якоря по элементарным пазам и коллектору:

;

Далее вычерчиваем схему якорной обмотки, где п.д. — пазовое деление, к.д. — коллекторное:

Рис. 2.1 Схема простой петлевой якорной обмотки Линейная нагрузка якоря:

А/м Результат отличается не больше 5% от ранее выбранного 10 000 А/м.

4. Размеры зубцов, пазов, проводов и электрические параметры якоря При напряжении машины 12 В для обмотки якорей электродвигателей постоянного тока малой мощности подходят провода марок ПЭЛ и ПЭТ.

Удельная тепловая загрузка наружной цилиндрической поверхности пакета якоря:

Вт/м2

В случае закрытого исполнения машины без вентилятора:

Вт/м2 при .

Допустимая плотность тока в обмотке якоря при 2р=2 и n до 5000 об/мин:

А/м2

Момент на валу электродвигателя:

Н· м Предварительное сечение провода обмотки якоря:

м2

Окончательное сечение и диаметр провода выбираем из приложения 1:

м2

м

м Окончательная плотность тока в проводнике обмотки якоря:

А/м2

Площадь паза, занимаемая изолированными проводниками:

м2,

где принято

Площадь паза, занимаемая пазовой изоляцией:

м2,

где толщина пазовой изоляции принята м при напряжении 12 В, периметр паза:

м Площадь паза, занимаемая клином:

м2,

где принято:

ширина клина:

м Высота клина:

м Общая требуемая площадь паза:

м2

Коэффициент заполнения паза изолированным проводом, где площадь поперечного сечения провода с изоляцией:

м2

Высота сердечника якоря:

м Диаметр вала:

м Ширина прорези паза:

м Высота коронки и зубцовый шаг якоря:

м м

Диаметр паза якоря:

м Ширина зубца якоря:

м > 1 мм, где Тл Зубцовые шаги по вершинам, серединам и основаниям зубцов якоря с круглым пазом:

м

м,

м, где высота паза:

м;

размеры зубца:

м

м,

м Для трапецеидального паза:

Размеры паза:

м

м м

Высота паза:

м Проверка максимальной индукции в минимальном сечении зубца для трапецеидального паза:

Тл При трапецеидальном пазе ширина зубца получается большей, поэтому выбираем трапецеидальный паз и далее расчеты ведем для него.

Средняя длина проводника обмотки якоря при 2р = 2:

м Сопротивление обмотки якоря в нагретом состоянии при расчетной температуре и =75 єС.

Ом Падение напряжения в обмотке якоря при полной нагрузке:

В Результат составляет примерно 7% от номинального напряжения U=12 В.

5. Коллектор, щеткодержатели и щетки Толщина тела коллектора:

м Предварительный диаметр коллектора:

м Коллекторное деление:

м Ширина коллекторных пластин:

м Толщина изоляции:

т. к. U = 12 В

м Окончательно коллекторное деление:

м Окончательно диаметр коллектора:

м Окружная скорость коллектора:

м/с В нашем случае окружная скорость коллектора составляет 0,76 от величины окружной скорости якоря м/с Так как U = 12 В выбираем медно-графитные щетки марки МГ:

Допустимая плотность тока А/м2

Переходное падение напряжения на пару щеток при номинальном токе и окружной скорости 15 м/с: В Коэффициент трения при V = 15 м/с:

Удельное нажатие: Н/м2

Площадь сечения щетки:

м2

Ширина щетки по дуге окружности коллектора:

м Длина щетки по оси коллектора:

м Высота щетки:

м Уточненные по таблице 2.5.2. размеры: щетка прямоугольная для радиальных щеткодержателей со спиральной пружиной Ф8-А1

м м

м

Окончательная плотность тока под щетками:

А/м2

Активная длина коллектора по оси вала:

м Полная длина коллектора по оси вала:

м Ширина коммутационной зоны:

м, где — число секционных сторон в одном слое паза;

м м

В нашем случае условие благоприятной коммутации выполняется:

Удельная магнитная проводимость для потоков рассеяния секции обмотки:

где длина лобовой части проводника якорной обмотки для 2р = 2:

м Среднее значение реактивной Э.Д.С. в короткозамкнутой секции якоря:

В Э.Д.С. реакции якоря:

где средняя длина силовой линии поперечного потока реакции якоря в междуполюсном пространстве машины:

м

Среднее значение результирующей Э.Д.С. в короткозамкнутой секции якоря:

В Условие благоприятной коммутации выполняется:

В

6. Магнитная система электродвигателя Высота сердечника якоря:

м Проверка индукции в сердечнике якоря:

Тл Осевая длина полюса: м Высота сердечника полюса машин малой мощности:

м Поперечное сечение сердечника:

м2,

где у = (1,08ч1,12)? 1,1 — коэффициент магнитного рассеяния для машин малой мощности; ВПЛ = (1ч1,5)? 1,25 Тл — магнитная индукция в сердечнике полюса.

Ширина сердечника полюса:

м, где К2 = 0,93 — коэффициент заполнения сечения полюса сталью при шихтованных полюсах.

Поперечное сечение станины:

м2

где Вс = (1ч1,4)? 1,2 Тл — магнитная индукция в станине в машинах для продолжительного режима работы;

Осевая длина станины с отъемными полюсами:

м Высота станины:

м

Средние длины путей магнитного потока в каждом участке магнитной системы:

а) длина станины:

б) длина сердечников полюсов:

м в) длина воздушного зазора:

м г) длина зубцов якоря:

м д) длина сердечника якоря:

м Коэффициент воздушного зазора:

М.д.с. для воздушного зазора:

А

Магнитная индукция и м.д.с. в зубце:

Тл

А, где напряженность магнитного поля в зубце — определяется по кривым приложения 4 для найденного Вз Магнитная индукция в сердечнике якоря:

Тл М.д.с. для сердечника якоря:

А где — определяется по кривым приложения 4 для найденного Ва Магнитная индукция в сердечнике полюса:

Тл М.д.с. для сердечников шихтованных полюсов:

А где — определяется по кривым приложения 4 для найденного Впл Магнитная индукция в сплошной станине:

Тл К2 = 1,0 — для сплошной станины.

М.д.с. для станины:

А где — удельная м.д.с определяется по кривым приложения 5 для найденного Вс Магнитная индукция в зазоре стыка: Тл М.д.с. для воздушного зазора в стыке между станиной и отъемными полюсами:

А где длина эквивалентного воздушного зазора в месте стыка при шлифованных поверхностях соприкосновения станины и полюса:

м Таблица 1. Расчет кривой намагничивания машины

А Общая м.д.с. возбуждения на пару полюсов для ЭДС Е:

Построим кривую намагничивания:

Рис. 6.1 Кривая намагничивания Поперечная м.д.с. якоря AWq определяется из переходной характеристики, построенной по данным табл. 6.1.

Рис. 6.2 Переходная характеристика

Откуда:

А Продольная составляющая м.д.с. якоря:

А где м Ток одной параллельной ветви:

А Ток одной щетки

A

Средняя эквивалентная индуктивность секции якоря:

Гн

с

Ом Продольная коммутационная м.д.с. якоря:

А Суммарная м.д.с. реакции якоря электродвигателя:

А Полная м.д.с. возбуждения машины при нагрузке на пару полюсов:

А

7. Расчет обмотки возбуждения Предварительно средняя длина витка катушки возбуждения при Ск =0

м Сечение провода обмотки возбуждения:

м2

Из приложения 1 ближайшие большие сечение и диаметр провода обмотки возбуждения:

м2

м м

Плотность тока в проводнике обмотки возбуждения:

А/м2

Число витков обмотки возбуждения, приходящихся на один полюс:

Высота полюсного наконечника:

м Высота катушки:

м Число проводников по высоте катушки:

где толщина изоляции катушки возбуждения на две стороны: м Число проводников по ширине катушки:

Ширина катушки:

м Средняя длина витка катушки возбуждения с учетом Ск м

Окончательное сечение провода обмотки возбуждения:

м2

Из приложения 1 ближайшие большие сечение и диаметр провода обмотки возбуждения:

м2

м м

Окончательная плотность тока в проводнике обмотки возбуждения:

А/м2

Сопротивление обмотки возбуждения в нагретом состоянии при расчетной температуре

Ом Ток возбуждения:

А В начале расчета А.

Проверка величины э.д.с. якоря при нагрузке:

В, Что незначительно отличается от ранее рассчитанного Е = 10,82 353 В.

8. Мощность потерь и коэффициент полезного действия Потери в меди обмотки якоря:

Вт.

Потери в меди параллельной обмотки возбуждения:

Вт.

Переходные потери в контактах щеток и коллекторе:

Вт.

Потери на гистерезис и вихревые токи в стали сердечника якоря:

Вт Потери на гистерезис и вихревые токи в стали зубцов якоря:

Вт Полные магнитные потери на гистерезис и вихревые токи в стали якоря:

Вт.

Потери на трение щеток о коллектор:

Вт.

Общая площадь прилегания к коллектору всех щеток:

м2

Потери на трение в подшипниках:

Вт Масса якоря:

где кг/м3 — средняя объемная масса якоря и коллектора

Потери на трение якоря о воздух:

Вт Полные механические потери в машине:

Вт Общие потери в машине при полной нагрузке:

Вт где учитывает добавочные потери в машине.

Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке машины:

где I=Ia+Iв =(16,346 154+2,8 846 154)=19,2 307 694 А — потребляемый ток в номинальном режиме.

Результат отличается от ранее выбранного более чем на ± 5%.

9. Рабочие характеристики электродвигателя Результаты расчета рабочих характеристик приведены в таблице 2.

Таблица 2. Расчет рабочих характеристик

По данным расчета построим рабочие характеристики двигателя:

Рис. 9.1 Рабочие характеристики двигателя

10. Упрощенный тепловой расчет Полные потери в активном слое якоря:

Вт Поверхность охлаждения активного слоя якоря:

м2

Среднее превышение температуры якоря над окружающей средой при установившемся режиме:

єС Окружная частота вращения якоря:

м/с Превышение температуры коллектора. Полные потери на коллекторе:

Вт Поверхность охлаждения коллектора:

м2

Среднее превышение температуры коллектора над окружающей средой при установившемся режиме:

єС Потери в одной катушке обмотки возбуждения:

Вт Поверхность охлаждения одной катушки обмотки возбуждения при станине с отъемными полюсами:

Среднее превышение температуры обмотки возбуждения над окружающей средой при установившемся режиме:

єС, где принято .

11. Поперечное сечение рассчитанного электродвигателя Поперечное сечение рассчитанного двигателя показано на рис. 11.1; рассчитанные размеры приведены в таблице 3.

Рис. 11.1 Поперечное сечение электродвигателя Таблица 3. Рассчитанные размеры электродвигателя в м.

Заключение

В данной курсовой работе рассчитан микродвигатель постоянного тока. В ней произведены расчеты основных размеров машины и электрических параметров, а также построены графики основных характеристик электромашины.

В результате расчета при мощности Р2 = 150 Вт получены:

Частота вращения якоря n =4006 об/мин, потребляемый токI=19,231 А, з=0,69 момент на валу M2=0,358 Нм. Температура нагрева обмоток якоря и возбуждения, а также коллектора не превышают допустимых значений.

1. Ермолин Н. П. Электрические машины малой мощности. — М.: ВШ, 1967.

2. Сергеев П. С., Виноградов Н. В., Горяинов Ф. А. Проектирование электрических машин. Под общей редакцией П. С. Сергеева. — М.: Энергия, 1969.

3. Белов И. С., Расчет авиационных электрических машин постоянного тока малой мощности. — Казань: Издательство КАИ, 1963.