Особенности коллекторных двигателей для бытовых приборов. Разработка электродвигателя постоянного тока с шихтованной станиной и технические требования к нему. Расчетная часть для номинального режима. Обмотка якоря, коллектор и щетка. Проверка коммутации.
Аннотация к работе
В данном проекте произведены расчеты главных размеров электродвигателя, обмотки якоря, обмотки возбуждения, произведены расчеты магнитной цепи и рабочих характеристик машины, выполнены тепловой и вентиляционный расчеты, механический расчет вала. Методика электромагнитного, теплового расчета двигателя , и вентиляционного расчета взяты из [1],[2] с использованием некоторых формул, коэффициентов и характеристик, отражающих особенности проектирования малых машин, приведенных в [4]. В коллекторных двигателях чаще применяются шариковые подшипники, которые обязательно снабжаются специальными защитными шайбами, уплотнителями, необходимыми для защиты подшипников от угольной пыли, особенно в двигателях с плохой коммутацией, рассчитанных на работу прибольших частотах вращения. Потери в обмотках и контактах щеток малых электродвигателей продолжительного режима составляют в среднем около двух третьей общих потерь в них. Поскольку должно быть в пределах, не превышающих 15-16 В, принимаем вариант 2: =22, обеспечивающий обмотку с целым числом витков в секции 2424.В результате расчетов получены следующие номинальные характеристики двигателя постоянного тока: Мощность, Вт 400 Частота вращения, об/мин 3000 Среднее превышение температуры обмотки якоря 16,2 , обмотки возбуждения 609,9 коллектора 44,2 над температурой охлаждающей среды, что ниже предельных допускаемых значений для класса изоляции В 90 (130-40 ).
Введение
Электрические машины в общем объеме производства электротехнической промышленности занимают основное место, поэтому эксплуатационные свойства новых электрических машин имеют важное значение для экономики нашей страны.
Проектирование электрических машин - это искусство, соединяющее знание процессов электромеханического преобразования энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров - электромехаников, умение применять вычислительную технику, при проектировании новой или улучшении старой, уже выпускаемой машины.
Целью настоящего проекта является разработка электродвигателя постоянного тока мощностью 400 Вт с шихтованной станиной для бытовой техники. При этом повышается КПД двигателя, уменьшается металлоемкость и трудоемкость при изготовлении.
В данном проекте произведены расчеты главных размеров электродвигателя, обмотки якоря, обмотки возбуждения, произведены расчеты магнитной цепи и рабочих характеристик машины, выполнены тепловой и вентиляционный расчеты, механический расчет вала.
Электромагнитный, тепловой и вентиляционный расчеты выполнялись по методикам, изложенным в [1]… [4]. Характеристики к.п.д. , а также кривые индукции, и линейной нагрузки якоря малых машин постоянного тока, приведенные на рис. 3.1-3.3, взяты из [4]. Методика электромагнитного, теплового расчета двигателя , и вентиляционного расчета взяты из [1],[2] с использованием некоторых формул, коэффициентов и характеристик, отражающих особенности проектирования малых машин, приведенных в [4].
1.
Технико-экономическое обоснование проекта
1.1 Особенности коллекторных двигателей для бытовых приборов
Коллекторные двигатели постоянного тока и универсальные коллекторные двигатели по целому ряду свойств выгодно отличаются от асинхронных двигателей: они позволяют получать различные частоты вращения; дают возможность просто, плавно и экономично регулировать частоту вращения в широком диапазоне, имеют сравнительно высокий КПД, большие пусковые моменты.
Эти положительные качества способствуют широкому распространению коллекторных двигателей несмотря на наличие у них весьма существенных недостатков, вызываемых наличием щеточно-коллекторного узла, снижающего надежность и требующего дополнительного ухода.
Особенностью коллекторных двигателей является то, что они не имеют дополнительных полюсов и компенсационной обмотки. По конструкции коллекторные двигатели весьма просты, что является несомненным их преимуществом перед рядом других двигателей.
Микродвигатели постоянного тока, выполняются, как правило, двухполюсными. Корпус и ярмо обычно совмещаются. Полюсы и ярма статора штампуются как одно целое из листов электротехнической стали, которые тщательно изолируются. Корпуса в этом случае, если они имеются, выполняются из сплавов алюминия. В двигателях, имеющих бескорпусное исполнение, подшипниковые щиты укрепляются непосредственно на пакете стали статора.
В коллекторных двигателях чаще применяются шариковые подшипники, которые обязательно снабжаются специальными защитными шайбами, уплотнителями, необходимыми для защиты подшипников от угольной пыли, особенно в двигателях с плохой коммутацией, рассчитанных на работу прибольших частотах вращения.
Коллекторы двигателей, как правило, имеют пластмассовую основу. Иногда для увеличения прочности коллекторы снабжаются армирующими кольцами.
1.2 Обоснование проекта
Целью настоящего проекта является разработка электродвигателя постоянного тока с шихтованной станиной. При этом повышается КПД двигателя, уменьшается металлоемкость и трудоемкость при изготовлении. За базовую конструкцию разрабатываемого двигателя принята конструкция двигателя шихтованной станиной квадратного сечения.
При этом необходимо решение следующих задач: 1) максимально возможное расширение диапазона регулирования частоты вращения;
2) максимально возможное уменьшение габаритов и массы двигателя при заданном вращающем моменте (мощности) двигателя при заданном значении высоты оси вращения;
3) улучшение динамических свойств двигателя и их виброакустических характеристик;
4) повышение эксплуатационной надежности.
2. Техническое задание на разработку двигателя
2.1 Наименование КР
Двигатель постоянного тока мощностью 400 Вт для бытовой техники.
2.2 Цель выполнения КР и назначение изделия
Цель выполнения - создание электродвигателя для бытовой техники. Применение электродвигателя повышает КПД привода, уменьшает металлоемкость и трудоемкость при изготовлении.
2.3 Технические требования
2.3.1Требования по назначению
Режим работы продолжительный по ГОСТ 2582-81.
Основные номинальные параметры двигателя.
Мощность -400 Вт.
Напряжение питания обмотки якоря- 220 В.
Напряжение питания обмотки возбуждения - 220 В.
Номинальная частота вращения 3000 об/мин.
Предельные отклонения от номинальных значений параметров по ГОСТ 183-74.
2.3.2 Требования по надежности
Средний срок службы при наработке 30000 часов не менее 15 лет.
Вероятность безотказной работы машины за период 10000 часов эксплуатации (при доверительной вероятности 0,7) - не менее 0,8.
Наработка щеток - 20000 ч.
Коэффициент готовности - 0,9.
2.3.3 Требования по эксплуатации
Двигатели должны изготавливаться в климатическом исполнении УХЛ, рассчитаны на эксплуатацию на высоте над уровнем моря до 1000 м, при температуре окружающего воздуха от 1 до 40 °С и относительной влажности 98% при температуре 35 °С. Двигатели должны соответствовать группе эксплуатации М8 по ГОСТ 17516-77.
Степень защиты двигателя ІР22 по ГОСТ 14254-80.
Способ охлаждения двигателя 1С01 по ГОСТ 20459-75.
2.3.4 Конструктивные требования
Конструктивное исполнение IM1001
Двигатель должен изготавливаться с изоляцией не ниже класса В по ГОСТ 8865-70.
Сопротивление изоляции обмоток относительно корпуса и между пазами должно быть: а) при нормальных климатических условиях в практически холодном состоянии двигателя - не менее 40 МОМ.;
б) в нагретом состоянии - не менее 2,5 МОМ.;
в) после испытания на влагоустойчивость - не менее 1 МОМ.
3. Расчетная часть для номинального режима
3.1 Выбор главных размеров
Предварительное значение КПД электродвигателя 0,71 0,71
Ток потребляемый электродвигателем в номинальном режиме (предварительное значение), 400/(0,71?220)= 2,6 2,6А.
Ток якоря, принимая ток в независимой обмотке возбуждения равным 10…20% от потребляемого тока, ( = ), =0,85? 2,6= 2,21 2,21 А.
Потери в обмотках и контактах щеток малых электродвигателей продолжительного режима составляют в среднем около двух третьей общих потерь в них. Следовательно, электромагнитная мощность определяется: 400(100 2•0,71)/(3?0,71)=454,5454,5 Вт.
Выбираем линейную нагрузку якоря предварительно по рис. 3.2 для
400/3000=133•10-3 ,
затем уточняем после проверки коммутации в п.3.6.3 и 3.6.4. Окончательно получим
Индукция в воздушном зазоре 12000 12000 А/м. для 133•10-3 0,45 0,45 Тл.
Рис. 3.1. Кривые КПД малых машин постоянного тока в зависмости от полезной мощности на валу
Рис.3.2. Индукция в воздушном зазоре и линейная нгрузка якоря
Отношение длины пакета якоря к его диаметру для машин малой мощности находится обычно в пределах 0,4...1,6.
Выбираем 0,6 =0,6
Диаметр якоря
(6?454,5)/(0,72?12000?0,45? 0,6•?3000)1/3= 0,073 0,073 м.
При отсутствии радиальных вентиляционных каналов равна полной длине сердечника якоря =lп=0,6• 0,073=0,0440,0440,044 м.
Число полюсов принимаем 2 =2
Полюсное деление
(3,14? 0,073)/2=0,1150,115 м.
Действительная ширина полюсного наконечника
=0,72?0,115=0,0830,083 м.
Расчетная ширина полюсного наконечника (полюсной дуги) малых машин вследствие насыщении тонких полюсных наконечников на 2-3% больше длины действительной полюсной дуги
=1,025•0,72?0,115=0,0850,085 м.
3.2 Выбор обмотки якоря
Ток параллельной ветви
2,21/2= 1,1 1,1 А.
При двухполюсном исполнении применяется простая петлевая обмотка, при четырехполюсном-простая волновая. Выбираем простую петлевую обмотку с числом параллельных ветвей, равным числу полюсов (это свойство простой петлевой обмотки) 2 =2
Предварительное общее число эффективных проводников по (10.4) [2]
( ? 0,073?12000)/ 1,1=2 5012 501.
Выбор числа пазов якоря (по опыту построенных электродвигателей малой мощности) производится по следующему приближенному соотношению: =(3…4)•102 0,073 =(22…29)
Принимаем число пазов якоря: 26 =26
( ? 0,073)/26= 0,0088 0,0088 м.
Число эффективных проводников в пазу
2 501/26=9696, принимаем 96 =96 тогда 96?26=24962496.
Выбираем паз полузакрытой трапецеидальной формы с параллельными сторонами зубца.
Число коллекторных пластин К для различных значений числа секционных сторон в пазу выбираем, сравнивая варианты: № п/п К= Z
2626484816,9216,92
2 525224248,468,46
3 787816165,645,64
Поскольку должно быть в пределах, не превышающих 15-16 В, принимаем вариант 2: =22, обеспечивающий обмотку с целым числом витков в секции 2424. Тогда число коллекторных пластин К=5252, число эффективных проводников =2?52?24=24962496 число эффективных проводников в пазу =2496/26=9696, число секций в обмотке якоря
Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря принимаем 11000000 11000000 А/м2.
Предварительное сечение эффективного провода по (10.9) [2]
1,1/11000000= 0,000000100 0,000000100 м2.
Принимаем по табл. П3.1 [] проводник марки ПСД: по ГОСТ диаметр голого провода dг=0,000355 м; диаметр изолированного провода 0,000395 = 0,000395 м; сечение элементарного проводника 0,000000099 = 0,000000099 ; число элементарных проводников 1 = 1 , тогда сечение эффективного проводника
1•0,000000099=0,0000000990,000000099 м2.
Уточняем значение плотности тока в обмотке якоря
= 1,1/0,000000099=1111111111111111 А/м2
3.3 Расчет геометрии зубцовой зоны
Высота паза якоря (согласно опыту построенных машин) составляет
=(0,24…0,35)• 0,073 =(0,018…0,026)
Принимаем 0,02 0,020 м.
Ширина зубца по (10.11) [2].
Частота перемагничивания стали зубцов
=(2/2)•3000/60=5050 Гц.
Допустимое значение индукции в стали зубца (по технологическим условиям принимается в пределах 1,3…1,5 Тл), принимаем для уменьшения потерь в стали якоря при частоте перемагничивания 50 Гц
1,3 1,3 Тл.
0,44? 0,0088/1,3/•0,950,95= 0,0031 0,0031 м, Размеры паза в штампе принимаем согласно стр. 293 [1].
Принимаем ширину шлица паза (табл.8.14)
0,002 0,002 м;
высоту шлица паза (см. рис.3.1)
0,0005 0,0005 м.
Принимаем толщину клина
0,0005 0,0005 м.
Исходя из условия паралельности граней, находим: b2=(p?D-2hп)/Z1-bz1=3,14?( 0,073-2?0,02)/26)- 0,0031 = 0,0009 0,0009 м = 0,9 мм;
Односторонняя толщина изоляции в пазу поз.1, рис.3.1
0,00045 0,00045м.
Площадь поперечного сечения корпусной изоляции по (8.42) [1] согласно рис.3.1 и табл. 3.1( поз.1 и поз.2)
=0,00045• (2?0,0189 0,0054 0,0008)= 0,00001980 0,00001980 м2 =19,8 мм2, Площадь поперечного сечения паза, которая остается свободной для размещения проводников обмотки по (8.48) [1]
Коэффициент заполнения паза изолированными проводниками определяем из 10.21 [2] : (0,0003952?96?1)/38,79= 0,39 0,39, что удовлетворяет требованию технологичности изготовления обмотки, который должен находится в пределах не более 0,68...0,72 (см. стр. 147 [2]).
Таблица 3.1 Изоляция класса В обмотки статора
Позиция Материал Число слоев Односторонняя толщина изоляции
Наименование, Марка Толщина, мм
1 Изофлекс 0,2 1 0,2
2 Клин (стеклотекстолит) 1,5 - 1,5
Рис. 3.3. Изоляция класса В обмотки статора
Минимальное сечение зубцов якоря по табл.10.16 [2]
(26/2)?0,72? 0,0031?0,044?0,95= 0,001213 0,001213 м2, где 0,95 - коэффициент заполнения магнитопровода якоря сталью.
Для магнитопровода принимаем сталь 2013.Уточняем индукцию в сечении зубцов: 0,00165/ 0,001213= 1,36 1,36 Тл.
3.4 Расчет обмотки якоря
Средняя длина лобовой части витка при =2
0,115=0,0810,081 м.
Средняя длина витка обмотки якоря по (10.22) [2] а) =0,0440,044 м;
б) 2?(0,044 0,081)=0,250,25 м.
Полная длина проводников обмотки якоря
2496?0,25= 312,0312 м.
Сопротивление обмотки якоря при J=20°С
312,0/(57?106? 0,000000100?(2)2)=13,6813,68 Ом.
Сопротивление обмотки якоря при J=75°С для изоляции класса В
1,22?13,68=16,69 16,69 Ом.
Масса меди обмотки якоря по (10.26) [2]
8900? 312,0? 0,000000100= 0,278 0,278 кг.
Расчет шагов обмотки: а) шаг по коллектору и результирующий шаг
5151;
б) первый частичный шаг
52/2- = 26 26;
в) второй частичный шаг
51- 26=2525.
Практическая схема обмотки приведена на рис. 3.4.
3.5 Коллектор и щетки
Ширина нейтральной зоны по (10.76) [2]
0,115-0,085=0,030,03 м.
Выбираем щетки марки ЭГ-14. Принимаем ширину щетки равной , = 0,00242 м.
По табл. П.4.1 выбираем стандартные размеры щетки: ширина щетки
0,004 0,004 м. длина щетки
0,005 0,005 м. высота щетки
0,01 0,01 м.
Поверхность соприкосновения щетки с коллектором
0,004?0,005= 0,000020 0,000020 м2.
Поверхность соприкосновения всех щеток с коллектором
2? 0,000020=0,000040,00004 м2.
Плотность тока под щетками по (8-83) [2]
2? 2,6/0,00004=130000130000 А/м2.
Допустимая плотность тока для щетки марки ЭГ-14 .
Активная длина коллектора по оси вала согласно [4]
1,8 ?0,005=0,0090,009 м.
Принимаем
0,009 0,009 м.
Полная длина коллектора по оси вала согласно [4]
0,009 5•0,000395=0,0110 м.
3.6 Проверка коммутации
Так как в рассматриваемых машинах постоянного тока малой мощности добавочные полюсы в коммутационной зоне отсутствуют и щетки на коллекторе обычно располагаются на геометрической нейтрали, то процесс коммутации тока в короткозамкнутых секциях якоря получается замедленным изза наличия в них реактивной э. д. с. и э. д. с. От поперечного поля реакции якоря . Обе эти э.д.с. суммируются и вызывают в цепи короткозамкнутой секции добавочный ток, способствующий увеличению плотности тока на сбегающем крае щетки. В момент размыкания цепи секции при наличии в ней указанных э. д. с. и тока между краем щетки и сбегающей коллекторной пластиной возникают небольшие электрические дуги в виде мелких искр. Интенсивность этих искр зависит от величины результирующей э. д. с. в короткозамкнутой секции.
Во избежание недопустимого искрения под щетками величина э. д. с. в секции не должна превышать определенного значения. Однако коммутация тока в секции может также ухудшиться вследствие влияния поля полюсов, если ширина коммутационной зоны будет близка к расстоянию между краями наконечников двух соседних полюсов.
Ширина зоны коммутации по (10.75) [2] а) =52/2- 26=0,00,0;
ЭДС, индуктируемая в коммутируемой секции от поперечного поля реакции якоря, определяется следующим путем. Вначале определяем индукцию в зоне коммутации от действия поперечной МДС якоря [3]: =1,25•10-6•11978/(1-0,72)=0,05350,0535 Т.
Затем определяем ЭДС, индуктируемую в коммутируемой секции от поперечного поля реакции якоря
2•24• 11,5•0,044•0,0535=1,301,30 В.
Среднее значение результирующей ЭДС в короткозамкнутой секции якоря
= 1,93 1,30=3,233,23 В.
В машинах малой мощности без добавочных полюсов, если щетки расположены на геометрической нейтрали, для обеспечения удовлетворительной коммутации 2…3 В. Если 2…3 В необходимо уменьшить линейную нагрузку в п. 3.1.5 и повторить расчет.
Индуктивность цепи якоря (для расчета параметров электропривода в гл.5)
54,938= 54,94 54,94 МГН
Активное сопротивление цепи якоря (для расчета параметров электропривода в гл. 5)
13,68= 13,68 13,68 Ом.
3.7 Определение размеров магнитной цепи
Внутренний диаметр якоря и диаметр вала для машин малой мощности
В двигателях с непосредственной посадкой сердечника якоря на вал внутренний диаметр якоря равен диаметру вала. В таких двигателях с или учитывают,что часть магнитных силових потока замыкается через вал.
Высота спинки якоря: а) действительная высота спинки якоря по (8.126)
=( 0,073-0,015)/2-0,02= 0,0090 0,0090 м=9 мм;
б) расчетная высота спинки якоря по (8.124) для четырехполюсних машин при , а также для двухполюсных машин
( 0,75·(0,5· 0,073-0,02)=0,0120,012<0,015 м)
2/2=11
(2 1)/(3,2·1)·( 0,073/2-0,02)= 0,0155 0,0155 м;
в противном случае
( 0,073-0,015)/2-0,02=0,0090,009 м.
Принимаем расчетную высоту спинки якоря
0,0155 0,0155 м.
Принимаем для сердечников главных полюсов сталь марки 2013 толщиной 0,5 мм: коэффициент магнитного рассеяния для малых машин =1,08…1,12 принимаем 1,11,1, длина сердечника 0,0440,044 м, коэффициент заполнения сталью 0,95.
Высота сердечника полюса малых машин предварительно может быть принята: =(0,12…0,4)• 0,073=0,009...0,029 м.
Принимаем
0,029 0,029 м.
Ширина сердечника главного полюса определяется следующим путем.
Принимается индукция в сердечнике полюса. В машинах для продолжительного режима работы принимается в пределах
Принимаем
1,2 1,2 Т.
Определяется поперечное сечение сердечника полюса:
=1,1• 0,00165/ (1,2•0,95)=0,00159210,0015921 м2, где - минимальная ширина сердечника главного полюса
0,0015921/0,044=0,0360,036 м.
Принимаем
0,036 0,036 м.
Индукция в сердечнике по табл.10.17 [2]
1,1? 0,00165/(0,95?0,036?0,044)= 1,21 1,21 Тл.
Индукция в станине в машинах для продолжительного режима работы принимается в пределах не более
Принимаем
1,2 1,2 Т.
Сечение станины предварительно
1,1? 0,00165/(2?1,2•0,95)=0,00079610,0007961 м2, Длина станины по (10/52) [2]
0,0440 0,0440 м.
Высота станины предварительно, табл.10.17 [2]
=0,0007961/ 0,0440= 0,0181 0,0181м.
Принимаем высоту станины
0,0181 0,0181 м.
Сечение станины окончательно
=0,0181? 0,0440= 0,000796 0,000796 м
Воздушный зазор для двигателей продолжительного режима [4]
0,25•0,115•11978•10-6/0,45= 0,00077 0,00077 м.
0,00077 0,00077 м.
Наружный размер станины с пямоугольным сечением по вертикали
0,073 2•(0,00077 0,029 0,0181)=0,1690,169 м.
Внутренний размер станины по вертикали с прямоугольным сечением
0,169-2?0,0181= 0,133 0,133 м.
Наружный размер станины по горизонтали с прямоугольным сечением выбираем на 10% больше
1,1•0,169=0,1860,186 м.
Принимаем
0,186 0,186 м.
Внутренний размер по горизонтали станины с прямоугольным сечением
Индукция в сердечнике главного полюса, табл. 10.16 [2], 1,1? 0,00165/ 0,00150=1,211,21 Тл.
Индукция в сердечнике главного полюса в машинах для продолжительного режима работы допускается до 1,0…1,5 Т.
Индукция в станине, табл. 10.16 [2],
1,1? 0,00165/(2? 0,000796)= 1,14 1,14 Тл.
Индукция в станине в машинах для продолжительного режима работы допускается в пределах до 1,0…1,4 Т.
3.11 Магнитные напряжения отдельных участков магнитной цепи
Магнитное напряжение воздушного зазора на два полюса
0,8? 0,44? 0,000878•106= 309,1 309,1 А.
Коэффициент вытеснения потока
0,0088?0,044/( 0,0031?0,042)= 2,97 2,97.
Магнитное напряжение ярма якоря Hj для стали 2013 определяется по основной кривой намагничивания табл. П.1.5 [2] , значения которой введены в программу для автоматического определения ,1,27147,32 196 196 196 196 196 196 196 196 196 196
196196?0,023=4,54,5 А.
Магнитное напряжение зубцов якоря определяется для стали 2013 с учетом ответвления магнитного потока в паз. Если индукция в каком либо сечении зубца окажется более 1,8 Т, то необходимо учесть отвлетвление части потока зубцового деления в паз. При этом действительная индукция в зубце уменьшается ло сравнению с рассчитанной в п 3.10.2. Методика определения действительной индукции в зубце изложена в гл.4 [1],согласно которой в табл..3.1 заложена программа расчета при значениях как больше 1,8 Т, так и меньше 1,8 Т.. Путем подбора значения в левой колонке табл..3.1 и последующего автоматического пересчета добиваються равенства значений в левой и правой колонках табл. 3.2. Значение в левом столбце используется программой в дальнейших расчетах.
Определяем среднюю ширину паза, п. 8.8 [2]
=( 0,0055 0,0009)/2= 0,0032 0,0032 м.
Коэффициент, определяющий отношение площадей поперечных сечений паза и зубца на половине высоты зубца, = 0,0032·0,044/( 0,0031·0,044·0,95)= 1,09 1,09.
Магнитное напряжение сердечника главного полюса (сталь 2013), Нг определяется по табл. П.1.5 аналогично: 1,21140,36 148 148 148 148 148 148 148 148 148 148
148148?0,029= 4,29 4,29 А.
Магнитное напряжение станины (шихтованная сталь 2013), Hc определяется по табл. П.1.51,14132,24132,24132,24132,24132,24132,24132,24132,24132,24132,24132,24
132,24132,24?0,1775= 23,5 23,5 А.
Суммарная МДС на полюс
309,1 5,4 4,5 4,29 23,5=347347 А.
МДС переходного слоя
309,1 5,4 4,5=319319 А.
Аналогичным образом производим расчет для потоков, отличных от номинального значения (например, 0,5; 0,75; 1,0; 1,4 и т.д.) . Результаты расчета сведены в табл.3.2. В верхней строке таблицы приведены относительные значения потока , которые мы можем изменять при необходимости. Программа выполняет расчет для тех относительных значений , которые мы укажем в верхней строке. Магнитное напряжение зубцов якоря в таблице для двух последних значений магнитного потока рассчитывается для стали 2013 с учетом ответвления магнитного потока в паз аналогично п. 3.11.4. Для этого справа рядом с таблицей приведена строка, в которую вставлена программа.
Строим характеристику холостого хода (намагничивания) - зависимость удельной ЭДС от суммарной МДС на один полюс и переходную характеристику - зависимость индукции в воздушном зазоре от МДС переходного слоя на один полюс (черт. РР1).
3.12 Расчет обмоток возбуждения
Размагничивающее действие реакции якоря определяем по переходной характеристике (черт. РР1) по методике п.10.5 [2].
При нагрузке под действием поля поперечной реакции якоря магнитное поле в воздушном зазоре искажается: под одним краем полюса индукция индукция уменьшается, под другим возрастает. При значительной поперечной реакции якоря может произойти опрокидывание поля под одним краем полюса и индукция примет отрицательное значение. Минимальное значение намагничивающей силы под сбегающим краем полюса (для режима двигателя) определится: =319-11978?0,085/2=-190-190 A, Из переходной характеристики определяем (автоматически программой) минимальное значение магнитной индукции в воздушном зазоре под сбегающим краем полюса =-0,26-0,26-0,26-0,26-0,26-0,26-0,26.
Тому що поле реакції якоря замикається по контуру: зубці якоря, спинка якоря, повітряний зазор, полюсний наконечник, то повітряний зазор вибирають таким, щоб індукція протягом усієї полюсної дуги не змінювала свого напрямку. Якщо <0 необхідно збільшити повітряний зазор у п.3.7.10, а потім повторити розрахунок, починаючи з п.3.7.10.
Максимальное значение намагничивающей силы под набегающим краем полюса: =319 11978?0,085/2=828828 A,
Из переходной характеристики определяем максимальное значение магнитной индукции в воздушном зазоре под набегающим краем полюса =1,15 1,16 1,144 1,08 0,783 0,624 0,624
Из (10.35) [2] определяем среднее значение индукции в воздушном зазоре под нагрузкой: =(-0,26 4? 0,44 0,624 )/6=0,3540,354 Тл, где - номинальное значение индукции в воздушном зазоре в режиме холостого хода
Из переходной характеристики определяем (автоматически программой): 254 = 253 253 253 253 253 253 А.
Определяем МДС поперечной реакции якоря: =319- 253 =6666 А Продольная коммутационная МДС якоря в машинах малой мощности возникает в результате смещения нейтральной точки обмотки с геометрической нейтрали при замедленной коммутации тока в короткозамкнутых секциях. В машинах без добавочных полюсов и положении щеток на геометрической нейтрали процесс коммутации в короткозамкнутых секциях якоря получается замедленным. В этом случае коммутационная МДС якоря у двигателей усиливает поле полюсов. Ее величина определяется следующим путем.
Переходное падение напряжения в щеточном контакте на пару щеток марки ЭГ-14 по табл. П4.2 [2] =2,5 В, составляющие переходного падения напряжения в контакте щеток =2,1 В, =0,4 В по [4].
Сопротивление щеточного контакта
=2•2,5/(4• 2,21)=0,5660,566 Ом.
Период коммутации
0,004/6,28=0,0006370,000637 с.
Средняя длина силовой линии поперечного поля якоря в междуполюсном пространстве двигателя
0,0117•11978/(6,126 1,167 1))• (1 0,2•3,14•0,115/(0,015• 6,638))=1515 А.
Для устойчивой работы двигателя при изменении нагрузки на валу применим стабилизирующую последовательную обмотку. Без стабилизирующей обмотки возбуждения с увеличением нагрузки на валу двигателя увеличивается ток якоря и увеличивается размагничивающее действие реакции якоря на основной магнитний поток главных полюсов. При достаточно большом значении реакции якоря зависимость частоты вращения якоря от мощности на валу двигателя имеет не падающий, а возрастающий характер, что приводит к неустойчивому режиму работы двигателя. МДС последовательной стабилизирующей обмотки возбуждения должна компенсировать МДС реакции якоря. Поэтому принимаем МДС стабилизирующей обмотки равной МДС поперечной реакции якоря (направлены навстречу друг другу) = =6666 А.
Число витков стабилизирующей обмотки на один полюс
66/ 2,21=29,8629,86
Принимаем =3030 витков.
Уточняем МДС стабилизирующей обмотки при номинальном режиме работы
30• 2,21=66,366,3 А.
Сечение и диаметр провода последовательной обмотки возбуждения. Плотность тока в обмотке предварительно выбираем для машин со степенью защиты IP22 по п.10.7: 5000000 5000000 А/м2.
Расчетное сечение провода предварительно
= 2,21/5000000=0,0000004420,000000442 м2.
Принимаем по табл. 10.18 [2] круглый провод ПСД: по табл. П.3.1 [2] диаметр голого провода DГСО=0,00075 м, диаметр изолированного провода 0,000815 = 0,000815 м; = 0,0009150,000915 м, сечение провода 0,000000442 = 0,000000442 м2.
Окончательная плотность тока в проводнике стабилизирующей обмотки возбуждения
= 2,21/0,000000442=50000005000000 А/м2.
Средняя длина витка стабилизирующей обмотки
=2?(0,044 0,036= 0,1600,160 м.
Полная длина обмотки
2?0,160?30=9,609,60 м.
Сопротивление стабилизирующей обмотки возбуждения при °С
=9,60/(57?106?0,000000442)= 0,38 0,38 Ом.
Сопротивление стабилизирующей обмотки возбуждения при °С
1,22? 0,38 =0,460,46 Ом.
Масса меди стабилизирующей обмотки
8900?9,60?0,000000442= 0,0378 0,0378 кг.
Выбираем изоляцию обмоток: изоляция сердечника: эпоксидная смола, толщина 1 мм.
Потребная площадь окна для размещения стабилизирующей обмотки возбуждения на полюсе
30•0,0009152•106/0,84=3030 мм2, где =0,82...0,88 - коэффициент, учитывающий возможные неточности намотки рядов провода в катушке. Фактическая площадь окна для размещения обмотки возбуждения на полюсе
1,2•3036=36 мм2.
Продольная составляющая МДС якоря на один полюс возникает вследствие самопрозвольного сдвига щеток с геометрической нейтрали по механическим причинам и неточности установки и в малых машинах незначительна: =0,00025•10-2•11978=3,0 3,0 А.
Необходимая МДС шунтовой обмотки возбуждения на один полюс
347 66-66,3-15-3,0=328,7328,7 А.
Вначале принимаем значение согласно полученному по формуле. Затем выполняем расчет по пп..3.11.5-3.13.12. При несовпадении значения частоты вращения в номинальном режиме (при расчете рабочих характеристик в п.3.13.12 ) корректируем . После корректировки принимаем
Потребная площадь окна для размещения обмотки возбуждения на полюсе
2481•0,00012•106/0,84=3030 мм2,
где =0,82...0,88 - коэффициент, учитывающий возможные неточности намотки рядов провода в катушке. 3.12.20. Фактическая площадь окна для размещения обмотки возбуждения на полюсе
1,2•3036=36 мм2.
На основании производится размещение обмотки возбуждения и уточнение высоты сердечника полюса.
Определяем номинальный ток возбуждения: 329/2481=0,130,13 А.
Полная длина обмотки
2?0,239?2481=11861186 м.
Сопротивление обмотки возбуждения при °С
=1186/(57?106?0,00000000502)=41454145 Ом.
Сопротивление обмотки возбуждения при °С
1,22?4145=50575057 Ом.
Масса меди параллельной обмотки
8900?1186?0,00000000502= 0,05 0,05 кг.
Выбираем изоляцию обмоток: изоляция сердечника: эпоксидная смола, толщина 1 мм.
3.13 Потери и КПД
Электрические потери в обмотке якоря по п. 10.10 [2]
2,212?16,69=81,581,5 Вт.
Электрические потери в обмотке возбуждения : 220?0,13= 28,6 28,6 Вт.
Электрические потери в переходном контакте щеток на коллекторе
2,5? 2,21=5,55,5 Вт.
Потери на трение щеток о коллектор
0,00004?30000?0,2?6,28=1,51,5 Вт, где - давление на щетку; для щетки марки ЭГ - 14 Па. f = 0,2 - коэффициент трения щетки.
Потери в подшипниках определяются следующим путем [4].
Масса якоря с обмоткой и валом (стр. 232) [2]
6500• 0,0732•0,044= 1,5 1,5 кг.
Масса коллектора с валом (стр. 232) [2]
6100•0,042•0,009= 0,1 0,1 кг.
Потери в подшипниках
1,5•( 1,5 1,5)• 3000 10-3=7,27,2 Вт.
Потери на трение якоря о воздух при скорости вращения до 12000 об/мин
2• 0,0733•30003•0,044•10-6=0,920,92 Вт.
Масса стали спинки ярма якоря по (10.103) [2]
7800? ?(( 0,073-2?0,02)2-0,0152)?0,044 ?0,95/4= 0,22 0,22 кг
Условная масса стали зубцов якоря по (10.101) [2]
7800?26? 0,0031 •0,02? 0,044 ?0,95= 0,53 0,53 кг
Магнитные потери в ярме якоря a) = =2/2?3000/60= 50 50 Гц;
б) 2,3?1,75?( 50/50)1,4? 1,272? 0,22=1,431,43 Вт, где p1,0/50=1,75 Вт/кг, по табл 6-24 [2] для стали 2312.
Магнитные потери в зубцах якоря
2,3?1,75?( 50/50)1,4? 1,362? 0,53=3,953,95 Вт, Добавочные потери
Для построения рабочих характеристик двигателя при номинальном напряжении и токе возбуждения принимаем, что потери холостого хода с нагрузкой практически не изменяются и составляют: 1,5 7,2 0,92 3,95 1,43=15,0015,00 Вт.
МДС поперечной реакции якоря для нескольких значений тока якоря позволяют представим зависимостью от тока I в виде (п.12-14 [3]): =66? / 2,21А.
МДС стабилизирующей обмотки возбуждения для нескольких значений тока якоря представим зависимостью от тока I в виде : =66,3? / 2,21А.
Продольная коммутационная МДС якоря на один полюс представим зависимостью от тока I
В результате расчета и построения рабочих характеристик двигателя установлены номинальные значения: =400 Вт; =1,24 А; =3000 об/мин; =0,725 Нм;
= 0,13 А; =0,751 ; = 1,24 A;
В табл..3.5 приведены рабочие характеристики двигателя (некоторые из них рассчитаны в относительных единицах) для автоматизированного построения на рис.3.8 при помощи редактора Exel. За базовые величи
Вывод
1. В результате расчетов получены следующие номинальные характеристики двигателя постоянного тока: Мощность, Вт 400
Номинальное напряжение, В 220
Ток якоря, А 1,24
КПД, о.е. 0,746
Частота вращения, об/мин 3000
Момент на валу, Нм 0,725
Ток обмотки возбуждения, А 0,13
Потребляемая мощность, Вт 301
2. Среднее превышение температуры обмотки якоря 16,2 , обмотки возбуждения 609,9 коллектора 44,2 над температурой охлаждающей среды, что ниже предельных допускаемых значений для класса изоляции В 90 (130 -40 ).
3.Необходимое количество охлаждающего воздуха 0,018 м3/с. Система охлаждения двигателя обеспечивает необходимый расход воздуха.
Список литературы
1. Проектирование электрических машин: Учебное пособие для вузов. - В 2-х кн.: кн. 1 /И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин и др; Под ред. И.П. Копылова. - М.: Энергоатомиздат, 1993. -464 с.
2. Проектирование электрических машин: Учебное пособие для вузов. - В 2-х кн.: кн.2 /И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин и др; Под ред. И.П. Копылова. - М.: Энергоатомиздат, 1993. -384 с.
3. Сергеев П.С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин.-М.: Энергия, 1969.-632 с.
4. . Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности. Л.: Энергия. 1973. - 216 с.
5. Справочник по электрическим машинам/ Под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. Т.1. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с.