Державна освітня установа вищої НАУКИ
Далекосхідного державного Універстітета шляхів сполучення
Кафедра: «ЕтЕЕм»
КУРСОВИЙ ПРОЕКТ
на тему: «Д вігател ь постійного струму»
КП 14020365 637
Виконав: Кузнєцов К. І.
Перевірив: Пашнін В.М.
Хабаровськ
2007
Введення
Майже вся електрична енергія виробляється електричними машинами. Але електричні машини можуть працювати не тільки в генераторному режимі, а й у руховому, перетворюючи електричну енергію в механічну. Володіючи високими енергетичними показниками і меншими, порівняно з іншими перетворювачами енергії, витратами матеріалів на одиницю потужності, екологічно чисті електромеханічні перетворювачі мають в житті людського суспільства величезне значення.
При проектуванні електричної машини доводиться враховувати велику кількість чинників, від яких залежать її експлуатаційні властивості, заводська собівартість і надійність у роботі.
При проектуванні вибір матеріалів, розмірів активних і конструктивних частин машини повинен бути технічно й економічно обгрунтований. При цьому слід використовувати попередній досвід і орієнтуватися на дані сучасних машин. Однак необхідно критично ставитися до цих даних, виявити недоліки машин і знайти способи їх усунення.
Метою даної роботи була розробка конструкції двигуна постійного струму. За основу конструкції була прийнята машина постійного струму серії 2П. Проектування двигуна включає в себе вибір і розрахунок розмірів статора і ротора, обмоток, ізоляції, конструктивних деталей, об'єднання їх в конструктивні вузли і загальне компонування всіх його частин.
Матеріали, розміри і форми конструктивних деталей повинні бути так вибрані і окремі деталі так об'єднані, щоб двигун по можливості найкраще відповідав своєму призначенню і був найбільш економічним в роботі і виготовленні.
1 Вибір і розрахунок головних розмірів двигуна
1.1 - Попереднє значення ККД двигуна призначаємо в залежності від його потужності з [рис1.1]. Приймаються середнє значення η н = 0,8.
1.2 Визначаємо попереднє значення номінального струму:
А
1.3 Струм якоря:
де значення коефіцієнта вибираємо з табл.1.1.,
= 0,08
А
1.4 Визначаємо електромагнітну потужність двигуна:
,
кВт
1.5 Діаметр якоря D можна прийняти рівним висоті осі обертання:
Визначаємо зовнішній діаметр якоря D Н, м:
,
.
1.6 - Лінійне навантаження якоря по [ріс1.3].
1.7 - Магнітна індукція в повітряному зазорі по [ріс1.4].
- Розрахунковий коефіцієнт полюсного перекриття по [ріс1.5].
Визначаємо розрахункову довжину якоря:
,
м
1.9 Визначаємо відношення довжини магнітопроводу якоря до його діаметру:
,
.
отримане λ задовольняє умові
1.10 Приймаються число полюсів двигуна 2р = 4.
1.11 Знаходимо полюсний поділ:
.
1.12 Визначаємо розрахункову ширину полюсного наконечника:
,
.
1.13 Дійсна ширина полюсного наконечника при ексцентричному зазорі під головними полюсами
.
2 Вибір обмотки якоря
2.1 Оскільки струм якоря менше 600 А, вибираємо просту хвильову обмотку
(2а = 2). Струм паралельної гілки дорівнює:
,
.
2.2 Визначаємо попереднє загальне число ефективних провідників обмотки якоря:
,
.
2.3 Крайні межі чисел пазів якоря:
,
де t 1 - зубцеві крок, граничні значення якого залежать від висоти осі обертання.
Приймаються t 1 max = 0.02 м; t 1 min = 0.01 м. Тоді:
.
Орієнтовна кількість пазів якоря:
де відношення визначається за табл.2.1
= 10
Зубцова крок:
2.4 Кількість ефективних провідників у пазу:
У симетричній двошарової обмотці це число повинне бути парним. Приймаються N п = 24, тоді число провідників в обмотці якоря визначається як .
2.5 Оскільки діаметр якоря менше 200 мм, пази якоря виконуємо напівзакритими овальної форми, зубці з паралельними стінками. Вибір такої конструкції обумовлений тим, що обмотка якоря таких машин виконується всипними з емальованих мідних провідників круглого перерізу, що утворюють м'які секції, які легко можна вкласти в пази через порівняно вузькі шліци.
2.6 Вибір числа колекторних пластин. Мінімальне число колекторних пластин До обмежується допустимим значенням напруги між сусідніми колекторними пластинами. Для серійних машин без компенсаційної обмотки .
Мінімальне значення К:
,
Приймаються колекторне поділ:
Максимальне значення К:
де - Зовнішній діаметр колектора
Число колекторних пластин:
,
де - Число елементарних пазів в одному реальному (
= 3).
Дані отримані раніше записуємо в таблицю:
u n | К = u n · Z | | | |
3 | 120 | 4 | 18 | 3.27 |
,
,
де
2.7 Скоригований довжина якоря:
2.8 Зовнішній діаметр колектора
2.9 Окружна швидкість колектора:
,
2.10 Колекторні поділ t k = 3.27 мм
2.11 Повний струм паза:
.
2.12 Попереднє значення щільності струму в обмотці якоря:
,
де - Приймаємо в залежності від діаметра якоря по [рис 1.3].
.
2.13 Попереднє перетин ефективного дроти:
,
Для обмоток якоря з напівзакритими пазами з [табл.2.4] вибираємо круглий дріт марки ПЕТВ з перетином 0.883 мм 2, діаметром неізольованого проводу 1.06 мм і діаметром ізольованого проводу 1.14 мм.
Число елементарних провідників .
3 Розрахунок геометрії зубцеву зони
3.1 Площа поперечного перерізу обмотки, покладеної в один напівзакритий паз:
де d З = 1.14 мм - діаметр одного ізольованого проводу;
n ЕЛ = 1 - число елементарних провідників в одному ефективному;
W С = 4 - число витків в секції;
u n = 3 - число елементарних пазів в одному реальному;
До З = 0.7 - коефіцієнт заповнення паза ізольованими провідниками.
Тоді:
3.2 Висоту паза попередньо вибираємо за рис 3.1 залежно від діаметра якоря:
h П = 25 мм
Ширина шліца b Ш повинна бути більше суми максимального діаметра ізольованого провідника і двосторонньої товщини пазової ізоляції. Приймаються b Ш = 2 мм.
Висоту шліца приймаємо h Ш = 0.6 мм.
3.3 Ширина зубця:
де B Z = 2 Тл-допустиме значення магнітної індукції в зубцях для частоти перемагнічування 50Гц і двигуна зі ступенем захисту IP 22 і способом охолодження ICO 1;
К С = 0,95 - коефіцієнт заповнення пакету якоря сталлю.
Тоді:
м
3.4 Великий радіус паза:
,
м
3.5 Менший радіус паза:
,
м
3.6 Відстань між центрами радіусів:
3.7 Мінімальний перетин зубців якоря:
3.8 Попереднє значення ЕРС:
Е Н = К Д ∙ U Н
де К Д = 0.9 - вибирається залежно від потужності двигуна по табл.1.1. Тоді:
Е Н = 0.9 ∙ 440 = 396 В
3.9 Попереднє значення магнітного потоку на полюс:
3.10 Індукція в перерізі зубців (сталь марки 2312):
B z не задовольняє умові B z ≤ 2. У такому випадку перераховуємо так, що б виконувалася умова B z ≤ 2:
4 Розрахунок обмотки якоря
4.1 Довжина лобовій частині витка при 2р = 4:
4.2 Середня довжина полувітка обмотки якоря:
l а ср = (l п + l л), м
де l п ≈ l δ = 0.16 - довжина якоря наближена для машин без радіальної вентиляції, м
Тоді:
l а ср = 0.16 + 0.158 = 0.318 м
4.3 Повна довжина провідників обмотки якоря:
L ма = N · l а ср = 960 · 0.318 = 305.28 м
4.4 Опір обмотки якоря при температурі t = 20 ˚ С:
4.5 Опір обмотки якоря при температурі t = 75 ˚ С:
R da = 1.22 R а = 1.22 · 1.6 = 1.952 Ом
4.6 Маса міді обмотки якоря:
М ма = 8900 · l а ср · N · q 0 = 8900 · 0.318 · 960 · 0.83635 · 10 -6 = 2.272 кг
4.7 Розрахунок кроків обмотки. Крок по колектору для простої хвильової обмотки:
Результуючий крок Y = Y К = 59
Перший частковий крок:
де Σ - дробове число, за допомогою якого Y 1 округляється до цілого числа.
Тоді:
Другий частковий крок:
Y 2 = Y - Y 1 = 59 - 30 = 29
5 Визначення розмірів магнітного ланцюга
5.1 Попереднє значення внутрішнього діаметра якоря і діаметра валу:
5.2 Висота спинки якоря:
Магнітна індукція в спинці якоря:
де - Площа поперечного перерізу спинки якоря;
K c = 0,95;
Тоді
B j не задовольняє умові . У такому разі робимо перерахунок внутрішнього діаметра якоря D o:
5.3 Приймаються сталь марки 3411 товщиною 0.5 мм, у якої відомо
К з = 0. 95; σ р = 1.2; b p = 0.07812 м
Ширина виступу полюсного наконечника дорівнює
5.4 Ширина осердя головного полюси:
5.5 Індукція в осерді:
5.6 Перетин станини:
де В С = 1,3 - індукція в станині, Тл.
5.7 Довжина станини:
l C = l г + 0.4 D = 0.285 + 0.4 · 0,16 = 0.221 м
5.8 Висота станини:
5.9 Зовнішній діаметр станини:
5.10 Внутрішній діаметр станини:
d C = D H - 2 h C = 0.31 - 2 · 0.0278 = 0.254 м
5.11 Висота головного полюси:
де δ = 0 .015 м - попереднє значення повітряного зазору по [рис 5.2.]
6 Розрахункові перетину магнітного ланцюга
6.1 Перетин повітряного зазору:
S δ = b ρ · l δ = 0.0781 · 0.285 = 0.0222 м 2
6.2 Довжина стали якоря:
6.3 Мінімальний перетин зубців якоря з п.3.7:
S = 0.00665 м
6.4 Перетин спинки якоря:
S j = l с. ∙ h j = 0.27 ∙ 0.0175 = 0.0473 м 2
6.5 Перетин сердечників головних полюсів:
S r = K c ∙ l r ∙ b r = 0.95 ∙ 0.285 ∙ 0.0469 = 0.0127 м 2
6.6 Перетин станини з п. 5.6.:
S C = 0.00614 м 2
7 Середні довжини магнітних ліній
7.1 Повітряний зазор δ = 0 .015 м.
7.2 Коефіцієнт повітряного зазору, що враховує наявність пазів овальної форми на якорі:
7.3 Розрахункова довжина повітряного зазору:
7.4 Зубці якоря для пазів овальної форми:
7.5 Спинка якоря:
7.6 Сердечник головного полюси:
L r = h r = 0.017 м
7.7 Повітряний зазор між головним полюсом і станиною:
L С.П. = 2 l r · 10 -4 +10 -4 = 2.0 .285 · 10 -4 +10 -4 = 0.000157 м
7.8 Станина:
8 Індукція в розрахункових перерізах магнітного ланцюга
8.1 Індукція в повітряному зазорі:
8.2 Індукція в перерізі зубців якоря:
8.3 Індукція в спинці якоря:
8.4 Індукція в сердечнику головного полюси:
8.5 Індукція в станині:
9 Магнітне напруга окремих ділянок магнітного ланцюга
9.1 Магнітне напруга повітряного зазору:
9.2 Коефіцієнт витіснення потоку:
9.3 Магнітне напруга зубців якоря:
F Z = 2 H Z L Z = 2 ∙ 38800.0 .0242 = 1877.92 А
9.4 Магнітне напруга спинки якоря:
F j = H j L j = 1000.0 .0451 = 45.1 А
9.5 Магнітне напруга сердечника головного полюси:
F r = 2 H r L r = 2 ∙ 460.0 .017 = 15. 64 А
Магнітне напруга повітряного зазору між головним полюсом і станиною:
F С.П = 1.6 · B r · L С.П ∙ 10 6 = 1.6 · 1.26 · 0.000157 · 10 6 = 316.512 А
9.7 Магнітне напруга станини:
F С = H З L С = 550.0 .1247 = 68.585 А
9.8 Сумарна МДС на пару полюсів:
F Σ = F δ + F Z + F j + F r + F С.П + F C = 1456.77 + 1877.92 + 45.1 + 15.64 + +316.512 +198.273 = 3780.527 А
9.9 МДС перехідного шару:
F δZj = F δ + F Z + F j = 1456.77 +1877.92 +45.1 = 3379.79 A
Аналогічно проводиться розрахунок для потоків рівних 0,5; 0,75; 0,9; 1,1; 1,15 від номінального значення. Результати розрахунку зведені в таблицю 1.
Таблиця 1 - Розрахунок характеристики намагнічування машини.
№ п / п | Розрахункова величина | Розрахункова формула | Од. вів. | 0,5 Ф δ Н | 0,75 Ф δ Н | 0,9 Ф δ Н | Ф δ Н | 1,1 Ф δ Н | 1,15 Ф δ Н |
1 | ЕРС | Е | У | - | - | - | 396 | - | - |
2 | Магнітний потік | | Вб | 0.00655 | 0.009975 | 0.01197 | 0.0133 | 0.01463 | 0.015295 |
3 | Магнітна індукція в повітряному зазорі | | Тл | 0.3 | 0.45 | 0.54 | 0.6 | 0.66 | 0.69 |
4 | МДС повітряного зазору | | А | 728.385 | 1092.578 | 1311.093 | 1456.77 | 1602.447 | 1675.286 |
5 | Магнітна індукція в зубцях якоря | | Тл | 1 | 1.5 | 1.8 | 2 | 2.2 | 2.3 |
6 | Напруженість магнітного поля | Н Z | | 240 | 1600 | 13400 | 38800 | 144000 | 224000 |
7 | Магнітне напруга зубців | F Z = 2 H Z L Z | А | 11.616 | 77.44 | 648.56 | 1877.92 | 6969.6 | 10841.6 |
8 | Магнітна індукція в спинці якоря | | Тл | 0.7 | 1.05 | 1.26 | 1.4 | 1.54 | 1.61 |
9 | Напруженість магнітного поля | Н j | | 96 | 270 | 460 | 1000 | 2200 | 3600 |
10 | Магнітне напругу в спинці якоря | F j = H j L j | А | 4.3296 | 12.177 | 20.746 | 45.1 | 99.22 | 162.36 |
11 | Магнітний потік головного полюса | Ф r = σ р Ф δ | Вб | 0.00798 | 0.01197 | 0.014364 | 0.01596 | 0.017556 | 0.018354 |
12 | Магнітна індукція в серд. глав. полюса | | Тл | 0.63 | 0.95 | 1.13 | 1.26 | 1.39 | 1.45 |
13 | Напруженість магнітного поля | Н r | | 89 | 215 | 330 | 460 | 940 | 1300 |
14 | Магнітне напруга серд. глав. полюса | F r = 2 H r L r | А | 3.026 | 7.31 | 11.22 | 15.64 | 31.96 | 44.2 |
15 | Магнітна індук. в пов. зазорі між гол. підлогу. і стан. | У С.П = В r | Тл | 0.63 | 0.95 | 1.13 | 1.26 | 1.39 | 1.45 |
16 | Магнітне напряж. пов. зазору між гол. полюсом і стан. | F С.П = = 1.6 · 10 6 · B r · L С.П | А | 158.256 | 237.384 | 284.8608 | 316.512 | 348.1632 | 364 |
17 | Магнітна індукція в станині | | Тл | 0.65 | 0.98 | 1.17 | 1.3 | 1.43 | 1.5 |
18 | Напруженість магнітного поля | Н С | | 91 | 230 | 370 | 550 | 1180 | 1600 |
19 | Магнітне напруга станини | F С = H З L З | А | 11.3477 | 28.681 | 46.139 | 68.585 | 147.146 | 199.52 |
20 | Сума магн. напряж. всіх ділянок магніт. ланцюга | F Σ = F δ + F Z + F j + F r + + F С.П + F C | А | 916.9603 | 1455.57 | 2322.619 | 3780.527 | 9198.5362 | 13286.95 |
21 | Сума магн. напружень ділянок перехідного шару | F δZj = F δ + F Z + F j | А | 744.3306 | 1182.195 | 1980.399 | 3379.79 | 8671.267 | 12679.25 |
За даними таблиці будуються характеристика намагнічування
B δ = f (F Σ) і перехідна характеристика B δ = f (F δZi)
Малюнок 2. Характеристика намагнічування і перехідна характеристика
10 Розрахунок паралельної обмотки збудження
10.1 розмагнічує дію реакції якоря:
F qd = 180 А.
10.2 Необхідна МДС паралельної обмотки:
F В = F Σ + F qd = 3780.527 + 180 = 3960.527 А
10.3 Середня довжина витка котушки паралельної обмотки:
l ср.в. = 2 (l r + b r) + π (b КТ.В + 2Δ ІЗ), м
де b КТ.В = 0.03 - ширина котушки, м;
Δ З = 0.75 · 10 -3 - товщина ізоляції, м.
Тоді:
l ср.в. = 2 (0.285 + 0.0469) + 3.14 (0.03 + 2 · 0.75 · 10 -3) = 0.67 м
10.4 Перетин міді паралельної обмотки:
де К З.В = 1.1 - коефіцієнт запасу;
m = 1.22 - коефіцієнт, що враховує збільшення опору міді при збільшенні температури до 75 ˚ С.
Тоді:
Остаточно приймаємо стандартний круглий мідний дріт марки ПЕТВ з перетином q В = 0.283 мм 2, діаметром без ізоляції d = 0.6 мм та діаметром з ізоляцією d З = 0.655 мм.
10.5 Номінальна щільність струму приймається:
J В = 4.45 · 6 жовтня А / м 2
10.6 Число витків на пару полюсів:
10.7 Номінальний струм збудження:
10.8 Повна довжина обмотки:
L B = p · l СР.В · W B = 2 · 0.67 · 3145 = 4214.3 м
10.9 Опір обмотки збудження при температурі υ = 20 ˚ С:
10.10 Опір обмотки збудження при температурі υ = 75 ˚ С:
R B 75 = m · R B 20 = 1.22 · 261.25 = 318.73 Ом
10.11 Маса міді паралельної обмотки:
m м.в. = 8.9 · l в.ср. · W в · q в · 10 березня = 8.9 · 0.67 · 3145 · 0.283 · 10 -6 · 10 Березня = 5.307 кг
11 Колектор і щітки
11.1 Ширина нейтральної зони:
b Н.З = τ - b Р = 0.126 - 0.0781 = 0.0479 м
11.2 Ширина щітки для простої хвильової обмотки:
b Щ = 3.5 t К = 3.5 · 0.00327 = 0.0115 м
Остаточно приймаємо стандартну ширину щітки: b Щ = 0.0125 м. Довжина щітки l Щ = 0.025 м.
11.3 Поверхня зіткнення щітки з колектором:
S Щ = b Щ · l Щ = 0.0125 · 0.025 = 0.0003125 м 2
11.4 При допустимій щільності струму J Щ = 11 · 10 4, А / м 2, число щіток на болт:
Остаточно приймаємо N Щ = 1.
11.5 Поверхня зіткнення всіх щіток з колектором:
Σ S Щ = 2р · N Щ · S Щ = 4 · 1 · 0.0003125 = 0.00125 м 2
11.6 Щільність струму під щітками:
11.7 Активна довжина колектора:
l К = N Щ (l Щ + 8 · 10 -3) + 10 · 10 -3 = 1 (0.025 + 8 · 10 -3) + 10 -2 = 0.043 м
12 Втрати і ККД
12.1 Електричні втрати в обмотці якоря:
Р m а = I 2 R da = 16.727 2 · 1.952 = 546.16 Вт
12.2 Електричні втрати в паралельної обмотки збудження:
Р М.В = I 2 ВН · R В75 = 1.259 2 · 318.73 = 505.21 Вт
12.3 Електричні втрати в перехідному контакті щіток на колекторі:
Р Е.Щ = I · 2 ΔU Щ, Вт
де 2 ΔU Щ = 2 - втрати напруги в перехідних контактах, В.
Тоді:
Р Е.Щ = 16.727 · 2 = 33.454 Вт
12.4 Втрати на тертя щіток об колектор:
Р Т.Щ = Σ S Щ · Р Щ · f · V До, Вт
де Р Щ = 3 · 10 Квітня Па - тиск на щітку;
f = 0.2 - коефіцієнт тертя щітки.
Тоді:
Р Т.Щ = 0.00125 · 3 · 10 квітня · 0.2 · 14.392 = 107.94 Вт
12.5 Втрати в підшипниках і на вентиляцію визначимо за ріс.13.1.:
Р Т.П. + Р ВЕНТ. = 105 Вт
12.6 Маса стали ярма якоря:
12.7 Умовна маса стали зубців якоря з овальними пазами:
12.8 Магнітні втрати в ярмі якоря:
P j = m j · P j, Вт
де P j - питомі втрати в ярмі якоря, Вт / кг:
де Р 1.0/50 = 1.75 - питомі втрати в сталі для В = 1.0 Тл і f = 50 Гц, Вт / кг;
f = - Частота перемагнічування, Гц;
β = 2.
Тоді питомі втрати:
Загальні магнітні втрати в ярмі якоря:
P j = 83.553 · 16.97 = 1417.89 Вт
12.9 Магнітні втрати в зубцях якоря:
P Z = m Z · P Z, Вт
де - Питомі втрати, Вт / кг.
Тоді загальні магнітні втрати в зубцях якоря:
P Z = 7.14 · 34.63 = 247.26 Вт
12.10 Додаткові втрати:
12.11 Сума втрат:
Σ Р = Р m а + Р М.В + Р Е.Щ + Р Т.Щ + (Р Т.П. + Р ВЕНТ.) + P j + P Z + Р ДОБ =
= 546.16 + 505.21 + 33.454 + 107.94 + 105 + 1417.89 + 247.26 + 96.37 = 3059.284 Вт
12.12 ККД двигуна:
Малюнок 2.Електріческая машина постійного струму.
1 - пробка гвинтова; 2 - кришка, 3 - лабіринт: 4 - маслянка, 5 - підшипник; 6 - лабіринт; 7 - траверса; 8 - щит підшипниковий; 9 - колектор; 10 - станина; 11 - якір; 12 - гвинт вантажний ; 13 - вентилятор; 14 - щит підшипниковий; 15 - лабіринт; 16 - підшипник; 17 - лабіринт; 18 - вал; 19 - полюс додатковий; 20 - полюс головний; 21 - конденсатор; 22 - коробка висновків; 23 - болт для заземлення .
Висновок
Проектування електричної машини являє собою складну задачу. Для її вирішення потрібні глибокі теоретичні знання, багато досвідчених дані і досить докладні відомості про призначення машини і умови, в яких вона буде працювати.
У результаті розрахунку був спроектований двигун на задану потужність. Був зроблений вибір і розрахунок розмірів статора і ротора, обмоток, ізоляції, конструктивних деталей.
Список літератури
1. Пашнін В. М. Електричні машини: Методичні вказівки до курсового проекту. - Хабаровськ: Вид-во ДВГУПС, 2000. - 40 с.: Іл.
2. Сергєєв П. С. та ін Проектування електричних машин. Вид. 3-тє, переробці. і доп. М., "Енергія", 1969.
3. Копилов І. П. Проектування електричних машин: Учеб. посібник для вузів. - М.: Енергія, 1980. - 496 с., Іл.