Двигатель постоянного тока

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСТИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ











Кафедра: «ЭтЭЭм»







КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

на тему: «Двигатель постоянного тока»

КП 14020365 637









	Выполнил: Кузнецов К. И.

	Проверил: Пашнин В.М.

	

	

	

	

	

	Хабаровск

2007

	Введение



Почти вся электрическая энергия вырабатывается электрическими машинами. Но электрические машины могут работать не только в генераторном режиме, но и в двигательном, преобразуя электрическую энергию в механическую. Обладая высокими энергетическими показателями и меньшими, по сравнению с другими преобразователями энергии, расходами материалов на единицу мощности, экологически чистые электромеханические преобразователи имеют в жизни человеческого общества огромное значение.

При проектировании электрической машины приходится учитывать большое количество факторов, от которых зависят её эксплуатационные свойства, заводская себестоимость и надёжность в работе.

При проектировании выбор материалов, размеров активных и конструктивных частей машины должен быть технически и экономически обоснован. При этом следует использовать предшествующий опыт и ориентироваться на данные современных машин. Однако необходимо критически относиться к этим данным, выявить недостатки машин и найти способы их устранения.

Целью данной работы была разработка конструкции двигателя постоянного тока. За основу конструкции была принята машина постоянного тока серии 2П. Проектирование двигателя включает в себя выбор и расчёт размеров статора и ротора, обмоток, изоляции, конструктивных деталей, объединение их в конструктивные узлы и общую компоновку всех его частей.

Материалы, размеры и формы конструктивных деталей должны быть так выбраны и отдельные детали так объединены, чтобы двигатель по возможности наилучшим образом соответствовал своему назначению и был наиболее экономичным в работе и изготовлении.


1 Выбор и расчёт главных размеров двигателя



1.1  – предварительное значение КПД двигателя назначаем в зависимости от его мощности по [рис1.1]. Принимаем среднее значение ηн = 0,8.

	1.2 Определяем предварительное значение номинального тока:

	





 А



1.3 Ток якоря:




где значение коэффициента  выбираем из табл.1.1., =0,08

 А



1.4 Определяем электромагнитную мощность двигателя:



,



кВт



1.5 Диаметр якоря D можно принять равным высоте оси вращения:







Определяем наружный диаметр якоря DН, м:

,

.



1.6  – линейная нагрузка якоря по [рис1.3].



1.7  – магнитная индукция в воздушном зазоре по [рис1.4].

 – расчетный коэффициент полюсного перекрытия по [рис1.5].



Определяем расчётную длину якоря:



,



 м



1.9 Определяем отношение длины магнитопровода якоря к его диаметру:



,



.

полученное λ удовлетворяет условию 



1.10 Принимаем число полюсов двигателя 2р = 4.



1.11 Находим полюсное деление:







.



1.12 Определяем расчётную ширину полюсного наконечника:



,



.



1.13 Действительная ширина полюсного наконечника при эксцентричном зазоре под главными полюсами



.


2 Выбор обмотки якоря



2.1 Т.к. ток якоря меньше 600 А, выбираем простую волновую обмотку

(2а = 2). Ток параллельной ветви равен:

,



.



2.2 Определяем предварительное общее число эффективных проводников обмотки якоря:



,



.



2.3 Крайние пределы чисел пазов якоря:



,



где t1 – зубцовый шаг, граничные значения которого зависят от высоты оси вращения.

Принимаем t1max = 0.02 м; t1min = 0.01 м. Тогда:

.

Ориентировочное число пазов якоря:







где отношение  определяется по табл.2.1

=10

Зубцовый шаг:











2.4 Число эффективных проводников в пазу:









В симметричной двухслойной обмотке это число должно быть четным. Принимаем Nп=24, тогда число проводников в обмотке якоря определяется как .



2.5 Т.к. диаметр якоря меньше 200 мм, пазы якоря выполняем полузакрытыми овальной формы, зубцы с параллельными стенками. Выбор такой конструкции обусловлен тем, что обмотка якоря таких машин выполняется всыпной из эмалированных медных проводников круглого сечения, образующих мягкие секции, которые легко можно уложить в пазы через сравнительно узкие шлицы.



2.6 Выбор числа коллекторных пластин. Минимальное число коллекторных пластин К ограничивается допустимым значением напряжения между соседними коллекторными пластинами. Для серийных машин без компенсационной обмотки .

Минимальное значение К:



,





Принимаем коллекторное деление:

	

Максимальное значение К:







где  – наружный диаметр коллектора

Число коллекторных пластин:



,



где - число элементарных пазов в одном реальном ( =3).

Данные полученные ранее записываем в таблицу:



un

К = un·Z







3

120

4

18

3.27

Уточнённое значение линейной нагрузки, А/м



,



,

где 



2.7 Скорректированная длина якоря:











2.8 Наружный диаметр коллектора 



2.9 Окружная скорость коллектора:



,






2.10 Коллекторное деление tk = 3.27 мм



2.11 Полный ток паза:







.



2.12 Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря:



,



где  - принимаем в зависимости от диаметра якоря по [рис 1.3].

.



2.13 Предварительное сечение эффективного провода:



,





Для обмоток якоря с полузакрытыми пазами из [табл.2.4] выбираем круглый провод марки ПЭТВ с сечением 0.883 мм2 , диаметром неизолированного провода 1.06 мм и диаметром изолированного провода 1.14 мм.

Число элементарных проводников .


3 Расчёт геометрии зубцовой зоны



3.1 Площадь поперечного сечения обмотки, уложенной в один полузакрытый паз:







где dИЗ = 1.14 мм – диаметр одного изолированного провода;

nЭЛ = 1 – число элементарных проводников в одном эффективном;

WС = 4 – число витков в секции;

un = 3 – число элементарных пазов в одном реальном;

КЗ = 0.7 – коэффициент заполнения паза изолированными проводниками.

Тогда:





3.2 Высоту паза предварительно выбираем по рис 3.1 в зависимости от диаметра якоря:



hП = 25 мм

Ширина шлица bШ должна быть больше суммы максимального диаметра изолированного проводника и двухсторонней толщины пазовой изоляции. Принимаем bШ = 2 мм.

Высоту шлица принимаем hШ = 0.6 мм.




3.3 Ширина зубца:

	

	



где BZ = 2 Тл– допустимое значение магнитной индукции в зубцах для частоты перемагничивания 50Гц и двигателя со степенью защиты IP22 и способом охлаждения ICO1;

КС = 0,95 – коэффициент заполнения пакета якоря сталью.

Тогда:

м



3.4 Большой радиус паза:



,



 м



3.5 Меньший радиус паза:



,



 м




3.6 Расстояние между центрами радиусов:











3.7 Минимальное сечение зубцов якоря:









3.8 Предварительное значение ЭДС:



ЕН = КД∙UН



где КД = 0.9 – выбирается в зависимости от мощности двигателя по табл.1.1. Тогда:

ЕН = 0.9∙440 = 396 В



3.9 Предварительное значение магнитного потока на полюс:








3.10 Индукция в сечении зубцов (сталь марки 2312):







Bz не удовлетворяет условию Bz ≤2. В таком случае пересчитываем  так, что бы выполнялось условие Bz ≤2:










4 Расчёт обмотки якоря



4.1 Длина лобовой части витка при 2р = 4:







4.2 Средняя длина полувитка обмотки якоря:



lа ср = (lп + lл), м



где lп ≈ lδ = 0.16 – длина якоря приближённая для машин без радиальной вентиляции, м

Тогда:

lа ср = 0.16+ 0.158= 0.318 м



4.3 Полная длина проводников обмотки якоря:



Lма = N·lа ср = 960·0.318= 305.28 м



4.4 Сопротивление обмотки якоря при температуре t = 20 ˚С:











4.5 Сопротивление обмотки якоря при температуре t = 75 ˚С:



Rda = 1.22Rа = 1.22·1.6 = 1.952 Ом

4.6 Масса меди обмотки якоря:



Мма = 8900·lа ср·N·q0 = 8900·0.318·960·0.83635·10-6 = 2.272 кг



4.7 Расчёт шагов обмотки. Шаг по коллектору для простой волновой обмотки:







Результирующий шаг Y = YК = 59

Первый частичный шаг:







где Σ – дробное число, с помощью которого Y1 округляется до целого числа.

Тогда:



Второй частичный шаг:



Y2 = Y – Y1 = 59 – 30 = 29




5 Определение размеров магнитной цепи



5.1 Предварительное значение внутреннего диаметра якоря и диаметра вала:







5.2 Высота спинки якоря:





Магнитная индукция в спинке якоря:







где – площадь поперечного сечения спинки якоря;

Kc = 0,95; 

Тогда 

Bj не удовлетворяет условию . В таком случае делаем перерасчет внутреннего диаметра якоря Do:








5.3 Принимаем сталь марки 3411 толщиной 0.5 мм, у которой известно

Кс = 0.95; σг = 1.2; bp = 0.07812 м

Ширина выступа полюсного наконечника равна







5.4 Ширина сердечника главного полюса:











5.5 Индукция в сердечнике:







5.6 Сечение станины:







где ВС = 1,3 – индукция в станине, Тл.





5.7 Длина станины:



lC = lг + 0.4D = 0.285 + 0.4·0,16 = 0.221 м

5.8 Высота станины:







5.9 Наружный диаметр станины:







5.10 Внутренний диаметр станины:



dC = DH – 2hC = 0.31 – 2·0.0278= 0.254 м



5.11 Высота главного полюса:







где δ = 0.015м – предварительное значение воздушного зазора по [рис 5.2.]






6 Расчётные сечения магнитной цепи



6.1 Сечение воздушного зазора:



Sδ = bρ·lδ = 0.0781·0.285 = 0.0222 м2



6.2 Длина стали якоря:







6.3 Минимальное сечение зубцов якоря из п.3.7:



S=0.00665 м



6.4 Сечение спинки якоря:



Sj = lс.∙hj = 0.27∙0.0175 = 0.0473 м2



6.5 Сечение сердечников главных полюсов:



Sr = Kc∙lr∙br = 0.95∙0.285∙0.0469 = 0.0127 м2



6.6 Сечение станины из п. 5.6.:

SC = 0.00614 м2




7 Средние длины магнитных линий



7.1 Воздушный зазор δ = 0.015 м.



7.2 Коэффициент воздушного зазора, учитывающий наличие пазов овальной формы на якоре:







7.3 Расчётная длина воздушного зазора:







7.4 Зубцы якоря для пазов овальной формы:







7.5 Спинка якоря:







7.6 Сердечник главного полюса:



Lr = hr = 0.017 м


7.7 Воздушный зазор между главным полюсом и станиной:



LС.П. = 2lr·10-4+10-4 = 2·0.285·10-4+10-4 = 0.000157 м



7.8 Станина:








8 Индукция в расчётных сечениях магнитной цепи



8.1 Индукция в воздушном зазоре:







8.2 Индукция в сечении зубцов якоря:







8.3 Индукция в спинке якоря:







8.4 Индукция в сердечнике главного полюса:







8.5 Индукция в станине:








9 Магнитное напряжение отдельных участков магнитной цепи



9.1 Магнитное напряжение воздушного зазора:







9.2 Коэффициент вытеснения потока:







9.3 Магнитное напряжение зубцов якоря:



FZ = 2HZLZ = 2∙38800·0.0242 = 1877.92 А



9.4 Магнитное напряжение спинки якоря:



Fj = HjLj = 1000·0.0451 = 45.1 А



9.5 Магнитное напряжение сердечника главного полюса:



Fr =2HrLr = 2∙460·0.017 = 15.64 А



Магнитное напряжение воздушного зазора между главным полюсом и станиной:



FС.П = 1.6·Br·LС.П∙106= 1.6·1.26·0.000157·106 = 316.512 А




9.7 Магнитное напряжение станины:



FС = HСLС = 550·0.1247 = 68.585 А



9.8 Суммарная МДС на пару полюсов:



FΣ = Fδ + FZ + Fj + Fr + FС.П + FC = 1456.77 + 1877.92 + 45.1+ 15.64 + +316.512+198.273 = 3780.527 А



9.9 МДС переходного слоя:



FδZj = Fδ + FZ + Fj = 1456.77+1877.92+45.1 = 3379.79 A



Аналогично производится расчёт для потоков равных 0,5; 0,75; 0,9; 1,1; 1,15 от номинального значения. Результаты расчёта сведены в таблицу 1.





Таблица 1 – Расчёт характеристики намагничивания машины.



№

п/п

Расчётная

величина

Расчётная формула

Ед.

вел.

0,5ФδН

0,75ФδН

0,9ФδН

ФδН

1,1ФδН

1,15ФδН

1

ЭДС

Е

В

–

–

–

396

–

–

2

Магнитный

поток



Вб

0.00655

0.009975

0.01197

0.0133

0.01463

0.015295

3

Магнитная индукция в воздушном зазоре



Тл

0.3

0.45

0.54

0.6

0.66

0.69

4

МДС воздушного зазора



А

728.385

1092.578

1311.093

1456.77

1602.447

1675.286

5

Магнитная индукция в зубцах якоря



Тл

1

1.5

1.8

2

2.2

2.3

6

Напряженность

магнитного поля

НZ



240

1600

13400

38800

144000

224000

7

Магнитное напряжение зубцов

FZ = 2HZLZ

А

11.616

77.44

648.56

1877.92

6969.6

10841.6

8

Магнитная индукция в спинке якоря



Тл

0.7

1.05

1.26

1.4

1.54

1.61

9

Напряженность

магнитного поля

Нj



96

270

460

1000

2200

3600

10

Магнитное напряжение в спинке якоря

Fj = Hj Lj

А

4.3296

12.177

20.746

45.1

99.22

162.36

11

Магнитный поток

главного полюса

Фr = σгФδ

Вб

0.00798

0.01197

0.014364

0.01596

0.017556

0.018354

12

Магнитная индукция в серд. глав. полюса



Тл

0.63

0.95

1.13

1.26

1.39

1.45

13

Напряжённость

магнитного поля

Нr



89

215

330

460

940

1300

14

Магнитное напряжение серд. глав. полюса

Fr = 2HrLr

А

3.026

7.31

11.22

15.64

31.96

44.2

15

Магнитная индук.

в возд. зазоре между гл. пол. и стан.

ВС.П = Вr

Тл

0.63

0.95

1.13

1.26

1.39

1.45

16

Магнитное напряж.

возд. зазора между гл. полюсом и стан.

FС.П = =1.6·106·Br·LС.П

А

158.256

237.384

284.8608

316.512

348.1632

364

17

Магнитная индукция в станине



Тл

0.65

0.98

1.17

1.3

1.43

1.5

18

Напряжённость

магнитного поля

НС



91

230

370

550

1180

1600

19

Магнитное напряжение станины

FС = HСLС

А

11.3477

28.681

46.139

68.585

147.146

199.52

20

Сумма магн. напряж. всех участков магнит. цепи

FΣ = Fδ + FZ + Fj + Fr + +FС.П + FC

А

916.9603

1455.57

2322.619

3780.527

9198.5362

13286.95

21

Сумма магн. напряжений участков переходного слоя

FδZj = Fδ + FZ + Fj

А

744.3306

1182.195

1980.399

3379.79

8671.267

12679.25



По данным таблицы строятся характеристика намагничивания

Bδ=f (FΣ)и переходная характеристика Bδ=f (FδZi)





Рисунок 1. Характеристика намагничивания и переходная характеристика




10 Расчёт параллельной обмотки возбуждения



10.1 Размагничивающее действие реакции якоря:



Fqd = 180 А.



10.2 Необходимая МДС параллельной обмотки:



FВ = FΣ + Fqd = 3780.527 + 180 = 3960.527 А



10.3 Средняя длина витка катушки параллельной обмотки:



lср.в. = 2(lr + br) + π(bКТ.В + 2ΔИЗ), м



где bКТ.В = 0.03 – ширина катушки, м;

ΔИЗ = 0.75·10-3 – толщина изоляции, м.

Тогда:

lср.в. = 2(0.285 + 0.0469) + 3.14(0.03 + 2·0.75·10-3) = 0.67 м



10.4 Сечение меди параллельной обмотки:







где КЗ.В = 1.1 – коэффициент запаса;

m = 1.22 – коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления меди при увеличении температуры до 75˚С.

Тогда:



Окончательно принимаем стандартный круглый медный провод марки ПЭТВ с сечением qВ = 0.283 мм2, диаметром без изоляции d = 0.6 мм и диаметром с изоляцией dИЗ = 0.655 мм.

10.5 Номинальная плотность тока принимается:

JВ = 4.45·106 А/м2

10.6 Число витков на пару полюсов:







10.7 Номинальный ток возбуждения:







10.8 Полная длина обмотки:



LB = p·lСР.В·WB = 2·0.67·3145 = 4214.3 м



10.9 Сопротивление обмотки возбуждения при температуре υ=20˚С:







10.10 Сопротивление обмотки возбуждения при температуре υ=75˚С:



RB75 = m·RB20 = 1.22·261.25 = 318.73 Ом




10.11 Масса меди параллельной обмотки:



mм.в. = 8.9·lв.ср.·Wв·qв·103 = 8.9·0.67·3145·0.283·10-6·103 = 5.307 кг




11 Коллектор и щётки



11.1 Ширина нейтральной зоны:



bН.З = τ– bР = 0.126 – 0.0781 = 0.0479 м



11.2 Ширина щётки для простой волновой обмотки:



bЩ = 3.5tК = 3.5·0.00327 = 0.0115 м

Окончательно принимаем стандартную ширину щётки: bЩ = 0.0125 м. Длина щётки lЩ = 0.025 м.



11.3 Поверхность соприкосновения щётки с коллектором:



SЩ = bЩ·lЩ = 0.0125·0.025 = 0.0003125 м2



11.4 При допустимой плотности тока JЩ = 11·104 ,А/м2, число щёток на болт:







Окончательно принимаем NЩ = 1.



11.5 Поверхность соприкосновения всех щёток с коллектором:



ΣSЩ = 2р·NЩ·SЩ = 4·1·0.0003125 = 0.00125 м2




11.6 Плотность тока под щётками:







11.7 Активная длина коллектора:



lК = NЩ(lЩ + 8·10-3) + 10·10-3 = 1(0.025 + 8·10-3) + 10-2 = 0.043 м




12 Потери и КПД



12.1 Электрические потери в обмотке якоря:

Рmа = I2Rda = 16.7272·1.952 = 546.16 Вт



12.2 Электрические потери в параллельной обмотке возбуждения:



РМ.В = I2ВН·RВ75 = 1.2592·318.73= 505.21 Вт



12.3 Электрические потери в переходном контакте щёток на коллекторе:



РЭ.Щ = I·2ΔUЩ, Вт



где 2ΔUЩ = 2 – потери напряжения в переходных контактах, В.

Тогда:

РЭ.Щ = 16.727·2 = 33.454 Вт



12.4 Потери на трение щёток о коллектор:



РТ.Щ = ΣSЩ·РЩ·f·VК, Вт



где РЩ = 3·104 Па – давление на щётку;

f = 0.2 – коэффициент трения щётки.

Тогда:

РТ.Щ = 0.00125·3·104·0.2·14.392 = 107.94 Вт



12.5 Потери в подшипниках и на вентиляцию определим по рис.13.1.:



РТ.П + РВЕНТ. = 105 Вт.

12.6 Масса стали ярма якоря:









12.7 Условная масса стали зубцов якоря с овальными пазами:







12.8 Магнитные потери в ярме якоря:



Pj = mj·Pj, Вт



где Pj – удельные потери в ярме якоря, Вт/кг:







где Р1.0/50 = 1.75 – удельные потери в стали для В = 1.0 Тл и f=50 Гц, Вт/кг;

f =  – частота перемагничивания, Гц;

β = 2.

Тогда удельные потери:



Общие магнитные потери в ярме якоря:

Pj = 83.553·16.97 = 1417.89 Вт



12.9 Магнитные потери в зубцах якоря:



PZ = mZ·PZ, Вт



где - удельные потери, Вт/кг.

Тогда общие магнитные потери в зубцах якоря:

PZ = 7.14·34.63 = 247.26 Вт



12.10 Добавочные потери:







12.11 Сумма потерь:



ΣР = Рmа + РМ.В + РЭ.Щ + РТ.Щ + (РТ.П + РВЕНТ.) + Pj + PZ + РДОБ =

= 546.16 + 505.21 + 33.454 + 107.94 + 105 + 1417.89 + 247.26 + 96.37 = 3059.284 Вт




12.12 КПД двигателя:





	

	

Рисунок 2.Электрическая машина постоянного тока.



1 – пробка винтовая; 2 – крышка; 3 – лабиринт: 4 – масленка; 5 – подшипник; 6 – лабиринт; 7 – траверса; 8 – щит подшипниковый; 9 – коллектор; 10 – станина; 11 – якорь; 12 – винт грузовой; 13 – вентилятор; 14 – щит подшипниковый; 15 – лабиринт; 16 – подшипник; 17 – лабиринт; 18 – вал; 19 – полюс добавочный; 20 – полюс главный; 21 – конденсатор; 22 – коробка выводов; 23 – болт для заземления.


Заключение



Проектирование электрической машины представляет собой сложную задачу. Для её разрешения требуются глубокие теоретические знания, многие опытные данные и достаточно подробные сведения о назначении машины и условия, в которых она будет работать.

В результате расчёта был спроектирован двигатель на заданную мощность. Был произведен выбор и расчет размеров статора и ротора, обмоток, изоляции, конструктивных деталей.




Список литературы



1. Пашнин В. М. Электрические машины: Методические указания к курсовому проекту. – Хабаровск: Изд-во ДВГУПС,  2000. – 40 с.: ил.

2. Сергеев П. С. и др. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е, переработ. и доп. М., “Энергия”, 1969.

3. Копылов И. П. Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов. – М.: Энергия, 1980. – 496 с., ил.

40