Курсовая работа: 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:

1.3 Ток якоря:

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

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].

1.8 Определяем расчётную длину якоря:

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:

3.4 Большой радиус паза:

3.5 Меньший радиус паза:

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

9.6 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.