Расчет машины постоянного тока

В общем объеме производства электротехнической промышленности электрические машины занимают ведущее место, а поэтому эксплуатационные свойства новых электрических машин имеют важное значение для экономики России.

Проектирование электрических машин основано на знании процессов электромеханического преобразования энергии и опыта инженеров – электромехаников, умеющих применять вычислительную технику.

При проектировании электрических машин конструктивные элементы должны быть рассчитаны так, что бы при изготовлении машины трудоёмкость и расход материалов были наименьшими, а при эксплуатации они должны обладать оптимальными энергетическими показателями с учетом современного мирового уровня изготовления, а также требований государственных и отраслевых стандартов.

Высокая трудоемкость расчетов электрических машин не позволяет проводить, исследования, оптимизировать различные параметры и характеристики, создавать реальные проекты электрических машин. Громоздкие расчетные формулы не дают возможности увидеть закономерности сложных процессов, протекающих в электрических машинах, а также создания высоконадежной техники на уровне лучших мировых образцов.

В данном курсовом проекте производится расчет двигателя постоянного тока параллельного возбуждения без стабилизирующей обмотки, исполнения по степени защиты - IP22, по способу охлаждения – IC01, изоляция класса В, за основу принята машина постоянного тока серии 2П.

Исходные данные:

Номинальная мощность –

Номинальное напряжение –

Номинальная частота вращения –

Высота оси вращения –

Возбуждение параллельное без стабилизирующей обмотки. Исполнение по степени защиты – IP22, по способу охлаждения – самовентиляция (ICO1).

Режим работы – длительный. Изоляция класса нагревостойкости – В.

За основу конструкции принять машину постоянного тока серии П или 2П.

1. Выбор главных размеров

двигатель постоянный ток обмотка якорь

Предварительное значение КПД

Номинальный ток (предварительное значение) определяется по формуле:

(1.1)

Ток якоря определяется по формуле:

(1.2)

где  – коэффициент, который для машин мощностью от 10 – 100 кВт берется в интервале 0,035 – 0,02;

Электромагнитная мощностьдля электрических машин общего назначения:

(1.3)

Наружный диаметр машины определяется из уравнения:

(1.4)

Для четырех полюсной машины (2р = 4) D» h.

Линейная нагрузка якоря равняется ;

Индукция в воздушном зазоре равняется ;

Расчетный коэффициент полюсной дуги ;

Расчетная длина якоря:

(1.5)

Отношение длины магнитопровода якоря к его диаметру:

(1.6)

Для машины общепромышленного применения рекомендованные значения l находятся в пределах 0,4 £ l £ 1,25.

Число полюсов машины равно 2р = 4;

Полюсное деление:

(1.7)

Расчетная ширина полюсного наконечника:

(1.8)

Действительная ширина полюсного наконечника ;

2. Выбор обмотки якоря

Ток параллельной ветви:

(2.1)

Предварительное общее число эффективных проводников обмотки якоря:

(2.2)

Крайние пределы чисел пазов якоря:

(2.3)

где t₁ – зубцовый шаг, крайние пределы которого определяются для различных высот вращения из следующих соотношений:

Ориентировочно число пазов можно определить по формуле:

(2.4)

отношение

При выбранном Z t₁:

(2.5)

Число эффективных проводников в пазу (целое число):

(2.6)

Максимальное число коллекторных пластин:

(2.7)

где  – число элементарных пазов в одном реальном и ;

Напряжения между соседними коллекторными пластинами:

(2.8)

Коллекторное деление:

(2.9)

где D_К – диаметр коллектора и при полузакрытых пазах D_К = (0,65–0,85) D.

Число коллекторных пластин уточняют путём сравнения вариантов:

Таблица 2.1 Варианты выполнения обмотки якоря

Число витков в секции (целое число):

(2.10)

Уточненное значение линейной нагрузки:

(2.11)

Скорректированная длина якоря:

(2.12)

Окружная скорость коллектора:

(2.13)

Полный ток паза:

(2.14)

Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря:

(2.15)

где

Предварительное сечение эффективного провода:

(2.16)

Для всыпных обмоток с полузакрытыми пазами из таблицы 2.4 (1) выбираем круглый провод марки ПЭТВ при классе нагревостойкости B:

n_эл = 6

q_эл = 1,539 мм² .

d_неиз = 1,4 мм.

d_из = 1,485 мм.

Определяем сечение эффективного проводника:

q_a=n_элq_эл(2.19)

q_a=6∙1,539 = 9,234 мм² .

3. Расчет геометрии зубцовой зоны

Площадь поперечного сечения обмотки, уложенной в один полузакрытый паз:

(3.1)

где  – диаметр одного изолированного провода;  – число элементарных проводников в одном эффективном;  – число витков в секции; – число элементарных пазов в одном реальном;  – коэффициент заполнения паза изолированными проводниками .

Высота паза ;

Ширина шлица ;

Высота шлица ;

Ширина зубца:

(3.2)

где  – допустимое значение индукции в зубцах; К_С – коэффициент заполнения пакета якоря сталью, К_С = 0,95.

Большой радиус паза:

(3.3)

Меньший радиус паза:

(3.4)

Расстояние между центрами радиусов:

(3.5)

Минимальное сечение зубцов якоря:

(3.6)

Рис. 3.1 Полузакрытые пазы овальной формы с параллельными сторонами зубцов

Составляется эскиз пазов овальной формы по рис. 3.1.

Предварительное значение внутреннего диаметра якоря и диаметра вала:

(3.7)

Предварительное значение ЭДС:

(3.8)

где – коэффициент;

Предварительное значение магнитного потока на полюс:

(3.9)

Для магнитопровода якоря принимается сталь марки 2312. Индукция в сечении зубцов:

(3.10)

4. Расчет обмотки якоря

Длина лобовой части витка:

(4.1)

Средняя длина полувитка обмотки якоря:

(4.2)

где –длина якоря, приближенно для машин без радиальной вентиляции .

Полная длина проводников обмотки якоря:

(4.3)

Сопротивление обмотки якоря при температуре 20 °С:

(4.4)

Сопротивление обмотки якоря при температуре 75 °С:

(4.5)

Масса меди обмотки якоря:

(4.6)

Расчет шагов обмотки:

Шаг по коллектору :

(4.7)

Первый частичный шаг :

(4.8)

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

5. Определение размеров магнитной цепи

Высота спинки якоря (см. рис. 3.1):

(5.1)

Магнитная индукция в спинке якоря:

(5.2)

где – площадь поперечного сечения спинки якоря с учетом аксиальных каналов диаметром d.

Предельно допустимое значение магнитной индукции в спинке якоря B_j=1.4¸1.45 Тл.

Ширина выступа полюсного наконечника:

(5.3)

где из п. 1.13.

Ширина сердечника главного полюса:

(5.4)

Индукция в сердечнике:

(5.5)

где для четырех полюсной машины.

Для стали 3411 предельно допустимая индукция

Размеры главного полюса показаны на рис. 5.1

Рис. 5.1 Полюсный наконечник главного полюса.

Сечение станины:

(5.6)

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

Длина станины:

(5.7)

Высота станины:

(5.8)

Наружный диаметр станины:

(5.9)

Внутренний диаметр станины:

(5.10)

Высота главного полюса:

(5.11)

где d – воздушный зазор; d = 0,0018

6. Расчетные сечения магнитной цепи

Сечение воздушного зазора:

(6.1)

Длина стали якоря:

(6.2)

Минимальное сечение зубцов якоря:

S_Z из п. 3.7

Сечение спинки якоря:

(6.3)

Сечение сердечников главных полюсов:

(6.4)

где

Сечение станины:

 из п. 5.5

7. Средние длины магнитных линий

Воздушный зазор:

Коэффициент воздушного зазора, учитывающий наличие пазов на якоре:

(7.1)

Расчетная длина воздушного зазора:

(7.2)

Зубцы якоря:

(7.3)

Спинка якоря:

(7.4)

Сердечник главного полюса:

Воздушный зазор между главным полюсом и станиной:

(7.5)

Станина:

(7.6)

8. Индукция в расчетных сечениях магнитной цепи

Индукция в воздушном зазоре:

(8.1)

Индукция в сечении зубцов якоря:

(8.2)

Индукция в спинке якоря:

 из п. 5.1

Индукция в сердечнике главного полюса:

 из п. 5.4

Индукция в станине:

(8.3)

где  для четырех полюсной машины;

9. Магнитное напряжение отдельных участков магнитной цепи

Таблица 9.2 - Расчёт характеристики намагничивания