СОДЕРЖАНИЕ
| Вступление………………………………………………………….. 1 Выбор главных размеров……………………………………….… 2 Выбор обмотки якоря…………………………………….……….. 3 Расчет геометрии зубцовой зоны………………………….……... 4 Расчет обмотки якоря……………………………………….…….. 5 Определение размеров магнитной цепи…………………………. 6 Расчетные сечения магнитной цепи…………………………....... 7 Средние длины магнитных линий……………………………….. 8. Индукция в расчетных сечениях магнитной цепи……………... 9 Магнитные напряжения отдельных участков магнитной цепи... 10 Расчет параллельной обмотки возбуждения…………………..... 11 Коллектор и щетки…………………………………………….… 12 Коммутационные параметры…………………………………… 13 Расчет МДС обмотки возбуждения добавочных полюсов……. 14 Расчет обмотки добавочных полюсов………………. 15 Потери и КПД………………………………………… 16 Рабочие характеристики……………………………… 17 Рабочие характеристики двигателя со стабилизирующей обмоткой……………..…………………………………………………. 18 Тепловой расчет……………………………….…………………. 19 Вентиляционный расчет………………………………….……… Перечень рекомендуемой литературы…………………………….. Приложения………………………………………………. |
ВСТУПЛЕНИЕ
Целью курсового проектирования является приобретение студентами навыков самостоятельного решения вопросов, связанных с:
– расчетом электрических машин и их конструированием;
– изучением государственных стандартов в области электрических машин;
– изучением современных методик проектирования электрических машин;
– применением ЭВМ для выполнения, как отдельных разделов, так и курсового проекта в целом.
|
|
Долгие годы основным учебником по данному разделу является учебник /Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов/ И. П. Копылов, Ф. А. Горяинов, Б. к, Клоков и др.; Под ред. И. П. Копылова. – М.: Энергия, 1980. – 496 с., ил./ Однако в нем не учтено появление современных ЭВМ, программное приложение которых широко используется в процессе расчета. Данные методические указания являются дополнением к указанному учебнику. В нем приведен пример расчета, взятый из него. Авторы постарались исправить некоторые опечатки, добавили комментарии по принимаемым решениям и показали, как некоторые расчеты наиболее удобно проводить в MathCAD. Основной текст пособия набран шрифтом Times New Roman. Комментарии и дополнения Times New Roman (курсив). В приложении приведены все необходимые справочные материалы.
- ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ
Задание на проект.
Номинальная мощность Рн = 7,5 кВт.
Номинальное напряжение Uн = 220В.
Номинальная частота вращения nн = 1500 об/мин.
Высота оси вращения 
м.
Возбуждение параллельное:
а) без стабилизирующей обмотки;
б) со стабилизирующей обмоткой.
Исполнение по степени защиты IP 22
По способу охлаждения – самовентиляция (IC01).
Режим работы длительный.
Изоляция класса нагревостойкости – В.
Конструкция двигателя должна соответствовать требованиям ГОСТ на установочные и присоединительные размеры. (ГОСТ 13267 – 73), а также общие технические требования на машины электрические (ГОСТ 183 – 74).
За основу конструкции принимается машина постоянного тока серии П или 2П.
|
|
Дополнительные требования: рассчитать и сравнить рабочие характеристики двигателя без стабилизирующей обмотки и со стабилизирующей обмоткой.
1.1 Предварительное значение КПД электродвигателя выбираем по рисунку 1
η=84%.
Значение КПД по рисунку 1, является предварительным и служит для расчета потребляемого тока.
1.2 Ток электродвигателя (предварительное значение).
Рисунок 1 Зависимость КПД от мощности.
1.3 Ток якоря, принимая ток в шунтовой обмотке согласно таблицы 1 Кв=0,025 Iн
Таблица 1 – Значение коэффициентов Кв
| Мощность машины, кВт | До 1 | 1 – 10 | 10 – 100 |
| Кв | 0,2 – 0,08 | 0,1 – 0,025 | 0,035 – 0,02 |
1.4 Электромагнитная мощность
1.5 Диаметр якоря
Принимаем 
(см. таблицу 2).
Таблица 2 – Наружные 
и внутренние 
диаметры магнитопровода якоря с овальными пазами.
| h, мм | 90 | 110 | 112 | 132 | 160 | 180 | 200 |
 , мм
| 90 | 106 | 110 | 132 | 156 | 180 | 202 |
 , мм
| 24 | 28 | 38 | 50 | 55 | 60 | 65 |
1.6 Выбираем линейную нагрузку якоря по рисунку.2
1.7 Индукция в воздушном зазоре по рисунку. 3.
1.8 Расчетный коэффициент полюсной дуги по рисунку. 4
1.9 Расчетная длина якоря
При отсутствии радиальных вентиляционных каналов 
равно полной длине сердечника якоря.
1.10 Отношение длины магнитопровода к его диаметру.
.
Это отношение должно входить в пределы, указанные на рисунке 5. Если оно выходит за указанные пределы, то необходимо изменить линейную нагрузку А и индукцию в воздушном зазоре в пределах указанных на рисунке. 2 и
Рисунок 1 – Зависимость линейной нагрузки от диаметра якоря.
|
|
Рисунок 3. – Зависимость индукции в воздушном зазоре от диаметра якоря.
Рисунок 4 – Зависимость коэффициента полюсной дуги от диаметра якоря.
Рисунок 5 – Зависимость λ от диаметра якоря машин общего назначения. 1 – верхняя граница; 2 – нижняя граница
рисунке 3. Если это не помогает, то можно несколько изменить диаметр якоря. При этом надо иметь в виду, что увеличение диаметра якоря может привести к трудностям с размещением обмотки возбуждения, а уменьшение диаметра якоря уменьшает заполнение межполюсного окна и эффективность использования внутреннего объёма машины. Можно, также, попробовать изменить высоту оси вращения.
1.11 Число полюсов
Как правило, при высоте оси вращения 
2p=2, при 
2р=4
1.12 Полюсное деление
1.13 Расчетная ширина полюсного наконечника
1.14 Действительная ширина полюсного наконечника при эксцентричном зазоре равна расчетной ширине
2. ВЫБОР ОБМОТКИ ЯКОРЯ
2.1 Ток параллельной ветви
2.2 Выбираем простую волновую обмотку с числом параллельных ветвей 
.
При токах якоря до 600 А рекомендуется выбирать простую волновую обмотку, от 500 до 1400 - простую петлевую или лягушечью, свыше 1400 А - двухходовую петлевую или лягушечью. В машинах с высотой оси вращения до 200 мм простая волновая обмотки применяется практически всегда.
2.3 Предварительное число эффективных проводников
2.4 Крайние пределы чисел пазов якоря
где 
максимальное и минимальное значение зубцового деления якоря.
В машинах с высотой оси вращения 
мм рекомендуется принять
2.5 Число пазов якоря
Принимаем
,
тогда зубцовое деление
При выборе числа пазов следует руководствоваться следующими соображениями:
- число пазов должно быть не четное, если 2р=4 – условие выполнимости простой волновой обмотки;
- число проводников в пазу лучше кратное 6.
Проверяем последнее условие (определяем предварительное число пазов)
, 
, 
, 
Из приведенных расчетов внутрь диапазона крайних пределов чисел попадают числа проводников в пазу 25 и 49. В этом случае число пазов должно быть близким к 27,6 или 41,3. Если выбрать 41,3 то могут возникнуть проблемы с минимальной шириной коллекторной пластины и шириной зоны коммутации (см. далее). Поэтому принято .
2.6 Окончательное значение общего числа эффективных проводников в обмотке якоря.
где 
- число проводников в пазу, принято на этапе выбора числа пазов.
2.7 Выбираем паз полузакрытой овальной формы с параллельными сторонами зубца.
Выбор формы паза зависит от высоты вращения.
При 
применяется овальный паз, если 
применяется паз прямоугольной формы.
2.7 Число коллекторных пластин К для различных значений 
, выбираем сравнивая три варианта:
Результаты заносим в таблицу 3.
Таблица 3 – Результаты расчета для выбора числа коллекторных пластин.
| № п/п | 
| 
| 
| 
|
| 30,4 | ||||
| 4,5 | 15,2 | |||
| 10,1 |
Поскольку должно быть не более 15 – 16В, принимаем вариант 3, обеспечивающий обмотку с целым числом витков в секции 
. Тогда число коллекторных пластин 
, число эффективных проводников в пазу 
, число витков в обмотке якоря 
Вариант 2 можно было не проверять. Так как в этом случае 
и получается четное число коллекторных пластин, что не обеспечивает условие выполнимости простой волновой обмотки при 2р=4.
2.8 Уточняем линейную нагрузку
Из – за изменения, по сравнению с принятым предварительно, числа витков, изменится величина магнитного потока, то для сохранения принятой индукции необходимо скорректировать длины якоря.
2.9 Корректируем длину якоря
где 
расчетная длина якоря, предварительно, см. п. 1.9.
Линейная нагрузка, предварительно, см. п. 1.6.
2. 10 Наружный диаметр коллектора
По предпочтительному ряду чисел для диаметра коллектора принимаем
Предпочтительный ряд чисел для диаметра коллектора по ГОСТ 19780 – 74: 56, 63, 71, 80, 90, 100, 112, 125, 140, 160, 180, 200, 224, 250, 280, 315, 355, 400, 450, 500, 560 мм.
2.11 Окружная скорость коллектора
2.12 Коллекторное деление
где 
число коллекторных пластин см. п. 2.7.
Коллекторное деление не должно быть менее 3,5 мм. при высоте оси вращения 
мм, и не менее 3,5 мм – при высоте оси вращения 
мм. Кроме того, сейчас уместно проверить ширину зоны коммутации см. п. 12.1, 12.2.
2.13 Полный ток паза
2.14 Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря
Обычно предварительное значение плотности тока находится в пределах 
2.15 Предварительное сечение эффективного провода
3. РАСЧЕТ ГЕОМЕТРИИ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ
3.1. Принимаем два параллельных проводника марки ПЭТВ по ГОСТ диаметр провода 
м; диаметр изолированного провода 
м; сечение эффективного проводника 
м2.
При выборе круглого проводника следует руководствоваться следующими соображениями:
- суммарное сечение проводников должно быть не менее значения, определенного предварительно, см. п. 2.15.
- диаметр одного голого проводника должен быть не более 
м.
Диаметры и площади сечения круглых проводов приведены в приложении А.
3.2 Сечение полузакрытого паза (за вычетом сечения пазовой изоляции и пазового клина) при предварительно принятом коэффициенте заполнения 
.
3.3 Высота паза (предварительно по рисунку 7)
Рисунок 7 – Зависимость высоты паза от диаметра якоря.
3.4 Высота шлица паза
ширина шлица
Высота шлица принимается равной 0,5 – 0,8 мм.;
ширина шлица должна быть больше суммы диаметра изолированного проводника и двусторонней толщины пазовой изоляции. Толщину пазовой изоляции см. приложение В
3.5 Ширина зубца
,
где 
допустимое значение индукции в стали зубца по табл. 4.
коэффициент заполнения пакета якоря сталью (табл. 5).
Таблица 4 – Значения магнитной индукции в зубцах с овальными пазами.
| Исполнение двигателя | Магнитная индукция  Тл, при частоте перемагничивания Гц.
| |||
| 100 | 75 | 50 | 25 и ниже | |
| IP22, IC01, IC17, IP44 IC37 | 1,65 – 1,85 | 1,75 – 1,95 | 1,85 – 2,05 | 1,9 – 2,1 |
| IP44, IC0141 | 1,4 – 1,6 | 1,5 – 1,7 | 1,55 – 1,75 | 1,6 – 1,8 |
| IP44, IC0041 | 1,3 – 1,5 | 1,3 – 1,6 | 1,5 – 1,7 | 1,55 – 1,75 |
Частоту перемагничивания определите по формуле
Таблица 5 – Значения коэффициента заполнения сталью магнитопровода при различных способах изолировки листов.
| Способ изолировки листов | 
|
| Лакирование | 0,93 – 0, 95 |
| Оксидирование | 0,96 – 0,98 |
3.6 Больший радиус
3.7 Меньший радиус
3.8 Расстояние между центрами радиусов
3.9 Предварительное значение ЭДС
где 
по таблице 6
Таблица 6 – Значение коэффициента 
| Мощность машины, кВт | До 1 | 1 – 10 | 10 – 10 | 100 – 1000 |
| 0,65 – 0,85 | 0,82 – 0,95 | 0,85 – 0,97 | 0,93 – 0,98 |
3.10 Предварительное значение магнитного потока на полюс
где 
число пар параллельных ветвей обмотки.
У простой волновой обмотки 
, у простой петлевой обмотки 
.
Принимаем предварительное значение 
Значение 
принято для упрощения записи расчетов. Можно и оставить 
3.11 Уточняем коэффициент заполнения паза.
3.11.1 Площадь паза в штампе
3.11.2 Площадь сечения пазовой изоляции
где 
односторонняя толщина пазовой изоляции
Толщину пазовой изоляции см. приложение Г
если 
если 
3.11.3 Площадь пазового клина и изоляционной прокладки между слоями обмотки
Принимаем 
3.11.4 Площадь поперечного сечения паза, заполненного обмоткой
3.11.5 Коэффициент заполнения паза
Рекомендуемое значение 
.
Полученное значение свидетельствует о том, что заполнение паза не достаточное. Заполнение паза можно повысить, если изменить размеры паза, или выбрать проводник большего размера. Второй вариант является предпочтительным.
Принимаем два параллельных проводника марки ПЭТВ по ГОСТ диаметр провода 
м; диаметр изолированного провода 
м; сечение проводника 
м2,
сечение эффективного проводника
м2.
Уточняем коэффициент заполнения паза
4. РАСЧЕТ ОБМОТКИ ЯКОРЯ
4.1 Расчет шагов обмотки
4.1.1 Шаг по коллектору и результирующий шаг
4.1.2 Первый частичный шаг
Первый частичный шаг 
должно быть целое число, причем 
тоже должно быть целым. Выполняются эти условия подбором 
.
4.2. Длина лобовой части витка
4.3 Средняя длина витка обмотки якоря
.
4.4 Полная длина проводников обмотки якоря
4.5 Сопротивление обмотки якоря при 
4.6 Сопротивление обмотки якоря при 
4.7 Масса меди обмотки якоря
5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
5.1 Предварительное значение внутреннего диаметра якоря и диаметр вала
При выборе D0 можно воспользоваться данными таблице 2
5.2 Высота спинки якоря
Если в якоре имеются вентиляционные каналы, то высота спинки якоря определить по выражению
где 
диаметр и число рядов вентиляционных каналов.
Обычно магнитопроводы якорей с овальными пазами выполняются без аксиальных каналов, и только при высотах вращения 
и диаметрах якоря свыше 200 мм выполняется один ряд вентиляционных каналов.
5.3 Принимаем для сердечников главных полюсов сталь марки 3411 толщиной 0,5 мм, коэффициент рассеяния 
, длину сердечника 
коэффициент заполнения сталью по таблице 5 
, ширину выступа полюсного наконечника 
.
При 2р=2 
Ширину выступа полюсного наконечника можно принять 
5.4 Ширина сердечника главного полюса
5.5 Индукция в сердечнике
5.6 Сечение станины
Здесь Вс – максимальная допустимая индукция в станине из массивной стали.
5.7 Расчетная длина станины
5.8 Высота станины
5.9 Наружный диаметр станины
5.10 Внутренний диаметр станины
5.11 Высота главного полюса
Здесь 
воздушный зазор принят согласно рисунку 8.
Рисунок 8 – Предварительное определение воздушного зазора по диаметру якоря.
6. РАСЧЕТНЫЕ СЕЧЕНИЯ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
6.1 Сечение воздушного зазора
6.2 Длина стали якоря.
6.3 Сечение зубцов якоря
6.4 Сечение спинки якоря
6.5 Сечение сердечника главного полюса
6.7 Сечение станины (см. п. 5.6)
7 СРЕДНИЕ ДЛИНЫМАГНИТНЫХ ЛИНИЙ
7.1 Воздушный зазор. Согласно рисунка 8 (см. п. 5.11)
7.2 Коэффициент воздушного зазора
7.3 Расчетная длина воздушного зазора
7.4 Зубцы якоря
7.5 Спинка якоря
7.6 Сердечник главного полюса
7.7 Воздушный зазор между главным полюсом и станиной
7.8 Станина
8 ИНДКУЦИИ В РАСЧЕТНЫХ СЕЧЕНИЯХ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
Внимание! Если Вы ведете расчет в среде MathCAD, то начиная с этого места расчет можно вести параллельно для нескольких значений магнитного потока. Как это делается мы, будем показывать параллельно.
8.1 Индукция в воздушном зазоре
В MathCAD.
Задаемся значен6иями магнитного потока
Здесь и далее для удобства размещения матриц применяется их транспонирование.
8.2 Индукция в сечении зубцов якоря
В MathCAD.
8.3 Индукция в спинке якоря
В MathCAD
8.4 Индукция в сердечнике главного полюса
В MathCAD
8.5 Индукция между главным полюсом и станиной
В MathCAD
8.6 Индукция в станине
В MathCAD
9 МАГНИТНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ
9.1 Магнитное напряжение воздушного зазора
В MathCAD
9.2 Магнитное напряжение зубцов якоря.
где 
напряженность магнитного поля в зубцах якоря определяется по приложению Е или К.
Внимание! При индукциях больше 1,8 Тл. напряженность магнитного поля в зубцах необходимо определять с учетом насыщения. Для этого воспользуйтесь кривыми в приложении К
Для определения напряженности магнитного поля с учетом насыщения необходимо определить коэффициент вытеснения потока в заданном сечении
,
где 
ширина паза на высоте х;
ширина зубца на высоте х;
длина воздушного зазора;
длина стали якоря;
коэффициент заполнения пакета сталью.
В случае овального паза ширина зубца остается постоянной
(см. п. 3.5)
Ширина паза зависит от высоты. Она максимальная в верхней части паза и равна 
В нижней части паза 
В средней части 
Если якорь не имеет радиальных вентиляционных каналов, как это бывает в большинстве случаев машин с высотой оси вращения 
, то длина стали равна длине воздушного зазора 
.
Поэтому выражение для расчета коэффициента вытеснения потока упрощается
Для определения напряженности магнитного поля необходимо рассчитать коэффициенты вытеснения потока для трех значений ширины паза 
, соответственно, 
. По этим значениям 
и индукции , пользуясь кривыми приложения К необходимо найти три значения напряженности магнитного поля 
Затем определите расчетную напряженность магнитного поля в зубцах.
Можно несколько упростить задачу определив 
по 
.
В MathCAD
по 
находим по приложению Е или К
9.3 Магнитное напряжение ярма якоря
где 
напряженность магнитного поля в ярме якоря, находим по приложению Е
В MathCAD
по
находим по приложению Е
9.4 Магнитное напряжение сердечника главного полюса
(сталь 3411)
где 
напряженность магнитного поля в сердечнике главного полюса. Определите по приложению Ж
В MathCAD
по 
находим по приложению Ж
9.5 Магнитное напряжение воздушного зазора между главным полюсом и станиной
В MathCAD
9.6 Магнитное напряжение станины (массивная сталь)
где 
напряженность магнитного поля в станине. Определите по приложению И
В MathCAD
по 
находим по приложению И
9.7 Суммарная МДС на полюс
В MathCAD
9.8 МДС переходного слоя
В MathCAD
Если Вы расчеты выполняли не в MathCAD, то аналогичным образом проведите расчет для потоков равных 0,5; 0,75; 0,9; 1,1; 1,15 номинального значения. Результаты расчета сведите в табл. 8. По результатам расчетов постойте характеристику намагничивания и переходную характеристику.
Таблица 8 – Расчет характеристики намагничивания машины.
| № п/п | Расчетная величина | Расчетная формула | Единицы величины | 0,5Фδн | 0,75Фδн | 0,9Фδн | 1,0Фδн | 1,1Фδн | 1,15Фδн |
| ЭДС | Е | В | 104,1 | 156,5 | 187,5 | 208,3 | |||
 2
| Магнитный поток | 
| Вб | 0,4 х 10-2 | 0,6 х 10-2 | 0,72 х 10-2 | 0,8 х 10-2 | 0,88 х 10-2 | 0,92 х 10-2 |
| Магнитная индукция в воздушном зазоре | 
| Тл | 0,326 | 0,488 | 0,586 | 0,652 | 0,716 | 0,75 | |
| Магнитное напряжение воздушного зазора | 
| А | |||||||
| Магнитная индукция в зубцах якоря* |  
| Тл | 0,86 | 1,29 | 1,55 | 1,72 | 1,89 | 1,98 |
Продолжение таблицы. 8