Расчет микродвигателя постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru

Курсовая работа

по дисциплине "Электрические машины "

на тему «Расчет микродвигателя постоянного тока»



Содержание

Введение

1. Задание на расчет.

2. Основные размеры электродвигателя.

3. Обмотка якоря.

4. Размеры зубцов, пазов, проводов и электрические параметры якоря.

5. Коллектор, щеткодержатели и щетки.

6. Магнитная система электродвигателя.

7. Расчет обмотки возбуждения.

8. Мощность потерь и коэффициент полезного действия.

9. Рабочие характеристики электродвигателя.

10.Упрощенный тепловой расчет.

11. Поперечное сечение рассчитанного электродвигателя

Заключение

Список литературы



Введение

Электрический аппарат - это электротехническое устройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии.

Электрические аппараты служат для коммутации, сигнализации и защиты электрических сетей и электроприемников, а также управления электротехническими и технологическими установками и находят исключительно широкое применение в различных областях народного хозяйства: в электроэнергетике, в промышленности и транспорте, в аэрокосмических системах и оборонных отраслях, в телекоммуникациях, в коммунальном хозяйстве, в бытовой технике и т. д. При этом в каждой из областей диапазон используемой номенклатуры аппаратов очень широкий. Можно определенно сказать, что не существует области, связанной с использованием электрической энергии, где бы не применялись электрические аппараты.

Помимо знания конструкции и принципа работы электрических аппаратов, необходимо уметь выбрать аппаратуру для конкретной схемы электрической установки; в практике электромонтера этот вопрос имеет большую значимость.



1. Задание на расчет

1) Исходные данные:

мощность на валу P₂ = 50 Вт;

напряжение сети U = 110 В;

частота вращения n = 4000 об/мин;

возбуждение - параллельное;

режим работы - продолжительный;

исполнение - закрытое;

температура окружающего воздуха - ? ₀ = 20 ?С.

2. Основные размеры электродвигателя

Расчетная или внутренняя электромагнитная мощность машины

Вт,

где по кривой рис. 2.2.1 для Р₂ = 50 Вт принято ? = 0,53.

Ток якоря электродвигателя при параллельном возбуждении

А

где ток возбуждения

А

Э.Д.С. якоря электродвигателя

В

Машинная постоянная

,

где принято ? = (0,6?0,70)=0,6 и по кривым рис. 2.2.2. для

В_? = 0,33 Тл; AS = 76·10² А/м

Примем предварительно

Диаметр расточки полюсов и расчетная длина пакета якоря будут

м

м

Окончательный диаметр якоря

м,

где принято ? = (0,2?0,4)·10^-3 = 0,3·10^-3

Окружная скорость якоря

м/сек

Полюсный шаг и расчетная полюсная дуга

м

м,

где 2р = 2

Приближенно длина воздушного зазора

м

Действительная полюсная дуга

м

Частота перемагничивания стали якоря

Гц.

3. Обмотка якоря

Вылет лобовой части обмотки по оси вала

м

Полезный поток полюса при нагрузке машины

Вб

Число проводников обмотки якоря

,

где а = 1

Число пазов якоря

Число коллекторных пластин

Число витков в секции обмотки якоря

Число проводников в пазу якоря

Шаги петлевой обмотки якоря по элементарным пазам и коллектору

_;

Рис. 1 Схема петлевой якорной обмотки

Линейная нагрузка якоря

А/м

Результат отличается не больше 5 % от ранее выбранного 7600 А/м.

4. Размеры зубцов, пазов, проводов и электрические параметры якоря

При напряжении машины 110 В для обмотки якорей электродвигателей постоянного тока малой мощности подходят провода марок ПЭЛШО и ПЭЛШКО. электродвигатель постоянный ток якорь

Удельная тепловая загрузка наружной цилиндрической поверхности пакета якоря

Вт/м²

В случае закрытого исполнения машины без вентилятора

Вт/м² при .

Допустимая плотность тока в обмотке якоря при 2р=2 и n до 5000 об/мин:

А/м²

Момент на валу электродвигателя

Н·м

Предварительное сечение провода обмотки якоря

м²

Окончательное сечение и диаметр провода:

м²

м

м

Окончательная плотность тока в проводнике обмотки якоря

А/м²

Площадь паза, занимаемая изолированными проводниками

м²,

где принято

Площадь паза, занимаемая пазовой изоляцией

м²,

где толщина пазовой изоляции принята м при напряжении 110 В, периметр паза

м

Площадь паза, занимаемая клином

м²,

где принято:

ширина клина

м

высота клина

м

Общая требуемая площадь паза

м²

Коэффициент заполнения паза изолированным проводом

,

где площадь поперечного сечения провода с изоляцией

м²

Высота сердечника якоря

м

Диаметр вала

м

Ширина прорези паза

м

Высота коронки и зубцовый шаг якоря

м

м

Диаметр паза якоря

м

Размеры зубца

м

При трапецеидальном пазе ширина зубца получается большей, поэтому выбираем трапецеидальный паз и далее расчеты ведем для него.

Для трапецеидального паза:

Ширина зубца якоря

м > 1 мм,

где Тл

Размеры паза

м

м

м

Высота паза

м

Проверка максимальной индукции в минимальном сечении зубца

для трапецеидального паза

Тл

Средняя длина проводника обмотки якоря при 2р = 2

м

Сопротивление обмотки якоря в нагретом состоянии при расчетной температуре ? =75 ?С.

Ом

Падение напряжения в обмотке якоря при полной нагрузке

В

Результат составляет примерно 10?20 % от номинального напряжения U = 6 В.

5. Коллектор, щеткодержатели и щетки

Толщина тела коллектора

м

Предварительный диаметр коллектора

м

Коллекторное деление

м

Ширина коллекторных пластин

м

Толщина изоляции

т. к. U = 110 В

м

Окончательно коллекторное деление

м

Окончательно диаметр коллектора

м

Окружная скорость коллектора

м/с

В нашем случае окружная скорость коллектора составляет 0,8 от величины окружной скорости якоря м/с

Так как U = 110 В выбираем меднографитные щетки марки МГ-4:

Допустимая плотность тока

А/м²

Переходное падение напряжения на пару щеток при номинальном токе и окружной скорости 15 м/с

В

Коэффициент трения при V = 15 м/с

Удельное нажатие

Н/м²

Площадь сечения щетки

м²

Ширина щетки по дуге окружности коллектора

м

Длина щетки по оси коллектора

м

Высота щетки

м

Уточненные по таблице 2.5.2. размеры: щетка прямоугольная для радиальных щеткодержателей со спиральной пружиной Ф8-А1

м

м

м

Окончательная плотность тока под щетками

А/м²

Активная длина коллектора по оси вала

м

Полная длина коллектора по оси вала

м

Ширина коммутационной зоны

м,

где - число секционных сторон в одном слое паза;

м

м

В нашем случае условие благоприятной коммутации выполняется:

Удельная магнитная проводимость для потоков рассеяния секции обмотки

где длина лобовой части проводника якорной обмотки для 2р = 2

м

Среднее значение реактивной Э.Д.С. в короткозамкнутой секции якоря

В

Э.Д.С. реакции якоря:

где средняя длина силовой линии поперечного потока реакции якоря в междуполюсном пространстве машины

м

Среднее значение результирующей Э.Д.С. в короткозамкнутой секции якоря

В

Условие благоприятной коммутации выполняется:

В

6. Магнитная система электродвигателя

Высота сердечника якоря

м

Проверка индукции в сердечнике якоря

Тл

Осевая длина полюса

м

Высота сердечника полюса машин малой мощности

м

Поперечное сечение сердечника

м²,

где ? = (1,08?1,12) ? 1,1 - коэффициент магнитного рассеяния для машин малой мощности;

В_ПЛ = (1?1,5) ? 1,25 Тл - магнитная индукция в сердечнике полюса

Ширина сердечника полюса

м,

где К₂ = 0,93 - коэффициент заполнения сечения полюса сталью при шихтованных полюсах.

Поперечное сечение станины

м²

где В_с = (1?1,4) ? 1,2 Тл - магнитная индукция в станине в машинах для продолжительного режима работы;

Осевая длина станины с отъемными полюсами

м

Высота станины

м

Средние длины путей магнитного потока в каждом участке магнитной системы:

а) длина станины

б) длина сердечников полюсов

м

в) длина воздушного зазора

м

г) длина зубцов якоря

м

д) длина сердечника якоря

м

Коэффициент воздушного зазора

М.д.с. для воздушного зазора

А

Магнитная индукция и м.д.с. в зубце

Тл

А,

где напряженность магнитного поля в зубце - определяется по кривым для найденного В_з

Магнитная индукция в сердечнике якоря

Тл

М.д.с. для сердечника якоря

А

где - определяется по кривым для найденного В_а

Магнитная индукция в сердечнике полюса

Тл

М.д.с. для сердечников шихтованных полюсов

А

где - определяется по кривым для найденного В_пл

Магнитная индукция в сплошной станине

Тл

К₂ = 1,0 - для сплошной станины.

М.д.с. для станины

А

где - удельная м.д.с определяется по кривым для найденного В_с

Магнитная индукция в зазоре стыка

Тл

М.д.с. для воздушного зазора в стыке между станиной и отъемными полюсами

А

где длина эквивалентного воздушного зазора в месте стыка при шлифованных поверхностях соприкосновения станины и полюса

м



Таблица 2. Расчет кривой намагничивания машины

Величины	ЭДС холостого хода, В
	0,5Е	0,8Е	Е	1,15Е	1,3Е	1,5Е	1,7Е	2 Е
Ф Вб	0,2016· 10-3	0,323· 10-3	0,4033 10-3	0,464· 10-3	0,524· 10-3	0,605· 10-3	0,686·10-3	0,8·10-3
Тл	0,165	0,264	0,33	0,38	0,43	0,5	0,56	0,66
Вз Тл	0,65	1,04	1,3	1,495	1,69	1,95	2,21	2,6
Вa Тл	0,321	0,51	0,642	0,738	0,835	0,963	1,09	1,284
ВПЛ Тл	0,611	0,978	1,223	1,4	1,59	1,83	2,08	2,446
Вс Тл	0,58	0,928	1,16	1,334	1,5	1,74	1,97	2,32
Вс? Тл	0,611	0,978	1,223	1,4	1,59	1,83	2,08	2,446
А	132,01	211,2	264,02	303,6	343,2	396,03	448,8	528,04
Hз А/м	1,5·102	3,45·102	9,5·102	25·102	78·102	-	-	-
А	5,1	11,73	32,3	85	265,2	-	-	-
Hа А/м	0,75·102	0,95·102	1,3·102	1,4·102	1,75·102	2,35·102	-	-
А	3,53	4,47	6	6,6	8,24	11,07	-	-
Hпл А/м	1,2·102	2,55·102	8·102	13·102	44·102	-	-	-
А	4,2	8,92	28	45,5	154	-	-	-
Hс А/м	1,1·102	2,2·102	7·102	10·102	26·102	-	-	-
А	14,85	29,7	94,5	135	351	-	-	-
А	36,2	57,9	72,4	83,26	96,2	108,6	123	144,8
А	195,9	323,92	497,22	658,96	1217,8	-	-	-
А	68,5	111,46	148,16	194,3	304,2	-	-	-

А

Общая м.д.с. возбуждения на пару полюсов для ЭДС Е:

Построим кривую намагничивания:

Рис. 2. Кривая намагничивания

Поперечная м.д.с. якоря AW_q определяется из переходной характеристики , построенной по данным табл. 2.:

Рис. 2.2 Переходная характеристика

Откуда

А

Продольная составляющая м.д.с. якоря

А

где м

Ток одной параллельной ветви

А

Ток одной щетки

A

Средняя эквивалентная индуктивность секции якоря

Гн

с

Ом

Продольная коммутационная м.д.с. якоря

А

Суммарная м.д.с. реакции якоря электродвигателя

А

Полная м.д.с. возбуждения машины при нагрузке на пару полюсов

А

7. Расчет обмотки возбуждения

Предварительно средняя длина витка катушки возбуждения при С_к =0

м

Сечение провода обмотки возбуждения

м²

Ближайшие большие сечение и диаметр провода обмотки возбуждения:

м²

м

м

Плотность тока в проводнике обмотки возбуждения

А/м²

Число витков обмотки возбуждения, приходящихся на один полюс

Высота полюсного наконечника

м

Высота катушки

м

Число проводников по высоте катушки

,

где толщина изоляции катушки возбуждения на две стороны м

Число проводников по ширине катушки

Ширина катушки

м

Средняя длина витка катушки возбуждения с учетом С_к

м

Окончательное сечение провода обмотки возбуждения

м²

Ближайшие большие сечение и диаметр провода обмотки возбуждения:

м²

м

м

Окончательная плотность тока в проводнике обмотки возбуждения

А/м²

Сопротивление обмотки возбуждения в нагретом состоянии при расчетной температуре

Ом

Ток возбуждения

А

В начале расчета А.

Проверка величины э.д.с. якоря при нагрузке

В,

Что незначительно отличается от ранее рассчитанного Е = 88,86 В.

8. Мощность потерь и коэффициент полезного действия

Потери в меди обмотки якоря

Вт

Потери в меди параллельной обмотки возбуждения

Вт

Переходные потери в контактах щеток и коллекторе

Вт

Масса стали сердечника якоря

кг

Масса стали зубцов якоря

кг

Потери на гистерезис и вихревые токи в стали сердечника якоря

Вт

Потери на гистерезис и вихревые токи в стали зубцов якоря

Вт

Удельные потери в стали

Вт/кг

Вт/кг

Полные магнитные потери на гистерезис и вихревые токи в стали якоря

Вт

Потери на трение щеток о коллектор

Вт

Общая площадь прилегания к коллектору всех щеток

м²

Потери на трение в подшипниках

Вт

Масса якоря

где кг/м³ - средняя объемная масса якоря и коллектора

Потери на трение якоря о воздух

Вт

Полные механические потери в машине

Вт

Общие потери в машине при полной нагрузке

Вт

где учитывает добавочные потери в машине.

Коэффициент полезного действия при номинальной нагрузке машины

,

где I=I_a+I_в =(0,729 +0,129)=0,858 А - потребляемый ток в номинальном режиме.

Результат не сильно отличается от ранее выбранного .

9. Рабочие характеристики электродвигателя

Результаты расчета рабочих характеристик приведены в таблице 3.

Таблица 3. Расчет рабочих характеристик

Величины	Потребляемый двигателем ток из сети, А
	0,5I	0,8I	I	1,2I
IB, A	0,129	0,129	0,129	0,129
I, A	0,4935	0,7122	0,858	1,004
Ia = I-IB, A	0,3645	0,5832	0,729	0,8748
?Ua = Ia•ra, B	0,69	1,107	1,38	1,66
?Uщ, B	1,75	2	2,5	3
?U = ?Ua+?Uщ, B	2,44	3,107	3,88	4,66
E = U - ?U, B	107,56	106,893	106,12	105,34
AW'B = IB•2WB, A	528,477	528,477	528,477	528,477
AWR, A	15,63	25	31,257	37,5
AW'p = AW'B - AWR , A	512,85	503,477	497,22	491
Ф, Вб	0,4063·10-3	0,4053·10-3	0,4033·10-3	0,4023·10-3
, об/мин	4813	4795	4784	4761
Рм.а= Ia2•ra, Вт	0,2521	0,645	1	1,45
Рм.в= U•Iв, Вт	14,19	14,19	14,19	14,19
Рщ.к= ?Uщ•Ia, Вт	0,638	1,16	1,82	2,62
Р1=U•I, Вт	54,28	78,34	94,4	110,44
Ва, Тл	0,321	0,51	0,642	0,77
Рса, Вт	0,085	0,145	0,171	0,1894
Вз, Тл	0,65	1,04	1,3	1,56
Рс.з, Вт	1,03	1,63	2,06	2,261
Рс, Вт	1,115	1,852	2,231	2,457
Ртр.щ, Вт	0,082	0,138	0,164	0,193
Ртр.п, Вт	1,96	1,84	1,736	1,48
Ртр.в, Вт	0,208	0,369	0,416	0,505
Рмх, Вт	1,158	1,85	2,316	2,78
, Вт	16,9	19,98	21,65	23,565
P2 = P1 - ?P , Вт	37,38	58,36	72,75	86,87
	0,69	0,745	0,77	0,787
, H·м	0,074	0,116	0,145	0,174

По данным расчета построим рабочие характеристики двигателя:

Рис.3. Рабочие характеристики

10. Упрощенный тепловой расчет

Полные потери в активном слое якоря

Вт

Поверхность охлаждения активного слоя якоря

м²

Среднее превышение температуры якоря над окружающей средой при установившемся режиме

?С

Окружная частота вращения якоря

м/с

Превышение температуры коллектора. Полные потери на коллекторе

Вт

Поверхность охлаждения коллектора

м²

Среднее превышение температуры коллектора над окружающей средой при установившемся режиме

?С

Потери в одной катушке обмотки возбуждения

Вт

Поверхность охлаждения одной катушки обмотки возбуждения при станине с отъемными полюсами

Среднее превышение температуры обмотки возбуждения над окружающей средой при установившемся режиме

?С , где принято

.

11. Поперечное сечение рассчитанного электродвигателя

Поперечное сечение рассчитанного двигателя показано на рис. 4; рассчитанные размеры приведены в таблице 4.

Таблица 4 Рассчитанные размеры электродвигателя в м.

Диаметр якоря, Da	50·10-3
Диаметр вала, dвл	10·10-3
Длина воздушного зазора, ?	0,455·10-3
Ширина сердечника полюса, bПЛ	15·10-3
Высота сердечника полюса, hПЛ	17,5·10-3
Высота полюсного наконечника, hПЛН	3,34·10-3
Высота катушки, hк	14,16·10-3
Ширина катушки Ск	6,45·10-3
Высота станины, hс	3,011·10-3
Размеры паза: Большая ширина паза bП1 Меньшая ширина паза bП2	5,434·10-3 0,5738·10-3
Ширина зубца якоря Zmin	2,521·10-3
Высота паза, hП	17·10-3
Ширина прорези паза аП	1,245·10-3
Высота коронки, h'к	0,75·10-3
Ширина клина, bКЛ	4·10-3
Высота клина, hКЛ	0,7·10-3
Толщина пазовой изоляции ?И	0,4·10-3
Толщина изоляции катушки ?ИК	1,5·10-3

Рис. 4 Поперечное сечение электродвигателя



Заключение

В данной курсовой работе рассчитан микродвигатель постоянного тока. В ней произведены расчеты основных размеров машины и электрических параметров, а также построены графики основных характеристик электромашины.

В результате расчета при мощности Р₂ = 50 Вт получены:

Частота вращения якоря n =4700 об/мин, потребляемый ток I =0,86 А, ?=0,77, момент на валу M₂=0,145Нм. Температура нагрева обмоток якоря и возбуждения, а также коллектора не превышают допустимых значений.



Список литературы

1. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности. М., В.Ш., 2007

2. Прохоров С.Г., Хуснутдинов Р.А. Электрические машины. Казань, Издательство КГТУ, 2012

3. Хуснутдинов Р.А. , Шарафиева А.Р. Расчет электродвигателей малой мощности. Казань, Издательство КГТУ, 2009.

Размещено на Allbest.ru