Электродвигатель отопителя автомобиля Lada Vesta

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Московский Государственный Машиностроительный

Университет (МАМИ) /Университет Машиностроения/

Кафедра «Автомобильная электроника»

Дипломная работа

Электродвигатель отопителя автомобиля Lada Vesta

Москва 2016 г.



Техническое задание

1. Исходные данные по проектированию:

электродвигателя отопителя автомобиля LADA VESTA:

Модель автомобиля: LADA VESTA

Тип электродвигателя: коллекторный

Номинальная мощность -- 60 Вт

Номинальная частота вращения -- 2500 об/мин

Номинальное напряжение питания -- 12 В

Минимальное напряжение питания -- 11 В

Максимальное напряжение питания -- 14,3 В

Режим работы -- продолжительный

Исполнение -- закрытое

2 Вид и размеры производства:

Серийный -- выпуск 50 000 штук в год

Содержание проекта

Расчётно-пояснительная записка

1 Конструкторская часть:

Обзор патентной и технической литературы

Обоснование применённого типа двигателя

Расчёт основных параметров электродвигателя

Расчёт основных характеристик электродвигателя

2 Технологическая часть:

Выбор и обоснование технологического процесса изготовления якоря электродвигателя

Разработка маршрутной технологии изготовления листов железа якоря

3 Организационно-экономическая часть:

Организация ОКР проектируемого изделия

Анализ работ, выполняемых при ОКР

Расчёт себестоимости проектируемого электродвигателя

4 Экология и БЖД:

Разработка документов по охране труда

Расчёт вентиляции цеха изготовления электродвигателя



Введение

Электродвигатели постоянного тока обширно используются во всех отраслях промышленности. Их значительное распространение объясняется преимуществом характеристик: высокий пусковой и перегрузочный момент, высокое быстродействие, большой диапазон плавного регулирования вращения частоты.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока (ДПТ) классифицируются на двигатели с магнитоэлектрическим возбуждением (с возбуждением от постоянных магнитов) и с электромагнитным возбуждением. Первый тип двигателей наиболее перспективен вследствие малой инерционности. К их преимуществам также относят высокий КПД, стабильность магнитного потока возбуждения при температурном изменении окружающей среды, высокую надежность и технологичность конструкции индуктора. Требуемое регулирование частоты вращения якоря двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов совершается изменением напряжения питания, тем временем поток возбуждения остается постоянным при различных частотах вращения, что формирует благоприятные условия для коммутации и устойчивой работы.

Актуальность выбранной темы обусловлена значимостью системы отопления в машине. Задача автомобильного отопителя не только в поддержания тепла в салоне автомобиля. Он крайне необходим для того, чтобы стекла машины не запотевали. Опасность этого явления заключается в сильном снижении уровня обзорности, приводящего к ухудшению контролирования дорожной обстановки со стороны водителя, что напрямую воздействует на безопасность движения. Возникновение такого рода проблемы появляется не только в зимнее время года, но и осенью, и весной.

К ужесточению конкуренции на мировом рынке автомобилестроения привело к дальнейшему повышению уровня комфортности и безопасности водителя н пассажиров в салоне автомобиля, в частности объединенное с эффективностью функционирования систем отопления и вентиляции.

В настоящее время применяемые методики для расчёта и проектирования системы отопления опираются на интегральные методы, которые позволяют устанавливать только лишь осредненные параметры потока. Преобладающая роль в проектировании этих систем отводится исследованиям, полученным экспериментально, а также испытаниям дорожным и климатическим.

Необходимо заметить, что конкурируя, зарубежные производители с целью избегания обесценивание своих результатов, не обнародуют методики и конкретные расчёты технологии проектирования системы отопления.
В работе рассматривается одна из возможных и перспективных технологий разработки электродвигателя повышенной мощности, на примере легкового автомобиля LADAVESTA.

Предмет исследования данного проекта является двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, использующийся для привода крыльчатки вентилятора отопителя. От его надёжности и производительности в высокой степени зависит комфорт и здоровье водителя и пассажиров.

Целью дипломного проекта является разработка электродвигателя повышенной мощности для обеспечения достаточной производительности системы отопления в зимний период, что также позволяет ускорить прогрев салона и уменьшить необходимое время работы двигателя, а, значит, и расход топлива.

Согласно заданной цели требуется решить следующие задачи:

1. Рассчитать основные параметры и характеристики электродвигателя;

2. Выбрать и обосновать технологический процесс изготовления якоря электродвигателя;

3. Разработать маршрутную технологию изготовления листов железа якоря;

4. Организовать ОКР проектируемого изделия;

5. Сделать анализ работ, выполняемых при ОКР;

6. Рассчитать себестоимость проектируемого электродвигателя.



1. Конструкторская часть

1.1 Технические характеристики автомобиля LADA VESTA

Платформа: Lada B

Компоновка: переднемоторная, переднеприводная

Колёсная формула: 4?2

Двигатели

· ВАЗ-21129 (106 л.с.)

· ВАЗ-21179 (122 л.с.)

· HR16DE (110 л.с.)

Трансмиссия

· механическая пятиступенчатая (JH3 и ВАЗ 2180)

· роботизированная пятиступенчатая (ВАЗ 21827)

Массово-габаритные характеристики

Длина: 4410 мм

Ширина: 1764 мм

Высота: 1497 мм

Колёсная база: 2635 мм

Колея задняя: 1510 мм

Колея передняя: 1510 мм

Полная масса: 1653 кг (снаряженная: 1230-1270 кг)

1.2 Анализ существующих систем отопления

Система отопления представляет собой особенно успешное инженерное решение проблемы поддержания необходимого режима температуры. Современный отопитель салона -- это следствие длительной эволюции.

Конец 19 века был отмечен выпуском машин без закрытого кузова, отчего печка в них не приносила никакой пользы. Так как охлаждение двигателя, как правило, было термосифонным или воздушным, при помощи него отапливать направленно салон было трудно. Наиболее комфортные закрытые кузова отапливались по каретному, самостоятельной небольшой печью или безопасными горячими камнями, либо иными предварительно прогреваемыми объектами. Сами кузова нередко изготавливались из дерева и были достаточно утепленными.

А вот на электромобилях попадалась любопытная функция-подогрев рулевого колеса. Тем не менее, согревать одного водителя было чрезмерно убыточно, отчего в ту пору самым верным его другом в прохладное время года были попоны, покрывающие одновременно салон и нескольких человек, или специальная одежда.

Фактически автомобильное отопление возникло довольно рано. Журнал Motor в 1907 году сделал отличное предложение-- устройство, которое подает в салон автомобиля, нагретый выхлопной системой воздух. Большое количество фирм предлагало аналогичного рода устройства.

Они имели несложную конструкцию: в теплообменник-радиатор в салоне отводилась часть горячих газов. В случае если обогрев не был необходим, тогда попросту запирали клапан подачи газов. На пол автомобиля помещали сам теплообменник. Безусловно, стандартная комплектация не включала в себя таковые устройства, однако установить его было можно на каждый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания.

Подобным образом отапливался, к примеру, FordA 1929 года. Отопитель разрабатывался специально для этой модели и включал: гибкие трубы и теплообменник на выпускном коллекторе мотора. Кроме того для отопления салона устанавливали вспомогательный вентилятор и радиатор для его обдува. В первый раз данную систему отопления использовали на автомобилях General Motors. Эта схема отопления постепенно разошлась по всему миру.

С годами эта система получила широкую популярность во всех уголках земли. Автомобилисты, проживающие в Советском союзе, чтобы не замерзнуть, проделывали специальные отверстия в особо размещенной перегородке, которая находилась между кабиной и моторным отсеком. Благодаря этому ,в периоды сильных морозов, они могли «выжить». В современном мире автомобили обогреваются при помощи охлаждающей жидкости, предназначенной для двигателя внутреннего сгорания.

Система отопления автомобиля подверглась внушительным изменениям, в нынешнее время используются следующие её виды:

1) Системы с использованием тепла двигателя:

а) от системы охлаждения двигателя;

б) от системы выпуска отработавших газов.

2) Системы с собственным источником тепла:

а) не зависимые от двигателя;

б) зависимые от двигателя.

3) Комбинированные системы.

В отопительных системах с использованием тепла от двигателя, охлаждаемого жидкостью, возможна передача тепла в кузов от радиатора отопления с применением труб, в которых нагретая жидкость или ею нагретый воздух подается в кузов автомобиля. Воздух -это теплоноситель при воздушном охлаждении двигателя. В отопительных системах с использованием тепла отработавших газов тепло поступает в кузов по трубам от воздушной или водяной рубашки, охватывающей одну из нагретых частей системы выпуска отработавших газов. Отопительные системы с собственным источником тепла бывают воздушными или жидкостными.

В наибольшей степени распространены устройства отопления, где тепловой источник- это система жидкостного охлаждения двигателя. Такие устройства являются результативными и несложными, к тому же исключают передачу отработавших газов, гари или малоприятных запахов в кузов из-под капота. Система отопления от отработавших газов, использующаяся на машинах с воздушным охлаждением двигателя, в силу свойственных ей недостатков (высокой зависимости от реализуемой мощности двигателя, незначительной теплоемкости, большого шума в сравнении с жидкостной системой отопления) рассматриваться не станет.

Рассмотренная выше классификация отопительных систем разделяет их по тепловым источникам, однако, отопительные системы с источником тепла от жидкостной системы отопления обладают разными типами конструкций систем отопления и управления ею.

У любого автомобиля с жидкостным охлаждением двигателя отопительная система, по меньшей мере, складывается из радиатора отопителя, шлангов подвода и отвода жидкости, крана, который перекрывает ее поток, и (или) заслонки, которая регулирует поступание воздуха снаружи к радиатору, электровентилятора и воздуховодов (рисунок 1.1).

Ниже разбираются стандартные отопительные системы, схемы управления ими и их свойства.

Любая отопительная система включает в себя корпус с воздуховодами и воздухораспределительными каналами; теплообменник с вентилятором; органы управления температурой, притоком и распределением воздуха.

автомобиль якорь электродвигатель сборка



Рисунок 1.1 - принципиальная схема простейшего отопителя салона автомобиля: 1 - кран; 2 - подводящий шланг; 3 - дефлектор забора наружного воздуха; 4 - радиатор; 5 - система распределения воздуха; 6 -- заслонка;7 - электровентилятор; 8 - отводящий шланг; 9 - жидкостная система охлаждения двигателя

Результатом прироста скоростного напора и работы вентилятора служит поступление воздуха, увеличивающегося в большей мере, нежели скорость движения. Поступление воздуха можно относительно легко регулировать при помощи заслонки воздухопритока, всегда имеющейся (заслонка необходима для того, чтобы избежать проникновения при транспортном заторе токсичных обработавших газов). Это становится возможным только тогда, когда управление заслонкой воздухопритока не находится в зависимости от иных регулировок, помимо включения вентилятора. Для обеспечения летом поступления наибольшего количества воздуха в салон, добавочно предусматривают крышку воздухопритока, которая управляется вручную. Можно получить подачу воздуха соответствующим проектированием систем воздухопритока, который нарастает по сравнению со скоростью медленнее. С целью отделения крупных частиц пыли и влаги во впускном канале, необходимо учитывать резкий разворот воздушного потока.

Микроклимат в салоне автомобиля характеризуют следующие условия:

* подача чистого воздуха, в основном для поддержания необходимого количества кислорода в салоне;

* скорость перемещения и распределения воздуха;

* температура в салоне;

* относительная влажность воздуха;

* загрязненность воздуха (запыленность, неприятный запах, отработавшие газы);

* температура стенок салона.

Регулирование температуры воздуха внутри салона способно реализовываться тремя способами:

1) регулировкой количества нагретой охлаждающей жидкости, поступающей в радиатор отопителя (жидкостная регулировка);

2) смешиванием свежего воздуха с горячим, который прошёл через теплообменник (регулировка воздушная);

3) комбинированием первого и второго способов (регулировка смешанная).

Регулировку воздуха, который поступает в салон автомобиля допустимо объединять с работой вентилятора. Сам вентилятор может работать в двух-трех режимах.

При городском движение, когда автомобиля движется с маленькой скорость, это преимущественно необходимо. Весь скоростной диапазон автомобиля сопровождается эффективной работой вентиляционной системы в жаркую погоду с помощью такого вентилятора. В отопительных и вентиляционных системах могут применяться осевые вентиляторы, имеющие малые габаритные размеры и невысокую цену, к тому же радиальные вентиляторы, обладающие наиболее высокими показателями по расходу, когда количество воздуха, который поступает в салон автомобиля, слабее зависит от скоростного напора.

Основные характеристики радиального вентилятора- большой размер и малошумность. Установление вентилятора осуществляется предпочтительно в воздушном потоке перед теплообменником таким способом, чтобы летом свежий воздух, который прошел через теплообменник, напрямую подавался в салон. Все типы регулировки обладают своими особенностями, преимуществами и недостатками. Регулировка, осуществляемая объемом нагретой охлаждающей жидкости, поступающей в теплообменник (жидкостная), позволяет регулировать температуру при помощи специального крана, который изменяет количество воды, поступающей в теплообменник. Линейную зависимость между регулировочным ходом органов управления и температурой выходящего горячего воздуха получить крайне сложно, так как для получения небольшой производительности отопителя через радиатор должно пройти предельно малое количество воды. Проценту максимально возможного потока воды, равному 2...3 %,соответствует 50 процентов производительности отопительной системы. Помимо этого, запорный клапан обязан иметь герметичное уплотнение и несложно открываться после продолжительного перерыва.

Существует краны двух типов:

мембранный;

поршневой.

Требуемая температура воздуха устанавливается с большим опозданием после поворота крана, оттого что сначала обязана прогреться или охладиться охлаждающая жидкость, которая находится в отопительной системе. Это является недостатком водяной регулировки. Производительность отопительной системы, даже когда кран открыт, в высокий степени зависит от количества поступающего воздуха и циркулирующей воды. Невзирая на это, регулировку этого типа на основании ее незамысловатости зачастую используют на недорогих автомобилях (рис. 1.2). Методом разделения теплообменника на некоторое количество самостоятельных блоков, которые регулируются краном по отдельности, допускается устранить ключевой недостаток водяной регулировки - сложность регулировки.

Регулировка путем смешивания горячего воздуха с холодным (воздушная) требует крупные конструктивные затраты.

Также воздушная регулировка нуждается в большем пространстве для размещения дополнительных заслонок и каналов. Непросто реализовать равномерное смешивание холодного воздуха с горячим, следовательно, необходимо свыкнуться с некоторым расслоением потоков, то есть с тем, что холодный воздух начнет подниматься вверх, как это бывает в некоторых системах. Поскольку поток воды в этих системах не регулируется, при жаркой погоде он значительно зависит от герметичности управляющей заслонки, вследствие этого, хотя бы для летней эксплуатации автомобиля следует предусматривать возможность отключения нагретой охлаждающей жидкости в целях избежать нагрева свежего воздуха. Достоинствами описываемого типа регулировки считаются: быстрая реакция на регулировочные воздействия; независимость от поступления воздуха (скорости движения); возможность точной регулировки температуры; при этом кран регулировки поступления воды может отсутствовать.

Смешанная регулировка считается видоизменением обозначенных выше способов регулировки. Её отличие - управление температурой может происходить через регулировку количества нагретой охлаждающей жидкости, которая поступает в теплообменник, так и через смешивание холодного воздуха с горячим. В конечном результате менее значительным становится управление водяным краном, способности регулировки и реакция системы улучшаются. Механически связанными могут быть управление водяным краном и смесительной заслонкой. Канал для поступления свежего воздуха в такой конструкции может быть малым, поскольку часть воздуха проходит через управляемый теплообменник. Вследствие этого для размещения таковой системы потребуется меньше места. Грандиозными преимуществами обладает смешанное регулирование, на основании чего исключительно его, в наше время, чаще всего применяют на автотранспортных средствах среднего класса.

Конструкция современного отопителя состоит из радиатора, патрубков для циркуляции охлаждающей жидкости, нескольких воздуховодов и заслонок, вентилятора и регулятора потока жидкости.

Радиатор отопителя располагается за передней панелью. Охлаждающая жидкость поступает по двум трубкам, присоединенным к радиатору. Она циркулирует благодаря помпе не только по отопительной системе автомобиля, но и по системе охлаждения двигателя. В момент нагрева двигателя совершается теплообмен. Охлаждая двигатель, антифриз забирает от него тепло. Затем попадает в радиатор печки уже в нагретом состоянии.

Вентилятор печки прогоняет холодный воздух через радиатор, пока он нагревается. Вновь осуществляется теплообмен: воздух охлаждает радиатор, который отдает ему тепло. В салон автомобиля начинает дуть теплый воздух, тогда как охлажденный тосол вновь оказывается внутри двигателя, охлаждая его. Наиболее эффективной и распространенной считается именно такая система отопления.

Ремонт отопительной системы не предполагает собой сложный процесс. Достаточно очищать части системы от загрязнений во время её разборки. Но иногда возникают сложности, требующие более основательного подхода. Чаще всего возникшие проблемы неисправности печки - сломанная помпа, забитый радиатор или краник.

Неисправность помпы приводит к перегреванию двигателя, так как из-за этого может повести головку блока цилиндров. В этом случае капитального ремонта мотора не избежать.

Определить поломку краника можно по шлангам радиатора печки. Горячий входящий шланг и холодный выходящий шланг- возможные причины. Однако если проблема не в кранике, необходимо менять радиатор печки. Скорее всего, поломку могло вызвать большое количество накипи, которая образовывается внутри радиатора.

Как любая техника печка требует своевременного осмотра и ремонта. Соответственно, чем больше возраст автомобиля, тем тщательнее нужно готовить его к отопительному сезону. Если система не имеет повреждений, то воздушный поток беспрепятственно проходит по системе.

Чаще всего в автомобиле не греет печка из-за завоздушивания системы охлаждения или неисправности сопутствующих узлов: радиатора или термостата.

Появление воздушной пробки в печке происходит из-за очень узких трубок, не позволяющих слабому потоку жидкости выгнать её. Прогрев двигателя поможет избавиться от пробки. Для этого можно ослабить хомут на шланге, осторожно сняв его с трубки, для появления небольшой щелочки, через которую сможет выйти воздух.

Неприятный запах в салоне проявляется из-за попадания грязи в радиатор, которая начинает гнить.

Своевременный ремонт и осмотр необходим для правильной работы печки. Следует, что чем больше автомобиль находится в эксплуатации, тем тщательнее его готовят к отопительном сезону. Отсутствие повреждений позволит воздушному потоку свободно проходить по системе.

Фактором поломки или нестабильной работы может послужить высокое загрязнение салонного фильтра или его отсутствие вовсе. Эти причины к проникновению частиц пыли и грязи в мотор, из-за чего может быть дисбаланс или поломка мотора. Если грязь попадает на радиатор, происходит процесс разложения и это приводит к малоприятному запаху внутри салона автомобиля. Когда радиатор забит пылью, пухом или листьями, поток теплого воздуха не поступает в салон.

Помимо прочего к неэффективной работе печки в машине способен привести заменена антифриза не вовремя. Применение низкокачественного антифриза может послужить причиной выхода из строя термостата, потому что радиатор при этом начнет забиваться изнутри.

Встречаются случаи некачественной работы печки вследствие разрушения или сбоя в работе заслонки радиатора, призванной прикрывать поток воздуха, идущий через радиатор.

Пока в салоне автомобиля комфортный климатический режим поддерживается отопительной системой, она не привлекает особого внимания. С трудностью конструкции и проблемами приходится столкнуться владельцам подержанных автомобилей или с пробегом. Чем старше транспортное средство, тем больше внимания надлежит уделять отопительной системе, своевременно осуществлять диагностические и профилактические мероприятия. Таких правил должны придерживаться владельцы и отечественных, и импортных автомобилей.

Имея опыт в обслуживании автомобиля, проверять производительность работы системы отопления позволительно самостоятельно.

Для проверки подготовленности системы к отопительному сезону, требуется провести следующие действия: открыть кран отопителя салона до упора ,а затем прогреть двигатель. Необходимо удостовериться в герметичности крана и радиатора, а также в эффективной работе вентилятора на всех скоростях. Вдобавок необходимо протестировать состояние салонных фильтров. После летнего применения их потребуется заменить, потому что они сильно загрязнены. Затем проверить работу электровентилятора, при которой его включение обязано выполняться без промедления. Работа его осуществляется на всех режимах, без наличия посторонних шумов. В неподвижном состоянии автомобиля воздушный поток также должен поступать.

При наличие в транспортном средстве системы климат-контроль, которая имеет датчики температуры и двухзонный контроль потока воздуха, отопительная система целиком имеет более сложную конструкцию. Это случается из-за установки второго радиатора и кондиционера.

Отопительная система признается исправной, если при температуре на улице -250 С через 10-15 минут работы двигателя температура в нижней части салона поднимается до +160 С, а в верхней его части - до +100 С. Такой перепад не вызывает перегрева головы водителя, что абсолютно неприемлемо.

Температура в районе задних сидений автомобиля должна составлять порядка +150С. Для того чтобы предотвратить серьёзные проблемы, вызванные неисправностью или неэффективностью работы системы отопления, следует как можно быстрее заняться устранением появившихся неполадок.

Из вышеизложенных фактов можно сделать вывод: как и любой иной механизм, отопительная система считается существенным элементом современного автотранспортного средства. Как и любой другой узел, система отопления в автомобиле требует к себе надлежащего внимания и оперативного ремонта и профилактики. Невзирая на сравнительную простоту ремонта и обслуживания, присутствие требуемых комплектующих на прилавках магазинов, не стоит доводить до последнего. Чем старше становится автомобиль, тем тщательнее становится его подготовка к зимнему сезону.

Осуществление в целях профилактики существенно сократит денежные средства и затраченное время, чем выполнение тщательного дорогостоящего ремонта.

Для прогрева в зимние время года салона необходимо на выходе печки получить около 30 градусов. Данная температура не позволит запотеть стеклам и прогреет салон. На приборной панели расположен переключатель положения обдува, регулирующий положение заслонок. Они в свою очередь направляют поток воздуха в определенные стороны: лобовое стекло, лицо или ноги. Практически постоянно необходимо направление воздушных потоков на лобовое стекло. Это требуется для получения избыточного давления в салоне. Такое давление помогает не запотевать стеклам, и останавливает попадание грязи и пыли в салон автомобиля.



Рисунок 1.2 - Устройство современной системы отопления и кондиционирования воздуха салона легкового автомобиля

1.3 Обзор применяемых типов электродвигателей

Двигатель постоянного тока -- электронная машина, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Электрический двигатель (Рисунок 1.3) является основной электропривода. Экономичность, надежность, качество продукции и заданную производительность обеспечивает соответствие энергетических, механических и конструктивных параметров двигателя условиям работы механизма изготовления.

Состоит из неподвижного элемента - статора, который служит для возбуждения основного магнитного поля машины, и вращающегося элемента якоря (ротора).

Статор состоит из станины (литая сталь), на которой крепятся главные полюсы (для возбуждения основного магнитного потока) и дополнительные полюсы (для хорошей коммутации).

Главный полюс состоит из сердечника (шихтованный, укреплен болтами на станине), и обмотки возбуждения. Сердечник снабжается полюсным наконечником (для создания необходимого распределения магнитного потока). ОВ питается либо от источника постоянного тока, либо от зажимов якорной обмотки.

Якорь состоит из сердечника зубчатого, набранного из листовой стали, у которого в пазы уложена обмотка якоря и коллектора, насаженного на вал якоря. Коллектор представляет собой полый цилиндр, который собран из изолированных друг от друга клинообразных пластин из меди.Два конца секции обмотки якоря присоединены к каждой пластине коллектора. Неподвижные щетки, через которые внешняя цепь соединяется с обмоткой якоря, устанавливаются на коллекторе.

Рисунок 1.3 - Устройство двигателя постоянного тока

Рассчитывать мощность, выбирать род тока, напряжение, угловую скорость, конструктивное исполнение- всё это приходится делать при выборе электродвигателя для рабочей машины. Для этого необходимо понимать условия работы электрифицируемой автомашины, которые должны быть выражены в задании на проектирование.

Тип примененного электропривода в существенной степени определяет кинематическую схему и конструкцию машинного устройства.

Он с одной стороны, сам зависит от свойств рабочей машины, а с другой - оказывает влияние на ее конструктивные особенности. В самой начальной стадии проектирование рабочей машины осуществляется параллельно с проектированием электропривода.

При эксплуатации электроприводов в производственных условиях потребность подбора электродвигателя чаще всего появляется при замене слабо загруженных асинхронных электродвигателей, модернизации оборудования, изменении технологического процесса. Здесь приходится решать существенно меньше задач, чем при проектировании электропривода, тем не менее требуются знания и навыки по определению оптимальных нагрузок, пусковых свойств и перегрузочных способностей электродвигателя.

Электродвигатели постоянного тока имеют широкое применение в разных отраслях промышленности. Их внушительное распространение объясняется преимуществом характеристик: высокий пусковой и перегрузочный момент, высокое быстродействие, широкий диапазон плавного регулирования частоты вращения.

Двигатели постоянного тока с мощностью от десятка до сотен ватт широко им пользуются в электроприводах гибких производственных систем, промышленных роботов, систем автоматики и транспортных средств.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока (ДПТ) делятся на двигатели с электромагнитным возбуждением и с магнитоэлектрическим возбуждением (с возбуждением от постоянных магнитов). Двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (Рисунок 2) наиболее перспективны вследствие малой их инерционности. К преимуществам этих двигателей следует также отнести высокий КПД, стабильность магнитного потока возбуждения при изменении температуры окружающей среды, высокую надежность и технологичность конструкции индуктора.

Необходимое регулирование частоты вращения якоря двигателя постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов осуществляется изменением напряжения питания, при этом поток возбуждения остается постоянным при различных частотах вращения, что создает благоприятные условия для коммутации и устойчивой работы.

Увеличение быстродействия коллекторных двигателей малой мощности ограничивается допустимыми электромагнитными нагрузками, моментом инерции и перегрузочной способностью, определяемой условием коммутации, насыщением зубцовой зоны якоря. Для достижения предельного быстродействия у двигателей необходимо уменьшать момент инерции и увеличивать магнитный поток в воздушном зазоре, что увеличивает магнитодвижущую силу возбуждения, габариты и массу индуктора, поэтому получение высоких динамических и удельных электромеханических параметров в одном типе двигателя практически невозможно. В связи с этим проведена дифференциация технических требований к ДПТ малой мощности в зависимости от их функциональных назначений, имеющих следующую классификацию:

? силовые двигатели, предназначенные для продолжительного режима работы, для которых основными параметрами являются максимальный КПД и ресурс при лимитированных массе и объеме;

? силовые двигатели, предназначенные для кратковременного и повторно-кратковременного режимов работы, для которых основными параметрами являются минимальная масса на единицу полезной мощности, лимитируемые предельно допустимой температурой обмоток двигателя;

? управляемые двигатели, основными параметрами которых являются минимальные электромеханическая и электромагнитная постоянные времени при лимитированных массе и объеме.



Рисунок 2 - Схема коллекторного двигателя с постоянными магнитами

«Жесткая» характеристика присуща двигателям независимого и параллельного возбуждения (станки, прокатные станы, вентиляторы и т.д.).

Двигатели последовательного возбуждения - «мягкую» характеристику. Применяются в устройствах, требующих огромные пусковые моменты.К тому же устройства, в которых наблюдаются частные перегрузки по моменту тоже используют такие двигатели (трамваи, троллейбусы, электровозы).

Идея применения постоянных магнитов в цепи возбуждения для синхронных электрических машин и двигателей постоянного тока весьма интересна и легко реализуема.«Привлекательность» объясняется следующими факторами:

1. Привычная обмотка возбуждения на электромагнитах является пусть и совсем небольшим, а все же потребителем активной электроэнергии. Потому постоянные магниты в цепи возбуждения позволяют повысить энергетические показатели и, в частности, КПД.

2. Постоянные магниты упрощают устройство цепи возбуждения, увеличивают надежность электродвигателя в целом. Особенно это затрагивает синхронные двигатели, система возбуждения которых конструктивно находится в составе ротора.

В классическом варианте с применением электромагнитов в конструкцию синхронной машины включаются токосъемные кольца и щетки для питания обмотки возбуждения постоянным током. Но этот токосъемный узел серьезно понижает надежность двигателя и сокращает наработку на отказ.

В то же время, постоянные магниты не нуждаются в электрическом питании, поэтому при их применении отсутствует надобность в токосъемном узле для ротора.

В применении постоянных магнитов для возбуждения электродвигателей есть своя специфичность. Так, двигатель постоянного тока на таких магнитах может иметь только одну электромеханическую характеристику, схожую с характеристикой ДПТ независимого возбуждения.

Помимо этого, для ДПТ с возбуждением на постоянных магнитах отсутствует возможность регулирования по цепи. Этому есть объяснение: ведь отсутствует цепь возбуждения, как таковая.

Похожая проблема характерна и для синхронных двигателей с возбуждением на постоянных магнитах. В этих машинах уже нельзя регулировать коэффициент мощности по цепи. Это означает, что данные синхронные двигатели запрещается или затруднительно применять ради компенсации реактивной мощности.

Проблема эксплуатации электрических машин с возбуждением на постоянных магнитах в влиянии размагничивающей реакции якоря. Магнитное поле, оказывающее влияние на эффективность возбуждения, создается током якоря.

При применении для возбуждения постоянных магнитов эта проблема не имеет конкретного решения, хотя в синхронных двигателях это решается включением цепи в работу лишь на подсихронной скорости, а в обычных ДПТ установкой дополнительных компенсационных обмоток.

Для снижения влияния реакции якоря применяются магниты тангенциальной или даже кольцевой конструкции, при условии что число пар полюсов ДПТ с возбуждением на постоянных магнитах равно двум. Эффект размагничивания уменьшается большим размером магнитов в направлении силовых линий поля .

С этой целью постоянные магниты радиальной конструкции с полюсными наконечниками из магнитотвердого материала применяются при большем числе пар полюсов.

Размеры постоянных магнитов делаются как можно большими, тогда как расстояния между соседними полюсами постоянных магнитов делаются как можно меньшими для уменьшения размагничивающей реакции якоря в синхронных двигателях. Полностью проблему эти меры не решают.

Постоянные магниты весьма востребованы для применения в цепях возбуждения маломощных электродвигателей, в которых размагничивающее влияние реакции якоря не является критичным, невзирая на отмеченные недостатки.

1.4 Выбор и расчёт основных параметров электродвигателя

Исходные данные

· полезная мощность на валу -- 60 Вт;

· номинальное напряжение -- 12 В,

· минимальное -- 11 В,

· максимальное -- 14,3 В;

· частота вращения -- 2500 об/мин;

· возбуждение -- от постоянных магнитов;

· режим работы -- продолжительный;

· исполнение -- закрытое.

Основные параметры электродвигателя

Для того, чтобы произвести предварительные расчёта, необходимо задаться значением КПД. Для электродвигателя МЭ-255, наиболее широко применяющегося для привода вентилятора отопителя, значение составляет:

? = UНОМ · IНОМ / Р2 (1)



где UНОМ - номинальное напряжение питания электродвигателя, В;

IНОМ - номинальный ток, А;

Р2 - мощность, развиваемая двигателем на валу, Вт;

? - коэффициент полезного действия электродвигателя.

? = UНОМ · IНОМ / Р2 = 12 · 5 / 20 = 0,33

Мощность проектируемого двигателя составляет 60 Ватт. Так как с ростом мощности увеличивается КПД, принимаем ? = 0,5.

Сила тока в якоре:

(2)

где a - сила тока в якоре, А;

Umin - минимальное значение питающего напряжения, В.

Принимаем коэффициент, учитывающий падение напряжения в цепи якоря КЕ = 0,8. ЭДС в обмотке якоря:

(3)

Где Umax - максимальное значение питающего напряжения, В.

Расчётная электромагнитная мощность:

(4)

.

Задаёмся величиной линейной нагрузки А = 7000 А/м. Принимаем коэффициент полюсного перектытия ?? = 0,65 и индукцию в воздушном зазоре B'? = 0,28 Тл.

Машинная постоянная:

(5)

.

Диаметр якоря:

(6)

Где P' - расчётная электромагнитная мощность, Вт;

N - частота вращения вала, об/мин.

.

Принимаем стандартное значение 0,063 м.

Длина пакета якоря:

(7)

Где ? - относительная длина активных и лобовых частей обмотки.

.

Полюсное деление:

(8)

Где p - число пар полюсов. Принимаем его равным 2.

.

Расчётная длина дуги магнита:

(9)

.

Магнитный поток в воздушном зазоре:

(10)

.

Обмотка якоря

Выбираем простую волновую обмотку. Число параллельных ветвей обмотки 2а = 2, 2р = 4.

Число активных проводников обмотки якоря:

(11)

.

Принимаем N' = 240.

Число пазов якоря:

.

Принимаем Za = 16.

Число проводников в пазу:

.

Шаг обмотки по коллектору и результирующий шаг y = yk = 1.

Первый частичный шаг:

.

Второй частичный шаг:

у2 = у1 - у = 4 - 1 = 3.

Принимаем плотность тока в обмотке якоря ja = 5 106 А/м2.

Сечение провода обмотки якоря:

.

Выбираем провод ПЭТВ сечением . Номинальный диаметр неизолированного провода d =1,18 · 10-3 м. Диаметр изолированного провода (среднее значение) dиз =1,24 · 10-3 м.

Коллектор, щетки

Число коллекторных пластин К = Za= 16.

Диаметр коллектора:

Dk=(0,4...0,5) Da = 0,43 · 0,063 =0,027 м.

Коллекторное деление:

.

Расстояние между ламелями ?з = 0,0003...0,0004 = 0,00035 м.

Ширина коллекторной пластины:

?k = t - ?з = 0,00529 - 0,00035 = 0,00494 м.

Ширина щетки:

вщ = (1...3) / ?k= 2.0,00494 = 0,00988 м.

Длина щетки

ащ= вщ = 0,00988 м.

Выбираем щетки марки 960 с размерами вщ = 7 · 10-3 м и ащ= 7,5.10 · 10-3 м.

Площадь щетки:

Sщ= ащ · вщ = 0,0075 · 0,007= 52,5 · 10-6 м2 .

Плотность тока под щеткой:

.

Длина коллектора:

lk = 1,5ащ = 1,5 · 0,0075 = 0,01125 м.

Ширина зоны коммутации:

.

.

Условия благоприятной коммутации:

, .

Пазы якоря

Выбираем грушевидный паз. Ширина прорези: апр = 2,5 · 10-3 м.

Высота прорези паза hпр = 1,5 · 10-3 м.

Зубцовое деление по наружному диаметру якоря:

.

Принимаем допустимую максимальную индукцию в зубце Вzmax =1,3 Тл.

Минимальное сечение зубца (в среднем сечении):

, где Кст = 0,98.

Высота паза:

hп = 0,25Dа = 0,25 · 0,063 =0,0158 м.

Диаметр якоря в верхнем сечении паза:

.

Диаметр якоря в среднем сечении паза:

.

Диаметр якоря в нижнем сечении паза:

.



Паз строится в виде трапеции. Методом подбора находим радиусы сопряжений r1 = 0,002 м и r2 = 0,002 м. Диаметр якоря, соответствующий центрам окружностей сопряжений в верхней части паза:

.

Диаметр якоря, соответствующий центрам окружностей сопряжений в нижней части паза:

.

Площадь паза:

,

+

+.

Расчёт рабочих характеристик электродвигателя

При расчете рабочих характеристик задаемся несколькими значениями силы тока в якоре и в таблицу 1 сводим результаты расчета.

Падение напряжения в обмотке якоря:

ЭДС в обмотке якоря:

Частота вращения вала электродвигателя:

.

Электрические потери в меди якоря:

.

Электрические потери в щетках:

.

Электрические потери в электродвигателе:

.

Масса стали сердечника якоря:

.

Масса коллектора:

.

Масса стали зубцов якоря

.

Масса меди обмотки якоря:

.

Масса якоря:

.

Частота перемагничивания стали:

.

Удельные потери в стали якоря (сердечника):

.

Потери мощности на трение в подшипниках:

.

Механические потери на трение якоря о воздух:

.

Суммарные механические потери:



.

Суммарные потери мощности в электродвигателе:

.

Подведённая к электродвигателю мощность:

.

Полезная мощность на валу:

.

КПД при номинальной нагрузке:

.

Вращающий момент на валу электродвигателя:

.

Таблица 1 -- Результаты расчёта рабочих характеристик

Параметры	Ед. изм	Значения
Ia	А	6,60	7,35	8,18	8,70	9,90	10,91
?Ua	В	0,83	0,92	1,03	1,09	1,24	1,37
?Ua + ?Uщ	В	1,10	1,22	1,36	1,44	1,64	1,81
Ea	В	9,90	9,78	9,64	9,56	9,36	9,19
n	мин-1	2 694	2 661	2 623	2 600	2 545	2 500
?Pma	Вт	4,48	5,55	6,87	7,78	10,07	12,22
?Pщ	Вт	2,47	2,75	3,05	3,25	3,70	4,07
?Pэл	Вт	5,37	6,66	8,24	9,33	12,09	14,66
?f	Вт	89,81	88,68	87,44	86,65	84,85	83,33
?Pа	Вт/кг	18,37	18,01	17,62	17,37	16,81	16,35
?Pса	Вт	0,38	0,37	0,37	0,36	0,35	0,34
?Pz	Вт/кг	18,55	18,19	17,80	17,55	16,98	16,52
?Pza	Вт	5,80	5,68	5,56	5,48	5,31	5,16
?Pc	Вт	6,38	6,25	6,12	6,03	5,84	5,68
?Pщ	Вт	2,62	2,57	2,52	2,48	2,40	2,33
?Pn	Вт	6,55	6,47	6,38	6,32	6,19	6,08
?Pв	Вт	0,61	0,59	0,57	0,55	0,52	0,49
?Pм	Вт	9,79	9,63	9,46	9,36	9,11	8,90
?P	Вт	42,02	41,29	40,50	39,99	38,85	37,88
P1	Вт	72,63	80,89	89,97	95,74	108,95	120,01
P2	Вт	30,61	39,59	49,47	55,75	70,10	82,13
КПД		0,42	0,49	0,55	0,58	0,64	0,68
М	Н·м·10-3	108,48	142,11	180,08	204,80	262,99	313,70



2. Технологическая часть

В данной части дипломного проекта по известным конструкторским размерам детали рассчитывается параметры заготовки детали получаемой ГКМ. Далее разрабатывается технологический процесс механической обработки. Исходя из технологического процесса и теории линейных цепей строится совмещенная схема, граф и составляются уравнение линейных технологических размеров. После определения линейных размеров выполняется нормирование операций механической обработки. Тип производства - серийный. Признаком серийного производства является производство изделий партиями с определенной периодического при групповой форме организаций.

2.1 Выбор и обоснование технологического процесса

Экономичность варианта технологического процесса можно определить путем сравнения сопоставимых затрат, которые составляют технологическую себестоимость. Сравнение вариантов технологических процессов осуществляется несколькими методами. На основании сравнения вариантов был выбран самый выгодный и эффективный технологический процесс.

Порядок разработки технологического процесса существует на каждом предприятии. Качество изготавливаемой детали задается техническими требованиями, которые определены рабочим чертежом детали. Рабочий чертеж детали является основным исходным документом при разработке технологического процесса изготовления детали. Он должен содержать все данные, необходимые для изготовления детали.

При порядке разработки технологического процесса изготовления необходимо знать условия работы детали в собранном узле, проанализировать нагрузки, воздействию которых подвергают деталь, выявить предъявляемые к ней требования и знать, как ориентируется деталь в собранном узле относительно других деталей.

Минимальную стоимость изготовления якоря при обеспечении заданного количества и качества выявляем путем экономического сравнения вариантов и выбором наиболее экономичного варианта.

В современных электрических машинах обмотки располагаются по окружности якоря, ротора или статора и закладываются в специальные канавки, которые носят название пазов. Пазы равномерно распределены по окружности и отделены один от другого выступающими
частями, которые носят название зубцов. Якорем называется вращающаяся часть машин постоянного тока.

Данный технический результат достигается в якоре коллекторного моментного двигателя постоянного тока, содержащем макет с обмоткой и коллектор с медными пластинами, тем, что на медных пластинах коллектора выполнен слой толщиной до 0,01 мм из палладия методом электролитического осаждения. При осуществлении способа изготовления якоря коллекторного моментного двигателя постоянного тока путем сборки пакета, выполнения обмотки, сборки пакета с коллектором согласно изобретению якорь пропитывают эпоксидной смолой, полимеризуют ее, покрывают поверхность пакета эластичной эмалью, подсоединяют медные пластины коллектора к катоду гальванической ванны палладирования, содержащей электролит с показателем кислотности рН величиной 8-10 и концентрацией металлического палладия до 10 г/л, подают постоянный ток плотностью до 0,5 А/дм2 применительно к покрываемой поверхности медных пластин и выдерживают режим до получения слоя благородного металла из палладия толщиной до 0,01 мм. Толщину данного слоя определяют по изменению массы пробной детали, погруженной в электролит одновременно с якорем.

Путем пропитки якоря эпоксидной смолой под вакуумом при повышенной температуре окружающей среды или анатермом при атмосферном давлении и температуре не менее +80oС, полимеризации эпоксидной смолы или анатерма посредством выдержки при повышенной температуре окружающей среды, механической обработки поверхности коллектора путем тонкого съема материала, покрытия поверхности пакета эластичной эмалью с последующей просушкой на воздухе обеспечивается защита якоря от проникновения в его поры материалов электролита. Тем самым после операции электролитического осаждения палладия обеспечивается работоспособность якоря, так как сохраняется высокая величина сопротивления изоляции медных пластин коллектора за счет исключения попадания в его поры материалов электролита.

Целью процесс является упрощение конструкции и повышение её технологичности. При напрессовке каждой последующей пластины подачу вала уменьшают на величину толщины пластины. После набора необходимого количества пластин, определяемого дозирующим устройством, пакет смещают вдоль вала до места его рабочего положения. Таким образом, изобретение позволяет повысить качество сборки якоря путем устранения деформации вала.

Технология изготовления следующая(Рисунок 3.2). На вал якоря устанавливают пакет железа. Затем устанавливают коллектор с пластинами, залитый изоляционным материалом, и крепежное кольцо из изоляционного материала(например, пластмассы), расположенное со стороны пакета железа. Крепежное кольцо имеет торцовые выступы по числу пластин, которые должны быть обращены в сторону свободного кольца коллектора и располагаться по центру каждой пластины. При намотке обмоток концы их заводят под каждый выступ, размещая между внутренней поверхностью и пластиной у торцовой поверхности крепежного кольца(Рисунок 3.2). Затем с помощью обжимного кольца выступы загибают. При этом происходит фиксация концов обмоток при положении к пластинам в радиальном направлении. Кроме того обжимное кольцо выполнено с конической внутренней поверхностью, что при опрессовке обеспечивает загибку выступов, а на наружной поверхности концов упругих выступов крепежного кольца выполнены выступы, которые после опрессовки образуют замок с торцовой поверхностью обжимного кольца, препятствуя соскакиванию его с крепежного кольца в сторону свободного торца коллектора. После опрессовки якорь электродвигателя принимает окончательный вид, как показано на Рисунке 3.1.

Предложенная конструкция якоря упрощает технологию изготовления. Упрощение заключается в том, что отпадает необходимость в изготовлении крючкового коллектора, благодаря ему снижается трудоемкость и расход материала. Упрощается также процесс крепления концов обмоток якоря из-за одновременного их зажима. Кроме того, повышается ремонтоспособность якорей электродвигателя.

Техническо-экономические преимущества обеспечиваются за счёт повышения производительности изготовления якорей и исключения промежуточных технологических операций.\

Рисунок 3.1 - окончательный вид якоря двигателя постоянного тока: 1 вал якоря; 2 - коллектор; 3 - пластины; 4 -пакет железа; 5 - обмотка; 6 -- заслонка;7 -крепежное кольцо; 8 -торцовые выступы; 9 -свободное кольцо; 10-обжимное кольцо



Рисунок 3.2 -вид якоря двигателя постоянного тока в процессе изготовления: 3 - пластины; 6 -- заслонка; 8 -торцовые выступы; 10-обжимное кольцо; 11 - наружная поверхность; 12-внутренняя поверхность;13-торцовая поверхность; 14 - коническая внутренняя поверхность; 15 - концы; 16 - выступы; 17 - торцовая поверхность обжимного кольца.

2.2 Маршрутная технология изготовления

№ опер.	Наименование и содержание операции	Эскиз операции	Оборудование
000	Заготовительная: правка листового и профильного проката, разметку и наметку, раскрой проката, обработку кромок и торцов, гибочные и вальцовочные работы.
010	Токарная: после установки и закрепления, подрезание торцов.		Токарно-револьверный станок
020	Токарная: обточка поверхности, выдерживая размеры.		Токарно-револьверный станок
030	Сверлильная: Включает в себя сверление отверстий		Вертикально-сверлильный станок
040	Токарная: обточка поверхности, выдерживая размеры.		Токарно-револьверный станок
050	Токарная: обточка поверхности, выдерживая размеры.		Токарно-револьверный станок
060	Зенкерование: обработка готовых отверстий после сверления для получения отверстий большой точности и низкой шероховатости.		Сверлильный станок; зенкер.
070	Шлифовальная: Придание рабочей поверхности детали правильной геометрической формы и получение необходимой шероховатости.		Шлифовальный станок.
080	Шлифовальная Придание рабочей поверхности детали правильной геометрической формы и получение необходимой шероховатости.		Шлифовальный станок.
090	Промывка
100	Контроль



2.3 Принцип работы, конструкция и состав автоматизированной линии сборки

Особенности проектирования технологических процессов в условиях автоматизированного производства.

Основой автоматизации производства являются технологические процессы (ТП), которые должны обеспечивать высокую производительность, надежность, качество и эффективность изготовления изделий.

Характерной особенностью ТП обработки и сборки является строгая ориентация деталей и инструмента относительно друг друга в рабочем процессе (первый класс процессов). Термообработка, сушка, окраска и прочее в отличие от обработки и сборки не требуют строгой ориентации детали (второй класс процессов).

ТП классифицируют по непрерывности на дискретные и непрерывные.

Разработка ТП АП по сравнению с технологией неавтоматизированного производства имеет свою специфику:

1.Автоматизированные ТП включают не только разнородные операции механической обработки резанием, но и обработку давлением, термообработку, сборку, контроль, упаковку, а также транспортно-складские и другие операции.

2.Требования к гибкости и автоматизации производственных процессов диктуют необходимость комплексной и детальной проработки технологии, тщательного анализа объектов производства, проработки маршрутной и операционной технологии, обеспечения надежности и гибкости процесса изготовления изделий с заданным качеством.

3. При широкой номенклатуре изделий технологические решения многовариантны.

4. Возрастает степень интеграции работ, выполняемых различными технологическими подразделениями.

Основные принципы построения технологии механообработки в АПС

1. Принцип завершенности . Следует стремиться к выполнению всех операций в пределах одной АПС без промежуточной передачи полуфабрикатов в другие подразделения или вспомогательные отделения.

2. Принцип малооперационной технологии. Формирование ТП с максимально возможным укрупнением операций, с минимальным числом операций и установок в операциях.

3. Принцип «малолюдной» технологии. Обеспечение автоматической работы АПС в пределах всего производственного цикла.

4. Принцип «безотладочной» технологии . Разработка ТП, не требующих отладки на рабочих позициях.

5. Принцип активно-управляемой технологии. Организация управления ТП и коррекция проектных решений на основе рабочей информации о ходе ТП. Корректироваться могут как технологические параметры, формируемые на этапе управления, так и исходные параметры технологической подготовки производства (ТПП).

6. Принцип оптимальности . Принятие решения на каждом этапе ТПП и управления ТП на основе единого критерия оптимальности.

Помимо рассмотренных для технологии АПС характерны и др. принципы: компьютерной технологии, информационной обеспеченности, интеграции, безбумажной документации, групповой технологии.

2. Типовые и групповые ТП

Типизация технологических процессов для сходных по конфигурации и технологическим особенностям групп деталей предусматривает их изготовление по одинаковым ТП, основанным на применении наиболее совершенных методов обработки и обеспечивающим достижение наивысшей производительности, экономичности и качества. Основа типизации -- правила обработки отдельных элементарных поверхностей и правила назначения очередности обработки этих поверхностей. Типовые ТП находят применение, главным образом, в крупносерийном и массовом производстве.