Расчет микродвигателя постоянного тока
Курсовая
работа
по
дисциплине "Электрические машины "
на
тему «Расчет микродвигателя постоянного тока»
Содержание
Введение
. Задание на расчет.
2. Основные размеры
электродвигателя.
. Обмотка якоря.
. Размеры зубцов, пазов,
проводов и электрические параметры якоря.
. Коллектор, щеткодержатели и
щетки.
. Магнитная система
электродвигателя.
. Расчет обмотки возбуждения.
. Мощность потерь и
коэффициент полезного действия.
. Рабочие характеристики
электродвигателя.
10.Упрощенный тепловой расчет.
. 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
) 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 - θ 0 = 20 ºС.
2.
Основные размеры электродвигателя
Расчетная или внутренняя электромагнитная
мощность машины
Вт,
где по кривой рис. 2.2.1 для Р2
= 50 Вт принято η
= 0,53.
Ток якоря электродвигателя при
параллельном возбуждении
А
где ток возбуждения
А
Э.Д.С. якоря электродвигателя
В
Машинная постоянная
,
где принято α =
(0,6÷0,70)=0,6 и
по кривым рис. 2.2.2. для
Вδ = 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 δ = (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 θ =75 ºС.
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 σ =
(1,08÷1,12) ≈ 1,1 - коэффициент магнитного рассеяния для
машин малой мощности;
ВПЛ =
(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 Вс = (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 Вз
Магнитная индукция в сердечнике якоря
Тл
М.д.с. для сердечника якоря
А
где - определяется по кривым для
найденного Ва
Магнитная индукция в сердечнике
полюса
Тл
М.д.с. для сердечников шихтованных
полюсов
А
где - определяется по кривым для
найденного Впл
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 Вс
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
|
Тл0,1650,2640,330,380,430,50,560,66
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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
|
1,16
|
1,334
|
1,5
|
1,74
|
1,97
|
2,32
|
Всδ
Тл
|
0,611
|
0,978
|
1,223
|
1,4
|
1,59
|
1,83
|
2,08
|
2,446
|
А132,01211,2264,02303,6343,2396,03448,8528,04
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Hз
А/м
|
1,5·102
|
3,45·102
|
9,5·102
|
25·102
|
78·102
|
-
|
-
|
-
|
А5,111,7332,385265,2---
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Hа
А/м
|
0,75·102
|
0,95·102
|
1,3·102
|
1,4·102
|
1,75·102
|
2,35·102
|
-
|
-
|
А3,534,4766,68,2411,07--
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Hпл
А/м
|
1,2·102
|
2,55·102
|
8·102
|
13·102
|
44·102
|
-
|
-
|
-
|
А4,28,922845,5154---
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Hс
А/м
|
1,1·102
|
2,2·102
|
7·102
|
10·102
|
26·102
|
-
|
-
|
-
|
А
14,8529,794,5135351---
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А36,257,972,483,2696,2108,6123144,8
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А195,9323,92497,22658,961217,8---
|
|
|
|
|
|
|
|
|
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 AWq 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 Ск =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 Ск
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=Ia+Iв =(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
4813479547844761
|
|
|
|
|
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
|
,
Вт16,919,9821,6523,565
|
|
|
|
|
P2 = P1 - ∑P ,
Вт
|
37,38
|
58,36
|
72,75
|
86,87
|
0,690,7450,770,787
|
|
|
|
|
,
H·м0,0740,1160,1450,174
|
|
|
|
|
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
ºС
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
ºС
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
ºС , 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
|
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 δИ
|
0,4·10-3
|
Толщина
изоляции катушки ΔИК
|
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, η=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
. Хуснутдинов Р.А. , Шарафиева
А.Р. Расчет электродвигателей малой мощности. Казань, Издательство КГТУ, 2009.