Курсовой проект Проектирование тяговых электрических машин постоянного и пульсирующего тока Пример расчёта шестиполюсного тягового двигателя с компенсационной обмоткой

Вид материала

Курсовой проект

Содержание Расчет магнитной цепи и компенсационной обмотки Сердечник якоря Магнитная станина Компенсационная обмотка Магнитная характеристика двигателя и обмотка возбуждения Расчет катушек главных и дополнительных полюсов Стеклослюдинитовая лента Потери и к.п.д. двигателя

Подобный материал:

• Ательный материал «Электронный курсовой проект «Проектирование машин постоянного тока», 47.15kb.
• Темы курсового проекта «Разработка системы автоматического регулирования скорости двигателя, 71.05kb.
• Задание на проект. (ст. 5-6) Методика выбора двигателя для механизма передвижения моста, 269.77kb.
• Задание на проектирование Ф. И. О. стдуента гр. Ем 042, 16.64kb.
• 1. Принцип действия двигателя постоянного тока. Назначения коллектора в двигателе постоянного, 48.27kb.
• Магистерская программа 140400. 91 «Силовые электронные и микропроцессорные аппараты», 37.41kb.
• Методика и алгоритм расчета переходных процессов в двигателе постоянного тока последовательного, 62.89kb.
• Перспективы применения регулируемых источников тока в системах нагружения машин постоянного, 51.47kb.
• Программа вступительных испытаний в магистратуру гоу впо пгути в 2011 г. Направление:, 37.23kb.
• Курс физического факультета 2009, 24.35kb.

РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ И КОМПЕНСАЦИОННОЙ ОБМОТКИ

Расчет и эскиз магнитной цепи (в масштабе 1:1) выполняются одновременно и взаимно уточняются в процессе проектирования. При вычерчивании эскиза магнитной цепи необходимо учесть, что оси пазов компенсационной обмотки выполняются параллельными оси соответствующего дополнительного полюса; воздушный зазор между якорем и главным полюсом - равномерный; геометрическая полюсная дуга равна

b_г = α∙τ – 2∙δ = 0,66∙34,5 – 2∙0,4 = 22 см.

Шаг пазов компенсационной обмотки не должен быть кратным зубцовому шагу якоря

t _1k= (1,4-1,7)∙t ₁= 1,5∙2,15 = 3,24 см.

Размещают пазы компенсационной обмотки от края полюсного наконечника к середине так, чтобы головка крайнего зубца, ближайшего к дополнительному полюсу, была не менее 4...5 мм по условию механической прочности. Пример эскиза магнитной цепи приведен на рис. 2


Сердечник якоря

Радиальный размер сердечника якоря

h_а = Ф/(2∙B_а∙k ₁ ∙l_а )= 0,106/2∙1,26∙0,94∙0,28 = 0,112 м.

Значение индукции в сердечнике якоря В_а принято, согласно данным [2, рис. 13.7], для частоты перемагничивания якоря f= 47 Гц.

Якорь выполняется с двумя рядами вентиляционных каналов по 22 канала в ряду диаметром d_к = 30 мм.


Внутренний диаметр дисков якоря

D_i = D_а - 2(h_z + h_a +1/2∙n_к∙d_k) = 66 – 2∙(4,19 + 11,2 + 0,5∙2∙3) = 32,18 см,

где n_к - число рядов каналов.

Объем сердечника якоря

V_a= π/4[(D_а- 2 h_z)² -D_i ² - m_k d_k ²]∙l_a ∙k₁ =

= π/4[(66-2∙4,19)²-32,18²-44∙3²]∙28∙0,94 = 42562 см³ = 0,049152 м³,

где m_к - общее число каналов.

Масса сердечника якоря

G_а = γ∙Vа = 7,8∙0,049152∙10³ = 383 кг.

Сердечник главного полюса

Ширина полюса

b_m = σ∙Ф/(В_m∙k_i ∙l_m ) = 1,15∙0,106/1,42∙0,8836∙0,28= 0,21 м = 21 см,

где σ = 1,15 - коэффициент рассеивания магнитного потока главного полюса;

k_i = k₁ ∙k₂ = 0,94∙0,94 = 0,883 - коэффициент, учитывающий покрытие листов железа полюса толщиной 0,5 мм лаком (k₁ = 0,94) и неплотности сборки (k₂ = 0,94);

l_m = l_а - длина полюса.

Радиальная длина полюса предварительно (с учетом компенсационной обмотки)

h_m = 0,3∙τ= 0,3∙0,345 = 0,103 м =10,3 см.


Внутренний диаметр станины

D_j = D_a + 2∙(δ + h_m) = 66 +2∙(0,4 + 10,3) = 87,4 см.

Примем D_j = 88,0 см, тогда h_m = 10,6 см.

Приближенно масса всех полюсов:

G_m = 2∙p∙b _m ∙l _m ∙k _I∙h _m ∙γ∙10³ = 2∙3∙0,21∙0,28∙0,883∙0,106∙7,8∙10³ = 258 кг


Магнитная станина

Примем индукцию в станине B_j = 1 ,4 Тл, а толщину станины двигателя с компенсационной обмоткой

b_j = 0,35∙b_m = 0,35∙21 = 7,35см,

тогда осевая длина магнитопровода станины:

l_j = σ∙Ф/(2∙ b_j ∙B_j )= 1,15∙0,106/2∙0,0735∙1,4 = 0,413 м.

Масса станины:

G_j = π(D_j + b_j)∙l _j ∙ b_j ∙γ∙10³ = π∙(0,88 + 0,0735)∙0,413∙0,0735∙7,85.10³ = 714 кг.


Компенсационная обмотка

Намагничивающая сила компенсационной обмотки должна быть приблизительно равна намагничивающей силе поля якоря на полюсной дуге:

F_k <0.5∙α∙τ∙A,

тогда число витков на полюс получается равным

w_к = 0.5∙α∙τ∙A /I_н = 0,5∙0,66∙34,5∙328/532 = 7,019

Примем w_к = 7.

При последовательном включении витков катушек всех полюсов число стержней будет в два раза больше числа витков.

Принимаем 12 стержней, размещенных в шести пазах, z_КО = 6, т. е. по два стержня на паз.

Выбираем стержень с размерами 4,4^x32 мм^хмм, сечением g_к= 140мм².

Плотность тока:

j_k =I_k/g_k=1000/140=7,14 А/мм².

Пазовое деление

t_1k = α∙π∙(D _a +2∙δ)/(2∙p∙(z _k0 -1))=0,бб∙π(66 + 2∙0,4)/2∙3∙(7 - 1) =3,85 см.

Размеры паза компенсационной обмотки приведены в табл. 2.

Таблица 2

Наименование	Материал	Размеры, мм	Число слоев	Общая толщина мм
Проводник	Медь МГМ	4,4/32	2/1	8,8/32
Витковая изоляция	Провод ППИПК-3	0,175/0,175	4/2	0,7/0,35
Корпусная изоляция	Стеклослюдинитовая лента	0,11/0,11	16/16	1,76/1,76
Покровная изоляция	Стеклолента	0,1/0,1	2/2	0,2/0,2
Зазор на укладку Расшихтовка		0,5/- 0.3/0.1	— -	0,5/-
				0.3/0.1
Прокладки	Стеклопласт	-/0,4	-/2	-/0,8
Клин	Стеклопласт	-/4,0	-/1,0	-/4,0
Итого: bk/hzk = 12,26/39,21

Примечание. В числителе даны размеры по ширине паза, в знаменателе - по высоте.

Эскиз паза показан на рис. 3.

Ширина паза компенсационной обмотки:

b_к= 12,26мм = 1,226см.

Ширина зубца

z_k = t _1к - b_к = 3.225 - 1,226 = 2 см.

Высота паза h_zк = 39,21 мм.

Коэффициент воздушного зазора из-за наличия зубцов в полюсном наконечнике с компенсационной обмоткой

k_δк = t _1к +10∙ δ /(z_k+10∙ δ )= (3.225 + 10∙0,4) / (2 + 10∙0,4) = 1,2.

Общий коэффициент воздушного зазора с учетом пазов на якоре и в полюсном наконечнике:



k_δ =(t ₁+10∙δ) /(z₁+10∙δ )∙(t _1к +10∙δ) /(z_k+10∙δ )=(2,15+10∙0,4)/(1,15+10∙0,4)∙1,2=

= 1,398

Средняя длина витка компенсационной обмотки:

l_сР.к.о= 2(lск.о +l_m) = 2∙(34,18 + 38,5) = 146 см,

где длина лобовой части полувитка средней катушки:

l_ск.о =τ_ko (1 - α/2) +2а + b_k∙z_ko/2 +∆( z_ko /2 - 1) = 37,03∙(1 - 0,66/2) + 2∙2,5 +1,226∙6/2+ + 0,5∙(6/2-1) = 34,48см.

Здесь a = 25 мм, ∆ = 5 мм.


Рис.3.Паз компенсационной обмотки


Длина торцевого участка лобовой части средней катушки:

τ_ko = π∙(D_а + 2∙δ_ГЛ +h_zk) /2∙p=3.14∙(66 + 2∙0,4 +3,921)/2∙3 = 37,03 см.

Сопротивление компенсационной обмотки при 20 °С

R_К20 = 2∙p∙w_k∙ lс_Р.к.о/57∙a²_k ∙g_k = 2∙3∙10∙1,46/57∙1²∙140 = 0,0109 Ом,

где a_k — число параллельных ветвей компенсационной обмотки.

При последовательном соединении катушек a_k = 1.

Масса меди компенсационной обмотки

G_ko = γ∙g_k ∙ lс_Р.к.о ∙2∙p∙w_k= 8,9∙140∙10 -6 ∙1,46∙2∙3∙6∙103 = 65,5 кг


МАГНИТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ И ОБМОТКА ВОЗБУЖДЕНИЯ

Намагничивающая сила воздушного зазора

F_δ = 0,8∙k_δ∙δ∙B_δ∙106 = 0,8∙1,398∙0,004∙1,524∙10⁶= 4286 А.

Намагничивающая сила зубцов якоря

Fz = Нz ∙hz= 70000∙0,0419 = 2933 А,

при k_z⅓= t_1/3/k_i ∙z_1/3- 1 = 1,97/0,94∙0,82 - 1 = 2,55 - 1 = 1,55 и В_z1/3=2,2 Т

напряженность магнитного поля равна Нz = 70000 А/м [1, кривая на рис. 13.8].

Намагничивающая сила спинки сердечника якоря

F_а = H_а∙0,4τ = 1870∙0,4∙0,345 = 258 А

при Ва=1,26 Тл и напряженности магнитного поля Н_а= 1870 А/м [1, рис. 13.8].

Намагничивающая сила, приходящаяся на станину:

F_j = Н_j∙L_j = 1900∙0,65∙0,345 = 426 А,

при Bj-= 1,4 Т, Нj = 1900 А/м [1, кривая на рис. 13.8] и средней длине магнитной силовой линии станины Lj= (0,65-0,75) τ.

Намагничивающая сила зубцов компенсационной обмотки полюса

F_zko = H_zko ∙h_ko = 5000∙0,0392 = 196 А,

при этом:

B_zko = σ∙Ф/S_zК.0= 1,05∙0,106/0,03 =1,7 Тл ,

где S_zК.0- площадь поперечного сечения зубцов полюса на 1/3 их высоты от якоря (см. рис. 2).

S_zК.0=2[(A-b_{п к.0}∙n_a)+В+С]∙l_m∙0,97=2[(0,054-0,01226∙1)+0,02+0,012]∙0,28∙0,97= 0,04 м²

где n_a - число пазов на участке А.

Напряженность магнитного поля H_zko=5000 А/м по кривой намагничивания электротехнической стали якоря (полюсы с компенсационной обмоткой выполняются из той же стали, что и якорь [1, рис.13.8]) при B_zko =1,8 Т.

Намагничивающая сила сердечника полюса:

F_m = Н_m(h_m-h_zko)= 1893∙(0,103 — 0,0392) = 121 А:

При B_m =1,42 Т и H_m= 1893 А/м.

Сумма намагничивающих сил

F=F_δ +F_z+F_a+F_j+F_zko+F_m= 4286 + 2933 + 258 + 426 + 196 + 121 = 8220 А

Общая намагничивающая сила главного полюса для создания заданного магнитного потока в машине с учетом неполной компенсации н.с. якоря и неплотного прилегания полюса к станине

F_b = 1,02∙8220 = 8384 А.

Число витков катушки главного полюса, учитывая резистор, включенный параллельно обмотке возбуждения и ответвляющий 3% тока якоря:

w_s = F_b/0,97∙I_Н = 8384/0,97∙532 = 16,247 витков;

примем w_s = 16.


Расчет катушек главных и дополнительных полюсов


Сечение проводников катушки главного полюса:

q_s =β_н∙ I_н/j_s = 0,97∙532/3,5 = 153 мм²,

где js — плотность тока в катушке (принимается 3,5...6 А/мм2).

Выбираем провод с размерами aхb = 3,1^x50 ммхмм, сечением 153 мм².

Средняя длина витка для катушки в виде винтовой спирали

L's= 2(lm+ bm) + π*b = 2*(21 + 22) + 3,14*5,0 = 243 см.

Общая длина проводов катушки

L_s= 1,05∙2р∙ L'_s∙w_s ∙10 -2 = 1,05∙2∙3∙243∙16∙10-2 = 245м.

Масса меди катушек главных полюсов

G_s = 8,9∙ L_s ∙q_s∙10³ = 8,9∙245∙153∙10-6∙10³ = 333,6 кг.

Сопротивление катушек главных полюсов при 20 °С

R_s20 = L_s /57∙ q_s = 245/ 57∙153 = 0,028 Ом.

Размеры катушки главного полюса, выполненной в виде винтовой спирали, приведены в табл. 3. Таблица 3

Наименование	Материал	Размеры мм	Число слоев	Общая толщина, мм
Проводник	Медь МГМ	50/3,1	1/16	50/49,6
Межвитковая изоляция	Прокладки из асбестовой бумаги	-/0,5	-/8	-/4
Корпусная изоляция	Стеклослюдинитовая лента	0,09/0,09	16/16	1,44/1,44
Отклонение по допускам и выравнивающие прокладки	—	—	—	- /6,76
Выступание межвитковой изоляции	—	—	—	3,56/-
Итого: 55/61,8

Примечание. В числителе - ширина, в знаменателе - высота.

Сечение проводников катушки дополнительного полюса

q_w = I_н/j_w=532/5,95 = 93 мм².

Выбираем провод с размерами: a_w^xb_w=10^x9,5 мм^хмм, сечением 93 мм².

Средняя длина витка катушки

L'_w = 2(l_w+ 0,3∙τ) = 2(28 + 0,3∙34,5) = 62,7 см.

Общая длина проводов

L_w = 1,05∙2∙р∙ L'_w ∙w_w ∙10 -2 = 1,05∙2∙3.62,7∙17∙10-2 = 67,2 м.

Масса меди катушек дополнительных полюсов

G_w = 8,9 ∙ L_w ∙ q_w ∙ 10³ = 8,9∙67,2∙93∙10-6∙10³ = 55,6 кг.

Сопротивление катушек дополнительных полюсов при 20 °С

R _w20 = L_w /57∙ q_w = 67,2/57∙93 = 0,0126 Ом.

Масса сердечников дополнительных полюсов

G_mw= γ∙2р∙b_mw ∙l_mw ∙h_mw= 7,8∙2∙2∙3∙0,044∙0,385∙0,097∙103 = 77 кг.

Размеры катушки дополнительного полюса приведены в табл. 4.

Таблица 4

Наименование	Материал	Размеры мм	Число слоев	Общая толщина мм
Проводник	Медь МГБ	10/9,5	1/17	10/161,5
Межвитковая изоляция	Прокладки из асбестовой бумаги	-/0,5	-/6	-/3,0
Корпусная изоляция	Стеклослюдинитовая лента	0,09/0,09	16/16	1,44/1,44
Покровная изоляция	Стеклолента	0,1/0,1	4/4	0,4/0,4
Отклонения по допускам и выравнивающие прокладки	—	—	—	-/2,66
Выступание межвитковой изоляции	—	—	—	3,5/-
Суммарная ширина и толщина катушки 15,34/169

Примечание. В числителе приведена ширина, в знаменателе - высота.


Потери и к.п.д. двигателя

Потери в проводниках определяются для номинального режима при температуре обмоток 115 °С (ГОСТ 2582-81).

Потери в обмотке якоря

Р_CuN=(1+95∙0,004)∙I_н²∙R_a20 = 1,38∙532²∙0,0318 = 12420 Вт.

Потери в обмотке дополнительных полюсов

Р_Cuw = (1 + 95∙0,004)∙I_н2∙Rw₂₀ = 1,38∙532²∙0,0126 = 4921Вт.

Потери в компенсационной обмотке

Р_{Cu ko}=(1+95∙0,004)∙I_н2∙R_k20 = 1,38∙532²∙0,0109= 4257 Вт.

Потери в обмотке возбуждения, учитывая степень возбуждения β= 0,97;

P’_{Cu s} = (1 + 95∙0,004)( β _н∙I_н)2∙Rs₂₀ = 1,38∙(0,97∙532)²∙0,028 = 10290 Вт.

Общие потери в обмотке возбуждения и в параллельно подключенном к ней резисторе

P_{Cu s} = (1 + 95∙0,004)∙I_н2∙ β _н ∙ R_s20 = 1,38∙532²∙0,97∙0,028 = 10610 Вт.

Потери на коллекторе:

- электрические

Р_к.э = ∆U_щ∙I_н = 2∙532 = 1064 Вт;

- на трение щеток

Р_кт=р'∙ρ∙s_щ∙2р∙V_к= 3,5∙10⁴∙0,28∙12,24∙10^-4∙2∙3∙24,94 = 1795 Вт

при давлении щеток р' = 3,5∙104 Н/м² (350 г/см²) и коэффициенте трения ρ=0,21.

Магнитные потери в якоре без учета добавочных потерь

P_’Fe=σ_Fe ∙f^1.6 ∙10² ∙(B_z⅓² ∙V_z ∙k_z +B_a ∙V_a)= =0,9∙471,6∙10²∙(2,72∙0,0075∙1,2+1,262∙0,0425) = 6003 Вт,

где σ_Fe — удельные потери в стали марки 2212;

k_z — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения индукции по высоте зубца [1, рис. 13.11].

С учетом добавочных потерь [1, табл. 13.4] потери в стали, будут равны:

Р_Fе = Р’_Fе ( 1 + k_Fe) = 6003∙( 1 + 0,3) = 7804 Вт.

Потери на трение в подшипниках

Р_п = 30∙(⁴√1000∙P_н) = 30∙(⁴ √1000∙650) = 852 Вт.

Потери на трение о воздух

Р_в =7∙D⁴_a ∙(l _a +∑l _в )∙n_Н³∙10^-6 =7∙0,66⁴∙(0,28+ 0,27) ∙916³∙10^-6= 561 Вт.

Механические потери:

Р_мех =Р_п +Р_в =852+561=1413 Вт.

Сумма потерь:

∑Р= Р_CuN + Р_Cuw + Р_{Cu ko} + P_{Cu s} + Р_к.э + Р_кт + Р_Fе + Р_п +Р_в =

= 12420+4921+4257+10610+1064+1795+7804+852+561 = 44280 Вт.

Определив потери двигателя, находим его к.п.д.

η= Р_н/(Р_н + ∑Р) = 650/(650 + 44,280) = 0,936.

Ток двигателя при номинальной мощности

I_н= Р_н/U_н∙ η = 650∙10³/1300∙0,936= 534,188 А.

Вследствие незначительности расхождения с расчетным током I_н =532 А поправок в расчет не вносим.