Расчет коллекторного двигателя постоянного тока малой мощности

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….стр 4

 

1.Расчет коллекторного двигателя постоянного тока малой мощности….стр 6

 

1.1Задание на проект и исходные данные………………………………….стр 6

 

1.2 Основные размеры двигателя…………………………………………….стр 6

 

1.3 Обмотка якоря……………………………………………………………..стр 8

 

1.4 Размеры зубцов, пазов и проводов обмотки якоря..…………………...стр 10

 

1.5 Коллектор и щетки …………………………………………………… стр 14

 

1.6 Коммутационные параметры …………………………………………...стр 17

 

1.7 Магнитная система машины…………………………………………….стр 18

 

1.8 Выбор и расчет постоянных магнитов………………………………….стр 20

 

1.9 Потери и коэффициент полезного действия……………………………стр 28

 

1.10 Тепловой расчет электродвигателя……………………………………стр 33

 

Заключение…………………………………………………………………...стр 35

 

Список используемых источников………………………………………….стр 36

 

 

 

Расчет коллекторного двигателя постоянного тока малой мощности

 

1.1 Задание на проект и исходные данные

 

Рассчитать и разработать конструкцию двигателя постоянного тока малой мощности со следующими данными.

Полезная мощность Р_ном=55 Вт. Номинальное напряжение сети U_ном=110 В. Номинальная частота вращения вала n_ном=2400 об/мин. Диаметр корпуса D_корп=0,07 м. Возбуждение от постоянных магнитов. Исполнение по степени защиты IP 44, по способу охлаждения - с естественным охлаждением без внешнего вентилятора IC0040. режим работы кратковременный S2-30. Изоляция класса нагревостойкости B.

 

Определение основных размеров двигателя постоянного тока.

 

Определение основных размеров двигателя (диаметра якоря D и длины якоря l_δ) является одним из важнейших этапов в ходе расчета двигателя, так как правильно выбранные размеры якоря обеспечивают требуемый тепловой режим, соответствующий выбранному классу нагревостойкости изоляции, и рациональное использование применяемых в машине материалов.

 

Ток якоря при нагрузке машины

А

 

где η - предварительное значение КПД электродвигателя, выбирается из диапазона от 0,6 до 0,75. Выбираем КПД равным 64%, т.е. η=0,64.

 

Электромагнитная мощность двигателя

 

Вт.

 

Диаметр якоря

м

 

Принимаем D=0,048 м.

где α_δ=0,647 - коэффициент полюсного перекрытия (его значе ние выбирают из диапазона 0,6-0,7);

В_δ=0,22 Тл - магнитная индукция в воздушном зазоре, принимается равной индукции магнита в оптимальной рабочей точке кривой размагничивания предварительно выбранной марки магнита (для феррит бариевых магнитов выбирают из диапазона 0,1-0,25 Тл);

А΄=80∙10² А/м - предварительное значение токовой линейной нагрузки, её значение выбирают из диапазона 7000-20000 А/м при кратковременном режиме работы двигателя;

λ=1,22 - отношение длины магнитопровода якоря к его диаметру, это значение выбирают из диапазона 0,5-1,8.

По приложению А из стандартного ряда размеров выбираем диаметр якоря D=0,048 м

 

Расчетная длина якоря

l_δ= λ∙D=1,22∙0,048=0,059

 

Окружная скорость вращения якоря

м/с

 

Полюсное деление

м

принимаем 2p=2

 

1.2.7 Расчетная ширина полюса (магнита)

Выбираем конструкцию полюса без полюсного наконечника

 

b_δ=b_м= α _δ ∙τ=0,647 ∙0,075=0,049 м

 

Частота перемагничивания стали якоря

Гц

 

1.3 Обмотка якоря

 

Для двухполюсной конструкции двигателя выбираем простую петлевую обмотку с числом параллельных ветвей 2а=2p

 

Предварительное общее число эффективных проводников обмотки якоря

 

принимаем =3088

 

Число пазов якоря

 

z=(3 - 4)∙D∙100=(3 - 4) ∙0,048∙100=14,4 – 19,2

 

принимаем z=19.

 

Число коллекторных пластин

 

k=2z=2∙19=38

 

Предварительное число витков в секции обмотки якоря

 

 

принимаем число витков в секции обмотки равное округленному значению, т.е. ω_с=40

 

Уточненное число проводников обмотки якоря

 

N=ω_с∙2∙k=40∙2∙38=3040

 

Число проводников обмотки якоря в пазу якоря

 

 

Уточненное значение токовой линейной нагрузки

 

при этом должно выполниться условие

 

 

 

0,016<0,1 - условие выполняется

 

Шаги обмотки якоря

 

а) первый частичный шаг

 

 

 

б) результирующий шаг

 

 

в) второй частичный шаг

 

y₂=y – y₁=37 – 19=18

 

г) шаг обмотки по пазам

 

 

 

Обмоточные шаги должны быть целыми числами. Укорочение шага ε и ε_к выбирают такими, чтобы шаги обмоток были целыми числами.

1.4 Размеры зубцов, пазов и пр оводов обмотки якоря

 

В двигателях малой мощности применяют полузакрытые пазы якоря круглой или овальной формы, форма приведена на рисунке 1.

Обмотку якоря электродвигателя постоянного тока малой мощности выполняют из круглого медного обмоточного провода с эмалевой изоляцией класса нагревостойкости B и F и укладывают в изолированные пазы якоря.

Выбираем для зубцового якоря проектируемого двигателя овальную форму паза. Якорь выбираем со скосом пазов для уменьшения шумности двигателя. Пазовая изоляция – изидофлекс толщиной 0,35∙10^{-3 м, то есть} b_из=0,35∙10^{-3 м.}

Принимаем волновую обмотку с круглыми проводами с эмалевой изоляции класса нагревостойкости B. Выбираем марку провода ПЭТВ ОСТ 160.505.001-74. Сердечник якоря выполняется шихтованным из листов электротехнической стали 2013 ГОСТ 21427.2-83 толщиной 0,5 мм.

 

2,5 2,2 0,5

 

0,8

 

Ø 5,1

Ø3,8

 

Рисунок 1 – Формы пазов якоря

 

Предварительное значение плотности тока в обмотки якоря.

При кратковременном режиме работы предварительное значение плотности тока в обмотки якоря выбирают из диапазона (5-20)∙10^6­ А/м²

Принимаем j΄=8∙10^6­ А/м^2­­

Высота паза якоря

 

 

Площадь паза якоря

 

 

где - коэффициент скоса пазов якоря;

 

- зубцовое деление.

 

Ширина зубца якоря

 

 

необходимо чтобы b_z≥0,002 м - это условие выполняется

 

Коллектор и щетки

 

В электродвигателях постоянного тока малой мощности, как правило, применяют коллектор на пластмассе. Коллекторные пластины коллектора изготовляют из твердотянутой меди и изолируют их друг от друга и от вала якоря пластмассой. Конструкция щеткодержателя должна обеспечить правильное положение щеток на коллекторе. Щетка должна выступать из втулки щеткодержателя на 1 - 2 мм.

В низковольтных электродвигателях преимущественно применяют медно-графитовые щетки.

Выберем предварительное значение наружного диаметра коллектора

принимаем

 

Размеры щетки

 

а) предварительная ширина щетки

 

 

б) предварительная длина щетки по оси коллектора

 

 

Уточняем размеры щеток, выбирая стандартные размеры щетки по таблице Д.2 приложения Д

 

b_щ=4∙10^{-3 м}

a_щ=5∙10^{-3 м}

h_щ=2∙a_щ=2∙5∙10^-3=0,01 м

 

Длина коллектора

 

а) активная часть коллектора по оси вала

 

 

б) полная длина коллектора по оси вала

 

 

принимаем

 

Проверка коммутации

 

Так как в электродвигателе постоянного тока малой мощности добавочные полюсы в коммутационной зоне отсутствуют, а щетки на коллекторе обычно располагаются на геометрической нейтрали, то процесс коммутации тока в короткозамкнутой секции обмотки якоря получается замедленным из-за наличия в них реактивной ЭДС (е_р) и ЭДС поля якоря (е_а). Эти ЭДС суммируются и вызывают в цепи короткозамкнутой секции добавочный ток, увеличивающий плотность тока на сбегающем крае щетки. В момент размыкания коммутируемой секции между краем щетки и сбегающей коллекторной пластиной возникает искрение. Интенсивность этого искрения зависит от величины результирующей ЭДС в короткозамкнутой секции. Во избежание недопустимого искрения под щетками величина результирующей ЭДС в секции не должна превышать определенного значения. Коммутация тока в секции может также ухудшится вследствие влияния поля полюсов, если ширина коммутационной зоны будет близка к расстоянию между краями наконечников двух соседних полюсов.

1.6.1 Ши рина коммутационной зоны

 

b_зк <0,8(τ-b_δ)=0.8^.(0.075 – 0.049)=0.021

 

Обмотки якоря

 

е=е_р+е_а=0,705+0,792=1,497 В

 

Коммутация благоприятна так как е<1,5 В

1.7 Магн итная система машины

 

3,3 59

 

 

 

 

Рисунок 2 – Магнит постоянного сечения

 

Принимаем конструкцию магнитной системы проектируемого двигателя с отъемными полюсами, представляющие собой внешнее сплошное ярмо, выполненное из Ст3, к которому крепятся постоянные магниты в виде скоб с радиальной намагниченностью без полюсных наконечников; сердечник якоря выбран зубцовым и набран из пластин электротехнической стали 2013 ГОСТ 21427.2 - 83 толщиной 0,5 мм с оксидированным изоляционным слоем.

 

Высота ярма якоря

 

 

где D₀=(0,18-0,24) ∙D=(0,18-0,24) ∙0,048=(0,00936-0,01248) м - диаметр вала якоря

 

принимаем D₀ =0.01

 

Индукция в ярме якоря

 

 

Необходим чтобы B_j<1,9 Тл - это условие выполняется

 

Размеры станины

 

а) площадь поперечного сечения станины

 

 

где σ=1,12 - коэффициент рассеяния магнитной системы;

 

В_с=1,4 Тл - индукция в станине, её значение выбирают в диапазоне до 1,6 Тл.

 

б) осевая длина станины

 

l_c=l_δ+0,2∙D=0,059+0,2∙0,048=0,068 м

в) высота станины

 

 

где k_с=1 - если станина выполняется сплошной.

 

 

Предварительные размеры магнита при радиальном расположении в магнитной системе

 

а) длина магнита

 

где h_корп=0,003 м - толщина корпуса

 

б) высота магнита

 

h_м=l_δ =0,059 м

 

в) ширина магнита

 

b_м=b_δ=0,049 м

 

Предварительный объем магнита на один полюс

 

1.8.14 Удельная магнитная энергия, отдаваемая постоянным магнитом объемом во внешнюю цепь электродвигателя

 

Масса стали ярма якоря

 

Масса стали зубцов якоря

 

 

Потери в стали якоря

 

 

Добавочные потери

 

 

Сумма потерь

 

 

Кратность пускового момента

 

 

 

где

 

 

Введение

История развития электромашиностроения, начиная со времени открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции (1831 г.) и до середины 80-х годов прошлого столетия, представляет по существу историю развития машин постоянного тока. За это время она прошла четыре этапа развития, а именно: 1) машины магнитоэлектрического типа с постоянными магнитами, 2) машины электромагнитного типа с независимым возбуждением, 3) машины того же типа с самовозбуждением и элементарным типом якоря и 4) машины много полюсного типа с усовершенствующим якорем.

Первый этап развития машины постоянного тока, охвативший время с 1831 по 1851 г., неразрывно связан с именами русских ученых Э.Х. Ленца и Б.С. Якоби.

Второй и третий этапы развития машины постоянного тока, охватывающий время с 1851 по 1871 г., характеризуется переходам к машинам электромагнитного типа, с начала с независимым возбуждением, а затем с самовозбуждением, а так же переход от двухполюсной машины к многополюсной.

На четвертом этапе своего развития - с 1871 по 1886 г. - машина постоянного тока приобрела все основные черты современной конструкции. Были предложены и осуществлены: машина с самовозбуждением Грамма, внедрившая в промышленность кольцевой якорь Пачинотти; нормальный в настоящее время тип барабанного якоря (Гефнер - Альтенек, 1871 г.); типы простых петлевых и волновых обмоток в их главных модификациях, последовательно - параллельных обмоток Арнольда, смешанные (лягушачьи) обмотки, уравнительные соединения обмоток (Мардей, 1883 г.,), добавочные полюсы для улучшения коммутации (Метер, 1885 г.) и компенсационные обмотки для компенсации реакции якоря (Менгес, 1884 г.), делитель напряжения М.О. Доливо-Добровольского.

Коллекторные двигатели постоянного тока с возбуждением постоянными магнитами мощностью до 200 Вт находят широкое применение в системах электроприводов систем автоматики, робототехники и транспортных средств. Двигатели разрабатываются на напряжение 6 - 110 В и частотой вращения 1500 - 6000 об/мин. Для двигателей постоянного тока рассматриваемого диапазона мощности с диаметром корпуса 20 - 80 мм целесообразно использовать конструкцию с радиально расположенными магнитами. При этом целесообразно применять волновую обмотку якоря, не требующую уравнительных соединений. Число полюсов рекомендуется выбирать в диапазоне 2р = 2 - 6.

Увеличение числа полюсов снижает размеры и массу ярма

статора и якоря, но увеличивает магнитные потоки рассеяния и

потери в стали из-за увеличения частоты перемагничивания. Пазы якоря

выбирают овальной или круглой формы, обеспечивающие постоянную

толщину зубца не менее 2 мм.

Применение постоянных магнитов с высокой удельной энергией типа феррит бария позволяет улучшить массогабаритные, энергетические и стоимостные показатели двигателя постоянного тока.

Приведена методика аналитического расчета коллекторного двигателя постоянного тока с возбуждением от феррит бариевых постоянных магнитов, позволяющая получить заданные технические параметры при лимитированном габарите и заданном тепловом режиме электродвигателя.

 

 

 

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………….стр 4

 

1.Расчет коллекторного двигателя постоянного тока малой мощности….стр 6

 

1.1Задание на проект и исходные данные………………………………….стр 6

 

1.2 Основные размеры двигателя…………………………………………….стр 6

 

1.3 Обмотка якоря……………………………………………………………..стр 8

 

1.4 Размеры зубцов, пазов и проводов обмотки якоря..…………………...стр 10

 

1.5 Коллектор и щетки …………………………………………………… стр 14

 

1.6 Коммутационные параметры …………………………………………...стр 17

 

1.7 Магнитная система машины…………………………………………….стр 18

 

1.8 Выбор и расчет постоянных магнитов………………………………….стр 20

 

1.9 Потери и коэффициент полезного действия……………………………стр 28

 

1.10 Тепловой расчет электродвигателя……………………………………стр 33

 

Заключение…………………………………………………………………...стр 35

 

Список используемых источников………………………………………….стр 36

 

 

 

Расчет коллекторного двигателя постоянного тока малой мощности

 

1.1 Задание на проект и исходные данные

 

Рассчитать и разработать конструкцию двигателя постоянного тока малой мощности со следующими данными.

Полезная мощность Р_ном=55 Вт. Номинальное напряжение сети U_ном=110 В. Номинальная частота вращения вала n_ном=2400 об/мин. Диаметр корпуса D_корп=0,07 м. Возбуждение от постоянных магнитов. Исполнение по степени защиты IP 44, по способу охлаждения - с естественным охлаждением без внешнего вентилятора IC0040. режим работы кратковременный S2-30. Изоляция класса нагревостойкости B.