Электродвигатель постоянного тока мощностью 400 Вт для бытовой техники

Строим характеристику холостого хода (намагничивания) – зависимость удельной ЭДС от суммарной МДС на один полюс  и переходную характеристику – зависимость индукции в воздушном зазоре  от МДС переходного слоя на один полюс (черт. РР1).

3.12 Расчет обмоток возбуждения

Размагничивающее действие реакции якоря определяем по переходной характеристике (черт. РР1) по методике п.10.5 [2].

При нагрузке под действием поля поперечной реакции якоря  магнитное поле в воздушном зазоре искажается: под одним краем полюса индукция индукция уменьшается, под другим возрастает. При значительной поперечной реакции якоря может произойти опрокидывание поля под одним краем полюса и индукция примет отрицательное значение. Минимальное значение намагничивающей силы под сбегающим краем полюса (для режима двигателя) определится:

=319-11978×0,085/2=-190 A,

Из переходной характеристики определяем (автоматически программой) минимальное значение магнитной индукции в воздушном зазоре под сбегающим краем полюса =-0,26.

Тому що поле реакції якоря замикається по контуру: зубці якоря, спинка якоря, повітряний зазор, полюсний наконечник, то повітряний зазор вибирають таким, щоб індукція  протягом усієї полюсної дуги не змінювала свого напрямку. Якщо <0 необхідно збільшити повітряний зазор  у п.3.7.10, а потім повторити розрахунок, починаючи з п.3.7.10.

Максимальное значение намагничивающей силы под набегающим краем полюса:

=319+11978×0,085/2=828 A,

Из переходной характеристики определяем максимальное значение магнитной индукции в воздушном зазоре под набегающим краем полюса = 0,624

Из (10.35) [2] определяем среднее значение индукции в воздушном зазоре под нагрузкой:

=(-0,26+4× 0,44+ 0,624 )/6=0,354 Тл,

где - номинальное значение индукции в воздушном зазоре в режиме холостого хода

Из переходной характеристики определяем (автоматически программой): = 253 А.

Определяем МДС поперечной реакции якоря:   

=319- 253 =66 А

Продольная коммутационная МДС якоря в машинах малой мощности возникает в результате смещения нейтральной точки обмотки с геометрической нейтрали при замедленной коммутации тока в короткозамкнутых секциях. В машинах без добавочных полюсов и положении щёток на геометрической нейтрали процесс коммутации в короткозамкнутых секциях якоря получается замедленным. В этом случае коммутационная МДС якоря у двигателей усиливает поле полюсов. Её величина определяется следующим путём.

Переходное падение напряжения в щёточном контакте на пару щёток марки ЭГ-14 по табл. П4.2 [2] =2,5 В, составляющие переходного падения напряжения в контакте щёток =2,1 В, =0,4 В по [4].

Сопротивление щёточного контакта

=2∙2,5/(4∙ 2,21)=0,566 Ом.

Период коммутации

0,004/6,28=0,000637 с.

Средняя длина силовой линии поперечного поля якоря в междуполюсном пространстве двигателя

(0,115-0,085)/2=0,015 м.

Средняя эквивалентная индуктивность секции якоря

2∙24∙ 6,638∙10-6∙11978∙0,044∙0,004∙ 0,073/ (2,21∙0,04)=0,000084 Гн.

Коэффициенты определяются:

0,566∙0,000637/0,000084=4,29;

1,7∙2,1∙4,29/2,5=6,126;

1,7∙0,4∙4,29/2,5=1,167.

Коммутационная МДС якоря на один полюс

 0,0117∙11978/(6,126+1,167+1))∙ (1+0,2∙3,14∙0,115/(0,015∙ 6,638))=15 А.

Для устойчивой работы двигателя при изменении нагрузки на валу применим стабилизирующую последовательную обмотку. Без стабилизирующей обмотки возбуждения с увеличением нагрузки на валу двигателя увеличивается ток якоря и увеличивается размагничивающее действие реакции якоря на основной магнитний поток главных полюсов. При достаточно большом значении реакции якоря зависимость частоты вращения якоря от мощности на валу двигателя имеет не падающий, а возрастающий характер, что приводит к неустойчивому режиму работы двигателя. МДС последовательной стабилизирующей обмотки возбуждения должна компенсировать МДС реакции якоря. Поэтому принимаем МДС стабилизирующей обмотки равной МДС поперечной реакции якоря (направлены навстречу друг другу) ==66 А.

Число витков стабилизирующей обмотки на один полюс

66/ 2,21=29,86

Принимаем =30 витков.

Уточняем МДС стабилизирующей обмотки при номинальном режиме работы

30∙ 2,21=66,3 А.

Сечение и диаметр провода последовательной обмотки возбуждения. Плотность тока в обмотке предварительно выбираем для машин со степенью защиты IP22 по п.10.7: 5000000 А/м2.

Расчетное сечение провода предварительно

= 2,21/5000000=0,000000442 м2.

Принимаем по табл. 10.18 [2] круглый провод ПСД: по табл. П.3.1 [2] диаметр голого провода dГСО=0,00075 м, диаметр изолированного провода = 0,000815 м; = 0,000915 м,

сечение провода = 0,000000442 м2.

Окончательная плотность тока в проводнике стабилизирующей обмотки возбуждения

= 2,21/0,000000442=5000000 А/м2.

Средняя длина витка стабилизирующей обмотки

=2×(0,044+0,036= 0,160 м.

Полная длина обмотки

2×0,160×30=9,60 м.

Сопротивление стабилизирующей обмотки возбуждения при °С

=9,60/(57×106×0,000000442)= 0,38 Ом.

Сопротивление стабилизирующей обмотки возбуждения при  °С

1,22× 0,38 =0,46 Ом.

Масса меди стабилизирующей обмотки

8900×9,60×0,000000442= 0,0378 кг.

Выбираем изоляцию обмоток: изоляция сердечника: эпоксидная смола, толщина 1 мм.

Потребная площадь окна для размещения стабилизирующей обмотки возбуждения на полюсе

30∙0,0009152∙106/0,84=30 мм2,

где =0,82...0,88 – коэффициент, учитывающий возможные неточности намотки рядов провода в катушке. Фактическая площадь окна для размещения обмотки возбуждения на полюсе

1,2∙30=36 мм2.

Продольная составляющая МДС якоря  на один полюс возникает вследствие самопрозвольного сдвига щёток с геометрической нейтрали по механическим причинам и неточности установки и в малых машинах незначительна:

=0,00025∙10-2∙11978= 3,0 А.

Необходимая МДС шунтовой обмотки возбуждения на один полюс

347+66-66,3-15-3,0=328,7 А.

Вначале принимаем значение  согласно полученному по формуле. Затем выполняем расчет по пп..3.11.5-3.13.12. При несовпадении значения частоты вращения в номинальном режиме (при расчете рабочих характеристик в п.3.13.12 ) корректируем . После корректировки принимаем 329 А.

Принимаем предварительно ширину катушки параллельной обмотки

0,5∙(0,083-0,036)=0,024 м,

толщину изоляции обмотки возбуждения (изоляция сердечника полюса- эпоксидная смола толщиной 1 мм) 0,001 м. тогда средняя длина витка обмотки по (10.57) [2]

2×(0,044+0,036)+×(0,024+0,001)=

=0,239 м.

Расчетное сечение меди параллельной обмотки при последовательном соединении катушек полюсов по (10.58) [2]

1,1×2×329×0,239/(220×57×106)=

= 0,00000001379 м2,

где  - коэффициент запаса.

Принимаем по табл. 10.18 [2] круглый провод ПСД: по табл. П.3.1 [2] диаметр голого провода  м, диаметр изолированного провода = 0,0001 м; сечение провода = 0,00000000502 м2.

Номинальную плотность тока принимаем для машин со степенью защиты IP22 по п.10.7:

3500000 А/м2.

Число витков на полюс по (10.64) [2] с учетом выбранного сечения провода

329∙0,00000000502/(3500000× 0,000000013792)=2481.

Потребная площадь окна для размещения обмотки возбуждения на полюсе

2481∙0,00012∙106/0,84=30 мм2,

где =0,82...0,88 – коэффициент, учитывающий возможные неточности намотки рядов провода в катушке. 3.12.20. Фактическая площадь окна для размещения обмотки возбуждения на полюсе

1,2∙30=36 мм2.

На основании  производится размещение обмотки возбуждения и уточнение высоты сердечника полюса.

Определяем номинальный ток возбуждения:

329/2481=0,13 А.

Полная длина обмотки

2×0,239×2481=1186 м.

Сопротивление обмотки возбуждения при  °С

=1186/(57×106×0,00000000502)=4145 Ом.

Сопротивление обмотки возбуждения при  °С

1,22×4145=5057 Ом.

Масса меди параллельной обмотки

8900×1186×0,00000000502= 0,05 кг.

Выбираем изоляцию обмоток: изоляция сердечника: эпоксидная смола, толщина 1 мм.

3.13 Потери и КПД

Электрические потери в обмотке якоря по п. 10.10 [2]

 2,212×16,69=81,5 Вт.

Электрические потери в обмотке возбуждения :

220×0,13= 28,6 Вт.

Электрические потери в переходном контакте щеток на коллекторе

2,5× 2,21=5,5 Вт.

Потери на трение щеток о коллектор

0,00004×30000×0,2×6,28=1,5 Вт,

где - давление на щетку; для щетки марки ЭГ - 14  Па.

f = 0,2 - коэффициент трения щетки.

Потери в подшипниках определяются следующим путём [4].

Масса якоря с обмоткой и валом (стр. 232) [2]

6500∙ 0,0732∙0,044= 1,5 кг.

Масса коллектора с валом (стр. 232) [2]

6100∙0,042∙0,009= 0,1 кг.

Потери в подшипниках

1,5∙( 1,5+ 1,5)∙ 3000 10-3=7,2 Вт.

Потери на трение якоря о воздух при скорости вращения до 12000 об/мин

2∙ 0,0733∙30003∙0,044∙10-6=0,92 Вт.

Масса стали спинки ярма якоря по (10.103) [2]

7800××(( 0,073-2×0,02)2-0,0152)×0,044 ×0,95/4= 0,22 кг

Условная масса стали зубцов якоря по (10.101) [2]

7800×26× 0,0031 ∙0,02× 0,044 ×0,95= 0,53 кг

Магнитные потери в ярме якоря

a)= =2/2×3000/60= 50 Гц;

б) 2,3×1,75×( 50/50)1,4× 1,272× 0,22=1,43 Вт,

где p1,0/50=1,75 Вт/кг, по табл 6-24 [2] для стали 2312.

Магнитные потери в зубцах якоря

 2,3×1,75×( 50/50)1,4× 1,362× 0,53=3,95 Вт,

Добавочные потери

220× 2,6=5,72 Вт.

Сумма потерь

81,5+ 28,6+5,5+1,5+7,2+0,92+3,95+1,43+5,72 =136 Вт.

Потребляемая мощность

=400+136=536Вт.

Коэффициент полезного действия по (8-97) [2]

400/(400+136)= 0,746.

3.14 Рабочие характеристики

Для построения рабочих характеристик двигателя  при номинальном напряжении и токе возбуждения  принимаем, что потери холостого хода с нагрузкой практически не изменяются и составляют:

1,5+7,2+0,92+3,95+1,43=15,00 Вт.

МДС поперечной реакции якоря  для нескольких значений тока якоря позволяют представим зависимостью  от тока I в виде (п.12-14 [3]):

=66×/ 2,21А.

МДС стабилизирующей обмотки возбуждения  для нескольких значений тока якоря представим зависимостью  от тока I в виде :

=66,3×/ 2,21А.

Продольная коммутационная МДС якоря на один полюс представим зависимостью от тока I

0,5∙11978∙(/ 2,21)3∙ 0,0117/((6,126+(1,167+1) / 2,21))∙(1+0,2∙3,14∙0,115/(0,015∙ 6,638))=11,20∙/(6,126+0,98) .

Задаваясь током якоря IТ, определяем ЭДС обмотки якоря:

б)220-×16,69-2,5, В.

Вычисляем результирующую МДС возбуждения:

329-66×/ 2,21+66,3×/ 2,21+11,20∙/(6,126+0,98 ), А.

По значению  программа автоматически находит из кривой холостого хода черт. РР1 удельную ЭДС якоря:

,  .

Определяем скорость вращения якоря

, об/мин.

Ток якоря при холостом ходе

=15,00/220=0,07, A.

Вычисляем ток двигателя:

IТ+0,13 A.

Потребляемая мощность двигателя

220×(IТ+0,13) Вт.

Полезная мощность на валу двигателя

(220-×16,69-2,5) -15,00-5,72×( 2,6/ /+0,13)2 , Вт.

Коэффициент полезного действия

.

Вращающий момент

, Н×м.

Результаты расчетов, по пп.15.1-15.12 для ряда значений тока якоря IТ, сведены в табл. 3.4, рабочие характеристики двигателя приведены на черт РР1.

Таблица 3.4 Рабочие характеристики двигателя

В результате расчета и построения рабочих характеристик двигателя установлены номинальные значения:

=400 Вт; =1,24 А; =3000 об/мин; =0,725 Hм;

= 0,13 А; =0,751 ; = 1,24 A;

В табл..3.5 приведены рабочие характеристики двигателя (некоторые из них рассчитаны в относительных единицах) для автоматизированного построения на рис.3.8 при помощи редактора Exel. За базовые величины приняты номинальные значения, приведенные выше.

Таблица 3.5 Рабочие характеристики двигателя в относительных единицах

3.15 Тепловой расчет

Тепловой расчет выполняется согласно п. 10.11 [2] для оценки тепловой напряженности машины и приближенного определения превышения температуры отдельных частей машины.

Для приближенной оценки тепловой напряженности машины необходимо сопротивления обмоток привести к температуре, соответствующей заданному классу изоляции; при классе нагревостойкости В сопротивления умножаются на коэффициент 1,15 .

Расчетные сопротивления:

обмотки якоря

16,69×1,15=19,19 Ом,

обмотки паралельного возбуждения

5057×1,15=5815,55 Ом,

стабилизирующей обмотки последовательного возбуждения

0,46 ×1,15=0,53 Ом.

Потери в обмотках:

1,242×19,19=29,5 Вт,

0,132×5815,55=98,3 Вт,

1,242×0,53 =0,8 Вт,

Коэффициент теплоотдачи с внешней поверхности якоря (по рис.10.29) [2] при 3000∙ 0,073=219 (об/мин)∙м 90 .

Превышение температуры охлаждаемой поверхности якоря над температурой воздуха внутри машины определяется по (10.133) [2]:

(29,5(2×0,044/0,25)+3,95+1,43)/

/(× 0,073×0,044×90)= 17 .

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки якоря определяется по (10.135) [2]:

a) периметр поперечного сечения паза по по (10.124) [2]:

2∙19 + 0,0055+ 0,0009= 0,0444 м;

б) перепад температуры

29,5×(2×0,044/0,25)/(26× 0,0444×0,044)∙∙(( 0,0055+ 0,0009)/(16×1,4)+0,0005 /0,16)= 0,70,

где 1,4

Превышение температуры охлаждаемой поверхности лобовых частей обмотки якоря над температурой воздуха внутри машины определяется из (10.134), (10.125) [2]:

29,5×(1-2×0,044/0,25)/(× 0,073×2×(0,2×0,115)× 90)= 10 ,

где 90  - коэффициент теплоотдачи с лобовых поверхностей обмотки якоря по рис. 10.29 [2] при 3000∙ 0,073=219 (об/мин)∙м; 0,023 м - вылет лобовых частей обмотки якоря.

Перепад температуры в изоляции лобовой части обмотки якоря определяется из:

а) ×=0,0444м;

б) 29,5×(1-2×0,044/0,25)×0,02/ (2×26×0,0444×8×1,4)= 0,015 .

Среднее превышение температуры обмотки якоря над температурой воздуха внутри машины определяется из (10.138) [2]:

 17+ 0,70)∙ ×2×0,044/0,25+( 10+ 0,015)×(1-2×0,044/0,25)= 13

Сумма потерь, отводимых охлаждающим внутренний объем двигателя воздухом, согласно (10.120) [2],

136-0,1×98,3=126,17 Вт.

Условная поверхность охлаждения двигателя определяется из (10.137) [2]:

2∙(0,169+0,186) ∙(0,044+2×0,023)=0,064 м2,

Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя, согласно (8-142) [2]:

а) Коэффициент подогрева воздуха, (рис. 10.30) [2], при 3000∙ 0,073=219 (об/мин)∙м 625 .

б)126,17/(0,064×625)= 3,2 .

Среднее превышение температуры обмотки якоря над температурой охлаждающей среды

= 13+ 3,2=16,2 .

Превышение температуры наружной поверхности обмотки возбуждения над температурой воздуха внутри машины:

а) периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения обмотки возбуждения ПВ определяется по эскизу междуполюсного окна; определяют длины участков контура поперечного сечения обмотки; поверхности, прилегающие к сердечнику главного полюса, не учитываются 0,08 м.

б) наружная поверхность охлаждения катушки обмотки возбуждения:

0,239×0,008=0,002 м2;

в) потери мощности ,отводимые охлаждающим внутрение обьёмы машины воздухом ( ориентировочно принимаем 90%):

==0,9×(98,3+0,8)=89,2 Вт;

г) коэффициент теплоотдачи с поверхности обмотки возбуждения (рис. 10.29) [2] при 3000∙ 0,073=219 (об/мин)∙м 42 .

д) = 89,2/(2×0,002×42)= 531 .

Перепад температуры в изоляции катушки:

а) средняя ширина катушки обмотки возбуждения ,определяется по сборочному чертежу двигателя, =0,024 м;

б)89,2/(2×0,002)( 0,024 /(8×1,4)+  0,00000/0,16)= 75,7 ,

где  - часть теплоты катушки обмотки возбуждения, передаваемая через полюс.

1,4

принимаются, как и для изоляции обмотки якоря.

Среднее превышение температуры обмотки возбуждения над температурой охлаждающей среды

 531+ 75,7+ 3,2=609,9 .

Превышение температуры наружной поверхности коллектора над температурой воздуха внутри двигателя:

а) поверхность теплоотдачи коллектора

=3,14×0,04×0,009=0,001130 м2;

б) коэффициент теплоотдачи с поверхности коллектора (по рис. 10.31) [2] для окружной скорости коллектора =6,28 м/с 150 .

в)=( 5,5+1,5)/(0,001130×150)= 41 .

Среднее превышение температуры коллектора над температурой охлаждающей среды (при входе охлаждающего воздуха со стороны коллектора) по (10.150) [2]

= 41+ 3,2=44,2

Таким образом, среднее превышение температуры обмотки якоря 16,2 , обмотки возбуждения 609,9 , коллектора 44,2  над температурой охлаждающей среды, что ниже предельных допускаемых значений для класса изоляции В 90 (130-40).

3.16 Вентиляционный расчет

Вентиляционный расчет выполняется приближенным методом. Метод заключается в сопоствлении расхода воздуха, необходимого для охлаждения для охлаждения двигателя, и расхода, который может быть получен при данной конструкции и размерах двигателя.

Рассчитаем для двигателя аксиальную систему вентиляции.

3.16.1.Необходимое количество охлаждающего воздуха по (8-354) [1]:

a)  - превышение температуры воздуха;

 3,2=6,4 ;

б)126,17/(1100×6,4)=0,018 м3/с,

где  - сумма потерь, отводимых, охлаждающим внутренний объем машины, воздухом.

3.16.2. Расхода воздуха, который может быть получен при данной конструкции и размерах двигателя со степенью защиты IP22 определяем по эмпирической формуле (8.355) [1].

3.16.3. Коэффициент для двигателя с  = 1,1

0,11,1∙3000∙ 0,0732/100=0,018 м3/с.

Система охлаждения двигателя обеспечивает необходимый расход воздуха.

Заключение

1. В результате расчетов получены следующие номинальные харак теристики двигателя постоянного тока:

2. Среднее превышение температуры обмотки якоря 16,2 , обмотки возбуждения 609,9  коллектора 44,2  над температурой охлаждающей среды, что ниже предельных допускаемых значений для класса изоляции В 90  (130-40).

3.Необходимое количество охлаждающего воздуха 0,018 м3/с. Система охлаждения двигателя обеспечивает необходимый расход воздуха.

Список используемых источников

1. Проектирование электрических машин: Учебное пособие для вузов. - В 2-х кн.: кн. 1 /И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин и др; Под ред. И.П. Копылова. – М.: Энергоатомиздат, 1993. -464 с.

2. Проектирование электрических машин: Учебное пособие для вузов. - В 2-х кн.: кн.2 /И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин и др; Под ред. И.П. Копылова. – М.: Энергоатомиздат, 1993. -384 с.

3. Сергеев П.С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин.-М.: Энергия, 1969.-632 с.

4. . Ермолин Н.П. Расчет коллекторных машин малой мощности. Л.: Энергия. 1973. – 216 с.

5. Справочник по электрическим машинам/ Под общ. ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. Т.1. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 456 с.

Страницы: 1, 2, 3