109624 (Методическое руководство по расчету машины постоянного тока (МПТ))

Министерство образования Российской Федерации

Пермский государственный технический университет

Е.Ф.Беляев

РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВНИЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебно-методического

пособия по курсовому проектированию

Пермь 2001

УДК 621.313

Б44

Рецензент

канд. техн. наук, доц. А.И. Судаков

Беляев Е.Ф.

Б44 Расчет и проектирование электрических машин постоянного тока малой мощности: Учебно-метод. пособие по курсовому проектированию / Перм. гос. техн. ун-т. Пермь, 2000. 72 с.

Изложены методы расчета геометрии конструктивных элементов, параметров и рабочих характеристик машин постоянного тока, выполняемые вручную и на ЭВМ. Приведена методика расчета оптимальных размеров магнита постоянного тока для возбуждения машин, а также упрощенный тепловой расчет. Теоретические вопросы проиллюстрированы примерами расчета.

Предназначено для студентов заочных отделений вузов специальности “Электромеханика”, занимающихся изучением вопросов проектирования электрических машин.

УДК 621.313

 Пермский государственный

технический университет, 2000

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование электрических машин (ЭМ) включает расчёт и конструирование. Расчёт машины представляет математически неопределённую задачу т.к. число неизвестных подлежащих определению превышает число уравнений. Поэтому в процессе расчёта приходится задаваться некоторыми величинами используя опыт проектирования подобных машин и экспериментальные данные. В процессе расчёта как правило рассматривают несколько вариантов окончательно принимая наиболее выгодный.

Проектирование электрических машин включает в себя следующие этапы:

1. Составление технического задания. Выясняются основные требования предъявляемые заказчиком к электрической машине соответствие техническим условиям или стандартам если таковые имеются.

2. Предварительный расчёт основных размеров электрической машины и их соответствие техническому заданию.

3. Предварительный расчёт характеристик машины и оценка её нагрева. Анализируются результаты расчётов различных вариантов и производится выбор наиболее соответствующего выбранному критерия оптимальности.

4. Уточнение конструкции электрической машины исходя из результатов предыдущего этапа. Полученные материалы являются основой для составления эскизного проекта машины.

5. Изготовление и испытание опытных образцов электрической машины.

6. Корректировка расчётов размеров и параметров машины с учётом результатов испытаний и составление технического проекта.

7. Выпуск опытной партии электрических машин и составление соответствующей технической документации.

Одновременно с указанными этапами работы производится разработка технологической документации определяются требования к используемым материалам и комплектующим изделиям. При этом технологический отдел конструкторского бюро осуществляет привязку технологического процесса к существующему оборудованию или разрабатывает задание на технологическое оборудование.

Результаты расчёта ЭМ достаточно хорошо согласуются с опытом лишь при проектировании машин средней и большой мощностей. В этом случае расхождение расчётных и экспериментальных данных в среднем не превышает 10%. Для машин малой мощности эти погрешности значительно больше и расхождение между расчётными и опытными данными может достигать 40% .

Исходными данными для проектирования являются следующие данные: полезная мощность Р_н Вт; номинальное напряжение U_н В; частота вращения n_н об/мин; способ возбуждения  последовательное параллельное постоянные магниты; режим работы  продолжительный кратковременный повторно-кратковременный; исполнение  закрытое защищённое.

Расчётный формуляр проектируемой машины должен содержать: исходные данные для проектирования данные расчётов и графическую часть. Последняя включает в себя общий вид и разрез машины эскиз листа статора и якоря эскиз паза в разрезе с обмоткой и изоляцией развёрнутую схему обмотки якоря рабочие характеристики ЭМ. Расчёт габаритов параметров и величин характеризующих МПТ производится с использованием системы СИ.

1. ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ МАШИНЫ

Для уменьшения магнитных потерь магнитопровод якоря МПТ малой мощности набирается из штампованных листов электротехнической стали толщиной 02 035 и 05 мм. Размеры якоря определяются мощностью машины частотой вращения и режимом её работы.

1. Для определения размеров якоря используют расчётную (электромагнитную) мощность которая зависит от ЭДС обмотки якоря.

Для двигателя постоянного тока

 (1.1)

где Е, _a  ЭДС и ток якорной обмотки;

U  напряжение, подводимое к двигателю;

U_щ  падение напряжения в щётках;

Р_н  номинальная мощность двигателя;

_н  номинальный КПД двигателя;

Р_м Р_щ  потери в якорной цепи и щётках двигателя при номинальном токе.

Потери в обмотке якоря и щётках для длительного режима можно принять равными 2/3 общих потерь двигателя:

 (1.2)

где Р_  суммарные потери двигателя.

В этом случае расчётная мощность двигателя определяется следующим выражением:

. (1.3)

В электродвигателях повторно-кратковременного или кратковременного режимов работы потери в меди обмотки и щётках составляют в среднем около 34 общих потерь. Поэтому для определения расчётной мощности используется формула

. (1.4)

В генераторах постоянного тока продолжительного режима потери в обмотке якоря и щётках составляют в среднем около половины общих потерь. Расчётная мощность для этих машин может быть рассчитана по формуле

(1.5)

где _в  ток возбуждения генератора.

Это выражение обычно преобразовывают к виду

. (1.6)

Значения КПД двигателя и генератора в зависимости от мощности и режима работы представлены в табл. 1.

Таблица 1

Значения КПД машин постоянного тока %

Приведённые величины КПД являются ориентировочными и слабо влияют на габариты МПТ. Более точные значения КПД получаются после полного её расчёта.

2. Величина тока якоря рассчитывается по следующим выражениям:

а) для двигателя последовательного возбуждения

; (1.7)

б) для двигателя параллельного возбуждения

; (1.8)

в) для генератора параллельного возбуждения

. (1.9)

Предварительное значение тока возбуждения может быть принято равным 10  20 от величины полного тока причём большее значение  для машин меньшей мощности.

ЭДС обмотки якоря рассчитывается через ранее найденную расчётную мощность:

(1.10)

3. Машинную постоянную рассчитывают по уравнению

(1.11)

где   коэффициент полюсной дуги,  = 06  07

В_  магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл

AS  линейная нагрузка якоря, А/м.

Величины магнитной индукции и линейной нагрузки зависят от мощности и скорости вращения якоря машины. Ориентировочные значения этих величин представлены в табл. 2.

Магнитная индукция и линейная нагрузка определяют габариты машины: чем больше эти величины тем меньше её размеры. Однако при чрезмерных значениях магнитной индукции происходит сильное насыщение участков магнитопровода машины возрастает МДС обмотки возбуждения и следовательно увеличиваются размеры машины. Кроме того происходит интенсивный нагрев магнитопровода и снижение КПД машины.

Таблица 2

Магнитная индукция и линейная нагрузка

для машин постоянного тока малой мощности

При чрезмерных значениях линейной нагрузки увеличивается реактивная ЭДС коммутируемых секций что вызывает ухудшение коммутации МПТ. Помимо этого значительно возрастает поток поперечной реакции якоря вследствие чего может произойти перемагничивание полюса. Для исключения этого явления приходится увеличивать воздушный зазор машины и габариты обмотки возбуждения. Для крупных МПТ значения магнитной индукции составляют 05-10 Тл линейной нагрузки  до 10000  60000 А/м.

Отношение длины якоря l_o к его диаметру D_a изменяется в широком диапазоне: