Электродвигатель постоянного тока мощностью 400 Вт для бытовой техники

Электродвигатель постоянного тока мощностью 400 Вт для бытовой техники

Міністерство освіти і науки України

Східноукраїнський Національний Університет

імені ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Кафедра електромеханіки

Пояснювальна записка

до курсового проекту на тему:

Электродвигатель постоянного тока мощностью 400 Вт для бытовой техники

ПК 037.000.000 ПЗ

Студент групи ЕТ-661

Дунда А.С.

Керівник проекту

Губаревич О.В.

2010 р.

Реферат

Розроблено двигун постійного струму з шихтованою станиною для побутової техніки. Приведено розрахунок магнітного ланцюга для номінального режиму і визначені основні розміри електродвигуна. Побудовані робочі характеристики. Виконано тепловий та вентиляційний розрахунки.

Введение

Электрические машины в общем объеме производства электротехнической промышленности занимают основное место, поэтому эксплуатационные свойства новых электрических машин имеют важное значение для экономики нашей страны.

Проектирование электрических машин - это искусство, соединяющее знание процессов электромеханического преобразования энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров - электромехаников, умение применять вычислительную технику, при проектировании новой или улучшении старой, уже выпускаемой машины.

Целью настоящего проекта является разработка электродвигателя постоянного тока мощностью 400 Вт с шихтованной станиной для бытовой техники. При этом повышается КПД двигателя, уменьшается металлоемкость и трудоемкость при изготовлении.

В данном проекте произведены расчеты главных размеров электродвигателя, обмотки якоря, обмотки возбуждения, произведены расчеты магнитной цепи и рабочих характеристик машины, выполнены тепловой и вентиляционный расчеты, механический расчет вала.

Электромагнитный, тепловой и вентиляционный расчёты выполнялись по методикам, изложенным в [1]… [4]. Характеристики к.п.д. , а также кривые индукции, и линейной нагрузки якоря малых машин постоянного тока, приведенные на рис. 3.1-3.3, взяты из [4]. Методика электромагнитного, теплового расчета двигателя , и вентиляционного расчета взяты из [1],[2] с использованием некоторых формул, коэффициентов и характеристик, отражающих особенности проектирования малых машин, приведенных в [4].

1.     Технико-экономическое обоснование проекта

1.1 Особенности коллекторных двигателей для бытовых приборов

Коллекторные двигатели постоянного тока и универсальные коллекторные двигатели по целому ряду свойств выгодно отличаются от асинхронных двигателей: они позволяют получать различные частоты вращения; дают возможность просто, плавно и экономично регулировать частоту вращения в широком диапазоне, имеют сравнительно высокий КПД, большие пусковые моменты.

Эти положительные качества способствуют широкому распространению коллекторных двигателей несмотря на наличие у них весьма существенных недостатков, вызываемых наличием щеточно-коллекторного узла, снижающего надежность и требующего дополнительного ухода.

Особенностью коллекторных двигателей является то, что они не имеют дополнительных полюсов и компенсационной обмотки. По конструкции коллекторные двигатели весьма просты, что является несомненным их преимуществом перед рядом других двигателей.

Микродвигатели постоянного тока, выполняются, как правило, двухполюсными. Корпус и ярмо обычно совмещаются. Полюсы и ярма статора штампуются как одно целое из листов электротехнической стали, которые тщательно изолируются. Корпуса в этом случае, если они имеются, выполняются из сплавов алюминия. В двигателях, имеющих бескорпусное исполнение, подшипниковые щиты укрепляются непосредственно на пакете стали статора.

В коллекторных двигателях чаще применяются шариковые подшипники, которые обязательно снабжаются специальными защитными шайбами, уплотнителями, необходимыми для защиты подшипников от угольной пыли, особенно в двигателях с плохой коммутацией, рассчитанных на работу прибольших частотах вращения.

Коллекторы двигателей, как правило, имеют пластмассовую основу. Иногда для увеличения прочности коллекторы снабжаются армирующими кольцами.

1.2 Обоснование проекта

Целью настоящего проекта является разработка электродвигателя постоянного тока с шихтованной станиной. При этом повышается КПД двигателя, уменьшается металлоемкость и трудоемкость при изготовлении. За базовую конструкцию разрабатываемого двигателя принята конструкция двигателя шихтованной станиной квадратного сечения.

При этом необходимо решение следующих задач:

1) максимально возможное расширение диапазона регулирования частоты вращения;

2) максимально возможное уменьшение габаритов и массы двигателя при заданном вращающем моменте (мощности) двигателя при заданном значении высоты оси вращения;

3) улучшение динамических свойств двигателя и их виброакустических характеристик;

4) повышение эксплуатационной надежности.

2. Техническое задание на разработку двигателя

2.1 Наименование КР

Двигатель постоянного тока мощностью 400 Вт для бытовой техники.

2.2 Цель выполнения КР и назначение изделия

Цель выполнения - создание электродвигателя для бытовой техники. Применение электродвигателя повышает КПД привода, уменьшает металлоемкость и трудоемкость при изготовлении.

2.3 Технические требования

2.3.1Требования по назначению

Режим работы продолжительный по ГОСТ 2582-81.

Основные номинальные параметры двигателя.

Мощность -400 Вт.

Напряжение питания обмотки якоря- 220 В.

Напряжение питания обмотки возбуждения - 220 В.

Номинальная частота вращения 3000 об/мин.

Предельные отклонения от номинальных значений параметров по ГОСТ 183-74.

2.3.2 Требования по надежности

Средний срок службы при наработке 30000 часов не менее 15 лет.

Вероятность безотказной работы машины за период 10000 часов эксплуатации (при доверительной вероятности 0,7) - не менее 0,8.

Наработка щеток – 20000 ч.

Коэффициент готовности – 0,9.

2.3.3 Требования по эксплуатации

Двигатели должны изготавливаться в климатическом исполнении УХЛ, рассчитаны на эксплуатацию на высоте над уровнем моря до 1000 м, при температуре окружающего воздуха от 1 до 40 °С и относительной влажности 98% при температуре 35 °С. Двигатели должны соответствовать группе эксплуатации М8 по ГОСТ 17516-77.

Степень защиты двигателя ІР22 по ГОСТ 14254-80.

Способ охлаждения двигателя 1С01 по ГОСТ 20459-75.

2.3.4 Конструктивные требования

Конструктивное исполнение IM1001

Двигатель должен изготавливаться с изоляцией не ниже класса В по ГОСТ 8865-70.

Сопротивление изоляции обмоток относительно корпуса и между пазами должно быть:

а) при нормальных климатических условиях в практически холодном состоянии двигателя - не менее 40 МОм.;

б) в нагретом состоянии – не менее 2,5 МОм.;

в) после испытания на влагоустойчивость - не менее 1 мОм.

3. Расчетная часть для номинального режима

3.1 Выбор главных размеров

Предварительное значение КПД электродвигателя 0,71

Ток потребляемый электродвигателем в номинальном режиме (предварительное значение),

400/(0,71×220)= 2,6А.

Ток якоря, принимая ток в независимой обмотке возбуждения равным 10…20% от потребляемого тока, (=),

=0,85× 2,6= 2,21 А.

Потери в обмотках и контактах щёток малых электродвигателей продолжительного режима составляют в среднем около двух третьей общих потерь в них. Следовательно, электромагнитная мощность определяется:

400(100+2∙0,71)/(3×0,71)=454,5 Вт.

Выбираем линейную нагрузку якоря предварительно по рис. 3.2 для

400/3000=133∙10-3,

затем уточняем после проверки коммутации в п.3.6.3 и 3.6.4. Окончательно получим

Индукция в воздушном зазоре 12000 А/м. для 133∙10-3 0,45 Тл.

Коэффициент полюсной дуги 0,6…0,72, выбираем 0,72

Рис. 3.1. Кривые КПД малых машин постоянного тока в зависмости от полезной мощности на валу

Рис.3.2. Индукция в воздушном зазоре и линейная нгрузка якоря

Отношение длины пакета якоря к его диаметру для машин малой мощности находится обычно в пределах 0,4...1,6.

Выбираем =0,6

Диаметр якоря

(6×454,5)/(0,72×12000×0,45× 0,6∙×3000)1/3= 0,073 м.

При отсутствии радиальных вентиляционных каналов  равна полной длине сердечника якоря =lп=0,6∙ 0,073=0,044 м.

Число полюсов принимаем =2

Полюсное деление

(3,14× 0,073)/2=0,115 м.

Действительная ширина полюсного наконечника

=0,72×0,115=0,083 м.

Расчетная ширина полюсного наконечника (полюсной дуги) малых машин вследствие насыщении тонких полюсных наконечников на 2-3% больше длины действительной полюсной дуги

 =1,025∙0,72×0,115=0,085 м.

3.2 Выбор обмотки якоря

Ток параллельной ветви

 2,21/2= 1,1 А.

При двухполюсном исполнении применяется простая петлевая обмотка, при четырёхполюсном-простая волновая. Выбираем простую петлевую обмотку с числом параллельных ветвей, равным числу полюсов (это свойство простой петлевой обмотки) =2

Предварительное общее число эффективных проводников по (10.4) [2]

(× 0,073×12000)/ 1,1=2 501.

Выбор числа пазов якоря (по опыту построенных электродвигателей малой мощности) производится по следующему приближенному соотношению:

=(3…4)∙102 0,073 =(22…29)

Принимаем число пазов якоря: =26

(× 0,073)/26= 0,0088 м.

Число эффективных проводников в пазу

2 501/26=96,

принимаем =96 тогда

96×26=2496.

Выбираем паз полузакрытой трапецеидальной формы с параллельными сторонами зубца.

Число коллекторных пластин К для различных значений числа секционных сторон в пазу  выбираем, сравнивая варианты:

Поскольку  должно быть в пределах, не превышающих 15-16 В, принимаем вариант 2: =2, обеспечивающий обмотку с целым числом витков в секции 24. Тогда число коллекторных пластин К=52, число эффективных проводников =2×52×24=2496 число эффективных проводников в пазу =2496/26=96, число секций в обмотке якоря

2496/(2×24)=52.

Уточняем линейную нагрузку:

(2496× 1,1)/( × 0,073)=11978 А/м.

Корректируем длину якоря:

0,044×12000/11978= 0,044 м.

Принимаем = 0,044 м.

Тогда

0,044/ 0,073= 0,60.

Предварительное значение ЭДС для продолжительного режима работы при параллельном возбуждении

=454,5/ 2,21=206 В,

Предварительное значение магнитного потока на полюс

60×206∙2/(2×2496×3000)= 0,00165 Вб.

Сечение воздушного зазора, табл. 10.17 [2],

=0,085×0,044= 0,00374 м2.

Индукция в воздушном зазоре, табл. 10.16 [2],

 0,00165/ 0,00374= 0,44 Тл.

Наружный диаметр коллектора

(0,5¸0,9)× 0,073=(0,037¸0,066) м.

Принимаем: = 0,04 м.

Окружная скорость коллектора

(×0,04×3000)/60=6,28 м/с.

Коллекторное деление

×0,04/52= 0,00242 м.

Полный ток паза

 1,1×96=105,6 А.

Окружная скорость якоря

(× 0,073×3000)/60=11,5 м/с.

Предварительное значение плотности тока в обмотке якоря принимаем 11000000 A/м2.

Предварительное сечение эффективного провода по (10.9) [2]

 1,1/11000000= 0,000000100 м2.

Принимаем по табл. П3.1 [] проводник марки ПСД: по ГОСТ диаметр голого провода dг=0,000355 м; диаметр изолированного провода = 0,000395 м; сечение элементарного проводника = 0,000000099 ; число элементарных проводников = 1 ,

тогда сечение эффективного проводника

1∙0,000000099=0,000000099 м2.

Уточняем значение плотности тока в обмотке якоря

= 1,1/0,000000099=11111111 A/м2

3.3 Расчет геометрии зубцовой зоны

Высота паза якоря (согласно опыту построенных машин) составляет

=(0,24…0,35)∙ 0,073 =(0,018…0,026)

Принимаем 0,020 м.

Ширина зубца по (10.11) [2].

Частота перемагничивания стали зубцов

=(2/2)∙3000/60=50 Гц.

Допустимое значение индукции в стали зубца (по технологическим условиям принимается в пределах 1,3…1,5 Тл), принимаем для уменьшения потерь в стали якоря при частоте перемагничивания  50 Гц 1,3 Тл.

0,44× 0,0088/1,3/∙0,95= 0,0031 м,

Размеры паза в штампе принимаем согласно стр. 293 [1].

Принимаем ширину шлица паза (табл.8.14) 0,002 м;

высоту шлица паза (cм. рис.3.1) 0,0005 м.

Принимаем толщину клина 0,0005 м.

Исходя из условия паралельности граней, находим:

b2=(pD-2hп)/Z1-bz1=3,14×( 0,073-2×0,02)/26)- 0,0031 = 0,0009 м = 0,9 мм;

b1=p (D-2hш1 -2hк)/ Z1-bz1=3,14( 0,073-2×0,0005-2∙0,0005)/ 26-

- 0,0031 = 0,0055м =5,5 мм;

по (8.44)- (8-45) [1] (=300)

hпк=hп-hш1- hк=0,02-0,0005-0,0005 = 0,0190 м =19 мм.

Рис.3.2. Паз якоря

Согласно табл. 8.12. [1] припуск по ширине паза на сборку: 0,0001 м. припуск по высоте паза на сборку 0,0001 м.

Размеры паза в свету по (8.42) [1] с учетом припусков на сборку = 0,0055-0,0001=0,0054 м=5,4 мм;

= 0,0009-0,0001=0,0008 м=0,8 мм;

= 0,0190-0,0001=0,0189 м=18,9 мм.

Площадь поперечного сечения трапецеидального паза, в котором располагается обмотка, корпусная изоляция и прокладки (см. табл. 3.1.)

Высота паза без шлица по (8.44)

=0,0189-0,0005=0,0184 м.

Площадь поперечного сечения трапецеидального паза, в котором располагается обмотка, корпусная изоляция и прокладки (8.43)

=(0,0054+0,0008)/2·0,0184= 0,0000570 м2.

Односторонняя толщина изоляции в пазу поз.1, рис.3.1 0,00045м.

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции по (8.42) [1] согласно рис.3.1 и табл. 3.1( поз.1 и поз.2)

=0,00045∙ (2×0,0189+0,0054+0,0008)= 0,00001980 м2 =19,8 мм2,

Площадь поперечного сечения паза, которая остаётся свободной для размещения проводников обмотки по (8.48) [1]

=(0,0054+0,0008)×0,0189/2- 0,00001980=0,00003879=38,79 мм2.

Коэффициент заполнения паза изолированными проводниками определяем из 10.21 [2] :

(0,0003952×96×1)/38,79= 0,39,

что удовлетворяет требованию технологичности изготовления обмотки, который должен находится в пределах не более 0,68...0,72 (см. стр. 147 [2]).

Таблица 3.1 Изоляция класса В обмотки статора

Рис. 3.3. Изоляция класса В обмотки статора

Минимальное сечение зубцов якоря по табл.10.16 [2]

(26/2)×0,72× 0,0031×0,044×0,95= 0,001213 м2,

Изм.

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Лист

10

где 0,95 - коэффициент заполнения магнитопровода якоря сталью.

Для магнитопровода принимаем сталь 2013.Уточняем индукцию в сечении зубцов:

 0,00165/ 0,001213= 1,36 Тл.

3.4 Расчет обмотки якоря

Средняя длина лобовой части витка при =2

0,115=0,081 м.

Средняя длина витка обмотки якоря по (10.22) [2]

а) =0,044 м;

б)2×(0,044+0,081)=0,25 м.

Полная длина проводников обмотки якоря

2496×0,25=312 м.

Сопротивление обмотки якоря при J=20°С

 312,0/(57×106× 0,000000100×(2)2)=13,68 Ом.

Сопротивление обмотки якоря при J=75°С для изоляции класса В

1,22×13,68= 16,69 Ом.

Масса меди обмотки якоря по (10.26) [2]

8900× 312,0× 0,000000100= 0,278 кг.

Расчет шагов обмотки:

а) шаг по коллектору и результирующий шаг

;

б) первый частичный шаг

52/2-= 26;

в) второй частичный шаг

51- 26=25.

Практическая схема обмотки приведена на рис. 3.4.

3.5 Коллектор и щетки

Ширина нейтральной зоны по (10.76) [2]

0,115-0,085=0,03 м.

Выбираем щетки марки ЭГ-14. Принимаем ширину щетки равной , = 0,00242 м.

По табл. П.4.1 выбираем стандартные размеры щетки:

ширина щётки 0,004 м.

длина щётки 0,005 м.

высота щётки 0,01 м.

Поверхность соприкосновения щетки с коллектором

0,004×0,005= 0,000020 м2.

Поверхность соприкосновения всех щеток с коллектором

2× 0,000020=0,00004 м2.

Плотность тока под щетками по (8-83) [2]

2× 2,6/0,00004=130000 А/м2.

Допустимая плотность тока для щетки марки ЭГ-14 .

Активная длина коллектора по оси вала согласно [4]

1,8 ×0,005=0,009 м.

Принимаем 0,009 м.

Полная длина коллектора по оси вала согласно [4]

0,009+5∙0,000395=0,0110 м.

3.6 Проверка коммутации

Так как в рассматриваемых машинах постоянного тока малой мощности добавочные полюсы в коммутационной зоне отсутствуют и щетки на коллекторе обычно располагаются на геометрической нейтрали, то процесс коммутации тока в короткозамкнутых секциях якоря получается замедленным из-за наличия в них реактивной э. д. с.  и э. д. с. От поперечного поля реакции якоря . Обе эти э.д.с. суммируются и вызывают в цепи короткозамкнутой секции добавочный ток, способствующий увеличению плотности тока на сбегающем крае щетки. В момент размыкания цепи секции при наличии в ней указанных э. д. с. и тока между краем щетки и сбегающей коллекторной пластиной возникают небольшие электрические дуги в виде мелких искр. Интенсивность этих искр зависит от величины результирующей э. д. с. в короткозамкнутой секции.

Во избежание недопустимого искрения под щетками величина э. д. с. в секции не должна превышать определенного значения. Однако коммутация тока в секции может также ухудшиться вследствие влияния поля полюсов, если ширина коммутационной зоны  будет близка к расстоянию между краями наконечников двух соседних полюсов.

Ширина зоны коммутации по (10.75) [2]

а)=52/2- 26=0,0;

б)(0,004/ 0,00242 +2-2/2+0,0)×  0,00242 ´ ´ 0,073/0,04= 0,0117 м.

Отношение

 0,0117/(0,115-0,085)=0,39,

что удовлетворяет условию [4]

<0,8.

Коэффициент магнитной проводимости паза по (10.69) [2]

a) =× 0,073×3000/60= 11,5 м/с;

=∙lg(13,816)=1,138

б) (0,6∙2×0,02/( 0,0055+ 0,0009)

+(0,081/0,044)+0,92∙1,138)= 6,638.

Индуктивность обмотки якоря по (6.15) [4]

Страницы: 1, 2, 3