Методическое руководство по расчету машины постоянного тока МПТ (стр. 1 из 15)
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
Ó 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 Рн, Вт; номинальное напряжение Uн, В; частота вращения nн, 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, Ia- ЭДС и ток якорной обмотки;
U- напряжение, подводимое к двигателю;
DUщ- падение напряжения в щётках;
Рн- номинальная мощность двигателя;
hн- номинальный КПД двигателя;
DРм,DРщ- 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 DРS- 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 Iв- 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, %
| РН, Вт | Режим | РН, Вт | Режим | ||
| длительный | кратковременный | длительный | кратковременный | ||
| 10 | 38 | 30 | 200 | 63 | 52 |
| 20 | 45 | 38 | 300 | 66 | 56 |
| 30 | 50 | 42 | 400 | 70 | 58 |
| 40 | 53 | 45 | 500 | 72 | 60 |
| 50 | 55 | 47 | 600 | 74 | 62 |
| 60 | 57 | 48 | 700 | 75 | 63 |
| 70 | 58 | 49 | 800 | 76 | 64 |
| 80 | 59 | 50 | 900 | 77 | 65 |
| 90 | 60 | 51 | 1000 | 78 | 66 |
| 100 | 60 | 51 | |||
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 a- коэффициент полюсной дуги, a = 0,6 - 0,7;
Вd- 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
 ,  | Магнитная индукция,Тл | Линейная нагрузка, А/м | ||
| Длительный режим | Кратковременный режим | Длительный режим | Кратковременный режим | |
| 1×10-3 | 0,22 | 0,245 | 40 - 50 | 80 |
| 2×10-3 | 0,26 | 0,29 | 50 - 60 | 100 |
| 3×10-3 | 0,275 | 0,33 | 60 - 68 | 115 |
| 4×10-3 | 0,30 | 0,34 | 63 - 73 | 122 |
| 5×10-3 | 0,31 | 0,35 | 68 - 80 | 130 |
| 6×10-3 | 0,32 | 0,36 | 70 - 82 | 139 |
| 7×10-3 | 0,33 | 0,37 | 71 - 82 | 143 |
| 8×10-3 | 0,335 | 0,38 | 72 - 82 | 148 |
| 9×10-3 | 0,34 | 0,39 | 85-88 | 152 |
| 1×10-2 | 0,35 | 0,41 | 90 | 155 |
| 2×10-2 | 0,37 | 0,44 | 110 | 162 |
| 4×10-2 | 0,40 | 0,47 | 115 | 175 |
| 6×10-2 | 0,43 | 0,49 | 118 | 183 |
| 8×10-2 | 0,45 | 0,51 | 120 | 195 |
| 10×10-2 | 0,46 | 0,53 | 121 | 202 |
| 12×10-2 | 0,465 | 0,54 | 123 | 207 |
| 14×10-2 | 0,47 | 0,55 | 125 | 212 |
| 16×10-2 | 0,47 | 0,55 | 125 | 219 |
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.