Расчет коллекторных двигателей постоянного тока малой мощности

Расчет коллекторных двигателей постоянного тока малой мощности

Поз.	Параметр	Расчетная формула	Примечания
Основные параметры и размеры двигателя	Задание на проектирование Полезная мощность P, Вт Напряжение питания U, В Частота вращения n, мин Способ возбуждения (последовательный или параллельный) Режим работы (продолжительный) Исполнение (закрытое) Максимальная температура окружающей среды t, ˚C
1.	Расчетная мощность, Вт		– из задания, – КПД – из графика рис.1 (предвари­тельно; уточняется в п.65)
2.	Токи, потребляемые в номинальном режиме, А: полный токи возбуждения IВН и якоря IЯН: – при последовательном возбуждении – при параллельном возбуждении ЭДС, В: – при последовательном возбуждении – при параллельном возбуждении	IВН= IЯН= I IВН=кi IН IЯН = IН - IВН	, U – из задания, – из п.1 кi –относительное значение тока возбуждения - из рис. 1 (предварительно; уточняется в п.53)
3.	Номинальный вращающий момент, Н×м Машинная постоянная,		, n – из задания = 0.6…0.7 – коэффициент полюсного перекрытия, А, – линейная нагрузка (А/м) и индукция (Тл) в рабочем зазоре – из рис.2 (предварительно; уточня­ются: А – в п.15 и по резуль­татам теплового расчета; – по результатам расчета магнитной цепи – п.44)
4.	Диаметр полюсов внутренний, м Расчетная длина магнитопровода якоря, м Рабочий зазор, м Диаметр якоря, м		С – из п.3, – п.1, n – из задания; = (0.5…1.5) – конструктивный коэффициент А, – из п.3; p – число пар полюсов
5.	Окружная скорость вращения якоря, м/с		DЯ – из п.4, n – из задания
6.	Полюсной шаг, м Расчетная полюсная дуга, м		, p – из п.4 – из п.3
7.	Частота перемагничивания магнитопровода якоря, Гц		p – из п.4, n – из задания
8.	Магнитный поток в рабочем зазоре, Вб		– из п.3, – п.6, – п.4
9.	Число проводников обмотки якоря (предварительно)		a = 1, n – по заданию, E – из п.2, p – п.4, – из п.8
10.	Число пазов якоря		– из п.4
11.	Число коллекторных пластин		z – из п.10
12.	Число витков в секции обмотки якоря Число проводников обмотки якоря (окончательно)		– из п.9, К – п.11 Округлить до ближайшего целого числа
13.	Число проводников в пазу якоря		N – из п.12, z – п.10
14.	Шаги обмотки якоря: – по коллектору – по пазам По полученным результатам составляется таблица и вы­черчивается схема обмотки		К – из п.11, p – п.6 , округлить до ближайшего целого числа
15.	Линейная нагрузка якоря, А/м		N – из п.12, – п.2, – п.4.Полученное значение А не должно отличаться от принятого в п.3 более чем на ± 5%
Размеры зубцов, пазов и проводов обмотки якоря   16.	Принимается: – паз трапецеидальный с одинаковой толщиной зубца по высоте; – обмоточный провод марок ПЭВ-2 или ПЭТВ; – плотность тока в обмотке якоря j¢Я, А/м2, (предварительно) –из рис 3 по величине М ( п.3) -
17.	Сечение и диаметр провода обмотки якоря: сечение (предварительно), м2 сечение (окончательно), м2 диаметр провода, м: – голого – изолированного		– из п.2, – п.16 Из табл.1 – ближайшее большее к Соответствующие значению и изоляции ПЭВ-2, ПЭТВ
18.	Плотность тока в обмотке якоря (окончательно), А/м2		– из п.2, – п.17
19.	Площадь сечения паза якоря, м2, в т. ч. занимаемая: – изолированными проводниками – пазовой изоляцией - клином Общая требуемая площадь паза, м2		– из п.13, – п.17; = (0.7…0.74) – коэффи­циент, учитывающий непло­тность укладки проводников в пазу, ≈ 0.2×10-3 м – толщина изоляции, – периметр паза; – из п.4 = (0.5…1) ×10-3 м – высота,= (3…6) ×10-3 м – ширина клина
20.	Коэффициент заполнения паза изолированным проводом		– из п.17, – п.13, – п.19 Обычно ≈ (0.3…0.48)
21.	Размеры паза и зубцов якоря: – зубцовый шаг, м – ширина прорези паза, м – ширина головки зубца, м – ширина основания зубца, м – высота паза и зубца якоря, м		– из п.4, z – п.10 – из п.17 – из п.3, = (1.3…1.5) Тл – из п.4
22.	Средняя длина проводника обмотки якоря, м		, , p – из п.4
23.	Сопротивление обмотки якоря в нагретом состоянии, Ом		N – из п.12, – п.17, – п.22 – из задания, = 65 ˚С – предельно допустимое превышение температуры обмотки над температурой окружающей среды
Коллектор, щетки   24.	Падение напряжения в обмо­тке якоря в номинальном режиме, В		– из п. 2, – п.23
25.	Диаметр коллектора (предварительно), м		– из п.4
26.	Коллекторное деление (предварительно), м Ширина коллекторных пластин, м Толщина изоляции между пластинами, м Коллекторное деление (окончательно), м	= (2…5) ×10-3 = (0.4…0.6) ×10-3	– из п.25, К – п.11
27.	Диаметр коллектора (окончательно), м Окружная скорость коллектора, м/с		К – из п.11, – п.26 n – из задания
28.	Применяются медно-графитные щетки марок М-6 (или МГ), имеющие: – допустимую плотность тока, А/м2 – переходное падение напряжения в номинальном режиме, В – максимальную окружную скорость, м/с – коэффициент трения – удельное нажатие, Н/м2	= 0,15 ×106 = = = = (0,018…0,02) ×106
29.	Размеры щетки: – площадь сечения, м2 – ширина (по окружности коллектора), м – длина (по оси коллектора), м – высота щетки, м		– из п.2, p – п.4, – п.28 – п.26 Величины , , округлить до ближайших больших из предпочтитель­ного ряда R10 (1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; …)
30.	Плотность тока под щетками (окончательно), А/м2		IЯН – из п.2, p – п.4, , – п.29
31.	Длина коллектора, м: – активная – полная		– из п.29 – из п.17
32.	Проверка коммутации (не проводится)
Магнитная система машины   33.	Эскиз магнитной системы выполняется в масштабе по мере получения данных о размерах ее отдельных участков. К настоящей позиции имеются размеры: – диаметра полюсов и якоря , расчетной длины (п.4) – полюсного деления и расчетной полюсной дуги (п.6) – зубцовой зоны (рис. п.16): зубцового шага , ширины прорези паза , головки зубца и основания зубца , высоты паза и зубца
34	Высота седечника якоря, м Проверка индукции сердечника якоря Длина сердечника якоря, м		– из п.4, – п.21 диаметр вала – из п.8, – п.4; не должна превышать (1.3…1.5) Тл
35.	Размеры полюса: – осевая длина, м – высота полюса, м – поперечное сечение сердечника, м2 – ширина сердечника, м		, – из п.4 Окончательно уточняется при размещении обмотки возбуждения на полюсе (п.52). – из п.8, = (1…1.5) Тл, = (1.08…1.12) – коэффициент рассеяния потока
36.	Размеры станины: – поперечное сечение, м2 – осевая длина, м – высота, м – длина полуокружности средняя, м		– из п.8, – п 35, ≤ (1…1.3) Тл – индукция в станине – из п.4, b0 – п.6, bП –п.35. , p – из п.4, – п.35, – п.36
Для магнитопровода ротора выбрана листовая электротехническая сталь марки 1212 толщиной 0,5 мм; статор выполняется в виде сплошной стальной станины с отъемными цельными полюсами из стали 10 (кривые намагничивания – рис.4).   37.	Из эскиза магнитной системы определяются средние длины магнитных путей на каждом участке, м: – длина воздушного зазора – длина зубцов якоря – длина сердечника якоря – длина сердечников полюсов – длина станины – длина стыка между полюсом и станиной	== (0.02…0.04)×10-3	– из п.4 – п. 21 п.34 – п.35 п.36 – длина стыка (зазора) между полюсом и станиной
Расчет МДС участков   38.	Рабочий зазор: – коэффициент зазора – МДС, А		, – из п.21, – п.4 – п.3, – п.37
39.	Зубцы ротора: – индукция в зубцах, Тл – напряженность, А/м – МДС, А	ВЗ =	ВЗ– значение, принятое в п.21 из кривой намагничивания ст. 1212 (рис.4) – п.21
40.	Сердечник якоря: – индукция, Тл – напряженность, А/см – МДС, А	ВСЯ= =	ВСЯ – из п. 34. из кривой намагничивания ст. 1212 (рис.4) – п.34
41.	Сердечники полюсов: – индукция, Тл –напряженность, А/м –МДС, А	ВП = =	Значение, принятое в п.35 из кривой намагничивания ст. 10 (рис.4) – п.37
42.	Стык между полюсом и станиной: – индукция, Тл – МДС, А		– из п.41 – п.37
43.	Станина: – индукция, Тл – напряженность, А/м – МДС, А	ВС = =	Значение, принятое в п.36 из кривой намагничивания ст.10 (рис.4) – п.37
44	Характеристика холостого хода Фd= f(FВ) Результаты расчета сводятся в табл.2. В центральной столбец заносятся величины потока , а также индукций, напряженностей и МДС на участках магнитной цепи (поз. 8, 38…43) для номинальной ЭДС E. Остальные столбцы заполняются значениями: - потока Фd и индукций В, измененными пропорционально кЕ; - напряженностей Н и МДС F, определенными согласно п.38…43 для соответствующих В.
45	МДС обмотки возбуждения, А Коэффициент магнитной цепи Строится характеристика холостого хода Фd= f(FВ)		Значение для централь­ного столбца должно быть в пределах 1.2…1.4. При > 1.4 необходимо выявить перенасыщенные (большая F) участки магнитной цепи и увеличить их сечение. рис. 5
46.	МДС реакции якоря (не оценивается)
Расчет обмотки возбуждения   47.	Число витков на полюсе		– из п. 44, – п.2
48.	Средняя длина витка, м		– из п.6, – п.35
49.	Размеры провода: сечение (предваритель­но), м2 – при последовательном возбуждении – при параллельном возбуждении сечение (окончательно), м2 диаметр голого () и изолированного () провода, м		IВН– из п.2, – из рис. 3 (предварительно) – из п.23, p – п.4, – п.44, – п.48, U – из задания из табл.1 – ближайшее, больше чем соответствующие и изоляции ПЭВ-2 или ПЭТВ
50.	Плотность тока (окончательно), А/м2		– из п.2, – п.49
51.	Сопротивление обмотки возбуждения в нагретом состоянии, Ом		– из п.23, p – п.4, – п.47, – п.48 , – п.49
52.	Площадь окна, необхо­димая для размещения обмотки, м2 По результатам расчета уточняется высота сердечника полюса и производится размещение обмотки.		– из п.47, – п.49, = 0.7…0.8
53.	Оценка результатов расчета обмотки возбуждения: – при последовательном возбуждении (проверка величины ЭДС E в номинальном режи­ме, В).Полученное значение E не должно отличаться от принятого в п.2 более, чем на ± 5%. При большем отклоне­нии – уточнить по характерис­тике холостого хода (п.44) МДС возбуждения FВ и провести повторный расчет по п. п. 47, 51, 53. – при параллельном возбуждении: полученное в п.51 значение должно определять ток возбуждения с погрешностью не более ± 5% относительно принятого в п.2		U – из задания, – из п.24, – п.28, – п.2, – п.51
Потери и КПД двигателя   60.	Потери в номинальном режиме, Вт, в обмотках: – якоря – возбуждения		– из п.2, – п.23 – из п.2, – п.51
61.	Электрические потери в номинальном режиме в контактах щеток и коллектора, Вт		– из п.28, – п.2
62.	Потери в магнитопро­воде якоря на гистерезис и вихревые токи – масса сердечника якоря, кг – масса зубцов якоря, кг		, – из п.4, hПЯ– п.21 – п.21, z – п.10.
	Удельные потери в стали, Вт/кг: – сердечника – зубцов Потери в сердечнике, Вт Потери в зубцах, Вт Полные потери в маг­нитопроводе якоря, Вт		Коэффициенты: = 3.5, = 4.4; f – п.7. – п.40 – п.39
63.	Механические потери, Вт: – на трение щеток о коллектор – на трение в подшипниках Масса якоря, кг – потери на трение о воздух Полные механические потери		≈ 0.2 – коэффициент трения, ≈ 1.7×104 Н/м2 (щетки М6) и ≈ 2.16×104 Н/м2 (щетки МГ), – из п.29, – п.27 = 1…3, n – из задания , – п.4, ≈≈ 8.5×103 кг/м3, Dk –п.27, – п.31
64.	Общие потери в двига­теле при номинальной нагрузке, Вт		= (1.08…1.12) учитывает добавочные потери, ,– из п.60, – п.61, – п.62, – п.63
65.	Коэффициент полезного действия в номинальном режиме		U – из задания, I – п.2, – п.64
66.	Рабочие характеристики двигателей. Расчет характеристик удобно свести в табл.3. В столбец, соответствующий номинальному значению IН потребляемого тока I, заносятся значения величин из п. п. 2, 24, 28, 44, 60-65. В прочие столбцы – величины, пересчитанные соответственно значениям 0,5·IН; 0,8·IН; 1,2·IН потребляемого тока I. Потери и относятся к постоянным и от величины потребляемого тока не зависят. По результатам расчета строят рабочие характеристики, т. е. зависимости частоты вращения n, тока якоря , потребляемой мощности , полезной мощности и КПД от вращающего момента на валу двигателя при номинальном напряжении питания.