Листинг расчетов рабочих характеристик двигателя в MathCAD

a) Ток в обмотке возбуждения

б) Ток в якорной цепи

в) ЭДС в обмотке якоря

г) МДС обмотки возбуждения

д) Магнитный поток в воздушном зазоре

е) Частота вращения

ж) Потребляемая мощность

з). Момент на валу двигателя

и) Потребляемый ток

к) Потребляемая мощность двигателя

л) Коэффициент полезного действия

Рисунок 13 – Рабочие характеристики двигателя со стабилизирующей обмоткой.

17.14 Номинальные данные двигателя со стабилизирующей обмоткой:

номинальная мощность Р_н=7500 Вт;

номинальный ток I_1н=39,66 А;

номинальная частота вращения n=1500 об/мин.;

номинальный момент М=47,8 Нм;

номинальный ток возбуждения I_вн=1,76 А.

номинальный КПД η=86%.

Как следует из рисунка 13 применение стабилизирующей обмотки придает скоростной характеристике падающий с ростом мощности характер.

18 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

Тепловой расчет выполняется для оценки тепловой напряженности машины и приближенного определения превышения температуры отдельных частей машины. Задача теплового расчета определить тепловую напряженность отдельных узлов машины и сравнить полученные значения с допустимыми. С целью упрощения расчетов тепловой расчет проводится для варианта без стабилизирующей обмотки. Такое упрощение ведет к незначительным погрешностям, т. к. при наличии стабилизирующей обмотки уменьшаются размеры параллельной обмотки возбуждения и потери в ней. Суммарные потери в узле обмоток возбуждения главного полюса не изменяются. Кроме того, необходимо выполнить конструктивную проработку машины и построить эскиз междуполюсного окна. Как это делается см./2/. На рисунке 14 показан такой эскиз с указанием размеров для построения

Размеры обмоток возбуждения определены ориентировочно. Это можно сделать следующим образом:

а) Рассчитать площадь сечения обмотки. Для этого можно воспользоваться соотношениями

где диаметр изолированного провода (при проводниках прямоугольного сечения необходимо вместо ввести );

коэффициент заполнения обмотки, определяющий разбухание катушек.

б) Разместить обмотки в междуполюсном окне. При размещении необходимо учесть, что при укладке обмотки в междуполюсном окне необходимо обеспечить воздушные промежутки между краями главных и добавочных полюсов и выступающими краями катушек и внутренней поверхностью станины не менее м. Кроме того, необходимо учесть, что обмотка должна иметь корпусную изоляцию. Все это значительно усложнит процесс расчета. Поэтому для учета отмеченных особенностей конструкции рекомендуется увеличить коэффициент до . При размещении обмоток необходимо подобрать многоугольник, площадь которого равна расчетной, а ширина изоляционной прокладки 6 равна , в зависимости от размеров катушки.

Для приближенной оценки тепловой напряженности машины необходимо сопротивления обмоток привести к температуре соответствующее заданному классу изоляции; при классе нагревостойкости В сопротивления

Рисунок 14 – Эскиз междуполюсного окна двигателя. Вместо размеров указаны пункты, где эти размеры рассчитывались

1- главный полюс; 2 – станина; 3 – обмотка возбуждения главного полюса; 4 – добавочный полюс; 5 – обмотка возбуждения добавочного полюса; 6 - изоляционная прокладка.

умножаются на коэффициент , при классе нагревостойкости F , при классе нагревостойкости H, .

18.1 Расчетные сопротивления обмоток:

18.2 Потери в обмотках:

Рисунок 15 – Коэффициенты теплоотдачи с поверхностей при аксиальной вентиляции.

1 – якоря и лобовых частей обмоток якоря для исполнений IP23 и IP44; 2 – обмоток параллельного возбуждения и добавочных полюсов; 3 – дуг компенсационной обмотки; 4 – полюсного наконечника главного полюса в воздушный зазор.

18.3 Коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности якоря (по рисунку 14)

18.4 Превышение температуры охлаждаемой поверхности якоря

18.5 Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки якоря

где длина охлаждаемой поверхности паза

эквивалентный коэффициент теплопроводности внутренней изоляции секций из круглого провода;

эквивалентный коэффициент теплопроводности изоляции пазовой части.

18.6 Превышение температуры охлаждаемой поверхности лобовых частей обмотки якоря

где коэффициент теплоотдачи с лобовых поверхностей обмотки якоря (см. рис. 15);

вылет лобовых частей обмотки якоря.

Здесь не учтена ширина бандажа. Для более точных расчетов при расчете поверхности охлаждения необходимо расчетную длину вылета уменьшить на , где полная ширина бандажа лобовой части.

Если то .

18.7 Перепад температуры в изоляции лобовых частей обмотки якоря

где периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения лобовой части.

Если секция выполнена из круглых проводников, то периметр рассчитывается по формуле

18.8 Среднее превышение температуры обмотки якоря над температурой охлаждающего воздуха

18.9 Сумма потерь, отводимых охлаждающим внутренний объем двигателя воздухом

где - сумма потерь, которые отводятся через полюса непосредственно в станину.

Здесь сумма потерь определена по результатам расчета рабочих двигателя без стабилизирующей обмотки

.

Для расчета потерь, отводимых охлаждающим внутренние объемы машины воздухом, принимают, что через наружную поверхность отводится часть потерь обмотки возбуждения, стабилизирующей обмотки, добавочных полюсов и компенсационной обмотки, равная:

при исполнении по степени защиты и способу охлаждения IP22, IC01, IP22, IC17, IP44, IC37

при исполнении IP44, IC0041

при исполнении IP44, IC0141

Здесь потери в обмотке возбуждения, стабилизирующей, добавочных полюсов, компенсационной, соответственно.

При исполнении IP44

где сумма потерь на трение в подшипниках и вентиляцию.

18.10 Условная поверхность охлаждения двигателя

18.11 Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя

где коэффициент подогрева воздуха (см. рис. 16)

Рисунок 16 – Максимальные значения коэффициента подогрева воздуха для исполнения и способов охлаждения машины:

1 – IP22 (IC01, IC37), IP44, IC37 при ;

2 – IP44 IC0141 при .

18.12 Среднее превышение температуры обмотки якоря над температурой охлаждающей среды

18.13 Превышение температуры наружной поверхности катушки возбуждения над температурой воздуха внутри машины

где часть потерь в обмотке возбуждения, которая передается во внутренний воздух.

Доля потерь (коэффициент 0,9) зависит от степени защиты машины и способа охлаждения. Подробнее см. п. 18.9.

наружная поверхность катушки обмотки возбуждения

В соответствии с рисунком 14

коэффициент теплоотдачи с поверхности обмотки возбуждения (см. рис. 15).

18.14 Перепад температуры в изоляции катушки обмотки возбуждения

18.15 Среднее превышение температуры обмотки возбуждения над температурой охлаждающей среды

Среднее превышение температуры обмотки возбуждения не превосходит предельно допустимого (предельные значения см. приложение Н).

Если температура выше допустимой, то необходимо секционировать катушку. Так поступают при высоте оси вращения более 0,2 м.

18.16 Превышение температуры наружной поверхности катушки возбуждения добавочного полюса над температурой воздуха внутри машины

где часть потерь в обмотке возбуждения добавочного полюса, которая передается во внутренний воздух.

Доля потерь (коэффициент 0,9) зависит от степени защиты машины и способа охлаждения. Подробнее см. пункт 18.9.

наружная поверхность катушки обмотки возбуждения добавочного полюса

В соответствии с рисунком 14

коэффициент теплоотдачи с поверхности обмотки возбуждения добавочного полюса (см. рисунок 15).

18.17 Перепад температуры в изоляции катушки обмотки возбуждения добавочного полюса

катушка добавочных полюсов не имеет наружной изоляции.

18.18 Среднее превышение температуры обмотки возбуждения добавочного полюса над температурой охлаждающей среды

18.19 Превышение температуры наружной поверхности коллектора над температурой воздуха внутри двигателя

где диаметр коллектора, см. п. 2.10;

длина коллектора, см. п. 11.7;

коэффициент теплоотдачи с поверхности коллектора, см. рисунок 17.

Таким образом, превышение температуры обмотки якоря, обмотки возбуждения и коллектора ниже предельно допустимых значений для класса изоляции В. Для проводников обмотки добавочных полюсов марки ПСД (класс изоляции F) среднее превышение температуры также не превышает предельного допустимого значения.

Рисунок 17 – Коэффициент теплоотдачи с поверхности коллектора.

1 – без аксиальных каналов; 2 – с аксиальными каналами.

19. ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЕТ

Разрабатываемый двигатель имеет аксиальную систему вентиляции с самовентиляцией обеспечиваемой встроенным вентилятором центробежного типа.

19.1 Необходимое количество охлаждающего воздуха

где сумма потерь отводимых охлаждающим внутренний объем машины воздухом см. п. 18.9;

превышение температуры воздуха

19.2 Принимаем наружный диаметр вентилятора равным, приблизительно, (где внутренний диаметр станины см. п. 5.10).

19.3 Окружная скорость вентилятора (по наружному диаметру)

19.4 Внутренний диаметр колеса вентилятора

19.5 Окружная скорость вентилятора (по внутреннему диаметру)

19.6 Ширина лопаток вентилятора

19.7 Число лопаток принимаем

Число лопаток вентилятора может быть ориентировочно определено по формуле

Для уменьшения вентиляционного шума рекомендуется выбирать число лопаток вентилятора так, чтобы оно равнялось нечетному числу.

19.8 Давление вентилятора при холостом ходе

где аэродинамический КПД вентилятора в режиме холостого хода: .

19.9 Максимально возможное количество воздуха в режиме короткого замыкания

где входное сечение вентилятора;

19.10 Аэродинамическое сопротивление вентиляционной системы машины (по рис. 17)

Рисунок 17 – Зависимость аэродинамического сопротивления , вентиляционного канала.

19.11 Действительный расход воздуха

19.12 Действительное давление вентилятора

19.13 Мощность, потребляемая вентилятором

где КПД вентилятора.

Рекомендуемая литература

1. Проектирование электрических машин. Учеб. пособие для вузов /И. П. Копылов и др., Под ред. Копылова. – М.: Энергия, 1980 – 496 с. ил.

2. Учебно – методическое пособие «Расчет и конструирование двигателя постоянного тока с применением ПЭВМ» по курсу «Электрические машины» (для студентов электротехнических специальностей) /Сост. Н. Н. Заблодский, Л. Н. Комаревцева, И. А. Цодик,

А. П. Овчар – Алчевск: ДГМИ, 2003, - 105 с.

3. Гурин Я. С. Кузнецов Б. И. Проектирование серий электрических машин. – М.: Энергия, 1978. – 480 с., ил.

ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение А

Диаметр и пл. сечения круглых проводов марок ПЭТВ и ПЭТ – 155.