Дипломная работа: Бесконтактные двигатели. Диплом линейный двигатель


Дипломная работа – «Расчет тягового усилия линейного двигателя»

Дипломная работа – «Расчет тягового усилия линейного двигателя». – Симферополь, 2005,стр. 41, рис. 9, ист. 10.

Объект исследования – линейный электродвигатель с постоянными магнитами.

Цель работы – разработка численного метода расчета тягового усилия линейного электродвигателя с постоянными магнитами.

Исследования проводились на основании теории электромагнитного поля с привлечением методов математической физики.

Для расчета тягового усилия линейного электродвигателя с постоянными магнитами получено интегральное уравнение относительно плотности микротоков на поверхности ферромагнитного тела и распределение магнитного поля В, созданного постоянными магнитами. По найденному распределению магнитного поля В в рабочем зазоре линейного электродвигателя, произведен расчет его тягового усилия.

Предложенная методика расчета тягового усилия может быть использована при проектировании и конструировании линейных электродвигателей.

Содержание: Введение ………………………………………………………… 3 ГЛАВА 1. Постановка задачи ………………………………..... 6

ГЛАВА 2. Расчет поля, создаваемого корпусом

двигателя в присутствии магнитов ……………… 10

ГЛАВА 3. Расчёт поля постоянного магнита ..……………….. 15

ГЛАВА 4. Расчет тягового усилия линейного

электродвигателя с постоянными магнитами.…… 24

ГЛАВА 5. Результаты расчета полей и тягового усилия линейного электродвигателя ………….…………… 25

Заключение ……………………………………………………… 29

Список использованных источников …………………………. 30

Приложение.…………………………………………………….. 31

Введение

В нынешнем столетии идет рост по применению постоянных магнитов в различных областях техники, таких как автомобилестроение, ускорительная техника, авиация, бытовая электротехника и т.д.

В связи с этим весьма актуальной остаётся проблема эффективного использования магнитотвёрдого материала при проектировании и конструировании устройств различного назначения. Кроме того, развитие техники сопровождается повышением качества самих высококоэрцитивных материалов. Появились постоянные магниты с относительно высокими удельными энергиями, реализуемые на основе сплава железа с кобальтом, молибденом, хромом, никелем, и другими материалами. Показатели постоянных магнитов из таких сплавов лишь незначительно уступают показателям электромагнитов, применяемых в области электрических машин с магнитоэлектрическими индукторами.

Указанные выше постоянные магниты из высококоэрцитивных материалов нашли широкое применение в различных конструкциях линейных электродвигателей, которые обеспечивают перемещения вдоль прямой линии.

Применение линейных электродвигателей (ЛЭД) с постоянными магнитами позволяет за счет исключения традиционного преобразования вращательного движения в поступательное упростить кинематическую схему привода подач исполнительных механизмов, повысить стабильность, улучшить динамику и в значительной степени увеличить срок службы всего устройства (за счет отсутствия механического трения между перемещающимися частями).

История развития работ по созданию ЛЭД в СССР начиналась, по существу, с 1919 г. Именно тогда были выполнены теоретические разработки по созданию электропривода для машин ударного действия. Затем на долгие годы линейные электродвигатели были забыты. Начиная с 60-х годов начались наиболее крупные и целенаправленные работы по использованию и созданию ЛЭД, в первую очередь для пассажирского и промышленного транспорта.

После 1968 г. начались следующие разработки с применением ЛЭД:

- ЛЭД предназначенный для привода вагонной монорельсовой дороги;

- линейный асинхронный электропривод вязальной машины;

- ЛЭД для привода технологического конвейера для транспортировки;

- частотно-регулируемый линейный электропривод испытательного гидростенда;

- тяговый ЛЭД для контейнерного трубопроводного транспорта;

- плунжерный двигатель-насос поворотно-поступательного двигателя для глубинных нефтяных скважин;

- сверлильно-фрезерные станки, которые не имеют механически трущихся изнашиваемых деталей. Перемещение всех динамических органов станка основано на ЛЭД;

- координатные столы предназначеные для прецизионного автоматического перемещения различных объектов, устанавливаемых на координатный стол, по заданной траектории с заданными скоростями;

- графопостроители для высокоточного вычерчивания типовых машиностроительных чертежей, метеорологических карт и т.п.;

- лазерная технологическая установка для: резки, маркировки кремния, поликора, ситала, керамики, стали, резины, пластмасс, послойного испарения материалов до необходимой глубины, термоупрочнения поверхностных слоев стали, сварки микроучастков.

- многоголовочный вышивальный автомат.

В настоящее время технологическое оборудование с линейными двигателями работает на многих предприятиях (например, станки с числовым программным управлением) и зарекомендовало себя с хорошей стороны.

В данной работе рассматривается линейный двигатель с постоянными магнитами специальной конструкции, которые выполнены из высококоэрцитивного материала. Требуется рассчитать поле в рабочем зазоре двигателя и вычислить тяговое усилие электродвигателя.

ГЛАВА 1. Постановка задачи

Рассмотрим линейный двигатель с постоянными магнитами.(рис 1.1, 1.2, 1.3).

Двигатель представляет из себя осесимметричную конструкцию, корпус которой выполнен из магнитомягкого материала. Во внутренней части конструкции расположены два цилиндрических радиально намагниченных постоянных магнита. В рабочем зазоре устройства находится катушка. При наличии тока в катушке на неё, на основании закона Ампера, в поле постоянных магнитов действует сила.

Требуется рассчитать величину тягового усилия линейного двигателя на всей длине хода катушки.

рис1.1. Внешний вид линейного двигателя в разрезе:

1) Постоянный магнит;2) Катушка с током; 3) Корпус.

рис1.2. Сечение корпуса линейного двигателя:

1) Корпус; 2) Магнит.

рис1.3. Сечение корпуса линейного двигателя.

h- высота корпуса двигателя

R- радиус корпуса двигателя

hm- высота магнита

drm- толщина магнита

hk- высота катушки

drk- толщина катушки

ГЛАВА 2. Расчет поля, создаваемого корпусом двигателя в присутствии магнитов

При решении задачи будем считать что корпус изготовлен из железа (). Сечение корпуса представлено на рис.1.2., 1.3

Запишем уравнения Максвелла для расчёта магнитного поля, создаваемого ферромагнитным телом в присутствии постоянных магнитов:

Условия на границе ферромагнетика:

Задачу будем решать с использованием векторного потенциала , который представим в следующем виде:

где – потенциал микротоков, – потенциал внешнего поля.

Очевидно, что уравнение для векторного потенциала А1 имеет вид

Векторный потенциал представляем в виде потенциала токового слоя, распределённого на поверхности S:

В нашей задаче проекции индукции магнитного поля, с учетом симметрии, вычислим следующим образом:

Откуда получаем проекции вектора магнитной индукции:

Переформулируем граничные условия для потенциала :

Следовательно, из граничных условий для полей получены граничные условия для векторного потенциала:

(2.1)

(2.2)

Имеем:

(2.3)

Исходя из вида потенциала (2.3), первое граничное условие (2.1) и уравнение для векторного потенциала удовлетворяются автоматически.

Выполним второе граничное условие (2.2):

Предельные значения rot:

Тогда граничное условие принимает вид :

Учтём что:

(2.4)

Последнее выражение (2.4) представляет из себя интегральное уравнение относительно плотности микротоков на поверхности ферромагнитного тела, решив которое мы сможем рассчитать магнитное поле в рабочей области линей электродвигателя.

Заметим, что под знаком каждого интеграла по структуре стоит закон Био-Савара-Лапласа для поля без коэффициента . Поэтому, для расчёта матрицы и правой части интегрального уравнения необходимо рассчитать в точке Q поле кольца с током (т.P), оно будет иметь 2 компоненты: Hr и Hz. Потом его умножить векторно на нормаль в точке Q, т. е. спроектировать на касательное направление .

(2.5)

После этого получаем ядро интегрального уравнения. Аналогично рассчитывается правая часть интегрального уравнения с учётом соответствующих коэффициентов.

ГЛАВА 3. Расчёт поля постоянного магнита

Рассмотрим постоянный магнит, выполненный из магнитотвёрдого материала (рис.3.1). Магнит представляет собой тороид с прямоугольным сечением, внутренний радиус – R1, внешний – R2, толщина магнита – h (рис.3.2). Магнит намагничен в радиальном направлении. Намагниченность материала задана. Требуется рассчитать поле в любой точке пространства. Будем считать, что магнит во всех точках намагничен до насыщения. Кроме того, считаем, что магнит изготовлен из закритического постоянного материала, например, сплава КС-37 или Nd-Fe-B. Такие постоянные магниты имеют высокую коэрцитивную силу по индукции и по намагниченности, петля гистерезиса для них имеет почти прямоугольную форму; они обладают высокой устойчивостью к размагничивающим полям. Поэтому можно считать, что при их работе распределение вектора намагниченности не изменяется.

При решении задачи примем следующее допущение: магнит выполнен из материала, намагниченность которого не зависит от величины внешнего поля.

Для расчёта поля постоянного магнита будем использовать токовую модель. Произведём разбиение объёма магнита на элементарные кольца с током. Определим значения объёмных и поверхностных микротоков.

Рассчитаем объёмную плотность микротоков:

(3.1)

где P- точка объёму магнита.

Рис.3.1. Внешний вид постоянного магнита

J – вектор намагниченности;

n – вектор нормали к поверхности

Рис.3.2. Сечение постоянного магнита

J – вектор нмагниченности;

h – высота магнита;

R1 и R2 – внутренний и внешний

радиусы магнитов соответственно;

Т.к. имеет только радиальную компоненту, то:

(3.2)

или: Отсюда следует, что объёмных микротоков нет.

Рассмотрим поверхностную плотность микротоков. Из формулы:

(3.3)

где P- точка, принадлежащая поверхности магнита, - нормаль к поверхности магнита в т. Р,видно, что . На рис. 3.3 выделены поверхности S1 и S2, на которых .

Разобьем поверхности S1 и S2 на элементарные кольца с током, причём направление тока определяется из формулы (3.3).

Рассчитаем магнитное поле, создаваемого одним кольцом, во всём пространстве, окружающем магнит.

Рассмотрим рис. 3.4. Поместим начало цилиндрической системы координат в центре кругового тока, причём угол будем отсчитывать от плоскости, проходящей через ось z и точку наблюдения М (произвольный выбор начала отсчёта углов оправдан симметрией в распределении поля).

Заметим, что непосредственно из самого определения векторного потенциала:

Рис. 3.3.Рабочие поверхности

J – вектор намагниченности;

n – вектор нормали к поверхности;

S1 и S2 – “рабочие” поверхности

Рис.3.4.Элементарное кольцо с током

(3.4)

следует Аz = 0. Нетрудно также показать, что и Аr = 0. Рассмотрим два элемента тока d и d, симметрично расположенных относительно плоскости, проходящей через ось z и точку M. Они возбуждают в этой точке магнитные поля с потенциалами

и (3.5)

причём dA1 = dA2 в силу того, что dl1 = dl2 и R1= R2. Направления векторов и показаны на рис.3.4, на котором представлена проекция на плоскость кругового витка с током. Из рисунка видно, что для каждой пары элементов тока, симметричных относительно плоскости XOZ, составляющая векторного потенциала вдоль единичного вектора равна нулю, так что и в целом составляющая Ar= 0.

Из того же рисунка видно, что составляющая векторного потенциала поля, возбуждаемого отдельным элементом тока , вдоль единичного вектора , равна

, (3.6)

так что в целом

(3.7)

Путём замены на новую переменную , определяемую по формуле = + 2, выражение (3.7) можно привести к виду:

, (3.8)

где

и

- полные эллиптические интегралы 1-го и 2-го рода модуля n, определяемого соотношением:

(3.9)

Для составляющих вектора магнитной индукции используем формулы векторной алгебры:

, (3.10)

, (3.11)

, (3.12)

тогда находим:

, (3.13)

, (3.14)

, (3.15)

при этом мы воспользовались следующими соотношениями между полными эллиптическими интегралами К и Е:

(3.16)

Т.к. , то из выражений (3.13) и (3.14) получим значение модуля магнитного поля кольца с током в любой точке пространства:

, (3.17)

или

, (3.18)

Тогда поле, создаваемое постоянным магнитом , равно:

или , (3.20)

где Вi и Hi– индукция и напряжённость магнитного поля, создаваемые i-м кольцом в точке М, n – количество разбиений.

ГЛАВА 4. Расчет тягового усилия линейного электро-двигателя с постоянными магнитами.

Тяговое усилие, в соответствии с законом силы Ампера для элемента с током di и радиусом кольца r в поле Br:

(4.1)

Зная плотность тока в катушке найдем di:

, (4.2)

где dS – элемент площади сечения катушки.

Используем связь между и:

(4.3)

Подставим в (4.1) выражения (4.2) и (4.3):

(4.4)

Произведя разбиение всей площади сечения S катушки на N элементов , интеграл можно заменить суммой, таким образом, выражение (4.4) преобразуется в выражение вида:

(4.5)

где - плотность тока в элементе объема .

Таким образом, найдено выражение для расчета тягового усилия линейного электродвигателя.

ГЛАВА 5. Результаты расчета полей и тягового усилия линейного электродвигателя.

Предложенный метод расчёта поля и тягового усилия линейного двигателя на всей длине хода катушки был реализован численно в программе MathCad. Интегральное уравнение сводилось к системе линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), которая решалась с помощью стандартного приложения программы MathCad. Решение СЛАУ было выполнено двумя методами: а) стандартной процедурой lsolve, предложенной в программе MathCaD, основанной на одной из модификаций метода градиентного спуска; б) методом обращения матрицы. Результаты расчета функции , полученные обоими методами, совпали с точностью до 7-8 значимых цифр. По данному методу найдено распределение поля в рабочем зазоре ЛЭД. На основании этого распределения поля найдено тяговое усилие по всей длине хода устройства.

При расчетах тягового усилия использовались следующие параметры (рис1.3):

  • радиус корпуса r1 – 0,04 м
  • радиус корпуса r2 – 0,045 м
  • радиус корпуса r3 – 0, 05 м
  • высота основания корпуса h2 – 0,007 м
  • высота корпуса h3 – 0,05 м
  • высота нижнего основания магнита – hm1 = h2
  • высота верхнего основания магнита – hm2 = h3
  • толщина магнита drm – 0,002 м
  • высота катушки hk – 0,02 м
  • плотность тока – = 1 А/м2
  • остаточная индукция – Br =1 Тл (сплав Nd-Fe-B)
  • относительная магнитная проницаемость – 1000.
На рис. 5.1 приведено распределение поля по всей длине хода катушки с током. На данном рисунке видно, что распределение поля является практически однородным в объеме рабочего зазора и, следовательно, обеспечивает равномерное тяговое усилие двигателя по всей длине хода катушки. Судя по направлению поля, преобладающей компонентой поля является радиальная, Hr, за счет которой и возникает сила, действующая на катушку.

На рис. 5.2 представлено распределение тягового усилия в зависимости от расположения катушки. Реальное значение усилия прямо пропорционально плотности тока, допустимая плотностью тока по государственному стандарту для электрических машин равна 7-8*106 А/м2. На рис. 5.3 представлен график тягового усилия линейного двигателя при значении плотности тока 7*106 А/м2.

рис 5.1 Распределение поля в рабочем зазоре линейного двигателя.

рис. 5.2 Распределение тягового усилия линейного двигателя на всей длине хода катушки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной выпускной работе была решена задача расчета тягового усилия линейного электродвигателя с постоянными магнитами. Исследования проводились с помощью теории электромагнитного поля и методов математической физики с привлечением теории интегральных уравнений.

В работе найдено распределение поля в рабочем зазоре электродвигателя и рассчитано тяговое усилие

Разработанный пакет модулей может быть использован в процессе проектирования и оптимизации осесимметричного линейного электродвигателя специальной конструкции.

Список использованных источников

  1. Тамм И.Е. Основы теории электричества: Учебное пособие для вузов. – М.: Наука, 1989.- 504 с.
  2. Коген-Далин В.В., Комаров Е.В. Расчет и испытание систем с постоянными магнитами.. М., Энергия, 1977, 248 с.: ил.
  3. Тозони О.В. Маеройз И.Д. Расчет трёхмерных электромагнитных полей. – Киев: Техника, 1974. – 352 с.
  4. Ландау Л.Д. Лифшиц Е.М. Теория поля. 7-е изд., испр. М.: Наука, 1988. – 509 с.
  5. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. – М. Наука, 1966. – 288 с.
  6. Справочник по специальным функциям с формулами, графиками и математическими таблицами. Под. ред. Абрамовица М. Стиган И. –М.: Наука, 1979.
  7. Дьянков В. MATHCAD 8/2000: специальный справочник - СПб: Издательство «Питер», 2000.
  8. Будак Б.М. Самарский А.А., Тихонов А.Н. Сборник задач по математической физике. – М.: Наука, 1972.
  9. Постоянные магниты: Справочник \ Под ред. Ю.М. Пятина. – М.: Энергия, 1980. – 488 с.
  10. Смайт В. Электростатика и электродинамика – М. Издательство иностр. Лит., 1954. 604 с.

Приложение

Текст программы расчета тягового усилия линейного двигателя

Расчет координат элементов разбиения поверхности железного корпуса

step1, step2, …, step6 – заданный линейный размер элемента разбиения поверхности железного корпуса.

step_mag – элемент разбиения поверхности магнита.

i_L – кол-во точек разбиения на поверхности корпуса.

Расчет координат элементов разбиения поверхности магнита

kol_t_m – кол-во точек разбиения на поверхности магнита

Расчёт полных эллиптических интегралов 1-го 2-го рода:

Расчет поля кольца с током i

Расчет поля постоянного магнита

r_v - радиальное расстояние до точки наблюдения

z_v – высота до точки наблюдения

J_mag - намагниченность

Расчет матрицы, правой части и решение СЛАУ

mu, mu0 – магнитная проницаемость железа, относительная.

nz, nr –проекции вектора нормали на поверхности железа

B – правая часть СЛАУ

A – матрица СЛАУ

jnaLin – искомая ф-я намагниченности в интегральном уравнении

pole_r_zeleza, pole_r_zel a ez– Hr и Hz компоненты поля железного корпуса

Расчет тягового усилия линейного двигателя

ds- элемент разбиения площади поперечного сечения кутушки

zk – высота рабочего зазора

n_k – коэф-т разбиения площади поперечного сечения катушки

reforef.ru

Дипломная работа - Трехфазный асинхронный двигатель

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

«Трехфазный асинхронный двигатель»

Введение

Асинхронной машинойявляется электромеханический преобразователь, в котором возникновение момента на валу ротора возможно лишь при различных скоростях вращения магнитного поля и ротора.

Асинхронные машины наибольшее распространение получили как двигатели. Это основной двигатель, применяемый в промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Только асинхронных двигателей единых серий мощностью от 0,6 до 400 кВт в нашей стране ежегодно выпускается около 10 млн. Асинхронных микродвигателей мощностью от 0,6 кВт изготовляется несколько десятков миллионов в год.

Электротехническая промышленность выпускает асинхронные двигатели в большом диапазоне мощностей. Предельная мощность асинхронных двигателей – несколько десятков мегаватт. В индикаторных системах применяются асинхронные двигатели мощностью от долей ватта до сотен ватт. Частота вращения двигателей общего назначения – от 3000 до 500 об/мин.

В генераторном режиме асинхронные машины применяются редко. Для создания поля в зазоре асинхронной машины необходима реактивная мощность, которая забирается из сети или от других источников реактивной мощности. Асинхронные двигатели не могут работать с cosц=1. Это существенный недостаток асинхронных машин, ограничивающий их применение в генераторном режиме.

При электромеханическом преобразовании энергии в асинхронных машинах, как и в других машинах, происходит преобразование энергии а тепло. Электрические потери в роторе асинхронной машины пропорциональны скольжению. Чтобы большая часть электрической энергии преобразовывалась в механическую, асинхронные машины используются в электроприводах, где допустимо небольшое скольжение (s= = 1–4%). При глубоком скольжении (s=10–50%) асинхронные машины используются редко, так как в это случае большая часть мощности, забираемой из сети, преобразуется в тепло, что приводит к низкому КПД и увеличению габаритов асинхронной машины из-за трудностей, связанных с отводом тепла от активных частей машины.

Наличие в роторе потерь, пропорционально зависящих от скольжения, – одна из особенностей асинхронных машин, обусловливающих их отличие от других типов электрических машин.

Если обмотки ротора представляют собой замкнутые контуры, то при скольжении s=1 вся мощность, поступающая на ротор, преобразуется в тепло. При скольжении s=0 мощность на ротор не поступает. При скольжениях, отличных от 0 и 1, электромагнитная мощность преобразуется в двигательном режиме в механическую мощность и в тепло, а в генераторном режиме – в электрическую и в тепло.

В конструктивном исполнении асинхронные двигатели – наиболее простые, они получили наибольшее распространение.

1. Расчёт характеристик трехфазных асинхронных двигателей

1. Рассчитать рабочие характеристики и построить зависимости частоты вращения n, вращающего момента М2, тока обмотки статора I1, потребляемой мощности P1 и коэффициента мощности cos ц1 в функции полезной мощности Р2 .

2. Определить значения критического скольжения Sк, максимального Мmax и пускового Мп моментов двигателя и их относительных значений М*max и M*п .

3. Рассчитать и построить механическую характеристику двигателя М(S) для разных величин скольжения S. Скольжение рекомендуется представлять в процентах (долях единицы значений: S= S% /100). Величину С1 принять равной С1 =1+ X1 /Xм .

Расчет следует выполнить для значений скольжения S= (0,0025; 0,005; 0,01; 0,02; 0,025; 0,03; 0,2; 0,3).

4. Для каждой величины скольжения нужно определить:

– активные Iхха, реактивные Iххр, действующие Iххд, величины тока холостого хода, тока статора I1а, I1р, I1д, тока ротора I2а, I2р, I2д ;

– мощности: потребляемую P1, преобразованную Pпр и полезную P2 ;

– коэффициент мощности cos ц1; к.п.д. з;

– угловую скорость n и момент нагрузки М2 .

Исходные данные:

Номинальная мощность на валу Р2Н, кВт 30

Номинальное линейное напряжение U1Н, В 660

Синхронная угловая скорость n1, об/мин 750

Коэффициент полезного действия зН 90,5

Коэффициент мощности cos ц1 0,81

Активное сопротивление цепи намагничивания r*М 0,18

Индуктивное сопротивление цепи намагничивания х*М 2,15

Активное сопротивление обмотки статора r*1 0,030

Приведенное активное сопротивление обмотки ротораr2* 0,022

Индуктивное сопротивление обмотки статора х*1 0,073

Приведенное индуктивное сопротивление обмотки роторах2* 0,17

Механические потери Рмех, кВт 0,37

2. Расчёт рабочих характеристик

Для расчёта используем Г-образную схему замещения асинхронного двигателя с вынесенным намагничивающим контуром. При этом определим поправочный коэффициент для заданной схемы:

Рисунок 1. Схема замещения асинхронной машины в Г-образной форме

Для схемы соединения обмоток «звездой» определяем номинальные фазные напряжения и фазные (которые являются также и линейными) токи.

Фазное напряжение:

Приведённая мощность:

Добавочные потери определяем по формуле:

Фазный ток обмоток статора:

Заданные относительные сопротивления переводим в омические.

Коэффициент перевода электрических параметров из относительных единиц в именованные:

Найдём найденное сопротивление в именованных единицах. Определим активное сопротивление цепи намагничивания потери в стали:

Индуктивное сопротивление взаимоиндукции приведённой первичной и вторичной цепи:

Активное сопротивление обмотки статора в именованных единицах:

Индуктивное сопротивление обмотки статора в именованных единицах:

Активное приведённое сопротивление обмотки ротора в именованных единицах:

Определим индуктивное приведённое сопротивление обмотки ротора:

Определяем токи холостого хода ротора и статора.

Полное активное сопротивление рабочего контура:

Определим полное индуктивное сопротивление рабочего контура:

Таким образом полное эквивалентное сопротивление контура намагничивания определяем по формуле:

Определим

Определим

Определим действующее значение тока холостого хода статора:

Определим активную составляющую тока холостого хода:

Определим реактивную составляющую тока холостого хода:

Для заданной схемы определим поправочный коэффициент:

Для различных значений S рассчитываем:

1. Токистатора I1a, I1p, I1

2. Токиротора I2a, I2p, I2

3. Коэффициент мощности cosj

4. Потребляемую мощность Р1

5. Полезную мощность Р2

6. Преобразованную мощность Рпр

7. Коэффициент полезного действия h

8. Угловую скорость n

9. Момент нагрузки на валу двигателя М2

Определим приведённое активное сопротивление обмотки статора по формуле:

Определим эквивалентное активное сопротивление рабочего контура:

Приведённое индуктивное сопротивление рабочего контура:

Полное приведённое сопротивление рабочего контура:

Определим коэффициент мощности при S=0,0025

Действующее значение тока ротора:

Активная составляющая тока ротора

Определим реактивную составляющую тока ротора:

Определим активную составляющую тока статора:

Реактивная составляющая тока статора:

Определим действующее значение тока статора:

Определяем добавочное приведённое активное сопротивление в цепи ротора:

Определяем полезную мощность на валу двигателя

где:

Определяем угловую скорость магнитного поля статора:

Определяем угловую скорость магнитного поля машины:

Определяем момент нагрузки на валу двигателя:

Определяем потребляемую мощность машины:

Определим приведённое индуктивное сопротивление рабочего контура:

Выполняем расчеты при S= 0,0025; 0,005; 0,01; 0,02; 0,025; 0,03; 0,2; 0,3, результаты сводим в таблицу 3П (Расчет выполнен на компьютере с использованием программы Excel )

Таблица 1

№ п/п Значение Значение S
0,0025 0,005 0,01 0,02 0,025 0,03 0,2 0,3
1 R’2 100,1348 50,0674 25,0337 12,5168 10,01348 8,3446 1,251685 0,834456
2 R»2 100,4649 50,3975 25,3639 12,8470 10,34364 8,6747 1,581843 1,164615
3 Rпр 99,8844 49,8170 24,7834 12,2665 9,76314 8,0942 1,001348 0,584119
4 Z»2 100,5022 50,4719 25,5112 13,1355 10,69983 9,0965 3,161932 2,975217
5 cos«2 0,9996 0,9985 0,9942 0,9780 0,96671 0,9536 0,500277 0,391439
6 I»2 3,7915 7,5498 14,9366 29,0093 35,61282 41,8898 120,5121 128,0751
7 I»2a 3,7901 7,5387 14,8504 28,3722 34,42728 39,9475 60,28948 50,13354
8 I»2r 0,1033 0,4095 1,6030 6,0464 9,112391 12,6077 104,3473 117,8552
9 I1a 5,2979 9,0465 16,3582 29,8800 35,9352 41,4554 61,7974 51,6414
10 I1r 16,0652 16,3715 17,5649 22,0083 25,0743 28,5697 120,3092 133,8172
11 I1 16,9162 18,7047 24,0024 37,1104 43,81845 50,3465 135,2524 143,4359
12 cos 1 0,3132 0,4837 0,6815 0,8052 0,820092 0,8234 0,456904 0,360031
13 Рпр 4307,59 8518,58 16587,72 30968,22 37146,98 42610,26 43628,23 28744,33
14 Рдоб 7,15 8,75 14,40 34,43 48,00141 63,37 457,3303 514,3466
15 P2 3930,44 8139,84 16203,32 30563,79 36728,98 42176,89 42800,9 27859,99
16 W1 104,667
17 W 104,405 104,143 103,620 102,573 102,050 101,5267 83,73333 73,26667
18 М2 37,65 78,16 156,37 297,97 359,91 415,4267 511,1573 380,2546
19 Р1 6056,36 10341,58 18699,98 34157,48 41079,40 47389,88 70643,87 59034,06
20 h 0,6490 0,7871 0,8665 0,8948 0,8941 0,889998 0,605869 0,471931
21 n 997,5 995 990 980 975 970 800 700

По данным таблицы 1 строим рабочие характеристики асинхронного двигателя, требуемых зависимостей.

Рисунок 1(а). График рабочих характеристик асинхронного двигателя

Рисунок 2(б). График рабочих характеристик асинхронного двигателя

По построенным графикам рабочих характеристик определяем расчётные номинальные значения М2н, зн, cosц1н, соответствующие заданному номинальному значению мощности P2н = 30кВт и сравниваем их со значением в таблице исходных данных 1.

М2н = 303,28 Нм; зн =89,4; cosц1н =0,817;

;

Погрешность расчета для всех параметров не превышает 5%.

Определяем критическое скольжение:

Так как расчет выполняем для двигателя, то в формуле стоит +.

Определяем максимальный момент:

Определяем пусковой момент

b =r/(C*r)

Кратности пускового Мп и максимального Mmax, составляют:

Пользуясь формулой Клосса определяем электромагнитный момент для заданных значений скольжений S= (0,1…. 1,0).

Подставив в формулу различные значения S, проведём вычисления, результаты которых сведём в таблицу 2.

Таблица 2
0,091 0,1 0,3 0,5 0,7 1
752,56 749,64 439,32 285,17 209,28 149,06

По данным таблицы №2 строим механическую характеристику асинхронного двигателя.

Рисунок 2. График механических характеристик асинхронного двигателя (зависимость момента М от скольжения S

Заключение

Диапазон рабочих характеристик асинхронного двигателя соответствует его зоне устойчивой работы:

Эта характеристика позволяет находить все основные величины, которые определяют режим работы двигателя при различных нагрузках. Их можно получить либо расчётным путём по схеме замещения, либо экспериментально.

Максимальный момент двигателя называют опрокидывающим моментом. При работе двигателя с величинами момента нагрузки, меньше максимального момента, но близкими к нему, случайная перегрузка двигателя приводит к его остановке и к как правилу к выходу его из строя.

По этой причине практически выбирают двигатель такой мощности, при которой выполняется неравенство: , при этом обеспечивается мощность двигателя с запасом по мощности не менее 70%. При проведенных расчётах мы видим, что мощность двигателя, заданного в условии задачи соответствует этим условиям:Таким образом, выполняется главное условие выбора асинхронного двигателя, так как запас по мощности данного двигателя более чем 100%. Погрешность расчета для вех параметров не превышает 5%.

трехфазный асинхронный двигатель рабочий

Список литературы

1. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. «Электрические машины», Москва «Высшая школа», 1987 г.;

2. Винокуров В.А., Попов Д.А. «Электрические машины железнодорожного транспорта», Москва «Транспорт», 1986 г.;

3. Копылов И.П. «Электрические машины», Москва «Энергоатомиздат», 1986 г.;

4. Попов Д.А., Руднев В.Н. «Электрические машины» задание на контрольную работу с методическими указаниями, Москва, 1991 г.

www.ronl.ru

Дипломная работа - Бесконтактные двигатели

Содержание

1. Введение

2. Основная часть

2.1 Характерные особенности бесконтактных двигателей

2.2 Конструкция бесконтактного двигателя

2.3 Схема электромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя

3. Заключение

4. Список использованной литературы

5. Приложения

1. Введение

В начале 60-х г. были разработаны первые бесконтактные электродвигатели постоянного тока типа БП-203, БП-251 и БПС-202. В первом космическом скафандре в кислородном нагнетателе был установлен бесконтактный электродвигатель БПК-401.

За прошедшие 40 лет разработаны 4 поколения бесконтактных электродвигателей. Двигатели 4-го поколения серии БК-1 (20 модификаций), БК-2 (6 модификаций) и ДБ (5 модификаций) применяются в приводах вентиляторов и насосов систем жизнеобеспечения, в системах терморегулирования КА и скафандрах космонавтов. Только на орбитальной станции «Мир» установлено более 100 таких электродвигателей.

Для обеспечения большого гарантийного ресурса двигателей в составе КА с длительным сроком активного существования НПП ВНИИЭМ ведет разработку бесконтактных электродвигателей постоянного тока с гидростатическими опорами ротора для насосных агрегатов. НПП ВНИИЭМ также ведет постоянную работу по совершенствованию разработанных изделий, дальнейшему повышению их надежности и долговечности, а также по созданию новых изделий, в наибольшей степени отвечающих требованиям потребителя.

Техническое решение для бесконтактного гидроподвеса вращающегося ротора обеспечивает возможность реализации электрической машины насосного исполнения с практически неограниченным ресурсом, определяемым лишь сроком сохраняемости электротехнических материалов и комплектующих элементов, способных обеспечить гарантийный ресурс двигателя в составе элек-тронасосного агрегата более 100 тыс. часов.

2. Основная часть

2.1 Характерные особенности бесконтактных двигателей

Коллекторные двигатели постоянного тока обладают хорошими регулировочными свойствами и экономичны, но наличие скользящего контакта коллектор – щетки ограничивает область их применения.

В настоящее время в связи с развитием силовой полупроводниковой электроники появились и начали получать все более широкое распространение бесконтактные двигатели постоянного тока. При замене механического коммутатора – коллектора с щетками полупроводниковым коммутатором двигатель постоянного тока становится более надежным и долговечным, создает меньше радиопомех, особенно при высоких частотах вращения, когда очень быстро изнашиваются щетки и значительно увеличиваются искрение и радиопомехи.

В отличие от обычного коллекторного двигателя бесконтактный двигатель постоянного тока обладает рядом характерных особенностей.

1. Силовая обмотка якоря расположена на статоре и состоит из нескольких катушек, сдвинутых относительно друг друга в пространстве. Ротор выполняют в виде постоянного магнита.

2. Положение оси магнитного потока ротора по отношению к осям катушек силовой обмотки статора определяется бесконтактными датчиками (трансформаторными, индукционными, магнитоэлектрическими, фотоэлектрическими).

3. Бесконтактный полупроводниковый коммутатор осуществляет коммутацию катушек силовой обмотки статора по сигналам датчиков положения. При мощности двигателей до 0,5 – 1 кВт в качестве коммутирующих элементов обычно используются транзисторы, при большей мощности – тиристоры.

Эти факторы позволяют при устранении скользящего контакта коллектор–щетки сохранить основную особенность машины постоянного тока, заключающуюся в том, что частота переключения катушек обмотки якоря определяется частотой вращения ротора. Благодаря этому бесконтактный двигатель постоянного тока в основном сохраняет характеристики коллекторного двигателя с независимым возбуждением.

2.2 Конструкция бесконтактного двигателя

Рассмотрим простейшую конструкцию бесконтактного двигателя (рис.1).

В корпусе 1 расположены электромагнитные системы двигателя и датчика положения. Магнитопровод статора двигателя 2 выполнен из электротехнической стали. В его пазах расположена обмотка 3, состоящая из двух обмоток, сдвинутых в пространстве на 90°. Каждая обмотка представляет собой сосредоточенную многовитковую катушку. Ротор 4 с одной парой полюсов изготовлен из постоянного магнита. При подаче постоянного напряжения на обмотку статора по ней проходит ток, который по взаимодействии с магнитным потоком ротора создает вращающий момент.

Роль датчика положения ротора относительно обмотки статора выполняют два магнитоуправляемых диода Д1 и Д2, расположенных на дополнительном кольцевом магнитопроводе 5, и вращающийся ферромагнитный диск 6. Диск имеет немагнитную вставку 7, занимающую половину его толщины на половине окружности. Магнитный поток датчика Фд создается постоянным магнитом 8 с радиальной намагниченностью. Каждый из магнитоуправляемых диодов одну половину оборота вала находится в зоне действия магнитного потока Фд и открыт, а вторую — вне зоны действия магнитного потока Фд и закрыт.

Работа датчиков и полупроводникового коммутатора К (рис.2) согласована при расположении датчиков Д1 и Д2 по осям обмоток статора 1 и 2 и линии симметрии диска СС перпендикулярно оси полюсов ротора. В положении, изображенном на рис.2, a, сигнал, управляющий коммутатором, снимается с датчика Д1, и коммутатор подает на обмотку 1 напряжение указанной на рисунке полярности.

Когда сигнал отсутствует, коммутатор К подает на обмотку 1 напряжение противоположной полярности (рис. 2, б). Аналогично со сдвигом на 90° подключается к коммутатору обмотка 2 по сигналам датчика Д2. При этом изменение коммутатором полярности напряжения на обмотках статора осуществляется в момент перехода оси потока ротора через ось данной обмотки статора. Тем самым обеспечивается изменение направления тока в обмотке статора при подходе оси полюса ротора противоположного знака. Следовательно, сохраняется одно направление вращающего момента эм, создаваемого силами Fэм, в пределах полного оборота ротора, т.е. выполняется роль коллектора электрической машины постоянного тока.

На рис.3 показана схема подключения обмоток двигателя к транзисторам TI и Т8 коммутатора и таблица, определяющая порядок переключения транзисторов по сигналам датчиков Д1 и Д2.

Известно, что электромагнитный момент, действующий на виток с током, помещенный в магнитное поле, пропорционален току витка и магнитному потоку и зависит от угла между осями витка и поля. Зависимость электромагнитного момента от угла поворота ротора для двухобмоточного двигателя, включенного по схеме рис. 3, показана на рис. 4.

На этом рисунке M1 и M2 – моменты взаимодействия раздельно с 1 и 2 обмотками, M1,2 — результирующий момент.

Как видно из графиков M1 и M2, при включении напряжения только на одну обмотку статора ротор двигателя не приходит во вращение, если начальное положение ротора соответствует углу Θ, при котором вращающий момент эм меньше момента сопротивления на валу. Кроме того, существенная пульсация вращающего момента в пределах оборота ротора приводит, соответственно, к нестабильности мгновенной угловой скорости ротора.

При наличии двух (и более) обмоток на статоре уменьшение момента взаимодействия ротора с одной из обмоток компенсируется увеличением момента взаимодействия с другой. Соответственно, обеспечивается достаточно большой пусковой момент при любом угловом положении ротора, снижение пульсации вращающего момента в пределах оборота и нестабильности мгновенной угловой скорости ротора.

Характеристики бесконтактных микродвигателей тем ближе к характеристикам классического двигателя постоянного тока, чем больше число обмоток на статоре. Однако пропорционально числу обмоток увеличивается необходимое число чувствительных элементов датчиков положения и число транзисторов в коммутаторе. Поэтому практически число обмоток нецелесообразно более трех–четырех.

2.3 Схема электромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя

Для повышения стабильности момента и угловой скорости в пределах оборота применяют специальные схемы модуляции тока в обмотках статора.

В настоящее время крупными сериями выпускаются только бесконтактные микродвигатели. Однако наблюдается тенденция роста выпуска бесконтактных двигателей малой мощности, которые могут составить конкуренцию высокомоментным двигателям, используемым в промышленных роботах, приводах подач обрабатывающих центров и т.д. Объясняется это, в частности, тем что сами бесконтактные двигатели имеют меньшие габариты и массу, чем коллекторные, так как у них лучше условия охлаждения – источники тепла только на статоре, и отсутствует такой источник нагрева, как узел трения коллектор–щетки. Правда, бесконтактный двигатель не может работать без полупроводникового коммутатора.

В ряде случаев двигатели постоянного тока целесообразно делать линейными.

На рис.5, а показана схема электромагнитной системы линейного бесконтактного двигателя. Корпус индуктора 1 выполнен из ферромагнитного материала и служит внешним магнитопроводом. В корпусе расположены постоянные магниты 2, создающие поток возбуждения Фв, индуктор является подвижной частью линейного двигателя. Якорь 3 представляет собой диэлектрическую пластину, на поверхности которой методом фотолитографии выполнена печатная схема проводников 4. Якорь является неподвижной частью двигателя. Длина якоря lя больше длины индуктора lи на длину хода индуктора. Проводники якоря объединены в катушки, оси которых сдвинуты по длине якоря. Выводы катушек подсоединены к полупроводниковому коммутатору. На рис. 5, б показана схема кинематического звена поступательного перемещения с линейным двигателем. Якорь 3 прикреплен к неподвижной направляющей 5, а индуктор 1 – к подвижной каретке 6. На направляющей по осям катушек якоря расположены сигнальные элементы, вызывающие срабатывание датчиков положения индуктора относительно якоря, расположенных на каретке.

Работа линейного бесконтактного двигателя мало отличается от работы рассмотренного ранее вращающегося бесконтактного двигателя. Различие состоит в том, что силы электромагнитного взаимодействия тока якоря с полем возбуждения индуктора создают тяговое электромагнитное усилие Fтяг в плоскости якоря, которое приводит к поступательному перемещению индуктора.

3. Заключение

Бесконтактные электродвигатели постоянного тока типа БК-1, БК-2, ДБ предназначены для применения в составе научной и служебной аппаратуры космических аппаратов, других технических средств с высокой надежностью и длительным сроком службы без регламентного обслуживания. Основными узлами двигателей являются ротор с постоянными магнитами, статор с обмотками и датчиками положения ротора на эффекте Холла, полупроводниковый коммутатор (встроенный для двигателей БК-1 и БК-2, либо выполненный в виде отдельного конструктива для двигателей типа ДБ). Ротор двигателей БК-2 и ДБ отделен от статора герметичной гильзой, что обеспечивает надежную изоляцию внутренней полости двигателей с вращающимся ротором от окружающей среды, дает возможность простыми средствами встроить электродвигатель, например в насос гидросистемы, не заботясь об установке на вал двигателя каких-либо уплотнителей.

Бесконтактные электродвигатели типа БК-1, БК-2, ДБ различных модификаций успешно применяются в приводах вентиляторов и насосов систем жизнеобеспечения и терморегулирования космических аппаратов, пилотируемых кораблей, скафандров космонавтов. Они используются для перекачки горячей щелочи в насосах электрохимических источников тока, обеспечивают функционирование компрессоров микрокриогенных установок, ряда приборов и систем, в том числе автоматизированных технологических комплексов.

4. Список использованной литературы

1. Учебное пособие «Электромеханические устройства автоматики». М. – 2002.

2. Стома С.А., Ремизов В.Е., Кузьмин В.Н., Медушев С.В., Михайлов Е.М., Тихомиров В.К. Изделия точной электромеханики для космических аппаратов (опыт создания и эксплуатации). М.: МЭИ. 1999.

5. Приложения

бесконтактный двигатель ток аппаратура

Рисунок 1.

Рисунок 2.

Рисунок 3.

Рисунок 4.

Рисунок 5.

www.ronl.ru