Материал: Электродвигатель отопителя автомобиля Lada Vesta

Двигатели последовательного возбуждения - «мягкую» характеристику. Применяются в устройствах, требующих огромные пусковые моменты.К тому же устройства, в которых наблюдаются частные перегрузки по моменту тоже используют такие двигатели (трамваи, троллейбусы, электровозы).

Идея применения постоянных магнитов в цепи возбуждения для синхронных электрических машин и двигателей постоянного тока весьма интересна и легко реализуема.«Привлекательность» объясняется следующими факторами:

. Привычная обмотка возбуждения на электромагнитах является пусть и совсем небольшим, а все же потребителем активной электроэнергии. Потому постоянные магниты в цепи возбуждения позволяют повысить энергетические показатели и, в частности, КПД.

. Постоянные магниты упрощают устройство цепи возбуждения, увеличивают надежность электродвигателя в целом. Особенно это затрагивает синхронные двигатели, система возбуждения которых конструктивно находится в составе ротора.

В классическом варианте с применением электромагнитов в конструкцию синхронной машины включаются токосъемные кольца и щетки для питания обмотки возбуждения постоянным током. Но этот токосъемный узел серьезно понижает надежность двигателя и сокращает наработку на отказ.

В то же время, постоянные магниты не нуждаются в электрическом питании, поэтому при их применении отсутствует надобность в токосъемном узле для ротора.

В применении постоянных магнитов для возбуждения электродвигателей есть своя специфичность. Так, двигатель постоянного тока на таких магнитах может иметь только одну электромеханическую характеристику, схожую с характеристикой ДПТ независимого возбуждения.

Помимо этого, для ДПТ с возбуждением на постоянных магнитах отсутствует возможность регулирования по цепи. Этому есть объяснение: ведь отсутствует цепь возбуждения, как таковая.

Похожая проблема характерна и для синхронных двигателей с возбуждением на постоянных магнитах. В этих машинах уже нельзя регулировать коэффициент мощности по цепи. Это означает, что данные синхронные двигатели запрещается или затруднительно применять ради компенсации реактивной мощности.

Проблема эксплуатации электрических машин с возбуждением на постоянных магнитах в влиянии размагничивающей реакции якоря. Магнитное поле, оказывающее влияние на эффективность возбуждения, создается током якоря.

При применении для возбуждения постоянных магнитов эта проблема не имеет конкретного решения, хотя в синхронных двигателях это решается включением цепи в работу лишь на подсихронной скорости, а в обычных ДПТ установкой дополнительных компенсационных обмоток.

Для снижения влияния реакции якоря применяются магниты тангенциальной или даже кольцевой конструкции, при условии что число пар полюсов ДПТ с возбуждением на постоянных магнитах равно двум. Эффект размагничивания уменьшается большим размером магнитов в направлении силовых линий поля .

С этой целью постоянные магниты радиальной конструкции с полюсными наконечниками из магнитотвердого материала применяются при большем числе пар полюсов.

Размеры постоянных магнитов делаются как можно большими, тогда как расстояния между соседними полюсами постоянных магнитов делаются как можно меньшими для уменьшения размагничивающей реакции якоря в синхронных двигателях. Полностью проблему эти меры не решают.

Постоянные магниты весьма востребованы для применения в цепях возбуждения маломощных электродвигателей, в которых размагничивающее влияние реакции якоря не является критичным, невзирая на отмеченные недостатки.

.4 Выбор и расчёт основных параметров электродвигателя

Исходные данные

·        полезная мощность на валу - 60 Вт;

·        номинальное напряжение - 12 В,

·        минимальное - 11 В,

·        максимальное - 14,3 В;

·        частота вращения - 2500 об/мин;

·        возбуждение - от постоянных магнитов;

·        режим работы - продолжительный;

·        исполнение - закрытое.

Основные параметры электродвигателя

Для того, чтобы произвести предварительные расчёта, необходимо задаться значением КПД. Для электродвигателя МЭ-255, наиболее широко применяющегося для привода вентилятора отопителя, значение составляет:

η = UНОМ · IНОМ / Р2                                                                   (1)

где UНОМ - номинальное напряжение питания электродвигателя, В;НОМ - номинальный ток, А;

Р2 - мощность, развиваемая двигателем на валу, Вт;

Η - коэффициент полезного действия электродвигателя.

η = UНОМ · IНОМ / Р2 = 12 · 5 / 20 = 0,33

Мощность проектируемого двигателя составляет 60 Ватт. Так как с ростом мощности увеличивается КПД, принимаем η = 0,5.

Сила тока в якоре:

           (2)

где a - сила тока в якоре, А;- минимальное значение питающего напряжения, В.

Принимаем коэффициент, учитывающий падение напряжения в цепи якоря КЕ = 0,8. ЭДС в обмотке якоря:

                 (3)

Где Umax - максимальное значение питающего напряжения, В.

Расчётная электромагнитная мощность:

             (4)

.

Задаёмся величиной линейной нагрузки А = 7000 А/м. Принимаем коэффициент полюсного перектытия αδ = 0,65 и индукцию в воздушном зазоре B'δ = 0,28 Тл.

Машинная постоянная:

                  (5)

.

Диаметр якоря:

          (6)

Где P' - расчётная электромагнитная мощность, Вт;- частота вращения вала, об/мин.

.

Принимаем стандартное значение 0,063 м.

Длина пакета якоря:

              (7)

Где ξ   - относительная длина активных и лобовых частей обмотки.

.

Полюсное деление:

            (8)

Где p - число пар полюсов. Принимаем его равным 2.

.

Расчётная длина дуги магнита:

               (9)

.

Магнитный поток в воздушном зазоре:

             (10)

.

Обмотка якоря

Выбираем простую волновую обмотку. Число параллельных ветвей обмотки 2а = 2, 2р = 4.

Число активных проводников обмотки якоря:

                 (11)

.

Принимаем N' = 240.

Число пазов якоря:

.

Принимаем Za = 16.

Число проводников в пазу:

.

Шаг обмотки по коллектору и результирующий шаг y = yk = 1.

Первый частичный шаг:

.

Второй частичный шаг:

у2 = у1 - у = 4 - 1 = 3.

Принимаем плотность тока в обмотке якоря ja = 5 106 А/м2.

Сечение провода обмотки якоря:

.

Выбираем провод ПЭТВ сечением . Номинальный диаметр неизолированного провода d =1,18 · 10-3 м. Диаметр изолированного провода (среднее значение) dиз =1,24 · 10-3 м.

Коллектор, щетки

Число коллекторных пластин К = Za= 16.

Диаметр коллектора:=(0,4...0,5) Da = 0,43 · 0,063 =0,027 м.

Коллекторное деление:

.

Расстояние между ламелями βз = 0,0003...0,0004 = 0,00035 м.

Ширина коллекторной пластины:

βk = t - βз = 0,00529 - 0,00035 = 0,00494 м.

Ширина щетки:

вщ = (1...3) / βk= 2.0,00494 = 0,00988 м.

Длина щетки

ащ= вщ = 0,00988 м.

Выбираем щетки марки 960 с размерами вщ = 7 · 10-3 м и ащ= 7,5.10 · 10-3 м.

Площадь щетки:щ= ащ · вщ = 0,0075 · 0,007= 52,5 · 10-6 м2 .

Плотность тока под щеткой:

.

Длина коллектора:= 1,5ащ = 1,5 · 0,0075 = 0,01125 м.

Ширина зоны коммутации:

.

.

Условия благоприятной коммутации:

, .

Пазы якоря

Выбираем грушевидный паз. Ширина прорези: апр = 2,5 · 10-3 м.

Высота прорези паза hпр = 1,5 · 10-3 м.

Зубцовое деление по наружному диаметру якоря:

.

Принимаем допустимую максимальную индукцию в зубце Вzmax =1,3 Тл.

Минимальное сечение зубца (в среднем сечении):

, где Кст = 0,98.

Высота паза:п = 0,25Dа = 0,25 · 0,063 =0,0158 м.

Диаметр якоря в верхнем сечении паза:

.

Диаметр якоря в среднем сечении паза:

.

Диаметр якоря в нижнем сечении паза:

.

Паз строится в виде трапеции. Методом подбора находим радиусы сопряжений r1 = 0,002 м и r2 = 0,002 м. Диаметр якоря, соответствующий центрам окружностей сопряжений в верхней части паза:

.

Диаметр якоря, соответствующий центрам окружностей сопряжений в нижней части паза:

.

Площадь паза:

,

+

+.

Расчёт рабочих характеристик электродвигателя

При расчете рабочих характеристик задаемся несколькими значениями силы тока в якоре и в таблицу 1 сводим результаты расчета.

Падение напряжения в обмотке якоря:

ЭДС в обмотке якоря:

Частота вращения вала электродвигателя:

.

Электрические потери в меди якоря:

.

Электрические потери в щетках:

.

Электрические потери в электродвигателе:

.

Масса стали сердечника якоря:

.

Масса коллектора:

.

Масса стали зубцов якоря

.

Масса меди обмотки якоря:

.

Масса якоря:

.

Частота перемагничивания стали:

.

Удельные потери в стали якоря (сердечника):

.

Потери мощности на трение в подшипниках:

.

Механические потери на трение якоря о воздух:

.

Суммарные механические потери:

.

Суммарные потери мощности в электродвигателе:

.

Подведённая к электродвигателю мощность:

.

Полезная мощность на валу:

.

КПД при номинальной нагрузке:

.

Вращающий момент на валу электродвигателя:

.

Таблица 1 - Результаты расчёта рабочих характеристик