Помощь студентам в учебе
Вентильный двигатель комбинированного возбуждения для лесозаготовительной техники
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ
1.1 Выбор главных размеров 8
1.2 Обмотка и зубцовая зона статора 12
1.3 Определение геометрии паза статора 13
1.4 Расчет магнитной цепи 14
1.5 Расчёт характеристики холостого хода 17
1.6 Расчет обмотки возбуждения 19
1.7 Параметры обмотки статора 21
1.8 Расчёт массы активных материалов 24
1.9 Потери и КПД 25
1.10 Расчет рабочих характеристик 26
1.11 Поверочный расчет постоянного магнита 28
2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ
2.1 Источники тепловыделения 36
2.2 Составление тепловой схемы замещения 37
2.3 Определение тепловых сопротивлений 39
2.4 Определение тепловых потоков
2.5 Определение температуры активных частей машины 42
2.6 Обоснования выбора класса нагревостойкости изоляции 43
3 СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВОПРОС
3.1 Общие сведения о Ansoft 45
3.2 Обзор пакета Ansoft Maxwell
3.3 Программные модули Ansys Maxwell 46
3.4 Моделирование в программе Maxwell 47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 51
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 52
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Схема обмотки якоря 53
ПРИЛОЖЕНИЕ В. 3D модель двигателя 54
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ
1.1 Выбор главных размеров 8
1.2 Обмотка и зубцовая зона статора 12
1.3 Определение геометрии паза статора 13
1.4 Расчет магнитной цепи 14
1.5 Расчёт характеристики холостого хода 17
1.6 Расчет обмотки возбуждения 19
1.7 Параметры обмотки статора 21
1.8 Расчёт массы активных материалов 24
1.9 Потери и КПД 25
1.10 Расчет рабочих характеристик 26
1.11 Поверочный расчет постоянного магнита 28
2 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ
2.1 Источники тепловыделения 36
2.2 Составление тепловой схемы замещения 37
2.3 Определение тепловых сопротивлений 39
2.4 Определение тепловых потоков
2.5 Определение температуры активных частей машины 42
2.6 Обоснования выбора класса нагревостойкости изоляции 43
3 СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВОПРОС
3.1 Общие сведения о Ansoft 45
3.2 Обзор пакета Ansoft Maxwell
3.3 Программные модули Ansys Maxwell 46
3.4 Моделирование в программе Maxwell 47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 51
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 52
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Схема обмотки якоря 53
ПРИЛОЖЕНИЕ В. 3D модель двигателя 54
Электрические машины применяются во всех отраслях промышленности, в транспорте, в сельском хозяйстве и быту. Почти вся электрическая энергия вырабатывается электрическими генераторами, а две трети ее преобразуется электрическими двигателями в механическую энергию. От правильного выбора и использования электрических машин во многом зависит технический уровень изделий многих отраслей промышленности.
В настоящий момент наметилась устойчивая тенденция замены широко распространенных механических, гидродинамических, гидростатических приводов на приводы нового поколения - приводы с электромеханической трансмиссией. В первую очередь замена коснулась наиболее энергоемких транспортных средств - бульдозеров, тракторов, сельскохозяйственной техники, гусеничных машин гражданского и военного назначения.
Благодаря быстрому развитию электрических машин, силовой и управляющей электроники, применение электротрансмиссии становится все более выгодным с экономической и технической точек зрения.
Так как электрическая энергия распределяется с помощью гибких кабелей, генераторы, контроллеры и тяговые электродвигатели могут размещаться вне зависимости друг от друга. Вытекающая из этого свобода компоновки обеспечивает возможность решения многих противоречивых требований в конструкции.
Электромеханическая трансмиссия обладает рядом преимуществ:
• высокая плавность хода с широким интервалом изменения частоты вращения вала двигателя;
• снижение удельного расхода топлива за счет работы дизеля в экономичном режиме;
• повышение ресурса дизеля из-за отсутствия жесткой связи с ходовой системой - динамические нагрузки от колес не передаются к двигателю;
• исключение влияния неравномерности крутящего момента дизеля на ходовую систему транспортного средства и, как следствие, снижение вибрации;
• снижение уровня вредных выбросов дизеля за счет работы в ограниченном частотном диапазоне с минимальным расходом топлива;
• повышение тягового КПД за счет меньшего буксования ведущих колес при отсутствии переменных нагрузок со стороны дизеля;
• более высокую надежность и долговечность электрических машин в сравнении с механическими передачами;
• возможность использования электроприводов агрегатов сельхозмашин с активным приводом вместо механических или гидравлических механизмов;
• обеспечение электропитания внешних потребителей, применение системы в качестве передвижной электростанции.
Основными элементами электромеханической трансмиссии являются генератор, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания и тяговый электрический двигатель.
При установке тяговых электродвигателей непосредственно в колесах автомобиля или в ведущее колесо гусеничной техники используют планетарные зубчатые редукторы. Колесо с электродвигателем и колесным редуктором называется электромотор-колесо.
Основным недостатком электромеханической трансмиссии являются большие габариты и масса их компонентов, а для их изготовления расходуется большое количество цветных металлов
Выбор того или иного тягового электродвигателя осуществляется его достоинствами и недостатками.
Коллекторные двигатели наряду с благоприятными тяговыми свойствами и относительно высокими технико-экономическими показателями имеют серьезные недостатки, связанные в первую очередь, с наличием коллектора и щёточного узла. Наличие коллектора и снижает эксплуатационную надежность, усложняет ремонт и увеличивает расходы на техническое содержание.
Таблица 1- основные сравнительные характеристики двигателей
Параметры Тип тягового двигателя
Постоянного тока асинхронный Вентильный
Максимальная мощность, кВт 40 40 40
Максимальный ток, А 410 500 192
Частота вращения, об/мин
-номинальная;
-максимальная 2200
6700 3000
8000 5000
13000
Масса двигателя, кг 92 70 26
КПЛ, % 75 85 94
Стоимость, у. е. 2500 5000 5400Однако вентильный двигатель можно регулировать только по цепи якоря т.к. постоянные магниты имеют большое магнитное сопротивление для внешнего магнитного потока. Практически невозможно провести внешнее поле через объем постоянного магнита. По этой причине магнитоэлектрические машины не регулируются по цепи возбуждения.
Это ограничивает их область применения. Машины комбинированного возбуждения лишены этого недостатка. Они могут регулировать основной магнитный поток, добавляя к потоку постоянных магнитов поток от обмотки возбуждения или вычитая из него. Таким образом, они используют преимущества электромагнитного (с обмоткой возбуждения) и магнитоэлектрического (с постоянными магнитами) возбуждения.
ЕФ=ФПМ ± Фов (а)
Целью данной дипломной работы является разработка вентильного двигателя комбинированного возбуждения для электромеханической трансмиссии лесозаготовительной техники мощностью 45,5 кВт, напряжением питания 700 В, частотой вращения 1500 об/мин.
Для достижения этой цели необходимо выполнить:
- электромагнитный расчет;
- тепловой расчет;
- разработка модели и проверка параметров в программной среде ANSYS.
В данном дипломном проекте идет разработка вентильного двигателя комбинированного возбуждения. Данный тип электрических машин относится к специальным электрическим машинам. Он сочетает в себе два источника возбуждения: электромагнитное и возбуждение от постоянных магнитов. При такой конструкции двигатель также сохраняет главное преимущество вентильных двигателей с постоянными магнитами - бесконтакность и приобретает возможность плавного регулирования, как по цепи обмотки якоря, так и по цепи возбуждения.
В настоящий момент наметилась устойчивая тенденция замены широко распространенных механических, гидродинамических, гидростатических приводов на приводы нового поколения - приводы с электромеханической трансмиссией. В первую очередь замена коснулась наиболее энергоемких транспортных средств - бульдозеров, тракторов, сельскохозяйственной техники, гусеничных машин гражданского и военного назначения.
Благодаря быстрому развитию электрических машин, силовой и управляющей электроники, применение электротрансмиссии становится все более выгодным с экономической и технической точек зрения.
Так как электрическая энергия распределяется с помощью гибких кабелей, генераторы, контроллеры и тяговые электродвигатели могут размещаться вне зависимости друг от друга. Вытекающая из этого свобода компоновки обеспечивает возможность решения многих противоречивых требований в конструкции.
Электромеханическая трансмиссия обладает рядом преимуществ:
• высокая плавность хода с широким интервалом изменения частоты вращения вала двигателя;
• снижение удельного расхода топлива за счет работы дизеля в экономичном режиме;
• повышение ресурса дизеля из-за отсутствия жесткой связи с ходовой системой - динамические нагрузки от колес не передаются к двигателю;
• исключение влияния неравномерности крутящего момента дизеля на ходовую систему транспортного средства и, как следствие, снижение вибрации;
• снижение уровня вредных выбросов дизеля за счет работы в ограниченном частотном диапазоне с минимальным расходом топлива;
• повышение тягового КПД за счет меньшего буксования ведущих колес при отсутствии переменных нагрузок со стороны дизеля;
• более высокую надежность и долговечность электрических машин в сравнении с механическими передачами;
• возможность использования электроприводов агрегатов сельхозмашин с активным приводом вместо механических или гидравлических механизмов;
• обеспечение электропитания внешних потребителей, применение системы в качестве передвижной электростанции.
Основными элементами электромеханической трансмиссии являются генератор, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания и тяговый электрический двигатель.
При установке тяговых электродвигателей непосредственно в колесах автомобиля или в ведущее колесо гусеничной техники используют планетарные зубчатые редукторы. Колесо с электродвигателем и колесным редуктором называется электромотор-колесо.
Основным недостатком электромеханической трансмиссии являются большие габариты и масса их компонентов, а для их изготовления расходуется большое количество цветных металлов
Выбор того или иного тягового электродвигателя осуществляется его достоинствами и недостатками.
Коллекторные двигатели наряду с благоприятными тяговыми свойствами и относительно высокими технико-экономическими показателями имеют серьезные недостатки, связанные в первую очередь, с наличием коллектора и щёточного узла. Наличие коллектора и снижает эксплуатационную надежность, усложняет ремонт и увеличивает расходы на техническое содержание.
Таблица 1- основные сравнительные характеристики двигателей
Параметры Тип тягового двигателя
Постоянного тока асинхронный Вентильный
Максимальная мощность, кВт 40 40 40
Максимальный ток, А 410 500 192
Частота вращения, об/мин
-номинальная;
-максимальная 2200
6700 3000
8000 5000
13000
Масса двигателя, кг 92 70 26
КПЛ, % 75 85 94
Стоимость, у. е. 2500 5000 5400Однако вентильный двигатель можно регулировать только по цепи якоря т.к. постоянные магниты имеют большое магнитное сопротивление для внешнего магнитного потока. Практически невозможно провести внешнее поле через объем постоянного магнита. По этой причине магнитоэлектрические машины не регулируются по цепи возбуждения.
Это ограничивает их область применения. Машины комбинированного возбуждения лишены этого недостатка. Они могут регулировать основной магнитный поток, добавляя к потоку постоянных магнитов поток от обмотки возбуждения или вычитая из него. Таким образом, они используют преимущества электромагнитного (с обмоткой возбуждения) и магнитоэлектрического (с постоянными магнитами) возбуждения.
ЕФ=ФПМ ± Фов (а)
Целью данной дипломной работы является разработка вентильного двигателя комбинированного возбуждения для электромеханической трансмиссии лесозаготовительной техники мощностью 45,5 кВт, напряжением питания 700 В, частотой вращения 1500 об/мин.
Для достижения этой цели необходимо выполнить:
- электромагнитный расчет;
- тепловой расчет;
- разработка модели и проверка параметров в программной среде ANSYS.
В данном дипломном проекте идет разработка вентильного двигателя комбинированного возбуждения. Данный тип электрических машин относится к специальным электрическим машинам. Он сочетает в себе два источника возбуждения: электромагнитное и возбуждение от постоянных магнитов. При такой конструкции двигатель также сохраняет главное преимущество вентильных двигателей с постоянными магнитами - бесконтакность и приобретает возможность плавного регулирования, как по цепи обмотки якоря, так и по цепи возбуждения.
В процессе дипломного проектирования по заданным параметрам был разработан двигатель комбинированного возбуждения мощностью 45,5 кВт, с напряжением питания 700 В, частотой вращения 1500 об/мин для электромеханической трансмиссии лесозаготовительной техники.
Выполнен электромагнитный расчет с определением основных размеров машины. Рассчитана магнитная цепь. Также осуществлён поверочный расчёт постоянного магнита по методике С.З. Зильбермана. Построены рабочие характеристики.
Применено жидкостное охлаждение. В качестве жидкости для охлаждения был выбран тосол А-40М. Реализован тепловой расчет, показавший, что температура нагрева обмотки статора соответствует классу изоляции H.
Так же в программе ANSYS Maxwell смоделирован двигатель в режиме генератора и получены данные, подтверждающие принцип работы машины комбинированного возбуждения (глубокое регулирование магнитного потока за счет обмотки возбуждения).
В результате расчета спроектированный двигатель имеет коэффициент полезного действия 89,1%, механическую мощность 45,95 кВт при номинальной частоте вращения 1500 об/мин, что в полной степени соответствует требованиям технического задания.
При разработке квалификационной работы были использованы следующие программные средства: MathCad, Microsoft Office, Solid Works, Maxwell.
Выполнен электромагнитный расчет с определением основных размеров машины. Рассчитана магнитная цепь. Также осуществлён поверочный расчёт постоянного магнита по методике С.З. Зильбермана. Построены рабочие характеристики.
Применено жидкостное охлаждение. В качестве жидкости для охлаждения был выбран тосол А-40М. Реализован тепловой расчет, показавший, что температура нагрева обмотки статора соответствует классу изоляции H.
Так же в программе ANSYS Maxwell смоделирован двигатель в режиме генератора и получены данные, подтверждающие принцип работы машины комбинированного возбуждения (глубокое регулирование магнитного потока за счет обмотки возбуждения).
В результате расчета спроектированный двигатель имеет коэффициент полезного действия 89,1%, механическую мощность 45,95 кВт при номинальной частоте вращения 1500 об/мин, что в полной степени соответствует требованиям технического задания.
При разработке квалификационной работы были использованы следующие программные средства: MathCad, Microsoft Office, Solid Works, Maxwell.
