Praktická práce č. 9 výpočet hlavních charakteristik stejnosměrných strojů | Vzdělávací a metodický materiál: | Vzdělávací sociální síť

Objektivní: vypočítat hlavní parametry stejnosměrného motoru.

Obrázek 10.1 – DC stroj:

1-hřídel; 2— přední ložiskový štít; 3-kolektor;

4—držák štětců;

5— jádro kotvy s vinutím;

6— jádro hlavního pólu;

7– pólová cívka; 8 – postel; 9 — štít zadního ložiska;

10-větrák; 11— tlapky; 12 – ložisko

Stejnosměrný elektrický stroj se skládá ze statoru, kotvy, komutátoru, držáku kartáčů a ložiskových štítů (obrázek 10.1). Stator se skládá z rámu (pouzdra), hlavního a přídavného pólu, které mají budicí vinutí. Tato stacionární část stroje se někdy nazývá induktor. Jeho hlavním účelem je vytvořit magnetický tok. Rám je ocelový, jsou k němu přišroubovány hlavní a přídavné póly a také ložiskové štíty. Na horní straně rámu jsou kroužky pro přepravu a na spodní straně jsou tlapky pro připevnění stroje k základu. Hlavní póly stroje jsou vyrobeny z plechů z elektrooceli o tloušťce 0,5 -1 mm, aby se omezily ztráty, které vznikají pulzací magnetického pole pólů ve vzduchové mezeře pod póly.

Na jádře je umístěno budicí vinutí, kterým prochází proud vytvářející magnetický tok. Budicí vinutí je navinuto na kovovém rámu pokrytém elektrokartonem (u velkých strojů), nebo umístěno na jádru izolovaném elektrokartonem (malé stroje). Pro lepší chlazení je spirála rozdělena na několik částí, mezi nimiž jsou ponechány ventilační kanály. Mezi hlavními jsou instalovány další póly. Slouží ke zlepšení přepínání. Jejich vinutí jsou zapojena do série s obvodem kotvy, takže vodiče vinutí mají velký průřez.

Kotva stejnosměrného stroje se skládá z hřídele, jádra, vinutí a komutátoru. Jádro kotvy je sestaveno z lisovaných plechů elektrooceli o tloušťce 0,5 mm a oboustranně lisované pomocí tlakových myček.

Obvod a parametry motoru s paralelním buzením

I je vinutí kotvy motoru;

OB – vinutí buzení motoru;

RROW – odpor pro změnu proudu v budícím vinutí;

RP – startovací reostat.

Obrázek 10.2 – Schéma motoru s paralelním buzením

1 Síťové napětí dodávané do motoru –U, V;

2 Odpor vinutí kotvy motoru –RÁ, Ohm;

3 Odpor budícího vinutí –RВ, Ohm;

4 Jmenovité otáčky kotvy motoru –nN, otáčky za minutu;

5 Zpět EMF (Е), který se indukuje ve vinutí kotvy, když se otáčí v magnetickém poli o jmenovité frekvenci;

6 Proud ve vinutí kotvy

7 Proud v budícím vinutí

8 Jmenovitý proud odebíraný motorem ze sítě

9 Výkon spotřebovaný motorem ze sítě

10 Ztráta výkonu v motoru – ∆Р, W

11 Čistý výkon motoru

12 Účinnost motoru

13 Točivý moment motoru

14 V tuto chvíli je motor pod napětím n = 0 zpět-EMF E vinutí kotvy se neindukuje a proud v něm může dosáhnout mnohonásobně větší hodnoty, než je jmenovitý proud.

Pro omezení rozběhového proudu je do obvodu vinutí kotvy zaveden rozběhový odpor RP, která se s rostoucí rychlostí otáčení postupně snižuje. Při jmenovité frekvenci nН startovací odpor RП = 0.

V praktické práci RP určit z podmínky rostoucího rozběhového proudu IP 1,5krát oproti nominálnímu

1 Zapište si počáteční údaje (tabulka 10.1) podle volby a nakreslete schéma zapojení stejnosměrného motoru do obvodu (obrázek 10.2).

Tabulka 10.1 – Výchozí data pro výpočet

Elektromotor je elektromechanické zařízení založené na elektromagnetismu, které umožňuje přeměnu elektrické energie například na energii pracovní nebo mechanickou. Tento proces je vratný a lze jej použít k výrobě elektřiny. Všechny tyto elektrické stroje jsou však reverzibilní a mohou být buď „motorem“ nebo „generátorem“ ve čtyřech kvadrantech roviny točivého momentu.

Časný vývoj

V roce 1821, po objevu fenoménu spojení elektřiny a magnetismu dánským chemikem Oerstedem, Ampereho teorému a Biot-Savartova zákona, anglický fyzik Michael Faraday sestrojil dvě zařízení, která nazval „elektromagnetická rotace“: nepřetržitý kruhový pohyb magnetické síly kolem drátu – to je skutečná demonstrace prvního elektromotoru.

V roce 1822 Peter Barlow sestrojil to, co lze považovat za první elektromotor v historii: „Barlowovo kolo“. Toto zařízení je jednoduchý kovový kotouč vyřezaný do hvězdicového tvaru, jehož konce jsou ponořeny do kelímku obsahujícího rtuť, která zajišťuje tekoucí proud. Vytváří však pouze sílu schopnou ji otočit, aniž by umožnila její praktickou aplikaci.

První experimentálně použitý komutátor vynalezl v roce 1832 William Sturgeon. První stejnosměrný motor vyrobený na prodej vynalezl Thomas Davenport v roce 1834 a patentoval jej v roce 1837. Tyto motory nezaznamenaly žádný průmyslový rozvoj kvůli vysoké ceně baterií v té době.

Elektromotor se stejnosměrným proudem

Stejnosměrný komutovaný stroj má sadu rotujících vinutí navinutých na kotvě namontované na rotující hřídeli. Hřídel má také komutátor, dlouhodobý otočný elektrický spínač, který periodicky mění tok proudu ve vinutí rotoru, když se hřídel otáčí. Každý stejnosměrný můstkový motor má tedy střídavý proud procházející rotujícími vinutími. Proud protéká jedním nebo více páry kartáčů nesených na komutátoru; Kartáče připojují externí zdroj energie k rotační kotvě.

Rotační kotva se skládá z jedné nebo více cívek drátu navinutých kolem vrstveného feromagnetického jádra. Proud z kartáče protéká komutátorem a jedním vinutím kotvy, čímž se stává dočasným magnetem (elektromagnetem). Magnetické pole generované kotvou interaguje se stacionárním magnetickým polem generovaným buď PM nebo jiným vinutím (budicí cívkou) jako součást rámu motoru.

Síla mezi dvěma magnetickými poli má tendenci otáčet hřídelí motoru. Komutátor přepíná energii do cívek, když se rotor otáčí, čímž brání magnetickým pólům, aby se vždy zcela shodovaly s magnetickými póly pole statoru, takže rotor se nikdy nezastaví (jako střelka kompasu), ale spíše se otáčí, dokud existuje energie.

Ačkoli většina komutátorů je válcová, některé jsou ploché disky sestávající z několika segmentů (obvykle alespoň tří) namontovaných na izolátoru.

Velké kartáče jsou žádoucí pro větší kontaktní plochu kartáče pro maximalizaci výkonu motoru, ale malé kartáče jsou žádoucí pro nízkou hmotnost, aby se maximalizovala rychlost, při které může motor běžet bez nadměrného odskakování kartáče a jiskření. Tužší kartáčové pružiny lze použít i k výrobě kartáčů dané hmotnosti při vyšších rychlostech, ale na úkor větších ztrát třením a opotřebení urychlovaného kartáče a komutátoru. Proto návrh stejnosměrného motoru zahrnuje kompromis mezi výstupním výkonem, rychlostí a účinností/opotřebením.

Konstrukce stejnosměrných motorů:

• Obvod kotvy je vinutí, které nese zátěžový proud, což může být stacionární nebo rotující část motoru nebo generátoru.
• Polní obvod – soubor vinutí, které vytvářejí magnetické pole, takže v elektrických strojích může existovat elektromagnetická indukce.
• Přepínání. Mechanická technika, při které lze dosáhnout usměrnění nebo pomocí které lze získat stejnosměrný proud.

Existují čtyři hlavní typy stejnosměrných motorů:

1. Elektromotor s bočním vinutím.
2. Stejnosměrný elektromotor.
3. Kombinovaný motor.
4. PM motor.

Základní kalkulační ukazatele

Jak zjistit výkon elektromotoru si ukážeme dále v článku na příkladu s počátečními údaji.

Dobrý vědecký projekt nekončí u konstrukce energetického aparátu. Je velmi důležité vypočítat výkon elektromotoru a různé elektrické a mechanické parametry vašeho zařízení a vypočítat vzorec výkonu elektromotoru pomocí neznámých hodnot a užitečných vzorců.

Pro výpočet elektromotoru použijeme Mezinárodní soustavu jednotek (SI). Jedná se o moderní metrický systém, oficiálně uznávaný v elektrotechnice.

Jedním z nejdůležitějších fyzikálních zákonů je základní Ohmův zákon. Uvádí, že proud procházející vodičem je přímo úměrný použitému napětí a je vyjádřen jako:

I = V/R

kde I je proud v ampérech (A);

V – použité napětí ve voltech (V);

R je odpor v ohmech (Ω).

Tento vzorec lze použít v mnoha případech. Odpor vašeho motoru můžete vypočítat měřením odebíraného proudu a přiloženého napětí. Pro jakýkoli daný odpor (u motorů je to většinou odpor cívky) tento vzorec vysvětluje, že proud lze řídit přiloženým napětím.

Spotřebovaný elektrický výkon motoru se určuje podle následujícího vzorce:

Pin = I * V

kde Pin je příkon měřený ve wattech (W);

I — proud měřený v ampérech (A);

V je použité napětí měřené ve voltech (V).

Jak zjistit výstupní výkon

Motory mají vykonávat nějakou práci a existují dvě důležité hodnoty, které určují jeho výkon. To je rychlost a síla otáčení motoru. Mechanický výstupní výkon motoru lze vypočítat pomocí následujícího vzorce:

Pout = τ * ω

kde Pout je výstupní výkon měřený ve wattech (W);

τ je moment síly měřený v newtonmetrech (N m);

ω je úhlová rychlost měřená v radiánech za sekundu (rad/s).

Je snadné vypočítat úhlovou rychlost, pokud znáte otáčky motoru v otáčkách za minutu:

ω = otáčky za minutu * 2 * π / 60

kde ω je úhlová rychlost (rad/s);

rpm — rychlost otáčení v otáčkách za minutu;

P je matematická konstanta (3.14);

60 je počet sekund za minutu.

Pokud je motor 100% účinný, veškerá elektrická energie se přemění na mechanickou energii. Takové motory však neexistují. Dokonce i přesné malé průmyslové motory mají maximální účinnost 50-60%.

Měření točivého momentu motoru je složitý úkol. To vyžaduje speciální drahé vybavení. Ale je možné to udělat sami, pokud máte speciální informace a vzorce.

Indikátory mechanické účinnosti

Účinnost motoru se vypočítá jako mechanický výstupní výkon dělený elektrickým příkonem:

E = Pout / Pin

Pout = špendlík * E

po substituci dostaneme:

T * ω = I * V * E

T * otáčky za minutu * 2 * P / 60 = I * V * E

a vzorec pro výpočet momentu síly se bude rovnat:

T = (I * V * E * 60) / (ot./min * 2 * P)

Pro určení výkonu motoru je nutné jej připojit k zátěži pro generování točivého momentu. Změřte proud, napětí a otáčky. Nyní můžete vypočítat točivý moment pro toto zatížení při těchto otáčkách za předpokladu, že znáte účinnost motoru.

Odhadovaná 15procentní účinnost představuje maximální účinnost motoru, ke které dochází pouze při určitých otáčkách. Účinnost může být cokoli mezi nulou a maximem; v našem příkladu pod 1000 ot/min nemusí být optimální rychlost, takže pro výpočty můžete použít 10% účinnost (E=0,1).

Příklad: rychlost 1000 ot/min, napětí 6 V a proud 220 mA (0,22 A):

T = (0,22 * 6 * 0,1 * 60) / (1000 * 2 * 3,14) = 0,00126 Nm

V důsledku toho se obvykle vyjadřuje v millinewtonech krát metrech (mN m). 1000 mN m až 1 N m, takže vypočtený točivý moment je 1,26 mN m. To lze dále převést na (g-cm) vynásobením výsledku 10,2 a. E. Točivý moment je 12,86 g-cm.

V našem příkladu je příkon motoru 0,22 A x 6 V = 1,32 W, mechanický výstupní výkon je 1000 2 ot./min x 3,14 x 0,00126 x 60 N m / 0,132 = XNUMX W.

Točivý moment motoru se mění s otáčkami. Když není zatížení, maximální otáčky a nulový točivý moment. Zátěž dodává mechanickou odolnost. Motor začne odebírat více proudu, aby překonal tento odpor, a rychlost se sníží. Když k tomu dojde, točivý moment je na svém maximu.

Jak přesný je výpočet krouticího momentu, se určí následovně. Zatímco napětí, proud a rychlost mohou být měřeny přesně, účinnost motoru může být nesprávná. Záleží na přesnosti vaší montáže, poloze snímače, tření, vyrovnání motorů a os generátorů atd.

Rychlost, točivý moment, výkon a účinnost nejsou konstantní hodnoty. Následující údaje obvykle uvádí výrobce ve speciálních tabulkách.

Lineární motory

Lineární motor je v podstatě indukční motor, jehož rotor je „otočen“ tak, že namísto vytváření rotační síly rotujícím elektromagnetickým polem vytváří lineární sílu podél své délky vytvořením elektromagnetického pole zkreslení.

akustický hluk

Akustický hluk a vibrace Elektromotory obvykle pocházejí ze tří zdrojů:

• mechanické zdroje (např. kvůli ložiskům);
• aerodynamické zdroje (například kvůli ventilátorům namontovaným na hřídeli);
• magnetické zdroje (např. v důsledku magnetických sil, jako je Maxwell a magnetostrikčních sil působících na struktury statoru a rotoru).

Konečný zdroj, který může být zodpovědný za hluk elektromotoru, se nazývá elektricky buzený akustický hluk.