Курсовой проект по дисциплине «Электрические и электронные аппараты»



Дата14.01.2020
Размер0.79 Mb.
Название файла-
Учебное заведениеСаратовский государственный технический университет
ТипКурсовой проект

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

“Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.”

Институт энергетики и транспортных систем

Кафедра “Электротехника и электроника”

Направление 13.03.02 “Электроэнергетика и электротехника”

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине «Электрические и электронные аппараты»

Тема: Проектирование электромагнита постоянного тока.

Семестр 5 учебный год 2018-2019 .

Саратов 2019

РЕФЕРАТ

Курсовой проект состоит из пояснительной записки, выполненной в текстовом редакторе Microsoft Office Word 2007, на 34 страницах машинописного текста, включая 5 иллюстраций, 5 таблиц и 7 литературных источников. Рисунки выполнены в графическом редакторе Paint.NET. Чертежи выполнены в графическом редакторе КОМПАС-3D LT V12.

ПРЯМОХОДОВОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТ, ПОСТОЯННЫЙ ТОК, ЯДРО, ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ РАЗМЕРЫ, РАБОЧИЙ ЭСКИЗ, СЕЧЕНИЕ ПРОВОДА.

Целью курсового проекта является произведение расчета электромагнита постоянного тока прямоходового типа.

Задачами курсового проекта являются выполнение ряда расчетов с целью определения геометрических размеров электромагнита и обмоточных данных катушек, температурного режима и потребляемой мощности.

Во введении обосновывается необходимость изучения дисциплины «Электрические и электронные аппараты».

В первом разделе курсового проекта приводятся исходные данные необходимые для расчета электромагнита постоянного тока прямоходового типа.

Во втором разделе курсового проекта производится предварительный расчет ядра электромагнита постоянного тока прямоходового типа.

В третьем разделе курсового проекта выполняется разработка конструкции электромагнита постоянного тока.

В четвертом разделе курсового проекта выполняется проектный расчет электромагнита постоянного тока прямоходового типа.

В пятом разделе курсового проекта изложены выводы по результатам выполненного проектного расчета электромагнита постоянного тока, и представлено заключение в виде числовых данных по результатам расчета.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ 5

2 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ЯДРА ЭЛЕКТРОМАГНИТА

ПОСТОЯННОГО ТОКА 6

2.1 Выбор параметров и безразмерных коэффициентов электромагнита. 6

2.2 Расчет ядра электромагнита. 8

2.3 Основные параметры ядра электромагнита. 10

3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТА ПОСТОЯННОГО

ТОКА 13

3.1 Рабочий эскиз электромагнита. 13



3.2 Уточнение геометрических размеров электромагнита. 13

3.3 Определение конструктивных параметров магнитопровода

электромагнита. 15

4 ПРОЕКТНЫЙ РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ЭЛЕКТРОМАГНИТА 19

4.1 Расчет основных параметров электромагнита. 19

4.2 Определение параметров катушки электромагнита. 22

4.3 Расчет теплового режима обмоток электромагнита. 24

4.4 Расчет весовых показателей электромагнита. 27

5 ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТА 30

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ 32

ВВЕДЕНИЕ


Дисциплина “Электрические и электронные аппараты” предназначена для подготовки обучающихся к производственно – технологической деятельности, посредством обеспечения этапов формирования компетенций, умений и навыков. Задачами дисциплины являются изучение понятийного аппарата, основных теоретических положений и методов, привитие навыков применения теоретических знаний для решения практических задач.

В результате изучения дисциплины студент должен знать основные законы и физические явления, лежащие в принципе действия каждого электрического и электронного аппарата; теоретические основы электрических, электромагнитных и тепловых процессов в электромеханических аппаратах; варианты построения средств измерения и контроля параметров технологического процесса с помощью электрических и электронных аппаратов; уметь выполнять выбор аппаратов для целей управления режимами работы электротехнических устройств, и их защиты и регулирования параметров в соответствии с технологическим процессом; владеть навыками анализа работы средств измерения и контроля, реализованных электрическими и электронными аппаратами.

1 ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Тип электромагнита – прямоходовой; критический зазор = 1,3 см; критическая сила = 6,0 кг; напряжение сети = 75 В.



Прямоходовой электромагнит открытого исполнения предназначен для продолжительного режима работы. Катушка наматывается на латунную трубу толщиной 1мм, на торцах обмотки имеется по одной изоляционной шайбе из текстолита толщиной 2мм. Для устранения залипания якоря под полюсными наконечниками магнитопровода уложены немагнитные металлические прокладки толщиной 0,3 мм. Эскиз предполагаемого к разработке электромагнита постоянного тока приводится на рисунке 1.

Рисунок 1. – Эскиз прямоходового электромагнита постоянного тока.

В процессе разработки электромагнита необходимо выполнить следующий объем расчетов: определить основные размеры электромагнита; рассчитать обмоточные данные катушки; разработать эскиз электромагнита; определить максимальную температуру по сечению катушки ЭМ; оценить потребляемую ЭМ мощность в рабочем режиме, расход активных обмоточных материалов, вес электромагнита.

2 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ ЯДРА ЭЛЕКТРОМАГНИТА ПОСТОЯННОГО ТОКА

2.1 Выбор параметров и безразмерных коэффициентов электромагнита.

Для проведения расчета необходимо задать параметры и безразмерные коэффициенты предварительного расчета.

2.1.1 Принять исполнение катушки, класс ее изоляции и в соответствии с этим допустимое превышение температуры катушки относительно окружающей среды:

Принять = 830 C.

2.1.2 При нормированной температуре окружающей среды Vос = 350 C:

2.1.3 Определить коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности катушки в соответствии с и :





2.1.4 Вычислить удельное сопротивление провода нагретой катушки:



где 0 = 0,0162 Ом мм2/м – удельное сопротивление медного провода при 0°С; α0 = 0,00393 1/град – температурный коэффициент.



2.1.5 Вычислить коэффициент теплообмена с внутренней поверхностью катушки:



2.1.6 Принять значения безразмерных конструктивных коэффициентов с учетом наличия в сердечнике полюсного наконечника:









2.1.7 Предварительное заполнение окна катушки металлом провода:



где SМ – сечение провода и обработки, см2; W – число витков обмотки; H и A – высота и ширина катушки; f3 = 0,40,6 в зависимости от марки провода и способа укладки проводов. Впоследствии требует уточнения.



2.1.8 Задать возможное снижение напряжения в сети Х = 0,85, а также снижение магнитного потенциала в стали и в нерабочих зазорах (снижение МДС). В рационально построенных конструкциях падения МДС в стали магнитопровода составляет 1020%, а в нерабочих воздушных зазорах 510% от величины полной МДС в катушки (IW):

где – МДС, приходящаяся на основной рабочий зазор.

Принять = 0,83.

2.2 Расчет ядра электромагнита.



2.2.1 Вычислить постоянную C1:





2.2.2 Вычислить приближенное значение индукции в воздушном зазоре:





В связи с наличием полюсного наконечника происходит выпучивание магнитного потока в зазоре.

2.2.3 Определить значение коэффициента выпучивания:

где - некоторый текущий параметр.

2.2.4 Найти определяющий размер ядра электромагнитного элемента dc (диаметр сердечника):

Так как совместное решение достаточно громоздко, то использую графоаналитический метод, для чего провожу расчет и построение графика зависимости:



Результаты расчета заношу в таблицу 1.



Таблица 1. – Результаты расчета зависимости

X

X2

X3

X5





Примечание

1

1

1

1

2,22

0,893

Меньше 6,0

1,2

1,44

1,72

2,48

2,01

2,005

Меньше 6,0

1,4

1,96

2,74

5,37

1,87

4,041

Меньше 6,0

1,6

2,56

4,09

10,48

1,76

7,422

Больше 6,0

1,8

3,24

5,83

18,89

1,67

12,694

Больше 6,0

2,0

4

8

32

1,61

20,732

Больше 6,0

По результатам расчета строю зависимость:

и на полученной кривой, интерполируя, нахожу значение X, соответствующее заданной величине , что позволяет получить определяющий размер ядра электромагнита dc.



Рисунок 2. – График зависимости F0/ = f (x).





2.3 Основные параметры ядра электромагнита.

2.3.1 Вычислить ширину катушки прямоходового электромагнита:

2.3.2 Вычислить высоту катушки прямоходового электромагнита:



2.3.3 Вычислить диаметр полюсного наконечника:



2.3.4 Определить необходимую магнитодвижущую силу:





2.3.5 Вычислить расчетное сечение провода обмотки:





2.3.6 Вычислить расчетный диаметр провода:



Выбрать ближайший размер провода марки ПЭЛ, а именно:

- диаметр по меди фактический d = 0,33 мм;

- диаметр по изоляции фактический d1 = d + 0,02 = 0,33+0,02 = 0,35 мм;

- фактическое сечение по меди Sм = см2

2.3.7 Вычислить число витков катушек:



Таблица 2. – Результаты предварительного расчета электромагнита прямоходового типа.



Основные расчетные параметры

Ед. изм.

Значения

Критическая сила F0

кг

6,0

Критический зазор

см

1,3

Определяющий размер ядра

см

2

Индукция в зазоре

Вб/см2



Коэффициент n




0,75

Коэффициент




5,5

Коэффициент




1,7

Коэффициент m




4,12

Диаметр полюсного наконечника

см

3,4

Магнитодвижущая сила (МДС)

А×В



Сечение провода

мм2



Диаметр провода d

мм

0,33

Число витков W

вит



Ширина катушки A

см

1,5

Высота катушки H

см

8,24

3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТА ПОСТОЯННОГО ТОКА

3.1 Рабочий эскиз электромагнита.



Разработка конструкции электромагнита производится по данным предварительного расчета в соответствии с требованиями технологичности конструкции, надежности ее эксплуатации. В процессе эскизной проработки проекта уточняются геометрические размеры магнитопровода и катушек с учетом округления до конструктивных размеров и использования существующих сортаментов на материалы. Исходными данными проектного расчета являются результаты предварительного расчета электромагнита.

Рисунок 3. - Рабочий эскиз прямоходового электромагнита.

3.2 Уточнение геометрических размеров электромагнита.

3.2.1 Уточнить определяющий размер ядра:

Исходя из соображения округления полученного ранее размера до конструктивного размера или имеющегося сортамента материала увеличить на 20 – 30 %, см:

3.2.2 Принять конструктивные размеры высоты полюсного наконечника и расстояние между двумя катушками , которое определяется удобством замены катушки:



3.2.3 Вычислить высоту намотки:



3.2.4 Вычислить высоту катушки:



где - толщина изоляции шайбы равная 0,2 см.



3.2.5 Вычислить ширину намотки:



3.2.6 Вычислить ширину катушки:



где = 0,2 см; = 0,2 см.



3.2.7 Вычислить диаметр полюсного наконечника:



3.2.8 Вычислить наружный диаметр катушки:



3.2.9 Вычислить внутренний диаметр катушки:



3.2.10 Вычислить площадь наружной боковой поверхности охлаждения:



3.2.11 Вычислить площадь внутренней боковой поверхности:



3.2.11 Вычислить длину среднего витка:



3.2.12 Вычислить площадь торцевой поверхности:



3.3 Определение конструктивных параметров магнитопровода электромагнита.

3.3.1 Вычислить ширину скобы магнитопровода:

где = 2 – 5 мм.



Принять = 5мм = 0,5 см.

3.3.2 Вычислить сечение скобы магнитопровода прямоходового электромагнита:



Сечение скобы магнитопровода прямоходового электромагнита Sa во избежание насыщения не должно быть меньше сечения сердечника.

3.3.3 Вычислить толщину скобы магнитопровода:



3.3.4 Вычислить эквивалентное сечение полюсного наконечника:



3.3.5 Вычислить сечение якоря магнитопровода:



3.3.6 Вычислить толщину якоря:



3.3.7 Вычислить среднюю длину силовых линий якоря:





3.3.8 Вычислить среднюю длину силовых линий ярма:



3.3.9 Уточнить размеры нерабочих зазоров в месте сочленения полюсных наконечников и сердечника, сердечника и скобы:

Принять воздушные зазоры

3.3.10 Вычислить величину среднего зазора:



Таблица 3. – Результаты расчета конструктивных параметров прямоходового электромагнита.



Основные параметры

Ед. изм.

Значение

Критическая сила F0

кг

6,0

Критический зазор

см

1,3

Определяющий размер ядра ЭМ

см

2,5

Диаметр полюсного наконечника

см

4,25

Высота обмотки

см

10,3

Высота катушки

см

10,7

Ширина катушки

см

2,27

Ширина намотки

см

1,87

Наружный диаметр катушки

см

7,04

Внутренний диаметр катушки

см

2,5

Площадь боковой наружной поверхности

см2

227,68

Площадь внутренней боковой поверхности

см2

80,85

Ширина скобы магнитопровода

см

8,04

Толщина скобы

см

0,6

Толщина якоря

см

1,49

Сечение скобы

см2

4,9

Сечение якоря

см2

12,04

Средняя длина силовых линий якоря

см

6,31

Средняя длина силовых линий ярма

см

18,31

4 ПРОЕКТНЫЙ РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОМАГНИТА

4.1 Расчет основных параметров электромагнита.



4.1.1 Вычислить уточненное значение коэффициента выпучивания:



4.1.2 Вычислить уточненное значение индукции в зазоре прямоходового электромагнита:





4.1.3 Вычислить проводимость основного воздушного зазора:



где - 4×10-7 Гн/м; - фиксированный диаметр рабочего воздушного зазора с учетом полюсного наконечника и выпучивания.



4.1.4 Вычислить проводимость нерабочих воздушных зазоров:



где - величина нерабочего зазора определяется по эскизу электромагнита и состоит из немагнитной прокладки (0,05 см); неплотностей прилегания за счет неровностей обработки поверхностей стали (0,005 см на сочленение элементов магнитопровода) и наличия антикоррозионного покрытия (0,0015 см).



4.1.5 Вычислить общую проводимость рабочих и нерабочих зазоров:





4.1.6 Вычислить удельную проводимость утечки:



где l – расстояние между осями катушек, см.



4.1.7 Вычислить приведенную по магнитному потоку проводимость:



4.1.8 Вычислить значение коэффициента рассеяния для критического положения якоря:



4.1.9 Вычислить значение индукции в стали сердечника:





4.1.10 Вычислить эквивалентное сечение основного зазора:



4.1.11 Вычислить значение индукции в стали якоря электромагнита:



4.1.12 Вычислить значение индукции в стали ярма электромагнита:





4.1.13 Вычислить магнитодвижущую силу катушки электромагнита, необходимую для проведения магнитного потока в рабочих зазорах:



где N – число рабочих воздушных зазоров.



4.1.14 Вычислить магнитодвижущую силу катушки электромагнита для проведения магнитного потока в нерабочих зазорах:



4.1.15 Вычислить необходимую магнитодвижущую силу для проведения магнитного потока в стали:



где .









4.1.16 Вычислить общее значение магнитодвижущей силы катушки:



4.2 Определение параметров катушки электромагнита.



4.2.1 вычислить сечение провода обмотки:

4.2.2 Вычислить диаметр провода обмотки:



4.2.3 Выбрать ближайший по ГОСТу диаметр провода без изоляции:



4.2.4 Выбрать ближайший по ГОСТу диаметр провода с изоляцией:



4.2.5 Выбрать ближайшее по ГОСТу сечение провода:



4.2.6 Вычислить коэффициент заполнения окна намотки для идеальной шахматной укладки проводов:



4.2.7 Вычислить реальный коэффициент заполнения:



где - коэффициент учитывающий неравномерную укладку проводов при намотке выполненной на автомате.



4.2.8 Вычислить проектное число витков катушек:



4.2.9 Вычислить средний диаметр катушки:



4.2.10 Вычислить сопротивление каждой катушки, отнесенное к :





где - удельное сопротивление меди при .

4.2.11 Вычислить мощность потребляемую одной катушкой:



4.2.12 Вычислить мощность потребляемую двумя катушками:



4.2.13 Вычислить объем намотки катушки:



4.2.14 Вычислить удельные потери в единице объема катушек:



4.3 Расчет теплового режима обмоток электромагнита.



Тепловой режим обмотки зависит от значительного числа конструктивных факторов и физических свойств материалов, использованных в обмотках электромагнита: способа намотки, толщины изоляции провода и его материала, наличия изоляционных прокладок , размеров заполненных воздухом (лаком) или пространством обмотки. Расположение этих элементов в обмотке иллюстрировано эквивалентной схемой, изображенной на рисунке 5.

Рисунок 5. – Эквивалентная схема расположения элементов рабочей изоляции в обмотке.

4.3.1 Вычислить толщину изоляции провода:

4.3.2 Вычислить приведенное значение коэффициента теплопроводности для всей изоляции катушек:



где - эквивалентная толщина участка обмотки, заполненного воздухом или лаком, которая определяется способом намотки катушки и составляет величину 0,85 0,95 × 10-3 ,см; - толщина прокладки, см.



Принять , ,



4.3.3 Вычислить эквивалентный коэффициент теплопроводности для двух катушек:



где - корректирующий коэффициент, характеризующий технологию выполнения обмотки.



4.3.4 Вычислить поверхность охлаждения через наружную и внутреннюю боковые поверхности катушек:



где - коэффициент учитывающий рост теплопередачи с внутренней поверхности катушки.



4.3.5 Вычислить температуру перегрева наружной поверхности катушек относительно окружающей среды:





4.3.6 Вычислить температуру поверхности катушек:



где - температура окружающей среды.



4.3.7 Вычислить среднюю температуру тела катушки:



4.3.8 Выбрать обмоточный провод ПЭЛ с эмалевой изоляцией класса А.

4.3.9 Вычислить сопротивление провода катушки при средней температуре тела катушки:

где - температурный коэффициент меди.



4.3.10 Вычислить ток потребляемый нагретыми катушками:



4.3.11 Вычислить общую магнитодвижущую силу электромагнита при средней температуре тела катушки:



4.3.12 Вычислить мощность, потребляемую для работы электромагнита в нагретом состоянии:



4.4 Расчет весовых показателей электромагнита.



4.4.1 Вычислить объем стали полюсного наконечника:

4.4.2 Вычислить объем стали сердечника электромагнита:



4.4.3 Вычислить объем стали якоря:



4.4.4 Вычислить объем стали скобы электромагнита:



4.4.5 Вычислить объем стали магнитопровода:



4.4.6 Вычислить вес стали магнитопровода:



где - удельный вес стали.



4.4.7 Вычислить длину обмоточного провода:



4.4.8 Вычислить вес обмоточного провода:



где - расчетная масса 1 м провода.



4.4.9 Вычислить общий вес электромагнита:



Результаты расчета весовых показателей электромагнита заношу в таблицу 4.

Таблица 4. Результаты расчета веса электромагнита.


Параметр

Ед. изм.

Значение

Вес слали ЭМ,

кг

2,57

Вес меди обмоточной,

кг

2,8

Общий вес электромагнита,

кг

5,37

5 ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАСЧЕТА

Основные параметры электромагнита, полученные в результате проектного расчета, заношу в таблицу 5 и представляю выводы по итогам выполненного расчета.



Таблица 5. Результаты проектного расчета электромагнита.

Основные параметры

Ед. изм.

Значение

Рабочее напряжение, U

В

75

Потребляемый ток, I

А

0,005

Потребляемая мощность, P

Вт

0,44

Подъемная сила, F

кг

6,0

Число витков обмоток, W

вит

223428

Магнитодвижущая сила, IW

А×В

1117,14

Длина обмоточного провода, L

м

334,7

Диаметр провода, d

мм

0,11

Рабочая температура обмотки,



38,24

Сопротивление нагретой обмотки,

Ом

28,9×103

Вес меди,

кг

2,8

Вес стали,

кг

2,57

Общий вес электромагнита, Q

кг

5,37

В процессе разработки электромагнита постоянного тока прямоходового типа я выполнил ряд расчетов, а именно: определил основные размеры электромагнита, в том числе ширину катушек электромагнита и их высоту, диаметр полюсных наконечников; рассчитал обмоточные данные катушек, определив диаметр и сечение обмоточного провода и выбрав ближайший по ГОСТ обмоточный провод; разработал рабочий эскиз электромагнита по данным предварительного расчета и уточнил геометрические размеры магнитопровода и катушек; вычислил максимальную температуру по сечению катушек электромагнита и выбрал класс изоляции обмоточного провода по термостойкости; выполнил расчет потребляемой электромагнитом мощности в рабочем режиме; определил число витков двух катушек и соответственно количество требуемого обмоточного провода, необходимого для производства электромагнита, а так же вес стали и вес меди электромагнита.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ



  1. Электрические и электронные аппараты: учебник и практикум для академического бакалавриата / под ред. П. А. Курбатова. – М.: Издательство Юрайт, 2017.- 440 с.

  2. Электрические аппараты: учебник и практикум для академического бакалавриата / под ред. П. А. Курбатова. – М.: Издательство Юрайт, 2017.- 250 с.

  3. Электрические аппараты : учебное пособие / Е.Ф. Щербаков, Д.С. Александров. –М.: ФОРУМ : ИНФРА-М, 2015.- 304 с.3.

  4. Основы теории электрических аппаратов / Под ред. П.А.Курбатова. - СПб.: Издательство «Лань», 2015.- 592 с.

  5. Чунихин, А.А. Электрические аппараты: Общий курс. Учебник для вузов.- 3-е изд. перераб. и доп./Репринтное воспроизведение издания 1988 г. – М.: Альянс, 2013.- 720 с.

  6. Электрические и электронные аппараты: В 2 т. Т. 1. Электромеханические аппараты : учебник для студ. высш. учеб. заведений / [Е.Г.Акимов и др.] ; под ред. А.Г.Годжелло, Ю. К. Розанова. – М.: Издательский центр «Академия», 2010.- 352 с.

  7. Электрические и электронные аппараты: В 2 т. Т. 2. Силовые электронные аппараты : учебник для студ. высш. учеб. заведений / [А.П.Бурман и др.] ; под ред. Ю. К. Розанова. – М.: Издательский центр «Академия», 2010.- 320 с.





Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©genew.ru 2020
обратиться к администрации

    Главная страница
Контрольная работа
Курсовая работа
Лабораторная работа
Рабочая программа
Методические указания
Практическая работа
Методические рекомендации
Теоретические основы
Пояснительная записка
Общая характеристика
Учебное пособие
История развития
Общие сведения
Физическая культура
Теоретические аспекты
Практическое задание
Федеральное государственное
Теоретическая часть
Направление подготовки
Техническое задание
Самостоятельная работа
Дипломная работа
Общие положения
Методическая разработка
государственное бюджетное
Образовательная программа
квалификационная работа
Технологическая карта
Выпускная квалификационная
Техническое обслуживание
Решение задач
учебная программа
Методическое пособие
История возникновения
Краткая характеристика
Рабочая учебная
Исследовательская работа
Общая часть
Общие требования
Рабочая тетрадь
Основная часть
История создания
Название дисциплины
Метрология стандартизация
Техническая эксплуатация
Математическое моделирование
Государственное регулирование
Современное состояние
Информационная безопасность
Организация работы
Внеклассное мероприятие