Главная страница
Навигация по странице:

  • Проектный расчет 1-го типа

  • «Основы электромеханики». Методические указания по выполнению курсового проекта (работы) для студент. «Основы электромеханики». Методические указания по выполнению ку. Методические указания по выполнению курсового проекта (работы) для студентов


    Скачать 0.63 Mb.
    НазваниеМетодические указания по выполнению курсового проекта (работы) для студентов
    Анкор«Основы электромеханики». Методические указания по выполнению курсового проекта (работы) для студент.doc
    Дата12.12.2017
    Размер0.63 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файла«Основы электромеханики». Методические указания по выполнению ку.doc
    ТипМетодические указания
    #10901
    КатегорияМеханика
    страница1 из 3
      1   2   3

    Министерство образования Российской Федерации



    Тульский государственный университет
    Кафедра «Системы автоматического управления»

    «Основы электромеханики»

    Методические указания
    по выполнению курсового проекта (работы) для студентов
    Направление подготовки: 550200 Автоматизация и управление

    Специальности подготовки: 210500 Системы управления летательных аппаратов, 071800 Мехатроника, очной формы обучения

    Тула 2004г.


    Разработали:

    Н.С. Илюхина, к.т.н.. доцент каф. САУ

    А.П. Панков, к.т.н.. доцент каф. САУ

    I. ВВЕДЕНИЕ
    Электромеханические системы относятся к большому классу устройств, которые широко используются в различ­ных автоматических системах и средствах автоматики. При проектировании электромеханических систем (ЭМС) и входящих в них исполнительных устройств разработчики сталкиваются со значительными трудностями, связанными, главным образом, с отсутствием литературы, обобщающей накопленный опыт проектирования и достаточно простых методов расчета и проектирования подобных устройств.

    Цель настоящего учебного пособия дать краткое описание типовых конст­рукций ЭМС и их элементов, изложить ос­новы проектирования и инженер­ные методы расчета элек­тромеханических систем, квазиоптимальных по выполняе­мой работе.

    Основные типовые конструкции исполнительных уст­ройств ЭМС с по­ступательным перемещением подвижных частей приведены на рис. 1.

    На рис. 1а представлено исполнительное устройство втяж­ного типа с не­зависимой регулировкой хода якоря и воз­вратной пружины. Электромаг­нит имеет плоский стоп и со­стоит из корпуса 4, стопа 5, якоря 6, обмотки 7, намотанной на немагнитный каркас 8, возвратной пружины 11, выход­ного штока 14. Позиции 9, 10, 12, 13 по­мечают специальные крепежные детали (гайки и контргайки). Колодка 1 с контактами 2 предназначена для подпайки выводов 3 обмотки. В качестве габаритных размеров приведены: наружный диа­метр корпуса D, полная длина исполнительного устройства L1 и максимальный ход якоря я, Начальное усилие Pн указывается без учета силы пружины.

    На рис. 1б изображен электромагнит тянущего и толкающего действия с неизменным рабочим ходом и регулируемой силой возвратной пружины. Он имеет усеченный кони­ческий стоп (  = 60о ) и состоит из корпуса 2, обмотки 3, намотанной на составной каркас (же­стко соединенные фла­нец 5 и втулка 4), якоря 6, возвратной пружины 9. В якоре с обеих сторон жестко закреплены тянущий 12 и толкаю­щий 1 штоки. Рабочий ход выставляется посредством прокладки 7 и огра­ничивается крышкой 8. По­зициями 10, 11 по­мечены регулировочная и крепежные детали.

    Электромагнит тянущего и толкающего действия с посто­янным рабочим ходом, без возвратной пружины (рис. 1в) имеет стоп 1 и якорь 2, которые в области рабочего зазора выполнены в виде фер­ромагнитного шунта (ФМШ). Пози­цией 3 помечен фланец слабо развитый в осевом направле­нии. ФМШ обеспечивает электромагниту сравнительно поло­гую тяговую характери­стику.


    4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
    я

    3

    2

    D Pн

    1
    L1


    a.


    1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

    б.
    1 2

    3

    в.
    3 4 5 6 7 8 9

    2

    1

    г. д.
    Рис. 1. Конструкция типовых исполнительных устройств ЭМС.

    Электромагнит втяжного типа с коническим якорем (рис. 1г) не имеет возвратной пружины. Характерная особенность элек­тромагнита: соприкос­новение стопа и якоря в конце хода происходит не по конической поверхно­сти, а по плоским торцевым поверхностям стопа и якоря.

    Электромагнит (рис. 1д) с постоянным рабочим ходом не имеет возврат­ной пружины и отличается комбинированной формой рабочего зазора (соче­тание плоского стопа с кониче­ским). Электромаг­нит включает якорь 6 с внутренним кону­сом (для уменьшения массы) и наружными продольными па­зами 5 (уменьшение вихревых токов, увеличение быстродей­ствия), стоп 8, корпус 9, катушку 7. Поступательное движе­ние якоря осуществляется в на­правляющей развитого фланца 4, ход якоря ограничивается упором 2 и ре­гулируется про­кладкой 3. Серьга 1 служит для сопряжения электромагнита с нагрузкой. Тяговая характеристика объединяет достоин­ства конического и плоского стопов: повышенное начальное усилие и достаточно высокое уси­лие отрыва.
    2. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО ПРОЕКТА
    Цель курсового проекта - закрепление и углубление сту­дентами теорети­ческих знаний, приобретение практических навыков по проектированию электромеханических систем. Указанная цель опре­делила следующие задачи курсового проектирования [2]:

    - овладение методиками проектировочного расчета элек­тромеханических систем;

    - получение практического опыта применения ЭВМ для решения инженер­ных задач;

    - получение начальных навыков разработки и оформления конструктор­ской документации;

    - изучение требований ЕСКД, ЕСТД, и др.;

    - приобретение навыков инженерного творчества.

    3. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КУРСОВОМУ ПРОЕКТУ
    3.1. Тематика курсового проекта
    Тематика курсового проекта посвящена разработке элек­тромеханических систем, используемых в качестве исполни­тельных устройств в автоматиче­ских системах и системах управления.

    Основными объектами курсового проектирования явля­ются электромеха­нические системы с электромагнитами по­стоянного тока, имеющими посту­пательное перемещение подвижных частей (с дисковым якорем, с втяжным якорем различной формы стопа, с ферромагнитным шунтом).

    При определении тематики курсового проекта руководи­тель должен учи­тывать индивидуальные наклонности сту­дентов, исполь­зуя результаты работ, выполненных ими в рамках НИРС и УИРС.
    3.2. Исходные данные к курсовому проекту
    Исходные данные к курсовому проекту выдаются препо­давателем и включают:

    - требования к статическим и динамическим характеристикам системы;

    - параметры, характеризующие источник питания;

    - условия эксплуатации.

    Помимо перечисленных данных, оговаривается режим ра­боты электроме­ханической системы.
    3.3. Задание на курсовой проект
    В большинстве случаев задание должно быть типовым, основанным на методиках проектирования, приведенных в лекционном курсе и учебных по­собиях. Наиболее способным и хорошо подготовлен­ным студентам целесо­образно выда­вать индивидуальные задания, содержа­щие элементы науч­ного исследования.

    Типовое задание на проектирование предусматривает проработку следующих вопросов:

    - выбор типа конструкции электромагнита;

    - проектный расчет электромагнита, включающий определение параметров магнитопровода, обмотки и составление эскиза маг­нитной цепи;

    - поверочный расчет электромагнита;

    - выбор схемы и расчет усилителя мощности;

    - разработка программы расчета статических и динамиче­ских характери­стик;

    - анализ статических и динамических характеристик элек­тромеханической системы;

    - расчет источника питания.
    3.4. Объем курсового проекта
    Курсовой проект должен включать пояснительную за­писку объемом 25-30 листов (формата А4) рукописного тек­ста и графическую часть объемом 2-3 листа формата А1.

    Графическая часть курсового проекта должна содержать:

    - сборочный чертеж спроектированной системы (формат А1);

    - рабочие чертежи деталей (формат А1);

    - принципиальные схемы усилителя мощности и источ­ника питания (формат А2).
    3.5. Организация работы над курсовым проектом
    Курсовой проект (работа) выполняется студентами специальностей 071800 и 210500 в 6-ом семестре. Работа над курсовым проектом строится в соответствии с планом-графиком, согласно которому предусмотрено выполнение следующих этапов:

    - выбор типа конструкции электромагнита, проектный расчет размеров магнитопровода и параметров обмотки;

    - поверочный расчет электромагнита;

    - разработка программ расчета и анализ статических характеристик системы;

    - выбор схемы и расчет усилителя мощности;

    - разработка программ расчета и анализ динамических характеристик системы;

    - расчет источника питания;

    - разработка конструкции электромеханической системы;

    - разработка принципиальных электрических схем электромеханической системы;

    - разработка рабочих чертежей 4...5 деталей (по указанию руководителя);

    - оформление пояснительной записки и графической части курсового про­екта.

    План-график выполнения индивидуального задания разрабатывается студентом и утверждается руководителем проекта. Студент обязан регулярно регистрировать выполнение каждого этапа работы у руководителя.

    Курсовой проект (работа) считается законченным, если выполнены все пункты задания, пояснительная записка и чертежи подписаны студентом и руководителем. Срок защиты проекта указывается в специ­альной графе задания на проектирование.

    В процессе выполнения курсового проекта (работы) руководитель проводит групповые и индивидуальные консультации со студентами. Тематика группо­вых консультаций регламентируется рабочими программами дисциплин "«Специальные главы ТОЭ и основы электромеханики»" и «Основы электромеханики». На индивидуальных консультациях руководитель контролирует ход выполнения курсового проекта (работы), делает замечания по проделанной работе и дает рекомендации по решению конкретных вопросов.
    3.6. Защита курсового проекта (работы)
    Защита курсового проекта (работы) представляет собой форму проверки степени овладения студентом методами проектирования электромеханических систем и уровня приобретенных им практических инженерных навыков.

    Защита курсового проекта (работы) состоит в устном сообщении студента (5...6 минут) по существу проделанной им работы и ответах на вопросы. В своем сообщении студент должен осветить постановку задачи проектирования, методы ее ре­шения и полученные резуль­таты. Студент должен сопровождать устный рассказ обращением к графи­ческим материалам, поясняя сказанное.

    Защита проекта (работы) проводится перед комиссией из преподавателей кафедры САУ с участием руководителя проекта. Вопросы, задаваемые студенту членами комиссии, как правило, относятся к содержанию проекта, но могут касаться и смежных дисциплин.

    4. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ НАД КУРСОВЫМ ПРОЕКТОМ
    4.1. План построения и содержание разделов

    пояснительной записки к курсовому проекту работы)
    Рубрикация и содержание разделов расчетно-пояснитель­ной записки должны соответствовать ГОСТ 7.32-81, в соот­ветствии с которым записка должна иметь:

    - титульный лист;

    - задание на курсовой проект (работы);

    - реферат;

    - содержание;

    - введение;

    - основную часть;

    - заключение;

    - библиографический список;

    - приложения.

    Образец оформления титульного листа приведен в приложении 1.

    Задание на курсовой проект(работу) оформляется в соответствии с образцом, приве­денным в приложении 2.

    Реферат должен содержать: сведения об объеме, количестве иллюстраций, таблиц, библиографических источников, перечень ключевых слов, текст реферата.

    Введение расчетно-пояснительной записки должно содержать краткую характеристику объекта проектирования, формулировку цели и задач проекта, обоснование принятого в проекте метода решения.

    В основной части расчетно-пояснительной записки должны помещаться сведения, отражающие существо, методику и основные результаты выполненной разработки. Расчеты, приводимые в записке, должны содержать эскизы, расчетные схемы, иллюстрирующие физический смысл выполняемого расчета.
    5. МЕТОДИКИ ПРОЕКТНЫХ РАСЧЕТОВ ЭЛЕКТРОМАГНИ­ТОВ.
    При проектировании втяжных электромагнитов (ЭМ) можно выделить два основных типа расчетов: проектный и поверочный. В зависимости от тех­нического задания про­ектный расчет проводится по двум методикам:

    - по заданному усилию, ходу якоря, тепловому режиму рассчитываются размеры магнитопровода и параметры ка­тушки, обеспечивающие заданные параметры при мини­мальных габаритах;

    - по заданным габаритам, ходу якоря, тепловому режиму рассчитываются размеры магнитопровода и параметры ка­тушки, обеспечивающие макси­мально возможное тяговое усилие при заданных параметрах.

    Поверочный расчет позволяет по известным размерам маг­нитопровода, параметрам катушки, ходу якоря определить тяговое уси­лие электромагнита, его тепловой режим, по­требление тока, степень насыщенности магнитопро­вода.
    5.1. Выбор конструктивного типа и формы стопа.
    В инженерной практике широкое распространение полу­чил способ вы­бора типа электромагнита и формы стопа по конструктив­ному фактору (КФ) [1]
    (1)
    где P – тяговое усилие,  – ход якоря.

    Для количественного сопоставления экономичности основных типов электромагнитов (с дисковым якорем, втяжным якорем с различной формой стопа, ферромагнитным шунтом) с различными конструктивными

    факторами и выбора соответствующего типа электромаг­нита можно поль­зоваться диаграммой (рис. 2а).

    Из всего многообразия конструктивных исполнений ЭМ с помощью рис.2а по значению конструктивного фактора (1), известному в начале проектирования, выбирается оптимальный тип ЭМ (по максимальным значениям критериев A/Q, A/V, A/N, A/F – здесь A – номинальная мощность, Q – масса ЭМ, V – скорость перемещения подвижных частей, N – мощность, F – МДС катушки). На стыках областей примене­ния (не заштрихованные области на рис. 2а) возможно ис­пользование обоих смежных типов ЭМ.

    При выборе электромагнита с втяжным якорем рациональная форма стопа определяется по значению коэффициента формы и усеченности конуса h как отношение малого диаметра конуса к большому, равному диаметру якоря.

    Применение стопов с  > 120о нерационально, так как тяговая характе­ристика при этом близка к характеристике плоского стопа и выигрыш по усилию незначителен. Кони­ческие стопы с  < 30о целесообразны для сравнительно больших ходов якоря и для получения пологой тяговой характеристики, когда нельзя применять магниты с ФМШ.
    С дисковым

    якорем
    С втяжным

    якорем
    С ферромагнит-

    ным шунтом
    20 40 100 200 400 103 2103 4103 104 2104 КФ*10000,5

    а.


    0,4

    0,2
    0

    1,5102 2102 4102 6102 103 2103 4103 6103 104 КФ*1000,Н0,5
    б.

    Рис. 2. Области применения: а) рациональных типов элек­тромагнитов;

    б) рациональных форм стопов электромаг­нитов с втяжным якорем.

    5.2. Аналитический метод расчета электромагнитов
    Электромагниты с коническим и плоским стопами кон­структивно раз­личаются только формой исполнения стопа. Различие в их расчете обуслов­лено разными выражениями тяговых сил, которые достаточно сложны, особенно для усеченно-конического стопа. Поэтому на этапе синтеза при­меняются упрощенные выражения для тяговых сил:

    - для плоского стопа

    - для конического стопа

    где – угол конуса при вершине (для плоского стопа  =180о);

    - магнитная индукция в рабочем зазоре, Тл.

    При этом электромагнит с плоским стопом можно рас­сматривать как част­ный случай электромагнита с коническим стопом.

    Расчет электромагнитов с дисковым якорем проводится аналогично расче­там электромагнитов с плоским стопом.

    Отличия в формулах для электромагнитов втяжного типа с коническим стопом будут помечаться литерой "а", для электромагни­тов с дисковым яко­рем – литерой "б".
    Проектный расчет 1-го типа
    Допустим, заданы следующие основные параметры проектируемого

    электромагнита: P – тяговое усилие, которое должен разви­вать электромаг­нит в начале хода якоря, Н; – ход якоря, м; U – напряже­ние источника пита­ния, В; Qдоп – допустимое превышение температуры электромагнита при продолжительном режиме работы, оС.

    Требуется определить размеры магнитопровода и пара­метры катушки, обеспечивающие заданные характеристики при мини­мальных габаритах.

    Расчет электромагнитов производится в следующей по­следовательно­сти.

    1. Уточнение формы стопа. Форма стопа уточняется по значению

    конструктивного параметра КФ в соответствии с графиками рис. 2б.

    где =я+нп – рабочий зазор, м; – толщина немагнитной прокладки, м; обычно нп=(0,05…0,1)я, причем большему ходу соответст­вует мень­шее значение коэффициента и наоборот. В некоторых случаях немагнитная про­кладка может отсутствовать (нп =0).

    2. Определение основных размеров электромагнита:

    а) диаметр якоря электромагнита

    (2)

    (2а)

    (2б)

    Для получения минимальных габаритов, объема, массы, потерь магнито­движущей силы значение B необходимо при­нимать 0,7...1,1 Тл (для элек­тротехнических сталей марки 20895)[3].

    б) наружный диаметр электромагнита D = 2d;

    в) длина электромагнита

    (3)

    (3а)

    (3б)

    где п – паразитный зазор, м, п=(4...5)е ; е – эксцентри­ситет якоря по отно­шению к фланцу (равен половине разности диаметров направляющей втулки и якоря с учетом предельных отклонений их разме­ров); обычно п=(0,015...0,05)10-2 м (в случае примене­ния развитого воротничка п0); r – удельное сопротивление про­вода, Ом*м; оп­ределяется для заданного превы­шения температуры по фор­муле =0(1+0); 0 – удельное сопротивление провода при 20o С, для медного провода 0 =1,75.10-8 Ом*м; α0 – темпера­тур­ный коэффици­ент металла провода, для медного провода

    α0=0,004 1/oС; nуд – удель­ная мощность рассеяния, Вт/м2; определяется по графику Q =f(nуд) (рис.3);

    г) отношение габаритных размеров электромагнита L/D и их оценка. Наи­более удачное конструктивное оформление втяжных электромагнитов обес­печивается при L/D=0,7...1,8, электромагнитов с дисковым якорем - при L/D=0,4...0,8. Если полученное отношение га­баритных размеров электро­магнитов не соответствует желаемому, то расчет повторяют с п.2а, задаваясь при этом другим значением магнит­ной индукции;

    д) по принятому диаметру якоря уточняется значение магнитной

    индукции

    (4)

    (4а)
    (4б)

    е) по графику Ф=f1(B) (рис. 4) определя­ется значение по­правочного коэф­фициента относительного падения магнито­движущей силы ;

    ж) максимальное значение магнитной индукции B = B/;
    о


    140

    3

    120

    1

    100

    2

    80


    60

    40
    20
    0

    200 400 600 800 1000 nуд,Вт/м2
    Рис. 3. Зависимость между превышением температуры и удельной

    мощностью рассеяния при различных условиях те­плопередачи:

    1 - плохие, 2 - средние, 3 - хорошие.

    3. Определение остальных размеров магнитопровода:

    а) внутренний диаметр магнитопровода

    D1= 0,87D

    б) толщина фланца; для дискового якоря - толщина якоря и толщина фланца

    С = 0,12D (5;5а)

    в) толщина фланца на периферии

    С1 = 0,06D

    г) длина окна магнитопровода под катушку

    l = L – 2C

    д) длина стопа lст =(0,3...0,55)l.


    0,95
    0,90 1 -  = f1(Bб)
    2 -  = f2(B)

    0,85

    2

    0,80

    1

    0,75

    0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 В,Т

    Рис. 4. Области разброса и усредненные зависимости по­правочного коэф­фициента от магнитной индукции: 1 - в рабочем зазоре; 2 -максимальной.
    4. Определение параметров катушки:

    а) средний диаметр катушки

    Dср = 0,5[(D1 - 2кк) + (d + 2b)]

    где b – толщина каркаса, м (обычно b=(0,05...0,25)10-2 м); кк – зазор между внутренним диаметром магнитопровода (корпуса) и наружным диаметром обмотки, м (для низковольтных электромагнитов кк=(0,025...0,2)10-2м);

    б) диаметр провода (6 – пл. стоп, 6а – кон. стоп, 6б – диск. – якорь)

    (6)

    (6а)

    (6б)

    в) диаметр провода округляется до стандартного значения в соответствии с таблицей проводов и для принятой марки провода находится его диаметр в изоляции dиз;

    г) высота намотки катушки

    hк = 0,5(D1 – dвн) = 0,5[(D1 - 2δкк) - (d + 2b)]

    д) длина катушки

    lк = L - 2(b1+ C)

    е) число витков катушки

    W = 0,865lкhк/d2из

    ж) сопротивление катушки при нормальных условиях (+20о С)

    з) длина намоточного провода

    Lпр =DсрW
      1   2   3
    написать администратору сайта