Fakulta elektrotechnická Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky. Diplomová práce. Návrh stejnosměrného stroje

Fakulta elektrotechnická Katedra elektromechaniky a výkonové elektroniky Diplomová práce Návrh stejnosměrného stroje Autor práce: Bc. Lukáš Mergl Vedoucí práce: Doc. Ing. Josef Červený, Ph.D. CSC. Plzeň 016

Abstrakt Předkládaná diplomová práce je zaměřena na elektromagnetický výpočet stejnosměrného stroje se sériovým buzením. Dále vypočtený stroj rozkreslit v podélném a příčném řezu v programu AutoCAD. A jako poslední část je uveden výpočet oteplení stroje. Klíčová slova stejnosměrný motor, sériové buzení, elektromagnetický návrh, budící póly, pomocné póly, komutátor, kompenzační vinutí, oteplení stroje i

Abstract The master thesis presents an electromagnetic design of a direct currect series excited machine. There are drawings of longitudal and cross section made in AutoCAD. And last part is dedicated to calculation heat up of the machine. Keywords direct curent motor, series excitement, electromagnetic design, excitement poles, auxiliary poles, comutator, compensating winding, machine heat up ii

Prohlášení Předkládám tímto k posouzení a obhajobě diplomovou práci, zpracovanou na závěr studia na Fakultě elektrotechnické Západočeské univerzity v Plzni. Prohlašuji, že jsem svou závěrečnou práci vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této závěrečné práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 11/000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 70 trestního zákona č. 40/009 Sb. Také prohlašuji, že veškerý software, použitý při řešení této diplomové práce, je legální. V Plzni dne 15. května 016 Bc. Lukáš Mergl...................................... Podpis iii

Obsah Úvod 5 1 Návrh stejnosměrného stroje 6 1.1 Zadání...................................... 6 1. Výpočet základních parametrů......................... 6 1.3 Návrh vinutí................................... 8 1.4 Délka čela.................................... 11 1.5 Návrh magnetického obvodu.......................... 1 1.6 Návrh budící cívky............................... 14 1.7 Návrh kompenzačního vinutí.......................... 14 1.8 Návrh pomocných pólů............................. 15 1.9 Návrh komutátoru............................... 16 1.10 Návrh kartáčů.................................. 17 1.11 Orientační oteplení hlavního pólu....................... 17 1.1 Ztráty...................................... 18 Oteplení 0.1 Střední rychlost proudění vzduchu v radiálním kanálu............ 0. Ztráty v uvažovaných úsecích(tekoucích do uzlů)............... 0.3 Určení okolních teplot vymezeného úseku................... 1.4 Tepelné odpory................................. 1.5 Soustavy rovnic pro řešení ustáleného stavu................. 4.6 Oteplení čel................................... 5 Závěr 7 Použitá literatura 8 Přílohy 9 A Výkresy 9 A.1 Příčný řez.................................... 9 A. Podélný řez................................... 30 iv

A.3 Drážky...................................... 31 B Ostatní 3 B.1 Doporučené rozměry kartáčů.......................... 3 B. Rozměry pasových vodičů........................... 33 B.3 Carterův činitel................................. 34 B.4 Skutečná indukce v zubu............................ 35 B.5 Magnetizační charakteristika dynamového plechu.............. 36 B.6 Určení konstant................................. 37 B.7 Charakteristika naprázdno........................... 38 v

Seznam symbolů a zkratek A obvodová proudová hustota a pp přesahující část pólového nástavce a kv počet paralelních větví kompenzačního vinutí B jr magnetická indukce ve jhu rotoru B δ magnetická indukce ve vzduchové mezeře pod hlavním pólem B δk magnetická indukce ve vzduchové mezeře pod pomocným pólem b šířka drážky b p šířka hlavního pólu b k šířka komutačního pásma b kp šířka komutačního pólu b vbc šířka vodiče budící cívky b z 1 šířka zubu v jeho 1 3 3 C Essonův činitel magnetického využití D zadaný průměr stroje D i vnitřní průměr plechů rotoru D k průměr komutátoru E elektromotorická síla kotvy F r magnetomotorická síla reakce kotvy F kv magnetomotorická síla reakce kotvy pod pólem F kv skutečná magnetomotorická síla reakce kotvy pod pólem F δk magnetické napětí pro vzduchovou mezeru pod pomocným pólem f kmitočet proudu v rotoru f k koeficient tření na komutátoru h hloubka drážky h vbp výška vodiče budící cívky h jr výška jha rotoru h js výška průřezu kostry statoru I 1 proud v rotoru I kv proud ve vodiči kompenzačního vinutí I s proud na sadu kartáčů IM zadané rozložení stroje IP zadané krytí stroje 1

K počet lamel komutátoru k c Carterův činitel pro vzduchovou mezeru L celková délka železa (i s radiálními kanály) L e efektivní délka železa l cbc vnější obvod budící cívky l č délka čela v rotoru N b počet závitů cívky N ck počet závitů pólu komutační cívky N s počet závitů v sérii v rotoru n d počet vodičů v jedné drážce n kv počet vodičů v drážce kompenzačního vinutí O bc ochlazovací povrch budící cívky O č ochlazovací povrch čela cívky v rotoru P zadaný příkon stroje P Cu1 z grafu odečtené ztráty v rotoru P Cu z grafu odečtené ztráty ve statoru p počet pólpárů p k přítlačná síla uhlíků na komutátor m F e hmotnost zubů N k počet kartáčů v sadě n zadané otáčky stroje Q počet drážek v rotoru Q kv počet drážek kompenzačního vinutí Q p počet drážek na pól Q rv střední rychlost proudění v radiálním kanálu Q r1 množství chladiva na jeden kanál a drážkovou rozteč R 1 elektrický odpor odpor v mědi rotoru dle odečtených hodnot z grafu R elektrický odpor vinutí hlavního pólu dle odečtených hodnot z grafu R 1 tepelný odpor z vinutí do ventilačního kanálu R tepelný odpor z vinutí do vzduchové mezery R 3 tepelný odpor z vinutí do zubu R 4 tepelný odpor ze zubu do vzduchové mezery R 5 tepelný odpor ze zubu do ventilačního kanálu R 6 tepelný odpor z plechů zubu do plechů jádra R 7 tepelný odpor z plechů jádra do ventilačního kanálu R 8 tepelný odpor z plechů jádra do vzduchové mezery R č tepelný odpor čela cívky v rotoru S průřez vodiče v rotoru S b průřez vodiče budící cívky S k celkový průřez kartáčů v sadě

S kv průřez vodiče kompenzačního vinutí S pp průřez vodiče cívky pomocného pólu t 3 rozteč drážek rotoru u vzduchové mezery t 1 rozteč drážek rotoru v 1 od kořene zubu 3 3 t d1 drážková rozteč na rotoru t k rozteč lamel na komutátoru U zadané napětí stroje u počet vodičů v jedné drážce v k obvodová rychlost komutátoru v kj střední rychlost proudění chladiva v prostoru jádra v kz střední rychlost proudění chladiva v prostoru zubů α pólové krytí β počet lamel krytých jedním kartáčem δ velikost vzduchové mezery δ k velikost vzduchové mezery pod pomocným pólem δ ppp velikost mezery vytvořené nemagnetickými plechy pro ovlivnění pomocných pólů P Cub Jouleovy ztráty v budící cívce P Cuč Jouleovy ztráty v čelech rotoru P Cud1 ztráty pro výpočet oteplení vznikající ve vinutí P Cukv Jouleovy ztráty v kompenzačním vinutí P Cupp Jouleovy ztráty ve vinutí pomocných pólů P Cur Jouleovy ztráty v rotoru P č Jouleovy ztráty v čelech rotoru P č ztráty pro výpočet oteplení vznikající v čelech rotoru P F e celkové ztráty v železe P F ejr ztráty v železe ve jhu rotoru P F ej1 ztráty pro výpočet oteplení vznikající ve jhu rotoru P F ez ztráty v železe v zubech P F ez1 ztráty pro výpočet oteplení vznikající v zubech rotoru P k ztráty na komutátoru vlivem přechodu P m mechanické ztráty P mk mechanické ztráty vzniklé třením komutátoru P pov povrchové ztráty P pp přídavné ztráty P rv ztráty odváděné rotorovou větví P součet ztrát η účinnost 3

η předpokládaná účinnost stroje odečtená z grafu λ d rozptylová vodivost drážky λ č rozptylová vodivost čel λ z rozptylová vodivost mezi zuby υ č oteplení mědi v čelech na rotoru υ Cud oteplení mědi rotoru υ j oteplení jha rotoru υ z oteplení zubu v rotoru υ 01 oteplení chladiva v okolí jádra rotoru υ 0 oteplení chladiva vstupujícího do kanálu υ 03 oteplení chladiva v okolí zubu kanálu υ 04 oteplení chladiva vystupujícího z kanálu ξ rozptylové číslo σ k proudová hustota v kartáčích τ p pólová rozteč φ magnetický tok hlavního pólu φ k magnetický tok komutačního pólu 4

Úvod Předmětem této diplomové práce je návrh stejnosměrného motoru se sériovým buzením a jeho tepelný výpočet. V příloze této práce jsou přiloženy nákresy podélného a příčného řezu stroje a také řezy drážek. Stejnosměrné stroje jsou nejstarší točivé elektrické stroje. Používaly se jako generátory, kdy přeměňovaly mechanickou energii na elektrickou, mohou pracovat i jako motory, kdy je přeměna energie opačná. S rozvojem výkonové elektroniky byly dříve velice hojně užívané stejnosměrné stroje, které byly vytlačeny do ústraní a dnes je jejich použití velmi malé(např. regulované pohony a to v obráběcích strojích). Důvod postupné výměny stejnosměrných strojů za pohony s asynchronními pohony je z důvodu složitosti stejnosměrných strojů, kdy tuto hlavní složitost představuje komutátor a uhlíky, které zprostředkovávají kluzný kontakt. A také nutnosti údržby, která u asynchronního stroje s klecí nakrátko téměř odpadá. Konstrukční uspořádání: Stator není složen z plechů, ale je z kusu železa. Ke jhu jsou připevněny hlavní póly, na kterých je budící vinutí. Póly jsou tvořeny z vlastního těla pólu a pólového nástavce(rozšíření pólu v prostoru vzduchové mezery). V tomto stroji je v pólovém nástavci umístěno i kompenzační vinutí, které kompenzuje vliv reakce kotvy. Dále se mezi hlavní póly ke jhu statoru připevňují pomocné póly, které kompenzují reaktanční napětí naindukované do právě komutující cívky. Jak kompenzační vinutí tak vinutí pomocných pólů je zapojeno do série s hlavním vinutím hlavního pólu. Rotor(kotva) je složen ze vzájemně odizolovaných plechů, ve kterých jsou vyraženy drážky, ve kterých je uloženo vinutí rotoru. Jednotlivé cívky jsou přivedeny na komutátor, kde jsou připojeny k měděným lamelám komutátoru, které jsou vzájemně odizolovány. Na jednotlivé lamely dosedají kartáče, kterými se přivádí proud do rotoru. Dle IP jsou větrací otvory na spodní polovině stroje a dle IM bude stroj provozován v horizontální poloze. 5

1 Návrh stejnosměrného stroje 1.1 Zadání P 10 kw U 440 V ot n 1400 min IP IM 101 sériové buzení 1. Výpočet základních parametrů Obrázek 1.1: Graf rozměrů a využití stroje [1] 6

Obrázek 1.: Graf účinností a ztrát stejnosměrného stroje [1] Odečteno z grafu B δ 0, 8T A 5400 A m D 0, 37m p η 90% P Cu1, 3 % P Cu 1, 4 % P m % % Vnitřní výkon kotvy na otáčku P η n 10 000 0, 90 1400 95, 4 W ot (1.1) Essonův činitel elektromagnetického využití, volím činitel pólového krytí α 0, 65 C π 60 A B δ α π 60 5 400 0, 8 0, 65, 17 kw m 3 ot min (1.) Proud v kotvě I 1 P U 10 000 440 7, 73A (1.3) Počet závitů v sérii N s π D A I 1 π 0, 37 5 400 7, 73 54 (1.4) 7

Volba počtu drážek pro průměr D 0,37 m je doporučený počet drážek Q 54 Drážková rozteč td 1 π D Q π 0, 37 54 0, 0153 m (1.5) Počet vodičů v jedné drážce n d 4 a N s Q 4 54 54 8 (1.6) Volím počet vodičů v jedné drážce: n d 8 1.3 Návrh vinutí zvoleno tyčové vinutí: u 8 ; n d 8 ; p 4 Počet lamel K Q u 54 4 16 (1.7) Počet drážek na pól Q p Q p 54 4 13, 5 (1.8) Ztráty v mědi kotvy jsou z grafu,3 % P Cu1 0, 03 P η 0, 03 10 000 0, 9 3066, 67 W (1.9) Odpor kotvy R 1 P Cu1 I 1 3066, 67 41 mω (1.10) 7, 73 Ztráty v mědi magnetů jsou z grafu 1,4 % P Cu 0, 014 P η Odpor sériových magnetů % 0, 014 10 000 0, 9 1866, 67 W (1.11) R P Cu I 1 1866, 67 5, 1 mω (1.1) 7, 73 8

Celkový odpor Elektromotorická síla kotvy R R 1 + R 41 + 5, 1 66, 1 mω (1.13) E U R I 1 440 66, 1 10 3 7, 73 4, 5 V (1.14) Magnetický tok jednoho pólu φ E 4 f N s Kmitočet střídavého proudu Pólová rozteč 4, 5 4 46, 67 6, f p n 60 60 0, 0418 W b (1.15) 46, 67 Hz (1.16) τ p π D p π 0, 37 4 0, 9 m (1.17) Efektivní délka železa L e P C D n 10 0, 88 m (1.18), 17 0, 37 1400 Železo se rozdělí na 6 svazků plechů, 5 kanálů po 10mm. Kontrola magnetického toku φ B δ t p α L e 0, 8 0, 9 0, 65 0, 8 0, 045 W b (1.19) Což je hodnota podobná φ 0, 0418 W b, tedy magnetický tok je spočten správně. Celková délka železa Pólové krytí Průřez vodiče Proudovou hustotu volím 5A/mm L L e + n k b k 0, 8 + 5 0, 01 0, 33 m (1.0) α 0, 65 pro stroje s pomocnými póly S I a σ 7, 73 4 5 13, 63 mm (1.1) 9

Rozteč drážek ve vzduchové mezeře t 3 π D Q π 0, 37 54 1, 53 mm (1.) Šířka zubu v 1 3 b z 1 3 t 3 B δ 0, 9 B 1 3 0, 0153 0, 8 0, 9 9, 57 mm (1.3) Rozteč v 1 3 od kořene zubu je t 1 3 Možná šířka drážky π(d 4 3 h) Q π(0, 37 4 0, 038) 3 54 1, 5 mm (1.4) b t 1 b 3 z 1 3 1, 5 9, 57 11, 95 mm (1.5) Jedná se o drážku typu N, a dle tabulek volím šířku drážky b 10,5 mm. Šířka izolací v drážce: Na vodiče zbývá izolace drážky: 0, 0, 4mm izolace vrstvy: 0, 5 1 mm izolace vodičů: 8 0, 4 3, mm vůle na šířku: 0,3 mm celkem: 4,9 mm 11, 5 4, 9 6, 4 mm Volím pásový vodič o rozměrech 1,4 mm x 10 mm (4x) Výška izolací v drážce: izolace drážky: 0, 0, 4mm izolace vrstvy: 4 0, 5 mm izolace vodičů: 4 0, 4 1, 6 mm vložka mezi vrstvy: mm vůle na dno: 0, 5 mm vůle pod klín: 0, 5 mm klín: 3, 7 mm celkem: 10,7 mm 10

Konečné rozměry drážky šířka: b 4, 9 + 4 1, 4 10, 5 mm výška: h 10, 7 + 10 30, 7 mm 1.4 Délka čela Obrázek 1.3: Rozměry části čel volím výběh čela z plechového svazku rotoru v 0 mm Výška čela h č h v + h iz 10 + 0, 4 10, 8 mm (1.6) Střední poloměr oka vzdálenost mezi čely volím c 3 mm R r + h č 5 + 10, 8 šířku čela volím jako šířku drážky š č š d 10, 5 mm 10, 4 mm (1.7) 11

Úhel sklonu čel Délka šroubovice tvořící část čela sinα č b č + c t d1 10, 5 + 3 1, 53 0, 67 α č 39 (1.8) x t p cosα č 0, 9 cos(39 ) 0, 18658 186, 6 mm (1.9) Délka oka o π R π 10, 4 16, 34 mm (1.30) Délka čela l č (v + x + o) (0 + 186, 6 + 16, 34) 445, 88 446 mm (1.31) 1.5 Návrh magnetického obvodu Výška jha kotvy Jho rotoru se sytí B jr 1, 3 T, jelikož se jedná o stroj s komutačními póly. h jr Vnitřní průměr plechů Φ L e 0, 9B jr 0, 044 0, 88 0, 9 1, 3 6, 9 mm (1.3) D i D h h jr 370 31, 6, 9 181, 8 mm (1.33) Velikost vzduchové mezery δ C 10 6 τ p A B δ 0, 3 10 6 0, 9 5400 0, 8, 76. 3 mm (1.34) Velikost vzduchové mezery pod komutačními póly volím velikost vzduchové mezery δ k 5 mm Délka hlavního pólu zvolena L p L 0, 3m 3 mm (1.35) Šířka pólu Rozptyl hlavního pólu odhadnut na 0 %. Indukce v pólu zvolena 1,55 T. b p φ(1 + υ) B p L p 0, 044(1 + 0, 0) 1, 55 0, 3 1 10 mm (1.36)

Výška průřezu kostry Indukce ve jhu zvolena B js 1, T. h js φ(1 + υ) B js (L p + B p ) 0, 044(1 + 0, 0) 1, (0, 3 + 0, 114) 48, 6. 49 mm (1.37) Carterův činitel pro vzduchovou mezeru k c t 3 t 3 + δ 0, 75b 1, 53 1, 53 + 3 0, 75 10, 5 1, 93 (1.38) Tab.1. Magnetická charakteristika v zubové části rotoru Tab.. Charakteristika magnetického obvodu rotoru 13

1.6 Návrh budící cívky Počet závitů cívky Průřez vodiče N b F b I 3441 7, 73 proudovou hustotu v budící cívce volím 3, 5 A/mm Volím vodič 3 x 5 mm. S b I σ b 7, 73 3, 5 1, 61 13 závitů (1.39) 77, 9 mm (1.40) 1.7 Návrh kompenzačního vinutí Reakce kotvy F r 1 A t p 1 5400 0, 9 3683 A (1.41) Magnetomotorická síla reakce kotvy pod pólem F kv α F r 0, 65 3683 394 A (1.4) Volím 14 drážek na pól Q kv 14, počet paralelních větví vinutí a kv 1 Počet vodičů v drážce n kv F kv a kv I Q kv 394 1 7, 73 14 Skutečná kompenzační magnetomotorická síla F kv Q kv I n kv a kv Poměr vykompenzování F kv F kv 14 7, 73 1 1 1, 5 volím 1 (1.43) 1909 A (1.44) 100 1909 100 80 % (1.45) 394 Proud vodičem kompenzačního vinutí Návrh drážky kompenzačního vinutí I kv I a kv 7, 73 1 Potřebný průřez vodiče kompenzačního vinutí Volím proudovou hustotu 5A/mm 7, 73 A (1.46) Volím vodič 3 x 19 mm. S kv I kv σ 7, 73 5 54, 5 mm (1.47) 14

1.8 Návrh pomocných pólů Mezera mezi sousedními hlavními póly je Šířka komutačního pásma, β, 5 (1 α)t p (1 0, 65) 0, 9 101, 5 mm (1.48) b k t 1(β a p + u y) 13, 5(, 5 1 + + 0, 5 ) 54, 5 mm (1.49) 13, 5 Šířka komutačního pásma je 0,537 této mezery, což je vhodné. Rozptylová vodivost drážky Rozptylová vodivost čel λ d 0, 6 hd 9 0, 6 š d 10, λ c l č l e Rozptylová vodivost mezi zuby 0, 435 0, 88 1, 71 (1.50) 1, 51 0, 45 0, 68 (1.51) λ z z 3 δ k 1, 53 5, 153 (1.5) Rozptylové číslo ξ λ d + λ c + λ z 1, 71 + 0, 68 +, 153 4, 543 (1.53) Střední hodnota reaktančního napětí F r l e ξ v A 10 6 0, 88 4, 37 + 5)1400 543 π(0, 5400 10 6 1, 904 V (1.54) 60 Magnetická indukce ve vzduchu pod pomocným pólem, volím l pp L 0, 3 m B δk F r v l e 1, 904 π 0, 38 1400 0, 106 T (1.55) 0, 3 60 Magnetické napětí pro vzduchovou mezeru pod pomocným pólem, v patě pólu se vloží nemagnetické plechy, které je možno vyměnit za magnetické a tím lehce ovlivnit vliv pomocných pólů δ ppp mm F δk 0, 8 B δk (δ ppp + δ k ) 10 6 0, 8 0, 106 (0, 005 + 0, 00) 10 6 593, 6 A (1.56) 15

Magnetomotorická síla kompenzace kotvy F r (1 α) 1 A t p 0, 35 0, 5 5400 0, 9 189 A (1.57) Počet závitů komutační cívky (magnetické napětí pro cestu železem se zanedbá) N ck F δk + F r I 1 593, 6 + 189 7, 73 6, 9. 7 závitů (1.58) Magnetický tok komutačního pólu Šířka komutačního pólu φ k b k l pp B δkp 0, 0545 0, 3 0, 1187 0, 00186 W b (1.59) předpokládám činitel rozptylu 4, magnetickou indukci v pólu volím 1, T b kp φ k(1 + ϑ κ ) l pp B kp 0, 001863(1 + 4) 0, 88 1, 0, 0406. 4 mm (1.60) Zvolena šířka pólového nástavce pro pomocný pól b pp 45 mm Průřez vodiče pomocného pólu Volím proudovou hustotu v cívce pomocného pólu σ pp 5, 5 A/mm S pp I 1 σ pp 7, 73 5, 5 49, 59 mm (1.61) Zvolen vodič,8 x 18 mm. 1.9 Návrh komutátoru Průměr komutátoru D k volím 30 mm Počet lamel K Q u 54 4 16 (1.6) Lamelová rozteč t k π D k K Obvodová rychlost komutátoru π 0, 3 16 4, 65 mm (1.63) v k π D k n 60 π 0, 3 1440 60 4, 13 m/s (1.64) Mezilamelové napětí u k p U K 4 440 16 16 8, 15 V (1.65)

1.10 Návrh kartáčů Proud na sadu kartáčů I s I 1 p 7, 73 136, 37 A (1.66) Celkový průřez kartáčů v sadě,volím proudovou hustotu pro kartáče komutátoru σ k 10 A/mm S k I s σ k 136, 37 10 13, 64 cm (1.67) Počet kartáčů v sadě, volím kartáče o rozměrech l k x b k 1,5 x 3, cm N k 13, 64 3, 1, 5 Skutečná proudová hustota v kartáčích σ k I N k l k b k 3, 41 4 sady kartáčů (1.68) 136, 37 4 1, 5 3, 8, 5 A/cm (1.69) 1.11 Orientační oteplení hlavního pólu Přesahující část pólového nástavce a pp b nbp + b bp 0, 174 0, 10 0, 036 m (1.70) Vnější obvod budící cívky l cbc (L p +b p +h vbp +b vbp +4 a) (0, 33+0, 10+0, 003+0, 05+4 0, 036) 1, 1 m Ochlazovací povrch všech cívek (1.71) O bc h c l be p N b h vbp l be p 13 0, 003 1, 1 4 0, 189 m (1.7) Ztráty v budícím vinutí P Cub 958, 37 W Oteplení cívky, α 80W/ Cm υ bp 1, 18 P Cub α O bc 1, 18 958, 37 80 0, 189 74, 8 C (1.73) 17

1.1 Ztráty Jouleovy ztráty v rotoru P Cur R rot I L Q 48 u S rot I Jouleovy ztráty v čelech vinutí P č R č I l č Q 48 u S rot I Jouleovy ztráty v budícím vinutí 0, 33 54 48 4 (1, 4 10) 7, 73 469, 9 W (1.74) 0, 446 54 48 4 (1, 4 10) 7, 73 666, 45 W (1.75) P Cub R bc I (L + b p) N b p 48 S bc I (0, 33 + 0, 114) 13 4 48 (3 5) 958, 37 W (1.76) Jouleovy ztráty ve vinutí pomocných pólů P Cupp R pp I (L + b kp) N ck p 48 S pp I Jouleovy ztráty v kompenzačním vinutí P Cukv R kv I (L + l čkv) Q kv p 48 S kv I Ztráty v železe ve jhu rotoru, volím plechy: p F e 1, 8 W/kg (0, 33 + 0, 07) 7 4 7, 73 618, 13 W 48 (, 8 18) (1.77) (0, 33 + 0, 34) 14 4 7, 73 173, 39 W 48 (3 19) (1.78) P F ejr 1, 8 p F e π ( ) 1,3 f 4 ((D h d) Di ) l F e ρ F e B (1.79) 50 1, 8 1, 8 π ( ) 46, 67 1,3 4 ((0, 370 0, 031) 0, 1818 ) 0, 88 7870 1, 3 555, 8 W 50 Hmotnost zubů ( ) π (D hd ) m F e S z l F e ρ F e Q b d h d l F e ρ F e Q (1.80) Q ( ) π (0, 37 0, 031) 0, 0105 0, 031 0, 88 7870 54 35, 1 kg 54 Ztráty v železe v zubech rotoru, volím plechy: p F e 1, 8 W/kg ( ) 1,3 ( ) f 46, 67 1,3 P F ez p F e m F ez B Q 1, 8 35, 1 1, 8 54 38, 68 W 50 50 (1.81) 18

Celkové ztráty v železe P F e P F ejr + P F ez 555, 8 + 38, 68 938 W (1.8) Ztráty povrchové, volím k 0 4, 6, β 0, 4 P pov π D α L k 0 ( ) Q n 1,5 (t d β B δ k c 1000) (1.83) 10 000 π ( ) 54 1400 1,5 0, 37 0, 65 0, 33 4, 6 (0, 0153 0, 4 0, 8 1, 93 1000) 34, 61 W 10 000 Přídavné ztráty P pp p P 0, 01 10 000 100 W (1.84) Mechanické ztráty P m 4 P 0,9 [kw ] n0,5 4 10 0,9 1400 0,5 1819, 01 W (1.85) Mechanické ztráty třením komutátoru, volím přítlačnou sílu p 0, 5kg/cm a součinitel tření f 0, 16 P mk g v k S k p f 9, 81 π 0, 30 1400 60 8 0, 5 0, 16 73, 64 W (1.86) Mechanické ztráty na komutátoru vlivem přechodu, úbytek napětí na uhlíkách je U, 5 V Součet ztrát P k U I, 5 7, 73 681, 83 W (1.87) Σ P P Cur + P č + P Cub + P Cupp + P Cukv + P F e + P pov + P pp + P m + P mk + P k (1.88) 469, 9+666, 45+958, 37+618, 13+173, 39+741, 8+34, 61+100+1819, 01+73, 64+681, 83 994, 61 W Účinnost η P P + Σ P 10000 10000 + 964, 61 9, 81 % (1.89) 19

Oteplení.1 Střední rychlost proudění vzduchu v radiálním kanálu Ztráty odváděné rotorovou větví P rv P Cur + P F ej + P F ez 470 + 383 + 556 1409 W (.1) Střední rychlost proudění v radiálním kanálu Q rv P rv c v υ 1409 150 15 0, 0751 m3 /s (.) Množství na jeden kanál a drážkovou rozteč Q r1 Q rv Q i Střední rychlost proudění v prostoru zubů v kz Q r1 š z3 š k 0, 0751 54 5 0, 00078 m3 /s (.3) 0, 00078 0, 0074 0, 01 Střední rychlost proudění v prostoru jádra v kj Q r1 š j š k 0, 00078 0, 0144 0, 01 3, 75 m/s (.4) 1, 95 m/s (.5). Ztráty v uvažovaných úsecích(tekoucích do uzlů) vinutí zub jádro kotvy P Cud1 P Cur Q i 469, 9 54 5 P F ez1 P F ez Q i 383 54 5 P F ej1 P F ej Q i 555 54 5 0, 870 W (.6) 0, 709 W (.7) 1, 08 W (.8) 0

.3 Určení okolních teplot vymezeného úseku Oteplení vstupujícího do kanálu Oteplení chladiva v okolí jádra kotvy Oteplení chladiva v okolí zubu kanálu υ 0 0 C υ 01 P F ej c v Q rv 555150 0, 0751 1, 96 C (.9) υ 0 P F ej + 0, 5 ( P F ez + P Cur ) c v Q rv Oteplení chladiva vystupujícího z kanálu 555 + 0, 5 (383 + 0, 5 470 150 0, 0751 10, 45 C (.10) υ 0 P F ej + P F ez + P Cur c v Q rv (555 + 383 + 470) 150 0, 0751 15 C (.11) Obrázek.1: Řez kanálem pro výpočet oteplení v jednotlivých úsecích.4 Tepelné odpory Z vinutí do ventilačního kanálu 0, 0045 0, 3 0, 084 R 1 0, 01 δ iz λ iz O iz šk + 0, 0001 + 0, 06 0, 084 δ vzd λ vzd O iz šk 0, 0001 + 1 α z O iz šk 1 + 80 0, 084 0, 0001 (.1) 89, 13 m C W 1

Z vinutí do vzduchové mezery R δ iz λ iz b d št + δ vzd λ vzd b d št + 1 α δ b d št (.13) 0, 006 0, 3 0, 0105 0, 57 0, 0001 + 0, 06 0, 0105 0, 57 1 + 50 0, 0105 0, 57 538, 6 m C W Z vinutí do zubu 0, 0045 0, 3 0, 084 R 3 0, 047 δ iz λ iz O iz šp + 0, 01 + 0, 06 0, 084 δ vzd λ vzd O iz šp 0, 047 + z 3λ F ed O iz šp 0, 009 + 3 45 0, 084 (.14) 0, 047 7, 5 m C W Ze zubu do vzduchové mezery R 4 0, 0307 3 1 0, 01013 h d 3λ F ed1 z 1s šp 0, 047 + 1 + 80 0, 00838 1 α δ z 1 šp 0, 047 (.15) 84, 97 m C W Ze zubu do vzduchového kanálu R 5 š p 1 + (.16) 3λ F eq z h d α z z h d 0, 047 3 45 0, 009 0, 0307 + 1 45 0, 009 0, 0307 106, 18 m C W

Ze plechů zubu do plechů jádra R 6 0, 0307 3 45 0, 00831 h d 3λ F ed z s šp 0, 047 + h js 3λ F ed š j1 šp 0, 069 + 3 45 0, 01607 0, 047 (.17) 1, m C W Ze plechů jádra do ventilačního kanálu R 7 š p 1 + (.18) 3λ F eq š j h js α j š j h js 0, 047 3 1 0, 0144 0, 069 + 1 50 0, 0144 0, 069 31, 06 m C W Ze plechů jádra do vzduchové mezery R 8 0, 069 3 45 0, 0141 h js 3λ F el š j3 šp 0, 047 + 1 + 80 0, 01058 1 α 4 š j4 šp 0, 047 (.19) 51, 07 m C W 3

Obrázek.: Rozměry pro tepelné odpory, tepelné odpory a chladivosti.5 Soustavy rovnic pro řešení ustáleného stavu υ Cud υ 01 + υ Cud υ 0 + υ Cud υ z R 1 R R 3 υ z υ Cud + υ z υ 0 + υ z υ 01 + υ z υ j R 3 R 4 R 5 R 6 υ j υ z R 6 + υ j υ 03 R 7 + υ j υ 04 R 8 P Cud P F ej1 P F ez1 υ Cud ( 1 R 1 + 1 R + 1 R 3 ) υ z R 3 P Cud1 + υ 01 R 1 + υ 0 R υ ( Cud 1 + υ + 1 + 1 + 1 ) υ j P F ez1 + υ 0 + υ 01 R 3 R 3 R 4 R 5 R 5 R 6 R 4 R 5 υ z ( 1 R 6 + 1 R 7 + 1 R 8 ) υ z R 6 P F ej1 + υ 03 R 7 + υ 04 R 8 ( 1 υ Cud 89, 13 + 1 538, 6 + 1 ) υ z 7, 5 7, 5 υ ( Cud 1 7, 5 + υ 7, 5 + 1 84, 97 + 1 106, 18 + 1 ) υ j 1, 1, ( 1 υ z 1, + 1 31, 06 + 1 ) υ z 51, 07 1, 6 4, 5 + 8, 79 84, 97 + 15 538, 6 15 8, 79 0, 71 + + 84, 97 106, 18 1, 03 + 1, 9 31, 06 + 0 51, 07 4

0, 1463υ Cud 0, 133υ z + 0υ j 0, 9034 0, 133υ Cud + 0, 988υ z 0, 83383υ j 0, 0, 7371 0υ Cud 0, 8338υ z + 0, 8856υ j 1, 3649 υ Cud 38, 4144 38, 4 C υ z 35, 513 35, 3 C υ j 34, 7306 34, 7 C.6 Oteplení čel Ztráty v čelech P č 666.45 W Ztráty vtékající do uzlu P č1 P č Q 666, 45 54 5, 537 W (.0) Obvod vodiče čela Tepelný odpor čela O č (h č + b č ) (10, 8 + 10, 5) 0, 046 m (.1) R č δ iz λ iz O č l č + δ vzd λ vzd O č l č + 1 α č k O č l č (.) 0, 0045 0, 3 0, 046 0, 446 + 0, 0001 0, 06 0, 046 0, 446 + 1 50 0, 6 0, 046 0, 446, 807 m C W 5

Oteplení čela υ č R č δp č1, 807 5, 537 15, 543 C (.3) Obrázek.3: Tepelný obvod pro výpočet oteplení v čelech oteplení uzlů nad teplotu okolí (40 C) υ Cud 38, 4144 C υ z 35, 513 C υ j 34, 7306 C υ č 15, 543 C Zaokrouhleno υ Cud 38, 4 C υ z 35, C υ j 34, 7 C υ č 15, 5 C 6

Závěr Ve své diplomové práci jsem navrhl stejnosměrný stroj dle zadání. Vypočetl jsem, že účinnost stroje je 9,8 % oproti původně odhadovaným 90 %. Velikost elektromagnetického využití, tedy Essonova činitele, jsem zvolil,17, což je relativně malá hodnota, která se ještě zmenšila tím, když jsem vypočetl počet vodičů v drážce a zaokrouhlil toto číslo dolů na osm, čímž se lehce snížila obvodová proudová hustota. Toto vše zapříčinilo velice nízké hodnoty oteplení mědi a železa v zubové části rotoru a také nízké hodnoty oteplení čel v rotoru. Což může být zapříčiněno relativně tenkou použitou izolací a poměrně vysokými pracovními otáčkami stroje. Z hodnot oteplení tedy vyplývá, že na rotoru může být použita izolace tepelné třídy A. Větší elektromagnetické využití stroje by vyústilo ve vyšší hodnoty oteplení stroje a použití vyšší tepelné třídy izolace. V přílohách této práce jsou přiloženy výkresy s hlavními kótami. Tyto výkresy byly provedeny v programu AutoCAD a jedná se o podélný a příčný řez navrženého stroje. V této práci jsem využil svých znalostí nabytých v průběhu studia. 7

Literatura [1] Cigánek L. Stavba elektrických strojů. Nakladatelství technické literatury: Praha, 1958. 714 s. [] Kopylov I. P. a Kol. Stavba elektrických strojů. Nakladatelství technické literatury: Praha, 1988. 685 s. [3] Červený J. Stavba elektrických strojů. Plzeň, 01. 148s. 8

A Výkresy A.1 Příčný řez Obrázek A.1: Příčný řez stroje 9

A. Podélný řez Obrázek A.: Podélný řez stroje 30

A.3 Drážky Obrázek A.3: Průřez drážkou vinutí rotoru Obrázek A.4: Drážka kompenzačního vinutí na hlavním pólu 31

B Ostatní B.1 Doporučené rozměry kartáčů 3

B. Rozměry pasových vodičů Obrázek B.1: Rozměry pasových vodičů 33

B.3 Carterův činitel Obrázek B.: Nomogram pro určení Carterova činitele 34

B.4 Skutečná indukce v zubu Obrázek B.3: Nomogram pro určení skutečné indukce v zubu 35

B.5 Magnetizační charakteristika dynamového plechu Obrázek B.4: Magnetizační charakteristika dynamového plechu 36

B.6 Určení konstant Obrázek B.5: Nomogram pro určení konstant k 0 a β pro výpočet povrchových ztrát 37

Návrh stejnosměrného stroje B.7 Lukáš Mergl 016 Charakteristika naprázdno Obrázek B.6: Charakteristika naprázdno a charakteristika magnetického obvodu rotoru 38