Разработка технологических процессов намотки катушек электрических аппаратов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

НТУ «ХПИ»

Кафедра «Электрические аппараты»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА КУРСОВОГО ПРОЕКТА

По курсу:

«Технология производства электрических аппаратов»

на тему:

«Разработка технологических процессов намотки катушек электрических аппаратов»

Разработал: ст. гр. xxx - xxx

xxxxx.x.

Руководитель проекта: старший преподаватель

xxxxx.x

Харьков 2003

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Для намотки каркасной катушки

Вид намотки: Рядовая

Марка провода: ПЭВ – 1

Диаметр провода, мм 0,41

Число витков 400

Длина каркаса, мм 56

Периметр обмотки, мм 132,6

Изолирование каркаса кабельная бумага без приклейки, один слой

Изолирование клемм телефонная бумага, один слой стеклоткань

Количество клемм 2

Способ крепления выводных обвить обмоточным проводом вокруг концов к клеммам лепестка клемм 2 – 3 витка

Зачистка провода шлифовальной шкуркой

Припайка электропаяльником

Изолирование пайки лакотканью

Напряжение, В 220

Частота, Гц 50

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка составлена на 23 листах, и включает в себя: титульный лист, исходные данные, реферат, содержание, введение, основную часть, заключение, список литературы, графическую часть.

Во введении рассмотрены следующие вопросы: область применения электромагнитных механизмов, их основные характеристики, особенности электромагнитных механизмов постоянного тока, функции выполняемые катушками, факторы, определяющие выбор технологического процесса их изготовления, взаимосвязи между технологическими допусками, влияющие на величину электрического сопротивления, цель и задачи курсового проекта.

В основной части рассмотрены следующие вопросы: определение состава технологических операций, состав и их последовательность в соответствии с требованиями конструкторской документации (представлены в виде МК – карт на 6 – ти листах).

Также в основной части представлена специальная технологическая терминология и эскиз каркасной катушки.

В курсовом проекте дано заключение о проведенной работе и список используемой литературы.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ………………………………………………….……………………... 5

1. Основная часть …………………………………………………..……… 7

1.1 Определение состава технологических операций ………………….. 7

2. Расчетная часть ………………………………………………………... 14

2.1 Расчет режимов намотки катушек …………………………………... 14

2.2 Анализ точности технологического процесса намотки катушек…..16

2.3 Влияние технологических допусков на выходные параметры электромагнитов ………………………………………………………………. 19

3. Заключение ……………………………………………..…………….. 22

4. Литература ……………………………………………………….…… 23

ВВЕДЕНИЕ

Электромагнитные системы предназначены для дистанционного управления контактными системами или создание механического воздействия на управляющий объект.

Состоит из двух элементов: катушки и магнитопровода. Причем, магнитопровод состоит из подвижного якоря и неподвижного ярма.

Катушка предназначена для создания ампер – витков (функционально важно произведение тока на витки, в отдельности ток и витки не рассматриваются).

Ампер – витки должны обеспечивать функциональное назначение магнитной системы, создать необходимое усилие на якоре.

Катушка должна поместиться в заданном объеме. Нагрев проводов не должен превышать выбранного класса изоляции. Пересчет обмоточных данных катушки производиться из условий неизменности ампервитков; при этом экспериментально следует проверить габариты катушки и ее нагрев.

При постоянном токе нагрев катушки осуществляется на счет Джоулевого тепла:

Q = I² * R

Нарастание тока в катушке будет плавным, магнитная система не будет греться при остановке якоря в промежуточном положении.

При конструировании магнитных систем постоянного тока в целях охлаждения катушки и уменьшения расхода обмоточного провода, желательно катушку приближать к магнитопроводу, делая ее высокой и малой толщины. Магнитопровод постоянного тока делают из целых листов методом штамповки.

При переменном токе катушка греется Джоулевым теплом RI², но величина тока определяется по другим зависимостям:

I = =

Нарастание тока в катушке форсированное, чем больше воздушный зазор d₀, тем больше бросок тока при включении.

Магнитная система греется вихревыми токами (до 70⁰ 80⁰С), что в свою очередь дополнительно греет катушку и ее надо теплоизолировать от магнитной системы.

Остановка в промежуточных положениях якоря, при этом катушка будет нагреваться и сгорит, если долго будет находиться в таком положении.

Появление короткозамкнутого витка в обмотке приводит к появлению в нем: эдс, тока, виток перегреется, изоляция сгорит и катушка выйдет из строя (при постоянном токе этого не произойдет).

Магнитные системы переменного тока изготавливаются шихтованными и имеют короткозамкнутый виток, шунтирующий часть поверхности.

Факторы, негативно влияющие на работоспособность магнитной системы и технические решения, уменьшающие это влияние.

1 ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1.1. Определение состава технологических операций

Состав технологических операций и их последовательность выбирают в соответствии с требованиями конструкторской документации, он включает: заготовительные операции по порезке изоляционных материалов, намотку, присоединение гибких выводов, изолирование катушек, пропитку, сушку, опрессовку, маркировку, контроль числа витков, электрического сопротивления, выявление короткозамкнутых витков, перемещение. Назначение каждой операции следует обосновать и произвести выбор соответствующего оборудования.

Технологическую документацию следует выполнять так, как предусмотрено в ГОСТ 3.1105-73, ГОСТ 3.1411 – 74.

Маршрутные карты представлены на шести листах.

2. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Расчет режимов намотки катушек

Параметры режима намотки:

- натяжение провода Т, Н;

- скорость наматывания, м/мин.

Натяжение провода в процессе наматывания – важный технологический фактор, определяющий сопротивления и геометрические параметры обмотки, качество и производительность технологического процесса. Для проектирования технологического процесса намотки катушек необходимо знать оптимальное и максимально допустимое натяжение. Оптимальным следует считать натяжение, при котором обеспечиваются все технологические требования к обмотке и к условиям её эксплуатации при минимальной себестоимости её изготовления.

Оптимальное натяжение провода при намотке определяют по эмпирической формуле в зависимости от материала провода, вида намоточного оборудования и т.д.

Для медного провода:

Т_опт = 8,5 *10¹ * d²_м (Н.), (1)

где d²_м - диаметр провода без изоляции, мм.

Т_опт = 8,5 *10¹ * 0,41² = 14,29 Н.

Полученное значение не должно превышать максимально допустимого значения.

Под максимально допустимым натяжением понимается такое, при котором в процессе формирования обмотки не происходит заметных изменений электрических и геометрических параметров провода и не нарушается целостность изоляции.

Число витков в одном слое:

W₁ = , (2)

где Н – высота окна катушки, мм

W₁ =

Число слоев обмотки:

К = , (3)

Где W- число витков обмотки;

W₁ - число витков в одном слое.

К=

Для каркасных катушек прямоугольного сечения определяют среднюю длину витка как средний периметр катушки:

l_ср= , мм (4)

где Р_внутр – внутренний периметр обмотки, равный периметру каркаса, мм;

Р_нар – наружный периметр обмотки, мм.

Внутренний периметр обмотки равен:

P_внутр = 2(L₁+L₂), мм..( 4.1)

Где L₁ – величина одного ребра каркаса, мм.

P_внутр= 2(61 + 34 ) 190 мм

Наружный периметр обмотки равен:

P_нар = 2(L₁ + 2Kd_из ) + 2(L₂ + 2Kd_из ), мм (4.2 )

P_нар = 2(61 + 2*5*0,45) + 2(34 + 2*5*0,45) 208 мм

Тогда

l_ср = , мм

Общая длина провода, необходимого для получения обмотки равна:

L = l_ср * W, мм

Где W – число витков обмотки.

L = 199 * 400 = 79600 мм

Зная вес 100 метров провода и длину L, определяют чистый вес провода Q для получения необходимого числа витков.

Норму расхода провода определяют по формуле:

Q₁ = Q * K_тех, кг (6)

где К_техн – коэффициент, определяющий величину отхода при намотке катушки (К_техн = 1,05)

Q = Q _{пр *} L, кг (7)

где Q – чистый вес провода

Q = 0,0012* 79,600 0,095 , кг

Q₁ = 0,095* 1,05 0,1 , кг

2.2. Анализ точности технологического процесса намотки катушки.

Важной характеристикой технологического процесса намотки катушек является достижение требуемой точности параметров, в частности, точности сопротивления обмотки.

Производственные погрешности, характеризующие степень точности технологического процесса. Определяют по аналитическому и статистическому методам.

Аналитический метод основан на использовании математической зависимости между величиной погрешности и причиной, вызвавшей её. Этот расчет производят на этапе проектирования технологического процесса для получения оценки его точности.

Статистический анализ погрешности производят после осуществления технологического процесса. Цель статистического процесса – определить соответствие точности техпроцесса намотки катушек заданной точности; установить технологические допуски, т.е. достигаемую точность изготовления.

В процессе изготовления катушек всегда имеет место колебание значений контролируемых параметров.

Причины производственных погрешностей следующие:

· разброс размеров каркаса;

· разброс диаметра провода;

· разброс усилий натяжения провода при намотке;

· разброс по числу витков.

При разработке техпроцесса намотки катушек должна быть оценена величина производственных погрешностей, с тем, чтобы величина сопротивления обмотки находилась в пределах доступных отклонений.

Оценку величины возможной производственной погрешности осуществляют на основе аналитического метода расчета погрешностей.

Выходной (контролируемый) параметр технологического процесса намотки катушек (для катушек постоянного тока это величина сопротивления обмотки) представляет собой функцию нескольких параметров:

R = f (q₁;q₂;q₃…q_n),

где q₁;q₂;q₃…q_n - входные параметры, влияющие на величину сопротивления обмотки (диаметр провода, усилия натяжения провода, число витков и др.).

Зависимость между отклонениями выходного параметра (сопротивления обмотки) и погрешностями входных параметров можно представить в виде полного дифференциала:

dR = (8)

Переходя от дифференциалов к конечным приращениям при условии малости последних, это выражение записывают следующим образом:

(8.2)

Выражение (8.2) представляет собой уравнение погрешности сопротивления обмотки катушки.

Полученное выражение позволяет рассчитывать величину сопротивления обмотки при известных погрешностях входных параметров, влияющих на точность техпроцесса: точность длинны провода обмотки, погрешность диаметра провода, точность отсчёта числа витков, натяжение провода и т.д.

Номинальное значение сопротивления обмотки, Ом:

R = , Ом (9)

где r - удельное сопротивление провода, ;

l - длинна провода, м;

d - диаметр провода без изоляции, мм.

Погрешность сопротивления обмотки:

DR= , (10)

DR = 0,83 Ом

где Dr - допустимый разброс величины удельного сопротивления , Ом*мм²/м;

Dl - допустимый разброс длинны провода, м;

Dd - допустимый разброс величины диаметра провода, м;

Dd = 0,008 мм;

Dl = l_ср *DW = 199 * 8 =1592 мм = 1,592 м

DW= 0,02*W=0,02 * 400 = 8 витка

Колебания удельного электрического сопротивления круглой медной проволоки марки МГ составляет r = 0,01785

Уравнение (10) позволяет оценить степень влияния каждого параметра в отдельности на погрешность сопротивления обмотки.

Абсолютная погрешность величины сопротивления обмотки из-за погрешности удельного электрического сопротивления составляет:

r =, Ом (10.1)

где Dr=1,5*10^-4

DRr== 0,0905 , Ом

Относительная погрешность активного сопротивления обмотки из-за отклонения удельногоэлектрического сопротивления равна, %:

g_r= %

g_r= %

R =10,77 Ом

Абсолютная погрешность сопротивления обмотки из-за погрешности длины провода, Ом

DR_l= , (10.2)

DR_l == 0,215 Ом

Относительная погрешность сопротивления обмотки из-за отклонения длины провода равна, %

g_l=, %

g_l =%

Абсолютная погрешность сопротивления обмотки из-за разброса величины диаметра провода, Ом

DR_d = , %

DR_d =0,525 Ом

Относительная погрешность сопротивления провода из-за разброса величины диаметра провода, %

g_d =, %

g_d== 4,87 %

Приведенная методика расчета погрешности сопротивления обмотки позволяет сделать вывод о величине предельного отклонения сопротивления обмотки, сравнить с требованиями чертежа, а также установить, какую долю сопротивления обмотки вносит каждый технический параметр.

2.3. Влияние технологических допусков на выходные параметры электромагнитов.

Точность и работоспособность электромагнитов постоянного тока в значительной степени определяют по качеству намотки катушек, точности сопротивления обмоток, так как сопротивление обмотки определяет величину основных параметров электромагнита – тяговую силу и нагрев катушек.

Тяговая сила электромагнита при разомкнутом магнитопроводе определяется по формуле:

Р_э =, Н (11)

где j₀² - коэффициент, учитывающий падение магнитного напряжения в нерабочих зазорах и стали магнитопровода;

U – номинальное напряжение в сети, В;

W – число витков обмотки;

- производная проводимости рабочего зазора, Н/м;

R – сопротивление обмотки катушки, Ом.

Из-за наличия технологических допусков величина сопротивления обмотки катушки может иметь отклонения, которые находятся в диапазоне:

R - DRRR + DR

9,94 10,77 11,6 Ом

Необходимо установить влияние отклонения сопротивления обмотки катушки на величину тяговой силы. Все остальные параметры электромагнита остаются без изменения. Относительное изменение тяговой силы электромагнита постоянного тока при наибольшем отклонении значения сопротивления обмотки катушки, вызванной влиянием технологических допусков:

, (12)

1,16

= 0,85

где Р_э - тяговая сила при номинальном значении сопротивления обмотки катушки, Н;

Р_э1 - тяговая сила при наименьшем значении сопротивления обмотки катушки, Н;

R – номинальное значение сопротивления обмотки, Ом;

DR – отклонение величины сопротивления обмотки, обусловленное технологическими допусками, Ом.

Реальное значение тяговой силы электромагнита постоянного тока с учетом отклонения сопротивления обмотки катушки находится в диапазоне:

Р_э1 Р_э Р_э2, Н

Где - Р_э1,Р_э2 - тяговая сила при номинальном и наибольшим возможным значении сопротивления обмотки катушки.

Относительное изменение превышения температуры обмотки катушки из-за отклонения значения сопротивления обмотки катушки, вызванного влиянием технологических допусков:

, (13)

где q - превышение температуры катушки при номинальном значении сопротивления обмотки катушки, ⁰С;

q₁ - превышение температуры катушки при наименьшем возможном значении сопротивления обмотки катушки, вызванном влиянием технологических допусков, ⁰С.

= 1,08 ⁰C

= 0,92 ⁰C

Значение превышения температуры катушки, определённое с учетом возможных отклонений сопротивления обмотки катушки, вызванных влиянием технологических допусков, находится в диапазоне:

q₂qq₁ ,

где q₂ – значение превышения температуры катушки при наибольшем значении сопротивления обмотки, ⁰С.

Приведенный расчет позволяет оценить влияние технологических допусков, вызвавших отклонение сопротивления обмотки катушки, на основные параметры электромагнита – тяговую силу и нагрев катушки.

Исходя из выше приведенных геометрических размеров катушки и диаметра медного провода выбираем следующую модель станка:

344 (полуавтомат)

- число оборотов в минуту 600-3000;

- диаметр намоточного провода 0,08-0,91 мм;

- максимальный и минимальный диаметр каркаса 15-80 мм;

- длина каркаса 127 мм;

- количество одновременно наматываемых катушек 1-2.

3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данный курсовой проект выполнен со всеми требованиями “Методических указаний к курсовому проекту по курсу “Технология производства электрических аппаратов” и ГОСТ 3.1105 – 73, ГОСТ 3.1411 – 74, ГОСТ 3.1502 – 74 на техническую документацию.

В ходе выполненной работы найдено оптимальное натяжение провода при намотке и скорость намотки, а так же длина провода, необходимая для получения данной катушки.

Произведен анализ точности технологического процесса намотки катушки, в частности, точности сопротивления обмотки.

Выявлена оценка производственных потребностей. Приведенная в курсовом проекте методика расчета погрешностей сопротивления обмотки позволяет сделать вывод о величине предельного отклонения сопротивления обмотки, сравнить ее с требованиями чертежа, а также установить, какую долю погрешности сопротивления обмотки вносит каждый технологический параметр.

Произведен анализ влияния технологических допусков на выходные параметры электромагнита силу и нагрев катушки позволил найти диапазоны, в которых катушка может эксплуатироваться нормально, то есть – без перегрева.

Типовой технологический процесс составлен с учетом серийного производства и произведен реальный выбор оборудования при их производстве.

Приведенный расчет позволяет оценить влияние технологических допусков, на основные параметры электромагнита – тяговую силу и нагрев катушек.

ЛИТЕРАТУРА

1. Методические указания к разработке технологических процессов намотки катушек электрических аппаратов (Сост. В.Н. Иванов, А.В. Бобошко – Харьков: ХПИ, 1980 – 36 стр.).

2. Методические указания к курсовому проекту по курсу «Технология производства электрических аппаратов» (Сост. В.Н. Иванов, Т.И. Бривко – Харьков: ХПИ, 1987 – 19 стр.).

3. Цветков Н.М. Намоточные процессы в приборо - и электроаппаратостроении (теория и расчет). – М. МАИ, 1979. – 86 с.)

4. Цветков Н.М. «Технология производства обмоток для приборов и средств автоматики. – М. Машиностроение, 1971. – 96 с.)