Определение максимально допустимой степени ослабления поля 39

Содержание

1. Исходные данны............................................................................... 3

2. Предварительное определение диаметра якоря........................... 4

3. Определение параметров зубчатой передачи................................ 4

4. Расчет обмотки якоря ……………………………………………… 8

5. Определение размеров проводника обмотки, размеров пазов и зубцов …………………………………………………………………… 12

6. Определение магнитного потока машины и длины шихтованного пакета якоря …………………………………………………………… 17

7. Выбор оптимальной геометрии зубцового слоя ………………... 19

8. Составление эскиза магнитной цепи …………………………….. 21

9. Определение намагничивающей силы главных полюсов и числа их витков ………………………………………………………………….... 26

10. Расчет магнитной характеристики машины ………………..... 29

11. Определение размеров коллектора и щеток ………………….. 31

12. Расчет коммутации ……………………………………………….. 33

Определение максимально допустимой степени ослабления поля 39

14. Расчет и построение скоростных характеристик тягового двигателя и

15. Расчет и построение характеристик вращающего момента на валу двигателя и тягового усилия на ободе колеса …………………… 50

16. Определение технико-экономических показателей спроектированного двигателя ……………………………………... 53

17. Заключение ……………………………………………………….. 54

18. Библиографический список ……………………………………. 55

Исходные данные

Мощность двигателя при часовом режиме Рч =525 кВт

Диаметр бандажей колесных пар Dб=1,2 м

Скорость электровоза при часовом режиме Vч = 44 км/ч =12,2 м/с

Максимальная скорость Vmax = 82 км/ч =22,8 м/с

Тип тока электровоза - постоянного тока

 

 

Предварительное определение диаметра якоря

Диаметр якоря тяговой машины определяется исходя из условия размещения необходимого количества пазов с проводниками якорной обмотки и получения зубцов такого поперечного сечения, при котором не было бы их чрезмерного нагрева при вращении в магнитном поле. Ниже приводится алгоритм предварительного расчета диаметра якоря.

Находим часовую окружную скорость якоря:

32,2м/с (1.1)

Диаметр якоря:

=522,5=560 мм (1.2)

При выборе диаметра якоря необходимо учитывать, что установлен нормализованный ряд диаметров, при которых получается экономичный раскрой поставляемых промышленностью листов электротехнической стали: 468, 423, 560, 660, 740, 850, 990 мм.

Расчет обмотки якоря

Тип обмотки якоря выбирают в зависимости от часового тока двигателя J_Ч, который равен

(3.1)

где - КПД на валу; определяем его по кривой (рис. 4.1).

 

Рис. 3.1. Определение КПД на валу тягового двигателя

 

Если ток двигателя , то подразделять его на число параллельных ветвей большее, чем 2а=2, не имеет смысла, и поэтому применяют простую волновую обмотку. При больших токах, которые протекают по обмоткам якорей ТЭД магистральных электровозов, из технологических соображений и для уменьшения реактивной ЭДС якоря переходят к простым петлевым обмоткам, для которых число параллельных ветвей 2а=2р. В нашем случае используем простую петлевую обмотку.

Обмотки тяговых машин обычно выполняются в виде отдельных одновитковых катушек (секций).

Число секций S определяется по числу коллекторных пластин К, которое рассчитывается по допустимому среднему межламельному напряжению .

 

(3.2)

Для того чтобы машина имела хорошие регулировочные свойства (допускала глубокое ослабление поля) без возникновения искрения потенциального характера , при наличии компенсационной обмотки, должно находиться в пределах .

Число коллекторных пластин К проверяется по величине коллекторного деления , которое по условиям прочности шлицованных петушков коллектора не должно быть менее = 4 мм.

Диаметр коллектора

(3.3)

Величина коллекторного деления

(3.4)

Число коллекторных пластин К проверяется по величине коллекторного деления, которое по условиям прочности шлицованных петушков коллектора не должно быть менее 4 мм.

При этом необходимо учитывать, что поскольку от числа р зависит число коллекторных пластин, то р должно быть выбрано так, чтобы можно было изготовить коллектор, т.е. .

Число активных проводников обмотки якоря (при одновитковых секциях, которые имеют все отечественные тяговые двигатели) равно удвоенному числу секций

(3.5)

Линейная нагрузка часового режима

(3.6)

где ток в проводниках обмотки якоря

(3.7)

(3.8)

От величины линейной нагрузки зависит нагрев обмотки якоря, значение реактивной ЭДС, т.е. напряженность коммутации, и величина намагничивающей силы поперечной реакции якоря, влияющей на потенциальные условия на коллекторе. Поэтому для обеспечения достаточной надежности работы машины необходимо произвести проверку величины по рис 4.2.

 

Рис. 3.2. Определние величины линейной нагрузки А

 

Большие значения А в границах, указанных на рис. 4.2, соответствуют более теплостойким изоляциям и машинам с большим диаметром якоря.

Выбор числа пазов для машин с числом полюсов 2р = 4 ориентировочно производим по кривым , рис. 4.3 /1/. При числе полюсов 2р=6 число пазов должно быть увеличено на 20 30%.

 

Рис. 3.3. Выбор числа пазов якоря

 

При выборе числа пазов следует учитывать, что для укорочения лобовых частей и устранения пульсационных ЭДС /1, стр. 140/, необходимо иметь обмотку с укороченным шагом. Выберем Z=46 кратное 2.Для получения укорочения шага обмотки числа пазов Z Z/р=46/2=23- четное число.

При волновой обмотке Z - нечетное число.

Число проводников в пазу определяется из выражения

(3.9)

Для дальнейшего расчета уточним следующие значения:

(3.10)

(3.11)

Для ориентировочной проверки правильности выбора перечисленных величин определяется объем тока в пазу, который не должен превышать 1200 1500 А.

Шаг обмотки по реальным пазам должен быть целым числом

(3.14)

В одном реальном пазу содержится u_k элементарных пазов, так как секции одновитковые, то

(3.15)

(3.16)

(3.17)

Расчет коммутации

Целью данного расчета является проверка напряженности коммутации, которая характеризуется реактивной ЭДС коммутируемой секции /1, стр.172/.

Изменение тока в проводнике сопровождается ЭДС самоиндукции (11.1)

где - число витков секции (для всех тяговых двигателей );

- поток, сцепленный с секцией.

Поскольку поток проходит по участкам, в которых не происходит насыщения, то выражение (12.1) можно преобразовать

(11.2)

где - мгновенное значение тока секции, А;

- индуктивность секции, характеризующая потокосцепления секции при протекании по секции тока в 1 А.

В основу определения L_с положено понятие об удельной магнитной проводимости _п, под которой понимают число потокосцеплений на единицу длины секции, по которой течёт ток в 1 А.

Учитывая сложную форму зубцового слоя и способ укладки обмотки, поток условно разбивается на четыре части, для каждой из которых определяется удельная магнитная проводимость

(11.3)

где

- удельная проводимость в области расположения проводников ;

- то же, по высоте ;

- то же в зоне воздушного зазора (коронка зубцов);

- то же в зоне лобовых частей, отнесённой к пазу.

Все размеры зубцового слоя показаны на рис.3-32 /1, стр.172/.

Длина лобовых частей _s принимается: _s = (1,12 1,3) .

Индуктивность секции, выраженная через удельную магнитную проводимость:

. (11.4)

где число витков секции;

Формула (12.4) получена для случая, когда в пазу находится только одна секция. Но, так как для тяговых двигателей в пазу находятся проводники, принадлежащие разным секциям и уложенные на разной высоте (в два слоя), то только часть потокосцепления коммутирующего проводника из нижнего слоя будет охватывать проводник из верхнего слоя. Потокосцепление секций разных слоёв учитывается коэффициентом проводимости взаимоиндукции слоёв

. (11.5)

где

Следует заметить, что выражение (11.5) отличается от (11.3) коэффициентом и отсутствием коэффициента проводимости лобовых частей , так как проводники при выходе из паза разводятся в разные стороны.

Коэффициент взаимоиндукции слоёв:

(11.6)

Таким образом, при двух проводниках в пазу в верхнем проводнике наводится ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимоиндукции , равные

и . (11.7)

Предполагая прямолинейную коммутацию, можно считать

. (11.8)

Период коммутации можно выразить через окружную скорость коллектора (м/сек) при часовом токе.

(11.9)

где b_щ - ширина щётки, см.

Обычно в пазу якоря тягового двигателя находится u_п=6 14 проводников. Определение ЭДС коммутации в этом случае производится с учетом расположения проводников в пазу.

Для случая, когда проводники укладываются в пазу в два слоя (см. рис. 5.1), во всех проводниках, лежащих в одном слое, наводится одинаковая ЭДС - реактивная ЭДС е_р.

Под реактивной ЭДС понимается сумма ЭДС самоиндукции проводников, лежащих в одном слое паза, и сумма ЭДС взаимоиндукции е_вп, т.е. ЭДС, которая наводится в проводниках одного слоя при изменении тока в проводниках другого слоя.

Определяется реактивная ЭДС е_р из диаграммы пазового поля. В первую очередь строится диаграмма тока в проводниках, лежащих в одном слое при прямолинейной коммутации (рис. 12.1).

Рис. 12.1.Диаграмма пазового поля

Масштабы тока и линейный выбираются: =5 10 А/мм, =1 (линейный масштаб откладывается по оси Х - см. рис. 12.1).

- ширина щетки, приведенная к окружности якоря:

= мм. (11.10)

Сдвиг между началами коммутации смежных проводников в линейном масштабе соответствует коллекторному делению, приведенному к окружности якоря (это относится как для самоиндукции, так и взаимоиндукции)

. (11.11)

Величина укорочения шага: (11.12)

Тогда средние значения ЭДС могут быть рассчитаны по формулам:

(11.13)

(11.14)

Затем строится диаграмма ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции, наводимых в тех же проводниках паза (рис. 11.1)

Рис. 11.1. Диаграмма пазового поля

Масштаб ЭДС рекомендуется принимать равным m_е= 0,2 В/мм.

Если обмотка выполнена с укорочением шага , то диаграмма е_вп смещается относительно диаграммы e _сп на величину укорочения шага (именно этому случаю соответствует рис. 12.1). По рис.12.1 определим ширину зоны коммутации bзк и значение реактивной Э.Д.С. е_pmax=4.23 В.

При многослойной обмотке (расположение проводников плашмя), ЭДС, которая будет наводиться в проводнике при коммутации, зависит от положения проводника в пазу. Коэффициенты само- и взаимоиндукции каждого проводника различны и определяются для слоя К (отсчет К ведется от верха паза) при общем числе слоев в пазу m=10.

; (11.15)

. (11.16)

 

L1	=165,2·10-8 Гн	М1	=139,4·10-8 Гн
L2	=169,2·10-8 Гн	М2	=143,4·10-8 Гн
L3	=173,2·10-8 Гн	М3	=147,4·10-8 Гн
L4	=177,2·10-8 Гн	М4	=151,4·10-8 Гн
L5	=181,2·10-8 Гн	М5	=155,4·10-8 Гн
L6	=185,3·10-8 Гн	М6	=159,4·10-8 Гн
L7	=189,3·10-8 Гн	М7	=163,4·10-8 Гн
L8	=193,3·10-8 Гн	М8	=167,4·10-8 Гн
L9	=197,3·10-8 Гн	М9	=171,4·10-8 Гн
L10	=201,3·10-8 Гн	М10	=175,4·10-8 Гн

 

Определим суммарные индуктивности проводников, соединенных в обоих пазах:

 

На основании полученных значений и определяем ЭДС и . Расчетное значение реактивной ЭДС определяется из диаграммы, полученной геометрическим сложением ординат диаграммы и (рис. 11.1). Из диаграммы определяется также ширина зоны коммутации .

Расчет кпд двигателя

КПД определяем по формуле

(14.1)

где .

Здесь - основные потери в меди;

- основные потери в стали;

- добавочные потери при нагрузке;

- механические потери;

- потери в переходном слое под щетками.

Основные потери в меди подсчитывают по формуле

(14.2)

Следует помнить, что сопротивления, согласно ГОСТ 2582-81 для изоляции классов В, F и H относят к температуре 110⁰ С.

Основные потери в стали обусловлены потерями на гистерезис и вихревые токи. Эти потери рассчитываются при холостом ходе (при ), т.е. тогда, когда распределение индукции в воздушном зазоре под главным полюсом равномерное.

(14.3)

где и - вес стали зубцового слоя и сердечника якоря, кг;

и - удельные магнитные потери на гистерезис и вихревые токи в зубцовом слое и вихревые токи в зубцовом слое и сердечнике якоря, Вт/кг.

Вес стали зубцового слоя

(14.4)

где - ширина зубца по окружности якоря;

; (14.5)

*

0,94 - коэффициент, учитывающий изоляцию листов стали.

Вес стали сердечника якоря

. (14.6)

где m_в=2; d_в=2

Удельные магнитные потери

; (14.7)

, (14.8)

где - частота перемагничивания ;

и - магнитная индукция в зубцах и сердечнике якоря.

Цифровые коэффициенты в формулах (15.7) и (15.8) справедливы при использовании электротехнической стали марки Э13.

Добавочные потери при нагрузке включают/1, стр.186/: потери в меди обмотки якоря от главного пазового поля и коммутационные, а также увеличение потерь в стали от искажения магнитного поля машины при нагрузке (у машин без компенсационной обмотки).

Т.к. раздельный учет добавочных потерь в меди и стали достаточно трудоемок, то в практике проектирования оценивают их общую величину (по ГОСТ 2582-81) коэффициентом в долях основных потерь в стали

(14.9)

где - коэффициент добавочных потерь, определяемый в зависимости от отношения токов по табл. 14.1.

Таблица 14.1

Jя/Jяч	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	1,4	1,6	1,8	2,0
	0,22	0,22	0,24	0,26	0,3	0,35	0,42	0,48	0,56	0,64

 

Расчет потерь в стали и добавочных потерь сводится в таблицу 14.2

Таблица 14.2

Jя, А	Jя/Jяч, А	n, об/мин	f, Гц	, Гс	, Гс
75,2	0,2	4976,0	165,9	4200,0	2400,0	1,3	4,0	2296,0	505,1
150,4	0,4	2479,3	82,6	8400,0	4800,0	1,7	5,3	3011,3	662,5
225,6	0,6	1853,0	61,8	12600,0	7200,0	2,5	7,7	4416,8	1060,0
300,8	0,8	1342,9	44,8	16800,0	9600,0	2,9	8,7	5054,1	1314,1
		1051,4	35,0	21000,0	12000,0	3,2	9,8	5643,6	1693,1
451,2	1,2	862,8	28,8	25200,0	14400,0	3,6	11,0	6321,3	2212,4
526,4	1,4	769,2	25,6	29400,0	16800,0	4,2	12,9	7415,9	3114,7
601,6	1,6	662,0	22,1	33600,0	19200,0	4,6	14,0	8081,5	3879,1
676,8	1,8	580,5	19,4	37800,0	21600,0	5,0	15,2	8751,8	4901,0
		516,4	17,2	42000,0	24000,0	5,3	16,3	9347,3	5982,2

Механические потери включают потери от трения щеток о коллектор, от трения в подшипниках и вентиляционные(только для самовентилирующихся потерь).

,Вт. (14.10)

Потери от трения щеток о коллектор определяем выражением

(14.11)

где - общая площадь прилегания щеток к коллектору

- удельное давление на щетку;

- для тяговых двигателей опорно-осевого исполнения;

- коэффициент трения щеток о коллектор/2, стр.110/;

- окружная скорость коллектора, м/сек

Потери на трение в подшипниках качения принимаются постоянными, равными

. (14.12)

Потери в переходном слое под щетками

. (14.13)

Тогда КПД:

Рассмотренные потери не включают потери в зубчатой передаче. Их точный учет для тяговых двигателей производится по данным ГОСТ 2582 - 81 в зависимости от подведённой мощности. В курсовом проекте можно принять КПД зубчатой передачи в пределах: =0,93 0,99.

Учет всех потерь КПД сводится в таблицу 14.3.

Таблица 14.3

75,2	391,3	2296,0	505,1	5713,2		150,4	9338,1	0,92	0,93	0,85
150,4	1565,3	3011,3	662,5	2846,6		300,8	8668,5	0,96	0,93	0,89
225,6	3522,0	4416,8	1060,0	2127,5		451,2	11859,6	0,96	0,93	0,90
300,8	6261,3	5054,1	1314,1	1541,9		601,6	15054,9	0,97	0,93	0,90
	9783,2	5643,6	1693,1	1207,2			19361,1	0,97	0,93	0,90
451,2	14087,8	6321,3	2212,4	990,6		902,4	24796,6	0,96	0,93	0,90
526,4	19175,1	7415,9	3114,7	883,2		1052,8	31923,7	0,96	0,93	0,89
601,6	25045,0	8081,5	3879,1	760,1		1203,2	39250,9	0,96	0,93	0,89
676,8	31697,6	8751,8	4901,0	666,5		1353,6	47652,5	0,95	0,93	0,89
	39132,9	9347,3	5982,2	592,9			56841,3	0,95	0,93	0,88

По данным таблицы 14.3 строится график зависимости .

Рис 14.1 График функции

Заключение

Реальное проектирование тягового двигателя заканчивается тепловым расчетом. Только произведя тепловой расчет, можно проверить правильность выбора таких параметров, как плотность тока в проводниках, индукции в зубцовом слое и спинке якоря, число рядов вентиляционных каналов и др.

Если в результате теплового расчета окажется, что у какого-то варианта температура изоляции обмоток машины будет превышать допустимую или наоборот – обмотки будут нагреваться незначительно, то это означает, что основные параметры выбраны неправильно, и вариант отбрасывается.

Заданием на данный курсовой проект не предусмотрено обязательное выполнение теплового расчета. Методику теплового расчета можно посмотреть в /1, стр. 361/ либо в /2, стр. 111/.

 

 

Библиографический список

1. Находкин Ю.Д. Проектирование тяговых электрических машин / Ю.Д. Находкин и др. – М.: Транспорт, 1967. 


2. Курбасов А.С., Седов В.И., Сорин Л.Н. Проектирование тяговых электродвигателей: учебное пособие для вузов ж.д. транспорта / под редакцией А.С. Курбасова. – М.: Транспорт, 1987. – 536 с. 


3. Захарченко Д.Д. Подвижной состав электрических железных дорог (Тяговые машины и трансформаторы) / Д.Д. Захарченко и др. – М.: Транспорт, 1968. – 431 с. 


4. Вольдек А.И. Электрические машины. – Л.: Энергия, 1974. – 840 с. 


5. Винокуров В.А., Попов Д.А. Электрические машины железнодорожного транспорта. 
– М.: Транспорт, 1986. – 511 с. 


6. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических 
машин. – М.: Высшая школа, 1984. – 431 с. 


 

Содержание

1. Исходные данны............................................................................... 3

2. Предварительное определение диаметра якоря........................... 4

3. Определение параметров зубчатой передачи................................ 4

4. Расчет обмотки якоря ……………………………………………… 8

5. Определение размеров проводника обмотки, размеров пазов и зубцов …………………………………………………………………… 12

6. Определение магнитного потока машины и длины шихтованного пакета якоря …………………………………………………………… 17

7. Выбор оптимальной геометрии зубцового слоя ………………... 19

8. Составление эскиза магнитной цепи …………………………….. 21

9. Определение намагничивающей силы главных полюсов и числа их витков ………………………………………………………………….... 26

10. Расчет магнитной характеристики машины ………………..... 29

11. Определение размеров коллектора и щеток ………………….. 31

12. Расчет коммутации ……………………………………………….. 33

Определение максимально допустимой степени ослабления поля 39

14. Расчет и построение скоростных характеристик тягового двигателя и

15. Расчет и построение характеристик вращающего момента на валу двигателя и тягового усилия на ободе колеса …………………… 50

16. Определение технико-экономических показателей спроектированного двигателя ……………………………………... 53

17. Заключение ……………………………………………………….. 54

18. Библиографический список ……………………………………. 55

Исходные данные

Мощность двигателя при часовом режиме Рч =525 кВт

Диаметр бандажей колесных пар Dб=1,2 м

Скорость электровоза при часовом режиме Vч = 44 км/ч =12,2 м/с

Максимальная скорость Vmax = 82 км/ч =22,8 м/с

Тип тока электровоза - постоянного тока

 

 

Предварительное определение диаметра якоря

Диаметр якоря тяговой машины определяется исходя из условия размещения необходимого количества пазов с проводниками якорной обмотки и получения зубцов такого поперечного сечения, при котором не было бы их чрезмерного нагрева при вращении в магнитном поле. Ниже приводится алгоритм предварительного расчета диаметра якоря.

Находим часовую окружную скорость якоря:

32,2м/с (1.1)

Диаметр якоря:

=522,5=560 мм (1.2)

При выборе диаметра якоря необходимо учитывать, что установлен нормализованный ряд диаметров, при которых получается экономичный раскрой поставляемых промышленностью листов электротехнической стали: 468, 423, 560, 660, 740, 850, 990 мм.