Расчет параметров тягового электродвигателя (124226)

Посмотреть архив целиком

СОДЕРЖАНИЕ


1 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОЗА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ

    1. Выбор расчетных сил тяги и скорости тепловоза

    2. Выбор типа электрической передачи и схемы соединения ТЭД

    3. Определение основных расчетных параметров электрических машин

    4. Определение основных размеров ТЭД

    5. Определение главных размеров синхронного генератора

    6. Определение параметров зубчатой передачи

    7. Определение габаритных размеров

2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ ТЭД

2.1 Выбор типа обмотки

2.2 Расчет числа пазов, параметров обмотки якоря

2.3 Расчет коллекторно-щеточного узла

2.4 Разборка эскиза магнитной цепи

2.5 Расчет магнитных напряжений участков магнитной цепи

2.6 Расчет главных полюсов, коммутации и добавочных полюсов

2.7 Определение к.п.д. при длительном режиме работы

3 РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЭД, СГ И ТЕПЛОВОЗА

3.1 Внешняя характеристика генератора

3.2 Характеристика намагничивания

3.3 Электромеханические характеристики ТЭД

3.4 Разгонные характеристики ТЭД

3.5. Тяговая характеристика тепловоза

4 РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЭД И СГ

ЛИТЕРАТУРА

1 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТЕПЛОВОЗА И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ


1.1 Выбор расчетных сил тяги и скорости тепловоза


Длительная сила тяги и скорость определяют массу поезда и среднюю техническую скорость локомотива, а в конечном итоге, его производительность, поэтому нахождение оптимальных значений этих величин является одной из важнейших задач.

Длительная сила тяги тепловоза определяется по формуле:


(1)


где Nдг. – свободная мощность тепловоза, передаваемая генератору, рассчи-

тывается по формуле:


Nдг. = NeNвсп., (2)


Nвсп. – мощность, расходуемая на привод вспомогательных агрегатов

тепловоза, определяется по формуле:


Nвсп. = (0,08…0,15)Ne, (3)

Подставляя численные значения, получаем:


Nвсп. = 0,12940 = 294 кВт.


Тогда подставляя численные значения в (2), получаем:


Nдг = 2940 – 294 = 2646 кВт.


п – к.п.д. электрической передачи, определяется по формуле:


п = гтдзп, (4)


г, тд, зп – к.п.д. соответственно генератора, тягового электро-

двигателей, зубчатой передачи, принимаем г = 0,95,

тд = 0,93, зп = 0,985.

Подставляя численные данные, получаем:


п = 0,950,930,985 = 0,87.


дл – длительная скорость тепловоза, дл = 30 км/ч.

Тогда подставляя численные значения в (1), получаем:



Определим коэффициент тяги на расчетном подъеме по следующей формуле:

(5)


Подставляя численные значения, получаем:



Полученный коэффициент тяги входит в рекомендуемый предел значения коэффициента тяги для грузового тепловоза.


1.2 Выбор типа электрической передачи и схемы соединения ТЭД


Предельная мощность тепловозного генератора постоянного тока определяется из условий удовлетворительной коммутации критерием Касьянова, который соответствует выражению:


Ргnд <=2106, (6)


где Рг – мощность генератора, которую можно рассчитать по формуле:


Рг = Nдгд, (7)

Подставляя численные значения, получаем:


Рг = 26460,95 = 2514 кВт.


Тогда подставляя численные значения в (6), получаем:


25141100 = 2765400 > 2106.


Так как критерий Касьянова не выполняется, то выбираем передачу переменно-постоянного тока.

Схема соединения электродвигателей выбирается таким образом, чтобы обеспечить необходимые тяговые свойства тепловоза. На выбор электрической схемы соединений ТЭД оказывает влияние максимальная скорость тепловоза , при которой должна использоваться полная мощность силовой установки. Скорость максимального использования мощности для грузовых тепловозов принимается . При выборе схемы соединения ТЭД необходимо последовательно исследовать возможность применения различных вариантов в порядке возрастания их сложности. Критерием применимости той или иной схемы является величина скорости полного использования мощности силовой установки тепловоза. Если схема обеспечивает достижение тепловозом скорости , равной или большой заданной, то она может быть применена. В противном случае необходимо исследовать следующий по сложности вариант. Таким образом, задача сводиться в определении скорости .

Для начала рассчитаем постоянную схему соединений ТЭД с ослаблением поля:

Максимальную скорость полного использования мощности тепловоза в этом случаем, определим по формуле:

(8)


где  - коэффициент ослабления возбуждения;

К2г.дл – коэффициент регулирования генератора;

Кгоп – степень насыщения магнитной системы электродвигателей при

длительном режиме по сравнению с режимом ослабленного поля

при скорости .

Задаваясь коэффициентом ослабления  = 0,28 и выбирая две ступени ослабления, определяем коэффициент Кг.дл =1,4.

Степень насыщения определяем с помощью кривой намагничивания:

Кгоп = АС/АЕ=1,8.


Тогда подставляя численные данные в (8), получаем:



Так как скорость , то, следовательно, эта схема соединения ТЭД нам подходит. Значит, мы выбираем схему соединения ТЭД с ослабленным полем.


1.3 Определение основных расчетных параметров электрических машин


Максимальное напряжение тепловозного генератора принимаем следующим: Uг.max = 800 В.

Максимальному напряжению генератора соответствует минимальный ток генератора, при котором еще полностью используется мощность дизеля, определяется по формуле:


(9)


где Рг – мощность генератора при минимальном токе Iг.min:


Рг = Nдгг, (10)

Тогда

Рг = 26460,97 кВт.


Тогда минимальный ток генератора будет:



Напряжение и ток при длительном режиме работы тепловоза:


(11)


(12)


где Рг.дл = Nдг’г = 26460,95 = 2514 кВт.

Тогда подставляя численные данные в (11) и (12), получаем:




Максимальный пусковой ток принимают, исходя из перегрузочной способности электрических машин, равным


Iг.max = (1,3…1,5)Iг.дл. (13)


Тогда подставляя численные значения, получаем:



Iг.max = 1,44400 = 6160 А.


Минимальное напряжение генератора определяется по формуле:


(14)

где Р’’г – мощность генератора при максимальном токе:


Р’’г = Nдг’’г = 26460,94 = 2487 кВт.


Тогда подставляя численные значения, получаем:



Максимально допустимый ток по условию коммутации рассчитывается по следующей формуле:

Iг.ком  2Iг.дл = 24400 = 8800 А.


Так как у меня в курсовом проекте 8 параллельно соединенных ТЭД, то:


Uд = Uг; Iд = Iг/8.


Длительная мощность электродвигателя определятся по формуле:


Рд.дл = Uд.длIд.дл10 –3. (15)


Подставляя численные значения, получаем:


Рд.дл = 57155010 –3 = 314 кВт.




1.4 Определение основных размеров тягового электродвигателя


Основные размеры электрических машин можно определить из выражения:


(16)

где Dа – диаметр якоря;

а – длина сердечника якоря;

Рр – расчетная мощность;

 - расчетный коэффициент полюсного перекрытия, принимаем  = 0,6;

Кв – коэффициент формы паза;

Коб – обмоточный коэффициент обмотки статора;

А – линейная нагрузка якоря, принимаем А= 375 А/см;

В - магнитная индукция в воздушном зазоре, В = 0,98 Тл;

р – расчетная частота вращения.

Для тягового электродвигателя Рр = Рдл и р = д.дл , а частота вращения двигателя в свою очередь определяется по следующей формуле:


(17)


где а.max – максимально допустимая окружная скорость якоря, принимаем

а.max = 70 км/ч;

Dа – диаметр якоря двигателя, принимаем Dа = 0,56 м.

Подставляя это в выражение (16) и учитывая, что для машин постоянного тока КвКоб = 1, получаем:


(18)


Подставляя численные значения, получаем:



Выразим от сюда ℓа = 0,44 м.



1.5 Определение главных размеров синхронного генератора


Расчетная электромагнитная мощность определяется по следующей формуле:

(19)


где Ке – коэффициент зависящий от заданного cos  и от индуктивного

сопротивления рассеяния.

Подставляя выражение (19) в формулу (16) и учитывая, что г.р = г.max, получим:

(20)

При расчете принимаем  = 0,72; Кв = 1,11; Коб = 0,972; Вmax = 0,98 Тл; А = 600 А/см; cos = 1,06.

Тогда подставляя численные значения, получаем:



Принимаем, что диаметр якоря генератора равен: 1,2 м, тогда выразив из (20) получаем, что длина якоря равна: 0,53 м.






1.6 Определение параметров зубчатой передачи


На современных тепловозах в основном применяется индивидуальный привод колесных пар, при котором каждая движущая ось через зубчатый редуктор связана со своим отдельным ТЭД.

Так как конструкционная скорость тепловоза равна 115 км/ч, то принимаем опорно-рамную подвеску ТЭД.

Передаточное отношение зубчатой передачи определим по формуле:


(21)


где  - частота вращения оси колесной пары.

Подставляя численные значения, получаем:



Полученное передаточное отношение проверяем на возможность размещения зубчатой передачи.

Максимально возможное по условиям размещения передаточное отношение определяется по формуле:


(22)


Минимальное число зубьев малой шестерни определяется по формуле:


(23)


где dz.min – минимальный диаметр делительной окружности шестерни;

m – модуль зубчатой передачи.

Крутящий момент определяется по формуле:


(24)


где д.дл – частота вращения двигателя в длительном режиме, определяется

по следующей формуле:



Тогда подставляя численные значения, получаем:



По значению крутящего момента определяем: dz.min = 160 мм и m = 10.

Тогда подставляя численные значения в (23), получаем:



Максимально возможный диаметр делительной окружности зубчатого колеса определяется по формуле:


Dz.max = D – 2(b – b1), (25)


где b – расстояние между нижней точкой поверхности кожуха зубчатой

передачи и головки рельса, принимаем 150 мм;

b1 – минимальное расстояние между делительной окружностью зубчатого

колеса и нижней поверхностью кожуха, принимаем 17 мм.

Тогда подставляя численные значения, получаем:



Dz.max = 1,25 – 2(0,15 – 0,017) = 0,915 м.


Максимально возможное число зубьев большого колеса определяется по следующей формуле:


(26)

Подставляя численные значения, получаем:



Тогда подставляя численные данные в (22), получаем, что:



Так как  < max , то окончательно принимаем передаточное отношение зубчатой передачи  = 5,75, а Z = 100 и z = 17.

Централь передачи определяется по следующей формуле:


(27)


Подставляя численные значения, получаем:



1.7 Определение габаритных размеров


Длина тягового электродвигателя ограничивается расстоянием между внутренними гранями колесных пар, которое для железных дорог равно 1,44 м. Однако здесь же необходимо разместить зубчатую передачу, предусмотреть необходимые технологические зазоры.

Ширина (диаметр) остова ТЭД связана с диаметром якоря соотношением:


BD = KD Da, (28)


где КD – коэффициент пропорциональности, принимаем 1,5.

Тогда подставляя численные значения, получаем:


BD = 1,50,56 = 0,84 м.


Максимально возможная ширина (диаметр) остова ограничивается величиной централи передачи и необходимостью размещения полого вала колесной пары, т.е.:


(29)


где d0 – диаметр полого вала, принимаем 315 мм.

Тогда подставляя численные значения, получаем:



Высота остова обычно равна ширине и не должна быть больше:


HD max = D – 2(a’ - ), (30)


где а’ – расстояние от нижней части станины двигателя до головки рельс,

принимаем 155 мм;

 - превышение оси вала электродвигателя над осью колесной пары,

принимаем 30 мм.

Тогда подставляя численные значения, получаем:


HD max = 1250 – 2(155 – 30) = 1000 мм.


Максимально возможный диаметр якоря определяется по следующей формуле:

(31)


Подставляя численные значения, получаем:


Наружный диаметр станины (статора) генератора определяется по формуле:


Dст = КстDа, (32)


где Кст – коэффициент пропорциональности, принимаем 1,45.

Подставляя численные значения, получаем:


Dст = 1,451,2 = 1,74 м.




2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ ТЭД


2.1 Выбор типа обмотки

Тип обмотки якоря определяется в основном величиной тока в параллельной ветви:


ia = Iд.дл/(2а) <=250 A. (33)


где Iд.дл – ток тягового двигателя в продолжительном режиме, 550 А;

а – число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Для лучшей коммутационной стойкости ТЭД принимаем петлевую обмотку, тогда а = р = 2.

Тогда подставляя численные данные в (33), получаем:


ia = 550/(22) = 138 А < 250 A.


Число проводников обмотки определим по формуле:


Na = ADa/ia, (34)


где А – линейная нагрузка якоря в продолжительном режиме, 375 А/см;

Da – диаметр якоря, 53 см.

Тогда подставляя численные значения, получаем:


Nа = 3,1437456/138 = 477.


Окончательно количество проводников уточним после определения числа пазов и активных проводников в пазу.


2.2 Расчет числа пазов, параметров обмотки якоря


Определяем, в зависимости от диаметра якоря, число пазов: Zп = 62.

Зубцовое деление определим по формуле:

t1 = Da/Zп . (35)


Подставляя численные значения, получаем:


t1 = 3,140,56/62 = 28 мм.


Число активных проводников в пазу определим по следующей формуле:


NZ = Na/Zп. (36)


Подставляя численные данные, получаем:


NZ = 477/62 = 7,7.


Число активных проводников в пазу округляем до четного числа: 8.

Число коллекторных пластин на паз определим по формуле:


uк = NZ/2. (37)


Тогда подставляя численные значения, получаем:


uк = 8/2 = 4.


При выборе числа пазов по условиям нагревания обмотки необходимо, чтобы объем тока в пазу:


iaNZ <=1500…1800 A. (38)


Подставляя численные значения, получаем:


iaNZ = 1388 = 1014 А <1500…1800 А.


В соответствии с принятыми решениями уточненное число проводников обмотки и линейной нагрузки будут:


Na = NZZп (39)


(40)


Тогда подставляя численные значения, получаем:


Na = 882 = 496.



Так как полученное значение А практически не отличается (3,6%) от принятого при определении основных размеров ТЭД, то продолжаем дальнейший расчет.

Число коллекторных пластин определим по формуле:


(41)


где wс – число витков в секции, равно 1;

ZЭ – число элементарных пазов.

Тогда подставляя численные значения, получаем:



Проверим величину среднего межламельного напряжения:


(42)


Подставляя численные данные, получаем:



При этом необходимо обеспечить выполнения условий симметрии простой петлевой обмотки якоря:


К/а = ЦЧ = 248/2 = 124.


Zп/а = ЦЧ = 62/2 = 31.


2р/а = ЦЧ = 4/2 = 2.


где ЦЧ – целое число.

Коллекторное деление tк из условий конструктивной и технологической выполнимости коллектора будет:


tк >= 4…4,5 мм. (43)


при толщине изоляции между пластинами 0,8 – 1,5 мм. Выбираем tк = 4 мм.

Принятые величины К и tк позволяют определить диаметр коллектора, который определяется по формуле:


(44)


Подставляя численные значения, получаем:



Принимаем из ряда номинальных значений DК = 425 мм.

При этом максимальная окружная скорость коллектора должна удовлетворять условию:


(45)


где nд.max – максимальная частота вращения двигателя, которая определяется

по формуле:


(46)


где nд.дл – номинальная частота вращения двигателя в продолжительном

режиме, 650 об/мин;

max – конструкционная скорость тепловоза, 115 км/ч;

дл – скорость длительного режима, 30 км/ч.

Тогда подставляя численные значения, получаем:





Подставляя численные значения в формулу (45), получаем:



Кроме этого полученные значения Da и DК должны находиться в соотношении

DК = 0,75…0,85Da. (47)


Подставляя численные значения, получаем:


DК = 0,76560 = 425 мм.


Полученные значения tК и DК окончательно уточним в процессе дальнейшего расчета.

Предварительно глубину паза определим по следующей формуле:


hz = 0,08…0,12, (48)


где  - полюсное деление, которое определяется по формуле:


(49)


Подставляя численные значения, получаем:




Тогда подставляя численные значения в формулу (48), получаем:


hz = 0,1440 = 44 мм.


Ширину паза определим по следующей формуле:


bп = 0,35…0,45t1. (50)


Подставляя численные значения, получаем:


bп = 0,428 = 11,2 мм.


Из опыта проектирования ТЭД: hz/bп = 2,5…6 = 44/11,2 = 4.

Окончательно размеры паза определим после определения размеров меди проводников обмотки, их количеством в пазу и толщиной изоляции.

Площадь сечения меди проводника обмотки определим по следующей формуле:


(51)


где ja – плотность тока в обмотки якоря, определяется по формуле:


(52)


где Aja – фактор нагрева, при классе изоляции F Aja = 3000 А2/(сммм2).

Подставляя численные данные, получаем:



Тогда подставляя численные значения в (51), получаем:



Для ограничения величины добавочных потерь высота каждого проводника в зависимости от частоты перемагничивания сердечника якоря fп = pnд.дл/60 = 2650/60 = 21,6 Гц должна быть не более указанного в таблице 1.1 hм = 10,5 мм.

По полученному значению Sa намечаем размеры проводника по ГОСТ 434-78 по приложению 2 : b = 10 мм, а = 2,24 мм и Sa = 22,04 мм2.

Выбираем горизонтальное расположение проводников в пазу.

Расчет размеров паза удобно представить в виде таблицы 1.


Таблица 1 – Расчет размеров паза



Наименование


Материал


Размер, мм


Число слоев

Общий

размер, мм

Проводник

Медь ПММ

10х2,24

1/8

10/17,92

Витковая изоляция

Провод ПЭТВЛСД

0,16/0,16

2/16

0,32/2,56

Корпусная изоляция

Стеклослюдинитовая лента

0,08/0,08

16/32

1,28/2,56

Покровная изоляция

Стеклолента

0,1/0,1

2/4

0,2/0,4

Прокладки на дно, между катушками и под клин

Стеклотекстолит

-/0,35

-/4

-/1,4

Клин

Стеклотекстолит

-/5

-/1

-/5

Зазор на укладку

-

0,25/0,20

-

0,25/0,20

Расшихтовка

-

0,15/-

-

0,15/-

И т о г о

bп/hz = 12,2/30,04


Удельная магнитная проводимость паза определим по формуле:


(53)


где ℓS – длина лобовых частей обмотки якоря, определяется по формуле:


S = 1,2…1,3. (54)


Подставляя численные значения, получаем:


S = 1,244 = 52,8 см.


Тогда подставляя численные значения в (53) , получаем:




Средняя величина реактивной ЭДС за период коммутации будет:


(55)


Подставляя численные значения, получаем:





Шаг по коллектору, равный результирующему шагу по элементарным пазам Zэ = К, определяется так:


Для улучшения коммутации и уменьшения расхода меди обмотки якоря ТЭД выполняют укороченными.

Шаг по реальным пазам


(56)


где п – пазовое укорочение шага.

Подставляя численные значения, получаем:



Первый частичный шаг по элементарным пазам


(57)


Подставляя численные значения, получаем:



Второй частичный шаг по элементарным пазам


(58)

Подставляя численные значения, получаем:



Сопротивление обмотки якоря при 20 С


(59)


где  – удельное электрическое сопротивление меди при 20 С,

 = 0,0175 Оммм2/м;

la – суммарная длина проводников одной параллельной ветви обмотки,

которая определяется по формуле:


(60)


где ℓп – полная длина одного проводника обмотки, которая определяется по

формуле:


(61)

Таким образом,



Тогда подставляя численные значения в (60) и (59) , получаем:





Шаг уравнительных соединений в коллекторных делениях:


укр = К/р = 248/2 = 124.


Площадь сечения уравнителя определим по следующей формуле:


Sу = 0,3…0,35Sа. (62)


Подставляя численные значения, получаем:


Sу = 0,322,04 = 6,61 мм2.


Толщину проводника уравнителя принимаем равной толщине проводника обмотки якоря, что упрощает соединение уравнителя с коллектором.




2.1 Расчет коллекторно-щеточного узла

Число щёткодержателей обычно равно числу главных полюсов.

Контактная площадь щёток одного щёткодержателя


(63)


где jщ – допускаемая плотность тока под щёткой, А/см2.

В зависимости от типа и характеристик щёток


jщ = 9  18 А/см2. (64)


По рекомендациям , выбираем щётку марки ЭГ74АФ. Допускаемое давление на щётку 15  21 кПа, падение напряжения 2,3 В, jщ = 15 А/см2. Тогда



Наиболее важно правильно выбрать ширину щётки, которая влияет на ширину зоны коммутации, а последняя на степень использования активного слоя машины.

Из практики электромашиностроения установлено, что приемлемая величина щёточного перекрытия


(65)

где bщ – ширина щётки, мм.

Отсюда


bщ = tк. (66)


Обычно для тяговых двигателей


 = 2,5  6. (67)

Принимаем  = 4, тогда


bщ = 44 = 16 мм.


Принимаем bщ = 16 мм.


Ширину зоны коммутации определяют по известной формуле


(68)


где к – укорочение обмотки в коллекторных делениях;

tк – коллекторное деление, пересчитанное на окружность якоря, мм,


(69)


(70)


Подставляя численные значения, получаем:





Тогда подставляя численные значения в (68), получаем:




Максимально допустимая ширина щётки


(71)



Выполняем щётку разрезной; принимаем стандартную ширину щётки по ГОСТ 12232-89; bщ = 225 мм.

Общая длина щёток одного щёткодержателя


(72)



Для уменьшения инерционности щёток, их чувствительности к вибрациям и геометрии коллектора щётки следует принимать меньшей длины и массы, поэтому их делят по длине на Nщ щёток. Принимаем Nщ = 2.

Намечаемая длина щётки


(73)



По ГОСТ 12232-89 принимаем ℓщ = 60 мм.

Плотность тока в щётке


(74)

Подставляя численные значения, получаем:




Полученная величина плотности тока в щётке входит в заданный диапазон для выбранной марки щётки, т. е. выбранная марка щётки удовлетворяет условию по коммутации.

Рабочая длина коллектора


(75)


где ℓ1 – толщина перемычки щёткодержателя между “окнами” щёток, ℓ1 = 4 мм;

rкр – радиус закругления краёв рабочей поверхности коллектора, rкр = 2 мм;

2 – допуск на осевое перемещение якоря, ℓ2 = 2 мм;

Подставляя численные значения, получаем:



Достаточность рабочей длины коллектора для его охлаждения оценивается по эмпирической формуле без учёта механических потерь


(76)

Подставляя численные значения, получаем:


Остальные размеры коллектора: ширину канавки у петушков для выхода шлифовального круга и фрезы для продорожки ℓкн и ширину петушков коллектора ℓпт принимают по опыту проектирования ТЭД: ℓкн = 10 мм; ℓпт = 20 мм.

Тогда общая длина коллекторных пластин


Lко = Lк + ℓкн + ℓпт , (77)

Подставляя численные значения, получаем:



Lко = 156 +10 + 20 = 186 мм.



2.4 Разборка эскиза магнитной цепи


Основной магнитный поток, с целью проверки правильности расчёта, определяем по двум формулам:


Фд дл = Bℓа10-4; (78)


(79)


Обычно Ед дл = (0,95  0,96)Uд дл.

Подставляя численные значения, получаем:




Сердечник якоря.

Принимаем восьмигранную форму остова, 2р = 4.

Эффективная высота сечения сердечника (ярма) якоря


(80)


где Кс – коэффициент заполнения сердечника сталью, учитывающий изоляцию

между листами сердечника якоря; Кс = 0,97;

Ва – индукция в сердечнике якоря, Ва = 1,5Тл.

Подставляя численные значения, получаем:




Так как в сердечнике якоря имеются вентиляционные каналы, поэтому конструктивная высота сердечника якоря будет больше в радиальном направлении на величину, определяемую по эмпирической формуле:


(81)


где dк – диаметр вентиляционных каналов, dк = 3 см;

mк – число рядов каналов; mк = 3.

Подставляя численные значения, получаем:



Каналы размещают в шахматном порядке с шагом внешнего ряда 9 см.

Внутренний диаметр сердечника якоря


(82)

Подставляя численные значения, получаем:



Так как Dа = 56 см, то, руководствуясь рекомендациями , втулку якоря не применяем.


Воздушный зазор под главными полюсами машины.

Этот размер оказывает большое влияние на эксплуатационные характеристики двигателя.

Воздушный зазор под серединой полюса


0 = (0,012  0,015)Da; (83)


Подставляя численные значения, получаем:

0 = 0,012560 = 8,4 мм.


При эксцентричном воздушном зазоре эквивалентный зазор э связан с зазорами под серединой полюса 0 и под краем кр зависимостью:


(84)


Задаёмся отношением откуда


кр = 28,4 = 16,8 мм,


Тогда подставляя численные значения, получаем:




Сердечник главного полюса.

Считаем, что действительная полюсная дуга bp равна расчётной b. Следовательно

bp = , (85)

Подставляя численные значения, получаем:



bp = 0,6244 = 27,3 мм.


Площадь сечения сердечника полюса


(86)


где Вт – индукция в сердечнике полюса, Вт = 1,7 Тл;

 – коэффициент рассеивания поля главных полюсов,  = 1,1.

Подставляя численные значения, получаем:



Ширина сердечника полюса


(87)


где Кс – коэффициент заполнения сердечника полюса сталью, Кс = 0,97;

Подставляя численные значения, получаем:



Для того, чтобы катушка главного полюса не касалась сердечника якоря, принимаем высоту выступа  = 0,5 см.

Индукция в роге сердечника должна быть


Врог  2  2,2 Тл. (88)


(89)


где bc, ab – отрезки;;

Подставляя численные значения, получаем:


Ширина опорной полочки для катушки


bоп = (0,15  0,2)bт, (90)

Подставляя численные значения, получаем:


bоп = 0,218,3 = 3,7 см.


Высота сердечника полюса


hт = (0,2  0,25), (91)

Подставляя численные значения, получаем:



hт = 0,244 = 8,8 см.


Станина (остов) двигателя.

Принимаем восьмигранную форму остова. Наибольшая ширина остова


Вд max  2Ц - dо + 2tст – 1, (92)


где tст – подрез остова в месте расположения МОП, tст = 2,5 см;

Подставляя численные значения, получаем:


Вд max = 259 – 23,5 + 22,5 – 1 = 98,5 см.


Длина утолщённой части остова принимается наименьшей из значений


ст = ℓа +0,8, (93)


ст = 2,3ℓа, (94)

Подставляя численные значения, получаем:


ст = 44 + 0,844 = 79,2 см,


ст = 2,344 = 101,2 см.


Принимаем ℓст = 79,2 см.

Площадь поперечного сечения станины


(95)


где Вст – индукция в станине, Вст = 1,55 Тл;

Подставляя численные значения, получаем:



Толщину станины в месте расположения главных полюсов hст делают больше, чем под добавочными – hст, так как по остову у главных полюсов замыкается не только основной поток, но и поток рассеяния.

Таким образом


(96)

Подставляя численные значения, получаем:



(97)

Подставляя численные значения, получаем:



Проверяем размер Вд.


Вд = Da + 2(010-1 + hт + hст), (98)

Подставляя численные значения, получаем:


Вд = 56 + 2(0,84 + 8,8 + 6) = 87,3 см.


Затылок сердечника полюса, стыкующийся с остовом, очерчивают радиусом, равным


(99)


Высоту приливов остова hт, растачиваемых под сердечником главных полюсов, принимаем равной 1 см. На внутренних гранях остова, расположенных под углом 45 к горизонтальной оси машины, размещаются добавочные полюса.




Ширина площадки для установки добавочных полюсов


С = (0,14  0,15)Вд, (100)

Подставляя численные значения, получаем:


С = 0,1487,3 = 13 см.


Таким образом, определены все размеры полюсного окна.


2.5 Расчёт магнитных напряжений участков магнитной цепи


Воздушный зазор. Выбору размеров и формы воздушного зазора под главным полюсом придаётся при проектировании особое значение. От правильности этого выбора зависят потенциальная и коммутационная устойчивость двигателя, вероятность возникновения кругового огня на коллекторе, электромеханические характеристики, габариты, масса ТЭД и др.

Повышенная потенциальная напряжённость, т. е. наличие больших межламельных напряжений, – одна из причин возникновения круговых огней на коллекторе. Величина допустимого максимального напряжения (при толщине изоляции между пластинами из = (0,8  1,2) мм)


ек max  (35  40)В , (101)


Задаёмся ек max = 35 В. Потенциальную устойчивость ТЭД следует обеспечить при самом тяжёлом режиме работы, соответствующем конструкционной скорости Vmax, максимальному напряжению на двигателе Uд max и минимальному коэффициенту ослабления возбуждения min. При этом режиме искажающее действие поперечной реакции якоря на распределение индукции под главными полюсами максимально. Снизить неравномерность этого распределения можно путём увеличения воздушного зазора, однако при этом для сохранения требуемого магнитного потока возрастает МДС обмотки главных полюсов. Более рациональное решение – это выполнить воздушный зазор, расходящимся от центра полюсного наконечника к его краю. Тем самым увеличивается магнитное сопротивление по мере приближения к краю полюсного наконечника.

Так как поперечная реакция якоря нарастает от середины полюса к его краям, то увеличение зазора, а следовательно, и магнитного сопротивления по мере приближения к краю полюса, будет ослаблять искажающее действие реакции якоря.

Из технологических соображений чаще используют эксцентричный зазор, при котором радиус расточки наконечников полюсов выбирают больше радиуса якоря.

Такой зазор характеризуется соотношением размеров зазора у края полюса кр и под его серединой 0.

Максимально допустимый коэффициент искажения поля


(102)

Подставляя численные значения, получаем:



По графику 2.6, находим значение коэффициента устойчивости поля Ку = 0,7.

Определяем МДС в воздушном зазоре


(103)


где Кv – коэффициент регулирования скорости тепловоза при полном использова-

ния мощности тепловоза;



(104)

Подставляя численные значения, получаем:



Тогда



Определяем эквивалентный воздушный зазор с учётом коэффициента воздушного зазора Кэ , учитывающего зубчатое строение якоря:


(105)

Подставляя численные значения, получаем:



Находим действительный эквивалентный воздушный зазор э, учитывая, что он связан с полученным расчётным значением э соотношением


э = Кээ, (106)


где Кэ – коэффициент воздушного зазора;


(107)


где


bz1 = t1 + bп , (108)

Подставляя численные значения, получаем:


bz1 = 28 –12,2 = 15,8 мм,



Подставив выражение (107) в (106), получим


(109)


Отсюда приходим к квадратному уравнению относительно э:


(110)


корни которого равны


(111)

Подставляя численные значения, получаем:



Определяем зазор под центром сердечника


(112)


Коэффициент Кэ определяем по графику 2.5 в функции кр / 0 , Кэ = 1,52.


Определяем зазор под краем сердечника полюса


(113)

Подставляя численные значения, получаем:



Площадь воздушного зазора


(114)

Подставляя численные значения, получаем:



Зубцовая зона. Расчёт выполняем по магнитной индукции, определяемой в расчётном сечении зубца, отстоящем от его основания на 1/3 высоты:


(115)


где bZ 1/3 – ширина зубца на высоте 1/3 от его основания, которая определяется

по формуле:


(116)

Подставляя численные значения, получаем:



Подставляя численные значения в (115), получаем:



Так как = 2 Тл > 1,8 Тл, то считается, что магнитный поток проходит как по зубцам, так и частично по пазам. Полученная в этом случае индукция является кажущейся, а действительное ее значение определяется с учетом ответвления магнитного потока в паз. Величина этого ответвления зависит от насыщения зубцового слоя и от соотношения размеров по ширине зубца и паза, что определяется коэффициентом формы зубца якоря:


(117)


Подставляя численные значения, получаем:



Тогда действительная индукция в зубце будет:


(118)

где 0 – магнитная постоянная, 0 = 1,25 Гн/см.

определяют по полученному ранее значению индукции по кривой намагничивания для выбранной марки электротехнической стали, которая представлена в табличной форме в приложении 4, , = 400 А/см.

Тогда


Находим магнитное напряжение в зубце


(119)

Подставляя численные значения, получаем:



Площадь сечения зубцового слоя


(120)


Подставляя численные значения, получаем:



Сердечник якоря. Для принятого ранее значения индукции в сердечнике якоря Ва по кривым намагничивания, приведенным в приложении 4, , находим напряжённость магнитного поля На.

Магнитное напряжение в сердечнике якоря


Fa = HaLa, (121)


где La – длина средней силовой линии в сердечнике якоря, определяется по

формуле:


(122)


Подставляя численные значения, получаем:




По приложению 4, , для стали 1312 находим На = 14 А/см. Тогда


Fa = 1419,6 = 274,4 А.


Сердечник главного полюса обычно изготавливают наборным из штампованных листов малоуглеродистой стали Ст2.

Для принятого ранее значения индукции в сердечнике полюса по кривым намагничивания (приложение 4 ) находим напряженность магнитного поля Нт = 70,5 А/см.

Магнитное напряжение в сердечнике полюса определяется по формуле:


Fт = Нтhт, (123)


где hт – предварительно принятая ранее высота полюса, 8,8 см.

Тогда подставляя численные значения, получаем:


Fт = 70,58,8 = 620,4 А.


Станина двигателя обычно выполняют литым из стали 25 Л.

Для принятого ранее значения индукции в станине Вст по кривым намагничивания (приложение 4 ) находим напряженность магнитного поля Нст = 39 А/см.

Магнитное напряжение в сердечнике полюса определим по следующей формуле:

Fст = НстLст, (124)


где Lст – длина средней силовой магнитной линии в станине, определяется

по формуле:


Lст = 0,65…0,75. (125)

Подставляя численные значения, получаем:


Lст = 0,744 = 30,8 см.


Тогда подставляя численные значения в (124), получаем:


Fст = 3930,8 = 1201,2 А.


Общая МДС магнитной цепи определяется по формуле:


Fо.дл. = F + Fz + Fa + Fт + Fст. (126)


Подставляя численные значения, получаем:


Fо.дл. = 1216+274,4+620,4+1201,2+7258 = 10600 А.


В правильно рассчитанном двигателе коэффициент насыщения в продолжительном режиме должен быть:


кн = Fо.дл. /F = 1,5…2,0. (127)


Подставляя численные значения, получаем:


кн = 10600/7258 = 1,5.


Расчет размагничивающего действия реакции якоря производим по методу А.Б.Иоффе.

Для компенсации размагничивающего действия реакции якоря соответствующая МДС определяется по формуле:


рFря, (128)


где кр – коэффициент размагничивания, кр = 0,15;

Fря – реакция якоря, определяется по следующей формуле:


(129)


Подставляя численные значения, получаем:



Тогда подставляя численные данные в (128), получаем:



Результаты расчета магнитной цепи для продолжительного режима целесообразно свести в таблицу 2.







Таблица 2 – Расчет магнитной цепи для продолжительного режима


Участок магнитной цепи

Длина

участка,

см

Площадь сечения,

м2

Индукция,

Тл

Напря-женность, А/см

МДС

участка,

А

Воздушный зазор


0,84


0,12


0,99


8641


7258

Зубцовая зона


30,04


0,06


1,96


400


1216

Сердечник якоря


19,6


0,197


1,5


14


274,4

Сердечник полюса


8,8


0,078


1,7


70,5


620,4

Станина

30,8

4,26

1,55

39

1201,2

МДС при холостом ходе

10600

Размагничивающая сила реакции якоря

1284

МДС при нагрузке

11884



2.6 Расчет главных полюсов, коммутации и добавочных полюсов


Требуемое число витков катушки главных полюсов определим по формуле:

Wв = Fвдл. /Iвдл. (130)


Подставляя численные значения, получаем:


Wв = 11884/550 = 22.


Поперечное сечение меди катушки определим по следующей формуле:


Sв = Iв.дл./jв, (131)


где jв – плотность тока в проводниках обмотки, принимаем 6 А/мм2.

Тогда подставляя численные значения, получаем:


Sв = 550/6 = 92 мм2.


Средняя величина реактивной ЭДС за цикл коммутации в продолжительном режиме определяется по формуле:


er.ср. = 2WcAℓaа.дл.п10-6. (132)


Подставляя численные значения, получаем:


er.ср. = 2138944182,6810-6 = 1,65 В < 6 В.


Длину сердечника добавочного полюса принимаем равной длине сердечника якоря, ℓа = ℓт.д. = 44 см.

Коммутирующая ЭДС как ЭДС вращения определяется по формуле:


ек = 2WcВкaа.дл.10-2, (133)


где Вк – индукция в зоне коммутации.

Исходя из условия, что ек = еr.ср., определяем Вк:


(134)


Подставляя численные значения, получаем:




Магнитный поток в зоне коммутации определим по формуле:


Фк = Вкℓаbд10-4, (135)


где bд – расчетная дуга наконечника добавочного полюса, определяется

по формуле:


bд = bд + 2…3д, (136)


bд – ширина наконечника добавочного полюса, принимаем


bд = 1,1…1,5t1 = 1,32,8 = 3,64 см.


д – воздушный зазор под добавочным полюсом со стороны якоря,


д = о +1…3 мм = 7 + 2 = 9 мм.


Подставляя численные значения в (136), получаем:


bд = 3,64 + 2,59 = 5,89 см.


Тогда магнитный поток в зоне коммутации будет:


Фк = 0,104445,8910-4 = 0,0027 Вб.


Магнитный поток в сердечнике полюса определим по формуле:


Фтд = Фк + Фд, (137)


где Фд – магнитный поток рассеяния добавочного полюса.

Коммутирующий магнитный поток Фк значительно меньше магнитного потока в сердечнике полюса


Фтд = дФк, (138)


где д – коэффициент рассеяния добавочного полюса, принимаем д = 3.

Подставляя численные значения, получаем:


Фтд = 30,027 = 0,081 Вб.


Тогда из выражения (137) выразим магнитный поток рассеяния добавочного полюса Фд:


Фд = Фтд – Фк = 0,081 – 0,027 = 0,054 Вб.


Индукцию в сердечнике полюса при номинальном токе продолжительного режима принимаем Втд = 0,6 Тл.

Ширина сердечника добавочного полюса будет:


(139)


Подставляя численные значения, получаем:



Для снижения вероятности возникновения кругового огня на коллекторе при резких бросках тока у добавочных полюсов предусматривают второй воздушный зазор со стороны, выполненный с помощью немагнитных прокладок. Величина этого зазора принимаем д’ = 0,3…0,5д = 0,49 = 3,6 мм.

МДС на один полюс определим по следующей формуле:


(140)



Тогда подставляя численные значения, получаем:



Число витков катушки добавочного полюса определим по формуле:


(141)


Подставляя численные значения, получаем:



Степень компенсации поля реакции якоря будет:


(142)


Подставляя численные значения, получаем:



Площадь сечения проводника катушки добавочного полюса определим по следующей формуле:


(143)


где jд – допустимая плотность тока, принимаем jд = 5 А/мм2.

Подставляя численные значения, получаем:






2.7 Определение коэффициента полезного действия при

длительном режиме


Коэффициент полезного действия тягового двигателя в длительном режиме определяется по следующей формуле:


(144)


где Рд – сумма потерь в двигателе.

Потери в меди обмоток якоря, главных и добавочных полюсов определяют при температуре обмоток tг=115С по следующей формуле:


(145)


где rat, rгпt, rдпt – соответственно сопротивления обмоток якоря, главных и

добавочных полюсов при tг=115С, которые рассчитываются

по следующей формуле:


(146)


где rit – сопротивление i-той обмотки при температуре tг=115С;

rix – сопротивление i-той обмотки при температуре tг= 20С, берем по

двигателю-аналогу rаt = 0,013 Ом, rгпt = 0,0105 Ом, rдпt = 0,00821 Ом;

о – температурный коэффициент меди при 0С, принимаем о = 1/235.

Подставляя численные значения, получаем:





Тогда подставляя численные данные в (145), получаем:



Магнитные потери при холостом ходе (потери в стали).

Основные потери в стали, состоят из потерь на гистерезис и вихревые токи, которые определяются по следующей формуле:


(147)


где кх – коэффициент потерь в стали, зависящий от ее марки, принимаем 2,3;

pZ, pa – соответственно удельные потери в зубцах и сердечнике якоря,

определяются по следующим формулам:

(148)


(149)


Подставляя численные значения, получаем:




mZ, mа – соответственно масса стали зубцов и сердечника якоря, определяются

по следующим формулам:


(150)



(151)


где с – плотность стали, принимаем  = 7,85 г/см3;

bZ ½ - ширина зубца на высоте ½ от основания, определяется по формуле:



Подставляя численные значения, получаем:



Тогда подставляя численные значения в (150) и (151), получаем:




Таким образом, магнитные потери в стали будут:



Добавочные потери при нагрузке включают в себя: потери в меди и потери в стали, вызванные искажением магнитного поля реакцией якоря.

Добавочные потери при нагрузке определим по следующей формуле:


Рдоб = кдобРст, (152)


где кдоб – коэффициент добавочных потерь, принимаем по таблице 3.1 в

зависимости от тока двигателя по отношению к номинальному

значению. Так как Iд /Iд.дл = 1, то кдоб = 0,3.

Подставляя численные значения, получаем:


Рдоб = 0,3641 = 192,3 Вт.


Потери в переходных контактах щеток определим по следующей формуле:

Рщ = UIд,


где Uщ – падение напряжения в переходных контактах щеток, принимаем в

зависимости от марки щеток. Для щетки ЭГ74АФ: Uщ = 2,3 В.

Подставляя численные значения, получаем:


Рщ = 2,3550 = 1265 Вт.


Механические потери:

1)потери в подшипниках и на трение якоря о воздух определяется по следующей формуле:

(153)


Подставляя численные значения, получаем:



2)потери на трение щеток с коллектором определяется по формуле:


Рк = 100SщFщfтркщ, (154)


где Sщ – общая площадь прилегания щеток к коллектору;

Fщ – удельное давление на щетки, принимаем Fщ = 0,035 МПа;

fтр – коэффициент трения щеток по коллектору, принимаем fтр = 0,15;

к – окружная скорость коллектора.

Подставляя численные значения, получаем:


Рк = 10018,30,0351060,15534 = 2037 Вт.


Сумма потерь в двигателе будет:


Рд = Рм + Рст + Рдоб + Рщ + Ртр + Рк. (155)

Подставляя численные значения, получаем:


Рд = 12917+641+192,3+1265+0,63+2037 = 17053 Вт.


Тогда коэффициент полезного действия тягового двигателя будет:










3 РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ,

СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА И ТЕПЛОВОЗА


3.1 Внешняя характеристика генератора


Внешняя характеристика генератора Uг = f(Iг) имеет вид гиперболы и строиться по трем точкам с координатами:


Iг.min, Uг.max; Iг.дл, Uг.дл; Iг.max, Uг.min.


Справа и сверху она ограничивается отрезками, соответствующими ограничениями по максимальному току и напряжению генератора.


3.2 Характеристика намагничивания ТЭД


Выполнение расчета магнитной цепи позволило определить значение МДС, необходимой для создания магнитного потока продолжительного режима.

Задаваясь и другими значениями магнитного потока (0,4Фд.дл; 0,6Фд.дл; 0,8Фд.дл; 1,15Фд.дл), определим МДС главных полюсов Fоi , необходимые для проведения указанных потоков по магнитной цепи двигателя.

Расчет сводим в таблицу 3

















Таблица 3 – Расчет характеристики намагничивания


Участок магнитной цепи

Размер участка

Фд = 0,4Фддл,Вб

Фд = 0,6Фддл,Вб

Фд = 0,8Фддл,Вб

Фд = 1,15Фддл,Вб

поперечное сечение, см2

длина, см


В,

Тл


Н,

А/см


F,

А


В,

Тл


Н,

А/см


F,

А


В,

Тл


Н,

А/см


F,

А


В,

Тл


Н,

А/см


F,

А

Воздушный

зазор


0,12


0,84


0,396


3456


2903


0,594


5064


4355


0,792


6751


5806


1,14


9706


8347

Зубцовая

зона


0,06


3,004


0,784


50


150


1,176


110


330


1,57


280


841


2,25


570


1712

Сердечник якоря


0,197


19,6


0,6


3,9


76


0,9


9,8


114


1,2


7,7


151


1,725


58


1137

Сердечник полюса


0,078


8,8


0,68


3,4


30


1,02


5,95


52


1,36


13


114


1,96


245


2156

Станина


4,26


30,8


0,62


2,2


68


0,93


4,5


139


1,24


11,8


163


1,78


110


3388

Суммарная намагничивающая сила F0i


3227


4990


7275


16740












Рисунок 3 – Внешняя характеристика генератора







Рисунок 4 – Характеристика намагничивания тягового электродвигателя





3.3 Электромеханические характеристики ТЭД


Построение электромеханических характеристик производится с использованием универсальной характеристикой намагничивания.

Построим в абсолютных единицах по нескольким точкам скоростную и моментную характеристики, как для полного поля, так и для ослабленного поля:

Вначале при постоянном напряжении на зажимах ТЭД, а затем – при напряжении, изменяющемся в соответствии с внешней характеристикой генератора.

Расчет производим по методике, указанной в и данные расчета сведем в таблицу 4.


3.4 Разгонные характеристики ТЭД


Для построения разгонных характеристик рассчитаем скорости переходов с ПП на ОП1, с ОП1 на ОП2. А также значение токов и напряжений при переходе.

Скорость на ободе колеса определяется по формуле:


(156)


Подставляя численные значения, получаем:



Скорость перехода ПП на ОП1 определяется по эмпирической формуле:


1 = 0,71длКг1,5. (157)


Подставляя численные значения, получаем:


1 = 0,71301,41,5 = 35 км/ч.


Скорость перехода ОП1 на ОП2 определяется также по эмпирической формуле:

(158)


Подставляя численные значения, получаем:



Значения токов и напряжений при полном и ослабленном полем определим по следующим эмпирическим формулам:

  • полное поле

и (159)

  • ослабленное поле 1


и (160)


  • ослабленное поле 2

(161)


где  - текущая скорость, при расчете разгонных характеристик она задается

в интервале от 0 до к


3.5 Тяговая характеристика тепловоза


Тяговую характеристику тепловоза строим по данным таблицы 4. Для выбранных режимов ТЭД (ПП, ОП1, ОП2) берем из таблицы соответствующие определенным токам значения силы тяги, умножаем на число ТЭД, и скорости и отлаживаем их в координатах , Fк.

В результате для каждого из режимов работы получаем свою кривую Fк = ().

Тяговая характеристика ограничивается справа максимальной скоростью, а сверху – силой тяги по сцеплению. Кривая силы тяги по сцеплению строится в соответствии с формулой:


(162)


где

(163)


Задаваясь различными значениями , находим по формуле (163) – к и затем по формуле (162) – Fк.сц.

На тяговой характеристики наносим ограничения силы тяги по длительному току и максимальному току.

Построим также характеристику мощности тепловоза для каждого из режимов работы по формуле:


(164)



4 РАСЧЕТ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТЯГОВЫХ

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ И СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА


Технико-экономические показатели позволяют делать укрепленную оценку расхода активных материалов на электрическую машину данного типа.

Масса тягового электродвигателя и синхронного генератора определяется по следующей формуле:


(165)


где Кm – коэффициент пропорциональности, принимаем для ТЭД Кm = 10,

для СГ Кm = 7.

Подставляя численные данные, получаем




Удельная масса проектируемых машин определяется по следующим формулам:

(166)


(167)


Подставляя численные значения, получаем:







































Случайные файлы

Файл
185005.doc
там.doc
204.rtf
27089-1.rtf
29106.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.