Тяговые электрические машины

 

7. Выбор оптимальой геометрии зубцового слоя

Опртимальная геометри определяется исходя из следующих условий:

1. Длинна шихтованного пакета якоря не должна быть по возможности минимальной, и должна вписываться в габарит подвижного состава lр£43 см
2. Средняя реактивная Э.Д.С. коммутируемой секции в номинальом режиме не должна превышать  Ер£3¸3.5 В.
3. Не должна нарушаться механическая прочность зуба у основания т.е.

Для реального расчета  выбираем 2 вариант.

Определяем среднюю  величину реактивной э.д.с. коммутируемой секциипо формуле 7.1.

  (7.1.)

где ls=(1.12¸1.25)t=1.12×43.98=49,235см. – длинна лобовых частей обмотки;

Составим эскиз магнитной  цепи (рис.7.2.), для чего определим  основные размеры:

Активная высота ярма якоря:

         (7.2.)

где 0.94 – коэффициент  заполнения сердечника сталью;

     Вя=11000 - индукция  в сердечнике якоря определяется  из рис.11. /1/.

 см.

Действительная высота ярма отличается от активной, за счет вентиляционных каналов:

 см.    (7.3.)

где 0.65 – коэффициент, учитывающий шахматное расположение каналов в сердечнике;

      dв=2 – размер вентиляционных отверстий;

      mв=2 – число рядов каналов;

Диаметр отверстий под  втулку вала в сердечнике якоря:

 см.    (7.4.)

Ширина сердечника главного полюса

см.     (7.5.)

где 0.97 – коэффициент  заполнения сечения сердечника сталью;

     Bm=15000 – индукция в сердечнике полюса;

     lm»lя – длинна сердечника в осевом направлении

     s=1.2 - коэффициент магнитного рассеяния;

Ширина (и высота) внешнего очертания восьмигранной станины  машины:

мм. (7.6.)

где d0=210 мм. – диметр оси  колесной пары;

      ¦=15¸25 – величина подреза в месте расположения моторно-осевых подшипников.

Размер В должен удовлетворять  следующему условию 

           (7.7.)

где d=10¸15 – разница осей 12Д и КП;

      с³150 мм – расстояние до головки рельса;

 

Для определения внутренней полости остова находим сечение ярма:

 см.      (7.8.)

где В₀=13000 Гс.

Ширину сечения ярма определяем наименьшей величиной из выражения:

      (7.9.)

Толщина остова у главных  полюсов:

 см                (7.10.)

Толщина остова у дополнительных полюсов:

 см               (7.11.)

Длина магнитной линии  по остову двигателя вычисляется  по формуле 7.10.

 см.            (7.12.)

 

Эскиз магнитной цепи представлен на рис.7.2.

 

8. Определение намагничивающей силы главных полюсов и числа их витков

При холостом ходе, при  отсутствии размагничивания полем  якоря, сумма падения напряжения. Отнесенная к одному полюсу, равна

 (8.1.)

где  - удельное падение магнитного напряжения на магнитной    цепи, А/см.

       Fд – падение магнитного напряжения в воздушном зазоре, А, (8.2.)

       Вm – магнитная индукция в месте стыка середчника полюса и остова, Гс.

       Величина 0.008×Вm =0.008×15000=120 А.

         (8.2.)

где Вd - индукция в воздушном зазоре (8.3.)

dр – расчетный зазор вычисляется по формуле 8.4.

 Гс.      (8.3.)

 

Рис.8.1. Эскиз  магнитной цепи

 

 

                     (8.4.)

где kd - коэффициент воздушного зазора, учитывающий падение напряжения из-за зубчатой формы сердечника якоря и полюсного наконечника, вызывающей неравномерное распределение индукции в воздушном зазоре, (8.5.)

         (8.5.)

где tko»5 см. и t1=3.25 – зубцовые деления якоря и компенсационной обмотки, см.

      zko»2.6 см. и z1= t1-bn=3.25-1.134=2.116 см. – ширины зубцов якоря и компенсационной обмотки по окружности якоря, см.

h²m=5 см., hzko=1.6 см.

 

Раcчет по формуле 8.1. сводим в таблицу 8.1.

 

 

 

 

                                                                                                          Таблица8.1

Расчетные данные

N участка	Наименование участка	Длина l, см.	Индукция В, Гс	Напряженность Н, А/см	Магнитная напряженность F,А.
1	Зубцовый слой	hz=3,9	21500	620	2418
2	Спинка якоря	hя=21,61	11000	7,2	155,59
3	Сердечник полюса	H¢m=1,0	14000	14,9	14,9
4	Полюсный наконечник	h²m=5	14000	14,9	74,5
5	Зубцовый слой компенсационной обмотки	hzko=1.6	16000	40	64
6	Ярмо остова	L0=34,26	13000	14,2	486,46
7	Воздушный зазор	d=0.65	14275	-	7422,92
8	Н.с. при холостом ходе	-	-	-

По полученному значению определим коэффициент насыщения

       (8.6.)

Тогда полная намагничивающая  сила будет равна

              (8.7.)

где k0=0.03¸0.04 – коэффициент учета дополнительной намагничивающей силы.

Определим число витков катушки главного полюса

          (8.9.)

где А. – ток возбуждения;

где b=0.98 – коэффициент постоянного ослабления поля;

9. Расчет магнитной характеристики машины

Магнитной характеристикой  машины называется зависимость потока Ф от намагничивающей силы катушек главных полюсов.

Расчет ведется аналогично пункту 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 9.1.

Расчетные данные для построения магнитной характеристики двигателя

Участок	Величины в см.	Ф=0.25Фч			Ф=0.75Фч			Ф=Фч			Ф=1.15Фч
		В, Гс	Н, А/см	F, A.	В, Гс	Н, А/см	F, A.	В, Гс	Н, А/см	F, A.	В, Гс	Н, А/см	F, A.
Воздушный зазор d	0.65	3569	-	1160	10706	-	40275	14275	-	7423	16416	-	8536
Зубцы якоря hz	3,9	5375	2	7,8	16125	50	194.3	21500	620	2418	24725	1570	6113
Сердечник якоря hя	21,61	2750	1.5	32	8250	4.1	52.4	11000	7.2	155.6	12650	11.6	250
Зубцы к.с. hzko	1.6	4000	1.8	2,88	12000	9.3	11.2	16000	40	64	18400	171	273.6
Полюсный наконечник h²m	5	3500	1.7	8,5	10500	6.3	13.5	14000	14.9	74.5	16100	42.5	212.5
Ярмо остова L0	34,25	3250	1.6	54,8	9750	5.4	197.1	13000	14.2	486.4	14950	30.5	1044.6
Полюс h¢m	1	3500	1.7	1.7	10500	6.3	22.7	14000	14.9	14.9	16100	42.5	42.5
		1404			6228.72			10772			16618.2
		1460.14			6477.87			11202			17282.928
		48.41			214.78			371.45			573.04
сФ		0.2786			0.836			1.114			1.28

По данным таблицы 9.1. построим кривую сФ=¦(Iв)

 

Определим конструктивную постоянную машины:

      (9.1.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Определение размеров коллектора и щеток

Для расчета принимаем Дк =(0.8¸0.9)Дя=0.8×Дя=0.8×56=44.8 см.

Диаметр коллектора должен удовлетворять условию

см.                (10.1)

Определим ширину щеток

см.               (10.2)

где bк – найдено в пункте 4

g=3¸5 коэффициент щеточного перекрытия;

Площадь прилегания щеток  к коллектору одного щеткодержателя определяется из формулы:

 см²             (10.3.)

где g=p –число пар щеткодержателей

      jщ=9¸12  А/см² – плотность тока под щеткой при часовом режиме;

Общая длина щеток  одного щеткодержателя, тогда:

см                 (10.4.)

Тогда длинна одной щетки:

см.                  (10.5.)

где nщ=2¸3 – число щеток в щеткодержателе;

Окончательные размеры щеток будут 1.6´5.

Окончательное значение плотности тока определиться по формуле:

 А/см²               (10.6.)

Длинна рабочей части  коллектора:

             (10.7.)

Ширина канавки l1 принимаем равной 6¸8 мм.

Длинна петушка l2 определяется по допустимой плотности тока в контакте проводника со щечками пластин jk=0,2¸0.25 А/см² тогда:

мм.   

          (10.8.)

где h=b=7.5мм.

 

 

 

 

11.   Расчет коммутации

Учитывая сложную форму  зубцового слоя и способ укладки обмотки, поток Фс условно разбивается на 4 части, для каждой из которых определяется удельная магнитная проводимость :

                             (11.1.)

где  - удельная проводимость в области расположения      проводника hz;

       - то же, по высоте h1;

       - то же, в зоне воздушного зазора;

       - то же, в зоне лобовых частей, отнесенных к пазу;

Индуктивность секции, выраженная через удельную магнитную проводимость:

 Тл.         (11.2.)

где wс=1число витков секции;

Потокосцепление секций разных слоёв учитывается коэффициентом  проводимости взаимоиндукций слоёв:

             (11.3.)

где

Коэффициент взаимоиндукции слоев:

          (11.4.)

Период коммутации Тк выражается через окружную скорость коллектора при часовом режиме:

 

с.            (11.5.)

Коллекторное деление, приведенное к окружности якоря

  мм

Ширина щетки, приведенная  к окружности якоря - мм.

Величина укорочения шага: мм.

Среднее Э.Д.С. могут быть рассчитаны по формулам

            (11.6.)

Диаграмма пазового слоя представлена на рис. 11.1.

По рис. 11.1. определим  ширину зоны коммутации bзк= и значение реактивной Э.Д.С. ерmax=4.23 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 11.1 Диаграмма  пазового слоя

 

12. Определение максимально допустимой степени ослабления поля

Коэффициент регулируемости определяется по формуле 12.1.

                  (12.1.)

где   Кнч – коэффициент  насыщения машины:    

        bmin – коэффициент ОП.

    Скорость при ослабленном поле (ОП):

 об/мин.                         (12.2.)

Где   ерч=1.64– значение реактивной Э.Д.С. при часовом режиме;

Определяем машинный поток ОП:

             (12.3.)

Определяем Фчоп  и по рис9.1. находим значение Iчоп=110 для значения  Фчоп=0.43

Определим коэффициэнт:

  тогда  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13.  Расчет и построение скоростных характеристик тягового двигателя n=¦(Iя) и V=¦(Iя)

Расчет производим при  неизменном напряжении Uк

                (13.1.)

где DUщ – падение напряжения в щеточном контакте, не зависящее от величины тока якоря. DUщ=3В, при щетках без армировки и при армированных кабельками DUщ=2В.

      - полюсное сопротивление двигателя. В соответствии с /1/

принимаем rв=0.001 Ом,  rд=0.0007 Ом, rко=0.0005 Ом – сопротивление обмоток главных полюсов, дополнительных полюсов и компенсационной обмотки соответственно.

      Iв=Iя для электровозов постоянного тока.

Сопротивление обмотки якоря в нагретом состоянии (до 110°С)

                 (13.2.)

где l=lя+ls =42+52.77=94,77- расчетная длина одного проводника обмотки вместе с лобовыми вылетами

 Ом.

об/мин.

 км/ч             (13.3.)

Дольнейщий расчте сводим в таблицу 13.1.

                                                

 

 Таблица 13.1.

Расчетные данные

Iя пп ,А	Iв,А	Iв  r	E,В	сФ Мкс	nпп об/мин.	Vпп км/ч
0,2	62,992	2,280	1495,72	0,22	6710	298,3
0,3	94,488	3,420	1494,58	0,33	4470	198,7
0,4	125,984	4,561	1493,439	0,45	3350	148,9
0,5	157,48	5,701	1492,299	0,56	2678	119,0
0,6	188,976	6,841	1491,159	0,67	2230	99,1
0,7	220,472	7,981	1490,019	0,78	1910	84,9
0,8	251,968	9,121	1488,879	0,89	1670	74,2
0,9	283,464	10,261	1487,739	1,00	1483	65,9
1	314,96	11,402	1486,598	1,11	1334	59,3
1,1	346,456	12,542	1485,458	1,23	1212	53,9
1,2	377,952	13,682	1484,318	1,34	1110	49,3
1,3	409,448	14,822	1483,178	1,45	1024	45,5
1,4	440,944	15,962	1482,038	1,56	950	42,2
1,5	472,44	17,102	1480,898	1,67	886	39,4
1,6	503,936	18,242	1479,758	1,78	830	36,9
1,7	535,432	19,383	1478,617	1,89	780	34,7
1,8	566,928	20,523	1477,477	2,01	737	32,7
1,9	598,424	21,663	1476,337	2,12	697	31,0
2	629,92	22,803	1475,197	2,23	662	29,4