Проектирование тяговых электрических машин постоянного и пульсирующего тока

  Современные тяговые двигатели  электровозов выполняются с компенсационной обмоткой, значительно повышающей их эксплуатационную надежность.

 

Намагничивающая сила дополнительного полюса, необходимая для создания коммутирующего магнитного потока:

Fw=0.8* δw *k wδ *B w 10 6 +0,8* δwi * B ‘w *10 6 +0.5*A*τ-F ko =0.8*0,008*1,109*0,75*106 + 0,8*0,005*0,312*106 +0.5*5.12*10 4 *0.345-6000=9403 А,

где коэффициент зубчатости якоря для зазора равен:

k wδ =t1+10* δw /(z1+10* δw )= (2,15+ 10*0,8) /(1,15+ 10*0,8) = 1,109.

Первые две составляющие намагничивающей силы дополнительного полюса отражают падение магнитного потенциала в зазорах, третья составляющая связана с компенсацией поля якоря, четвертая - с наличием компенсационной обмотки ( значение Fко определяется при расчёте главной магнитной цепи).

Число витков катушки дополнительного полюса

ww = Fw/IН = 9403/551 = 17,06;

 примем ww = 17.

 

РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ И КОМПЕНСАЦИОННОЙ ОБМОТКИ

Расчет и эскиз магнитной цепи (в масштабе 1:1) выполняются одновременно и взаимно уточняются в процессе проектирования. При вычерчивании эскиза магнитной цепи необходимо учесть, что оси пазов компенсационной обмотки выполняются параллельными оси соответствующего дополнительного полюса; воздушный зазор между якорем и главным полюсом - равномерный; геометрическая полюсная дуга равна

bг = α*τ – 2*δ = 0,66*34,5 – 2*0,4 = 22 см.

Шаг пазов компенсационной обмотки не должен быть кратным зубцовому шагу якоря

t 1k= (1,4-1,7)*t 1= 1,5*2.15 = 3,225 см.

Размещают пазы компенсационной обмотки от края полюсного наконечника к середине так, чтобы головка крайнего зубца, ближайшего к дополнительному полюсу, была не менее 4...5 мм по условию механической прочности. Пример эскиза магнитной цепи приведен на рис. 2

 

Сердечник якоря

Радиальный размер сердечника якоря

hа = Ф/(2*Bа*k 1 *lа )= 0,051/2*1,26*0,94*0,21 = 0,102 м.

 Значение индукции в сердечнике якоря Ва принято, согласно данным [2, рис. 13.7], для частоты перемагничивания якоря f= 47 Гц.

Якорь выполняется с двумя рядами вентиляционных каналов по 22 канала в ряду диаметром dк = 30 мм.

Внутренний диаметр дисков якоря

Di = Dа - 2(hz + ha +1/2*nк*dk) = = 66 – 2*(4.14 + 10,2 + 0.5*2*3) = 31.32 см,

 где nк - число рядов каналов.

 Объем сердечника якоря

Va= π/4[(Dа- 2 hz)2 -Di 2 - mk dk 2]*la *k1 =

= 3.14/4[(66-2*4,14)2-31.322-44*32]*21*0,94 = 42562 см3 = 0,042562 м3,

 где mк - общее число каналов.

Масса сердечника якоря

Gа = γ*Vа = 7,8*0,042562*103 = 332 кг.

Сердечник главного полюса

Ширина полюса

bm = σ*Ф/(Вm*ki *lm ) = 1,15*0,051/1.42*0,8836*0,21 = 0,22 м = 22 см,

где σ = 1,15 - коэффициент рассеивания магнитного потока главного полюса;

ki = k1 *k2 = 0,94*0,94 = 0,883 - коэффициент, учитывающий покрытие листов железа полюса толщиной 0,5 мм лаком (k1 = 0,94) и неплотности сборки (k2 = 0,94);

lm = lа - длина полюса.

Радиальная длина полюса предварительно (с учетом компенсационной обмотки)

hm = 0,3*τ= 0,3*0,345 = 0,103 м =10,3 см.

 

Внутренний диаметр станины

Dj = Da + 2*(δ + hm) = 66 +2*(0,4 + 10,3) = 87,4 см.

Примем Dj = 88,0 см, тогда hm = 10,6 см.

Приближенно масса всех полюсов:

Gm=

2*p*b m *l m *k I,*h m *γ*103 = 2*3*0,22*0,21*0,883*0,103*7,8*103 = 196.6 кг

 

 Магнитная станина

Примем индукцию в станине Bj = 1 ,4 Т, а толщину станины двигателя с компенсационной обмоткой

bj = 0,35*bm = 0,35*22 = 7,7см,

 тогда осевая длина магнитопровода станины:

lj = σ*Ф/( bj * Bj )= 1,15*0,051/2*0,077*1,4 = 0,272 м.

 Масса станины:

  Gj = π(Dj + bj)*l j * bj  *γ*103 = 3.14*(0,88 + 0,077)*0,272*0,077*7,85*103 = 494 кг.

 

Компенсационная обмотка

Намагничивающая сила компенсационной обмотки должна быть приблизительно равна намагничивающей силе поля якоря на полюсной дуге:

Fk <0.5*α*τ*A,

тогда число витков на полюс получается равным

wк = 0.5*α*τ*A /Iн = 0,5*0,66*34,5*512/551 = 10.58.

 Примем wк = 10.

При последовательном включении витков катушек всех полюсов число стержней будет в два раза больше числа  витков.

Принимаем 12 стержней, размещенных в шести пазах, zКО = 6, т. е. по два стержня на паз.

Выбираем стержень с размерами . 4,4x32 ммхмм, сечением gк= 140мм2. '

Плотность тока:

jk =Ik/gk=1000/140=7.14 А/мм2.  

Пазовое деление

t1k = α*π*(D a +2*δ)/(2*p*(z k0 -1))=0,бб*3.14(66 + 2*0,4)/2*3*(10 - 1) =2.56 см.

Размеры паза компенсационной обмотки приведены в табл. 2.

Таблица 2

Наименование	Материал	Размеры, мм	Число слоев	Общая толщина, мм
Проводник	Медь МГМ	4,4/32	2/1	8,8/32
Витковая изоляция	Провод ППИПК-3	0,175/0,175	4/2	0,7/0,35
Корпусная изоляция	Стеклослюдин-итовая лента	0,11/0,11	16/16	1,76/1,76   .
Покровная изоляция	Стеклолента	0,1/0,1	2/2	0,2/0,2
Зазор на укладку   Расшихтовка		0,5/-   0.3/0.1	— -	0,5/-
				0.3/0.1
Прокладки	Стеклопласт	-/0,4	-/2	-/0,8
Клин	Стеклопласт	-/4,0	-/1,0	-/4,0
Итого:                                                                             bk/hzk = 12,26/39,21

Примечание.   В числителе   даны   размеры   по   ширине паза,   в знаменателе - по высоте.

Эскиз паза показан на рис. 3.

Ширина паза компенсационной обмотки:

bк= 12,26мм = 1,226см.

Ширина зубца

zk = t 1к - bк = 3.225 - 1,226 = 2 см.

 Высота паза hzк = 39,21 мм.

Коэффициент воздушного зазора из-за наличия зубцов в полюсном наконечнике с компенсационной обмоткой

kδк = t 1к +10* δ /(zk+10* δ )= (3.225 + 10*0,4) / (2 + 10*0,4) = 1,2.

Общий коэффициент воздушного зазора с учетом пазов на якоре и в полюсном наконечнике:

kδ =( t 1 +10* δ) /(z1+10* δ )*(t 1к +10* δ) /(zk+10* δ ) = (2,15 + 10*0,4)/(1,15 + 10*0,4)*1.2

= 1,433.

Средняя длина витка компенсационной обмотки:

lсР.к.о= 2(lск.о +lm) = 2*(34,18 + 38,5) = 146 см,

где длина лобовой части полувитка средней катушки:

lск.о =τko (1 - α/2) +2а + bk*zko/2 +∆( zko /2 - 1) = 37,03*(1 - 0,66/2) + 2*2,5 + 1,226*6/2 + 0,5*(6/2-1) = 34,48см.

Здесь a = 25 мм, ∆ = 5 мм.

 

 

Рис.3.Паз компенсационной обмотки. 

Длина торцевого участка лобовой части средней катушки:

τko = π*(Dа + 2*δГЛ +hzk) /2*p=3.14*(66 + 2*0,4 +3,921)/2*3 = 37,03 см.

Сопротивление компенсационной обмотки при 20 °С

RК20 = 2*p*wk * lсР.к.о/57*a2k  *gk = 2*3*10*1,46/57*12*140 = 0,0109 Ом,

 где ak — число параллельных ветвей компенсационной обмотки.

При последовательном соединении катушек ak = 1.

 Масса меди компенсационной  обмотки

Gko = γ*gk * lсР.к.о *2*p*wk= 8,9*140*10 -6 *1,46*2*3*6*103 = 65,5 кг

МАГНИТНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИГАТЕЛЯ И ОБМОТКА ВОЗБУЖДЕНИЯ

Намагничивающая сила воздушного зазора

Fδ = 0,8*kδ*δ*Bδ*106 = 0,8*1,433*0,004*0,97*106= 4448 А.

 Намагничивающая сила зубцов якоря

Fz = Нz *hz= 70000*0,0414 = 2898 А,

при kz⅓= t1/3/ki; *z1/3- 1 = 1,97/0,94*0,82 - 1 = 2,55 - 1 = 1,55 и В z1/3=2,2 Т

напряженность  магнитного   поля  равна Нz = 70000 А/м   [1, кривая на рис. 13.8].

Намагничивающая сила спинки сердечника якоря

  Fа = Hа*0,4τ = 1870*0,4*0,345 = 258 А

при   Ва=1,2бТ   и напряженности   магнитного поля На= 1870 А/м [1, рис. 13.8]).

Намагничивающая сила, приходящаяся на станину:

Fj = Нj*Lj = 1900*0,65*0,345 = 426 А,

при Bj-= 1,4 Т, Нj = 1900 А/м   [1, кривая на рис. 13.8] и средней длине магнитной силовой линии станины Lj= (0,65-0,75) τ.

Намагничивающая сила зубцов компенсационной обмотки полюса

Fzko = Hzko *hko = 5000*0,0392 = 196 А,

 при этом:

Bzko = σ*Ф/SzК.0= 1,05*0,051/0,03 =1,8Т,

где SzК.0- площадь поперечного сечения зубцов полюса на 1/3 их высоты от якоря (см. рис. 2).

SzК.0 = 2[(A - bп к.0*na) + В + С]*lm*0,97 =  2[(0,054 - 0,01226*1) + 0,02 +0,012]*0,21*0,97 = =0,03 м2,

где na - число пазов на участке А.

Напряженность магнитного поля Hzko=5000 А/м по кривой намагничивания электротехнической стали якоря (полюсы с компенсационной обмоткой выполняются из той же стали, что и якорь [1, рис.13.8]) при Bzko =1, 8 Т.

Намагничивающая сила сердечника полюса:

Fm = Нm(hm-hzko)= 1893*(0,103 -0,0392) = 121 А:

 При Bm =1,42 Т и Hm= 1893 А/м.

Сумма намагничивающих сил

F=Fδ +Fz+Fa+Fj+Fzko+Fm= 4448+ 2898 + 258 + 426 + 196 + 121 = 8347 а:

Общая намагничивающая сила главного полюса для создания заданного магнитного потока в машине с учетом неполной компенсации н.с. якоря и неплотного прилегания полюса к станине

Fb = 1,02*8347 = 8514 А. 

Число витков катушки главного полюса, учитывая резистор, включенный параллельно обмотке возбуждения и ответвляющий 3% тока якоря:

ws = Fb/0,97*IН = 8514/0,97*551 = 15,9 витков;

 примем ws = 16.

Расчет катушек главных и дополнительных полюсов

Сечение проводников катушки главного полюса:

gs =βн* Iн/js = 0,97*551/3,5 = 153 мм2,

 где js — плотность тока в катушке (принимается 3,5...6 А/мм2).

Выбираем провод с размерами aхb = 3,1x50  ммхмм,  сечением 153 мм2.

Средняя длина витка для катушки в виде винтовой спирали

 L's= 2(lm+ bm) + π*b = 2*(21 + 22) + 3,14*5,0 = 243 см.

 Общая длина проводов катушки

Ls= 1,05*2р* L's*ws *10 -2 = 1,05*2*3*243*16*10-2 = 245м.

 Масса меди катушек главных полюсов

Gs = 8,9* Ls *g s *103 = 8,9*245*153*10-6*103 = 333,6 кг.

 Сопротивление катушек главных полюсов при 20 °С

Rs20 = Ls /57* g s = 245/ 57*153 = 0,028 Ом.

Размеры катушки главного полюса, выполненной в виде винтовой спирали, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Наименование	Материал	Размеры, мм	Число слоев	Общая толщина, мм
Проводник	Медь МГМ	50/3,1	1/16	50/49,6
Межвитковая изоляция	Прокладки из ас-бестовой бумаги	-/0,5	-/8	-/4
Корпусная изоляция	Стеклослюдини-товая лента	0,09/0,09	16/16	1,44/1,44
Отклонение по допускам и выравнивающие прокладки	—	—	—	- /6,76
Выступание межвитковой изоляции	—	—	—	3,56/-
Итого:                                                                                                           55/61,8

 

Примечание. В числителе - ширина, в знаменателе - высота.

Сечение проводников катушки дополнительного полюса

gw  = Iн/jw=551/5,95 = 93 мм2.

Выбираем провод с размерами: a wxbw=10x9,5 ммхмм, сечением 93 мм2.

 Средняя длина витка катушки

L'w = 2(lw+ 0,3*τ) = 2(21 + 0,3*34,5) = 62,7 см.

Общая длина проводов

Lw = 1,05*2*р* L'w *ww *10 -2 = 1,05*2*3*62,7*17*10-2 = 67,2 м.

 Масса меди катушек дополнительных  полюсов

Gw = 8,9 * Lw *g w * 103 = 8,9*67,2*93*10-6*103 = 55,6 кг.

Сопротивление катушек дополнительных полюсов при 20 °С

R w20 = Lw /57*g w = 67,2/57*93 = 0,0126 Ом.

 Масса сердечников дополнительных полюсов

Gmw= γ*2р*bmw *lmw *hmw= 7,8*2*2*3*0,044*0,385*0,097*103 = 77 кг.

 Размеры катушки дополнительного полюса приведены в табл. 4.

 

 

 

 

 

Таблица 4

 

Наименование	Материал	Размеры, мм	Число слоев	Общая толщина, мм
Проводник	Медь МГБ	10/9,5	1/17	10/161,5
Межвитковая изоляция	Прокладки из асбе-стовой бумаги	-/0,5	-/6	-/3,0
Корпусная изоляция	Стеклослюдинитовая лента	0,09/0,09	16/16	1,44/1,44
Покровная изоляция	Стеклолента	0,1/0,1	4/4	0,4/0,4
Отклонения по допускам и выравнивающие прокладки	—	—	—	-/2,66
Выступание межвитковой изоляции	—	—	—	3,5/-
Суммарная ширина и толщина катушки                                                  15,34/169

Примечание. В числителе приведена ширина, в знаменателе - высота.

 Потери и к.п.д. двигателя

Потери в проводниках определяются для номинального режима при температуре обмоток 115 °С (ГОСТ 2582-81).

Потери в обмотке якоря

 РCuN=(1+95*0,004)*Iн2*Ra20 = 1,38*5512*0,0318 = 13323Вт.

Потери в обмотке дополнительных полюсов

РCuw = (1 + 95*0,004)*Iн2*Rw20 = 1,38*5512*0,0126 = 5279Вт.

 Потери в компенсационной обмотке

РCu ko=(1+95*0,004)*Iн2*Rk20 = 1,38*5512*0,0109= 4566Вт.

Потери в обмотке возбуждения, учитывая степень возбуждения β= 0,97;