Проектирование тяговых электрических машин постоянного и пульсирующего тока

P’Cu s = (1 + 95*0,004)( β н*Iн)2*Rs20 = 1,38*(0,97*551)2*0,028 = 11037 Вт.

Общие потери в обмотке возбуждения и в параллельно подключенном к ней резисторе

PCu s = (1 + 95*0,004)*Iн2* β н * Rs20 = 1,38*5512*0,97*0,028 = 11379 Вт.

Потери на коллекторе:

- электрические 

Рк.э = ∆Uщ*Iн = 2*551 = 1102 Вт;

- на трение щеток

Ркт=р'*ρ*sщ*2р*Vк= 3,5*104*0,21*12,24*10-4*2*3*29,11 = 1571 Вт

при давлении щеток р' = 3,5*104 Н/м2 (350 г/см2) и коэффициенте трения ρ = 0,21.

Магнитные потери в якоре без учета добавочных потерь

P’Fe=σFe *f1.6 *102 *(B2 z⅓ *Vz *kz +Ba *Va)= 0,9*471,6*102*(2,72*0,0075*1,2 + 1,262*0,0425) =

= 5671 Вт,

 где σFe — удельные потери в стали марки 2212;

kz — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения индукции по высоте зубца [1, рис. 13.11].

С учетом добавочных потерь [1, табл. 13.4] потери в стали, будут равны:

РFе = Р’Fе ( 1 + kFe) = 5671*( 1 + 0,3) = 7372 Вт.

 Потери на трение в подшипниках

Рп = 30(4√1000*Pн) = 30(4 √1000*575) = 826 Вт.

Потери на трение о воздух

Рв =7*D4 a *(l a +∑l в )*n н 3 *10 -6 =7*0,664*(0,21+ 0,27) *10703*10-6= 781 Вт.

Механические потери:

Рмех =Рп +Рв =826+781=1607Вт.

Сумма потерь:

∑Р= РCuN + РCuw + РCu ko + PCu s + Рк.э + ркт + РFе + Рп +Рв   =

= 13323 + 5279 + 4566 + 11037 + 1102 + 1571 + 7372 + 826 + 781 = 45857 Вт.

 Определив потери двигателя, находим его к.п.д.

η= Рн/(Рн + ∑Р) = 575/(575 + 45,857) = 0,928.

Ток двигателя при номинальной мощности

Iн= .Рн/Uн* η = 575*103/1110*0,928= 558 А.

Вследствие незначительности   расхождения с   расчетным током Iн =551 А поправок в расчет не вносим.

 

РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ

 Расчет кривой намагничивания

Расчет характеристики намагничивания Ф = У(/в) производится для номинального магнитного потока Фн и для 9/8 Фн. Результаты расчета приведены в табл. 5.

Таблица5

Участок	Магнитная цепь		Ф = 0,051 Вб = Фн			Ф = 0,0573 Вб = 9/8Фн
	Сечение, м2	Длина, м	В, т	Н, А/м	F, А	B, т	H, А/м	F, А
Зазор	0,0877	0,004	0,97	-	4448	1,091	-	5004
Зубцы якоря	0,03	0,0414	1,79	70000	2898	2,013	104	4140
Сердечник якоря	0,0425	0,137	1,26	1870	258	1,417	2100	290
Сердечник главного плюса	0,037	0,064	1,42	1893	121	1,6	5000	320
Зубцы компен-сационной обмотки	0,03	0,0392	1,8	5000	196	2	15000	588
Станина	0,038	0,224	1,4	1900	426	1,575	3800	852
Итого					8347			11194
Неплотности и неполная компенсация н.с. якоря					167			224
Сумма					8514			11418

 

Коэффициент насыщения магнитной цепи

кн =∑Fн /Fδ = 8514/4448 = 1,91.

Расчет скоростной характеристики

А. При номинальном поле (U= 950 В, β= 0,97)

Скоростная характеристика рассчитывается по формуле

n=(U-I*∑R)*кn*Ф.

 При этом

кn = (р/а)*(N/60) = (3/3)*(1152/60) = 19,2.

Сопротивление цепи при 115 °С

∑R = [1 + αθ(θ-θо)](Raθ0 + Rsθ0+ Rkθ0+ Rwθ0) + Rщ = [1 + 0,004*(115 - 20)]*

*(0,0318 + 0,028 + 0,0109 + 0,0126) + 2/1000 = 0,117 Ом.

Последняя составляющая Rщ представляет собой сопротивление щеточного контакта (падение напряжения под щеткой принимается постоянным и равным 2 В при всех значениях тока якоря).

Расчет скоростной характеристики при номинальном поле сведен в табл. 6.

Таблица 6

I,A	IВ, А	F, A	Ф, Вб	I*∑R, В	U- I*∑R, В	n, об/мин
250				29,25	1070,75
500				58,5	1051,5
750				87,75	1022,25
1000				117	993
1250				146,25	963,75
1500				175,5	934,5

 

При максимальной скорости электровоза Vмах=110 км/ч, соответствующей частоте вращения якоря nмах= 2035 об/мин, мощность двигателя должна быть не ниже 0,66 от номинальной, т. ё.

            Рn мах = 0,66*РН = 0,66*575 = 379,5кВТ.

Приняв к.п.д. равным η=0,95 в этом режиме, получим значение тока  якоря 

I=379,5*103/1110*0,95 = 360А.

Реактивная э.д.с. при этом будет равна

eRnмах = e Rн *(I/I н)*( nмах / nн )=4,21*(360/551)*(2035/1070) = 5,23 В,

что позволяет ожидать искрение в пределах до 1 ¼ -1 ½балла.

Магнитный поток, соответствующий этому режиму:

Ф0 п = (U-I* ∑R)/kп* nмах =(1110 – 360*0,117)/19,2*2035 = 0,0273 Вб,

 что соответствует намагничивающей силе F= 2200 А по магнитной характеристике Ф(F) и току возбуждения Iв = F/ws = 2200/9 = 244 А.

При этом соотношение между магнитными потоками и токами возбуждения при ослабленном и полном поле будет

Ф0 п /Фп п = 0,04 1 7/0,0722 = 0,577;

βмин= Iв/I = 244/658 = 0,371.

 

Б. При ослабленном поле

 (степень возбуждения βмин = 0,371)

В связи с наличием компенсационной обмотки размагничивающее действие якоря не учитывается. При подключении параллельно обмотке возбуждения резистора (с целью ослабления магнитного поля) общее сопротивление якорной цепи уменьшается и составляет ∑R = 0,04 Ом.

Расчет скоростной характеристики при ослабленном поле приведен в табл. 7.

Таблица 7

I,A	IВ, А	F, A	Ф, Вб	I*∑R, В	U- I*∑R, В	n, об/мин
658
750
1000
1250
1500
1750

 

Расчет к.п.д.

Расчет к.п.д. производится для номинального (β = 0,97) и ослабленного (βмин = 0,371) полей. Потери в стали якоря пересчитываются относительно их значения P’Fe при номинальном токе якоря пропорционально (n/nн)1.6 и (Ф/Фн)2. Потери в подшипниках и на трение о воздух принимаются пропорциональными (n/nн)1.5. Потери от трения щеток принимаются пропорциональными n/nн. Электрические потери на коллекторе не выделены: они входят в общие электрические потери.

К.п.д. η = P2/P1; Р2= Р1- ∑P; Р1= U*I; ∑P - потери. Результаты расчета магнитных потерь при номинальном поле приведены в табл. 8, результаты расчета к.п.д. - в табл. 9.

Таблица 8

I,A	n/nн	(n/nн)1,6	(Ф/Фн)2	(n/nн)1,6*(Ф/Фн)2	Р’Fe,Вт	1+КFе	РFe,Вт
250
500
750
1000
1250
1500
1750

 

 

 

Таблица 9

I,A	(n/nн)1,5	Pмех, Вт	Ркт, Вт	I2*∑R,Вт	РFe,Вт	∑P,Вт	η, о.е.
250
500
750
1000
1250
1500
1750

 

Аналогичные результаты расчета при ослабленном поле приведены в табл. 10 и 11.

 

Таблица 10

I,A	n/nн	(n/nн)1,6	(Ф/Фн)2	(n/nн)1,6*(Ф/Фн)2	Р’Fe,Вт	1+КFе	РFe,Вт
658
750
1000
1250
1500
1750

 

Таб л ица 11

I,A	(n/nн)3/2	Pмех, Вт	Ркт, Вт	I2*∑R,Вт	РFe,Вт	∑P,Вт	η, о.е.
658
750
1000
1250
1500
1750

 

Расчет вращающего момента

Расчет вращающего момента производится по формуле

M=9.55*U*I*η/n.

Значения I, n ,η берут из табл. 6-1 1.

Результаты расчета вращающего момента приведены в табл. 12

Номинальное поле				Ослабленное поле
I, А	n, об/мин	η, о.е.	М, Нм	I, А	n, об/мин	η, о.е.	М, Нм
250				658
500				750
750				1000
1000				1250
1250				1500
1500				1750
1750

 

 

Графики к.п.д. при полном и ослабленном полях и электромеханические характеристики двигателя приведены на рис. 4.

 

 

 

МАССА ДВИГАТЕЛЯ      Масса меди, кг

Обмотка якоря 127,3

Уравнительные соединения 5,0

Обмотка дополнительных полюсов 64

Обмотка главных полюсов 15 7

Компенсационная обмотка 65,5

Всего:      514

Масса стали, кг                                                                         

Зубцы якоря     127

Сердечник якоря    403

Главные полюсы     337

Дополнительные полюсы    77

Станина     804

Всего:     1748

Общая масса активных материалов:

Gак= Gм + Gс = 5 1 4 + 1 748 = 2262 кг.

 Общая масса двигателя:

G = 1,8*Gак = 1,8-2262 = 4071 кг.

 Относительный расход материалов:

g0 =G/Pн = 4071/900 = 4,5 кг/кВт.

Производная масса двигателя:

ε=G/(Mн )3/4 =

Отношение   массы к моменту:

gm = G/Мн = 407 1/9254 = 0,44 кг/Нм.

Сопоставляя полученные удельные показатели с показателями лучших образцов тяговых двигателей выпрямленного тока [3, табл. 1.1] типа НБ-507 (Россия) и LjН-108-3 (Швеция), можно сделать вывод, что масса спроектированного двигателя находится на уровне средних показателей. Снижение массы может быть достигнуто при применении магнитных материалов с более высокой магнитной проницаемостью, а также при повышении однородности и улучшении конструкции изоляции.