Расчет приведенного объема и длины якоря электродвигателя

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Л. п. Устюгов, А. К. Белоглазов, Е. И. сковородников,

Утверждено редакционно-издательским советом университета

Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Электрические передачи локомотивов» / Л. П. Устюгов, А. К. Белоглазов, Е. И. Сковородников, А. В. Чулков; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. 48 с.

Рассмотрены вопросы определения основных расчетов режимов электрической передачи тепловоза, разработки ее силовой схемы. Описана методика построения тяговой характеристики тепловоза, электромеханических и нагрузочных характеристик ТЭД, а также характеристик намагничивания. Приведены принципы электромагнитного расчета тягового электродвигателя и определения его основных размеров.

Методические указания предназначены для студентов 4-го и 5-го курсов теплоэнергетического и заочного факультетов специальности 190301 «Локомотивы» к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электрические передачи локомотивов.

В процессе изучения дисциплины «Электрические передачи локомотивов» студенты выполняют курсовую работу. Проектирование тяговой электрической машины – сложная задача, для решения которой требуются теоретические знания, опытные данные и подробные сведения о назначении электрических машин – основных звеньев энергетической цепи локомотива и об условиях их эксплуатации.

При расчетах уделяется внимание обобщению опыта проектирования уже созданных электрических машин.

В курсовой работе расчет тяговой электрической машины осуществляется на основе индивидуального задания, содержащего минимально необходимый набор исходных данных. Такой подход предоставляет студентам значительную свободу выбора конструктивных решений при расчете отдельных узлов и всей машины в целом и помогает им хорошо усвоить теоретический материал, необходимый для будущей практической деятельности.

Если в какой-либо части расчета выявляются значительные расхождения с данными известных прототипов, то, изменяя частично или полностью параметры, вновь производят расчеты.

После выполнения расчетов ТЭД необходимо указать те размеры, которые определены расчетным путем (диаметры и длины якоря и коллектора, размеры станины и полюсов, установочные размеры). А также привести электромеханические характеристики спроектированного тягового электродвигателя.

В заключении необходимо привести краткие выводы по основным разделам курсовой работы, сравнить характеристики спроектированного тягового электродвигателя с прототипом, дать технико-экономическую оценку предложенного технического решения по сравнению с имеющимся.

1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовое и дипломное проектирование являются одним из основных этапов обучения студентов.

При выполнении курсовой работы студенты должны показать умение самостоятельно применять приобретенные ими теоретические знания и практические навыки по расчету и конструированию как электрической передачи в целом, так и составляющих ее элементов.

Расчетно-пояснительная записка выполняется согласно методическим указаниям по оформлению пояснительных записок к курсовым и дипломным проектам / Е. И. Сковородников, Л. В. Милютина, С. М. Овчаренко; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 46с.

В содержании приводится перечень названий разделов и подразделов расчетно-пояснительной записки с указанием номера страницы, с которой начинается соответствующий раздел или подраздел.

Во введении приводятся краткие сведения о современном состоянии и перспективах развития электрических передач локомотивов, о назначении их отдельных элементов.

В заключении должны быть даны краткие выводы по основным разделам проекта. Список источников включает в себя библиографическое описание учебно-методической, технической и научной литературы, использованной при выполнении проекта.

При выполнении курсовой работы необходимо руководствоваться данными методическими указаниями и дополнительной литературой [1-10].

Исходные данные при выполнении курсового проекта выбираются из табл. 1.1 и 1.2.

1) определить основные расчетные режимы электрической передачи локомотива, рассчитать и построить внешнюю и регулировочные характеристики тягового генератора, выбрать силовую схему электропередачи тепловоза и схему регулирования возбуждения тягового генератора;

2) рассчитать и построить тяговую характеристику тепловоза и нанести на нее характерные точки основных режимов его работы и ограничения;

3) определить передаточное отношение тягового редуктора;

4) выполнить электромагнитный расчет тягового электродвигателя, определить основные его размеры;

5) рассчитать и построить электромеханические характеристики тягового электродвигателя.

Исходные данные для выполнения курсовой работы

В пояснительную записку должны быть включены следующие графические материалы: внешняя и регулировочные характеристики тягового генератора, силовая схема электрической передачи и схемы возбуждения тягового генератора, тяговая характеристика тепловоза, эскиз подвески тягового электродвигателя, поперечный размер паза якоря в масштабе, магнитная и нагрузочная характеристики, а также электромеханические характеристики тягового электродвигателя.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОВОЗА

где Δ N = (0,08-0,15) N_e - расход мощности на привод вспомогательного оборудования тепловоза, кВт.

Электрическая мощность тягового генератора (ТГ), кВт,

где

(0,945-0,96)∙0,993 - КПД синхронного генератора и выпрямительной установки;

= 0,93 – 0,95 – КПД генератора постоянного тока.

Расчетная сила тяги определяется из условий реализации коэффициента сцепления (коэффициента тяги) на расчетном подъеме, кН:

ψ_кр – коэффициент сцепления (тяги) на расчетном подъеме.

При выполнении курсовой работы принимают значения ψ_кр для различных видов тепловозов следующие: для грузовых – 0,18 – 0,20; пассажирских – 0,10 – 0,15; маневровых – 0,14 – 0,16.

Для тепловозов различного рода службы скорость на расчетном подъеме (скорость продолжительного режима) определяется по формуле, км/ч:

где η_Э.П = 0,84 – КПД электрической передачи.

Мощность, потребляемая каждым двигателем тепловоза, кВт,

Мощность, отдаваемая двигателем на колесную пару тепловоза, кВт,

3. РАСЧЁТ И ПОСТРОЕНИЕ РЕГУЛИРОВОЧНЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

Регулировочные характеристики – это зависимости напряжения и тока якоря на зажимах тяговых электрических машин от скорости движения тепловоза. При курсовом проектировании пользуются относительными (процентными) характеристиками электропередачи, построенными в процентах по отношению к параметрам продолжительного режима.

Относительная скоростная (процентная) характеристика ТЭД при условии постоянства мощности на зажимах ТГ представлена на рис. 3.1.

Пересчет скоростных процентных характеристик в регулировочные производится по формулам:

V % – скорость тепловоза по отношению к расчетной, %;

I % – ток якоря ТЭД в процентах от тока продолжительного режима;

I_ДН – ток якоря ТЭД в продолжительном режиме, А.

Предварительно выбирают схему присоединения ТЭД к зажимам ТГ и диапазоны регулирования ТГ по напряжению и току, которые характеризуются соответствующими коэффициентами регулирования.

Для магистральных тепловозов используется параллельное соединение ТЭД, при котором значительно улучшаются тяговые свойства тепловоза. Для маневровых тепловозов и поездных локомотивов средней мощности применяют последовательно-параллельное соединение ТЭД.

Для тепловоза с параллельным присоединением тяговых двигателей к тяговому генератору U_Г_max = 700 – 750 В, с последовательно-параллельным U_Г_max = 800 – 900 В.

Напряжение и ток тягового генератора в продолжительном режиме определяются по выражениям:

При регулировании по характеристике постоянства мощности минимальный ток ТГ, А,

Результаты расчета сводятся в табл. 3.1, и по ним строится внешняя характеристика тягового генератора (рис. 3.2.), ограниченная гиперболой
P_Г = U_ГI_Г и прямыми U_Г_max = const; I_Г_max = const.

Расчет параметров внешней характеристики ТГ

Для обеспечения работы электропередачи с Р_Г= const при сохранении необходимого диапазона скоростей движения тепловоза достаточно использовать метод ослабления возбуждения ТЭД.

По условию обеспечения удовлетворительной коммутации при высоких скоростях движения минимальное значение коэффициента β₂ не должно быть

меньше 0,25. Если β _min < 0,5, применяют две ступени ослабления возбуждения, т.е. вводят промежуточную ступень, коэффициент которой определяется по формуле:

Коэффициент ослабления возбуждения ТЭД определяется по формуле:

Регулировочные характеристики ЭП строят по формулам:

при первой ступени ослабления возбуждения (ОП1) –

при второй ступени ослабления возбуждения (ОП2) –

Результаты расчетов по формулам (3.8) – (3.10) представляются в виде табл. 3.2, по результатам которой строят регулировочные характеристики электропередачи при постоянном соединении ТЭД (рис. 3.3.).

Скорости переходов определяются по формулам:

Расчет параметров регулировочных характеристик ЭП

Расчет текущих значений тяговой характеристики тепловоза выполняется по формуле:

Для каждого значения скорости тепловоза по процентным регулировочным характеристикам (рис. 4.1.) находят соответствующие значения тока тягового генератора и КПД ЭП. Результаты вычислений сводят в табл. 4.1.

По данным табл. 4.1 строят тяговую характеристику F_K= f(V) (рис. 4.1.), на нее наносят:

кривую ограничения по сцеплению, рассчитываемую по формуле, кН:

где ψ_К – расчетный коэффициент сцепления,

линию ограничения силы тяги по минимальному току ТГ (по условиям коммутации тяговых электрических машин), соответствующую скорости, км/ч,

и определяемую по токовой регулировочной характеристике как скорость, при которой I_Г = I_Г_max;

линию продолжительного режима работы ТЭД (ограничение по нагреву), соответствующую

линию ограничения тяговой характеристики по конструкционной скорости при V = V_max.

Расчет параметров тяговой характеристики тепловоза

В курсовой работе выбирается индивидуальное опорно-осевое или рамное подвешивание тяговых двигателей, при котором каждая колесная пара тепловоза через зубчатый редуктор связана с отдельным электродвигателем.

При опорно-осевом подвешивании размеры ТЭД ограничиваются расстоянием между внутренними гранями бандажей колесных пар (1440 мм) и наименьшим расстоянием от корпуса двигателя до головки рельса α (рис. 5.1.).

Чтобы увеличить расстояние а (габариты двигателя), ось ТЭД размещают несколько выше оси колесной пары.

Для тепловозных двигателей размер X (см. рис. 5.1.) выбирается в пределах 20-40 мм.

Частота вращения якоря ТЭД в продолжительном режиме п _Н, мин^-1, и соответствующая скорость тепловоза Vp, км/ч, связаны выражением:

где i - передаточное отношение тягового редуктора;

D_K - диаметр бандажа колесной пары по кругу катания, мм.

Передаточное отношение тягового редуктора (ТР)

где D₃, Z₃ и d₃, z₃ – диаметры делительных окружностей и число зубьев большого и малого зубчатых колес редуктора соответственно.

В формуле (5.2) необходимо i принимать как можно большим, так как при этом будут наибольшей частота вращения и наименьшим крутящий момент М_Н, а следовательно, наименьшие размеры и масса двигателя. Целесообразно принимать: i = 4,2-4,9 – для грузовых тепловозов с D_K =1050 мм; i = 4,7-5,3 с D_K =1250 мм; i = 2,3-3,5 – для пассажирских тепловозов.

Диаметр делительной окружности зубчатого колеса, мм,

Для локомотивных тяговых редукторов h' ≥ 120 мм; h"= 20-25 мм.

Предварительно величину d₃ определяют, задавшись i тягового редуктора, мм:

Модуль зацепления m ₃зубчатых колес тягового редуктора выбирают в зависимости от момента на валу ТЭД в продолжительном режиме по следующим данным:

Номинальный момент на валу ТЭД определяют по формуле, кН∙м:

Значение передаточного числа i = Z ₃/ z ₃ уточняют, при этом Z₃ ≥ 15, а
Z₃ = D₃/m₃ и z₃ = d ₃/ m ₃ должны быть целыми и, по возможности, взаимно простыми.

Централь при обычно применяемой коррекции зацепления ТР (для зубчатого колеса ξ_K = 0, для шестерни ξ_K = + 0,5),

должна быть согласована с диаметром якоря двигателя, мм:

где k_Я – коэффициент Шенфера, для ТЭД с изоляцией класса B k_Я = 650-750 и для ТЭД с изоляцией F k_Я = 600-675.

Удовлетворительное вписывание ТЭД в заданные габариты под тепловозом обеспечивается, если

В найденном выше диапазоне возможных значений D_Я необходимо выбрать нормализованное значение, обеспечивающее штамповку листов железа якоря с минимальными отходами, а также вписывание двигателя в габарит подвижного состава.

Нормализованный ряд диаметров якорей: 245, 280, 327, 368, 423, 493, 560, 660, 740, 850, 990 мм. Чем больше D_Я, тем значительнее воздействие центробежных сил на якорную обмотку, поэтому D_Я проверяют по максимальной окружной скорости якоря V_Я _max при конструкционной скорости локомотива:

Расстояние от корпуса двигателя до головки рельса (см. рис. 5.1.), мм,

Окончательно определяют частоту вращения якоря ТЭД в продолжительном режиме, мин^-1:

При выполнении данного раздела необходимо вычертить принципиальную схему силовой цепи тепловоза, за основу которой принять электрическую схему одного из тепловозов с электрической передачей. На схеме должны быть указаны: якоря тяговых электрических машин; обмотки главных и добавочных полюсов; шунтирующие сопротивления ослабления возбуждения ТЭД; силовые контакты поездных контакторов и контакторов ослабления возбуждения; контакты реверсора; система противобоксовочной защиты и система защиты от последствий пробоя изоляции в силовой цепи.

При вычерчивании силовой схемы следует руководствоваться требованиями ЕСКД.

Число щеткодержателей принимается равным числу полюсов: 2 р _Щ = 2 р. Плотность тока под щеткой j_Щ принимается в пределах 11 – 15 А/см². Площадь соприкосновения одного щеткодержателя с коллектором, см²,

Задаваясь значением щеточного перекрытия γ = S_К + 0,5 определяются ширина и длина щётки, см:

где n_Щ - количество щёток в одном щеткодержателе.

Щётки ТЭД имеют ширину 10; 12,5; 16; 20 и 25 мм и длину 32, 40 и 50 мм. Количество щёток в одном щёткодержателе n_Щ выбирают в пределах 2–4.

По условиям прочности коллектор проверяется на максимальную окружную скорость, м/с:

Расчет магнитной системы выполняется для определения размеров магнитопровода и параметров катушек главных и дополнительных полюсов.

Магнитная цепь состоит из пяти участков: (сердечника (ярма) якоря, зубцового слоя якоря, воздушного зазора, сердечников главных полюсов и ярма (спинки) остова), соединенных последовательно, в каждом из которых магнитная индукция принимается постоянной по длине участка.

Активная длина железа якоря определяется из условия допустимой магнитной индукции B_Z_1/3 в самом напряженном участке магнитопровода, которым является зубцовый слой, м:

Магнитную индукцию в сечении зубца на 1/3 высоты паза выбирают по рис. 7.3. в зависимости от частоты перемагничивания зубца (f = p n _H/60).

Полученное значение l_Я не должно превышать 0,49-0,52 м для односторонней передачи и 0,42-0,45м – для двусторонней. Если значение l_Я выходит за указанные пределы, то необходимо увеличить B_Zl_/3, при этом увеличатся потери в стали и снизится КПД машины.

Вопрос о принятии одно или двусторонней передачи решается исходя из номинального крутящего момента на валу ТЭД, Н∙м:

где η_ТЭД – 0,9 – КПД тягового двигателя (предварительный).

Если М_Н ≤ 6800 Н∙м, принимают одностороннюю передачу, в противном случае (М_Н > 6800 Н∙м) рекомендуется двухсторонняя передача.

Длина стального пакета якоря l_Я проверяется по допустимой индукции в воздушном зазоре B_δ. которая не должна превышать 1,1 Тл (11000 Гс):

Если при определении l_Я не выполняется, хотя бы одно из условий (8.1), (8.3), необходимо расчёт якоря повторить, увеличив число проводников N в пределах допустимой линейной нагрузки

По окончательно принятой длине l_Я определяется сечение участков магнитопровода с учетом того, что общая длина ТЭД при односторонней зубчатой передаче не может быть больше 1,135-1,185 м, а при двусторонней – 1,05-1,10 м.

Сечение воздушного зазора, через который проходит магнитный поток, м²,

где В_Я = 1,4-1,6 Тл – допустимая индукция в железе якоря.

k_С = 0,97 – коэффициент заполнения сердечника сталью;

Сечение сердечника якоря (без учета зубцового слоя), м²,

где h_Я – активная высота сечения сердечника (ярма) якоря, м,

Сечение Q_Я загружено половинным значением Ф_О, так как магнитный поток полюса в сердечнике якоря разветвляется, замыкаясь на соседние полюса противоположной полярности.

Активная высота сердечника якоря увеличивается при наличии вентиляционных каналов диаметром d_K, которые расположены в п _к рядах в шахматном порядке. Расстояние между центрами вентиляционных каналов должно равняться (2,5 – 3,0) d_K. Диаметр каналов d_K принимают равным 0,02 м, число рядов п_К = 2.

При указанном расположении вентиляционных каналов связь между конструктивной h^’_Я и активной h_Я высотами сечения сердечника якоря определяем формулой:

Окончательно в (8.6) подставляется значение h^’_Я и определяются сечение сердечника якоря и магнитная индукция в сердечнике, Тл:

Сечение полюсного сердечника Q _m определяется по допустимой индукции B _m Для тепловозных ТЭД принимают В _m = 1,5 – 1,7 Тл. Длина сердечника главного полюса l _m = l _Я, ширина b _m зависит от рассеяния магнитного потока, которое учитывается коэффициентом магнитного рассеяния σ = 1,15:

где 0,95 – коэффициент, учитывающий заполнение сердечника полюса сталью.

Окончательно сечение полюсного сердечника рассчитывается по выражению, м²:

Переход сердечника полюса в полюсный наконечник, образующий заплечики, на которые опирается катушка (точка "а" на рис. 8.1.), намечают так, чтобы расстояние Δ = 4 – 6 мм.

Высоту сердечника полюса h _m принимают предварительно равной (0,2 – 0,25)τ. Окончательно h _mопределяется по условию размещения на сердечнике катушки главного полюса, когда будут установлены ее размеры.

Выбрав значение индукции в станине B _S (для тепловозных тяговых электродвигателей B _S = 1,4 – 1,6 Тл), определяют сечение станины Q_S:

При выполнении эскиза магнитной цепи ТЭД (см. рис. 8.1.) проводят внешнюю окружность якоря диаметром D_Я, а по известным размерам паза и числу пазов – зубчатый слой.

Толщина остова у главного полюса определяется по формуле, м:

толщина круглого остова (шестиполюсный ТЭД) –

Для создания расчетного магнитного потока Ф_О необходима намагничивающая сила (н.с.) катушки полюса F, способная провести Ф_О по всему магнитопроводу. Вначале определяется н.с. каждого участка, а по рис. 8.1, который выполнен в масштабе, принимают длины магнитных линий для соответствующих пяти участков. По таблицам намагничивания (см. приложение) находят напряженность магнитного поля Н и, умножая ее на длины соответствующих участков L, определяют магнитные напряжения (н.с.):

где μ_О = 1,25 – магнитная проницаемость воздуха;

k_δ – коэффициент воздушного зазора, учитывающий увеличение пути магнитного потока вследствие зубчатого строения якоря;

Полная н.с. катушки ∑ F_X_._X, необходимую для проведения Ф_О при работе машины без нагрузки, определяется суммированием н.с. всех участков магнитной цепи, А:

При работе двигателя под нагрузкой на магнитный поток оказывает размагничивающее действие реакция якоря, поэтому н. с. полюсной катушки, А,

где k_p – коэффициент, учитывающий долю н. с. реакции якоря, воздействующей на главное поле машины (ориентировочно можно принять k_p = 0,12);

Число витков и сечение проводника катушки возбуждения определяются по току возбуждения, А:

где a_m – число параллельных ветвей обмотки возбуждения (рекомендуется при I _дн ≤ (700-750) А принимать а_m = 1, а при больших токах нагрузки –
а_m = 2).

Площадь сечения проводника определяется по допустимой плотности тока: q_B = i_B/j_B; j_B = 4,0 – 7,5 А/мм². Полученное значение сравнивается с табличными данными и округляется в большую сторону до одного из размеров.

Если нет требуемого сечения, следует найти соотношение сторон половинного (или 1/3, 1/4) сечения, а затем высоту проводника удвоить (утроить, учетверить).

Намотка катушки главного полюса осуществляется в два ряда плашмя (на широкую грань) так, чтобы оба вывода были снаружи катушки. Между витками находится миканитовая прокладка толщиной 2 мм.

Изоляция между витками осуществляется с помощью прокладок из асбестовой бумаги толщиной 0,35 мм, высота которых превышает высоту меди на 1 мм, что предупреждает перекрытие между витками. Сверху вся катушка имеет покровную изоляцию толщиной 0,15 мм, намотанную в один слой вполуперекрышу.

Размеры проводников и их расположение подбирают таким образом, чтобы расстояние между катушками главных и дополнительных полюсов было 12 – 15 мм.

При расчете размеров катушки необходимо учесть, что толщина пружинного фланца, крепящего катушку, у главных полюсов составляет 3 мм, у дополнительных – 2 мм; толщина немагнитных прокладок между сердечниками дополнительных полюсов и остовом – 3 – 4 мм.

По результатам компоновки катушки и главного полюса окончательно уточняется высота его сердечника h_m.

Параметры дополнительного полюса приближенно определяются по значению н.с. F_p_.я. Магнитный поток их должен компенсировать реакцию якоря и создавать коммутирующий поток для компенсации реактивной ЭДС коммутирующих секций якорной обмотки.

В результате н.с. дополнительного полюса определяют по формуле:

Учитывая последовательное соединение дополнительных полюсов между собой и с якорем, можно принять i_Д.П = I_Д, тогда число витков,

Площадь сечения проводника дополнительного полюса, мм²,

где Δ i _{Д. П} = 4,0 – 8,0 – плотность тока в проводнике катушки, А/мм².

Сечение меди катушки дополнительного полюса и ее изоляции можно принять такими же, что и для главного. Магнитная цепь дополнительного полюса состоит из сердечника полюса, якоря, остова и двух зазоров: между наконечником полюса и якорем и сердечником полюса и остовом. Второй зазор заполняют диамагнитными прокладками, которые позволяют изменять величину магнитного сопротивления а, следовательно, и коммутирующую э. д. с. Оптимальную величину второго зазора подбирают на основании результатов коммутационных испытаний тяговых электродвигателей. Намотка витков катушки обычно осуществляется «на ребро» (на узкую грань). Длина сердечника по оси машины принимается равной активной длине якоря: l_Д.П = l_Я. Ширина сердечника дополнительного полюса b_Д.П _m ≈ (1,1 – 1,5) t_Z. Воздушный зазор под дополнительным полюсом δ_Д.П = (1,5

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: