МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Кафедра «Электрические машины»

Курсовой проект

Проектирование тяговых электрических машин постоянного и пульсирующего тока

Пример расчёта шестиполюсного тягового двигателя с компенсационной обмоткой

Выполнил: студент группы V – ЭТ

Рыбников М.Е.

Проверил: Семёнов Н.П.

Санкт-Петербург

2004

В работе приведен расчет шестиполюсного тягового двигателя с компенсационной обмоткой для грузового электровоза.

Источником энергии для электровоза служит однофазная контактная сеть с напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц. Тяговый двигатель получает питание от трансформатора с выпрямительной установкой.

Исходные данные, параметры передачи, якорь и коллектор Исходные данные

Двигатель постоянного тока подвесно-осевой

для электровоза

Расчетный режим часовой

Мощность Р_н,кВт 650

Скорость движения электровоза, км/ч:

- в номинальном режиме V_н 54

- конструктивная V_мах 100

Напряжение, В 1300

Коэффициент использования мощности при максимальной скорости к_р = Р_пмах /Рн 0,7

Диаметр движущего колеса D_к, м 1,25

Диаметр оси колесной пары D₀, м 0,21

Ширина колеи, м 1,52

Вентиляция независимая

Коэффициент пульсации тока, К_i 0,25

Определение передаточного числа зубчатого редуктора

Диаметр большого зубчатого колеса

D_z= D_к – 2∙(δ₃ + g) = 1,25 – 2∙(0,130 + 0,018) = 0,954 м

Ориентировочное значение передаточного числа

Примем

μ = Z/z = 96/24= 4

Тогда:

- диаметр делительной окружности шестерни

d_z= D_z / μ = 0,954/4 = 0,238 м;

- номинальная частота вращения якоря

п_н = (5,3∙ μ ∙ V _н )/ Dк = (5,3∙4∙54)/1,25 = 916 об/мин;

- номинальный момент

М_н = 9550∙Р_н/ п_н = 9550∙650/916 = 6777 Н∙м;

- толщина тела шестерни: b = (d_z – d_k -2 m)/2 = (0,238 – 0,128 – 2∙0,01)/2 = 0,045 > 0,02-0,03 м;

- диаметр, конца вала двигателя

м

- модуль зацепления

т = D_z / Z = 0,954/96 = 0,01 м.

Определение диаметра и длины якоря

Расстояние между центрами зубчатых колес:

С = К_ф∙(Z+ z)∙m/2 = 1,01 ∙(96 + 24)∙0,01/2 = 0,606 м

Максимальный диаметр якоря:

D_мах = 1,42∙(С - 0,5∙D₀) = 1,42∙(0,606 - 0,5∙0,21) = 0,711 м

Меньший ближайший нормализованный диаметр равен 660 мм, поэтому D_а равен 0,66 м.

Длина якоря ориентировочно:

l_a= М_н/С_М∙ D_а ³ = 6777/(8,4∙10⁴∙0,66³) = 0,281 м.

Примем l_a = 0,28 м (280 мм).

Максимальная частота вращения якоря

n_мах == 5,3∙ μ ∙V_мах/ Dк = 5,3∙4∙100/1,25 = 1696 об/мин.

Испытательная частота вращения

n_исп = 1,25 ∙n_мах = 1,25∙1696 = 2120 об/мин.

Окружная скорость якоря в номинальном режиме

V_а = (π∙ D_а )/60∙n_н = (3,14∙0,66)/60∙916 = 31,7 м/с;

при испытательной частоте вращения

V_{а исп} = (π∙ D_а )/60∙n _исп = (3,14∙0,66)/60∙2120 = 73,3< 90-100 м/с.

Обмотка якоря, уравнительные соединения

Ток якоря:

I_н = Р_н∙10³/(U_н∙η)= 650∙10³/(1300∙0,94) = 531,9 А.

Ток продолжительного режима:

I_∞= k_в∙ I_н = 0,9∙532 = 479 А.

Ток параллельной ветви обмотки якоря по условиям коммутации и технологическим соображениям не должен быть более 250—300 А. По этим условиям в рассчитываемой машине принята простая петлевая обмотка, и тогда ток параллельной ветви будет:

I_а = I_н /2а = 532/6 = 88,67 А.

Исходя из допустимых значений напряжения между соседними коллекторными пластинами u_кср = 14-17 В и пазового деления t₁ = 2,2-3,5 см и учитывая, что условия симметрии обмотки (z/а; К/а; 2р/а) должны быть целыми числами, примем число пазов z = 96; число элементарных пазов в реальном пазу u = 4. Тогда:

- число коллекторных пластин

К = z∙u = 96∙4 = 384,

- пазовое деление

t₁ = π∙Dа/z = π∙66/96 = 2,16см;

- общее число стержней обмотки

N=2∙К = 2∙384 = 768 ;

- число стержней на паз

N_z = N/z = 768/96 = 8;

- сумма токов в пазу

I_а ∙N_z = 88,67∙8 =709,36 А;

- линейная нагрузка якоря,

А = I_а ∙N_z / t₁= 88,67∙8/2,16 = 328,407 А/см = 3,28∙10⁴ А/м;

- магнитный поток в номинальном режиме

Ф = 0,96∙U_н∙ 60∙а/(р∙N ∙n) = 0,96∙1300∙60∙3/(3∙768∙916) = 0,106 Вб;

- индукция в зазоре:

В_δ = Ф/(α∙τ∙l_a) = 0,106/(0,72∙0,345∙0,28) = 1,524 Тл

индукция допустима в соответствии с кривой 3 [см. 2, рис.13.4];

- полюсное деление:

τ = π∙Dа/2р = 3,14∙0,66/(2∙3) = 0,345 м;

- частота перемагничивания сердечника якоря в номинальном режиме

f=р∙n_н/60 = 3∙916/60 = 45,8 Гц;

- плотность тока в обмотке якоря

j = К_θ /А = 40∙10⁴/(3,28∙10⁴) = 12,2А/мм².

Принимаем 12,5 А/мм².

Сечение проводника обмотки якоря

q = I_а /j= 88,67/12,5 = 7,094 мм².

Ориентировочно определяем:

глубину паза

h_z = (0,08...0,12) ∙ τ = 0,12∙0,345 = 0,0414 м = 41,4 мм;

ширину зубца (приняв индукцию на 1/3 высоты зубца от дна паза равной В_z⅓ =2,2Tл)

Z_⅓= B_δ∙t₁/( В_z⅓∙k₁)= 1,524∙2,16/(2,2∙0,94) = 1,59 см;

ширину паза

b_п = t_⅓- Z_⅓ = π[Dа- 1,33 ∙h_z)/z] - Z_⅓= π∙[(66- 1,33∙41,4)/96] - 1 = 2 -1 = 1см.

Расчет размеров паза якоря приведен в табл. 1. Таблица 1

Наименование	Материал	Размеры мм	Число слоев	Общая толщина мм
Проводник	Медь МГМ	4,4/2,65	1/8	4,4/21,2
Витковая изоляция	Провод ППИПК -3	0,175/0,175	2/16	0,35/2,8
Корпусная изоляция	Стеклослюдинитовая лента	0,11/0,11	16/32	1,76/3,52
	Фторопластовая лента	0,11/0,11	4/8	0,44/0,88
Покровная изоляция	Стеклолента	0,1/0,1	2/4	0,2/0,4
Зазор на укладку	-	0, 1/0,3		0,1/0,3
Прокладки	Стеклопласт	-/0,5	-/3	-/1,5
Клин	Стеклопласт	-/5,0	-А	-/5,0
Расшихтовка	-	0,25/-	-	0,25/-
Итого bП/hП =7,5/35,6

Из [1,-табл. 1] выбираем проводник обмотки с размерами 2,65x4,4 ммхмм, сечением 24 мм² (с учетом закруглений), марки ППИПК-3 — медный, прямоугольный, изолированный полиимидно-фторопластовой пленкой с двусторонней толщиной изоляции класса Н — 0,35 мм.

На основе окончательно определенных размеров паза (bП = 7,5 мм и hп = 35,6 мм) производится расчет размеров зубцов якоря в различных сечениях и уточняется значение магнитной индукции.

Ширина зубца по наружной поверхности якоря

z₁ = (t₁-b_П)= 2,15- 0,75 = 1,4 см;

Зубцовое деление на 1/3 высоты зубца от основания

t_1/3= π∙(Dа - 1,33∙ h_z ) /z =3,14∙ (66 - 1,33∙4,14)/96 = 1,97 см;

расчетная ширина зубца

z_1/3 = t_1/3- b_П =1,97-0,75= 1,22см;

Зубцовое деление по дну паза

t₂ = π∙( Dа -2∙ h_z)/z= 3,14∙(66 – 2∙4,14)/96 =1,88 см;

Ширина зубца в основании и средняя ширина

z₂ = t₂ - b_П =1,88 – 0,75 = 1,13см,

z_ср= (z₁ + z₂)/2 = (1,4 + 1,13)/2 = 1,265 см.

Проверяем расчетную индукцию в зубце

В_z1/3 = В_δ∙ t₁/k₁∙ z_1/3 = 0,958∙2,15/0,94∙1,22 = 1,79 Т.

Объем зубцов

V_z= z∙z_ср∙ h_z ∙k₁∙lа = 96∙ 1,265∙4,22∙0,94∙21 ∙10^-6 = 0,0101м³

Масса зубцов

G_z = γ∙ V_z ∙10³ = 7,8∙0,0101∙10³ = 78,8 кг.

Эскиз паза и зубца приведен на рис. 1.

Шаг обмотки:

а) по пазам

у_п = (z/2p) - ε = (96/6) - 0,5 = 15,5;

т.е. если одна сторона катушки размещена в первом пазу, то вторая попадает в пятнадцатый паз (1-15);

б) по элементарным пазам

y₁= у_п ∙u = 15,5∙4 = 62; ε₁ = ε∙u = 0,5∙4 = 2;

в) по коллектору у_к= 1,0.

Шаг уравнительных соединений

y_y=K/p= 576/3 =192, (1-193).

Длина и сечение уравнительного соединения:

у_у = 2,4∙τ = 2,4∙34,5 = 82,80 см,

g_у=0,325∙g = 0,325∙12,24 = 3,97 мм²;

Таким образом, для уравнительных, соединений принимаем провод с размерами 1,68^x2,3 мм^хмм, сечение 3,97 мм².

Общая длина всех уравнительных соединений при одном уравнителе на паз:

Lу = z∙у_у = 96∙82,8∙10² = 80 м.

Масса меди уравнителей:

Gу = γ_м∙g_y∙ Lу = 8,9∙3,97∙10^{6 .}80∙10³ = 2,82кг.

Длина, масса и сопротивление обмотки якоря:

- длина лобовой части

l_s= 2∙A_s + 1,2∙τ + 1,75 = 2,2 + 1,2∙34,5 + 1,75 = 47,15 см;

- длина полувитка

L’_n = l_a+ l_s = 21 + 47,15 = 68,15 см;

- общая длина всех проводов обмотки якоря, учитывая, что число витков в секции равно единице (w_s =1),

L_n =N∙ L’_n ∙ w_s = 1152∙68,15∙10² = 785 м;

- масса меди обмотки

G_n= γ_м ∙g_n∙ L_n = 8,9∙12∙10^-6∙785∙10³= 83,83 кг;

- сопротивление обмотки при 20 °С

а) в Омах

R_а20 == L_n /(57∙g_n ∙(2а)² )= 785/(57∙12∙6² )= 0,0318;

б) в относительных единицах при перегреве на 90 °С относительно температуры охлаждающего воздуха, равной 25 °С

R_а115 = (1 + 95∙0,04)∙R_а20∙I_н/U_н = 1,38∙0,0318∙551/1110= 0,0217.