Коллектор и щетки

Диаметр коллектора

D_к = 0,8∙D_а = 0,8∙66 = 52,8 см.

Принимаем ближайший нормализованный диаметр D_к = 52 см

Окружная скорость коллектора при номинальной и максимальной частоте вращения

V_к = π∙D_к∙n/60 = 3,14∙0,52∙916/60 = 24,94 м/с.

V_{к мах} = π∙0,52∙1696/60 = 46,18 м/с.

Возможность сжатия миканитовых прокладок между коллекторными пластинами оценивается коэффициентом

К_ik = (2∙ V²_{к мах}/ D_к) ∙(n_исп/n_мах)² = (2∙46,18²/52) ∙ (2120/1696)² = 128,16 < 190.

Коллекторное деление

t_К = π∙D_К/К = 3,14∙520/384 = 4,25 мм .

Толщина коллекторной пластины

b_к=tк-b_i = 4,25-1,2 = 3,05 мм,

где b_i - толщина изоляции между коллекторными пластинами.

Контактная поверхность щеток одного щеткодержателя

S_Щ = 2∙I_н/g∙j_щ = 2 ∙531,9/6∙15 = 11,82 см²,

где j_щ –плотность тока под щеткой,

g— число щеткодержателей.

Ширина щетки ограничивается допустимой шириной коммутационной зоны и принимается предварительно равной:

b_щ < 0,2∙τ∙(D_к/D_а) ∙ (1 - α) = 0,2∙34,5∙ (52/66) ∙(1 - 0,66) = 1,85 см.

По ГОСТ 2332-75 выбирается разрезная щетка марки ЭГ-61А размером 10^x40 мм^хмм.

На коллекторе устанавливаются две щетки по окружности коллектора 2^x10 мм и три по длине коллектора 3^x40 мм (n_щ= 3).

Щеточное перекрытие

γ = (b_щ/t_к) < (u+1); γ= 2∙10/4,25 = 4,7 < 4+1.

Длина рабочей части коллектора

l_k =n_щ∙l_щ+∆l= 3∙40 + 16 = 136 мм,

где ∆l учитывает расстояние между щетками по длине коллектора с добавлением l₁= 5-8 мм на шахматное расположение щеток по коллектору и расстояние от краев коллектора до щеток l₂=10-15 мм.

С учетом ширины петушка (l_п =18 мм) и кольцевой выточки

(l_кв ⁼ 8 мм) общая длина коллектора получается равной l'_к =162 мм.

Высота коллекторной пластины

h_к = (2,2...2,8) •( ⁴√D_k )- 1 = 2,8 • ⁴√52 - 1 = 6,52 см.

Примем h_к = 6,5 см, тогда:

-приближенная масса меди коллектора

G_k =γ_m[π∙(D_k-h_k)-K∙b_i]∙h_k∙l’_k∙10^-3= 8,9[3,14∙(52 - 6,5) - 384 ∙ 0,12] ∙6,5 ∙16,2 ∙10 ^-3 = 91кг;

-ширина коммутационной зоны

b_кm = t_к(u - (а/р) + γ + ε₁)∙Dа/D_k = 0,425∙(4- 3/3 + 4,7 + 2)∙66/52 = 5,23 см.

Отношение ширины коммутационной зоны к междуполюсному окну:

b_кm /τ∙(1 - α) = 5,23/34,5∙(1 - 0,66) = 0,446 < 0,5.

Это позволяет сделать вывод, что ширина щетки выбрана правильно.

Воздушный зазор под главными полюсами при наличии компенсационной обмотки

δ > (0,006...0_,008)∙D_a = 0,006∙660 = 3,96 мм.

Примем δ = 4 мм, тогда

коэффициент воздушного зазора якоря

К _δа = (t₁ + 10∙ δ)/(z₁ + 10 ∙ δ) = (2,16 + 10∙0,4)/(1,4 +10∙0,4)=1,14.

Коммутация и дополнительные полюсы

Удельная магнитная проводимость пазовой и лобовой частей секции обмотки:

λ_N= 0,6∙(h_z/b_п) + l_s/l_a = 0,6∙(42,1/10,0) + 47,15/28 = 4,21.

Среднее значение реактивной э.д.с. за цикл коммутации:

е_Rср = 2∙w_sA∙l_аV_a λ_n ∙10⁶ = 2∙1∙3,28∙10⁴∙0,21∙36,95∙4,21∙10 ^-б = 4,29В.

Коэффициент пульсации тока к_i при питании тягового двигателя от контактной сети переменного тока принимается равным 0,25. Поэтому дополнительная реактивная э.д.с., связанная с пульсацией тока, определяется равной 0,25 части средней реактивной э.д.с., умноженной на 0,5:

∆е_ср=k_w ∙к_i∙ е_Rср = 0,5∙0,25∙4,29 = 0,536 В,

где К_№ - коэффициент, определяющий степень компенсации дополнительной реактивной э.д.с. дополнительными полюсами.

Таким образом, полное среднее значение реактивной э.д.с. будет определяться следующим выражением в моменты максимума тока:

е'_Rср = е_Rср +∆е_ср = 4,29 +0,536 = 4,83 В.

Расчет индукции под дополнительными полюсами проводится по среднему значению реактивной э.д.с. той секции, которая занимает среднее положение в якорной катушке. Коммутация в этой секции проходит во время нахождения паза под серединой добавочного полюса. Средняя реактивная э.д.с. в ней е_R за период коммутации примерно в 1,1 больше средней э.д.с. за цикл коммутации Т_z, то есть

е_R = 1,1∙ е_Rср =1,1 ∙4,29 = 4,72В.

Примем длину дополнительного полюса l_w равной длине сердечника якоря

l_w ⁼ l_a⁼ 28 см.

Индукция под дополнительным полюсом

В_w = е_R /(2 l_w ∙w_s ∙V_а )= 4,72/2∙0,28∙1∙32,3 = 0,26 Тл.

Зазор под дополнительными полюсами со стороны якоря δ_w выполняется на 2…4 мм большим, чем под главными полюсами.

Если δ_w = 8 мм, то ширина наконечника дополнительного полюса

b_w= b_км - 4 ∙δ_w = 5,23 – 4∙0,8 = 2,03 см.

(примем b_w = 2,6 см).

Наконечник дополнительного полюса выполняется со скосами под углом 45° до ширины 3,6 см для получения плавной кривой коммутирующей э.д.с. е_k наиболее приближенной к кривой реактивной э.д.с. e_R. При этом ширина равновеликого по площади прямоугольника, отражающего распределение индукции под дополнительным полюсом, примерно равна удвоенному зубцовому делению:

b_wi = 2∙t₁ =2∙2,16 = 4,3см.

Коммутирующий поток равен

Ф_w =В_w ∙1 _w ∙ b_wi = 0,26∙0,28∙0,043 = 3,13∙10 ^-3 Вб.

Поток рассеяния дополнительных полюсов в 2-3 раза превышает коммутирующий поток. Примем коэффициент рассеяния σ_w = 3, тогда поток дополнительного полюса получается равным

Ф_wm = σ_w ∙Ф_w= 3∙3,13∙10 ^-3 = 9,39∙ 10 ^-3 Вб.

Сечение дополнительного полюса принимается из условия, что индукция в нем В_w не превышает значения

B_w= 1,2/k_i= 1,2/1, 6 = 0,75 Тл,

где К-коэффициент перегрузки тягового двигателя по току в пусковом режиме.

Ширина сердечника дополнительного полюса

b_w = Ф_wm /(В_w∙1_w )= 9,39∙10^-3/0,26∙0,28 = 0,044 м = 4,4 см.

Учитывая, что В_п - индукция в сердечнике дополнительного полюса, а при выходе из сердечника в станину часть потока рассеивается и индукция уменьшается, для расчета намагничивающей силы, преодолевающей сопротивление второго воздушного зазора, принимаем В'_w = = 0,312 Т, т.е. в 2,4 раза меньше, чем в сердечнике.

Для снижения вероятности возникновения кругового огня на коллекторе, при резких повышениях тока, между станиной и дополнительными полюсами выполняется второй зазор, приблизительно равный первому.

Примем δ_wi = 0,5 см.

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

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

F_w = 0,8∙ δ_w ∙k _wδ ∙B _w 10 ⁶ +0,8∙ δ_wi ∙ 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 = 7307А

где коэффициент зубчатости якоря для зазора равен:

k _wδ =t₁+10∙ δ_w /(z₁+10∙ δ_w )= (2,16+ 10∙0,8) /(1,15+ 10∙0,8) = 1,11

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 F_ко определяется при расчёте главной магнитной цепи).

Число витков катушки дополнительного полюса

w_w = F_w/I_Н = 7307/532 = 13,735

примем w_w = 14.