3.10. Особенности конструкции и расчета тягового генератора постоянного тока (гп–311б)

Основными его узлами являются: станина, якорь, ГП и ДП, подшипниковый щит, щеточный токосъем, воздухозаборный патрубок.

3.10.1. Станина (остов) служит магнитопроводом, на ней размещают ГП и ДП, подшипниковый щит и вентиляционные патрубки. Материал станины – сталь Ст.3. Сечение станины определяют из электромагнитного расчета, размеры – из конструктивных и технологических соображений.

Площадь сечения станины ТГ, см²

(3.42)

где – предварительный магнитный поток на один полюс при Мкс

(1Мкс = 10^-8Вб);

– коэффициент рассеивания, равный для генераторов 1,2;

– индукция в станине, Гс. Предварительно принимают на основании значений электрических и магнитных нагрузок у современных ТГ (см. табл. 3.1). 1Тл = 10⁴Гс.

Мкс

(3.43)

где а – число пар параллельных ветвей;

р – число пар полюсов;

n – частота вращения якоря, мин^-1;

N – число проводников якорной обмотки.

Станина должна закрывать выступающие лобовые части якорной обмотки, поэтому ее длинна:

(3.44)

Толщина станины, см:

(3.45)

Таблица 3.1

Значения электрических и магнитных нагрузок у ТГ, обеспечивающих 1,5 кратное повышение напряжение

Нагрузка	Величина нагрузки
1. Индукция при номинальном режиме, Тл
в воздушном зазоре	0,65 ÷ 0,75
в ярме якоря	0,6 ÷ 0,7
в зубцах якоря на высоты	1,4 ÷ 1,5
в станине	1,1 ÷ 1,5
в сердечнике ГП	1,15 ÷ 1,2
2. Плотность тока, А/мм2
в обмотке якоря при номин. режиме	4 – 10
в обмотке ДП	5 – 6
в обмотке ГП при	3,5 – 6
3. Линейная нагрузка при номин. Режиме AS, А/см	500 ÷ 550
4. Намагничивающая сила обмотки возбуждения одного полюса при	10000 ÷ 12000
5. Тепловой фактор или фактор нагрева , А2/см·мм2	2400 ÷ 4000

Для определения внешнего диаметра станины необходимо знать высоту главного полюса и величину зазора между якорем и ГП.

Высоту полюса можно определить предварительно по графику (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Зависимость от

Величину определяем по формуле:

(3.46)

где – коэффициент полюсного перекрытия, определяется по кривой (рис. 3.20) в зависимости от .→

– полюсное деление, см: ;

– ширина башмака ГП.

Наружный диаметр станины, см:

(3.47)

Внутренний диаметр станины, см:

(3.48)

Масса станины, кг:

(3.49)

Рис. 3.19. Зависимость от

3.10.2. Якорь состоит: вал, остов, сердечник, обмотка, коллектор и крепежный детали.

Якоря тепло­возных тяговых генераторов изготовляют с укороченным валом, т.е. применяют так называемую «безвальную конструкцию», что по­зволяет снизить температуру нагревания обмотки, трудоемкость изготовления и ремонта, а также массу тягового генератора. Так как у генератора ГП311Б применена радиально-осевая система ох­лаждения якоря, при которой необходим свободный подвод возду­ха в центральную его часть (для входа в радиальные каналы), кор­пус имеет ребристую конструкцию и состоит из сварно-литого барабана, к которому приварены литые фланцы: задний использу­ется для соединения с валом дизеля, передний — для напрессовки коллектора.

К барабану корпуса приварены диски продольных ребер (10 шт.). Сер­дечник якоря состоит из пяти штампованных сегментов, которые собирают на продольных шпильках, проходящих через отверстия в сегментах. Собранный и спрессованный сердечник удерживается на корпусе дву­мя стальными обмоткодержателями, стянутыми шпильками и при­крепленными к корпусу болтами и призонными штифтами, кото­рые предотвращают обмоткодержатели от смещения под действием угловых ускорений при пуске и работе дизеля.

Для крепления сердечника применены встречные клиновые шпон­ки, закладываемые в пазы сегментов и ребер. Радиальный натяг между сердечником и корпусом создается расклиниванием шпонок при нагре­том сердечнике. Каждый лист сердечника якоря имеет 155 пазов. Для создания радиальных каналов сердечник разделяют на пакеты и между ними прокладывают листы с распорками (вентиляционные). Вал якоря устанавливают на 2^х рядный сферический самоустанавливающийся роликоподшипник.

Коллекторы являются одним из наиболее сложных узлов по коли­честву деталей, технологии изготовления и ремонта. В тяговых маши­нах применяют коллекторы арочного типа.

Для определения диаметра якоря ГП при расчете необходимо выбрать тип якорной обмотки, который бы обеспечил нормальную работу генератора. Обычно используют 2^х ходовую петлевую, несимметричную, однократно замкнутую, ступенчатую обмотку для которой в условиях тепловозных электропередач: (3.50)

Полученный таким образом округляется в соответствии с нормализованными диаметрами якорей (см. табл. 3.2).

Таблица 3.2

Внешние диаметры якорей МПТ серии П при n = 750 ÷ 1000 мин^-1

в пределах мощности 200 ÷ 2500 кВт

Номер габарита	12	13	14	15	16	17	18	19
, мм	423	493	590	740	850	990	1200	1500

Раньше на тепловозах применялись ТГ с лягушачьими обмотками. Но сейчас их применение считают нецелесообразным, т.к. они уступают петлевым по своим коммутационным свойствам, и тем, что в секциях лягушачьей обмотки перед началом и в конце процесса коммутации происходят значительные всплески тока, затрудняющие процесс коммутации.

Возможность применения «Я» с рассчитанным на генераторе, работающем с заданной , проверяется по его максимальной окружной скорости:

м/с м/с

(3.51)

Предварительное определение длинны якоря производят по

(3.52)

где – среднее значение напряжения между коллекторными пластинами, В

(подсчитывают по формуле Касьянова);

– индукция в , Гс;

– коэффициент полюсного перекрытия;

– окружная скорость якоря, м/с.

Отношение определяется типом якорной обмотки. В простой петлевой 2а = 2р. У двухходовой петлевой 2а = 2·2р. принимают по рисунку (3.19) или = 0,68÷0,72. берут из таблицы 3.1.

3.10.3 Обмотки якоря, которые используются на ГПТ тепловозов, подразделяются на петлевые, комбинированные и многоходовые.

Петлевую обмотку имеют якоря ТГ небольшой мощности.

ТГ с Р > 1350 кВт выполняют с комбинированной или многоходовой обмоткой. На первых тепловозах с такой мощностью применялись комбинированные или лягушечьи обмотки (комбинация или использование двух обмоток – простая петлевая – волновая обмотка).

Так как они уступали петлевым по своим коммутационным свойствам и тем, что в секции лягушачьей обмотки перед началом и в конце процесса коммутации происходят значительные всплески тока, затрудняющие сам процесс коммутации.

Для более устойчивой работы с 1971г. ГП-311Б выполняют с петлевой ступенчатой двухходовой обмоткой якоря и уравнительными соединениями со стороны коллектора, а также применяют стеклобандаж лобовых частей (без ухудшения коммутации).

Рис. 3.20 – Схема 2^х ходовой петлевой ступенчатой обмотки ГП 311Б.

y_z = 1- 16,17; y_к = 2; y_y = 93; y₁ = 46; y₂ = 44; y_k = y₁- y₂ = 2;

Она образуется из 2^х простых петлевых, при этом проводники и коллекторные пластины разных простых обмоток чередуются.

Их главная особенность в том, что соблюдено условие 2а = 2р·m, где m – число простых обмоток в сложной.

Она состоит из 3^х элементарных одновитковых секций (провод ПЭТВСД 2,8x6,3). Изоляция катушки якорной обмотки от корпуса выполне­на тремя слоями стеклослюдинитовой ленты ЛСПЭ-934-ТП и од­ним слоем стеклянной ленты ЛЭС (вполуперекрышу), кроме того, производится выстилка паза пленочной стеклотканью.

Рис. 3.21 – Разрез паза 2^х ходовой ступенчатой обмотки

Каждый проводник изолирован одним слоем слюдинито­вой ленты ЛС (вполуперекрышу), а все пять проводников изолированы стеклянной лентой ЛЭС, пропитанной в лаке КО-916К.

После укладки в якорь обмотку пропитывают в изоляционном лаке вакуум-нагнетательным способом (сушат в вакууме, а пропитывают под давлением) и запекают с целью обеспечения монолитности конструкции, покрывают эмалью, балансируют.

Уравнительные соединения выполнены из меди ПММ размером 1,32x6,3 мм.

Сечение проводника якорной обмотки определяется на основании выбора теплового фактора . Для тепловозных генераторов с радиальной системой вентиляции якоря

(мм2)

(3.53)

где – плотность тока в проводнике обмотки якоря (4÷10А/мм²).

Полученные значения округляются до ближайших размеров по ГОСТу на обмоточную медь. Зная размеры элементарных проводников и кол–во проводников в пазу, определяют размеры паза. Необходимо учесть по высоте паза постановку 3^х прокладок (на дно паза, между секциями и под клин), а так же высоту клина (5 – 6 мм).

Ширина паза

(мм)

(3.54)

Высота паза

(мм)

(3.55)

где – кол-во элементарных проводников, на которые по высоте разделен один эффективный проводник;

– кол-во коллекторных пластин на паз;

, – высота и ширина меди проводника, мм;

– кол-во эффективных проводников в пазу; , (N – кол-во проводников).

, – высота и ширина изоляции проводников;

– допуск на ширину паза;

– высота прокладок;

– высота клина;

– допуск по высоте паза.

Отношение = 3÷4,5 – для тепловозных ТГ.

Затем, определив параметры зубцовой зоны, определяю необходимую длину сердечника якоря

(см)

(3.56)

где – необходимая площадь сечения зубцов на один полюс при допустимой индукции в зубцах и максимальном напряжении

(см2)

(3.57)

= (21000÷23000)Гс; – предварительный магнитный поток на полюс при

(мм)

(3.58)

= коэффициент полюсного перекрытия (0,695÷0,7);

= 0,93÷0,95 – коэффициент заполнения сердечника сталью.

Суммарная длинна сердечника якоря размер, определяемый системой вентиляции. При радиальной вентиляции:

(мм)

(3.59)

где – ширина радиального канала ( 10 мм).

(40÷60) – каналы располагаются через промежутки железа (пакеты) такой толщины.

При осевой вентиляции

Масса меди обмотки якоря:

(кг)

(3.60)

где – кол-во проводников;

– сечение проводника, мм²;

– средняя длинна полувинта обмотки якоря.

(3.61)

где – полюсное деление, см.

3.10.4. Коллекторы являются одним из наиболее сложных узлов по коли­честву деталей, технологии изготовления и ремонта. В тяговых маши­нах применяют коллекторы арочного типа.

Материал коллекторных пластин должен обладать высокой электро­проводностью, механической прочностью, сопротивлением ползучес­ти, достаточной способностью к механической обработке и др. Коллек­тор генератора ГП311Б собран из 465 пластин твердотянутой коллекторной меди с присадкой серебра от 0,07 до 0,14% или кадмия. Легирующие присадки примерно вдвое увеличивают износоустойчи­вость коллектора. Коллекторные пластины имеют повышенную твер­дость (до 100 НВ) и трапециевидную форму.

В тяговых генераторах мощностью 2000 кВт с диаметром якоря 1200 мм применяют коллекторные пластины с ленточными (гибкими) петушками, изготовленными из медной ленты сечением 2x20 мм. Лен­точный петушок нижней частью припаян твердым припоем к коллек­торной пластине, а к верхней его части приклепана и припаяна полос­ка, в которую впаивают припоем ПОС-61 концы катушек обмотки якоря и уравнительные соединения.

Конструкция коллектора арочного типа. Пластины имеют выточки в форме «ла­сточкина хвоста», в которые входят конусные части корпуса с одной стороны и нажимной шайбы с другой. Пластины стянуты со стальны­ми конусами шпильками из легированной стали марки 12ХН2, тер­мически обработанными для достижения высокой прочности и вязко­сти. Пластины изолированы от корпуса манжетами толщиной 2 мм из формовочного миканита марок ФМГ и ФФГА на термореактив­ной глифталевой смоле (здесь буква Ф означает формовочный, М — мусковит (слюда калиево-алюминиевая, не содержащая железа), вто­рая буква Ф — флогопит, А указывает на содержание связующего ве­щества в пределах 8—14 %). = 850 мм.

Коллектор стянут 18 шпильками из легированной стали. После сборки «К» обтачивают и шлифуют, производят динамическую балансировку.

Диаметр коллектора с ленточными петушками:

(3.62)

Окружная скорость коллектора:

(м/с)

(3.63)

Коллекторное деление:

(см)

(3.64)

при > 50 см не должно быть менее 5 мм.

Толщина изоляции между коллекторными пластинами принимается равной 0,8÷1 мм.

3.10.5. Щеткодержатели бывают радиальные и реактивные. В машинах с постоянным направлением вращения применяют щеткодержатели наклонного (ре­активного) типа, в которых оси щеток наклонены к поверхности коллектора.

ГПЗ11Б имеет 10 бракетов, на каждом по 9 реактивных щеткодержателей. Корпус щеткодержателя наклонного типа отлит из кремнистой латуни и имеет две прорези: с наклоном 30° к радиусу кол­лектора (для набегающей щетки) и 10° (для сбегающей щетки). В эти прорези устанавливают щетки (ЭГ-74). Нажатие на щетку должно быть 8—12 Н. Рассто­яние от коллектора до щеткодержателя должно быть 2—3 мм. Уста­новка на тяговый генератор щеток разных марок недопустима, так как это приводит к неравномерному распределению тока в щетках. Нажатие на щетки марки ЭГ-74 размером 12,5x32x65/60 мм осуществляется спиральными пружинами через курки. Ток от щеток отводится по медным плетё3нным шунтам.

Для осмотра щеток имеется поворотная траверса, которая в положении нейтрали фиксируется стопорными болтами. Траверса с щеткодержателями может поворачиваться на угол 360°. Привод траверсы механический от трещотки валоповоротного механизма. Траверса предназначена для удобства обслуживания и ремонта.

В последнее время на ГП-311Б устанавливают щеткодержатели, обеспечивающие постоянное нажатие на щетку в пределах нормы без регулировки независимо от износа. Корпус имеет одно гнездо, в которое устанавливается разрезная щетка с резиновым амортизатором. Количество щеток уменьшается в два раза, они не имеют наклона.

При расчете ширина щетки определяется щеточным перекрытием и величиной коллекторного деления .

(мм)

(3.65)

Для всех петлевых обмоток щеточное перекрытие:

(3.66)

где – кол-во коллекторных пластин на паз.

Для двухходовых петлевых обмоток требуется выполнить дополнительно условие:

Суммарная площадь щеточного контакта на коллекторе

(см2)

(3.67)

где = 10–15 А/см² – плотность тока под щеткой для тепловозных ТГ.

Щетки выбирают по ГОСТу. Основанием для выбора является ранее подсчитанная величина . По выбранным размерам щетки, устанавливается кол-во щеток в бракете.

(3.68)

Затем обязательно определяется полная длина коллектора

(мм)

(3.69)

где – расстояние между соседними щетками, мм;

– радиус скругления коллекторных пластин ( );

– расстояние крайней щетки до закругления и до канавки ( = 2 мм);

– ширина канавки на коллекторе для выхода камня при шлифовке или фрезы при продорожке коллектора ( ≈ 3÷5 мм);

– ширина петушка коллекторной пластины (18–20 мм).

3.10.6. Главные полюсы состоят из сердечников и катушек. Сердечники глав­ных полюсов набирают из листов холоднокатаной электро­технической стали Э310 толщиной 1 мм (для уменьшения потерь от вих­ревых токов). «ГП» служит для создания основного магнитного потока. Листы покрыты лаком с обеих сторон, спрессованы под давлением 29 МПа и стянуты заклепками. Сталь Э310 обладает по­вышенной магнитной проницаемостью вдоль проката, что приводит к уменьшению требуемой МДС полюсов, т. е. снижению габаритов катушек. В каждом листе сердечника выштамповано прямоугольное отверстие, куда закладывается стальной стержень с резьбовыми отверстиями для крепления полюса к станине.

На главных полюсах размещены катушки обмоток независимого возбуждения и пусковой. Обмотка независимого возбуждения имеет 105 витков и получает питание от возбудителя. Катушки намотаны на каркас, выполнен­ный из листовой стали толщиной 1 мм. Каркас имеет бурты, удержи­вающие рамки, изготовленные из прочной и теплостойкой пласт­массы. На каркас наложена изоляция из четырех слоев гибкого стекломиканита на кремнийорганическом лаке и одного слоя стеклоленты.

Пусковая обмотка(3 витка) выполнена в виде отдельной шайбы и расположена у полюсного башмака, затем установлена стеклотекстолитовая изоляционная шайба, выше которой намотана обмотка независимого возбуждения. Такое расположение катушек обеспечи­вает хороший отвод тепла. Между витками пусковой катушки проложена асбестовая бумага. Пусковую катушку пропитывают в кремнийорганическом лаке К-47(окунанием).

В процессе намотки каждый слой катуш­ки независимого возбуждения промазывают кремнийорганическим лаком КО-916К или компаундом. Пустоты заполняют замазкой П-11. Готовую катушку пропитывают в лаке К-47, запекают и по­крывают электроизоляционной эмалью.

Из десяти главных полюсов генератора пять имеют перекрещенные выводы, а пять — открытые. Это сделано для чередования полярности полюсов и упрощения кон­струкции соединительных шин. Все обмотки между собой соединены последовательно.

Длинна сердечника ГП принимается равной конструктивной длине сердечника якоря или < на 5 мм:

(3.70)

Ширина сердечника ГП определяется величиной максимального магнитного потока, проходящего через полюс:

(см)

(3.71)

где – максимальная индукция в сердечнике главного полюса;

= 0,95 – коэффициент заполнения сталью;

– коэффициент рассеивания.

Площадь сечения сердечника ГП:

(см2)

(3.72)

Ширина башмака главного полюса (ГП):

(см)

(3.73)

где – коэффициент полюсного перекрытия;

– полюсное деление, см.

Масса сердечников ГП:

(кг)

(3.74)

3.10.7. Добавочные полюсы – расположены по нейтрали, т.е. между главными полюсами. ДП создают магнитное поле, которое наводит в коммутирующих витках э.д.с., направленную против э.д.с. самоиндукции. Чтобы поле действовало только в зоне коммутации, ширину сердечника ДП делают небольшой. Обмотки ДП соединены последовательно с обмоткой якоря. под ДП несколько больше, чем под ГП. Витки ДП располагают ближе к якорю, а между остовом и сердечником ДП устанавливают немагнитные прокладки, чтобы воздушный зазор разбить на 2 части. Это позволяет уменьшить рассеяния магнитного потока и влияние на коммутацию вихревых токов.

Сердечники изготовлены из толстолисто­вой стали Ст3. Они сужены в части, обращенной к якорю, внизу к сердечнику приклепаны латунные или дюралюминиевые угольни­ки. Сердечник полюса изолирован от катушки спрессованным и спеченным миканитом 3 или стеклотканью на эпоксидной смоле. Катушка опирается на угольники и фиксируется стальной наклад­кой и пружиной. Катушка полюса состоит из шести витков шинной меди. Между витками уложены стеклотекстолитовые про­кладки толщиной 2 мм. Готовую катушку покрывают электроизоляционной эмалью ГФ-92.

Число витков ДП

(3.75)

где – магнитодвижущая сила одного ДП, определяется величиной поперечной реакции якоря на один полюс

(А·в)

(3.76)

Обычно = (1,25÷1,35), поэтому

(3.77)

Катушки ДП практически всегда соединяют последовательно, но если

4200 А, то их включают в 2 параллельные ветви, тогда:

(3.78)

После определения сечения проводника обмотки ДП определяют длину сердечника ДП: . (3.79)

Ширина наконечника ДП

(см)

(3.80)

где – ширина зубца поверху.

Поперечное сечение сердечника ДП:

(см2)

(3.81)

Масса обмотки ДП:

(см2)

(3.82)

где – сечение медной полосы обмотки ДП;

– длина одного витка обмотки ДП.