Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Электрическая тяга»

М. Г. Дурандин

ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Екатеринбург Издательство УрГУПС

2012

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Электрическая тяга»

М. Г. Дурандин

ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Методические указания к курсовому проектированию по дисциплине «Тяговые электрические машины и преобразователи»

для студентов специальности 190303 - «Электрический транспорт железных дорог» всех форм обучения

Екатеринбург Издательство УрГУПС

2012

УДК 629.423.31 Д84

Дурандин, М. Г.

Д84 Тяговые электрические машины и преобразователи : метод. указания / М. Г. Дурандин. – Екатеринбург : Изд-во УрГУПС, 2012. – 107[1] с.

Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальности 190303 – «Электрический транспорт железных дорог» и содержат необходимые сведения для выполнения курсовых проектов по дисциплине«Тяговые электрические машины и преобразователи», а также дипломных проектов по данной тематике. В основу проектных расчетов положены современные принципы конструирования тяговых электродвигателей для электроподвижного состава идействующая методика их проектирования.

Вкаждом разделе приводится полный перечень расчетных формул, сделаны разъяснения действующих ограничений на конструкцию и параметры проектируемых узлов, указаны ссылки на учебную литературу по теории вопроса и методике проектирования, даны рекомендации по стратегии проектирования.

Вприложениях собраны все необходимые для проектирования тяговых электродвигателей справочные данные по современным электротехническим материалам

иих характеристикам.

УДК 629.423.31

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.

Автор: М. Г. Дурандин, доцент кафедры «Электрическая тяга», канд. техн. наук, УрГУПС

Рецензент: В. Ф. Григорьев, профессор кафедры «Электрические машины», канд. техн. наук, УрГУПС

Ó Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2012

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Совершенствование электроподвижного состава является одним из стратегических направлений в развитии железнодорожного транспорта и останется таковым на ближайшую перспективу. Развитие средств электроники и микропроцессорной техники способствует появлению принципиально новых по своим техническим возможностям локомотивов с высоким уровнем автоматизации процессов управления. Однако каковы бы ни были масштабы внедрения новых средств автоматизированного контроля и управления техническими системами локомотивов, их эксплуатационные качества всегда будут определяться техническими возможностями их движителей - тяговых электродвигателей (ТЭД).

Тяговые двигатели, выступая основным потребителем электрической энергии в системе электроподвижного состава, оказывают определяющее влияние на все эксплуатационные качества современных локомотивов, их структуру и элементную базу. В то же время они относятся и к наиболее часто повреждаемым узлам. В среднем до 40 % всего потока отказов электровозов в эксплуатации связано с отказами тяговых электрических машин. В первую очередь этому способствует сложность самой конструкции современных двигателей. Достаточно сказать, что один только коллекторный узел включает в себя более 1000 деталей, при этом точность его сборки и динамической балансировки якоря, масса которого доходит до 1,5 т, должна обеспечивать радиальное биение не более 50 мкм.

Нельзя не учитывать и того обстоятельства, что с момента зарождения отечественного электромашиностроения мощность тяговых двигателей без существенного изменения их габаритов возросла примерно вдвое и в перспективе может достигнуть уровня 1000 кВт на ось. Это свидетельствует о том, что тяговые машины по уровню удельной загруженности относятся к устройствам «предельного» исполнения, т. е. проектируемым по пределу тепловой, механической, потенциальной и коммутационной устойчивости.

В этих условиях исключительно важная роль отводится процессу проектирования тяговых электродвигателей. В ходе разработки новой конструкции приходится неоднократно уточнять и тщательно увязывать между собой сотни размеров и параметров машины, чтобы обеспечить выполнение большого числа физических, конструкторских, технологических, экономических требований и ограничений.

Сложность проектирования связана и с тем, что по своей физической природе каждый тяговый двигатель представляет собой уникальное устройство, где в едином объеме сведены и одновременно реализуются четыре вида энергии - механическая, магнитная, электрическая и тепловая. Поэтому в процессе

проектирования приходится опираться не только на общую теорию работы электрических машин и физику каждого из явлений, но и учитывать особенности их взаимодействия при совокупной реализации в единой конструкции тягового электродвигателя.

4

Все эти факторы дополняются целым комплексом общих требований по рациональности, надежности, технологичности, ремонтопригодности исполнения узлов и деталей двигателя, а также актуальным для современных условий рыночной конкуренции требованием к экономичности производства машины.

Внастоящее время имеются все предпосылки для выполнения расчетов тяговых электродвигателей автоматизированным способом, и такие программные разработки существуют. Однако практика показывает, что комплексная увязка узлов машины в каждом случае требует индивидуального подхода в поиске наиболее оптимального варианта конструкторского решения.

Входе выполнения курсового проекта перед студентами ставится задача ознакомления с общими положениями, принципами и методиками проектирования коллекторных тяговых двигателей электроподвижного состава. Общий объем работы и требования, предъявляемые к уровню и качеству проектирования, существенно снижены в сравнении с реальными проектами. Достаточно сказать, что из общего перечня исключены такие объемные разделы, как тепловой, вентиляционный и механический расчеты. Главное внимание уделено вопросам разработки конструкции основных частей и их взаимосвязи в системе тягового электродвигателя. В то же время оставлено одно из главных требований для любого проектировочного процесса по рациональности разрабатываемой конструкции, предполагающее выполнение заданных технических параметров машины при минимальности ее размеров и связанных с этим расхода конструкционных материалов и ожидаемой стоимости изделия.

Методические указания разработаны с целью облегчения студентам процесса самостоятельной работы по проектированию тяговых электродвигателей на заданные параметры. В своей основе пособие опирается на традиционную методику проектирования тяговых машин, разработанную и используемую в настоящее время коллективами проектировщиков отечественного локомотивостроения.

По уровню сложности пособие адаптировано к среднему уровню студентов технических вузов и содержит полный перечень расчетных формул, рекомендаций и справочных данных для проектирования тяговых электродвигателей постоянного и пульсирующего тока. При необходимости ознакомления с особенностями расчетов других разновидностей тягового привода или частей машины студент может обратиться к рекомендуемой технической литературе или уточнить их на индивидуальной консультации у руководителя курсового проектирования.

Выполнение курсового проекта допускает широкое использование современной вычислительной техники на любом из этапов проектирования– при расчете и анализе сравнительных вариантов конструкции узлов и деталей -ма шины, при расчете магнитных и рабочих характеристик двигателя, при оформлении расчетной пояснительной записки, при разработке чертежной части проекта.

5

1 Исходные данные и содержание проекта

В качестве исходных данных для проектирования ТЭД задаются:

-номинальная мощность двигателя Pн , кВт;

-номинальное напряжение питания двигателя Uн , В;

-корпусное напряжение Uкорп , В;

-номинальная скорость движения локомотива vн, км/ч;

-конструкционная скорость движения локомотива vmax, км/ч;

-номинальный коэффициент регулирования возбуждения bн ;

-диаметр бандажей ведущих колес Dб , м ;

-ширина колеи bк, м;

-диаметр оси колесной пары dоси, м ;

-предполагаемый вид торможения в системе локомотива;

-вид системы вентиляции машины;

-род тока локомотива;

-назначение тяговой машины.

По усмотрению преподавателя задание может дополняться и некоторыми другими исходными данными, уточняющими специфику и особенности проектируемой машины.

В соответствии с перечисленными параметрами на проектирование курсовом проекте ставится задача по разработке рациональной конструкции тягового электродвигателя и его основных узлов– якоря, коллектора, магнитопровода, главных и добавочных полюсов, а также по расчету его рабочих характеристик. Под рациональной понимается такая конструкция ТЭД, в которой реализуются все заданные в исходных данных технические характеристики машины, выполняются все установленные ограничения на ее расчетные параметры и узлы при минимально возможном объеме и габаритах проектируемого двигателя.

Полное содержание курсового проекта включает в себя расчетную и графическую части. Расчетная часть представляется в виде пояснительной записки, состоящей из следующих основных разделов проектного расчета:

-Расчет параметров зубчатой передачи.

-Расчет активного слоя якоря.

-Расчет щеточного аппарата.

-Расчет компенсационной обмотки.

-Расчет магнитной цепи.

-Расчет стационарной коммутации.

-Расчет добавочных полюсов.

-Расчет рабочих характеристик и технико-экономических показателей.

Графическая часть проекта включает в себя два сборочных чертежа тяго-

вого двигателя формата А1 с изображениями продольного и поперечного разрезов.

6

Для выполнения курсового проекта рекомендована следующая основная методическая литература:

1Проектирование тяговых электрических машин : учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. – Изд. 2-е, перераб. и доп. / Под ред. М. Д. Находкина. – М. :

Транспорт, 1976. – 624 с.

2Проектирование тяговых электрических машин : учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. М. Д. Находкина. – М. : Транспорт, 1967. – 536 с.

3Курбасов А. С., Седов В. И., Сорин Л. Н. Проектирование тяговых электродвигателей: учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. А. С. Курбасова. – М. : Транспорт, 1987. – 536 с.

4Справочник по электроподвижному составу, тепловозам и дизельпоездам / Под ред. А. М. Тищенко. – М. :Транспорт,1987. – Т.1. – 354 с.

5Костенко М. П., Пиотровский Л. М. Электрические машины: учеб. для студентов высш. техн. учеб. заведений. – Ч.1. Машины постоянного тока. Трансформаторы. – Изд. 3-е, перераб. – Л. : Энергия, 1972.– 544 с.

6Захарченко Д.Д., Ротанов Н. А. Тяговые электрические машины: учеб. для вузов ж.-д. трансп. – М. : Транспорт, 1991. – 343 с.

Впервых трех изданиях [1–3] приводится полная методика проектирования различных типов тяговых двигателей с демонстрацией числовых примеров. По справочнику [4] можно ознакомиться с параметрами, характеристиками и рабочими чертежами отечественных тяговых двигателей для действующих типов электровозов и электропоездов. Вопросы теории работы и конструкции рассматриваются в учебниках [5, 6].

Помимо указанной методической литературы в проведении расчетов и при разработке чертежей в качестве дополнительных источников могут -ока заться полезными следующие пособия:

Бочаров, Г. В. Василенко и др.; Под ред. В. И. Бочарова, В. П. Янова. – М. : Энергоатомиздат, 1992. – 464 с.

3Иоффе А.Б. Тяговые электрические машины. – Изд. 2-е, перераб. и доп.

–М.; Л. : Энергия, 1965. – 232 с.

4Аброскин П. И. Магистральные электровозы. – М. : Машиностроение, 1967. – 412 с.

5Винокуров В. А., Попов Д. А. Электрические машины железнодорожного транспорта: учеб. для вузов. – М. : Транспорт, 1986. – 511 с.

7

2 Основные требования и рекомендации к выполнению проекта

Входе выполнения проекта следует понимать, что задание на проектирование тягового двигателя, по существу, является учебным. Это означает, что главной целью ставится изучение основных принципов и методики проектирования тяговых электрических машин, закрепление и расширение знаний по теории их работы и конструкции, привитие навыков к выполнению сложных инженерных расчетов, развитие технического образа мышления, способностей к анализу и поиску решений в условиях многовариантного выбора.

Решается эта задача, в первую очередь, через творческую работу самого студента с технической литературой. Необходимо стремиться не просто к формальному использованию расчетных формул, а к пониманию физического смысла каждого параметра и формулы в целом, к раскрытию описанных в них взаимосвязей, действующих между отдельными параметрами и частями машины.

Демонстрируя в ходе расчетов проверки по выполнению тех или иных ограничений на конструкционные параметры машины, необходимо обращать внимание не столько на их числовые значения, сколько на понимание физической природы этих ограничений и тех последствий, к которым может привести их игнорирование в реальной конструкции.

Входе проектирования отдельных узлов двигателя и при анализе промежуточных результатов расчета полезно производить их сравнение с соответствующими аналогами существующих тяговых электродвигателей. Использование справочной литературы в значительной степени облегчает изучение взаимосвязей, действующих между параметрами и частями машины, помогает в принятии обоснованного решения в условиях неоднозначного выбора, а также позволяет избежать явных конструкторских ошибок и промахов. В то же время стремление к абсолютному совпадению числовых значений с прототипом проектируемого двигателя лишено практического смысла. Каждая машина по своей конструкции действительно уникальна, поскольку в сильной степени зависит от любого из исходных параметров на проектирование.

Если в ходе расчетов потребуются данные уточняющего характера, не указанные явно в основном перечне исходных данных на проектирование, студент, выступающий в данном случае в качестве конструктора-проектировщика, может их выбрать самостоятельно, руководствуясь справочной литературой и обосновав свой выбор соответствующими комментариями в пояснительной записке.

Вкаждом разделе методических указаний сделаны раздельные ссылки на научные источники по теории вопроса и методике проведения расчетов. Поэтому выполнять любой из разделов рекомендуется после комплексного изучения общих положений теории работы данного узла и методики его расчета. Такая система работы позволяет наиболее эффективно накапливать и запоминать требуемый объем учебных знаний при рациональном использовании временно-

8

го фактора. Кроме того, всестороннее представление вопроса позволяет избежать значительного числа конструкторских ошибок.

Начальный этап проектирования тягового двигателя, как правило, наиболее трудный, поскольку связан с перебором нескольких вариантов решений. Поэтому во избежание ошибок и путаницы первые два раздела рекомендуется заканчивать чистовым расчетом окончательных значений параметров машины. В пояснительной записке промежуточные расчеты можно не приводить, за исключением тех случаев, когда преподавателем ставится задача по сравнительному анализу нескольких вариантов решений.

Пояснительная записка, как и любой проектно-конструкторский документ, оформляется в соответствии с требованиями Единой системы конструкторской документации, в частности по ГОСТ 2.105 - 95 и ГОСТ 7.32-98.

Расчеты, имеющие циклическую структуру, могут выполняться с использованием вычислительной техники и оформляются в виде таблиц, которым предшествует пример расчета табличных значений.

Основной системой счисления при проведении расчетов в курсовом проекте принята международная система единиц СИ. Исключения сделаны только при расчете малых толщин изоляционных покрытий и в случаях использования в формулах эмпирических коэффициентов, числовые значения которых подобраны для устаревших технических систем счисления. В этих случаях к формулам сделаны соответствующие примечания.

Сборочные чертежи тягового двигателя выполняются в соответствии с ГОСТ 2.109–73 на листах формата А1 с использованием одного из разрешенных масштабов изображения по ГОСТ 2.301-68.

Разработку чертежей рекомендуется начинать с изучения справочной и учебной литературы по конструкции тяговых машин и примеров их исполнения. За основу принимаются рабочие чертежи наиболее близкого аналога из числа реальных типов тяговых электродвигателей.

Части двигателя, конструкция которых подлежала расчету, изображаются в соответствии с полученными размерами. Остальные узлы и элементы изображаются по подобию с их изображением на рабочих чертежах выбранного прототипа тягового электродвигателя.

При выполнении чертежной части проекта необходимо добиваться полного понимания содержания и смысла всех чертежных линий, выяснять функциональное назначение изображенных элементов, интересоваться разновидностями их конструктивного исполнения, особенностями технологии их изготовления и сборки, обращать внимание на крепление деталей и их взаимодействие с другими элементами конструкции.

Для успешной защиты курсового проекта студент должен знать теорию работы, методику расчета, назначение и конструкцию основных узлов ТЭД.

9