3 Общие принципы оптимизации конструкции тяговых двигателей

Проектирование любой электрической машины является сложной и -не однозначной задачей. Сложность проектирования просматривается уже в том, что при абсолютно одинаковых исходных данных на проектирование конечная конструкция двигателя допускает возможность различных конструкционных решений, т. е. носит многовариантный характер.

В первую очередь, это обусловлено множеством требований и норм, предъявляемых к проекту реальной машины:

-норм стандарта на данную разработку;

-требований по условиям эксплуатации;

-требований в отношении габаритов, массы, механической прочности и долговечности изделия;

-требований к уровню технологичности производства машины и ее -ре монтопригодности;

-ограничений на стоимость конструкции, ее ремонта и обслуживания. При разработке тягового двигателя невозможно в абсолютно равной сте-

пени удовлетворить всем перечисленным требованиям. Так, стремление к минимальной массе, габаритам и стоимости машины неизбежно вступает в противоречие с требованием к высокой прочности ее узлов и уровню надежности их функционирования в эксплуатации. Поэтому в каждом конкретном случае выделяют главные, наиболее существенные с точки зрения заказчика требования, стремясь при этом к возможно более полному выполнению остальных условий.

С другой стороны, сам процесс проектирования тяговых электродвигателей изначально является математически неопределенной задачей– необходимо определить сотни параметров машины по десятку исходных данных. Данную задачу можно сравнить с решением системы уравнений, в которой число уравнений заведомо меньше числа неизвестных. Например, в самом начале расчета для определения центрального параметра двигателя – номинального тока якоря, требуется знать величину КПД. Однако точное значение КПД может быть получено только после завершения всего расчета конструкции, когда станут известны все без исключения параметры проектируемого двигателя.

Отсюда вытекает, что рядом величин, необходимых для начала выполнения расчетов, приходится задаваться и выбирать их предварительные значения исходя из рекомендаций, выработанных практикой проектирования. В целом эти рекомендации вполне обоснованы, поскольку в усредненной форме отражают действующие статистические закономерности. Однако следует понимать, что они не могут гарантировать учета всех индивидуальных особенностей разрабатываемой конструкции и физических факторов, определяющих уровень функционирования для конкретной конструкции проектируемой машины.

Задаваясь ориентировочным значением того или иного параметра, проектировщик через последующие расчетные зависимости предопределяет уровни производных от него характеристик машины, которые на очередном этапе расчета могут вступить в противоречие с установленными для них ограничениями.

10

Например, изначальный выбор чрезмерно малого числа пазов якоря ведет

кросту числа проводников в каждом пазу, что может вызвать их перегрев и нарушение тепловых ограничений. И наоборот, избыточное число пазов приведет

кснижению толщины зубцов якоря до значений, противоречащих их механической прочности или допустимому уровню магнитного насыщения. В интервале же между крайними значениями выбираемого параметра теоретически может находиться бесконечное множество его промежуточных значений, а значит, и дальнейших вариантов развития конструкции проектируемого двигателя.

Если же принять во внимание то количество расчетных параметров, на которые наложены физические, габаритные, конструкционные, технологические и другие виды ограничений в реальном процессе проектирования, то становится понятна главная трудность создания новой машины– нахождение такого оптимального сочетания значений взаимосвязанных между собой параметров, которые удовлетворяли бы всему комплексу действующих на разрабатываемую конструкцию требований и ограничений.

Всилу такой специфики при проектировании тяговых машин неизбежны ситуации, когда в зависимости от принятого первоначального значениявы бранного параметра возникает несколько вариантов конструкции двигателя, и только сравнительный анализ конечных технико-экономических показателей позволяет выявить среди них наиболее экономичный и рациональный.

Для студентов, впервые выполняющих расчет конструкции тягового двигателя, задача по проектированию в полной постановке описанных выше условий не ставится и ограничивается«черновой» разработкой одного из возможных вариантов исполнения машины без всего комплекса требований к рациональности конструкции, уровню ее эксплуатационной надежности, экономичности и технологичности производства.

Тем не менее, в данном проекте перед студентами оставлена задача выполнения главного проектировочного принципа– максимум технических возможностей при минимуме массо-габаритных показателей разрабатываемой конструкции. Для этого необходимо изначально знать те факторы и следовать тем закономерностям, которые оказывают существенное влияние на рациональность конструкции и конечные технико-экономических показатели проектируемого двигателя.

Известно, что электромагнитная мощность двигателя Pэм пропорциональ-

на его электромагнитному моменту Mэм и угловой частоте вращения якоря wa

ных двигателей изменяются по величине в широких пределах в зависимости от заданной мощности машины. Поэтому в теории проектирования абсолютные

11

показатели стараются не использовать, а расчетные выражения представляют через удельные показатели, которые для различных типоразмеров машин остаются примерно постоянными величинами.

В качестве обобщающего удельного показателя магнитной загруженно-

сти двигателя используется понятие средней магнитной индукции в воздушном зазоре под главными полюсами Bd . Через данный параметр требуемая величина магнитного потока для заданной мощности двигателя выражается

p – число пар полюсов.

Приведенное выражение показывает, что при выбранном диаметре якоря и средней магнитной индукции размеры магнитопровода двигателя, зависящие от величины Ф0, будут тем меньше, чем более многополюсной будет его конструкция. Поэтому, если позволяют размеры коллектора, предпочтение отдают машине с возможно большим числом полюсов.

В состав формулы (3.3) входит еще один важный для всех тяговых двигателей удельный показатель полезного использования поверхности якоря– рас-

четный коэффициент полюсного перекрытияad. Он характеризует долю пло-

щади поверхности якоря, которая взаимодействует с потоком главных полюсов

впроцессе реализации полезной мощности. Очевидно, что с ростом этого коэффицента повышается эффективность работы двигателя, а из формулы (3.3) следует, что при этом может быть сокращен аксиальный размер машины la.

Вкачестве универсальной характеристики токовой загруженности якоря

втеории проектирования вводится еще один удельный показатель- линейная токовая нагрузка якоряA, характеризующая плотность распределения тока якорных проводников по длине окружности якоря. Исходя из данного определения, ток якоря Ia двигателя может быть представлен через значение линейной токовой нагрузки

где N – число проводников в якоре;

a – число пар параллельных ветвей в обмотке якоря.

При подстановке зависимостей (3.2) – (3.4) в выражение для электромагнитной мощности (3.1) возникает уравнение, показывающее, за счет каких факторов можно реализовать заданную мощность двигателя

где С – числовая константа.

В первой скобке выражения(3.5) собраны все удельные показатели- пространственного использования поверхности якоря ad , магнитной Bd и токо-

12

вой A загруженности машины. В силу удельного характера их величина для двигателей различной мощности остается примерно постоянной, поскольку отражает достигнутый на сегодняшний день уровень технологии производства и физических возможностей используемых конструкционных материалов. В то же время совокупность этих параметров показывает потенциальную возможность наращивания единичной мощности тяговых двигателей в том же объеме за счет применения более совершенных проводниковых, магнитных и изоляционных материалов с улучшенными физическими свойствами.

Во второй скобке формулы(3.5) выделена величина, пропорциональная объему якоря, а значит, и объему всей машины. Как уже говорилось, рациональным считается вариант, позволяющий вписать заданную мощность в возможно меньшие габариты, поскольку это положительно сказывается на расходе конструкционных материалов, массе машины, ее стоимости и выходных техни- ко-экономических показателях. Кроме того, следует помнить, что на поперечные и продольные размеры двигателя наложены весьма жесткие габаритные ограничения по их вписыванию в размеры тележки, централь и по высоте подвеса двигателя. В контексте решения этой задачи следует иметь в виду, что объем машины зависит от диаметра якоря в квадрате, а от длины – в первой степени. Поэтому при проектировании конструкции якоря, в первую очередь, стремятся полностью использовать его допустимый размер по длине для снижения диаметра – это ведет к общему снижению массо-габаритных показателей всего двигателя.

Важным фактором в уравнении (3.5) выступает и угловая частота вращения якоря wa. Через передаточное число редуктора m она пропорциональна частоте вращения колесной пары wкп , которая, в свою очередь, зависит от заданной номинальной скорости движения локомотива vн и диаметра бандажа Dб

Таким образом, параметры редуктора оказываются связанными с условиями вписывания заданной мощности в конструкцию проектируемого двигателя. Из выражений (3.5) и (3.6) вытекает, что при заданной мощности объем машины будет тем меньше, чем будет выше угловая скорость вращения якоряwa, что требует максимально высокого передаточного числа редуктора m.

Наконец, выражение (3.5) показывает, что в реализации заданного уровня электромагнитной мощности применение волновых обмоток с одной парой параллельных ветвей (а = 1) позволяет снижать общее количество проводников якоря N в тем большей степени, чем большее число пар полюсов у проектируемого двигателя р. Поэтому волновой тип обмоток якоря считается наиболее экономичным по затратам на материалы, по простоте конструкции и по технологии изготовления.

13

4 Расчет параметров зубчатой передачи

Теоретические основы данного вопроса изложены в литературе[6, §6.2], а методика расчета в [1, глава 6], [2, глава 8] и [3, глава 6].

Целью данного раздела является установление передаточного числа -ре дуктора, параметров большого и малого зубчатых колес, межцентрового расстояния, а также связанных c ними основных размеров сердечника якоря, коллектора, их номинальной и максимальной частот вращения.

При расчете должны быть выполнены следующие ограничения:

-на габаритные размеры подвижного состава;

-параметры зубчатой передачи, связанные с надежностью ее работы по механической прочности;

-геометрические размеры зубчатой передачи, связанные с вписыванием тягового двигателя в межцентровое расстояние;

-центробежные усилия, развиваемые на поверхности якоря и коллектора, определяющие механическую прочность их конструкции;

-параметры коллектора, связанные с надежностью его работы по потенциальным условиям и по механической прочности.

В разделе 3 было показано, что частота вращения якоря непосредственным образом влияет на габариты машины и ее технико-экономические показатели. Как известно, редуктор представляет собой промежуточное звено, связывающее тяговый двигатель с колесной парой. При заданном диаметре бандажа

колесной пары Dб его передаточное числоm увязывает между собой частоту вращения якоря в номинальном режимеnaн и заданную скорость движения локомотива vн, влияя тем самым на степень использования активного объема проектируемой машины

где m – передаточное число редуктора;

Dб – диаметр бандажа колесной пары, м;

vн – номинальная скорость движения локомотива, км/ч.

Как уже было сказано, для экономичности конструкции проектируемого двигателя важно, чтобы частота вращения якоря, а значит, и передаточное число редуктора были бы максимально большими. В то же время практика проектирования показала, что в действующих габаритах электроподвижного состава выполнение редукторов с m > 5 ведет к подрезу основания зубьев малого зубчатого колеса передачи, снижая их механическую прочность. Кроме того, рост передаточного отношения редуктора сокращает межцентровое расстояние, ухудшая условия вписывания габаритов проектируемого двигателя в централь.

С другой стороны, передаточное число редуктора не должно оказаться и слишком малым, иначе чрезмерное снижение частоты вращения якоря приведет к неоправданному росту объема и массы машины (формула (3.5)).

14

Наконец, нельзя забывать и о том, что передаточное число редуктора определяет не только номинальную, но и максимальную частоту вращения, от которой зависит уровень центробежных усилий, развиваемых на поверхности якоря и коллектора, и, следовательно, надежность их работы по механической прочности. Из опыта проектирования установлено, что для исключения чрезмерных центробежных усилий максимальная окружная скорость на поверхности якоря не должна превышать va max £ (65…70) м/с, а на поверхности кол-

лектора - vк max £ (52…55) м/с.

Таким образом, передаточное число редуктора является одним из тех центральных параметров, влияние которого в дальнейшем прослеживается на конструкции практически всех узлов тягового двигателя. В силу такой значимости один из возможных вариантов начала расчета состоит в том, что значением передаточного числа редуктораm просто задаются по справочным данным конструкций, схожих с проектируемым ТЭД своими параметрами[4], или близко к его предельно возможным значениям. При таком подходе приемлемость выбранного значения m подтверждается в дальнейших расчетах выполнением всех установленных ограничений и норм на конструкцию ТЭД, а при выходе их за пределы допустимых значений корректируется в нужную сторону с повторным пересчетом конструкции.

В среднем локомотивы с конструкционной скоростью в пределах (110…120) км/ч характеризуются передаточными числами:

-с односторонней передачей 2,8-3,3;

-с двухсторонней передачей 3,8-4,2;

-для двигателей электропоездов 3,3-3,8.

Следует иметь в виду, что приведенные значения передаточных чисел редукторов носят среднестатистический и потому приближенный характер. С ростом конструкционных скоростей локомотивов передаточное число редукторов имеет тенденцию к снижению своих значений относительно указанных величин.

Нахождение оптимального значенияm может оказаться более простым, если за основу взять другой основополагающий для конструкции ТЭД параметр - диаметр якоряDa. Предварительным значением диаметра якоря можно -за даться, исходя из справочных данных аналога проектируемого двигателя[4] или по приблизительным зависимостям в расчетных методиках[1, формулы

(2.6), (2.18)] или [2, формулы (3.18), (3.19)].

Знание диаметра якоря (коллектора) позволяет оценить максимально допустимую частоту вращения якоря, исходя из предельной окружной скорости на его поверхности na max , об/мин

15

Поскольку выражение (4.1) справедливо для любого режима, то, разрешив его относительно величиныm для режима конструкционной скорости движения локомотива, можно сразу найти то наибольшее значение передаточного числа редуктора, которое удовлетворяет ограничению по предельным центробежным усилиям якорной конструкции

где - конструкционная скорость локомотива, км/ч.

Однако при любом варианте начала расчета следует быть готовым к тому, что полученные значения могут оказаться только первым приближением, требующим в дальнейшем своего уточнения для выполнения всей совокупности ограничений на конструкцию ТЭД. Но и в этом случае проделанная работа не является напрасной, поскольку полученные результаты позволяют обоснованно говорить о том, в какую сторону и на сколько следует скорректировать тот или иной параметр машины для выполнения требуемых ограничений.

Отталкиваясь от передаточного числа редуктора, рассчитывают остальные параметры зубчатой передачи. Для получения наибольшего значения передаточного числа редуктора следует исходить и из наибольших значений диаметра делительной окружности большого зубчатого колеса Dz . Это также может оказаться полезным для будущей процедуры вписывания габаритов проектируемого ТЭД в размер централи.

Максимальное значение Dz можно определить по заданному диаметру круга катания бандажей колесной парыDб, и исходя из минимальных габаритных и технологических зазоров

где b – просвет между нижней точкой кожуха редуктора и рельсом. b ³ 120 мм;

D – расстояние между делительной окружностью зубчатого колеса и нижней точкой кожуха редуктора. D ³ (20…25) мм.

Нормальный модуль зацепления зубчатых колес назначают по величине передаваемого момента

где Мн – вращающий момент в номинальном режиме, кН×м; Pн – мощность в номинальном режиме, кВт;

naн – номинальная частота вращения якоря (формула (4.1)), об/мин. Рекомендуемые значения нормального модуля зацепления в зависимости

от вращающего момента приведены на диаграмме рисунка 4.1.

16

7

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 Mн/k', кН×м

k¢ = 1 – при односторонней передаче; k¢ = 2 – при двухсторонней передаче

Рисунок 4.1 – Зависимость нормального модуля зацепления от вращающего момента

Достаточно хорошие приближения к значениям диаграммы рисунка4.1 дают также эмпирические формулы вычисления нормального модуля зацепления m, мм:

- для косозубых и шевронных передач

- для прямозубой передачи

Назначая величину модуля зацепления, следует помнить, что в качестве конечных значений принимаются только целые числа.

При односторонней передаче (область k¢ = 1 на рисунке 4.1) зубчатые колеса выполняют прямозубыми, а один из якорных подшипников двигателя делают упорным, чтобы ограничить перемещение вала в осевом направлении. В случаях значительных величин вращающего момента(превышающих максимальные значения по оси Мн диаграммы на рисунке 4.1) его распределяют на два конца вала двигателя, применяя двухстороннюю зубчатую передачу(область k¢ = 2 на рисунке 4.1). При двухсторонней передаче зацепление выполняют косозубым с углом наклонаY. Наклон зубьев в редукторах одной колесной пары выполняется встречным для компенсации продольных отжимающих усилий. Якорные подшипники в этом случае должны обеспечивать аксиальный разбег якоря порядка (8…10) мм.

17

После выбора нормального модуля зацепления рассчитывают число зубьев большого зубчатого колеса Z

Y = (8…20)º – угол наклона зубьев при косозубой передаче.

По диаметру делительной окружности большого зубчатого колеса опре-

Необходимо следить, чтобы полученный размер dz не оказался чрезмерно малым и обеспечивал достаточность толщины тела шестерниbш ³ (20…25) мм по условию ее механической прочности. Для проверки толщины тела шестерни рассчитывают диаметр конца вала двигателя dвк , м

Если размер bш окажется меньше рекомендуемых пределов, то следует снижать передаточное число редуктора для увеличения размераdz или рассмотреть возможность увеличения размера Dz (формула (4.9)).

Полученные значения числа зубьев зубчатых колес могут потребовать уточнений. Так, при прямозубой передаче число зубьев малой шестерни не выполняют меньше 15-16, а при косозубой – менее 12 из-за возникновения подреза основания корней зубьев и связанного с этим снижения их механической прочности.

Кроме того, чтобы исключить неравномерный износ в процессе притирания одних и тех же зубьев друг к другу, числа Z и z необходимо выполнять взаимно простыми, или, по крайней мере, некратными друг другу.

Нельзя забывать и о , томчто даже при выполнении названных ограничений естественное округление числа зубьев в формулах (4.8) и (4.12) до

18

Окончательные значения найденных параметров зубчатого зацепления позволяют определить централь Ц - расстояние между центрами оси колесной пары и вала тягового двигателя, м

где xк – степень коррекции зацепления. xк = 0,5.

Величина централи характеризует то пространство, которое отводится для вписывания габаритов проектируемого двигателя. Но поскольку конструкционные размеры двигателя пока неизвестны, можно только ориентировочно проверить возможность такого вписывания по соотношению централи и диаметра якоря – как главного параметра машины, задающего его внешние габариты.

Рекомендуется выдерживать следующие соотношения:

- для 2p = 4 (четырехполюсные двигатели) с восьмигранным остовом при опорно-осевом подвешивании

новленного ряда его нормализованных размеров, обеспечивающих минимум отходов при раскройке листов электротехнической стали:

368; 423; 493; 560; 660; 740; 850; 990 мм.

Полученные значения диаметра и частоты вращения якоря определяют конструкцию коллекторного узла и выполнение связанных с ним ограничений. Поэтому в данном разделе намечаются также и предварительные параметры коллектора.

Прежде всего, устанавливается возможный диапазон варьирования зна-

Сдругой стороны, чрезмерно малый диаметр коллектора в соотношении

сдиаметром якоря приводит к большой разнице центробежных усилий на их поверхностях, создавая дополнительные механические напряжения по высоте

19

петушков коллектора. Следует учитывать и то, что коллекторная пластина в поперечном сечении имеет клиновидную сужающуюся форму. Поэтому большая высота пластин ведет к снижению механической прочности стенок в основании шлицов петушков коллектора и в месте крепления самой пластины– в области ласточкиного хвоста.

На окончательный выбор диаметра коллектора в большой степени влияет и число коллекторных пластин K, для которого можно указать верхнюю и нижнюю допустимые границы.

Максимальное число коллекторных пластин определяется конструкционными ограничениями на их размещение по окружности коллектора. Ограничивающим параметром здесь выступает шаг по коллектору tк – это расстояние по окружности рабочей поверхности коллектора между одноименными точками соседних коллекторных пластин.

По условиям механической прочности пластин шаг поколлектору должен удовлетворять условию

Минимальное число коллекторных пластин ограничивается потенциальными условиями на коллекторе и устанавливается по допустимомусреднему межламельному напряжению Duкдоп :

- для ТЭД локомотивов постоянного тока без режима электрического торможения

- для ТЭД локомотивов постоянного тока с рекуперативным торможением, а также для ТЭД пульсирующего тока с рекуперативным или механическим торможением

Если значения Кmin и Кmax оказываются близкими между собой – это можно рассматривать как признак оптимального проектирования, поскольку ограничения разной физической природы соответствуют одной и той же конструкции. Значительное расхождение значений Кmin и Кmax свидетельствует либо об

20

избыточности диаметра якоря, либо о том, что конструкция не совсем экономична по числу полюсов 2р.

Как уже говорилось в разделе3, с увеличением полюсности машины снижается величина основного магнитного потока для каждой пары полюсов, из-за чего уменьшается потребное сечение всех элементов магнитопровода и машина улучшает свои массо-габаритные показатели.

Кроме того, в машинах с петлевой обмоткой в пропорции к числу полюсов снижается ток в проводниках якоря, что экономит расход медных проводников, улучшает их тепловой режим и условия коммутации.

Таким образом, при прочих равных условиях предпочтительным является конструкция с возможно большим числом полюсов.

Исходя из того, что при предельно полном использовании конструкции Кmin стремится к Кmax , можно вывести зависимость по определению оптимального числа полюсов 2р при выбранном диаметре якоря

tк minU н

Очевидно, что результат в полученном выражении округляется в меньшую сторону до ближайшего целого и четного значения.

В соответствии с установленным допустимым диапазоном числа коллекторных пластин от Кmin до Кmax назначается их фактическое количествоK, для которого окончательно фиксируются параметры :

пускаются небольшие отклонения от установленных ограничений поDuк в десятых долях вольта, а по tк - до 0,1 мм.

Допустимость уточненного значения передаточного числа редуктораm окончательно проверяется по максимальной окружной скорости якоряva max и коллектора vк max, м/с

21

5 Расчет активного слоя якоря

Теоретические вопросы проектирования активного слоя якоря изложены

в[5, глава 3]. Методика выполнения расчета приведена в [1, глава 7], [2, гла-

ва 9] и [3, глава 18].

Врасчете активного слоя якоря ставится задача окончательного определения числа полюсов, типа обмотки и обмоточных данных якоря, геометрических размеров зубцового слоя якоря, величины основного магнитного потока в номинальном режиме, длины активной части якоря, массы меди и сопротивления обмотки якоря.

Исходными данными для расчетов являются значения номинальной мощности, питающего и корпусного напряжения машины, а также намеченные

впредыдущем разделе значения диаметра якоря, параметров коллектора и номинальной частоты вращения.

Входе проектирования активного слоя якоря должно быть обеспечено выполнение следующих ограничений:

-числового соотношения коллекторных пластин, проводников и пазов якоря из условия симметрии и рациональности исполнения якорной обмотки;

-структуры заполнения паза якоря из условия эффективного использования активных материалов и по условиям их нагревания;

-геометрии зубцового слоя якоря по условиям механической прочно-

сти зубцов, их магнитного насыщения и условиям коммутации; - геометрических размеров сердечника якоря по условиям вписывания

двигателя в габариты подвижного состава.

Общий подход к расчету активного слоя якоря остается тем же, что и в предыдущем разделе – на основе заданной совокупности функциональных зависимостей найти такое сочетание конструкционных параметров якоря, при котором выполнялась бы вся совокупность установленных нормами проектирования ограничений. Отличие от предыдущего раздела, где кроме исходных данных на проектирование двигателя ничего не было известно, состоит в том, что ряд параметров машины уже численно определен. Поэтому расчет активного слоя якоря лучше всего начинать, отталкиваясь от уже найденных параметров, поскольку их числовые значения были подобраны под действующие ограничения.

Так, по намеченному числу коллекторных пластин легко определяется общее количество проводников обмотки якоря, поскольку к каждой коллекторной пластине при одновитковых секциях подходят два проводника

где N – общее число проводников якорной обмотки.

Кроме того, из исходных данных на проектирование вытекает значение тока якоря в номинальном режиме Iан, А

22

где Pн – мощность двигателя в номинальном режиме, кВт; Uдн – номинальное напряжение питания, В;

hн – КПД двигателя в номинальном режиме.

Входящее в выражение (5.2) значение КПД машины окончательно станет известным лишь после завершения всех расчетов проектируемой конструкции. Поэтому на данном этапе можно только ориентировочно задаться величиной КПД по диаграмме рисунка5.1, отражающей среднестатистические значения для большинства существующих типов тяговых электродвигателей.

hн

0,94

0,93

0,92

0,91

0,90

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Pн, кВт

Рисунок 5.1 – Зависимость КПД от номинальной мощности ТЭД

Найденные значения числа проводниковN и величина тока Iaн проектируемого двигателя входят в один из основных показателей рационального -ис пользования активного слоя якоря – линейную токовую нагрузку A, А/см

A = I aн N , (5.3)

2 a pDa

где a – число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

Входящий в выражение (5.3) параметр a – число пар параллельных ветвей обмотки якоря - назначается в зависимости от типа обмотки. В конструкциях современных тяговых электродвигателей используется два основных типа обмоток – простая волновая и простая петлевая с одновитковыми секциями.

При простой петлевой обмотке число параллельных ветвей всегда равно

В разделе 3 уже указывалось на экономичность волнового типа обмоток по количеству проводников. Однако, несмотря на наличие и других конструкционных преимуществ (отсутствие уравнительных токов и соединений, лучшее использование активного слоя якоря и др.), волновая обмотка применяется далеко не всегда, а только в машинах с ограниченным током. Практикой установ-

23

лено, что для удовлетворительных условий настройки коммутации необходимо, чтобы ток параллельной ветви iaн не превышал

Отсюда вытекает, что при токах двигателя более400 А использование волновой обмотки становится неприемлемым по условиям коммутации и приходится использовать простую петлевую обмотку. Кроме того, выбор типа обмотки влияет на уровень линейной токовой нагрузки якоря в пропорции к числу пар параллельных ветвей, поэтому при необходимости даже в двигателях малой мощности, где ток якоря небольшой, приходится использовать петлевой тип обмотки для ограничения величины линейной токовой нагрузки.

Как физический параметр линейная токовая нагрузка якоряА представляет собой важный удельный показатель машины, так как характеризует удельную загруженность единицы длины окружности якоря током якорных проводников. Увязывая между собой такие ключевые показатели машины, как диаметр якоря, тип обмотки, число и ток активных проводников, данный критерий явным или опосредованным образом присутствует в расчете практически всех узлов двигателя, и поэтому его числовое значение в сильной степени влияет на всю дальнейшую конструкцию проектируемой машины.

С одной стороны, значение линейной токовой нагрузки стремятся выполнить возможно большим, так как ее величина характеризует степень использования якорного объема и заложенных в него дорогостоящих медных и изоляционных материалов. Кроме того, при заданной мощности двигателя с ростом линейной нагрузки якоря снижается степень загруженности магнитной части машины, что благоприятно сказывается на массо-габаритных показателях проектируемого двигателя и его регулировочных свойствах. С другой стороны, чрезмерно высокая линейная токовая нагрузка ведет к токовому перегреву якоря, ухудшению условий коммутации и потенциальных условий на коллекторе.

В реальном проектировании задача по нахождению оптимальной величины линейной токовой нагрузки якоря решается на основе комплексного сравнительного анализа нескольких вариантов конструкции двигателя. В учебном проекте этого можно не делать, а отталкиваться от рекомендуемых практикой

проектирования среднестатистических уровней линейной токовой нагрузки якоря, характерных для действующих образцов ТЭД.

Рекомендуемый диапазон варьирования значений линейной токовой нагрузки для существующих типов отечественных тяговых двигателей ЭПС в функции от их номинальной мощности представлен на рисунке5.2. В проекте следует придерживаться этих рекомендуемых значений, однако возможны случаи, когда для сохранения рациональности конструкции ТЭД от указанных значений приходиться отступать. Как правило, такие ситуации согласуются с руководителем проектирования.

24