Зная величину тока параллельной ветви iaн (формула (5.6)), из выражения (5.7) нетрудно определить максимально допустимое число проводников в пазу якоря Nz для своей машины. В соответствии с выражением (5.1) его необходимо выбирать целым и четным, так как оно связано с числом коллекторных пластин, приходящихся на один паз, uк аналогичным соотношением

При таком подходе сразу обеспечивается максимально полное использование зубцового слоя якоря, что в дальнейшем будет способствовать снижению активной длины якоря и аксиального размера всего двигателя.

Возможен также вариант расчетов, когда числа Nz и uк выбираются в зависимости от уровня питающего напряжения Uдн согласно рекомендациям таблицы 5.1. Дело в том, что с ростом числа проводников в пазу снижается расход дорогостоящей корпусной изоляции и общая трудоемкость изготовления якорной обмотки. Поэтому в двигателях с высоким уровнем питающего и особенно корпусного напряжения наблюдается рост чиселNz и uк, однако, попрежнему, в пределах ограничения по объему тока в пазу (5.7).

Таблица 5.1 – Рекомендуемые значения числа проводников Nz

и коллекторных пластин uк , приходящихся на один паз

Наметив значения Nz и uк , необходимо увязать между собой тройки чисел {N; Nz; Z} и {K; uк; Z} таким образом, чтобы все проводники и коллекторные пластины распределялись поровну между пазами якоря, т. е.

Кроме того необходимо учесть и то обстоятельство, что для улучшения условий коммутации в современных тяговых двигателях применяют обмотки с укороченным шагом. Это означает, что число Z должно быть таким, чтобы первый шаг обмотки в реальных пазах yz1 имел бы укорочение ez , т. е. удовлетворял бы условию

где ez – укорочение шага обмотки якоря в реальных пазах. ez = 0,5 паза - при петлевой обмотке;

ez = 0,25 или ez = 0,75 паза - при волновой обмотке.

При волновом типе обмотки выполнение ограничений(5.9) и (5.10) обеспечивается безусловно, если числа Z, K и uк оказываются нечетными.

Увязка между собой числа пазовZ, проводников N и коллекторных пластин K дополняется требованием внутренней симметрии обмотки якоря

26

Возможно, что комплексная взаимная увязка числа пазов, проводников якоря и коллекторных пластин потребует изменения некоторых ранее рассчитанных параметров машины. Поэтому нужно быть готовым к тому, что на данном этапе потребуется пересмотреть ранее полученные решения.

После нахождения числа Z, удовлетворяющего всем ограничениям, окончательно фиксируются значения K, N и связанные с ними A, Duк, Dк и tк.

Полученные параметры позволяют перейти к задаче расчета конструкции самого паза якоря. Для этого, отталкиваясь от допустимого верхнего предела теплового фактора машины WТ = (A ja) и найденного значения линейной токовой нагрузки якоря A (формула (5.3)), находят максимально допустимое значение плотности тока в проводниках якоря ja, А/мм2

W max

jamax = Т . (5.12)

A

Критерий WТ представляет собой обобщенный показатель тепловой напряженности якоря, назначаемый с учетом определяющих факторов токового нагрева проводников якоря – толщины изоляции, ее класса нагревостойкости, способа укладки проводников в пазу якоря и вида вентиляции. Рекомендуемые для расчета допустимые пределыWТ в зависимости от вышеперечисленных факторов представлены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 – Рекомендуемые пределы теплового фактора WТ

Примечание – В числителе – для независимой вентиляции; в знаменателе – для самовентиляции

Под термином «вертикальная укладка» в таблице 5.2 понимается горизонтальное размещение проводников «плашмя» в пазу якоря один под другим по высоте паза (рисунок 5.3). Из числовых значений теплового фактора видно, что данный способ позволяет реализовывать существенно большие тепловые

27

нагрузки за счет снижения суммарной толщины изоляции в направлении отвода теплового потока через боковые стенки паза. Очевидно, что при таком способе укладки улучшается использование полезного объема паза, а также снижаются добавочные потери мощности и улучшаются условия коммутации. Поэтому данный способ расположения проводников в пазу якоря считается более перспективным, однако на практике его применение сдерживается усложнением технологии изготовления якорных секций.

Дело в том, что при укладке «плашмя» проводники выходят из паза якоря в горизонтальном положении, а в шлице коллекторной пластины должны рас-

полагаться в вертикальном. Поэтому на передних лобовых участках якорной катушки проводники приходится перегибать на90º. Кроме того, если шаг по коллектору небольшой, то ширина шлица коллекторной пластины, как правило, оказывается меньше размера узкой части проводников и их приходится дополнительно развальцовывать до нужного размера.

1

Рисунок 5.3 – Способы укладки якорных проводников

При «горизонтальной укладке» (рисунок 5.3) проводники якоря располагаются вертикально, а заполняют паз по горизонтальной оси. С одной стороны, это упрощает конструкцию и технологию изготовления якорных секций, но изза худших условий отвода тепла к боковым стенкам паза значения теплового

28

фактора приходится снижать на(15…20) %. Этому способствует и то, что с ростом высоты активного проводника растут добавочные потери мощности от поперечного поля пазового рассеивания.

Вычисленное по формуле (5.12) значение максимальной плотности тока

позволяет наметить площадь поперечного сечения активного проводника якоря qa, мм2

Следует иметь в виду, что при больших значениях теплового фактора и низком уровне линейной нагрузки расчетная плотность токаja может оказаться нереально высокой. На практике для продления срока службы медных проводников и снижения их нагрева плотность тока не назначают выше (7…8) А/мм2. Поэтому, если расчетная величина ja превысит указанные пределы, то ее ограничивают рекомендуемым диапазоном или ориентируются на среднестатистические для тяговых двигателей значения плотности тока в якорных проводниках:

-(6…7) А/мм2 для электровозных двигателей;

-(5…6) А/мм2 для двигателей электропоездов.

Исходя из площади поперечного сечения qa намечают высоту hпр и ширину bпр проводников якоря. В этом выборе ориентируются на установленный сортамент (ГОСТ 434-78) размеров прямоугольной электротехнической меди (приложение А).

Основная сложность при назначении высоты и ширины проводника -со стоит в том, что их оптимальное соотношение без сравнительных вариантов расчета предугадать невозможно. Для учебного проекта такая задача не ставится, поэтому можно ориентироваться на самые общие рекомендации по выбору размеров якорных проводников.

В самом простом варианте при первоначальном выборе высоты и ширины проводников якоря можно ориентироваться на их пропорцию в существующем прототипе двигателя [4].

Другой подход к решению данной задачи основывается на том, что для конструкций реальных ТЭД характерно примерное равенство ширины паза и толщины зубца в расчетном сечении. Поэтому в качестве первого приближения можно использовать следующую расчетную модель паза якоря.

Расчетным для зубцового слоя якоря считается сечение, проходящее на 1/3 высоты паза от его дна(рисунок 5.4). Поэтому в качестве размера ширины паза bп можно принять половину шага по пазам на поверхности якоряt1 (фор-

мула (5.26)), уменьшенную на (1…2) мм (учитывается, что зубец по высоте несколько сужается к расчетному сечению). Если предварительно рассчитать толщину изоляции по ширине паза(см. расчет изоляции паза якоря), то можно вычислить размер, занимаемый в поперечном направлении чистой медью, исходя из которого и назначают ширину одного проводника bпр с учетом принятого способа укладки и сортамента обмоточных проводов.

29

Второй размер активного проводника по высоте паза вычисляется исходя из требуемой площади поперечного сечения активного проводника. Следует учитывать, что при горизонтальном способе укладки для снижения добавочных потерь мощности от поперечной составляющей пазового поля высота проводников в пределе не должна превышать (10…11) мм. Если площадь поперечного сечения требует больших значенийhпр , то каждый активный проводник (10, рисунок 5.3) подразделяют по высоте на два, реже – на три элементарных проводника (9, рисунок 5.3), выдерживая высоту каждого в указанных пределах. При вертикальной укладке («плашмя») данное ограничение обычно выполняется естественным образом, поскольку проводник по высоте паза располагается своей узкой частью.

Расчет изоляционной системы по высоте и ширине паза якоря основывается на выбранном способе укладки с учетом количества проводников в каждом из направлений. Всего в пазу выделяют три вида изоляционных покрытий.

Витковая изоляция (5, рисунок 5.3) накладывается на каждый элементарный проводник. Ее назначение состоит в изолировании проводников относительно друг друга, поэтому приходящаяся на нее потенциальная нагрузка небольшая и соответствует рабочему диапазону межламельных напряжений на коллекторе. В современных тяговых двигателях межвитковая изоляция выполняется на основе слюдинитовых лент толщиной(0,08…0,11) мм. Намотка производится по всей длине каждого элементарного проводника в один слой так, чтобы каждый последующий виток перекрывал предыдущий на половину размера ширины ленты. Такой способ намотки получил название вполуперекрышу.

В то же время в современной технологии все более широкое применение находят марки обмоточных проводов (ПСД, ПСДК, ПЭТВСД и др.) с уже готовым изоляционным покрытием, не требующих специального наложения межвитковой изоляции. Толщина таких покрытий, выполняемых на основе высокопрочных эмалей и оплетки из стеклонитей, составляет (0,14…0,17) мм на одну сторону проводника (приложение А, таблица А.3).

При ленточном способе изолировки толщина межвитковой изоляции по

где dмв – толщина ленты межвитковой изоляции, мм.

Указанные в формулах (5.14) и (5.15) числовые множители в соответствии с порядком их расположения учитывают:

-один слой межвитковой изоляции;

-намотку способом вполуперекрышу, что обусловливает двойную толщину ленты с каждой стороны проводника;

-изолировку каждого проводника с двух сторон.

Размер межвитковой изоляции по высоте паза Dh мв, мм:

30