Расчёт параметров передачи и диаметра якоря ТЭД. Электромагнитный расчёт ТЭД. Расчёт массы и технико-экономических показателей ТЭД

Содержание

Введение                                                                                                 4

1 Расчёт параметров передачи и диаметра якоря ТЭД                                                                                                         5

1.1 Определение частоты вращения и диаметра якоря ТЭД                                                                                                         5

2 Электромагнитный расчёт ТЭД                                                                                                         7

2.1 Выбор числа пар полюсов и типа обмотки якоря                                                                                                       7

2.2 Расчёт числа пазов обмотки якоря, размеров проводников, паза и зубца                                                                                                       7

2.2.1 Расчет числа пазов                                                                                                       8

2.2.2 Расчет размеров паза и зубца                                                                                                       9

2.3 Определение магнитного потока и длины якоря                                                                                                     11

2.4 Расчёт коллекторно-щёточного узла                                                                                                       13

2.5 Разработка эскиза магнитной цепи                                                                                                      14

2.5.1 Сердечник якоря                                                                                                     14

2.5.2 Сердечник главных полюсов                                                                                                15

2.5.3 Станина                                                                                                 15

2.5.4 Расчет воздушного зазора                                                                                                    16

2.6 Расчёт магнитных напряжений участков магнитной цепи                                                                                                      17

2.6.1 Сердечник якоря                                                                                                     17

2.6.2 Сердечник главных полюсов                                                                                                17

2.6.3 Станина                                                                                                 18

2.6.4 Зубцовая зона                                                                                                       18

2.7 Расчёт размагничивающего действия реакции якоря                                                                                                     19

2.8 Расчёт главных полюсов                                                                                                    20

2.9 Расчёт коммутации добавочных полюсов                                                                                                20

2.10 Расчёт параметров катушек главных и добавочных полюсов                                                                                                23

2.10.1 Параметры катушек главных полюсов                                                                                                23

2.10.2 Параметры катушек добавочных полюсов                                                                                                23

2.11 Определение коэффициента полезного действия                                                                                               24

2.12 Расчёт и построение характеристик ТЭД                                                                                                       26

3. Расчёт массы и технико-экономических показателей ТЭД                                                                                                       29

Приложение А                                                                                                           31

Приложение Б                                                                                                            32

Литература                                                                                           33

Введение

Проектирование электрических машин и тяговых двигателей, в частности, ‑ задача в значительной степени неопределённая, аналогичная решению одного уравнения со многими неизвестными. Это приводит к необходимости при проектировании принимать целый ряд величин. Практика и опыт тягового электромашиностроения позволили установить целесообразные границы изменения этих величин, а так же создать ряд эмпирических формул, упрощающих проектирование двигателей. Всё это позволяет так же приблизить принимаемые решения к оптимальным.

В результате электрического расчёта тягового электродвигателя выбирается тип обмотки якоря, рассчитываются размеры и параметры его активного слоя, коллекторно-щёточного узла, а так же магнитной цепи и катушек главных и добавочных полюсов. В заключении всех расчётов строятся характеристики намагничивания, нагрузочные и электромеханические.

1 РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ПЕРЕДАЧИ И ДИАМЕТРА ЯКОРЯ   ТЭД

1.1 Определение частоты вращения и диаметра якоря ТЭД

Номинальная частота вращения двигателя

, где     m – передаточное число передачи; m = 11,6;

V_н –  скорость номинальная, км/ч; V_н = 25 км/ч;

D –  диаметр ведущих колёс, м; D = 1,07 м;                                 

 об/мин.

Диаметр якоря

, где  Р_дн – мощность номинальная, кВт; Р_дн = 135 кВт;

k – коэффициент Шенфера, k=64;

 см.

По стандартному ряду принимаем D_a=29,3см.

Проверим диаметр якоря по максимальной окружной скорости.

Номинальная окружная скорость

,

 км/ч.

Максимальная окружная скорость

, где V_max – максимальная скорость, км/ч; V_max=70 км/ч;                         

 км/ч.

По условию крепления обмотки в пазах двигателя  км/ч.

Максимальные обороты двигателя

,

 об/мин.            

Округляем это значение до ближайшего целого, кратного пяти тогда:

 об/мин.

2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЁТ

2.1 Выбор числа пар полюсов и типа обмотки якоря

По опыту проектирования ТЭД при использовании размера диаметра якоря число полюсов принимаем равным четырём (2p = 4).

Номинальный ток двигателя

,

где  U_дн – напряжение на коллекторе, В; U_дн = 750 В;

h_дн – КПД двигателя, h_дн = 0,918;                             

 А.

Предварительно принимаем простую волновую обмотку, для которой a = 1.

Величина тока параллельной ветви

,

А.

Количество активных проводников

, где     А – линейная нагрузка, А/см;  А = 420 А/см;                                         

 шт.

2.2 Расчёт числа пазов, параметров обмотки якоря, размеров проводников паза и зубца

Зубцовое деление

,

где    z_n – число зубьев, принимаем  z_n = 39;                                          

 мм.

Число активных проводников в пазу

,

 шт.

Число коллекторных пластин на паз                                                     

,

 пластины.

Уточнённое число проводников                                                            

,

 шт.

Уточненное значение линейной нагрузки

 

А/см;

Определяем число коллекторных пластин

, где   W_c – число витков в секции обмотки якоря; W_c=1;                       

пластин.

Среднее значение  напряжения между смежными коллекторными пластинами

,

 В.

Минимальный диаметр коллектора

, где   t_k  – коллекторное деление, см; t_k =0,4 ÷ 0,75 см;                                    

 см.

Исходя из технологического требования соединения пайкой петушков коллектора

,

 см.

Принимаем D_k = 25 см.

Максимальная окружная скорость

,

 м/с.

Рекомендуемая ширина паза

b_z ,

b_z 1,06см;

Принимаем тепловой фактор Aj_a = 2800 А²/(см×мм²) для класса изоляции H.

Плотность тока в обмотке якоря

,

 А/мм².

Принимаем плотность тока в обмотке якоря  А/мм².

Сечение меди проводника обмотки

,

 мм².

 мм².

Принимаем медный провод сечением 2,5´7,1, у которого q_a =14,1м²;

Расчёт размеров паза сведём в таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты расчётов размеров паза

Наименование		Материал	Размер, мм		Число  слоёв		Общий размер, мм
Проводник		Медь ПММ	2,5	7,1	5	4	6,25	22,4
Витковая изоляция		Пленка полиамидная	0,05	0,05	20	16	1	0,8
Корпусная изоляция		Пленка полиамидная	0,05	0,05	12	24	0,6	1,2
Покровная изоляция		Стеклолента	0,1	0,1	4	8	0,4	0,8
Прокладки		Стеклотекстолит	–	0,35	–	4	–	1,4
Клин		Стеклотекстолит	–	5	–	1	–	5
Зазор на укладку		–	0,25	0,2	–	–	0,25	0,2
Зазор на расшихтовку		–	0,15	–	–	–	0,15	–
			Итого:		bz = 9,2		hz = 34,4

Проверка правильности принятия высоты и ширины паза h_z/b_z =

h_z/b_z  = 34,4/9,2=3,73.

Ширина зубца в расчётном сечении

,

 мм.

2.3 Определение магнитного потока и длины якоря

Определяем магнитный поток номинального режима

, где  Е_дн – противоЭДС двигателя, В;

,

Е_дн   В;

Ф_дн Вб.

Расчётная длина сердечника якоря

, где    k_c – коэффициент заполнения стали сердечника якоря, учитывающий  изоляцию (толщину лаковых прослоек); k_c = 0,96;

 – индукция в зубце, Тл;  = 1,8 Тл;

a_t– величина полюсного перекрытия; a_t = 0,64;

l_a м.

Удельная магнитная проводимость паза

,

где     l_s – длина лобовых частей обмотки якоря, см;

l_s =t,

где      t – полюсное деление, см;

,

 см;

l_s=1,3×23,01=28,76 см,

.

Среднее значение реактивной ЭДС

,

 В.

Шаг по коллектору при волновой обмотке

,

.

Шаг по реальным пазам

, где     e_п – пазовое укорочение шага, для волновой обмотки при 2p = 4

e_п = 0,75;

.

Первый частичный шаг по элементарным пазам

,

.

Второй частичный шаг по элементарным пазам

,

.

Сопротивление обмотки якоря при 20°С

, где     r – удельное электрическое сопротивление меди при 20 °С, Ом×мм²/м;

r = 1/57 Ом×мм²/м;

Sl_a – суммарная длина проводников одной параллельной ветви обмотки, м;

,

где     l_п – полная длина одного проводника обмотки, м;

,

 м;

  м,

 Ом.

2.4 Расчёт коллекторно-щёточного узла

Контактная площадь щёток одного щёткодержателя

, где    j_щ – допустимая плотность тока под щёткой, А/см²; принимаем j_щ = 12 А/см²;

        p_щ  – количество пар щёткодержателей, p_щ = p = 2;

 см².

По таблице ГОСТов принимаем щётку ЭГ61А,[2]

Щёточное перекрытие

,

.

принимаем g= 3

,

 см.

Согласно ГОСТ 12232 принимаем, b_щ = 1,25 см.

Общая длина щёток одного щёткодержателя

,

 см.

Принимаем количество щеток N_щ = 2.

Длина щётки

,

 см.

принимаем длину щётки l_щ = 3,2 см.

Плотность тока под щёткой

,

 А/см².

Вывод: оставляем щетки ЭГ-61.

2.5 Расчет магнитной цепи

2.5.1 Сердечник якоря

Эффективная высота якоря

, где    В_а – индукция в сердечнике якоря, Тл; В_а= 1,3 Тл;

 см.

Высота якоря

, где   m_k  – количество рядов вентиляционных каналов;

 d_k – диаметр вентиляционных каналов, см.

Число рядов вентиляционных каналов и их диаметр связаны соотношением

,

где    D_в – диаметр вала, см, принимаем D_в =8см.

.

принимаем m_k  = 1; d_k  = 2 см;

Условие выполняется

.

Подставив значения, получим:

5,95 см.

2.5.2 Расчёт воздушного зазора

Величина зазора под центром полюса

,

 мм .

Принимаем δ_о = 2 мм. Определяем эквивалентный зазор

δ_э = δ_о · k_э, где k_э = 1,4 при =2,5;

δ_э = 3 ·1,4 = 4,2 мм.

2.5.3 Сердечник главных полюсов

Принимаем индукцию в сердечнике главного полюса В_m = 1,5 Тл; cм.

Площадь сердечника главного полюса

, где     s – коэффициент  рассеивания главных полюсов, s = 1,2;

 м².

Ширина сердечника полюса

,

где    k^`_c – коэффициент заполнения сталью сердечника полюса,

k^`_c = 0,97–0,98,

 см.

Высота сердечника полюса

,

 см.

Принимаем h_т = 8 см.

2.5.4 Станина

Принимаем индукцию в станине В_ст = 1,5 Тл.

Площадь станины

,

 м².

Длина расчётного сечения станины

,

 32,67 + 0,8 · 29,3 = 51 см.

Станину выполняем круглой формы.

Толщина станины

;

 см.

Внутренний диаметр станины

,

см.

Наружный диаметр станины

,

см.

2.6 Расчёт магнитных напряжений участков магнитной цепи

2.6.1 Воздушный зазор

Магнитная индукция в воздушном зазоре

,

 Тл.

Магнитное сопротивление воздушного зазора

,

Коэффициент воздушного зазора

, где                                                   ,

 см.

.

 0,388· 1,25 · 0,43·0,8·10⁴  = 1359 А.

2.6.2 Зубцовая зона

Принимаем сталь 1312 для которой при В_z1/3  = 1,8 Тл, Н_z1/3  = 142 А/см.

Падение магнитного потенциала в зубцовой зоне

,

=142 · 3,4 =488 А.

Площадь зубцовой зоны

,

 м².

2.6.3 Сердечник якоря

Принимаем сталь 1312 для которой при В_а  = 1,3 Тл; Н_а  = 12,8 А/см.

Длина средней силовой линии в сердечнике якоря

,

 см.

Магнитное напряжение

,

12,8 · 8,8 = 112, 6 А .

2.6.4 Сердечник главных полюсов

Принимаем листовую сталь, для которой при В_т= 1,5 Тл; Н_т= 22,7 А/см.

Магнитное напряжение в сердечнике главных полюсов

,

F_т = 22,7 · 6,9 = 156,7 А .

2.6.5 Станина

Выбираем стальное литьё, для которого В_ст  = 1,5 Тл, Н_ст  = 30,5 А/см.

Длина средней силовой линии в станине

,

 см.

Магнитное напряжение в станине

,

= 30,5 · 18,5 = 564 А .

Общая МДС магнитной цепи при холостом ходе

,

3190 + 488 + 112,6 + 156,7 + 564 =4512,7 А.

2.7 Расчёт размагничивающего действия реакции якоря

МДС, компенсирующая размагничивающее действие якоря

,

где    k_р  – коэффициент размагничивания, принимаем из графика (рис.2.7.)[2] , k_р=0,10,15;

    F_ря – реакция якоря, А

,

 А,

 А .

Общая МДС главных полюсов

,

 А,

.

По отношению  выбираем k_р  = 0,11, которое отличается от ранее принятого на 1,84%.

Результаты расчёта магнитной цепи приведены в таблице 2.

Таблица 2. – Результаты расчёта магнитной цепи

Участок магнитной цепи	Длина участка, см	Площадь сечения, м2	Индукция, Тл	Напряжённость поля, А/см	МДС участка, А
Воздушный зазор	0,43	0,048			1359
Зубцовая зона	3,44	0,021	1,8	142	488
Сердечник якоря	8,8	0,028	1,3	12,8	112,8
Сердечник полюса	6,9	0,03	1,5	22,7	156,7
Станина	18,4	0,015	1,5	30,5	564
МДС при холостом ходе					3190
Размагничивающая сила якоря					530
МДС при нагрузке					5043

2.8 Расчёт главных полюсов

Требуемое число витков катушки главных полюсов

 

,

витков.

Поперечное сечение меди катушки

, где j_с – плотность тока в проводниках обмотки