Курсовой проект Проектирование тяговых электрических машин постоянного и пульсирующего тока Пример расчёта шестиполюсного тягового двигателя с компенсационной обмоткой

Вид материала

Курсовой проект

Содержание Исходные данные, параметры Определение передаточного числа зубчатого редуктора Определение диаметра и длины якоря Обмотка якоря, уравнительные соединения Коллектор и щетки Расчет магнитной цепи и компенсационной обмотки Сердечник якоря Магнитная станина Компенсационная обмотка Магнитная характеристика двигателя и обмотка возбуждения Расчет катушек главных и дополнительных полюсов Стеклослюдинитовая лента Потери и к.п.д. двигателя Рабочие характеристики двигателя Расчет к.п.д. Масса двигателя Вентиляционный расчет Расчет перегрева обмотки якоря Расчет тепловых сопротивлений Перегрев обмотки якоря при работе машины в течение часа ... Полное содержание

Подобный материал:

• Ательный материал «Электронный курсовой проект «Проектирование машин постоянного тока», 47.15kb.
• Темы курсового проекта «Разработка системы автоматического регулирования скорости двигателя, 71.05kb.
• Задание на проект. (ст. 5-6) Методика выбора двигателя для механизма передвижения моста, 269.77kb.
• Задание на проектирование Ф. И. О. стдуента гр. Ем 042, 16.64kb.
• 1. Принцип действия двигателя постоянного тока. Назначения коллектора в двигателе постоянного, 48.27kb.
• Магистерская программа 140400. 91 «Силовые электронные и микропроцессорные аппараты», 37.41kb.
• Методика и алгоритм расчета переходных процессов в двигателе постоянного тока последовательного, 62.89kb.
• Перспективы применения регулируемых источников тока в системах нагружения машин постоянного, 51.47kb.
• Программа вступительных испытаний в магистратуру гоу впо пгути в 2011 г. Направление:, 37.23kb.
• Курс физического факультета 2009, 24.35kb.

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ


Кафедра «Электрические машины»


Курсовой проект


Проектирование тяговых электрических машин постоянного и пульсирующего тока


Пример расчёта шестиполюсного тягового двигателя с компенсационной обмоткой


Выполнил: студент группы V – ЭТ

Рыбников М.Е.


Проверил: Семёнов Н.П.


Санкт-Петербург

2004

В работе приведен расчет шестиполюсного тягового двигателя с компенсационной обмоткой для грузового электровоза.

Источником энергии для электровоза служит однофазная контактная сеть с напряжением 25 кВ и частотой 50 Гц. Тяговый двигатель получает питание от трансформатора с выпрямительной установкой.


ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ, ПАРАМЕТРЫ

^{ПЕРЕДАЧИ, ЯКОРЬ И КОЛЛЕКТОР}

Исходные данные

Двигатель постоянного тока подвесно-осевой

для электровоза

Расчетный режим часовой

Мощность Р_н,кВт 650

Скорость движения электровоза, км/ч:

- в номинальном режиме V_н 54

- конструктивная V_мах 100

Напряжение, В 1300

Коэффициент использования мощности при максимальной скорости к_р = Р_пмах /Рн 0,7

Диаметр движущего колеса D_к, м 1,25

Диаметр оси колесной пары D₀, м 0,21

Ширина колеи, м 1,52

Вентиляция независимая

Коэффициент пульсации тока, К_i 0,25


Определение передаточного числа зубчатого редуктора

Диаметр большого зубчатого колеса

D_z= D_к – 2∙(δ₃ + g) = 1,25 – 2∙(0,130 + 0,018) = 0,954 м


Ориентировочное значение передаточного числа



Примем

μ = Z/z = 96/24= 4

Тогда:

- диаметр делительной окружности шестерни

d_z= D_z / μ = 0,954/4 = 0,238 м;

- номинальная частота вращения якоря

п_н = (5,3∙ μ ∙ V _н )/ Dк = (5,3∙4∙54)/1,25 = 916 об/мин;

- номинальный момент

М_н = 9550∙Р_н/ п_н = 9550∙650/916 = 6777 Н∙м;

- толщина тела шестерни:
b = (d_z – d_k -2 m)/2 = (0,238 – 0,128 – 2∙0,01)/2 = 0,045 > 0,02-0,03 м;

- диаметр, конца вала двигателя

м

- модуль зацепления

т = D_z / Z = 0,954/96 = 0,01 м.

Определение диаметра и длины якоря

Расстояние между центрами зубчатых колес:

С = К_ф∙(Z+ z)∙m/2 = 1,01 ∙(96 + 24)∙0,01/2 = 0,606 м

Максимальный диаметр якоря:

D_мах = 1,42∙(С - 0,5∙D₀) = 1,42∙(0,606 - 0,5∙0,21) = 0,711 м

Меньший ближайший нормализованный диаметр равен 660 мм, поэтому D_а равен 0,66 м.

Длина якоря ориентировочно:

l_a= М_н/С_М∙ D_а ³ = 6777/(8,4∙10⁴∙0,66³) = 0,281 м.

Примем l_a = 0,28 м (280 мм).

Максимальная частота вращения якоря

n_мах == 5,3∙ μ ∙V_мах/ Dк = 5,3∙4∙100/1,25 = 1696 об/мин.

Испытательная частота вращения

n_исп = 1,25 ∙n_мах = 1,25∙1696 = 2120 об/мин.

Окружная скорость якоря в номинальном режиме

V_а = (π∙ D_а )/60∙n_н = (3,14∙0,66)/60∙916 = 31,7 м/с;

при испытательной частоте вращения

V_{а исп} = (π∙ D_а )/60∙n _исп = (3,14∙0,66)/60∙2120 = 73,3< 90-100 м/с.

Обмотка якоря, уравнительные соединения

Ток якоря:

I_н = Р_н∙10³/(U_н∙η)= 650∙10³/(1300∙0,94) = 531,9 А.

Ток продолжительного режима:

I_∞= k_в∙ I_н = 0,9∙532 = 479 А.

Ток параллельной ветви обмотки якоря по условиям коммутации и технологическим соображениям не должен быть более 250—300 А. По этим условиям в рассчитываемой машине принята простая петлевая обмотка, и тогда ток параллельной ветви будет:

I_а = I_н /2а = 532/6 = 88,67 А.

Исходя из допустимых значений напряжения между соседними коллекторными пластинами u_кср = 14-17 В и пазового деления t₁ = 2,2-3,5 см и учитывая, что условия симметрии обмотки (z/а; К/а; 2р/а) должны быть целыми числами, примем число пазов z = 96; число элементарных пазов в реальном пазу u = 4. Тогда:

- число коллекторных пластин

К = z∙u = 96∙4 = 384,

- пазовое деление

t₁ = π∙Dа/z = π∙66/96 = 2,16см;

- общее число стержней обмотки

N=2∙К = 2∙384 = 768 ;

- число стержней на паз

N_z = N/z = 768/96 = 8;

- сумма токов в пазу

I_а ∙N_z = 88,67∙8 =709,36 А;

- линейная нагрузка якоря,

А = I_а ∙N_z / t₁= 88,67∙8/2,16 = 328,407 А/см = 3,28∙10⁴ А/м;

- магнитный поток в номинальном режиме

Ф = 0,96∙U_н∙ 60∙а/(р∙N ∙n) = 0,96∙1300∙60∙3/(3∙768∙916) = 0,106 Вб;

- индукция в зазоре:

В_δ = Ф/(α∙τ∙l_a) = 0,106/(0,72∙0,345∙0,28) = 1,524 Тл

индукция допустима в соответствии с кривой 3 [см. 2, рис.13.4];

- полюсное деление:

τ = π∙Dа/2р = 3,14∙0,66/(2∙3) = 0,345 м;

- частота перемагничивания сердечника якоря в номинальном режиме

f=р∙n_н/60 = 3∙916/60 = 45,8 Гц;

- плотность тока в обмотке якоря

j = К_θ /А = 40∙10⁴/(3,28∙10⁴) = 12,2А/мм².

Принимаем 12,5 А/мм².

Сечение проводника обмотки якоря

q = I_а /j= 88,67/12,5 = 7,094 мм².

Ориентировочно определяем:

глубину паза

h_z = (0,08...0,12) ∙ τ = 0,12∙0,345 = 0,0414 м = 41,4 мм;

ширину зубца (приняв индукцию на 1/3 высоты зубца от дна паза равной В_z⅓ =2,2Tл)

Z_⅓= B_δ∙t₁/( В_z⅓∙k₁)= 1,524∙2,16/(2,2∙0,94) = 1,59 см;

ширину паза

b_п = t_⅓- Z_⅓ = π[Dа- 1,33 ∙h_z)/z] - Z_⅓= π∙[(66- 1,33∙41,4)/96] - 1 = 2 -1 = 1см.

Расчет размеров паза якоря приведен в табл. 1. Таблица 1

Наименование	Материал	Размеры мм	Число слоев	Общая толщина мм
Проводник	Медь МГМ	4,4/2,65	1/8	4,4/21,2
Витковая изоляция	Провод ППИПК -3	0,175/0,175	2/16	0,35/2,8
Корпусная изоляция	Стеклослюдинитовая лента	0,11/0,11	16/32	1,76/3,52
	Фторопластовая лента	0,11/0,11	4/8	0,44/0,88
Покровная изоляция	Стеклолента	0,1/0,1	2/4	0,2/0,4
Зазор на укладку	-	0, 1/0,3		0,1/0,3
Прокладки	Стеклопласт	-/0,5	-/3	-/1,5
Клин	Стеклопласт	-/5,0	-А	-/5,0
Расшихтовка	-	0,25/-	-	0,25/-
Итого bП/hП =7,5/35,6

Из [1,-табл. 1] выбираем проводник обмотки с размерами 2,65x4,4 ммхмм, сечением 24 мм² (с учетом закруглений), марки ППИПК-3 — медный, прямоугольный, изолированный полиимидно-фторопластовой пленкой с двусторонней толщиной изоляции класса Н — 0,35 мм.

На основе окончательно определенных размеров паза (bП = 7,5 мм и hп = 35,6 мм) производится расчет размеров зубцов якоря в различных сечениях и уточняется значение магнитной индукции.

Ширина зубца по наружной поверхности якоря

z₁ = (t₁-b_П)= 2,15- 0,75 = 1,4 см;

Зубцовое деление на 1/3 высоты зубца от основания

t_1/3= π∙(Dа - 1,33∙ h_z ) /z =3,14∙ (66 - 1,33∙4,14)/96 = 1,97 см;

расчетная ширина зубца

z_1/3 = t_1/3- b_П =1,97-0,75= 1,22см;

Зубцовое деление по дну паза

t₂ = π∙( Dа -2∙ h_z)/z= 3,14∙(66 – 2∙4,14)/96 =1,88 см;

Ширина зубца в основании и средняя ширина

z₂ = t₂ - b_П =1,88 – 0,75 = 1,13см,

z_ср= (z₁ + z₂)/2 = (1,4 + 1,13)/2 = 1,265 см.

Проверяем расчетную индукцию в зубце

В_z1/3 = В_δ∙ t₁/k₁∙ z_1/3 = 0,958∙2,15/0,94∙1,22 = 1,79 Т.

Объем зубцов

V_z= z∙z_ср∙ h_z ∙k₁∙lа = 96∙ 1,265∙4,22∙0,94∙21 ∙10^-6 = 0,0101м³


Масса зубцов

G_z = γ∙ V_z ∙10³ = 7,8∙0,0101∙10³ = 78,8 кг.

Эскиз паза и зубца приведен на рис. 1.

Шаг обмотки:

а) по пазам

у_п = (z/2p) - ε = (96/6) - 0,5 = 15,5;

т.е. если одна сторона катушки размещена в первом пазу, то вторая попадает в пятнадцатый паз (1-15);

б) по элементарным пазам

y₁= у_п ∙u = 15,5∙4 = 62; ε₁ = ε∙u = 0,5∙4 = 2;

в) по коллектору у_к= 1,0.

Шаг уравнительных соединений

y_y=K/p= 576/3 =192, (1-193).

Длина и сечение уравнительного соединения:

у_у = 2,4∙τ = 2,4∙34,5 = 82,80 см,

g_у=0,325∙g = 0,325∙12,24 = 3,97 мм²;

Таким образом, для уравнительных, соединений принимаем провод с размерами 1,68^x2,3 мм^хмм, сечение 3,97 мм².

Общая длина всех уравнительных соединений при одном уравнителе на паз:

Lу = z∙у_у = 96∙82,8∙10² = 80 м.

Масса меди уравнителей:

Gу = γ_м∙g_y∙ Lу = 8,9∙3,97∙10^{6 .}80∙10³ = 2,82кг.

Длина, масса и сопротивление обмотки якоря:

- длина лобовой части

l_s= 2∙A_s + 1,2∙τ + 1,75 = 2,2 + 1,2∙34,5 + 1,75 = 47,15 см;

- длина полувитка

L’_n = l_a+ l_s = 21 + 47,15 = 68,15 см;

- общая длина всех проводов обмотки якоря, учитывая, что число витков в секции равно единице (w_s =1),

L_n =N∙ L’_n ∙ w_s = 1152∙68,15∙10² = 785 м;

- масса меди обмотки

G_n= γ_м ∙g_n∙ L_n = 8,9∙12∙10^-6∙785∙10³= 83,83 кг;

- сопротивление обмотки при 20 °С

а) в Омах

R_а20 == L_n /(57∙g_n ∙(2а)² )= 785/(57∙12∙6² )= 0,0318;

б) в относительных единицах при перегреве на 90 °С относительно температуры охлаждающего воздуха, равной 25 °С

R_а115 = (1 + 95∙0,04)∙R_а20∙I_н/U_н = 1,38∙0,0318∙551/1110= 0,0217.




Коллектор и щетки

Диаметр коллектора

D_к = 0,8∙D_а = 0,8∙66 = 52,8 см.

Принимаем ближайший нормализованный диаметр D_к = 52 см

Окружная скорость коллектора при номинальной и максимальной частоте вращения

V_к = π∙D_к∙n/60 = 3,14∙0,52∙916/60 = 24,94 м/с.

V_{к мах} = π∙0,52∙1696/60 = 46,18 м/с.

Возможность сжатия миканитовых прокладок между коллекторными пластинами оценивается коэффициентом

К_ik = (2∙ V²_{к мах}/ D_к) ∙(n_исп/n_мах)² = (2∙46,18²/52) ∙ (2120/1696)² = 128,16 < 190.

Коллекторное деление

t_К = π∙D_К/К = 3,14∙520/384 = 4,25 мм .

Толщина коллекторной пластины

b_к=tк-b_i = 4,25-1,2 = 3,05 мм,

где b_i - толщина изоляции между коллекторными пластинами.

Контактная поверхность щеток одного щеткодержателя

S_Щ = 2∙I_н/g∙j_щ = 2 ∙531,9/6∙15 = 11,82 см²,

где j_щ –плотность тока под щеткой,

g— число щеткодержателей.

Ширина щетки ограничивается допустимой шириной коммутационной зоны и принимается предварительно равной:

b_щ < 0,2∙τ∙(D_к/D_а) ∙ (1 - α) = 0,2∙34,5∙ (52/66) ∙(1 - 0,66) = 1,85 см.


По ГОСТ 2332-75 выбирается разрезная щетка марки ЭГ-61А размером 10^x40 мм^хмм.

На коллекторе устанавливаются две щетки по окружности коллектора 2^x10 мм и три по длине коллектора 3^x40 мм (n_щ= 3).

Щеточное перекрытие

γ = (b_щ/t_к) < (u+1); γ= 2∙10/4,25 = 4,7 < 4+1.

Длина рабочей части коллектора

l_k =n_щ∙l_щ+∆l= 3∙40 + 16 = 136 мм,

где ∆l учитывает расстояние между щетками по длине коллектора с добавлением l₁= 5-8 мм на шахматное расположение щеток по коллектору и расстояние от краев коллектора до щеток l₂=10-15 мм.

С учетом ширины петушка (l_п =18 мм) и кольцевой выточки

(l_кв ⁼ 8 мм) общая длина коллектора получается равной l'_к =162 мм.

Высота коллекторной пластины

h_к = (2,2...2,8) •( ⁴√D_k )- 1 = 2,8 • ⁴√52 - 1 = 6,52 см.

Примем h_к = 6,5 см, тогда:

-приближенная масса меди коллектора

G_k =γ_m[π∙(D_k-h_k)-K∙b_i]∙h_k∙l’_k∙10^-3= 8,9[3,14∙(52 - 6,5) - 384 ∙ 0,12] ∙6,5 ∙16,2 ∙10 ^-3 = 91кг;

-ширина коммутационной зоны

b_кm = t_к(u - (а/р) + γ + ε₁)∙Dа/D_k = 0,425∙(4- 3/3 + 4,7 + 2)∙66/52 = 5,23 см.

Отношение ширины коммутационной зоны к междуполюсному окну:

b_кm /τ∙(1 - α) = 5,23/34,5∙(1 - 0,66) = 0,446 < 0,5.

Это позволяет сделать вывод, что ширина щетки выбрана правильно.

Воздушный зазор под главными полюсами при наличии компенсационной обмотки

δ > (0,006...0_,008)∙D_a = 0,006∙660 = 3,96 мм.

Примем δ = 4 мм, тогда

коэффициент воздушного зазора якоря

К _δа = (t₁ + 10∙ δ)/(z₁ + 10 ∙ δ) = (2,16 + 10∙0,4)/(1,4 +10∙0,4)=1,14.


Коммутация и дополнительные полюсы

Удельная магнитная проводимость пазовой и лобовой частей секции обмотки:

λ_N= 0,6∙(h_z/b_п) + l_s/l_a = 0,6∙(42,1/10,0) + 47,15/28 = 4,21.

Среднее значение реактивной э.д.с. за цикл коммутации:

е_Rср = 2∙w_sA∙l_аV_a λ_n ∙10⁶ = 2∙1∙3,28∙10⁴∙0,21∙36,95∙4,21∙10 ^-б = 4,29В.

Коэффициент пульсации тока к_i при питании тягового двигателя от контактной сети переменного тока принимается равным 0,25. Поэтому дополнительная реактивная э.д.с., связанная с пульсацией тока, определяется равной 0,25 части средней реактивной э.д.с., умноженной на 0,5:

∆е_ср=k_w ∙к_i∙ е_Rср = 0,5∙0,25∙4,29 = 0,536 В,

где К_№ - коэффициент, определяющий степень компенсации дополнительной реактивной э.д.с. дополнительными полюсами.

Таким образом, полное среднее значение реактивной э.д.с. будет определяться следующим выражением в моменты максимума тока:

е'_Rср = е_Rср +∆е_ср = 4,29 +0,536 = 4,83 В.

Расчет индукции под дополнительными полюсами проводится по среднему значению реактивной э.д.с. той секции, которая занимает среднее положение в якорной катушке. Коммутация в этой секции проходит во время нахождения паза под серединой добавочного полюса. Средняя реактивная э.д.с. в ней е_R за период коммутации примерно в 1,1 больше средней э.д.с. за цикл коммутации Т_z, то есть

е_R = 1,1∙ е_Rср =1,1 ∙4,29 = 4,72В.

Примем длину дополнительного полюса l_w равной длине сердечника якоря

l_w ⁼ l_a⁼ 28 см.

Индукция под дополнительным полюсом

В_w = е_R /(2 l_w ∙w_s ∙V_а )= 4,72/2∙0,28∙1∙32,3 = 0,26 Тл.

Зазор под дополнительными полюсами со стороны якоря δ_w выполняется на 2…4 мм большим, чем под главными полюсами.

Если δ_w = 8 мм, то ширина наконечника дополнительного полюса

b_w= b_км - 4 ∙δ_w = 5,23 – 4∙0,8 = 2,03 см.

(примем b_w = 2,6 см).

Наконечник дополнительного полюса выполняется со скосами под углом 45° до ширины 3,6 см для получения плавной кривой коммутирующей э.д.с. е_k наиболее приближенной к кривой реактивной э.д.с. e_R. При этом ширина равновеликого по площади прямоугольника, отражающего распределение индукции под дополнительным полюсом, примерно равна удвоенному зубцовому делению:

b_wi = 2∙t₁ =2∙2,16 = 4,3см.

Коммутирующий поток равен

Ф_w =В_w ∙1 _w ∙ b_wi = 0,26∙0,28∙0,043 = 3,13∙10 ^-3 Вб.

Поток рассеяния дополнительных полюсов в 2-3 раза превышает коммутирующий поток. Примем коэффициент рассеяния σ_w = 3, тогда поток дополнительного полюса получается равным

Ф_wm = σ_w ∙Ф_w= 3∙3,13∙10 ^-3 = 9,39∙ 10 ^-3 Вб.


Сечение дополнительного полюса принимается из условия, что индукция в нем В_w не превышает значения

B_w= 1,2/k_i= 1,2/1, 6 = 0,75 Тл,

где К-коэффициент перегрузки тягового двигателя по току в пусковом режиме.

Ширина сердечника дополнительного полюса

b_w = Ф_wm /(В_w∙1_w )= 9,39∙10^-3/0,26∙0,28 = 0,044 м = 4,4 см.

Учитывая, что В_п - индукция в сердечнике дополнительного полюса, а при выходе из сердечника в станину часть потока рассеивается и индукция уменьшается, для расчета намагничивающей силы, преодолевающей сопротивление второго воздушного зазора, принимаем В'_w = = 0,312 Т, т.е. в 2,4 раза меньше, чем в сердечнике.

Для снижения вероятности возникновения кругового огня на коллекторе, при резких повышениях тока, между станиной и дополнительными полюсами выполняется второй зазор, приблизительно равный первому.

Примем δ_wi = 0,5 см.

Современные тяговые двигатели электровозов выполняются с компенсационной обмоткой, значительно повышающей их эксплуатационную надежность.


Намагничивающая сила дополнительного полюса, необходимая для создания коммутирующего магнитного потока:

F_w = 0,8∙ δ_w ∙k _wδ ∙B _w 10 ⁶ +0,8∙ δ_wi ∙ B ‘_w ∙10 ⁶ +0,5∙A∙τ-F _ko = =0,8∙0,008∙1,109∙0,75∙10⁶ + 0,8∙0,005∙0,312∙10⁶ +0,5∙5,12∙10 ⁴ ∙0,345-6000 = 7307А

где коэффициент зубчатости якоря для зазора равен:

k _wδ =t₁+10∙ δ_w /(z₁+10∙ δ_w )= (2,16+ 10∙0,8) /(1,15+ 10∙0,8) = 1,11

Первые две составляющие намагничивающей силы дополнительного полюса отражают падение магнитного потенциала в зазорах, третья составляющая связана с компенсацией поля якоря, четвертая - с наличием компенсационной обмотки (значение F_ко определяется при расчёте главной магнитной цепи).

Число витков катушки дополнительного полюса

w_w = F_w/I_Н = 7307/532 = 13,735

примем w_w = 14.