Расчёт тягового электродвигателя

Расчёт тягового электродвигателя

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

Кафедра «Электрический подвижной состав»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Расчёт тягового электродвигателя

Разработала

студентка группы МГ-41

Дорощук Д.В.

Проверил

Преподаватель

Шашарук И.Е.

2012г.

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 = 12,1;н - скорость номинальная, км/ч; Vн = 27 км/ч;- диаметр ведущих колёс, м; D = 1,07 м;

 об/мин.

Диаметр якоря

,

где Рдн - мощность номинальная, кВт; Рдн = 110 кВт;- коэффициент Шенфера, k = 60;

 см.

По стандартному ряду принимаем Da=24,5 см.

Проверим диаметр якоря по максимальной окружной скорости.

Номинальная окружная скорость

 км/ч.

Максимальная окружная скорость

где Vmax - максимальная скорость, км/ч; Vmax = 70 км/ч;

 км/ч.

По условию крепления обмотки в пазах двигателя  км/ч.

Максимальные обороты двигателя

 об/мин.

2. Электромагнитный расчёт ТЭД

2.1 Выбор числа пар полюсов и типа обмотки якоря

По опыту проектирования ТЭД при использовании диаметра якоря равного 24,5 см число полюсов принимаем равным четырём (2p = 4).

Номинальный ток двигателя

где Uдн - напряжение на коллекторе, В; Uдн = 750 В;

hдн - КПД двигателя, hдн = 0,91 [1, рис.3.5];

 А.

Предварительно принимаем простую волновую обмотку, для которой= 1.

Величина тока параллельной ветви

 А.

Количество активных проводников

где А - линейная нагрузка, А/см; А = 370 А/см [1];

шт.

2.2 Расчёт числа пазов, размеров проводников, паза и зубца0

2.2.1 Расчёт числа пазов

Зубцовое деление

где zn - число зубьев, принимаем zn = 29 [1, рис.3.7];

мм.

Число активных проводников в пазу

шт.

Число коллекторных пластин на паз

uk = 12 / 2 = 6 пластин.

По условиям нагревания обмотки необходимо выполнение условия

А

,5 · 12 = 967 ≤ 1200 - 1500 А.

Уточнённое число проводников

Nа = 12 · 29 = 348 шт.

Уточнённое значение линейной нагрузки

А/см.

Определяем число коллекторных пластин

где Wc - число витков в секции обмотки якоря; Wc=1;

пластин.

Среднее межламельное напряжение

 В

В.

Минимальный диаметр коллектора

где βk - коллекторное деление, см; βk =0,40 см;

см.

Исходя из технологического требования соединения пайкой петушков коллектора должно выполняться условие

,

 см.

Принимаем Dk = 20 см.

Тогда

.

Максимальная окружная скорость

,

м/с.

2.2.2 Расчет размеров проводников, паза и зубца

Глубина паза hп, мм

hп =(0,08 - 0,12)τ · 10,

где τ - полюсное деление

 см.

hп =0,12 ·19,2 · 10 = 2,3 см = 23 мм.

Рекомендуемая ширина паза

bп,

bп = 0,35 · 26 = 9,1 мм;

Принимаем тепловой фактор Aja = 2000 - 3000 А2/(см×мм2) для класса изоляции F.

Плотность тока в обмотке якоря

А/мм2.

Принимаем jа = 5,8 А/мм2 [2].

Сечение меди проводника обмотки

мм2 ,

Принимаем медный провод сечением 6,7 ´ 1,12, у которого qa = 7,289 мм2;

Расчёт размеров паза сведём в таблицу 1.

Таблица 1 - Результаты расчётов размеров паза

Проверка правильности принятия высоты и ширины паза

п / bп =

п / bп = 35,6 / 8,49 = 4,2.

Ширина зубца в расчётном сечении

мм.

2.3 Определение магнитного потока и длины якоря

Определяем магнитный поток номинального режима

где Едн - противоЭДС двигателя, В;

Едн = (0,94 - 0,96) Uдн,

Едн = 0,94 · 750 = 705 В,

 Вб.

Расчётная длина сердечника якоря

,

где kc - коэффициент заполнения сталью сердечника якоря, учитывающий

толщину изоляции (толщину лаковых прослоек); kc = 0,96 [1] ;

 - индукция в расчетном сечении зубца, Тл;  = 1,85 Тл;

at - коэффициент полюсного перекрытия; at = 0,61 [1];

la см.

Удельная магнитная проводимость паза

,

где ls - длина лобовых частей обмотки якоря, см;≈ (1,2…1,3)t;

ls=1,25 · 19,2=24 см,

.

Среднее значение реактивной ЭДС

,

 В.

2.4 Расчет параметров обмотки якоря

Шаг по коллектору при волновой обмотке

.

Шаг по реальным пазам

где eп - пазовое укорочение шага, для волновой обмотки при 2p = 4

eп = 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;

Sla - суммарная длина проводников одной параллельной ветви обмотки, м;

где lп - полная длина одного проводника обмотки, м;

,

 м,

 м,

 Ом.

2.5 Расчет коллектора и щеток

Контактная площадь щёток одного щёткодержателя

где jщ - допустимая плотность тока под щёткой, А/см2;

принимаем jщ = 12 А/см2 [1];щ - количество пар щёткодержателей, pщ = p = 2;

 см2.

По приложению З [1] принимаем щётку ЭГ61.

Щёточное перекрытие

.

Принимаем g = 3.

Отсюда найдём ширину щётки

,

 см.

Согласно ГОСТ 12232-89 принимаем, bщ = 1,25 см.

Общая длина щёток одного щёткодержателя

 см.

Принимаем количество щеток Nщ = 2.

Длина щётки

 см.

Согласно ГОСТ 12232-89 принимаем, длину щётки lщ = 3,2 см.

Плотность тока под щёткой

 А/см2.

2.6 Определение размеров магнитной цепи0

2.6.1 Сердечник якоря

Эффективная высота якоря

где Ва - индукция в сердечнике якоря, Тл; Ва= 1,4 Тл;

 см.

Высота якоря

,

где mk - количество рядов вентиляционных каналов;- диаметр вентиляционных каналов, см.

Число рядов вентиляционных каналов и их диаметр связаны соотношением

,

где Dв - диаметр вала, см; Dв = 3,8 см, [1, график 2.8]

.

Принимаем mk = 2; dk = 2,26 см.

Подставив значения, получим

 см.

2.6.2 Расчёт воздушного зазора

Величина зазора под центром полюса

,

Зазор выполняется расходящимся с целью ослабления влияния реакции якоря

 см .

2.6.3 Сердечник главных полюсов

Принимаем индукцию в сердечнике главного полюса Вт = 1,6Тл;

Площадь сечения 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 = 0,975;

lТ - длина сердечника полюса, см; lТ = lа = 37 см;

 см.

Высота сердечника полюса

,

 см.

2.6.4 Станина

Станину выполняем круглой формы.

Принимаем индукцию в станине Вст = 1,5 Тл.

Площадь станины

 м2.

Длина расчётного сечения станины

 37 + 0,4 · 24,5 = 46,8 см.

Толщина станины

 см.

Внутренний диаметр станины

см.

Внешний диаметр станины

см.

2.7 Расчёт магнитных напряжений участков магнитной цепи

2.7.1 Воздушный зазор

Магнитная индукция в воздушном зазоре

 Тл.

Магнитное сопротивление воздушного зазора

,

где kδ - коэффициент учитывающий зубчатое строение якоря;

- эквивалентный воздушный зазор;

,

 см.

Принимаем = 0,35 см.

,

где t1 - зубцовое деление, см;

bz1 - ширина зубца на поверхности якоря;

bz1 = t1 - bп,

bz1 = 2,6 - 0,849 = 1,75 см

,

 А.

2.7.2 Зубцовая зона

Принимаем сталь 1312 для которой при Вz1/3 = 1,85 Тл, Нz1/3 = 200 А/см.

Падение магнитного потенциала в зубцовой зоне

=200 · 3,56 = 713,2 А.

Площадь зубцовой зоны

 м2.

2.7.3 Сердечник якоря

Принимаем сталь 1312 для которой при Ва = 1,4 Тл; На = 18,2 А/см.

Длина средней силовой линии в сердечнике якоря

,

 см.

Магнитное напряжение

18,2 · 6,8 = 123,7 А .

2.7.4 Сердечник главных полюсов

Принимаем листовую сталь, для которой при Вт = 1,6 Тл; Нт = 40 А/см.

Магнитное напряжение в сердечнике главных полюсов

Fт = 40 · 6,7 = 268 А.

2.7.5 Станина

Выбираем стальное литьё, для которого Вст = 1,5 Тл, Нст = 30 А/см.

Длина средней силовой линии в станине

,

 см.

Магнитное напряжение в станине

= 30 · 16 = 480 А .

Общая МДС магнитной цепи при холостом ходе

2809,52 + 713,2 + 480 + 123,7 + 268 = 4394,42 А.

2.8 Расчёт размагничивающего действия реакции якоря

МДС, компенсирующая размагничивающее действие якоря

, kр = 0,135;ря - реакция якоря, А;

 А;

= 0,135 · 3494,4 = 471,7 А .

Общая МДС главных полюсов

,

4394,42 + 471,7 = 4866,12 А,

.

При  kр=0,105, тогда

= 0,105 · 3494,4 = 367 А .

4394,42 + 367= 4761 А,

Результаты расчёта магнитной цепи приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты расчёта магнитной цепи

2.9 Расчёт главных полюсов

МДС последовательной обмотки Fc, А, при преобладании МДС параллельной обмотки

Fcн = (0,4 ÷ 0,5) Fв,

Fcн = 0,4 · 4866,12 = 1946,4 А.

Требуемое число витков катушки главных полюсов

где αн - ослабление магнитного потока в номинальном режиме; для

двигателя с тиристорным регулированием αн = 1;

= 12 витков.

Поперечное сечение меди катушки

где jс - плотность тока в проводниках обмотки, А/мм2; jс = 4А;

 мм2.

Принимаем провод 20 ´2 мм, площадь поперечного сечения проводапр = 30 мм2.

Средняя длина витка параллельной обмотки

= 0,97 м.

Площадь проводника параллельной обмотки

,

где Fш max - максимальная МДС параллельной обмотки, А;

,

= 0,75 · 4866,12 = 3649,59 А,

= 0,33 мм2.

Плотность тока параллельной обмотки в номинальном режиме, А/мм2;

 А/мм2.

Максимальная плотность тока параллельной обмотки

,

 А/мм2.

Максимальный ток в параллельной обмотке

,

= 0,33 · 6 = 1,98 А.

Число витков в обмотке

= 1843 витка.

Сопротивление обмотки при 200 С

= 380 Ом.

Расчетный диаметр провода обмотки

 мм.

Ток параллельной обмотки в номинальном режиме

где Fшн - МДС параллельной обмотки, А;

,

 А;

 А.

2.10 Расчёт параметров коммутации и добавочных полюсов

Индукция в зоне коммутации

 Тл.

Магнитный поток в зоне коммутации

где bdд - расчётная дуга наконечника добавочного полюса, см;

где  - ширина наконечника добавочного полюса, см;

,

= 1,35 · 26 · 10−1 = 3,51 см;

 - воздушный зазор под добавочным полюсом со стороны якоря, см;

= 0,245 + 0,055 = 0,3 см,

= 3,51 + 2 · 0,3 = 4,11 см,

 Вб.

Магнитный поток в сердечнике полюса

где sд - коэффициент рассеивания добавочного полюса, принимаем sд = 3;

= 3 · 0,0018 = 0,0054 Вб.

Индукция в сердечнике полюса при номинальном токе Втд = 0,8 Тл.

Ширина сердечника добавочного полюса

 см.

Величина воздушного зазора

см.

МДС на один полюс

где kdд - коэффициент, учитывающий зубчатое строение якоря;

где  − ширина зубца на поверхности якоря, см;

см,

;

 А.

Число витков катушки добавочного полюса

 витков.

 А.

Степень компенсации поля реакции якоря

.

Площадь сечения проводника катушки добавочного полюса

где jд - плотность тока в проводниках обмотки, А/мм2; jд = 5 А.

 мм2.

Принимаем провод 2,15 ´ 2,5 мм, площадь поперечного сечения провода qд = 32,7 мм2 [2].

2.11 Расчёт размеров и параметров катушек главных и добавочных полюсов

2.11.1 Параметры катушек главных полюсов

Средняя длина витка последовательной обмотки

где b1 - ширина катушки последовательной обмотки, см; из чертежа

полюсного окна принимаем b1 = 0,018 м;

м.

Общая длина последовательной катушки меди

,

где Wс - число витков последовательной обмотки; Wс = 12 витков;

0,7 · 12 = 8,4 м.

Сопротивление меди катушек главных полюсов

,

 Ом.

2.11.2 Параметры катушек добавочных полюсов

Средняя длина витка провода добавочных полюсов

где bкд - ширина катушки добавочных полюсов, м; из чертежа полюсного окна принимаем bкд = 0,015 м.

2 · 0,245 + 3,14 · (0,018 + 0,015) = 0,594 м.

Общая длина провода катушки

,

0,594 · 29 = 17,23 м.

Сопротивление меди катушек добавочных полюсов

,

 Ом.

2.12 Определение коэффициента полезного действия

Потери в меди

,

где rat, rпt, rдпt, rшt - соответственно сопротивление обмоток якоря,

последовательной, добавочных полюсов и шунтовой

при t = 115°С, Ом.

Приведение сопротивлений практически холодных обмоток к требуемому значению температуры производится по формуле

,

где rit - сопротивление i-й обмотки при температуре tг=115°С;- сопротивление i-й обмотки при температуре tх=20°С;

a0 - температурный коэффициент меди при 0°С; a0=0,004255.

Перечисленные сопротивления приведены в таблице 3.

Таблица 3. - Пересчёт сопротивления обмоток

 Вт.

Потери в стали при холостом ходе

где kx - коэффициент потерь в стали, зависящий от её марки; kx=2,5;, pa - соответственно удельные потери в зубцах и сердечнике

якоря, Вт/кг;, ma - соответственно масса стали зубцов и сердечника якоря, кг;

,

,

где  - частота перемагничивания стали, Гц;

Гц.

 Вт/кг,

 Вт/кг,

где gс - плотность стали, г/см3; gс = 7,85 г/см3;

bz1/2 - ширина зубца на высоте ½ от основания, см;

,

,

 кг,

,

 27,2 кг,

 Вт.

Добавочные потери

,

где kдоб - коэффициент добавочных потерь, принимаем kдоб = 0,3 [2].

 Вт.

Потери в переходных контактах щёток

,

где DUщ - падение напряжения в переходных контактах щёток, принимаем

DUщ = 2В [2].

 Вт.

Механические потери:

− потери в подшипниках и на трение якоря о воздух

 Вт;

− потери на трение щёток о коллектор

,

где Fщ - удельное давление на щётки, МПа; принимаем Fщ = 0,03 МПа;тр - коэффициент трения щёток о коллектор; принимаем fтр = 0,1 [2];

100 · 6,71 · 0,03 · 0,1 · 20,75 · 2 · 2 = 167,1 Вт;

− мощность, затрачиваемая на самовентиляцию

 Вт.

Сумма потерь в тяговом двигателе

,

= 4717 + 1451 + 435,3 + 322 + 220 + 167,1 + 268 = 7580,4 Вт.

КПД двигателя

,

.

2.13 Расчёт и построение характеристик тягового электродвигателя

Расчёт характеристик тягового электродвигателя производится аналогично номинальному режиму п. 2.4 - п. 2.11.

Нагрузочные характеристики рассчитываются с учётом размагничивающего действия якоря для нескольких постоянных значений токов нагрузки.

Расчёт сводится к определению той дополнительной МДС F`ря, которая потребуется для получения при нагрузке того же магнитного потока, как и при холостом ходе.

Расчёт проводим по методике А.Ф. Иоффе, которую использовали в п. 2.7. Результаты расчёта сведены в таблицы 4 и 5.

Таблица 4 - Кривая намагничивания

Таблица 5- Нагрузочные характеристики

Электромеханические характеристики рассчитываем для режимов работы ТЭД при полном и ослабленном возбуждении.

Скоростная характеристика рассчитывается по формуле

,

где Се - машинная постоянная;

DUд - падение напряжения на омических сопротивлениях обмоток, В.

.

Скорость движения троллейбуса и вращающий момент рассчитываем по формулам

,

где hдi - КПД двигателя.

Сила тяги одной оси троллейбуса

где hз - КПД зубчатой передачи; hз = 0,97.

Машинная постоянная

Результаты расчётов по выше перечисленным формулам представим в таблицах 6 и 7.

Таблица 6 - Электромеханические характеристики

Таблица 7 - Электромеханические характеристики

3. Расчёт массы и технико-экономических показателей ТЭД

Удельная масса ТЭД оценивается по массе отнесенной к единице номинальной мощности и по массе отнесенной к единице вращающего момента.

,

где  - масса двигателя, кг;

 кг.

,

Кроме того, оценивают регулировочные свойство ТЭД, которые характеризуются использованием мощности в широком диапазоне скоростей.

Для качественной оценки регулировочных свойств применяется коэффициент использования мощности

где - мощность ТЭД при максимальной скорости.

Установлены параметры, от которых зависит коэффициент использования мощности

где - ослабление магнитного потока в номинальном режиме, = 1; - коэффициент ослабления магнитного потока при ;

 - коэффициент насыщения;

- коэффициент скорости;

,

.

;

=1,73.

Принимаем.

,

0,32.

Заключение

В данной курсовой работе были произведены следующие расчеты:

- расчет параметров передачи и диаметра якоря ТЭД: здесь были определены номинальная частота вращения двигателя  об/мин, диаметр якоря Da=24,5 см, номинальная окружная скорость  км/ч, максимальные обороты двигателя  об/мин;

был рассчитан номинальный ток двигателя  А, величина тока параллельной ветви  А, количество активных проводников шт;

выбрали тип обмотки, её параметры, размеры проводников, паза и зубца;

рассчитан коллекторно-щёточный узел, была выбрана щётка типа ЭГ61, шириной bщ = 1,25 см и длиной lщ = 3,2 см;

определён магнитный поток Фдн = 0,0375 Вб и длина якоря lа = 37 см;

определены размеры магнитной цепи (п. 2.6);

рассчитаны магнитные напряжения участков магнитной цепи и общая МДС: магнитное сопротивление воздушного зазора  А, падение магнитного потенциала в зубцовой зоне = 713,2 А, магнитное напряжение  123,7 А, магнитное напряжение в сердечнике главных полюсов Fт = 268 А, магнитное напряжение в станине = 480 А, общая МДС магнитной цепи при холостом ходе  4394,42 А.

расчёт размагничивающего действия реакции якоря: МДС, компенсирующая размагничивающее действие якоря = 471,7 А, общая МДС главных полюсов 4866,12 А;

рассчитаны параметры катушек главных и добавочных полюсов, а также параметры коммутации (п. 2.9-2.10)

определён коэффициет полезного действия двигателя ;

рассчитана масса двигателя  кг, а также технико- экономические показатели ТЭДа.

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. На основании всех расчётов были построены характеристики намагничивания, нагрузочные и электромеханические.

обмотка якорь тяговый электродвигатель

Литература

1. Ефремов И.С., Косарев Г.В. Теория и расчёт троллейбусов (электрическое оборудование ), ч.1 Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа.1981.- 293 с.

. Рафаловский В.В. Электромагнитный расчёт тягового электродвигателя тепловоза: Метод. указание к курсовому проекту. - Гомель, РИО БелИИЖТа, 1991. - 61 с.

Приложение Б

Кривая намагничивания и нагрузочные характеристики ТЭД

Приложение В

Электромеханические характеристики ТЭД

Приложение Г

Электротяговые характеристики ТЭД