Расчёт тягового электродвигателя

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

Кафедра «Электрический подвижной состав»

КУРСОВАЯ РАБОТА

Расчёт тягового электродвигателя

Разработала студентка группы МГ₄₁

Дорощук Д.В.

Проверил Преподаватель Шашарук И.Е.

2012 г.

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 — передаточное число передачи; = 12,1;

Vн — скорость номинальная, км/ч; Vн = 27 км/ч;

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

об/мин.

Диаметр якоря

где Рдн — мощность номинальная, кВт; Рдн = 110 кВт;

k — 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;

дн — КПД двигателя, дн = 0,91 [1, рис. 3.5];

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 = 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

80,5 · 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 вk — коллекторное деление, см; вk =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)ф · 10,

где ф — 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/(сммм2) для класса изоляции F.

Плотность тока в обмотке якоря А/мм2.

Принимаем jа = 5,8 А/мм2.

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

hп / bп =

hп / 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 ;

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

— коэффициент полюсного перекрытия; = 0,61 [1];

la см.

Удельная магнитная проводимость паза

где ls — длина лобовых частей обмотки якоря, см;

ls? (1,2…1,3);

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 п — пазовое укорочение шага, для волновой обмотки при 2p = 4

п = 0,75;

.

Первый частичный шаг по элементарным пазам

.

Второй частичный шаг по элементарным пазам

.

Сопротивление обмотки якоря при 20С где — удельное электрическое сопротивление меди при 20 С, Оммм2/м;

= 1/57 Оммм2/м;

la — 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];

pщ — количество пар щёткодержателей, pщ = p = 2;

см2.

По приложению З принимаем щётку ЭГ61.

Щёточное перекрытие

.

Принимаем = 3.

Отсюда найдём ширину щётки

см.

Согласно ГОСТ 12 232–89 принимаем, bщ = 1,25 см.

Общая длина щёток одного щёткодержателя

см.

Принимаем количество щеток Nщ = 2.

Длина щётки

см.

Согласно ГОСТ 12 232–89 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;

dk — 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 — коэффициент рассеивания главных полюсов; = 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 kд — 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 где kр — коэффициент размагничивания, принимаем из графика (рис. 2.7.)

kр = 0,135;

Fря — 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 бн — ослабление магнитного потока в номинальном режиме; для двигателя с тиристорным регулированием бн = 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 провода

Sпр = 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 bд — 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 д — коэффициент рассеивания добавочного полюса, принимаем д = 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 kд — 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.

2.11 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 rt, rпt, rдпt, rшt — соответственно сопротивление обмоток якоря, последовательной, добавочных полюсов и шунтовой при t = 115С, Ом.

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

где rit — сопротивление i-й обмотки при температуре tг=115С;

rix — сопротивление i-й обмотки при температуре tх=20С;

0 — температурный коэффициент меди при 0С; 0=0,4 255.

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;

pz, pa — соответственно удельные потери в зубцах и сердечнике якоря, Вт/кг;

mz, ma — соответственно масса стали зубцов и сердечника якоря, кг;

где — частота перемагничивания стали, Гц;

Гц.

Вт/кг,

Вт/кг, где с — плотность стали, г/см3; с = 7,85 г/см3;

bz½ — ширина зубца на высоте? от основания, см;

кг,

27,2 кг,

Вт.

Добавочные потери

где kдоб — коэффициент добавочных потерь, принимаем kдоб = 0,3.

Вт.

Потери в переходных контактах щёток

где Uщ — падение напряжения в переходных контактах щёток, принимаем

Uщ = 2 В.

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;

fтр — 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;

Uд — падение напряжения на омических сопротивлениях обмоток, В.

.

Скорость движения троллейбуса и вращающий момент рассчитываем по формулам

где дi — КПД двигателя.

Сила тяги одной оси троллейбуса где з — КПД зубчатой передачи; з = 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 техникоэкономические 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

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.

2. 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