Курсовая работа: Проектирование тягового электродвигателя
Величина магнитной индукции рассчитывается по формуле
, (4.23)
По
индукции 
= 1,8 Тл согласно [1], из
Приложения «В» находим напряженность 
14200
А/м.
Длину магнитной линий снимаем с учетом масштаба с эскиза магнитной цепи. La = 0,1625 м.
Падение магнитных потенциалов в сердечнике якоря
, (4.24)
Результаты вышеприведенных и последующих расчетов сведены в таблицу 4.1.
4.5 Участок зубцового слоя якоря
Площадь в расчетном сечении зубцового якоря
, (4.25)
Индукция в расчетном сечении зубцового якоря
, (4.26)
По
индукции 
= 1,8 Тл, согласно [1], находим
напряженность магнитного поля,
14200
А/м.
Магнитное напряжение зубцов якоря
, (4.27)
4.6 Участок сердечника главного полюса
Площадь сечения сердечника главного полюса
, (4.28)
Индукция в сердечнике главного полюса
, (4.29)
По
индукции 
=1,7 Тл, согласно [1],находим
напряженность Нm = 7050 А/м.
Падение магнитных потенциалов в сердечнике главных полюсов
, (4.30)
где Lm – длина силовой линии из эскиза. Lm = 0,12 м.
Fm = 7050 · 0,12 = 846 А.
4.7 Участок стыка полюса с остовом
Магнитное напряжение этого участка Fmj, оценивают по приближенной эмпирической формуле
, (4.31)
4.8 Участок выхода потока из полюса в остов
Площадь сечения участка поворота магнитного потока Sj’, зависит от толщины остова в месте расположения главных полюсов
, (4.32)
Индукция на участке выхода потока из полюса в остов
, (4.33)
Магнитное напряжение на участке выхода потока из полюса в остов
, (4.34)
где Hj’ – магнитная напряженность на участке перехода из полюса в остов,
согласно[1], Hj’ = 6800 А/м;
Lj’ – длина силовой линии на участке поворота потока в остове.
Lj’ = 0,08 м.
DFj’ = 6800 ∙ 0,08 = 544 А.
4.9 Ярмо остова
Площадь сечения ярма остова
, (4.35)
Sj = 0,06053 · 0,7234 = 0,043787 м2.
Индукция в остове
, (4.36)
Магнитное напряжение в ярме остова
, (4.37)
где Hj – магнитная напряженность в остове, согласно [1], Hj = 2010 А/м;
Lj – длина силовой линии в ярме остова, из эскиза магнитной цепи.
Lj’ = 0,644 м.
DFj = 2010∙ 0,644 = 1294,44 А.
4.10 Расчет воздушного зазора
Таблица 4.1 – Расчет магнитных напряжений и МДС возбуждения
| Номер участка | Наименование участка | Магнитный поток, Вб | Сечение, м2 | Индукция, Тл | Напряженность, А/м | Длина силовой линии, м | Магнитное напряжение, А |
| 1 | Сердечник якоря | 0,058 | 0,032439 | 1,8 | 14200 | 0,1625 | 2307,5 |
| 2 | Зубцовый слоя якоря | 0,117 | 0,064876 | 1,8 | 14200 | 0,0331 | 470,02 |
| 3 | Зубцовый слой полюса | – | – | – | – | – | – |
| 4 | Сердечник полюса | 0,123 | 0,072127 | 1,7 | 7050 | 0,12 | 846 |
| 5 | Стык полюса с остовом | – | – | – | – | – | 136 |
| 6 | Переход из полюса в остов | 0,061 | 0,036862 | 1,66 | 6800 | 0,08 | 544 |
| 7 | Ярмо остова | 0,061 | 0,043787 | 1,4 | 2010 | 0,644 | 1294,44 |
| Сумма магнитных напряжений стальных участков | 5597,96 | ||||||
| 8 | Воздушный зазор | 0,117 | 0,001947 | 0,86 | – | – | 4248,19 |
| МДС намагничивания | 9846,15 | ||||||
| МДС на компенсацию действия реакции якоря | 918,3 | ||||||
| МДС Возбуждения обмотки главного полюса | 10764,45 | ||||||
Потребная МДС воздушного зазора для обеспечения заданных свойств двигателя
, (4.38)
где 
коэффициент использования мощности.
При 
,
. Принимаю 
= 0,8;
– коэффициент регулируемости по скорости;
– коэффициент магнитной устойчивости;
– МДС поперечной реакции якоря.
, (4.39)
.
, (4.40)
В машинах без компенсационной обмотки, для снижения воздействия поперечной реакции якоря наконечникам главных полюсов придают особую форму, так чтобы зазор расходился бы к краям полюса. Расходящиеся воздушные зазоры обеспечивают нарастание магнитного сопротивления потоку поперечной реакции якоря соответственно росту её МДС от центра главного полюса. Очевидно, что степень искажения магнитного поля главных полюсов, а значит, и величина максимальных межламельных напряжений в этом случае зависят от формы и величины воздушного зазора. Поэтому коэффициент магнитной устойчивости в некомпенсированных двигателях определяется специальным расчетом с учетом индивидуальных особенностей проектируемой машины.
Коэффициент максимального искажения магнитного поля
, (4.41)
где 
максимальный уровень межламельного напряжения.
Принимаю 
Коэффициент раскрытия воздушного
зазора принимаю, 
Тогда согласно [1], рисунок 8.3 
Согласно закону полного тока, сумма падений магнитных напряжений в контуре должна компенсироваться МДС намагничивания
, (4.42)
Реальное значение МДС возбуждения главных полюсов
, (4.43)
где 
поперечная составляющая реакции якоря.
Наиболее простым методом нахождения
составляющей 
является ее расчет через
коэффициент реакции якоря
, (4.44)
В двигателях без компенсационной коэффициент
реакции якоря, 
определяется по
диаграмме рисунка 8.4.
Для индукции 
Тл, принимаем 
.
При этом удостоверяемся в
правильности выбора 
по формуле
, (4.45)
Так как число витков округлили, то необходимо уточнить потребную МДС воздушного зазора. Для этого уточним реальное значение МДС возбуждения главных полюсов.
, (4.46)
, (4.47)
, (4.48)
Для определения точных геометрических размеров воздушного зазора сначала рассчитаем эквивалентный воздушный зазор
, (4.49)
где 
магнитная постоянная. 
Гн/м.
м.
Связь между конструкционными и эквивалентными воздушными зазорами устанавливается через коэффициент Картера по поверхности якоря, учитывающий геометрические размеры зубцового слоя якоря
. (4.50)
Принимаю 
=
3,183 мм.
.
Найдем коэффициент Картера по поверхности полюса для эксцентричного зазора
, (4.51)
.
, (4.52)
4.11 Расчет конструкционных размеров и параметров катушки главного полюса
При нахождении параметров катушки главных полюсов, одним из решающих значений для вписывания катушки, является сечение проводника обмотки возбуждения. Принимаю класс изоляции «В» и плотность тока равную
jв = 3,5 А/мм2. (4.53)
Далее рассчитываю пределы, в которых должно находиться сечение проводника обмотки возбуждения.
, (4.54)
мм2.
Катушки главных полюсов при 2р = 2 выполняются намоткой проводников на широкое ребро. Выбираю размеры проводника, согласно[1]
hпр × bпр = 25 × 1,81 qв = 44,6 мм2. (4.55)
Примем: Dмв = 0,5 мм, Dразд = 1 мм, Dвыст = 0,5 мм.
Найдем размер катушки по высоте hвк
, (4.56)
Разбиваем общее число витков на два слоя
(4.57)
Тогда размеры катушки по ширине 
при намотке на широкое ребро
, (4.58)
, (4.59)
Исходя из полученных размеров катушки, рассчитывается средняя длина одного витка обмотки возбуждения для верхнего и нижнего слоя
, (4.60)
, (4.61)
Общая длина меди обмоток возбуждения Lв
, (4.62)
Сопротивление обмотки возбуждения при 20°С
, (4.63)
где kподр – коэффициент, учитывающий подрез катушки. kподр = 1.
Масса меди катушек главных полюсов mмв
, (4.64)
5 Расчет стационарной коммутации
Целью данного расчета является нахождение среднего за период коммутации значения реакции ЭДС. Расчет выполняется на основе ранее полученных параметров активного слоя, коллектора и щеток. Необходимо обеспечить выполнение ограничения по допустимой величине средней реактивной ЭДС.
Рассмотрим четыре характерных области замыкания потоков пазового рассеяния
, (5.1)
где 
суммарный удельный коэффициент индуктивности;
– магнитная проводимость в пазу
якоря над медью;
– то же для части паза, занятой медью проводников;
– то же по коронкам зубцов якоря;
– то же для лобовых частей обмотки
якоря.
Удельная магнитная проводимость части паза, занятой медью
, (5.2)
где 
высота части паза, занятой медью проводников;
– коэффициент экранирующего эффекта
от вихревых токов.
Определяю 
из
полной высоты паза
, (5.3)
где 
односторонняя толщина изоляции якорной катушки;
– высота клина;
– общее число прокладок на дне паза и под клином;
– толщина прокладок.
Одностороннюю толщину изоляции вычисляем по формуле
, (5.4)
Рассчитаем приведенную высоту элементарного проводника паза якоря
, (5.5)
где 
высота элементарного проводника в пазу якоря;
– суммарная ширина меди в пазу;
– угловая частота коммутации одного паза;
– удельная проводимость меди при
ожидаемой рабочей
температуре. 
= 35 · 106
см/м.
Для этого найдем величину 
, (5.6)
где 
окружная скорость на поверхности коллектора в
номинальном режиме;
– коэффициент щеточного перекрытия.
, (5.7)
, (5.8)
.
.
По диаграмме рисунка 9.2, согласно
[1], найдем величину коэффициента демпфирования. 
=
1.
Удельная магнитная проводимость части паза над медью
, (5.9)
где 
коэффициент, учитывающий материал бандажа крепления
якорной обмотки. При клиновом креплении из стеклопластов
принимается 
=1.
Найдем величину h1
, (5.10)
Гн/м.
Удельная магнитная проводимость по коронкам зубцов
, (5.11)
где 
коэффициент Картера для поверхности якоря под добавочным полюсом.
, (5.12)
Зададимся величиной воздушного зазора между якорем и добавочным полюсом
, (5.13)
.
Рассчитаем ширину наконечника добавочного полюса
, (5.14)
мм.
Гн/м.
С учетом распушения магнитный поток добавочного полюса должен перекрывать пространство, называемое зоной коммутации
, (5.15)
Удельная магнитная проводимость по лобовым частям при немагнитных бандажах крепления лобовых вылетов
, (5.16)
Найдем среднее за период коммутации значение реактивной ЭДС
, (5.17)
С ростом средней реактивной ЭДС увеличиваются абсолютные небалансы между ступенчатой кривой реактивной ЭДС и плавной кривой распределения коммутирующей ЭДС от потока добавочных полюсов.
Поэтому устанавливается ограничение на значение средней реактивной ЭДС в номинальном режиме
. (5.18)
1,74 
(3,5…4,0)В.
6 Расчет добавочных полюсов
Из условия равенства реактивной и коммутирующей ЭДС рассчитаем требуемую индукцию в зоне коммутации
, (6.1)
где 
окружная скорость на поверхности якоря в номинальном режиме.
. (6.2)
м/с.
Тл.
Для обеспечения требуемого уровня магнитной индукции в зоне коммутации необходимо создать коммутирующий поток
, (6.3)
Вб.
Полный поток добавочных полюсов
, (6.4)
где 
коэффициент рассеяния добавочного полюса;
= 3 – в машинах без компенсационной
обмотки.
Вб.
Чтобы обеспечить линейность магнитной характеристики добавочных полюсов во всем рабочем диапазоне тока якоря, включая и режим максимальной мощности, индукция в сердечнике полюса в номинальном режиме не должна превышать
Тл. (6.5)
Принимаю 
.
Наметим ширину сердечника добавочного полюса
, (6.6)
где 
длина сердечника полюса. 
м;
– коэффициент заполнения сердечника сталью.
= 1.
мм.
Зададимся значением второго воздушного зазора
мм, (6.7)
мм.
Магнитное напряжение первого воздушного зазора
, (6.8)
А.
Магнитное напряжение второго воздушного зазора
, (6.9)
Найдем значение индукции в сердечнике добавочного полюса
, (6.10)
Тл.
А.
Полная МДС обмотки возбуждения добавочных полюсов
, (6.11)
А.
Число витков катушки добавочного полюса
, (6.12)
витка.
Так как число витков округляли, то необходимо уточнить значение МДС обмотки возбуждения добавочных полюсов
, (6.13)
А.
, (6.14)
А.
, (6.15)
А.
Скорректируем размеры второго воздушного зазора
, (6.16)
м.
Оценим площадь поперечного сечения проводников обмотки
, (6.17)
где J
- максимально допустимая плотность
тока в проводниках обмотки, принимаю J
= 3,5 А/мм
мм2.
Укладку производим на широкое ребро в семь слоев по высоте тела добавочного полюса.
По значению q
намечаем размеры проводника обмотки
возбуждения добавочных полюсов
hпр × bпр = 22 × 1,81, qд = 39,1 мм2, (6.18)
Найдем размер катушки по высоте в нашем случае
, (6.19)
мм.
Тогда размеры четырех крайних к остову слоев катушки по ширине, при условии, что в них по 12 витков
, (6.20)
мм.
Средняя длина витка добавочного полюса
, (6.21)
м.
Сопротивление цепей обмоток добавочных полюсов 20°С
, (6.22)
Ом.
Масса меди катушек добавочных полюсов
, (6.23)
кг.
Список использованных источников
1 Андросов Н. Н., Дурандин М.Г. Тяговые электрические машины и преобразователи: Методическое руководство к курсовому проектированию по дисциплине «Тяговые электрические машины и преобразователи» - УрГУПС, 2004 г.
2 Проектирование тяговых электрических машин.: Учеб. пособие для вузов ж.-д. трансп. / Под ред. М.Д. Находкина. - М.: Транспорт, 1967. – 536 с.
3 Костенко МЛ., Пиотровский Л.М. Электрические машины.: Учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений, Изд. 3-е, перераб. -Л.: Энергия, 1972.-544 с.
4 Захарченко Д.Д., Ротанов Н.А. Тяговые электрические машины.: Учеб. для вузов ж.д. трансп. - М.: Транспорт, 1991. - 343 с,
5 Алексеев А.Е. Тяговые электрические машины и преобразователи. - Л.: Энергия, 1977. - 445 с.
6 Уткин В.Г., Соколов С.И., Сукач Э.И. Электропоез ЭР2 руководство по эксплуатации.- М.: Транспорт, 1974.- 248с.
