Определение суммарных потерь в двигателе

Потери в двигателе состоят из активных потерь в обмотках, магнитных потерь в якоре, потерь в коллекторно-щёточном узле и потерь в подшипниках.

Потери в меди якоря:

Вт.

Потери в меди обмотки возбуждения:

Вт.

Потери в меди обмоток дополнительных полюсов:

Вт.

Магнитные потери при холостом ходе зависят от удельных потерь в якоре и его массы, при этом зубцовый слой рассматривается отдельно от ярма.

Масса ярма якоря:

,
где мм;

γ_ст=7.85∙10^-3 г/мм³ – удельная масса стали;

мм – высота паза в штампе;

D_i=152 мм – внутренний диаметр сердечника якоря;

n_вк=3 – число рядов воздушных каналов;

d_вк=20 мм – диаметр воздушных каналов.

Получаем массу ярма:

г = 621 кг.

Масса зубцов:

г = 148 кг,
где b_z1=24 мм, b_z2=22 мм – ширина зубца по поверхности якоря и по дну паза.

Для определения удельных потерь нам потребуется знать частоту вращения якоря:

рад/с.

Удельные потери в ярме якоря:

Вт/кг.

Удельные потери в зубцах:

Вт/кг.

Магнитные потери при холостом ходе:

Вт.

Добавочные потери при нагрузке:

Вт.

Переходные потери на коллекторе:

Вт.

Потери на трение щёток:

Вт,
где P_щ=4 Н/мм – удельное давление на щётку;

ρ=0.25 – коэффициент трения щёток по коллектору;

v_кол=22.6 м/с – окружная скорость на поверхности коллектора.

Потери в подшипниках:

Вт.

Суммарная мощность потерь в двигателе:

7.2 Расчёт и построение характеристик двигателя

Все характеристики строятся в функции тока при постоянном напряжении на зажимах U_д=U_дн=1500 В. Для построения наметим следующие границы тока:

А; А.

Принимаем границы тока I_min=100 А, I_max=550 А, шаг по току 50 А. Сведём эти значения в таблицу 7.1.

Падение напряжения в двигателе при токе 200 А:

В.

Остальные значения определяются по этой же формуле и показаны в таблице 7.1.

Находя остальные характеристики двигателя, в дальнейшем не будем ссылаться на таблицу 7.1.

Намагничивающая сила главных полюсов при токе 250 А:

14500 А.

Магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, определяется по универсальной магнитной характеристике ([1, рисунок 7.1]). Для этого нужно перевести намагничивающую силу из А в относительные единицы, используя масштабный коэффициент:

,
где F_вн=31900 А – наибольшая НС из таблицы 7.1.

.

Магнитный поток в относительных единицах определяем по [1, рисунок 7.1].

Для перевода магнитного потока в абсолютную величину найдём его масштабный коэффициент:

.

Магнитный поток в Вб:

.

Число оборотов двигателя при токе 200 А:

об/мин.

Активные потери в двигателе при токе 200 А:

Вт

Коэффициент полезного действия в пересчёте на ось при токе 200 А:

,
где η_зп=0.96 – КПД зубчатой передачи.

Скорость электровоза при токе 200 А:

км/ч.

Сила тяги одной оси при токе 200 А:

Н.

Расчёты при ослабленном возбуждении выполняются аналогичным образом с использованием компьютерного алгоритма, показанного в приложении А. Разница состоит в том, что ток I_а уменьшен в β раз:

,
где β=0.3 – коэффициент ослабления возбуждения при отсутствии компенсации.

Характеристики машины при ослабленном возбуждении показаны в таблице 7.2.

Построим тяговые характеристики.

Таблица 7.1 – Характеристики двигателя при полном возбуждении
Iа, А	ΔU, В	E, В	Fв, А	Fв, ое	Ф, ое	Ф, Вб	n, об/мин	UI, кВт	ηо	vэ, км/ч	Fо, Н
	7.5 10.25 13.0 15.75 18.5 21.25 24.0 26.76 29.51 32.26	1492.5 1489.75 1487.0 1484.25 1481.5 1478.75 1476.0 1473.24 1470.49 1467.74		0.08 0.12 0.16 0.21 0.25 0.29 0.33 0.37 0.41 0.45	0.27 0.40 0.48 0.56 0.62 0.68 0.70 0.76 0.79 0.80	0.054 0.080 0.096 0.112 0.124 0.136 0.140 0.152 0.158 0.160			0.830 0.874 0.895 0.908 0.917 0.923 0.928 0.931 0.934 0.936	157.29 105.97 88.14 75.4 67.98 61.86 59.98 55.14 52.94 52.18	4061.54 6418.08 8774.63 1.11*10^4 1.35*10^4 1.58*10^4 1.82*10^4 2.06*10^4 2.29*10^4 2.53*10^4

Таблица 7.2 – Характеристики двигателя при ослабленном возбуждении
Iа, А	ΔU, В	E, В	Fв, А	Fв, ое	Ф, ое	Ф, Вб	n, об/мин	UI, кВт	ηо	vэ, км/ч	Fо, Н
	3.65 4.48 5.30 6.13 6.95 7.78 8.60 9.43 10.25 11.08	1496.3 1495.5 1494.7 1493.9 1493.0 1492.2 1491.4 1490.6 1489.7 1488.9	769.5 1282.5 1795.5 2308.5 2821.5	0.08 0.12 0.16 0.21 0.25 0.29 0.33 0.37 0.41 0.45	0.27 0.40 0.48 0.56 0.62 0.68 0.70 0.76 0.79 0.80	0.016 0.024 0.029 0.034 0.037 0.041 0.042 0.046 0.047 0.048		45.0 67.5 90.0 112.5 135.0 157.5 180.0 202.5 225.0 247.5	0.54 0.69 0.77 0.82 0.85 0.87 0.88 0.9 0.91 0.92	525.68 354.63 295.36 253.02 228.41 208.13 202.07 186.01 178.85 176.51

а

б

Рисунок 7.1 – Скоростная характеристика электровоза при полном (а)

и при ослабленном (б) возбуждении

а

б

Рисунок 7.2 – Сила тяги на одной оси при полном (а)

и при ослабленном (б) возбуждении

а

б

Рисунок 7.3 – КПД двигателя в расчёте на ось при полном (а)

и ослабленном (б) возбуждении

Вывод

В данной работе был спроектирован тяговый двигатель для грузового электровоза. У этого двигателя четыре пары полюсов. Он рассчитан на номинальный ток 354 А и напряжение 1500 В.

Данный двигатель не желателен для поездной работы из-за избыточной магнитной индукции в якоре. По сравнению с прототипом НБ-406, она возросла на 0.4 Тл, что привело к увеличенным магнитным потерям и, как следствие, увеличению размеров обмотки главных полюсов, хотя в целом, отличия незначительны.

Из характеристик двигателя можно сделать вывод, что при ослабленном возбуждении увеличивается только скорость, а сила тяги и КПД – снижаются. Поэтому ослабленное возбуждение целесообразно применять только в случаях, когда нужна высокая скорость – на пассажирском электровозе.