где dкорп

- при горизонтальном способе укладки
Dh мв = dмв ´1´ 2 ´ 2 ´ nэл ´ 2;	(5.16)
- при вертикальном способе укладки
Dh мв = dмв ´1 ´ 2 ´ 2 ´ uк ´ 2;	(5.17)

где nэл – количество элементарных проводников в одном активном проводнике по высоте паза.

Появившийся в формулах (5.16) и (5.17) дополнительный числовой множитель «2» учитывает, что по высоте паза якоря располагаются две полусекции (элементы 7, 8 на рисунке 5.3).

Корпусная изоляция (4, рисунок 5.3) создает основной изоляционный барьер, воспринимающий рабочее корпусное напряжение двигателя и возможные в условиях эксплуатации импульсные перенапряжения. Поэтому данный вид изоляционного покрытия выполняют в несколько слоев слюдинитовыми лентами толщиной (0,1…0,13) мм, наматываемых вполуперекрышу. Количество слоев корпусной изоляции выбирается в зависимости от уровня корпусного напряжения согласно данным таблицы 5.3.

Таблица 5.3 – Рекомендуемое количество слоев корпусной изоляции

Uкорп	до 1000 В		до1500 В	до2000 В	до3000 В
Число слоев nкорп	3		4	5	6
Толщина корпусной изоляции для любого способа укладки:
- по ширине паза якоря			= dкорп ´ nкорп ´ 2 ´ 2;
	Db корп				(5.18)
- по высоте паза якоря
	Dh корп = dкорп ´ nкорп ´ 2 ´ 2 ´ 2,				(5.19)

– толщина ленты корпусной изоляции, мм; nкорп – число слоев корпусной изоляции.

Смысл входящих в выражения (5.18), (5.19) числовых коэффициентов остается таким же, как и при расчете межвитковой изоляции.

Покровная изоляция накладывается для предохранения мягких слоев корпусной изоляции от случайных механических повреждений при транспортировке якорных секций и при их укладке в паз. Выполняется на основе механически прочных стеклолент толщиной (0,1…0,15) мм одним слоем вперекрышу.

Толщина покровной изоляции при намотке вперекрышу:
- по ширине паза якоря
Db покр = dпокр ´1´2´2;	(5.20)
- по высоте паза якоря
Dh покр = dпокр ´1´ 2´2´ 2,	(5.21)

где dпокр – толщина ленты покровной изоляции, мм.

31

Помимо проводников якоря с системой изоляционных слоев в структуру паза входят:

-пазовые клинья (1, рисунок 5.3), выполняемые из стеклопластовых ма-

териалов высотой hкл = (4…8) мм. Клиновое крепление обеспечивает высокую надежность фиксации пазовой части обмотки якоря при воздействии максимальных центробежных усилий на поверхности якоря и в настоящее время практически полностью вытеснило проволочное бандажное крепление;

-разделительные изоляционные прокладки (2, рисунок 5.3) из миканита

или электрокартона толщиной Dпрокл = (0,2…0,5) мм. Обычно две прокладки устанавливаются под клин и по одной на дно паза и между верхней и нижней катушками обмотки.

Намеченные размеры проводников обмотки якоряhпр и bпр с учетом рассчитанных параметров изоляционной системы позволяют определить точные конструкционные размеры паза якоря:

- ширина паза в штампе bп, мм:
а) при горизонтальной укладке
bп = uк ´ bпр + Db мв + Db корп + Db покр + (0,2...0,3) + (0,15...0,2);	(5.22)
б) при вертикальной укладке
bп = bпр + Db мв + Db корп + Db покр + (0,2...0,3) + (0,15...0,2);	(5.23)

- высота паза в штампе hп, мм:

а) при горизонтальной укладке

hп = 2nэл ´hпр +Dh мв + Dhкорп +Dhпокр + nпрокл´Dпрокл + hкл +(0,2...0,3) +(0,15...0,2); (5.24)

б) при вертикальной укладке

hп = 2uк ´hпр + Dh мв + Dhкорп + Dhпокр + nпрокл´Dпрокл + hкл +(0,2...0,3) +(0,15...0,2), (5.25)

где nпрокл – общее количество прокладок в пазу якоря.

Числовые слагаемые в скобках в формулах (5.22) - (5.25) означают:

-(0,2…0,3) мм – зазор на укладку секций в паз;

-(0,15…0,2) мм – разница между размером паза в свету и размером паза

вштампе, назначаемая из-за возможного смещения отдельных листов при сборке якорного пакета.

Полученные размеры паза якоря должны удовлетворять следующим -ог раничениям:

-ширина паза назначается bп ³ 7 мм, так как при чрезмерно узких пазах ухудшается процесс коммутации и затрудняется работа штамповочного оборудования;

-высота паза назначается hп £ 50 мм, так как с ростом глубины пазов ухудшаются условия коммутации и растут добавочные потери мощности.

Исходя из полученных размеров паза рассчитывают все остальные конструкционные параметры зубцового слоя якоря (рисунок 5.4).

Шаг по пазам на поверхности якоря (зубцовое деление) t1, мм

t1	=	pDa	.	(5.26)
		Z

32

Ширина зубца на поверхности якоря bz1, мм
bz1 = t1 - bп .	(5.27)

t1

bz1

bп

hп

t1/3

bz1/3

hп/3

bz2

t2

Рисунок 5.4 – Конструкционные размеры зубцового слоя якоря

Шаг по пазам в расчетном сечении tz1/3 (на высоте 1/3hп ), мм

	p( D a	-	4	hп )
t z 1 / 3 =		3			.

Z

Ширина зубца в расчетном сечении bz1/3, мм

bz1/ 3 = tz1/ 3 - bп .

Шаг по дну пазов t2, мм

t2 = p( Da - 2 hп ) .

Z

Ширина зубца у основания bz2, мм

(5.28)

(5.29)

(5.30)

bz 2 = t2 - bп .

(5.31)

Необходимо проконтролировать, чтобы выполнялось условие механической прочности зубцов якоря у основания bz2 ³ 7 мм.

В последующем расчете магнитной цепи машины ключевым параметром будет выступать величина основного магнитного потока в номинальном режиме Ф0 , Вб

Ф 0	=	kU U н 60 a	,	(5.32)
		pNn aн

33

где kU - коэффициент, учитывающий падение напряжения на внутренних сопротивлениях обмоток двигателя.

Поскольку сопротивления обмоток пока неизвестны, то внутренние потери напряжения могут быть учтены только приблизительно. В среднем считается, что на внутренних сопротивлениях теряется от3 до 5 % номинального напряжения питания, т.е. kU » (0,95…0,97). Более определенно значение kU можно найти из статистической корреляционной зависимости для действующих - об разцов тяговых электродвигателей

k	=0,91+0,12×10-3 P	-6,67×10-8 P2	,	(5.33)
U	н	н

где Pн - номинальная мощность двигателя, кВт.

Окончательно приемлемость рассчитываемого варианта конструкции двигателя при условии выполнения всех предыдущих ограничений проверяется

по длине шихтованного пакета якоря la , м

		la =	2 p	Ф 0	,	(5.34)
	где BZ1/3		B Z 1 / 3bZ 1 / 3 Z a d k ст
		– индукция в расчетном сечении зубцов якоря, Тл. Рекомендуется:
		BZ1/3 = (1,8…2,2) Тл - для электровозных двигателей,
		BZ1/3 = (1,5…1,9) Тл - для двигателей электропоездов;
	ad	– расчетный коэффициент полюсного перекрытия. Рекомендуется:
		ad = (0,62…0,68) - для некомпенсированных машин,
	bz1/3	ad = (0,64…0,72) - для компенсированных двигателей;
		– толщина зубца в расчетном сечении, м;
	kст	– коэффициент заполнения пакета якоря сталью. Устанавливается:
		kст = 0,94 - при лаковой изолировке листов,

kст = 0,97 - при изолировке окисной пленкой.

Назначая в выражении (5.34) индукцию в зубцах якоря, следует иметь в виду, что при больших значенияхBZ1/3 растет магнитное насыщение машины, увеличивается расход меди в обмотках главных полюсов, ухудшаются регулировочные свойства двигателя, растут магнитные потери в зубцах якоря и их нагрев. С другой стороны, чрезмерно низкая индукция в зубцах якоря неблагоприятно сказывается на показателях использования полезного объема якоря и снижает потенциальную устойчивость машины.

Для двигателей электропоездов номинальным считается один из режимов ослабленного возбуждения с bном » (0,4…0,5) . Поэтому во избежание чрезмерного магнитного насыщения в режиме полного возбуждения индукцию в зубцах якоря назначают ниже, чем для электровозных двигателей.

При выборе коэффициента полюсного перекрытия стремятся к максимально большему его значению, поскольку это благоприятно влияет на тяговые свойства и КПД машины. В то же время значение этого параметра в сильной степени сказывается на конструкции не только якоря, но и компенсационной обмотки, щеточного аппарата и, как следствие, на качестве коммутации. Поэтому надо быть готовым к тому, что принятое значение коэффициента полюс-

34

ного перекрытия может оказаться не окончательным и потребует пересмотра в последующих разделах.

Полученное в выражении(5.34) значение длины активной части якоря должно удовлетворять условию вписывания двигателя в пространство между ребордами колесной пары:

-la £ 480 мм при опорно-осевом подвешивании и односторонней зубчатой передаче;

-la £ 440 мм при опорно-осевом подвешивании и двухсторонней зубчатой передаче;

-la £ 380 мм при опорно-рамном подвешивании с внутренним карданным валом (электровозные ТЭД);

-la £ 315 мм при опорно-рамном подвешивании с наружной карданной муфтой (ТЭД электропоездов).

Врезультате проведенных расчетов и корректировок окончательно фиксируются требуемые для дальнейших расчетов величины:

Da ; Dк ; 2p ; 2a ; N ; K ; Z ; uк ; Nz ; A ; hпр ´ bпр ; hп ´ bп ; t1 ; bZ1 ; ad ; Ф0 ; la

иих соответствие установленным требованиям и ограничениям.

Взаключение раздела рассчитываются шаги и параметры обмотки якоря, которые являются производными от полученных выше величин.

Результирующий шаг обмотки в коллекторных делениях:

-	при простой петлевой обмотке
	yк =1;			(5.35)
-	при простой волновой обмотке
	yк =	K - a	.	(5.36)
		p

Первый шаг в коллекторных делениях

y1 = yZ 1uк .							(5.37)
Второй шаг в коллекторных делениях:
- при простой петлевой обмотке
y2 = y1 -1;							(5.38)
- при простой волновой обмотке
y2 = yк - y1.							(5.39)
Укорочение шага обмотки в коллекторных делениях
e	к	=		K		- y .	(5.40)
				2 p	1
Полюсное деление по окружности якоря t, м
t =			pDa			.	(5.41)
			2 p

Длина передних и задних лобовых участков якорных проводников может быть оценена по упрощенной эмпирической формуле lлоб, м

lлоб @1,3t.

(5.42)

35

Точный расчет длин лобовых участков якорных катушек и их вылетов

	приведен в [1, § 7.4] , [3, § 9-6 ].
	Длина полувитка обмотки якоря lN, м
	lN = la + lлоб .					(5.43)
	Общая длина проводников обмотки якоря SlN, м
	ålN = NlN .			ra20°, Ом		(5.44)
	Сопротивление обмотки якоря при 20 °С
	r	0 =	ålN		,	(5.45)
			57q (2a)2
	a20
			a

где qa – площадь поперечного сечения активного якорного проводника, мм2. Масса меди обмотки якоря mN, кг

mN = 8,9qa ålN ×10-3.

(5.46)

При необходимости постановки уравнительных соединений определяется их шаг по коллектору между точками равного потенциала

yур =	K	.	(5.47)
	p

Уравнительные соединения впаиваются в шлицы соответствующих коллекторных пластин с рассчитанным выше шагомyур вместе с проводниками якоря. Очевидно, что использование уравнителей связано с дополнительными расходами на дорогостоящие медные и изоляционные материалы, также на работы по их изготовлению, изолировке и монтажу. Поэтому, несмотря на то, что наилучшим решением является постановка полного числа уравнителей, равного числу uк на один паз якоря, на практике количество уравнительных соединений на паз uу выбирается не больше трех (обычно один-два на паз).

Сечение каждого уравнительного соединенияqу, мм2, определяется по хорошо зарекомендовавшей себя эмпирической формуле

	qу = (0,1...0,15 )	uк	qa ,	(5.48)
		u у
где uу –	число уравнителей на паз;
uк –	число коллекторных пластин на паз;

qa – площадь поперечного сечения активного проводника якоря, мм2 .

36

6 Расчет щеточного аппарата и рабочей длины коллектора

Методика расчета щеточного узла изложена в [1, глава 8], [2, §12-4], [3, глава 19]. Вопросы теории рассмотрены в [5, § 5-14], [6, § 2.2, 2.8].

На данном этапе проекта выполняются расчеты по выбору числа и размеров щеток и определению рабочей длины коллектора.

Исходными данными в расчете выступаютноминальный ток якоря, число полюсов, диаметр коллектора, шаг по коллектору и параметры обмотки якоря, полученные в предыдущем разделе.

При расчете должны быть выполнены ограничения:

-по допустимой плотности тока в щеточном контакте;

-допустимой ширине щетки и щеточного перекрытия;

-тепловой напряженности коллектора.

Исходя из тока якоря в номинальном режимеIaн определяют ток одного щеткодержателя Iщн, А

		Iщн =		Iaн		.			(6.1)
				p
На	напряженность	процесса					коммутации	и	нагрев-	щето
коллекторного перехода большое влияние оказывает не столько величина тока,
сколько его плотность под щеточным контактом. В современных тяговых дви-
гателях преимущественно используется электрографитированный (ЭГ) тип ще-
ток. С учетом запаса на токовые перегрузки машины и износ щеток средний
уровень плотности тока обычно назначают на уровне (8…12)104 А/м2.
Более обоснованно плотность тока можно задать по выбранному типу
щеток, ориентируясь на предполагаемые условия эксплуатации проектируемой
машины (ГОСТ 2332-75, таблица Б.2). Необходимо следить, чтобы выбранный
по таблице Б.2 тип щеток соответствовал максимальной окружной скорости
коллектора, рассчитанной в разделе 4.
По намеченной плотности токаjщ определяют требуемую площадь ще-
точного контакта одного щеткодержателя Sщ, м2
		S =	Iщн		,				(6.2)

щ

jщ

где jщ – плотность тока в щеточном контакте, А/м2.

Неопределенность, связанная с разложением полученной площади на длину и ширину щетки, разрешается, если принять во внимание ограничение на допустимую ширину щеточного контакта. Дело в том, что увеличение ширины щетки, с одной стороны, благоприятно сказывается на процессе коммутации, поскольку снижает уровень реактивой ЭДС. Но вместе с тем, расширение коммутационной зоны ведет к тому, что в нее начинают проникать краевые потоки с наконечника главных полюсов, усложняющие процесс коммутации и его на-

стройку. Из-за этого приходится идти на снижение коэффициента полюсного перекрытия, а значит, и степени использования активного слоя якоря.

37

Установить оптимальные размеры щеток помогает следующее ограничение на ширину щеточного контакта

b £ 0,55

Dк

t(1- a

d

) - t

к

(u

+ e

к

-

a

),

(6.3)

щ

Da

к

p

где bщ – ширина щетки, м.

Полученное значение bщ округляется до меньшего стандартного значения из размеров щеточного сортамента (ГОСТ 2332-75, таблица Б.1).

В среднем ширина щеток в тяговых двигателях варьируется в диапазоне (8…25) мм. При чрезмерно малых или очень больших значенияхbщ , полученных по (6.3), рекомендуется подбирать значение коэффициента полюсного перекрытия ad, даже если оно выйдет за рекомендуемые ранее пределы по формуле (5.34). Окончательно достаточность ширины щеточного контакта устанав-

ливается по величине средней реактивной ЭДС в разделе 9.
С учетом принятой bщ длина щеточного контакта Lщ , м
L =	Sщ	.	(6.4)
щ	bщ

Полученное значение может оказаться больше допускаемых сортаментом в таблице Б.1 типоразмеров на длину щеток. В этом случае принимается решение о разбиении щеточного контакта на несколько элементарных щеток (рисунок 6.1). При этом снижается масса каждой элементарной щетки, что позволяет существенно снизить величину динамических ударов на щеточный аппарат при работе двигателя и сделать контакт менее чувствительным к вибрациям машины и неровностям поверхности по длине коллектора.

Обычно требуемую длину Lщ разбивают не более чем на2-3 элементарных щетки, каждая длиной lщ , м

l =	Lщ	,	(6.5)
щ	nщ

где nщ – число элементарных щеток по длине коллектора.

Намеченное значение lщ также округляется до стандартного типоразмера согласно ГОСТ 2332-75 (таблица Б.1).

Округленные до стандартных значений размеры элементарных щеток

позволяют установить окончательные величины площади щеточного контакта Sщ, м2, и плотности тока jщ, А/м2 :

	Sщ = nщbщlщ ,			(6.6)
	jщ =	Iщн	.	(6.7)
		Sщ
	Отсюда рабочая длина коллектора (рисунок 6.1) Lк , м
	Lк = nщlщ + Dщд (nщ -1) + 2r + bрs ,			(6.8)
	где Dщд – толщина стенок «окна» щеткодержателя. Dщд = (3 …5)10-3 м;
	r – размер фасок краев рабочей поверхности коллектора. r			» 2×10-3 м;

bрs – осевой разбег якорных подшипников, м. bрs = (6 … 12)10-3 м.

38