7 Построение характеристик двигателя

Цель данного раздела заключается в расчётё и построении трёх графиков в функции тока:

– Скоростная характеристика электровоза v_э(I_д) (рисунок 7.1);

– Сила тяги одной оси F_о(I_д) (рисунок 7.2);

– КПД двигателя в пересчёте на ось η_о(I_д) (рисунок 7.3).

Для построения η_о(I_д) необходимо определить суммарные потери в двигателе. Чтобы не путать дальнейшую пояснительную записку, сделаем это отдельным пунктом.

7.1 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=330 мм – внутренний диаметр сердечника якоря;

n_вк=3 – число рядов воздушных каналов;

d_вк=20 мм – диаметр воздушных каналов.

Получаем массу ярма:

г = 504 кг.

Масса зубцов:

г = 138 кг, где b_z1=17 мм, b_z2=15 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=24,3 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=769 В. Для построения наметим следующие границы тока:

А; А.

Принимаем границы тока I_min=200 А, I_max=1000 А, шаг по току 100 А. Сведём эти значения в таблицу 7.1.

Падение напряжения в двигателе при токе 657 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:

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 657 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 657 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
200	8,02	891,98	4800	0,2	0,088888	0,0475	1564,877	180000	0,826667	109,8437	5899,734
300	12,03	887,97	7200	0,3	0,114	0,0524	1412,166	270000	0,859463	99,12441	9806,594
400	16,04	883,96	9600	0,4	0,15	0,0591	1246,418	360000	0,884597	87,49007	14814,22
500	20,05	879,95	12000	0,5	0,199772	0,0642	1142,199	450000	0,899678	80,17456	20207,43
600	24,06	875,94	14400	0,6	0,292089	0,0715	1020,909	540000	0,909732	71,66085	27129,82
700	28,07	871,93	16800	0,7	0,454	0,0791	918,5946	630000	0,916913	64,47907	35176,84
800	32,08	867,92	19200	0,8	0,57403	0,0852	848,9045	720000	0,922299	59,5873	43502,46
900	36,09	863,91	21600	0,9	0,666906	0,0911	790,258	810000	0,926488	55,47071	52572,22
1000	40,1	859,9	24000	1	0,78993	0,0963	744,1156	900000	0,929839	52,23183	62035,79

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
60	2,406	897,594	1440	4,8	0,026666	0,04589	1629,974	54000	0,457316	114,413	777,0864
90	3,609	896,391	2160	7,2	0,0342	0,05741	1301,154	81000	0,624877	91,33212	1995,221
120	4,812	895,188	2880	9,6	0,045	0,06425	1161,074	108000	0,708658	81,49946	3380,965
150	6,015	893,985	3600	12	0,059932	0,07142	1043,108	135000	0,758926	73,21904	5037,84
180	7,218	892,782	4320	14,4	0,087627	0,08241	902,7849	162000	0,792439	63,36933	7293,509
210	8,421	891,579	5040	16,8	0,1362	0,08963	828,944	189000	0,816376	58,18621	9547,001
240	9,624	890,376	5760	19,2	0,172209	0,09652	768,7319	216000	0,834329	53,95973	12024,2
270	10,827	889,173	6480	21,6	0,200072	0,11523	643,0422	243000	0,848292	45,13717	16441,92
300	12,03	887,97	7200	24	0,236979	0,14563	508,1199	270000	0,859463	35,66655	23424,21

Характеристики электровоза при полном возбуждении

Рисунок 7.1 – Скоростная характеристика электровоза при полном

возбуждении

Рисунок 7.2 – Сила тяги на одной оси при полном

возбуждении

Рисунок 7.3 – КПД двигателя в расчёте на ось при полном

возбуждении

Характеристики электровоза при ослабленном возбуждении

Рисунок 7.4 – Скоростная характеристика электровоза при ослабленном

Возбуждении

Рисунок 7.2 – Сила тяги на одной оси при ослабленном

Возбуждении

Рисунок 7.3 – КПД двигателя в расчёте на ось при ослабленном

возбуждении

Вывод

В данной работе был спроектирован тяговый двигатель для грузового электровоза. У этого двигателя шесть пар полюсов. Он рассчитан на номинальный ток 657 А и напряжение 900 В.

Данный двигатель не желателен для поездной работы из-за избыточной магнитной индукции в якоре. По сравнению с прототипом НБ-413, 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.

32