Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy điẹn một chiều công suất đến 220kW

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy điện một chiều công suất đến 220kW

công ty TNHH nhà nước một thành viên

chế tạo điện cơ hà nội

báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước

Mục lục Mục lục Trang

Lời mở đầu 3

Chương 1 Nhu cầu sử dụng máy điện một chiều công suất đến 200kW ở Việt Nam 9 1.1 Nhu cầu sử dụng máy điện một chiều công suất đến 200kW 9

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước 11

1.3 Xác định thông số kỹ thuật, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm mẫu 13

Chương 2 Thiết kế máy điện một chiều 17

2.1 Thiết kế tính toán máy điện một chiều 17

2.1.1 Thiết kế tính toán điện từ 17

2.1.2 Lập trình phần mềm thiết kế tính toán điện từ 19

2.1.3 Xác định giá trị sử dụng của phần mềm thiết kế tính toán 22

2.1.4 Thiết kế tính toán kết cấu 23

2.2 Thiết kế kết cấu máy điện một chiều 41

2.2.1 Lựa chọn kết cấu của sản phẩm mẫu 42

2.2.2 Giới thiệu về kết cấu và vật liệu sử dụng 42

Chương 3 Nghiên cứu công nghệ chế tạo máy điện một chiều 50

3.1 Công nghệ chế tạo cổ góp điện 51

3.1.1 ảnh hưởng của kết cấu và chế độ làm việc đến công nghệ chế tạo cổ góp 51 3.1.2 Công nghệ chế tạo các chi tiết cổ góp điện 52

3.1.3 Định hình cổ góp 63

3.2 Công nghệ chế tạo các bộ dây 64

3.2.1 Công nghệ chế tạo bộ dây phần ứng 64

3.2.2 Công nghệ chế tạo cuộn dây cực từ 67

3.3 Công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí 69

3.3.1 Công nghệ chế tạo thân 69

3.3.2 Công nghệ gia công thân 70

3.3.3 Công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí khác 71

3.4 Công nghệ chế tạo cụm giá than 71

3.4.1 Công nghệ chế tạo giá thanh gá hộp than 71

3.4.2 Công nghệ chế tạo cụm hộp than 72

3.4.3 Kiểm tra cụm hộp than 73

3.5 Lắp ráp máy điện một chiều 73

3.6 Xây dựng bộ quy trình công nghệ chế tạo máy điện một chiều 78

Chương 4 Chế tạo sản phẩm của đề tài-động cơ một chiều 200kW-750vg/ph-440V 81

4.1 Chuẩn bị điều kiện kỹ thuật cho chế tạo sản phẩm 81

4.2 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ để chế tạo sản phẩm 83

4.3 Giá trị sử dụng của bộ quy trình công nghệ 86

Chương 5 Thử nghiệm đánh giá chất lượng máy điện một chiều 88

5.1 Xác định các tiêu chuẩn thử nghiệm 88

5.1.1 Xác định các tiêu chuẩn thử nghiệm máy điện một chiều 88

5.1.2 Tiêu chuẩn thử nghiệm động cơ một chiều 200kW 90

5.2 Xây dựng phương pháp và quy trình thử nghiệm 95

5.3 Thử nghiệm sản phẩm của đề tài - ĐCMC 200kW-750vg/ph440V 97

5.3.1 Chuẩn bị điều kiện kỹ thuật cho thử nghiệm 97

5.3.2 Thành lập Tổ công tác nghiệm thu sản phẩm 98

5.3.3 Thử nghiệm động cơ 200kW-750vg/ph-440V 99

5.3.4 Xác định các chỉ tiêu thông số kỹ thuật, đánh giá chất lượng sản phẩm 108

5.3.5 Xác định giá trị sử dụng của sản phẩm 110

Chương 6 Đánh giá kết quả nghiên cứu của đề tài 112

6.1 Kết quả nghiên cứu của đề tài 112

6.2 Khả năng ứng dụng các kết quả nghiên cứu của đề tài 114

6.3 Đánh giá kết quả đào tạo nguồn nhân lực 117

Kết luận và kiến nghị 120

Lời cảm ơn 128

Tài liệu tham khảo 130

Phụ lục 131

Lời mở đầu

Đề tài khoa học cấp nhà nước "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy điện một chiều công suất đến 200kW" được Bộ Khoa học và Công nghệ giao cho Công ty TNHH Nhà nước một thành viên Chế tạo Điện cơ Hà nội chủ trì thực hiện

Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế tạo được máy điện một chiều có công suất

đến 200kW đạt tiêu chuẩn quốc tế IEC, có giá thành ≤ 80% sản phẩm nhập ngoại, hoàn thiện được công nghệ chế tạo và các phương tiện kiểm nghiệm máy điện một chiều, nâng cao năng lực chế tạo máy điện một chiều của ngành thiết bị điện Việt Nam và của Công ty Chế tạo Điện cơ Hà nội

Trong các đề tài trước đây do Công ty CTAMAD thực hiện như đề tài KC-04-05

"Nghiên cứu công nghệ chế tạo động cơ điện và thiết bị đồng bộ đến 500kW"; đề tài KHCN-05-02 "Nghiên cứu thiết kế và công nghệ để chế tạo động cơ điện không đồng

bộ công suất đến 2100kW"; đề tài 119 "Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo động cơ điện đồng bộ công suất đến 500kW" có các nội dung nghiên cứu có thể áp dụng cho quá trình chế tạo sản phẩm mẫu của đề tài như: công nghệ tẩm sấy chân không, cân bằng động, công nghệ gia công các chi tiết cơ khí Tuy vậy nội dung nghiên cứu của đề tài vẫn rất lớn do máy điện một chiều có kết cấu và công nghệ chế tạo rất phức tạp ở nước ngoài máy điện một chiều được chế tạo từ vài W đến hàng chục nghìn kW Các hãng sản xuất máy điện-thiết bị điện lớn đều có các dây chuyền sản xuất máy điện một chiều ở châu Âu, châu Mỹ có hãng ABB (Thụy điển), hãng VEM, hãng SIEMEN (CHLB Đức), hãng GENERAL (Mỹ), hãng ALSTOM (pháp), hãng ALSALDO (Italya) ở châu á, Trung Quốc có tập đoàn máy điện Thượng Hải, nhà máy điện cơ Tương Đàm, Tây An , các nước Nhật Bản, Đài Loan có công nghệ chế tạo máy điện quay rất tiên tiến, sản phẩm máy điện một chiều của các nước kể trên được sử dụng nhiều trên các dây chuyền sản xuất và trong các ngành kinh tế quốc dân như ximăng, thép, hóa chất, mía đường, đường sắt, giao thông vận tải

Với sự tiến bộ không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, nhiều loại vật liệu tiên tiến được nghiên cứu chế tạo Liên quan đến máy điện có các vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện ngày càng đạt chất lượng cao với công nghệ chế tạo hiện đại Trên cơ sở nghiên cứu sử dụng các vật liệu mới, máy điện một chiều ngày càng được thiết kế nhỏ gọn nhằm giảm đến mức tối đa các chi phí sản xuất và tăng tuổi thọ của sản phẩm

Các máy điện một chiều có công suất trung bình và lớn được chế tạo theo đơn

đặt hàng, do vậy khi cần thay thế thì thời gian chế tạo, vận chuyển từ nước ngoài về

thường kéo dài 6 đến 7 tháng Hiện tại ở Việt nam không có cơ sở nào chế tạo được máy điện một chiều mặc dù máy điện một chiều được sử dụng ngày càng nhiều do có các tính năng ưu việt về khả năng điều chỉnh tốc độ và ổn định tốc độ khi tải thay đổi

Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật đề tài có 6 chương với các nội dung chính như sau:

Chương 1 Nhu cầu sử dụng máy điện một chiều công suất đến 200kW ở Việt

Nam

Qua nghiên cứu khảo sát ở các cơ sở sản xuất, các ngành kinh tế quốc dân, qua các đơn hàng, khách hàng của Công ty, qua hội thảo đề tài đã tìm hiểu nhu cầu thực tế các loại máy điện một chiều được sử dụng nhiều ở Việt Nam, các yêu cầu khi sử dụng

ở Việt Nam, nơi có môi trường làm việc và điều kiện làm việc khắc nghiệt

Đề tài đã chọn đối tượng nghiên cứu là động cơ một chiều 440V là sản phẩm có công suất tối đa trong phạm vi nghiên cứu, được sử dụng nhiều

200kW-750vg/ph-và có điều kiện thử nghiệm thực tế

Căn cứ vào nhu cầu sử dụng, các tiêu chuẩn cần đạt được như tiêu chuẩn quốc tế IEC, tiêu chuẩn Việt Nam, các yêu cầu kỹ thuật, các thông số kỹ thuật của động cơ đã

được xác định làm căn cứ cho việc triển khai thiết kế sản phẩm

Chương 2 Thiết kế máy điện một chiều

Công việc thiết kế sản phẩm được chia thành 2 giai đoạn Giai đoạn 1 là thiết kế tính toán và giai đoạn 2 là thiết kế kết cấu

Thiết kế tính toán được bắt đầu từ việc tiến hành lựa chọn phương pháp thiết

kế tính toán Qua nghiên cứu các tài liệu, sách, các giáo trình, đề tài đã lựa chọn phương pháp tính toán thiết kế của Liên Xô (cũ) được dựa trên cơ sở lý thuyết vững chắc và Liên xô có nền công nghệ chế tạo máy điện phát triển mạnh Phương pháp tính

được sử dụng để tiến hành tính toán phần điện từ, viết các thuật toán, thiết kế giao diện,

đồ hoạ, thiết kế các môdul nhập dữ liệu cho phần mềm tính toán phần điện từ Phần mềm tính toán vận dụng ngôn ngữ lập trình tiên tiến, thuật toán phù hợp, kết quả

chính xác đã nhanh chóng thực hiện hàng trăm phép tính và cho ra nhiều phương án sản phẩm khi thay đổi các dữ liệu cho phép người thiết kế chọn được phương án tối ưu cho sản xuất (phương án sản phẩm đạt thông số kỹ thuật với chi phí thấp nhất) Phần mềm tính toán xác định được toàn bộ các kích thước và thông số cơ bản của các bộ phận dẫn điện và dẫn từ như gông thân, phần ứng, các bộ dây, các cực từ.v.v

Thiết kế tính toán kết cấu bao gồm tính toán các kích thước cơ bản của cổ góp, tính kiểm tra độ cứng vững của trục, tính chuỗi kích thước.v.v Các kết quả nhận được

từ phần mềm tính toán và tính toán thông thường được kiểm chứng bằng cách so sánh với nhau và so sánh với kết quả của các thông số kỹ thuật của động cơ do Liên xô (cũ) chế tạo và động cơ do đề tài chế tạo cho thấy độ tin cậy và khả năng sử dụng phần mềm cho công tác thiết kế máy điện một chiều

Đề tài tổ chức nghiên cứu kết cấu tổng quan của động cơ do Liên xô chế tạo và

phân tích lựa chọn kết cấu, vật liệu để chế tạo Kết cấu của động cơ phải chắc chắn, dễ dàng tháo lắp, phù hợp để lắp đặt lên máy xúc, có tính công nghệ Vật liệu phải là các vật liệu mới đang được sử dụng để chế tạo máy điện một chiều tại các nước có công nghiệp phát triển được lựa chọn để chế tạo sản phẩm, đề tài sử dụng cách điện cấp F để tăng khả năng làm việc quá tải cho động cơ

Dựa vào các kích thước cơ bản nhận được từ thiết kế tính toán để thực hiện thiết

kế kết cấu trên máy tính toàn bộ các chi tiết, cụm chi tiết, tổng đồ của động cơ 200kW

Chương 3 Nghiên cứu công nghệ chế tạo máy điện một chiều

Nghiên cứu công nghệ là nội dung quan trọng của đề tài, trong đó bao gồm các công việc lập phương án công nghệ; thiết kế và chế tạo các thiết bị chuyên dùng, khuôn, gá, dưỡng, dụng cụ cho các bước công nghệ; chế tạo thử chi tiết, cụm chi tiết để hiệu chỉnh hoàn thiện; xây dựng quy trình công nghệ Đề tài tập trung nghiên cứu công nghệ để chế tạo các cụm chi tiết đặc thù của máy điện một chiều như:

- Công nghệ chế tạo các bộ dây máy điện một chiều (cuộn dây cực chính, cực phụ, bộ dây phần ứng);

- Công nghệ chế tạo cổ góp điện;

- Công nghệ chế tạo cực từ (cực chính, cực phụ);

- Công nghệ chế tạo cụm giá than;

- Công nghệ chế tạo các chi tiết cơ khí;

- Công nghệ băng đai;

- Công nghệ tẩm sấy và cân bằng động;

- Công nghệ lắp ráp máy điện một chiều;

Nghiên cứu chế tạo cổ góp điện là nhiệm vụ khó khăn phức tạp nhất và cũng là

quan trọng nhất của đề tài Cổ góp được ghép từ nhiều chi tiết rời (cổ góp động cơ 200kW có 348 chi tiết), bề mặt lắp ghép là mặt côn hình nón Khi làm việc cổ góp chịu tác động của lực li tâm, lực ma sát, của nhiệt độ, tia lửa điện, bụi than nên các lam

đồng có xu hướng bung ra, bị xây xước, đánh lõm, ăn mòn bề mặt dẫn đến làm hỏng

bộ dây phần ứng, gây hư hỏng cổ góp và phá huỷ máy điện một chiều Chế tạo một chi

tiết không đạt dung sai kích thước, yêu cầu kỹ thuật, thực hiện sai hay nhầm lẫn một bước nguyên công, một thao tác cũng có thể làm hỏng cổ góp Trong công nghệ chế tạo cổ góp đề tài tập trung giới thiệu:

Quy trình công nghệ để chế tạo các chi tiết, cụm chi tiết máy điện một chiều

200kW được xây dựng thành bộ quy trình và được sử dụng để chế tạo ra sản phẩm Bộ quy trình công nghệ đã được hoàn thiện và ban hành để sử dụng theo các quy định trong các tiêu chuẩn quản lý chất lượng ISO 9001:2000

Chương 4 Chế tạo sản phẩm của đề tài-động cơ một chiều

200kW-750vg/ph-440V

Đề tài đã tiến hành thiết kế, chế tạo toàn bộ các thiết bị chuyên dùng, các khuôn gá, dưỡng kiểm, các dụng cụ để thực hiện các bước công nghệ; tổ chức nghiên cứu chế tạo thử các chi tiết, cụm chi tiết để hoàn thiện và đưa các thiết bị khuôn gá vào chế tạo sản phẩm của đề tài

Động cơ một chiều 200kW được tổ chức chế tạo tại Công ty CTAMAD Có nhiều công nghệ phức tạp như chế tạo phễu cách điện, chế tạo cổ góp, chế tạo cuộn cực phụ, chế tạo bộ dây phần ứng gặp không ít lần thất bại Trong khi chế tạo cổ góp

điện đã bị loại bỏ khi đã qua hầu hết các bước công nghệ phức tạp chỉ vì lý do là đã phay xẻ rãnh sau khi ghép hoàn thiện cổ góp

Đề tài đã tổ chức đoàn khảo sát các cơ sở sản xuất máy điện một chiều ở Trung Quốc, tổ chức hội thảo khoa học "Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy điện một chiều công suất đến 200kW" nhằm học tập, lắng nghe, nhận được các ý kiến đóng góp cho

đề tài của các nhà chế tạo; các chuyên gia, các giáo sư, tiến sỹ và các cơ sở sử dụng máy điện một chiều

Chương 5 Thử nghiệm đánh giá chất lượng máy điện một chiều

Nhiệm vụ thử nghiệm đánh giá chất lượng động cơ một chiều 200kW rất quan trọng Chất lượng của động cơ cũng là chất lượng nghiên cứu của đề tài Dựa vào các yêu cầu kỹ thuật, các thông số kỹ thuật, các tiêu chuẩn quốc tế (IEC), tiêu chuẩn Việt Nam liên quan đến thử nghiệm, các sách tham khảo đề tài đã nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn thử nghiệm, phương pháp thử nghiệm, quy trình thử nghiệm động cơ một

chiều và biên soạn các tiêu chuẩn cơ sở "Máy điện một chiều, tiêu chuẩn thử nghiệm, TCCS 35-05", "Máy điện một chiều, quy trình thử nghiệm, TCCS 35-06"

Tổ chức tiến hành thử nghiệm điển hình đối với động cơ một chiều 200kW là nhiệm vụ phức tạp do động cơ có chế độ làm việc đặc biệt mà phòng thí nghiệm của Công ty CTAMAD không đáp ứng hết được

Động cơ có chế độ làm việc danh định gián đoạn, có tốc độ quay thay đổi, có

đảo chiều quay thường xuyên, tốc độ của động cơ có thể lên đến 1,28 lần tốc độ danh

định, tải của động cơ luôn thay đổi Động cơ được thử nghiệm theo 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Thử nghiệm đến 45% tải tại phòng thí nghiệm máy điện quay của

Công ty

- Giai đoạn 2: Thử nghiệm tại hiện trường theo đúng chế độ làm việc và công

suất thiết kế (động cơ được lắp trên máy xúc ]7∋-5A của Công ty Apatit Việt Nam)

- Giai đoạn 3: Thử khả năng làm việc lâu dài của động cơ Động cơ tiếp tục được

vận hành phục vụ sản xuất Giai đoạn này do đơn vị chủ trì đề tài đề xuất thực hiện nhằm chứng minh tính ổn định của công nghệ, chất lượng chế tạo và giá trị

sử dụng thực tế của sản phẩm

Tham gia thử nghiệm đề tài ngoài cơ quan chủ trì đề tài còn có Tổ công tác gồm các chuyên gia trong lĩnh vực máy điện, các giáo sư, tiến sỹ và các cán bộ kỹ thuật, công nhân vận hành của Công ty Apatit Việt Nam

Qua thử nghiệm đã xác định được toàn bộ các thông số kỹ thuật, các đường đặc tính của động cơ Động cơ được thống nhất đánh giá có kiểu dáng, mẫu mã công nghiệp, đạt toàn bộ các thông số kỹ thuật đề ra Động cơ làm việc ổn định, vận hành 3ca/ngày phục vụ sản xuất đạt năng suất thiết kế từ ngày 21/11/2005 đến nay, các thông số kỹ thuật tương đương động cơ do Liên xô chế tạo

Chương 6 Đánh giá kết quả nghiên cứu của đề tài

Các nghiên cứu của đề tài đã đưa ra các kết quả là các sản phẩm theo yêu cầu

mà Bộ KH&CN đề ra cho đề tài

Các kết quả nghiên cứu chính của đề tài như phần mềm thiết kế tính toán, tập thiết kế sản phẩm, các quy trình công nghệ, các tiêu chuẩn tiếp tục được sử dụng như tài liệu kỹ thuật của Công ty

Các thiết bị, khuôn gá, dụng cụ đã được thiết kế chế tạo để nghiên cứu công nghệ và chế tạo động cơ 200kW tiếp tục được sử dụng để chế tạo các sản phẩm khác

Động cơ một chiều 200kW-750vg/ph-440V qua thử nghiệm đã chứng minh

được phần mềm tính toán, tập thiết kế sản phẩm, các nghiên cứu công nghệ, quy trình công nghệ là đạt yêu cầu; Công nghệ chế tạo ổn định; Động cơ có khả năng làm việc lâu dài đạt công suất thiết kế

Quá trình thực hiện đề tài, cơ quan chủ trì đề tài đã tổ chức và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho đông đảo các kỹ sư thiết kế, công nghệ, kỹ thuật xưởng, công nhân kỹ thuật, cử nhân kinh tế tham gia nghiên cứu thực hiện các nội dung của đề tài (có trên

70 người tham gia) Qua đó đã nâng cao được trình độ chuyên môn, tay nghề, phương pháp nghiên cứu khoa học, tính năng động sáng tạo cho đội ngũ CBCNV còn rất trẻ của Công ty

chương 1

Nhu cầu sử dụng máy điện một chiều công suất đến 200kW ở việt nam

1.1 Nhu cầu sử dụng máy điện một chiều công suất đến 200kW

Cùng với khó khăn của kinh tế đất nước từ cuối những năm 70 nhu cầu về máy

điện một chiều không nhiều, đơn hàng lại lẻ tẻ, việc sản xuất đơn chiếc phải kéo dài thời gian chế tạo và đẩy giá thành máy điện một chiều sản xuất trong nước lên cao hơn cả sản phẩm nhập ngoại nên Công ty CTAMAD - đơn vị duy nhất có khả năng chế tạo máy điện một chiều công suất nhỏ dừng hẳn việc chế tạo máy điện một chiều

Như vậy là trong hơn 25 năm từ cuối những năm 1970 đến nay ở Việt Nam không có doanh nghiệp nào sản xuất máy điện một chiều Trước năm 1980 máy điện một chiều lớn nhất được chế tạo thử là động cơ một chiều 21kW chỉ đạt công suất 16kW, không đạt yêu cầu kỹ thuật và các chỉ tiêu thông số kỹ thuật

Bước vào thời kỳ đổi mới, các ngành kinh tế từng bước vượt qua khó khăn của thời kỳ đầu xoá bỏ bao cấp, phục hồi sản xuất Từ những năm 1990 việc đầu tư các dây truyền đồng bộ sản xuất xi măng, thép, điện, giấy, phân bón hoá chất, khai thác mỏ, chế biến thực phẩm mía đường, giao thông đường bộ, đường sắt phát triển mạnh mẽ

Từ cuối những năm 90 bắt đầu xuất hiện nhu cầu sửa chữa các máy điện một chiều Sau một thời gian sử dụng với điều kiện môi trường làm việc khắc nghiệt: khí hậu Việt Nam nóng ẩm, độ ẩm tại miền Bắc nhiều khi lên đến 90-100%, môi trường làm việc có nhiều bụi bẩn (bụi xi măng, bụi than, hoá chất, hơi nước…); Ngoài ra còn

do hạn chế về trình độ quản lý, sử dụng thiết bị, việc thực hiện các quy trình bảo dưỡng chưa nghiêm túc nên nhiều máy điện một chiều bị hư hỏng hoặc đến thời kỳ cần sửa chữa và cần thay thế

Việc sản xuất của các ngành hàng trong cơ chế thị trường yêu cầu phải liên tục Các dây truyền sản xuất xi măng, thép, dây và cáp điện chỉ cần ngừng sản xuất có thể gây thiệt hại hàng tỷ đồng mỗi ngày Trong các thời vụ sản xuất của ngành mía đường, ngành sản xuất chế biến thực phẩm dừng sản xuất sẽ ảnh hưởng đến cả vùng dân cư

Trong những năm qua Công ty CTAMAD đã được tham gia sửa chữa nhiều các loại máy điện một chiều trong đó có các động cơ 3700kW, 1650kW, máy phát 830kW,

động cơ 400kW, động cơ 315kW, động cơ 250kW, động cơ 200kW, động cơ 118kW

và nhiều máy điện một chiều dưới 100kW

Các khách hàng của Công ty là các doanh nghiệp thuộc Tổng công ty xi măng (Xi măng Bỉm sơn, xi măng Hà tiên, xi măng Hoàng Thạch, xi măng Hải phòng…), các công ty xi măng liên doanh với nước ngoài (Xi măng Sao mai, Chinfon, Nghi sơn), Công ty gang thép Thái nguyên, Công ty thép Việt ý, Công ty thép Miền trung, Công

ty mía đường Nông cống, Công ty mía đường Lam sơn, Nhà máy nhiệt điện Ninh bình,

xí nghiệp đầu máy Hà nội, Công ty Apatít Việt nam, Nhà máy nhiệt điện Phả lại…

Có nhiều sản phẩm được sử dụng rất rộng rãi như các động cơ 750vg/ph-440V được lắp đặt trên các máy xúc tại các cơ sở khai thác quặng, cát, sỏi,

200kW-đá… các động cơ 200kW dùng trong ngành đường sắt, trong ngành mía đường, các

động cơ nhỏ hơn 200kW được sử dụng rất nhiều trên các dây truyền sản xuất

Qua khảo sát trên thị trường, nhóm đề tài bước đầu xác định nhu cầu sử dụng máy điện một chiều và lập bảng như sau:

Bảng 1 Nhu cầu sử dụng máy điện một chiều trong một số ngành kinh tế

Ngành sử dụng Nhu cầu Số nhà máy, doanh

Ngành Xi măng Động cơ một chiều đến 500kW 35 doanh nghiệp

Mía đường Động cơ một chiều đến 250kW 27 nhà máy

Dạng hư hỏng của các máy điện một chiều (chập nổ hoặc suy giảm cách điện) thường liên quan đến phần dẫn điện như bộ dây phần ứng, cuộn dây cực, cổ góp điện Máy điện một chiều bị sự cố phải thay mới cổ góp điện, thì khách hàng mua máy mới vì trong nước không chế tạo được cổ góp điện

Qua nhu cầu thực tế, Công ty CTAMAD đã nhận định phải vươn lên để làm mới

được cổ góp điện phục vụ sửa chữa và để chế tạo được máy điện một chiều thay thế các máy điện một chiều bị hư hỏng cho khách hàng Công ty CTAMAD đã khảo sát các cơ

sở dùng nhiều máy điện một chiều, tham khảo ý kiến của khách hàng, đánh giá nhu

cầu của thị trường và đã xác định được nhu cầu lớn nhất đối với thị trường Việt Nam

là các máy điện một chiều có công suất đến 200kW

1.2 tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước và trong nước

ở nước ngoài, MĐMC được chế tạo từ vài W đến hàng chục nghìn kW Các hãng sản xuất máy điện - thiết bị điện lớn đều có các dây chuyền sản xuất MĐMC ở châu Âu, châu Mỹ có hãng ABB (Thụy điển); hãng VEM, hãng SIEMENS (Cộng hoà liên bang Đức); hãng GENERAL (Mỹ); hãng ALSTOM (Pháp); hãng ANSALDO (Italia) ở châu á, Trung Quốc có tập đoàn máy điện Thượng Hải; nhà máy điện cơ Tương Đàm, Tây An ; các nước Đài Loan, Nhật Bản có công nghệ chế tạo máy điện quay rất tiên tiến Sản phẩm MĐMC của các nước kể trên được sử dụng nhiều trên các dây truyền sản xuất và trong các ngành kinh tế của nước ta như ximăng, thép, hoá chất, mía đường, đường sắt, giao thông v.v

Với sự tiến bộ không ngừng của các ngành khoa học kỹ thuật, nhiều thiết bị công nghệ tiên tiến, nhiều loại vật liệu mới được nghiên cứu chế tạo Liên quan đến máy điện có các vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện ngày càng đạt chất lượng cao với công nghệ chế tạo hiện đại Trên cơ sở nghiên cứu sử dụng các công nghệ hiện đại của vật liệu mới, MĐMC ở nước ngoài được nghiên cứu, thiết kế ngày càng nhỏ gọn nhằm giảm đến tối đa các chi phí sản xuất và tăng tuổi thọ của sản phẩm

Các máy điện một chiều có công suất trung bình và lớn được chế tạo theo đơn

đặt hàng do vậy khi cần thay thế thì thời gian chế tạo, vận chuyển từ nước ngoài về thường kéo dài đến 6-7 tháng

Trong khi đó ở Việt Nam hiện tại không có cơ sở nào chế tạo được MĐMC Trước những năm 80 Công ty CTAMAD là cơ sở duy nhất ở Việt Nam đã chế tạo được một số loại MĐMC có công suất đến 3,6kW phục vụ cho các ngành mỏ, đánh cá và đã

chế tạo thử động cơ một chiều 21kW nhưng không thành công do cổ góp chế tạo không đảm bảo chất lượng

Sau gần 25 năm ngừng sản xuất máy điện một chiều, đội ngũ cán bộ kỹ thuật, các tài liệu, các công nghệ đều không còn Với trình độ sản xuất, công nghệ, vật tư, thiết bị như hiện nay thì các vật tư lạc hậu, công nghệ thủ công chắp vá của những năm 60,70 không còn phù hợp nữa

Nhận thấy nhu cầu to lớn của thị trường, Công ty CTAMAD đã đề xuất đề tài,

được sự ủng hộ của các nhà khoa học, các chuyên gia trong ngành và các cơ sở sử dụng máy điện một chiều, được sự cho phép của bộ Khoa học và công nghệ, Công ty CTAMAD được chủ trì đề tài với mục tiêu qua việc thực hiện đề tài công ty có đủ năng lực thiết kế, chế tạo, thử nghiệm được máy điện một chiều phục vụ cho nhu cầu của các ngành sản xuất, các doanh nghiệp trong nước

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được Bộ KH&CN giao cho Công ty CTAMAD thực hiện gồm các nội dung sau:

1 Khảo sát tìm hiểu thực tế nhu cầu và yêu

cầu sử dụng máy điện một chiều công

suất đến 200kW trong các ngành kinh tế

phần mềm tính toán, thiết kế phần điện

từ máy điện một chiều công suất đến

200kW

- Phần mềm chương trình tính toán

- Kết quả tính toán động cơ điện một chiều

4 Nghiên cứu lựa chọn các vật liệu mới sẽ

sử dụng cho máy điện một chiều

- Bản kê vật tư chính

5 Thiết kế động cơ điện một chiều công

suất 200kW

Bộ bản vẽ thiết kế động cơ điện một chiều

6 Nghiên cứu học tập công nghệ nước

ngoài

Tổ chức khảo sát cơ sở sản xuất máy

điện một chiều ở Trung Quốc

7 Nghiên cứu thiết kế và chế tạo khuôn gá,

dưỡng cho quy trình Nghiên cứu xây

8 Tổ chức hội thảo về thiết kế chế tạo máy

điện một chiều công suất đến 200kW

Báo cáo về kết quả và biên bản hội thảo

9 Chế tạo 01 động cơ điện một chiều công

suất 200kW

Hoàn thành 01 sản phẩm

10 Nghiên cứu hướng dẫn sử dụng và vận

hành máy điện một chiều công suất đến

200kW

Bản hướng dẫn sử dụng và vận hành máy điện một chiều công suất đến 200kW

11 - Xây dựng quy trình và tiêu chuẩn thử

nghiệm

- Thử nghiệm, đánh giá các thông số cơ

bản và xây dựng các đường đặc tính của

sản phẩm

- Xác định giá trị sử dụng của sản phẩm

- Bản quy định các bước và tiêu chuẩn thử nghiệm

- Hồ sơ thử nghiệm sản phẩm

- Bản xác nhận giá trị sử dụng của sản phẩm

12 Viết báo cáo tổng kết khoa học và kỹ

thuật của đề tài

Báo cáo khoa học tổng kết đề tài

1.3 Xác định thông số kỹ thuật, yêu cầu kỹ thuật của sản phẩm

Máy điện một chiều được chia thành hai loại máy điện thông dụng và máy điện một chiều chuyên dùng

Máy điện một chiều chuyên dùng có đặc tính cơ khác nhau, dải điều chỉnh tốc

độ rộng Máy điện một chiều chuyên dùng thường được sử dụng ở các lĩnh vực đặc thù như cầu trục, máy xúc, tàu thuỷ Mỗi dạng máy điện đều có các đặc điểm riêng

Căn cứ vào nhu cầu sử dụng và các tiêu chuẩn liên quan mà mỗi loại máy điện một chiều đếu có các thông số kỹ thuật và yeeu cầu kỹ thuật khác nhau

1.3.1 Xác định sản phẩm của đề tài

Các nghiên cứu của đề tài phải được cụ thể hóa vào một sản phẩm Sản phẩm sẽ

được thiết kế, chế tạo, thử nghiệm, do đó sản phẩm được lựa chọn với các tiêu chí như sau:

- Sản phẩm có công suất lớn nhất trong dãy sản phẩm cần nghiên cứu

- Sản phẩm phải được chế tạo theo các kết quả nghiên cứu

- Sản phẩm được đánh giá toàn diện

+ Được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm

+ Được thử nghiệm trên dây truyền sản xuất trong một thời gian dài để xác

định được khả năng sử dụng

- Sản phẩm phải có nhu cầu trên thị trường, có các địa chỉ tiêu thụ

Với các tiêu chí như trên, đề tài đã lựa chọn động cơ một chiều 750vg/ph-440V được lắp trên máy xúc ]7∋-5A

200kW-1.3.2 Thông số kỹ thuật của sản phẩm

Tất cả các loại máy điện đều được tính toán và thiết kế để trong điều kiện làm việc danh định không có bộ phận nào trong máy điện một chiều có độ tăng nhiệt vượt quá giá trị cho phép và không được phép đánh lửa ở cổ góp vượt quá cấp tia lửa quy

định

Thông số kỹ thuật là hàng loạt các quy định về gía trị danh định của máy điện một chiều Thông số kỹ thuật của sản phẩm được đề ra ngay khi đặt vấn đề nghiên cứu thiết kế sản phẩm Thông số kỹ thuật có thể là do khách hàng yêu cầu khi có nhu cầu

đặt hàng hoặc do nhà chế tạo đề ra khi chế tạo các máy điện một chiều thông dụng Thông số kỹ thuật bao gồm:

Tên của máy điện một chiều: Tên của máy điện một chiều có thể là "động cơ điện

một chiều" hoặc "máy phát điện một chiều"

Công suất danh định: Công suất danh định P2 của động cơ là công suất trên đầu trục, đơn vị tính là kW Công suất danh định phải nằm trong dãy công suất được quy định trong các tiêu chuẩn quốc tế IEC và phù hợp với tiêu chuẩn Việt Nam TCVN

Điện áp danh định: Điện áp danh định Uđm (V) phải phù hợp với tiêu chuẩn IEC và TCVN Đối với động cơ một chiều có các cấp điện áp danh định như sau: 110;

220 và 440V

Tốc độ quay danh định: Tốc độ quay danh định n(vg/ph) Đối với máy điện một

chiều giới hạn tốc độ quay danh định phụ thuộc vào công suất danh định Đối với từng loại máy sẽ có giới hạn tốc độ quay riêng, bảo đảm cho hiệu quả trong

sử dụng vật tư chính và giảm giá thành của sản phẩm

Phương pháp kích thích: Phương pháp kích thích của máy điện một chiều có thể là

kích thích song song, kích thích nối tiếp, kích thích hỗn hợp, kích thích độc lập

Kiểu kết cấu:

- Kết cấu ngang hoặc kết cấu trục đứng

- Cấp bảo vệ đối với môi trường (kín, hở, nửa hở )

Chế độ làm việc danh định của máy: Chế độ làm việc danh định của máy gồm các

chế độ từ S1 (chế độ làm việc danh định liên tục) đến S8 (chế độ làm việc danh

định gián đoạn có tốc độ quay thay đổi)

Các yêu cầu thông số kỹ thuật đặc biệt: Các yêu cầu đặc biệt nếu có như phạm vi

điều chỉnh tốc độ, tốc độ quay, momen đà, độ ồn, độ rung

Thông số kỹ thuật đối với động cơ một chiều 200kW-750vg/ph-440V

Động cơ một chiều - sản phẩm của đề tài được Công ty CTAMAD đăng ký với

Bộ KH&CN sau khi chế tạo sẽ đạt được các chỉ tiêu thông số kỹ thuật tương đương như động cơ có cùng công suất, tốc độ do Liên Xô chế tạo Động cơ 200kW-750vg/ph

- 440V được chế tạo trong khuôn khổ của đề tài có các thông số kỹ thuật như sau:

động cơ Nga

13 Cách kết cấu: động cơ trục ngang với 2 đầu trục côn

14 Kích thước lắp đặt: Lắp lẫn được với động cơ do Nga chế tạo

1.3.3 Yêu cầu kỹ thuật đối với sản phẩm

Các kết quả nghiên cứu của đề tài như:

+ Thiết kế tính toán;

+ Thiết kế kết cấu;

+ Bộ quy trình công nghệ, các thiết bị gá lắp phục vụ công nghệ chế tạo;

+ Các tiêu chuẩn thử nghiệm;

được sử dụng để chế tạo và đánh giá chất lượng sản phẩm mẫu của đề tài Trên cơ sở

nghiên cứu chế tạo thử các nội dung nghiên cứu được điều chỉnh và hoàn thiện

Sản phẩm mẫu của đề tài được Công ty CTAMAD chế tạo phải đạt các yêu cầu

kỹ thuật sau:

- Sản phẩm phải đạt được các yêu cầu kỹ thuật tương đương các sản phẩm của các nước tiên tiến cùng loại Động cơ 200kW-750vg/ph-440V phải đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật tương đương động cơ của Liên xô sản xuất và phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế IEC

- Các vật liệu dùng để chế tạo sản phẩm phải là các vật liệu mới được các nước tiên tiến sử dụng trong chế tạo máy điện một chiều

- Cấp chịu nhiệt của sản phẩm được nâng từ cấp B thành cấp F để tăng khả năng làm việc quá tải, phù hợp với môi trường và điều kiện làm việc khắc nghiệt của Việt Nam

- Sản phẩm chế tạo phải có tính công nghệ cao, lắp ráp, lắp đặt, vận hành sửa chữa thuận lợi, có hình thức mẫu mã đẹp không thua kém hàng ngoại nhập,

ở Việt Nam

Chương 2

Thiết kế máy điện một chiều

2.1 thiết kế tính toán máy điện một chiều

Đối với một sản phẩm máy điện trước khi thiết kế sản phẩm mới phải tiến hành nhiều phép tính toán để xác định thông số kỹ thuật, các kích thước của sản phẩm, kích thước cơ bản của mạch từ, của bộ dây điện từ, tính trục, tính thông gió tản nhiệt, tính quạt, tính độ phát nhiệt, trong máy điện một chiều còn phải tính các kích thước của cổ

góp v.v

Trong phạm vi của đề tài chúng tôi chỉ tập trung giới thiệu một số phép tính đặc thù của máy điện một chiều, đó là:

- Tính toán thiết kế điện từ

- Tính toán thiết kế kết cấu, gồm:

• Tính các kích thước cơ bản của cổ góp;

• Tính toán trục ( tính độ võng trục, tính ứng suất, tính ổ bi);

• Tính chuỗi lắp ghép của động cơ mẫu;

Đề tài đã phân tích các phương pháp tính toán qua tài liệu tham khảo của các nước ngoài để lựa chọn phương pháp phù hợp với trình độ công nghệ, có tính thực tiễn

tế kỹ thuật cao nhất), ta phải thực hiện tính toán rất nhiều phương án

Xây dựng phần mền tính toán thiết kế để rút ngắn tối đa thời gian thực hiện tính toán, loại trừ được các sai sót khi thực hiện các thao tác tính Lập trình tính toán thiết kế máy điện một chiều là một nhiệm vụ nghiên cứu mới ở Việt Nam Các kết quả tính toán do phần mềm đưa ra được kiểm định tính chính xác và giá trị sử dụng khi so sánh đối chứng với kết quả thử nghiệm của sản phẩm mẫu

2.1.1 Tính toán thiết kế điện từ

a Xác định phương pháp tính toán

Tính toán phần điện từ của máy điện một chiều phức tạp và có nhiều phép tính phải thực hiện để có một phương án

Phương pháp tính được nghiên cứu giảng dạy ở Việt Nam là phương pháp do Liên Xô (cũ) xây dựng Các phương pháp tính của một số nước như Trung Quốc,

Bungari, Tiệp Khắc.v.v cũng được biên soạn từ phương pháp của Liên Xô có thêm một

số các hệ số công nghệ, tính toán được rút gọn hơn

Chúng tôi lựa chọn phương pháp tính theo các tài liệu của Liên Xô, vì đây cũng

là phương pháp được các trường Đại học tại Việt Nam lựa chọn để giảng dạy Liên Xô

là đất nước có nền công nghiệp chế tạo máy điện phát triển, công tác nghiên cứu lý thuyết cơ bản rất mạnh Các tài liệu, sách về lý thuyết cơ bản, sách tra cứu, sách giới thiệu về công nghệ cũng phong phú

Phương pháp tính trong sách của Liên Xô có nhược điểm là mang nặng tính lý thuyết Các hệ số trong các công thức tính phải lựa chọn theo kinh nghiệm, khả năng

công nghệ cụ thể của nơi sản xuất, vật liệu chế tạo.v.v Khi thực hiện tính toán thiết kế

và khi chế tạo thử sản phẩm kết quả cũng có các sai số nhất định

Trong một phương án khi tính toán phải lặp đi lặp lại các phép tính nhiều lần để các thông số lựa chọn giả định ban đầu phù hợp với kết quả sẽ nhận được

b Tính toán thiết kế điện từ

Các dữ liệu ban đầu của phần tính toán điện từ là một số các thông số kỹ thuật của sản phẩm, cụ thể là:

200kW-Bảng 3: Kết quả tính toán điện từ

Thông số điện từ Kích thước phần điện từ Tên gọi Số liệu Tên gọi Số liệu

Điện áp một chiều 440V Đường kính trong lõi cực từ 42,88cm

Số giá than/số viên của 01 giá

4/3

Ngoài ra qua tính toán còn xác định được mật độ dòng điện, kích thước chính của các cực từ, lõi tôn phần ứng và chiều dài làm việc của cổ góp

2.1.2 Lập trình phần mềm tính toán thiết kế điện từ

Phương án thiết kế sản phẩm tối ưu phải đạt các yêu cầu như sau:

Để có được phương án tối ưu khi thiết kế máy điện phải tiến hành lập nhiều phương án tính toán thiết kế khác nhau Mỗi phương án đều đưa ra được các thông số

kỹ thuật, các kích thước sản phẩm, vật liệu sử dụng và lượng tiêu hao vật liệu khác nhau Trên cơ sở phân tích hiệu quả sử dụng, nhu cầu của từng khách hàng mà lựa chọn phương án tối ưu để thiết kế ra sản phẩm

Trước đây khi chưa có các phương tiện máy tính hoặc chưa có phần mềm tính toán thiết kế, giai đoạn tính toán thiết kế máy điện nói chung cũng như máy điện một chiều nói riêng phải kéo dài hàng tháng

Lập trình phần mềm để thiết kế tính toán phần điện từ máy điện một chiều là một nội dung quan trọng của đề tài nhằm giải quyết các vấn đề như sau:

+ Rút ngắn tối đa thời gian thiết kế tính toán, nhanh chóng chọn được phương

án tối ưu để đáp ứng nhu cầu cấp bách của khách hàng;

+ Giảm công lao động của kỹ sư thiết kế;

+ Tránh được các sai sót của con người trong quá trình thực hiện các phép tính; + Phần mềm được lập trình có thể sử dụng để tính toán cho các máy điện một chiều có công suất đến 200kW;

Đây là lần đầu tiên Công ty CTAMAD tiến hành nghiên cứu để xây dựng phần mềm tính toán thiết kế phần điện từ của máy điện một chiều, nhóm kỹ sư tham gia đề tài dựa vào phương pháp tính toán để xây dựng phần mềm "DCS 200V1.0" theo các bước sau:

- Xây dựng và kiểm chứng thuật toán tính động cơ điện một chiều;

- Lựa chọn ngôn ngữ lập trình phù hợp với yêu cầu thiết kế;

- Xây dựng các form giao diện và các modul tính toán

- Liên kết và đóng gói dữ liệu

Thuật toán của phần mềm "DCS 200V1.0" được viết dựa trên sách "Thiết kế máy điện" kết hợp với kinh nghiệm về lựa chọn hệ số công nghệ trong chế tạo máy

điện theo thực tế sản xuất cũng như tham khảo sửa chữa các máy điện một chiều do nước ngoài sản xuất

Phần mềm "DCS 200V1.0" được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Visual Basic Hiện nay có rất nhiều loại ngôn ngữ lập trình, trong số các ngôn ngữ lập trình

đó, Visual Basic được biết đến như một loại hình ngôn ngữ lập trình mạnh, tương thích với môi trường Windows là hệ điều hành sử dụng phổ biến rộng rãi nhất trên thế giới Visual Basic hỗ trợ nhiều công cụ lập trình mạnh với thư viện hàm phong phú đã tạo

điều kiện tối đa cho người lập trình về tư duy và thời gian Thêm vào đó, nó còn cho

phép tương tác với các môi trường làm việc khác như Word, Exel, Autocad , đặc biệt Visual Basic rất mạnh trong việc hỗ trợ đồ hoạ, các công cụ để lập trình giao diện khiến cho người sử dụng dễ hiểu, trực quan hơn Chính vì thế mà Visual Basic được ứng dụng rộng rãi và được lập trình cho các chương trình lớn như Office, lập trình Web

"DCS 200V1.0" được tạo thành từ các form và các module theo nguyên tắc lập trình hướng đối tượng tức là coi mục tiêu cần lập trình tính toán là một đối tượng và xây dựng lên các thuộc tính cho đối tượng đó Các module có nhiệm vụ tính toán, còn các form giao diện có nhiệm vụ nhập các số liệu đầu vào, tạo giao diện cho người sử dụng (các bảng, biểu ) và liên kết các module Các kết quả đầu ra đồng thời được đưa vào form kết quả, người tính toán có thể quan sát một cách trực diện kết quả tính toán

và được lưu vào file "Kết quả" để người thiết kế xem xét hoặc làm tài liệu tham khảo cho các lần thiết kế sau này

Cơ sở dữ liệu dùng cho việc tính toán thiết kế động cơ được thể hiện dưới dạng

đồ thị hay bảng để người thiết kế lựa chọn Sự lựa chọn các hệ số, các dữ liệu là theo kinh nghiệm của người thiết kế hoặc từ kinh nghiệm sản xuất thực tế, hoặc theo công nghệ hiện có của Công ty Người sử dụng có thể truy cập các đồ thị và các bảng biểu tạo các form dữ liệu để tra cứu các hệ số, số liệu cần thiết cho tính toán Sau khi nhập các dữ liệu đầu vào, chương trình sẽ tự động tính toán và đưa ra các thông số phù hợp cho việc lựa chọn các thông số tiếp theo Các thông số của máy điện nếu không phù hợp hoặc vượt ra ngoài khoảng cho phép, chương trình sẽ báo lỗi và lý do báo lỗi để từ

đó người thiết kế bằng kinh nghiệm của mình cùng với sự mềm dẻo của chương trình xác định nguyên nhân gây ra lỗi và quay trở về bất kỳ bước tính nào trước đó để thực hiện việc hiệu chỉnh các số liệu đầu vào để có các số liệu đầu ra cho phù hợp với các yêu cầu thiết kế Đây là một ưu điểm của chương trình vì nó cho phép tiết kiệm một cách tối đa thời gian thiết kế bằng việc cho phép quay lại hiệu chỉnh bất kỳ số liệu đầu vào nào được nhập ở các bước trước mà không cần phải quay lại từ đầu hay đợi chương trình thực hiện xong

Chương trình sau khi được viết xong sẽ được biên dịch sang file chạy (dạng đuôi

*.exe) Trong quá trình biên dịch nếu không có lỗi sẽ được chuyển sang công đoạn tiếp theo là đóng gói dữ liệu Các dữ liệu và mã chương trình đã được viết ra sẽ được liên kết và đóng gói thành phần mềm hoàn chỉnh làm việc độc lập với Visual Basic (tức là chạy mà không cần cài đặt chương trình Visual Basic)

Chương trình "DCS 200V1.0" được cài đặt trên máy tính PC thông thường từ môi trường Windows là môi trường làm việc thông dụng hiện nay Chương trình "DSC 200V1.0" được lưu trên một đĩa CD rom Ta đưa đĩa vào ổ CD, sau đó chạy file DCS 200V1.0\Setup.exe, chương trình sẽ được tải tự động vào thư mục Programfiles có sẵn trong hệ điều hành Windows với tên "DCS 200V1.0" Để thực sự làm việc trong môi trường thiết kế động cơ điện một chiều này, người sử dụng phải đăng ký tên người sử dụng và mật khẩu, chỉ khi nhập đúng mới có thể tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo tên và mật khẩu đã được định sẵn và lưu trong chương trình và được cung cấp bởi người sở hữu phần mềm này

Phần mềm tính toán hiện được lưu trên đĩa và cài đặt trong ổ cứng của các máy tính tại phòng Kỹ thuật của cơ quan chủ trì đề tài

2.1.3 Xác định giá trị sử dụng của phần mềm thiết kế tính toán

Để xác định độ tin cậy của phương pháp tính toán được đề tài lựa chọn cũng như của phần mềm được xây dựng nhóm thực hiện đề tài đã tiến hành tính toán bằng tay (xem tập bản tính) cũng như bằng phần mềm cho động cơ một chiều 200kW Các kết quả được so sánh với nhau cũng như so sánh với kết quả thử nghiệm, đo đạc của sản phẩm do nước ngoài chế tạo và sản phẩm cùng loại do cơ quan chủ trì đề tài chế tạo cho thấy sai số giữa các phương pháp tính có thể chấp nhận được

Bảng 4: Bảng so sánh kết quả

Tên gọi Đơn

vị tính

Phương pháp tính tay

Phương pháp tính bằng chương trình

Sai số (%)

2.1.4 Thiết kế tính toán kết cấu máy điện một chiều

Trong kết cấu của máy điện một chiều cũng như máy điện xoay chiều có các cụm chi tiết phải tính toán để có các kích thước, các thông số đáp ứng với yêu cầu kỹ thuật của cụm và của tổng thể sản phẩm

Tính toán thiết kế kết cấu được tiến hành ngay sau khi hoàn thành tính toán thiết

kế điện từ và lên được bản vẽ dự kiến về thiết kế tổng quan

Khi thiết kế máy điện quay bao gồm cả động cơ điện, máy phát điện xoay chiều

và một chiều đều phải tiến hành tính quạt gió, thông gió tản nhiệt, tính độ tăng nhiệt, tính độ bền trục, tính ổ bi, tính chuỗi lắp ghép của sản phẩm Ngoài ra trong các máy

điện một chiều còn phải tính kích thước của các chi tiết tạo thành cổ góp điện

Trong các đề tài KHCN đã được công ty CTAMAD thực hiện trước đây các phép tính đã được chúng tôi nghiên cứu và trình bày trong các báo cáo Chúng tôi chỉ trình bày trong Chương 2 những phần tính toán thiết kế kết cấu có đặc thù riêng của máy điện một chiều gồm:

- Tính kích thước cổ góp điện;

- Tính trục máy điện một chiều;

- Tính chuỗi lắp ghép của máy điện một chiều

6 đến 10 loại chi tiết được ghép với nhau bằng bulông, đai ốc Các bề mặt lắp ghép và chịu lực là các bề mặt côn của 3 cụm chi tiết Do vậy tất cả các chi tiết của cổ góp đều

được tính các kích thước với số liệu liên quan đến nhau với yêu cầu chính xác cao

Đề tài đã thực hiện nghiên cứu phương pháp tính toán cổ góp và áp dụng để tính toán cho cổ góp điện động cơ 200kW - 750vg/ph - 440V

Cổ góp điện của động cơ một chiều 200kW có 6 cụm chi tiết (hình 1) và chi tiết phải tiến hành tính kích thước đó là:

Các thông số các dữ liệu để tính toán thiết kế kết cấu cổ góp điện

Trong tính toán điện từ có phần tính toán liên quan đến các thông số điện của cổ góp như tính số lam đồng cổ góp (G), chiều dài tác dụng của cổ góp IG, Ngoài ra còn xác định được đường kính làm việc của cổ góp (DG)

Tính toán kích thước cổ góp điện bao gồm cả phần tính toán phôi, tính lượng dư của các chi tiết và cụm chi tiết Các dữ liệu để tính được toàn bộ kích thước của cổ góp gồm:

- Đường kính làm việc của cổ góp DG;

- Đường kính trục (vị trí lắp cổ góp) d;

- Kích thước của viên than bch x Lch;

- Số viên than trên một giá than Nch;

b Phần tính toán

Chiều dài làm việc của cổ góp (hình 2)

Llv= l1+l2+l3.(Nch-1)+lch.Nch+l4

l1 và l4 – Chiều dài cạnh ngoài

l2 – Khoảng xê dịch cho phép của viên than

l3 – Khoảng cách giữa các viên than

lch – Chiều dài chổi than

LG – Chiều dài cổ góp

Nch – Số viên than trên một giá than

Hình 2: Chiều dài làm việc của cổ góp

Động cơ một chiều 200kW có các kích thước được chọn theo viên than như sau:

Kích thước của lá Mica cách điện

Lá Mica được cắt từ tấm Mica có hình chữ nhật với kích thước a x b x δ

Hình 3 Kích thước lá mica cách điện

Kích thước a x b của lá Mica cách điện được cắt bằng với phôi của lam đồng cổ góp Riêng chiều dài của lá mica trong một số máy điện một chiều khi không có bước công nghệ xén mặt phía đuôi cờ thì kích thước b được cộng thêm 2 ữ3mm

T F

l D D

mm8512

264432

Trong đó: - DF là đường kính lớn nhất của vành góp trước khi gia công

- DT là đường kính trong vành góp

- ldi là lượng dư gia công Chiều dài của lam đồng b:

b = LG + ldi = 235 + 13 = 248 mm Chiều dày của lá Mica: Theo đường kính của cổ góp, cỡ công suất của máy điện một chiều, điện áp làm việc và để chọn chiều dày δMC của tấm cách điện mica:

δMC = 0,8 mm

Kích thước phôi của lam đồng

Phôi của lam đồng được cắt thành hình chữ nhật từ đồng tấm với kích thước :

Hình 4 Kích thước phôi lam đồng

Chiều dày của tấm đồng

mm10168

432.G

D

3 3

F

d = π +δ = π +δ =δ

Trong đó: δ3 là lượng dư gia công

Chiều rộng của phôi lam đồng bằng chiều rộng của lá Mica cộng lượng dư gia công:

A = a + 2 =87 mm Chiều dài của phôi lam đồng bằng chiều dài của lá Mica cộng thêm lượng dư gia công:

B = b + 2 = 247 mm

Kích thước gia công của lam đồng trước khi ghép

δđ: Chiều dày của tấm đồng A: Chiều rộng của phôi B: Chiều dài của phôi

Hình 5: Kích thước gia công lam đồng

- Chiều dài b và chiều rộng a như lá Mica

- Góc α được tính như sau:

'' ' 0

34082168

360G

360

=

=

=α

- Chiều dày ∆:

mm28,78,0168

432.G

D

Một số các kích thước trên cốc ép phải thực hiện tính toán để đảm bảo bề mặt côn trong của cốc, bề mặt này được tỳ vào đuôi én của vành góp và mặt côn 3o của cốc

ép có khe hở với mặt B của vành góp (hình 6)

Các công thức tính và kết qủa tính toán xem phần tính toán cổ góp điện

Tính kích thước của phễu cách điện

Phễu cách điện là chi tiết nằm giữa vành góp và cốc ép, chi tiết này được ghép

từ các tấm Mica mền tạo thành Phần tính toán kích thước phiễu cách điện có 2 phần là:

+ Tính phễu cách điện + Tính tấm sécmăng Mica ghép phễu

- Tính kích thước phễu cách điện

Hình 7 Phễu cách điện

Các kích thước lựa chọn

- Phễu cách điện được ép đạt chiều dày đồng đều d = 2 mm

- Các bán kính lượn phải chọn đạt yêu cầu sau:

Các kích thước được thể hiện trong bản vẽ dùng để làm dưỡng kiểm cũng như để chế tạo khuôn ép Ngoài ra căn cứ vào kích thước sản phẩm ta tính được kích thước các tấm sécmăng mica dùng để xếp ép thành phễu cách điện

Tính kiểm tra độ bền kết cấu cổ góp điện

Hình 9 Kích thước lắp ghép mặt côn

Từ toàn bộ kích thước lắp ghép mặt côn của 3 chi tiết vành góp (1), phễu mica cách điện(2) và cốc ép (3) ta xác định được kích thước l2 là chiều dài làm việc và l3 là chiều dài chịu tác động của lực ly tâm c, ho là chiều cao dự phòng, trong quá trình sử dụng có thể tiện đi khi bảo dưỡng bề mặt cổ góp

- Công thức tính lực li tâm c:

2 max

o )1000

n.(

R.G.2,11

c =Trong đó: G – Trọng lượng của phần ngoài được tính như sau:

3

o S).8,9.10k

D.(

bán kính của trọng lực

- Độ uốn của lam đồng cổ góp dưới tác động của lực ly tâm

J.E.8

l.C

f = 3 (cm) Trong đó: E – là môđun cứng vững dạng 1 của đồng M1

E = 1,15.106 kG/cm2

J – Mômen ì được tính như sau:

R

t.)hh(J

3 o

ưπTrong tính toán độ uốn, f (hình 10) không được lớn hơn 0,002 cm

Nếu tính toán cho ra kết quả f

>0,002 cm thì phải tính toán điều chỉnh lại kích thước của mặt côn, phễu cách điện để tăng kích thước bám giữa các chi tiết (l3) cho đến khi

f ≤ 0,002 cm

Hình 10 Độ uốn của lam đồng

c Tính trục máy điện một chiều

Tính trục là phép tính phải thực hiện khi thiết kế sản phẩm máy điện quay Trong phần tính trục có 3 nội dung:

- Tính độ cứng vững của trục;

- Tính ứng suất ở một số mặt cắt xung yếu trên trục;

- Tính toán ổ bi của máy điện một chiều

Các dữ liệu để tính trục:

- Công suất máy: P (kW);

- Tốc độ: n (vg/ph);

- Đường kính ngoài lõi tôn rôto: D (mm);

- Chiều dài lõi tôn rôto: L (mm)

- Khe hở không khí giữa rôto và stato: δ (mm);

- Phương pháp truyền tải (khớp mềm, khớp cứng, puly…) và kích thước truyền lực;

- Lực ly tâm do trọng lượng G của rôto gây ra;

- Lực truyền tải của máy điện;

- Lực điện từ

Do máy điện một chiều có kết cấu cổ góp – giá than nên máy có trọng lượng phần ứng (G) tăng và chiều dài của trục lại dài hơn đáng kể so với các loại máy điện khác, làm tăng độ võng trục khi mang tải

Phương pháp tính độ võng trục của máy điện một chiều cũng tương tự như của máy

điện xoay chiều

Khi kết quả tính độ võng trục f > 8% khe hở không khí (δ) thì phải tiến hành điều chỉnh thiết kế theo xu hướng:

- Làm giảm trọng lượng rôto;

- Tăng đường kính trục( tất cả những nơi có thể tăng);

- Rút ngắn chiều dài trục (nếu có thể)

Tính toán trục cho động cơ 200kW – 750vg/ph – 440V

Các thông số để tính trục :

Công suất động cơ : 200kW

Tốc độ : 750vg/ph

Đường kính ngoài rô to : D = 423 mm

Chiều dài lõi tôn : L = 506 mm

Khe hở không khí giữa stato và rô to δ = 2.5 mm

Động cơ truyền động bằng khớp nối có đường kính truyền động

D0 = 200mm Trọng lượng rô to : G = 743.55kG

Tính độ cứng vững của trục :

- Tính độ võng trục

Trong thực tế khi làm việc, trục làm việc ở tư thế nằm ngang nên trong lượng của phần quay cùng với lực hút điện từ và momen truyền động qua khớp nối gây nên độ võng trục

Phản lực truyền tác động lên đầu trục của động cơ

PΠ = kΠ M

R H

Trong đó:

- KΠ hệ số truyền động, trong trường hợp truyền động bằng khớp nối thì lấy KΠ=0,3

- R là bán kính tác dụng của mômen MH tác động lên phần quay

R = 10 (cm)

PΠ = 0,3x 780kG

1026000=

Độ võng trục dưới tác động của lực truyền tải PΠ:

fΠ = [ ( l S S b)a S a]

l E

c

0

2 1,53

H×nh 12

Lập bảng tính toán các giá trị Sa, Sb, S0 như sau:

Bảng 5 Bảng tính toán độ võng trục

Phần bên phải trục

1a 13 1401.28 6.25 244.14 244.14 0.174226 39.0625 39.0625 0.02782a 14 1884.78 20.25 8303.76 8059.62 4.276159 410.062 370.99 0.1968

Sb = ∑ 1 4.450385

3 3

=

ư ư

i

i i J

y y

2 2

y y

Phần bên trái trục Tiết

x x

fΠ [ (1,5.102,6.0,225 4,450385).68,85 46,25.1,45978]

6,102.10.1,2.3

5,40.780

2

= =0,001022(cm)

Trọng lượng phần ứng :

G= 6.3(D2 l+Dg2.lg).10-3 = 6.3(42,32.50,6+34,22.23,5).10-3= 743.55Kg

fG [ (1,5.102,6.0,225 4,450385).68,85 46,25.1,45978]

6,102.10.1,2.3

55.743

2

= =0,000245(cm)

Trong khi chế tạo động cơ khe hở không khí δ (trong động cơ này khe hở không khí là δ = 0,25 cm) không thể đồng đều trên suốt chiều dài, cũng như ở mọi điểm trên

đường kính do sai số cho phép trong khi chế tạo và lắp ráp

Độ lệch ban đầu của rô to là :

e0 = 0,1 δ + fG + fΠ =0,1.0,25+0.000245+0,001022 = 0,00262 (cm)

Chuyển dịch ban đầu làm xuất hiện lực điện từ T0 :

T0 = 3 D L eδ0 = 0,25

00262,06,503,42

55.743

52.160

0,0000221 (cm)

Tỷ lệ độ võng sinh ra do lực điện từ và độ lệch ban đầu :

m = f

e T 0

=

00262,0

0000221

0

− = 0,0000223(cm) Tổng độ võng của trục :

f = fG+ fΠ + fM =0,000245+0,001022+0,0000223 = 0,0012893 (cm)

Độ võng cho phép đối với động cơ không đồng bộ là 10% khe hở không khí

10% δ = 10% 0,25 = 0,025 cm Kết quả tính toán cho thấy độ võng trục của động cơ 200kW - 750vg/ph - 440V nằm trong giới hạn cho phép

- Tính ứng suất ở một số mặt cắt xung yếu trên trục :

Ta có sơ đồ tác dụng lực lên trục nh− sau :

780.384,5+(743.55+67.29).688,5-1151.PB=0

PA=

1151

5.688)

29,6755,743(5.384

PB=

1151

5,462)

29,6755.743()11515

.384.(

= 714.75 kG

Ta vẽ đ−ợc biểu đồ lực và biểu đồ mô men nh− sau:

Hình 14 Biểu đồ lực và mômen

Tính toán các mặt cắt nguy hiểm trên trục động cơ

Mặt cắt 2c : Đầu trục truyền tải có then truyền lực Theo biểu đồ mô men uốn

và xoắn ta thấy rằng tại các vị trí từ giữa rôto đến đầu trục nối tải chịu uốn xoắn

đồng thời

- Mô men uốn tại mặt cắt 1b :

Mu = Pn c = 780.38,45=29991 kG.cm

- Mô men xoắn :

MX = Pn.R = MH = 26000 kG.cm

- Mô men chống xoắn : Tại tiết diện này trục có rãnh then do đó ta tính mô men

chống uốn và chống xoắn theo công thức sau:

W =32

3

d

π

W=

32

13.14,

=215.68 (cm3) Mô men chống xoắn:

W0=32

3

d

π

= 16

13.14,

= 431.37 (cm3)

ở đây d- thiết diện trục d=13(cm) Khi đó ứng suất tương đương tính theo lý thuyết bền thứ 4 công thức như sau:

σtđ=

W

Mx K

M u2 +(0,75 )2

=

68.215

)26000.5,2.75,0(

26000 0

- Mô men xoắn

MX = 26000 kG.cm

- Mô men chống xoắn :

W = 32

= (cm 3 )

- ứng suất tương đương ở mặt cắt 1b:

W

M K

M u2 +(0,75 x)2

=

29 , 299

) 26000 5 , 2 75 , 0 ( 95 ,

67,22745

= 84,43(kG/cm2) Giới hạn bền cho phép của thép 45 có tăng bền và khi có ứng suất tập trung là

do góc lượn đạt giá trị :[σ]=750 kG/cm2

ở tất cả các mặt cắt ứng suất đều nằm dưới giới hạn cho phép

d Tính chuỗi lắp ghép của máy điện một chiều

Kích thước lắp ghép của máy điện một chiều phải phù hợp thì mới làm việc

được Trước khi chuẩn bị triển khai thiết kế chi tiết phải tiến hành phác hoạ tổng đồ Trong bản tổng đồ này phải dự kiến toàn bộ kết cấu và cho đủ các kích thước để thể hiện được các kích thước lắp ghép cũng như kiểm tra được chuỗi lắp ghép của máy Trong máy điện một chiều chuỗi kích thước phải tính kiểm tra bao gồm:

- Chiều dài vai bi;

- Chiều dài đảm bảo đồng tâm giữa phần ứng và các cực từ;

- Vị trí các viên than trên cổ góp

Ngoài ra cũng như trong các loại máy điện xoay chiều khác ta phải kiểm tra toàn

bộ các khe hở giữa các phần quay và phần tĩnh, vị trí cửa sổ thao tác, kích thước lắp đặt của máy điện một chiều …

Tính chiều dài vai bi

Khi tính chiều dài vai bi ta phải tính đến cả các dung sai đã cho để đảm bảo viên

bi nằm đúng vị trí trong ổ bi tạo nên khe hở δ hợp lý

Tuỳ theo kết cấu của loại máy, đặc thù mang tải mà người thiết kế đã chọn loại

bi phù hợp cho sản phẩm