Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế động cơ điện một chiều

Được ghép bằng các loại thép kỹ thuật điện khác nhau, tuỳ theo điện áp, chiều cao tâm trục.. ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG BÊN NGOÀI VÀ LÀM NGUỘI ĐỘNG CƠ - Xe điện dùng trong hầm mỏ , đầu máy

………… o0o…………

"Thiết kế động cơ điện một chiều"

CHƯƠNG I: KHẢO SÁT ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO 1

CHIỀU

I CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO

1 STATO

1.1 Vỏ máy ( gông cực từ )

Thường là thép đúc hoặc thép tấm uốn lại

1.2 Cực từ chính

1.2.1 Dây quấn cực từ chính

Đối với máy công suất nhỏ dùng dây đồng tiết diện tròn, với máy công suất lớn có thể dùng dây đồng tiết diện chữ nhật

1.2.2 Lõi sắt cực từ chính

Làm bằng thép khối hoặc thép tấm ép lại, hiện nay thường dùng thép tấm hay thép kỹ thuật điện của Nga ký hiệu 3411 dày 1 mm ép và tán lại

Cực từ chính được cố định lên vỏ máy bằng bulông

1.3 Cực từ phụ

Cực từ phụ

Cực từ chính

Vỏ máy

Được mắc nối tiếp với dây quấn phần ứng

Đối với máy công suất nhỏ dùng dây đồng tiết diện tròn, với máy công suất lớn có thể dùng dây đồng tiết diện chữ nhật

1.3.2 Lõi sắt cực từ phụ

Với máy có công suất nhỏ thường làm bằng thép khối CT3, còn máy có công suất lớn làm bằng thép kĩ thuật điện 3411

Cực từ phụ được cố định lên vỏ máy bằng bulông

2 RÔTO

10 97

2.1 Dây quấn rôto

2.1.1 Dây đồng tiết diện tròn: Thường dùng các loại bọc men có độ bền cao hoặc

men bọc sợi hoặc bọc hai lớp sợi Được dùng ở các dây quấn với phần tử có nhiều vòng dây công suất nhỏ

2.1.2 Dây đồng tiết diện chữ nhật: Thường là loại bọc hai lớp sợi hay dây đồng trần

mà xưởng chế tạo phải tự bọc lấy bằng vải hoặc màng mỏng tổng hợp hoặc mica Được dùng ở loại dây quấn mà phần tử có nhiều hoặc chỉ một vòng dây, thường hay dùng khi tiết diện dây lớn, máy có công suất lớn

2.2 Lõi sắt rôto

Dây quấn rôto Lõi sắt rôto

Giá đỡ rôto

Được ghép bằng các loại thép kỹ thuật điện khác nhau, tuỳ theo điện áp, chiều cao tâm trục

Đối với máy cỡ trung lõi sắt cần được ép chặt với áp suất từ 5 kg/cm2, với máy cỡ nhỏ cần đến 10 kg/cm2

Để tránh lõi sắt ở hai đầu bị tản ra thì trong máy nhỏ dùng những tấm thép dày 1,5 mm

ép lại Trong máy lớn dùng tấm ép có răng, răng phải tán hay hàn vào tấm thép ép để đảm bảo khi quay không văng ra

2.3 Giá đỡ rôto

Thường làm bằng thép tấm hàn lại Với những máy có công suất nhỏ có thể dùng nắp máy được cố định lên vỏ máy bằng gờ làm giá đỡ rôto

3 CỔ GÓP VÀ CHỔI THAN

3.1 Cổ góp

Do các phiến đổi chiều được làm bằng đồng, được cách điện bởi nhau bằng phiến mica ghép lại thành hình tròn tạo thành

3.2 Chổi than

Được làm từ các loại vật liệu như: than graphit, graphit, graphit điện luyện và graphit kim loại Đặt trên các giá than tạo thành

4 TRỤC, NẮP MÁY VÀ QUẠT LÀM MÁT

4.1 Trục máy

d' 0 max

p

max

p

z z z c

y y y b l

a x x x x

a

c

3 2 c 1 c

1 2 3

2 1

3 2 1

Đối với các đường kính đến 100 mm thì dùng phôi liệu là thép cán, còn của các máy lớn thì được chế tạo bằng thép rèn có hình dạng tương ứng với trục thực, có dư lượng để gia công

4.2 Nắp máy

Có thể được chế tạo bằng gang đúc, hoặc thép tấm

4.3 Quạt làm mát

Làm bằng thép tấm, gắn trực tiếp lên trục của động cơ ở phía cuối, đối diện với cổ góp Hoặc đặt độc lập với động cơ cần công suất thông gió lớn

II CÁC ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC VÀ ĐẶC TÍNH CƠ CỦA ĐỘNG CƠ 1 CHIỀU

1 ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC

n( v /ph g )

m(n.m)

η(%)

η= f( i )

Μ = f( i )

i(A)

n =f( i )

n =f( i )

Μ = f( i )

n =f( i )

i(A)

nt

ss hh

Μ = f( i )

nt

hh

ss

Đặc tính làm việc của các loại động cơ điện 1 chiều

2 ĐẶC TÍNH CƠ

n =f( m ) n( v /ph g )

M(N.m)

n =f(ss m )

M(N.m)

Đặch tính cơ của các loại động cơ điện 1 chiều

III ĐIỀU KIỆN LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO

Động cơ điện kéo làm việc ở điều kiện không thuận lợi vì những lý do sau đây:

1 CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC

Do tàu điện làm việc với yêu cầu dừng đỗ, và số lượng hành khách thay đổi liên tục ở

các Ga đỗ gần nhau Nên động cơ điện kéo phải làm việc ở chế độ: ngắn hạn lặp lại làm

việc với phụ tải ngắn hạn lặp lại

2 ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO ĐẶT DƯỚI GẦM XE

Vì vậy khi xe chạy đến chỗ nối đường ray, hoặc đoạn đường không bằng phẳng sẽ xuất hiện động lực làm tăng trọng lượng của động cơ lên tới 15 lần so với động cơ để tĩnh tại, đồng thời động cơ bị giao động theo phương thẳng đứng Để làm giảm động lực này người

ta dùng giá lò xo

3 ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG BÊN NGOÀI VÀ LÀM NGUỘI ĐỘNG CƠ

- Xe điện dùng trong hầm mỏ , đầu máy điện có hệ thống thông gió làm nguội riêng vì vậy ít ảnh hưởng đến chất lượng của động cơ , còn đối với xe điện bánh hơi dùng trong thành phố dùng loại động cơ điện kéo tự làm nguội bằng quạt gắn trên trục động cơ nên bụi bặm và nước lọt vào động cơ nhiều so với loại có hệ thống làm nguội riêng

- Đặc biệt tại Hà Nội khi mưa to, hệ thống cống rãnh xấu, nước tiêu thụ không kịp làm ngập một số đoạn đường vì vậy động cơ bị nước lọt vào làm ảnh hưởng nhiều đến chất lượng động cơ, thậm chí còn bị cháy các cuộn dây của động cơ

4 PHỤ TẢI THAY ĐỔI

Động cơ điện kéo làm việc với phụ tải thay đổi liên tục, tốc độ quay của động cơ phụ thuộc vào tải trọng, vào ma sát của đường Khi khởi động dòng điện khởi động có thể tăng lên đến 2 lần so với dòng điện định mức ( Ikđ = 2Iđm ) , ngoài ra điện áp đặt lên chổi than của động cơ cũng thường thay đổi luôn ( điện áp lưới ) làm ảnh hưởng đến độ bền vững của trục động cơ, hộp giảm tốc độ và ảnh hưởng đến quá trình đổi chiều dòng điện trong phần ứng

Kết luận: Vì những lý do ở trên phải chế tạo loại động cơ chuyên dụng có độ bền cơ

khí cao, quán tính nhỏ khi thiết kế chế tạo và sửa chữa động cơ điện kéo phải tính đến tốc

độ cao nhất , khả năng quá tải cao ( từ 2,5 ÷ 3,5 ) Tức là phải dùng loại cách điện tốt có tính chất chống ẩm cao, quá trình sản xuất và sửa chữa động cơ phải theo đúng quy trình

kỹ thuật

IV PHÂN LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO

1 PHÂN LOẠI THEO LOẠI ĐIỆN CUNG CẤP CHO ĐỘNG CƠ

1.1 Một chiều

1.2 Xoay chiều

1.2.1 Một pha có cổ góp

1.2.2 Không đồng bộ 3 pha

2 PHÂN LOẠI THEO PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG

Căn cứ vào sự truyền chuyển động của động cơ đến các cặp bánh xe động chia thành 2 loại

2.1 Truyền riêng biệt ( hình 1-1 )

Hình 1-1 Truyềt riêng biệt

Nghĩa là mỗi cặp bánh xe động được quay bởi 1 động cơ ( loại truyền lực 1 phía và 2 phía )

2.2 Truyền theo nhóm ( hình 1-2 )

Hình 1-2 Truyền theo nhóm

Trên đầu máy dùng 1 động cơ hoặc 2 động cơ truyền chuyển động đến tất cả bánh xe động hay theo nhóm của chúng

V HỆ THỐNG ĐIỆN DÙNG CHO ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO

Hiện nay các loại xe chạy bằng năng lượng điện như E- léch- tríc, tầu điện và xe điện bánh hơi chia thành 3 nhóm:

1 DÙNG ĐIỆN 1 CHIỀU

Lấy từ lưới với điện áp 3000; 1500 ; 750; 550; 250; và 150V Động cơ điện kéo và các máy bổ trợ khác, điện áp định mức của nó được ghi trên nhãn hiệu của chúng Còn động

cơ điện kéo nhận năng lượng điện từ máy phát đặt trên xe thì điện áp không quá 1000V, còn xe dùng acquy thì điện áp không quá 150V

2 DÙNG ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 1 PHA TẦN SỐ THẤP

1623 và 25 Hz với điện áp 22000V, người ta dùng biến áp để hạ xuống 500V

3 DÙNG ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU 1 PHA TẦN SỐ CÔNG NGHIỆP

50 Hz ( ở Mỹ 60 Hz ) với điện áp 25000V, trên xe đặt thiết bị biến áp chỉnh lưu ( điện

áp đặt vào động cơ 250 – 300V ) Chú ý có khi người ta không dùng chỉnh lưu

Nhận xét:

1.Đối với nhóm thứ 1: được dùng rộng rãi ở nước ngoài vì đường đặc tính tốc độ của

động cơ điện kéo 1 chiều mềm dễ điều chỉnh, trong khai thác cũng chắc chắn hơn Mặc dầu nó còn 1 số nhược điểm như: đắt tiền, chế tạo phức tạp…

2 Đối với nhóm thứ 2: cũng được sử dụng rộng rãi ở nước ngoài, và rất có tiềm năng

phát triển

3 Đối với nhóm thứ 3: dùng rất thuận tiện cho ngành điện khí hoá đường sắt Hiện

nay được sử dụng rộng rãi ở nước ngoài

VI CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶT ĐỘNG CƠ VỀ TRUYỀN CHUYỂN ĐỘNG

Tầu chuyển động được là nhờ động cơ điện kéo quay momen quay trên trục động cơ truyền đến trục xe nhờ hộp giảm tốc Người ta không thiết kế loại động cơ không cần hộp giảm tốc vì loại này trọng lượng động cơ rất lớn

Trong thực tế người ta có mấy cách đặt động cơ và truyền momen quay đến trục xe sau đây:

1.ĐẶT TRÊN TRỤC BÁNH XE ( hình 1-3 )

1- Bánh xe tàu điện

5

4 3

1

2

2- Khung xe Hình 1-3 Động cơ đặt trên trục bánh xe

3- Trục bánh xe

4- Trục động cơ

5- Động cơ

2 ĐẶT ĐỘNG CƠ DỌC THEO TRỤC CỦA TẦU

Trục động cơ nối liền với hộp giảm tốc nhờ trục Các – đan ( hình 1-4 )

1-Động cơ điện kéo 3 2 1

®Çu xe cuèi xe

2- Trục Các – đan Hình 1-4 Động cơ đặt dọc theo trục của tầu

3- Hộp giảm tốc và thay đổi hướng quay

Nhận xét:

1 Đặt trên trục xe: có mấy ưu nhược điểm sau đây

- Ưu điểm: đơn giản

- Nhược điểm: dưới tác dụng của động lực truyền từ đường ray qua hộp giảm tốc vào trục động cơ sẽ làm giảm tuổi thọ của động cơ hoặc có thể làm gẫy trục động cơ

2 Đặt dọc theo trục xe: làm giảm tác động do động lực gây ra, nhưng phức tạp hơn

loại 1

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO 1

CHIỀU

I ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO 1 CHIỀU

1.TÁC DỤNG CỦA SẢN XUẤT ĐỘNG CƠ ĐIỆN 1 CHIỀU TRONG NỀN KINH TẾ QUỐC DÂN

Động cơ điện một chiều được dùng rộng rãi trong công nghiệp, giao thông vận tải, mặc

dù giá thành cao hơn máy điện xoay chiều “ cỡ 5 lần ” Do trong lĩnh vực động lực và kỹ thuật tự động, động cơ điện một chiều cho đến nay vẫn tỏ ra ưu việt và không thể thay thế được với những đặc tính làm việc rất tốt trên các mặt điều chỉnh tốc độ ( phạm vi rộng, thậm chí từ tốc độ bằng không ), khởi động, đổi chiều quay và chịu quá tải cao, những ưu điểm ấy quan trọng đến nỗi người ta không ngần ngại đầu tư cao về chế tạo cũng như bảo dưỡng máy khó khăn hơn

2 NHIỆM VỤ VÀ PHẠM VI THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KÉO 1 CHIỀU

Nhiệm vụ thiết kế động cơ điện 1 chiều được xác định từ hai yêu cầu sau:

1.Yêu cầu từ phía nhà nước, bao gồm các tiêu chuẩn nhà nước, các yêu cầu kỹ thuật do nhà nước quy định …

2 Yêu cầu từ phía nhà máy và người tiêu dùng thông qua các hợp đồng ký kết

Nhiệm vụ của người thiết kế là đảm bảo tính năng kỹ thuật của sản phẩm đạt các tiêu chuẩn nhà nước quy định và tìm khả năng hạ giá thành để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất, nói tóm lại là đạt chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cao

Thiết kế kỹ thuật động cơ điện một chiều gồm có:

1 Loại máy điện: động cơ điện một chiều

2 Công suất định mức Pđm (kW): là công suất cơ đầu trục

3 Điện áp định mức Uđm (V) Theo tiêu chuẩn có các cấp sau đây: 110, 220, 440 (V)…

4 Tốc độ quay định mức nđm (m/s): Với từng phạm vi công suất có một giới hạn tốc độ quay tối ưu

5 Cách kích từ: độc lập,song song, nối tiếp hay hỗn hợp

6 Kiểu kết cấu: nằm, cấp độ bảo vệ

8 Các yêu cầu đặc biệt khác

Các bước thiết kế gồm có:

2.1 Thiết kế điện từ

Là theo trình tự thiết kế điện từ xác định một phương án điện từ hợp lý, có thể tính bằng tay, cũng có thể nhờ vào máy tính Phương án này mới thoả mãn yêu cầu về tính năng kỹ thuật theo tiêu chuẩn nhà nước, đồng thời có giá thành thấp nhất Trong phương

án phải xác định toàn bộ kích thước lõi sắt stato, rôto, dây quấn stato, roto, kết cấu cách điện Ngoài ra còn phải tính toán nhiệt để đảm bảo khi làm việc ổn định ở chế độ định mức, độ tăng nhiệt không vượt quá tiêu chuẩn quy định

2.2 Thiết kế kết cấu

Xác định kết cấu cụ thể về phương thức thông gió và làm nguội, kết cấu cố định dây quấn trong rãnh và phần đầu nối, kết cấu cụ thể về cách bôi trơn ổ đỡ, kết cấu thân máy và nắp máy…

Để có thể chế tạo được động cơ điện1 chiều còn phải qua các khâu thiết kế sau:

* Thiết kế thi công, có nhiệm vụ vẽ tất cả các bản vẽ lắp ráp và chi tiết

* Thiết kế khuôn mẫu và gá lắp dùng trong gia công các chi tiết của máy

* Thiết kế công nghệ, dùng để kiểm tra công nghệ trong quá trình gia công

3 TẦM QUAN TRỌNG CỦA TIÊU CHUẨN HOÁ, THIẾT KẾ DÃY VÀ THÔNG DỤNG HOÁ TRONG THIẾT KẾ

Trong sản xuất, khuynh hướng chung là bố trí các nhà máy sản xuất máy điện theo công suất máy vì kích thước máy chi phối quy trình công nghệ và trang thiết bị của nhà máy Để tiện cho việc thiết kế chế tạo và thoả mãn được yêu cầu của nền kinh tế, người ta thiết kế máy điện theo rãy, nghĩa là theo một số cấp công suất nhất định theo quy định của tiêu chuẩn nhà nước, giữa chúng có sự liên quan với nhau về kết cấu và công nghệ chế tạo

Ví dụ, hiện nay người ta cố gắng thiết kế sao cho một khuôn dập lõi sắt có thể bố chí để dùng cho hai hoặc ba công suất máy bằng cách thay đổi chiều dài, như vậy việc tổ chức sản xuất sẽ đơn giản và giá thành hạ hơn nhiều

II VẬT LIỆU THƯỜNG DÙNG TRONG MÁY ĐIỆN

Trong thiết kế máy điện, vấn đề chọn vật liệu để chế tạo máy có một vai trò rất quan

trọng và ảnh hưởng rất lớn đến giá thành và tuổi thọ làm việc của máy

1 Vật liệu tác dụng: là những vật liệu dẫn điện và dẫn từ trong đó tạo nên quá trình biến đổi điện từ

2 Vật liệu kết cấu: là những vật liệu dùng để chế tạo các chi tiết liên kết các mạch điện

và mạch từ hoặc các bộ phận truyền động của máy

3 Vật liệu cách điện: là những vật liệu không dẫn điện, dùng để cách ly các bộ phận dẫn điện với các bộ phận khác của máy, đồng thời cách ly các dây dẫn điện với nhau

1 VẬT LIỆU DẪN TỪ

Để chế tạo các phần của hệ thống mạch từ của máy điện, người ta dùng những vật liệu sắt từ khác nhau như các loại thép lá kỹ thuật điện, thép đúc, thép rèn, thép lá và hợp kim thép

1.1 Thép lá kỹ thuật điện ( tôn silíc )

Cho silíc vào thép có thể làm cho điện trở suất tăng cao, do đó hạn chế được dòng điện xoáy nên tổn hao thép sẽ thấp xuống, nhưng khi có silíc thì cường độ từ cảm cũng hạ thấp,

độ cứng và độ giòn cũng tăng lên, vì vậy lượng silíc trong thép nói chung không vượt quá 4,5%

Đại bộ phận máy điện đều dùng tôn silíc dày 0,5 mm Chỉ trong trường hợp đặc biệt mới dùng tôn dày 0,35mm

Tuỳ theo công nghệ cán, người ta chia tôn silíc ra làm hai loại, tôn cán nóng và tôn cán nguội

1.1.1 Tôn cán nóng: Có lịch sử lâu đời, hiện nay vẫn còn sản xuất nhiều Tuỳ theo

hàm lượng silíc mà phân ra loại ít silíc (≤2,8%) và nhiều silíc ( > 2,8% )

1.1.2 Tôn cán nguội: So với tôn cán nóng, tôn cán nguội có nhiều ưu điểm như suất

tổn hao nhỏ, cường độ từ cảm cao, chất lượng bề mặt tốt, độ bằng phẳng tốt nên hệ số ép chặt lá tôn cao, có thể sản xuất thành cuộn, do đó các nước phát triển đều dùng tôn cán nguội thay thế tôn cán nóng Tôn cán nguội phân làm hai loại: đẳng hướng và dị hướng Trong máy điện chỉ dùng tôn cán nguội đẳng hướng

1.2 Tôn không silíc

Tôn không silíc là tôn có hàm lượng silíc < 0,5% Do giá thành hạ ( so với tôn silíc thấp hơn 30% ), cường độ từ cảm cao, dẫn nhiệt tốt, dễ hàn, dễ dập nên các nước phát triển đã dùng rộng rãi loại tôn này để làm lõi sắt của những máy điện công suất nhỏ

Thép hợp kim rèn khối lớn để đảm bảo độ bền cơ Thường dùng thép hợp kim

34CrNi3Mo, 25CrNi3MoV, 26Cr2Ni4MoV… Cường độ kéo của những thép hợp kim này

đều trên 60 MN/mm, cường độ từ cảm của một số hợp kim đều đạt đến B50≥ 1,6 T

Thân, cực từ của máy điện một chiều có khi dùng thép đúc Thành phần của thép đúc

cũng ảnh hưởng đến đặc tính từ Các chi tiết thép đúc trong máy điện thường có cường độ

từ cảm B25 = 1,36 ~ 1,5 T; B50= 1,55 ~ 1,62 T, so với gang ( B25 = 0,7 T ) thì từ tính tốt

hơn nhiều

Trong máy điện một chiều công suất lớn, thân máy có thể dùng thép tấm uốn lại, như

vậy dễ gia công Thường tính năng dẫn từ của các loại thép tấm là B25= 1,52 T

Để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây ra, người ta có thể dùng sơn cách điện đặc biệt

sơn phủ lên bề mặt các lá thép trước khi ghép chúng lại với nhau thành lõi sắt Thường

dùng hệ số ép chặt lõi sắt kc để chỉ quan hệ giữa chiều dài phần sắt với chiều dài thực của

lõi sắt Hệ số này phụ thuộc vào áp suất ép lõi sắt, độ không đồng đều của bề dày các lá

thép, chiều dày lớp sơn cách điện và chiều dày lá thép Hệ số kc được ghi trong bảng 2.1

Bảng 2.1.Hệ số k c

Chiều dày lá thép ( mm ) Không phủ sơn Có phủ sơn

1,0 - 2,0 0,5 0,35

0,98 – 0,97 0,95 0,93

0,95 0,93 0,91

2 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

Trong nghành chế tạo máy điện, người ta chủ yếu dùng đồng tinh khiết với tạp chất

không qua 0,1% làm vật liệu dẫn điện vì điện trở suất của đồng chỉ kém bạc Ngoài đồng

ra còn dùng nhôm với tạp chất không quá 0,5%, đồng thau và đồng đen Bảng 2.2 ghi các

đặc tính vật lý của đồng và nhôm

Bảng 2.2 Tính chất vật lý của đồng và nhôm

Nhiệt độ nóng chảy, oC 1084,5 658

Tỷ trọng ở 200C,g/cm3 8,9 2,7 Điện trở suất ở 200C, Ωmm2/m 17,9.10-3 29.10-3

Hệ số nhiệt điện trở, 1/oC 3,85 4,03

Tỷ nhiệt ở 20oC, J/kg.oC 385,2 921,1