Thiết kế tính toán điện từ là để xác định các kích th−ớc và các thông số cơ bản của các bộ phận tham gia dẫn điện (các bộ dây phần ứng, cuộn dây cực chính, cực phụ, cổ góp, viên than); tham gia dẫn từ (lõi tôn phần ứng, cực chính, cực phụ, gông thân) và các thông số kỹ thuật của MĐMC. Nhiệm vụ của tính toán là:
- Xác định kích th−ớc cơ bản của các chi tiết, cụm chi tiết dẫn điện và dẫn từ;
- Xác định các thông số cả các bộ dây (số vòng dây, số sợi chập, tiết diện dây, số mạch nhánh song song, b−ớc lồng, b−ớc cổ góp...);
- Xác định mật độ từ thông của các bộ phận dẫn từ;
- Xác định mật độ dòng điện, điện trở... của các bộ phận dẫn điện;
- Xác định các thông số kỹ thuật của MĐMC (các tổn hao, công suất từ l−ới điện, hiệu suất, dòng điện...).
Xác định ph−ơng pháp tính điện từ:
Tính điện từ có nhiều ph−ơng pháp, đề tài lựa chọn ph−ơng pháp tính của Liên Xô đ−ợc dựa trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết rất cơ bản và Liên Xô có nền sản xuất máy điện quay của Liên Xô rất phát triển.
Ph−ơng pháp này đ−ợc tham khảo từ các sách kỹ thuật, do vậy mang nặng tính lý thuyết. Các hệ số công nghệ, các bảng tra cứu về vật liệu, các hệ số tính toán... không đúng với thực tế, khi tính toán cần phải lựa chọn và điều chỉnh theo thực tế.
Để nhận đ−ợc một ph−ơng án tối −u vừa đáp ứng toàn bộ các yêu cầu kỹ thuật, vừa có giá thành chế tạo thấp nhất, thông th−ờng phải tiến hành tính toán nhiều ph−ơng án.
Bản tính điện từ động cơ một chiều 200kW-750vg/ph-440V đề tài đã thực hiện tính điện từ cho động cơ 200kW theo ph−ơng pháp đã lựa chọn. Bản tính đ−ợc đóng thành tập rời.
2.1.2 Lập trình phần mềm tính toán thiết kế điện từ.
Do tính điện từ phức tạp, trong một ph−ơng án phải lặp đi, lặp lại hàng trăm phép tính cho đến khi các số liệu phù hợp. Trong khi đó lại phải thực hiện hàng chục ph−ơng án tính toán để lựa chọn ph−ơng án tối −u. Nghiên cứu xây dựng phần mềm tính toán nhằm rút ngắn đến tối đa thời gian cũng nh− loại trừ đ−ợc các nhầm lẫn trong quá trình thực hiện hàng nghìn các phép tính. Phần mềm đ−ợc xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình tiên tiến, sử dụng các thuật toán phù hợp. Nội dung nghiên cứu gồm:
- Viết thuật toán, thiết kế giao diện, đồ hoạ;
- Thiết kế các môdul nhập dữ liệu;
- Kết quả đ−a ra từ phầm mềm gồm:
+ Các kích th−ớc, các thông số cơ bản của các chi tiết dẫn từ, các bộ dây, cổ góp điện;
+ Xác định các thông số kỹ thuật và đặc tính làm việc của MĐMC. Phần mềm đ−ợc in ra đĩa và cài đặt trong máy tính của phòng Kỹ thuật. Khi nhập các dữ liệu đầu vào, kết quả tính toán của phần mềm đ−ợc in ra trên giấy.
2.1.3 Xác định giá trị sử dụng của ph−ơng pháp tính và phần mềm thiết kế tính toán điện từ.
Các kết quả tính toán của ph−ơng pháp tính thông th−ờng, kết quả đ−a ra của phần mềm với các dữ liệu đầu vào là động cơ 200kW của Liên xô và của đề tài thiết kế, đ−ợc so sánh với nhau và so sánh với kết quả của thử nghiệm sản phẩm đã cho thấy ph−ơng pháp tính đ−ợc lựa chọn, phần mềm tính toán điện từ là phù hợp và có độ tin cậy để sử dụng trong thực tế sản xuất.
2.1.4 Thiết kế tính toán kết cấu máy điện một chiều.
Các tính toán kết cấu có đặc thù riêng của động cơ 200kW, đó là:
- Tính kích th−ớc cổ góp điện;
- Tính trục MĐMC;
- Tính chuỗi lắp ghép của MĐMC.
A. Tính kích th−ớc cổ góp điện
Cổ góp có 348 chi tiết đ−ợc ghép lại trên các mặt côn, mặt hình nón do đó phải tính để có đ−ợc các kích th−ớc lắp ghép của cụm vành góp, lá mica cách điện, lam đồng, phễu cách điện, cổ ép sau, cốc ép tr−ớc.
a. Các dữ liệu để tính cổ góp.
Từ kết quả tính toán thiết kế điện từ, xác định đ−ợc các dữ liệu để tính cổ góp nh−: đ−ờng kính làm việc; đ−ờng kính trục; kích th−ớc viên than, số viên than; số lam đồng.
b. Phần tính toán cổ góp.
Tính toán cổ góp đ−a ra các công thức nhằm xác định: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Chiều dài làm việc của cổ góp;
- Kích th−ớc của lá mica cách điện;
- Kích th−ớc của phôi lam đồng;
- Kích th−ớc gia công vành góp;
- Kích th−ớc của cốc ép tr−ớc và cốc ép sau;
- Kích th−ớc của phễu cách điện, trong đó bao gồm: + Tính kích th−ớc của phễu cách điện;
+ Tính kích th−ớc và số l−ợng tấm séc măng mi ca.
c. Tính kiểm tra độ bền kết cấu của cổ góp điện.
Cổ góp chịu tác động của lực li tâm, nếu kích th−ớc lắp ghép của phần "đuôi én" không phù hợp sẽ làm biến dạng lam đồng khi MĐMC quay. Tính toán là để xác định chiều dài mặt tỳ, lực li tâm, độ uốn (f) của lam đồng (f ≤ 0,002cm).
B. Tính trục máy điện một chiều
Trục máy điện một chiều nhỏ và dài hơn nhiều so với máy điện không có cổ góp, do đó phải tính trục để kiểm tra:
- Độ cứng vững của trục. Qua tính toán xác định đ−ợc độ võng trục (f). Nếu f>8% khe hở không khí thì phải tiến hành điều chỉnh thiết kế (kích th−ớc lõi tôn phần ứng, đ−ờng kính và chiều dài từng bậc của trục);
- Tính ứng suất ở một số mặt cắt xung yếu trên trục;
- Tính toán ổ bi.
Ph−ơng pháp tính trục đ−ợc áp dụng để tính toán trục động cơ 200kW- 750vg/ph-440V (xem bản tính).
C. Tính chuỗi kích th−ớc lắp ghép của máy điện một chiều.
Chuỗi kích th−ớc đ−ợc tiến hành kiểm tra từ bản phác hoạ tổng đồ ph−ơng án thiết kế kết cấu của MĐMC. Các chuỗi kích th−ớc cần kiểm tra gồm:
- Chiều dài vai bi;
- Vị trí các viên than trên cổ góp.
2.2 Thiết kế kết cấu máy điện một chiều.
2.2.1 Lựa chọn kết cấu của sản phẩm mẫu (động cơ 200kW).
Kết cấu của MĐMC phải phù hợp với nhu cầu sử dụng (kích th−ớc lắp đặt), kết cấu thuận tiện cho lắp đặt, bảo d−ỡng, sửa chữa, có các cửa sổ tạo thuận lợi cho việc kiểm tra, làm sạch cổ góp, kiểm tra điều chỉnh và thay thế viên than.
Động cơ một chiều 200kW có kết cấu t−ơng tự động cơ 200kW của Liên xô, tuy nhiên do chỉ tham khảo đ−ợc bên ngoài của động cơ và phần ứng; ph−ơng án sản xuất của đề tài là đơn chiếc nên kết cấu của các chi tiết, cụm chi tiết của động cơ do đề tài thiết kế có các đặc điểm riêng, có kích th−ớc lắp đặt phù hợp để lắp đ−ợc trên máy xúc ]7∋-5A do Liên xô chế tạo.
2.2.2 Giới thiệu kết cấu và vật liệu sử dụng của một số cụm chi tiết quan trọng. a. Cổ góp điện
Cổ góp điện là cụm chi tiết đặc thù của MĐMC. Cổ góp điện động cơ 200kW đ−ợc ghép từ 348 chi tiết với 6 loại chi tiết và 8 loại vật liệu khác nhau. Bộ phận làm việc là vành góp đ−ợc xếp thành hình vành khuyên từ các lam đồng (bằng đồng M1) có tiết diện cắt ngang hình thang xen kẽ các lá mica cách điện (bằng mica cứng). Vành góp đ−ợc giữ chặt bằng hai cốc ép tỳ vào đuôi én của vành góp-đ−ợc hãm bằng 8 bulông M24. Giữa vành góp và cốc ép là phễu cách điện bằng mica mềm.
b. Cực từ chính, cực từ phụ.
Động cơ một chiều 200kW có 4 cực từ phụ. Mỗi cực từ đều có: lõi tôn cực, cuộn dây cực, các tấm cách điện, các chi tiết xiết ép, bắt cực từ.
c. Phần ứng.
Phần ứng của MĐMC đ−ợc gắn lên trục gồm các cụm chi tiết chính nh− sau:
- Lõi tôn phần ứng; (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Bộ dây phần ứng;
- Các chi tiết khác (cách điện, băng đai, chi tiết đỡ dây...).
Lõi tôn phần ứng đ−ợc xếp ép từ các lá tôn phần ứng đ−ợc dập từ thép kỹ thuật điện ⊥2212 dày 0,5 với 2 kích th−ớc đ−ờng kính khác nhau để tạo thành 2 bậc. Hai đầu là hai lá tôn đầu bằng thép tấm để ép cho lõi tôn không bị xô đầu răng.
Bộ dây phần ứng: Phần ứng có 2 bộ dây ôm vào nhau, lớp ngoài quấn sóng, lớp trong quấn xếp. Các bin dây đ−ợc quấn từ dây điện từ 1,8x8,5mm chập 4 sợi có
lót cách điện giữa các sợi. Đầu bin dây đ−ợc cạo sạch, tráng thiếc hàn vào rãnh cổ góp.
Băng đai. Bộ dây phần ứng đ−ợc băng đai hai đầu dây và băng ở trên thếp tôn ngắn để giữ cho bộ dây không bị bung xoè ra d−ới tác động của lực li tâm, nhiệt độ, lực tạo ra khi có dòng điện đi qua bộ dây. Băng đai của động cơ làm bằng sợi tổng hợp chuyên dùng.
Các chi tiết cơ khí đ−ợc nghiên cứu gồm có thân, nắp, trục. Thân của động cơ một chiều 200kW có kết cấu đặc biệt: thân đ−ợc chia thành 2 nửa (nửa thân trên, nửa thân d−ới) tạo thuận lợi cho quá trình lắp ráp, bảo d−ỡng, căn chỉnh các cực từ và cụm giá than. Thân là chi tiết tham gia vào mạch từ của MĐMC nên đ−ợc làm bằng thép.
d. Cụm giá than.
Cụm giá than của động cơ 200kW gồm 4 giá than, trong mỗi giá than có đế giá than, thanh gá hộp than và 03 hộp than trong có chứa các viên than.
Hộp than là chi tiết có hình dáng và cấu tạo phức tạp, chế tạo từ đồng λ62. Hộp than lắp từ 08 chi tiết khác nhau nh− mỏ cò, hộp, lò xo kéo, các loại chốt tán, viên than. Lò xo tỳ lên viên than, viên than tỳ sát vào bề mặt cổ góp với áp lực bằng 200ữ250G/cm2
, diện tích tiếp xúc > 75% bề mặt viên than, dây đấu viên than đ−ợc bắt vào thanh gá hộp than. Cách điện giữa các thanh gá hộp than và thân là đế thanh gá đ−ợc đúc bằng nhựa cách điện bakêlít.
Ch−ơng 3
Nghiên cứu công nghệ chế tạo máy điện một chiều
MĐMC có giá thành cao chủ yếu là do có công nghệ chế tạo rất phức tạp. Trong đó quan trọng nhất là công nghệ chế tạo cổ góp điện.
Các nội dung phải tiến hành khi nghiên cứu công nghệ là dự kiến ph−ơng án công nghệ chế tạo; vạch ra các b−ớc công nghệ phải thực hiện; thiết kế – chế tạo các thiết bị chuyên dùng, khuôn gá, dụng cụ; chế tạo thử để hoàn thiện thiết bị, khuôn gá, dụng cụ); xây dựng quy trình công nghệ.
Tất cả các chi tiết khi chế tạo đều phải thực hiện một hoặc nhiều quy trình công nghệ khác nhau. Đề tài chỉ tập trung giới thiệu các công nghệ đặc thù của MĐMC nh− chế tạo cổ góp điện, chế tạo các bộ dây, chế tạo các chi tiết cơ khí, chi tiết cụm giá than, lắp ráp MĐMC.
3.1 Công nghệ chế tạo cổ góp điện.
Cổ góp có kết cấu phức tạp do hợp thành từ số l−ợng rất lớn các chi tiết có dạng hình học khó chế tạo, các chi tiết có bề mặt gia công với độ bóng cao, kích th−ớc có yêu cầu chính xác. Bề mặt lắp ghép là bề mặt côn, mặt hình nón do đó khi gia công, khi nghiệm thu không thể đo đ−ợc trực tiếp bằng dụng cụ đo mà phải chế tạo các d−ỡng kiểm với kích th−ớc có độ chính xác cao.
Để chế tạo cổ góp cần nghiên cứu các công nghệ sau:
- Công nghệ chế tạo lam đồng cổ góp;
- Công nghệ chế tạo vành góp;
- Công nghệ chế tạo các cốc ép;
- Công nghệ chế tạo phễu cách điện;
- Công nghệ định hình cổ góp.
3.1.1 Công nghệ chế tạo lam đồng
Động cơ 200kW có 168 lam đồng có tiết diện hình thang (hình 1)
ở n−ớc ngoài, góc côn α, kích th−ớc a, h đ−ợc các cơ sở luyện kim cán, chuốt theo khuôn nên có kích th−ớc với độ chính xác cao và đồng đều tuyệt đối. Do chế tạo đơn chiếc, đề tài đã nghiên cứu ph−ơng án công nghệ thay thế là dùng đồng tấm cắt thành hình chữ nhật sau đó phay các cạnh đạt kích th−ớc l và h, sau đó phay các bề mặt để tạo góc α và cạnh a.
Hình 1. Lam đồng cổ góp
Kiểm tra kích th−ớc α và a bằng d−ỡng đ−ợc chế tạo trên máy cắt dây tia lửa điện. D−ỡng đ−ợc tôi để không bị mài mòn.
Hình 2. D−ỡng kiểm lam đồng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trên lam đồng có rãnh đặt dây rộng 1,8 mm chỗ sâu nhất là 42 mm, phần thịt còn lại chỗ mỏng nhất theo tính toán còn 1,94 mm.
Thực tế khi gia công do sai số lắp đặt, sai số gia công độ đảo của dao, độ lệch gá, kích th−ớc còn lại sẽ có thể bị lệch và nhỏ hơn 1,7 mm. Sau khi gia công lam đồng đ−ợc là trong khuôn, rãnh phay đ−ợc làm sạch và tráng thiếc.
Để gia công phải dùng các loại gá kẹp giữ lam đồng, quá trình gia công đ−ợc làm mát liên tục. a = 7,28 – 0,06 h = 85 l = 245 α = 2008’34’’ 1. Lam đồng 2. D−ỡng kiểm
3.1.2 Công nghệ chế tạo vành góp
168 lá đồng và 168 lá mica đ−ợc xếp xen kẽ nhau tạo thành vành khăn gọi là vành góp. Công nghệ chế tạo vành góp là một trong những công nghệ phức tạp gồm 2 phần chính:
- Xếp ép tạo thành vành góp;
- Gia công vành góp.
Công nghệ xếp ép vành góp
Lá đồng và mica đ−ợc xếp ép thành vành khăn trên gá xếp. Gá có bề mặt đ−ợc xẻ 168 rãnh h−ớng tâm có chiều rộng bằng chiều dày của lá mica + 0,2 mm; có chiều sâu 2 mm. Sau khi xếp, điều chỉnh, vỗ tròn đều vành khăn để các lam đồng áp sát nhau, h−ớng tâm, độ không song song không đ−ợc > 1,5 mm trên suốt chiều dài thì tiến hành ép vành góp trong khuôn ép.
Sát với vành góp là các mảnh Sécmăng của vành ép trong và lồng ra ngoài các mảnh Sécmăng là vành ép ngoài đ−ợc chế tạo bằng thép 45 và tôi đạt độ cứng Rc= (45ữ50). Kích th−ớc của các vành ép nh− góc côn, chiều dày, đ−ờng kính, lực ép của máy ép đều đ−ợc tính toán để ép đủ chặt đạt áp lực giữa các lam đồng là 350 kG/cm2 nh−ng không gây biến dạng các lam đồng.
Vành góp đ−ợc kiểm tra độ ép chặt, kiểm tra độ xiên của lam đồng và kiểm tra đ−ờng kính . Dung sai của đ−ờng kính phải nằm trong giới hạn cho phép ( ±1,5 mm) vành góp không méo, lam đồng h−ớng tâm.
Khi chế tạo không đạt các yêu cầu nêu trên thì phải mở bung các vành ép tiến hành kiểm tra lại các chi tiết thay thế các chi tiết không đạt yêu cầu kỹ thuật và xếp ép lại. Khi đ−ờng kính lớn hơn hoặc nhỏ hơn dung sai cho phép thì phải tiến hành gia công làm mỏng đi hoặc tăng chiều dày mica. Chiều dày lá mica, số l−ợng cần điều chỉnh, vị trí cần căn chỉnh phải tính toán và thực hiện theo các quy định để bảo đảm độ h−ớng tâm và cách đều các lam đồng cổ góp.
Gia công vành góp
Vành góp đ−ợc gia công khi vẫn còn nằm trong khuôn ép. Đuôi én đ−ợc gia công với độ chính xác cao, bảo đảm đồng tâm hai bên đuôi én, độ bóng đạt ∇6 (Độ nhám bề mặt Rz = 20). Để đảm bảo đồng tâm khi trở đầu gia công đuôi én của vành góp phải thiết kế và chế tạo gá bung. Gá bung đ−ợc lồng vào đ−ờng kính trong, trục của gá bung và các chi tiết trên gá sẽ định tâm khi gia công ở cả hai bên đuôi én.
Kích th−ớc đuôi én đ−ợc tạo thành có 2 góc côn (30 và 300) cùng với các bán kính l−ợn do mặt côn không thể đo kiểm đ−ợc bằng các dụng cụ đo thông th−ờng nên phải thiết kế chế tạo các loại d−ỡng đo để kiểm tra trong quá trình gia công và nghiệm thu sản phẩm. Kiểm tra cách điện giữa các lam đồng bằng bóng đèn điện nối vào mạch 220V.
3.1.3 Công nghệ chế tạo các cốc ép
Các cốc ép làm bằng thép đúc. Bề mặt nón côn 300 đ−ợc tỳ vào đuôi én ở vành