Конструирование трехфазного асинхронного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Электрические машины в общем объёме производства электротехнической промышленности занимают основное место, поэтому их технико-экономические и эксплуатационные свойства имеют важное значение для экономики страны.

Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической энергии.

Проектирование электрических машин - это искусство, соединяющее знание процессов электромеханического преобразование энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров-электромехаников, умение применять вычислительную технику и талантом инженера, создающего новую или улучшающего уже выпускаемую машину.

При создании электрической машины рассчитывают размеры статора и ротора, выбираются типы обмоток, обмоточные провода, тип изоляции, материалы активных и конструктивных частей машины. При проектировании электрических машин необходимо учитывать соответствие их технико-экономических показателей современному уровню при соблюдении требований государственных и отраслевых стандартов, а также назначение и условия эксплуатации, стоимость активных и конструктивных материалов, КПД, технологию производства, надёжность в работе и патентную чистоту.

Электродвигатели широко применяются на транспорте в качестве тяговых двигателей, приводящих во вращение колёсные пары электровозов, тепловозов, электропоездов, троллейбусов и др. За последнее время значительно возросло применение электрических машин малой мощности, которые используют в устройствах автоматики и вычислительной техники. Особый класс электрических машин составляет двигатели для бытовых электрических устройств - пылесосов, холодильников, вентиляторов и др.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором широко используется в промышленности благодаря простоте устройства и управления, надёжности в эксплуатации, наименьшим массе, габаритам и стоимости при заданной мощности. Их масса на единицу мощности в 1,5-2,0 раза ниже, чем у двигателей постоянного тока.

В данной курсовой работе будут определены главные размеры и геометрия сердечников, произведён расчёт обмоток статора и ротора, рабочих характеристик, потерь мощности и КПД, магнитной системы, а также проведён упрощенный тепловой расчёт.



1. Выбор главных размеров электрической машины

Проектирование машины общего назначения начинается с выбора базовой модели, на которую ориентируются при выполнении всех расчётов и при конструировании двигателя. В данной работе за базовую модель примем один из типоразмеров двигателя серии 4А.

Определение главных размеров машины является важнейшим этапом её проектирования, так как оптимальные их значения во многом определяют рациональное использование активных материалов.

Главными размерами асинхронной машины называют внутренний и наружный диаметры сердечника статора, внутренний и наружный диаметры сердечника ротора, величину зазора и расчётную длину статора, т. е. длину без учёта вентиляционных каналов, которые зависят от ряда факторов: номинальных данных машины, высоты оси вращения, выбранного класса нагревостойкости системы изоляции и других параметров, значение которых влияет на выбор электрической и магнитной нагрузки.

Высота оси машины выбирается в соответствии с заданной мощностью и частотой вращения (числом пар полюсов) [1, c.9, таблица 2]. Так как мощность проектируемого электродвигателя P_н = 22 кВт, число полюсов 2p = 2, то высота оси машины h = 180 мм, условное обозначение длины машины - S (Small-меньшая).

Наружный D_1Н и внутренний D₁ диаметры сердечника статора выбираем в зависимости от высоты оси машины [1, с.10, таблица 4]. При высоте оси машины h = 180 мм и числе полюсов 2p = 2 принимаем значения наружного диаметра статора D_1Н = 313 мм, внутреннего - D₁ = 171 мм.

Предварительными значениями КПД з' и коэффициента мощности cosц'₁ зададимся в зависимости от величины номинальной мощности [1, с.11, рисунок1, 2]. Так как номинальная мощность P_н = 22 кВт, то предварительный коэффициент мощностиcosц'₁ = 0,905, предварительный коэффициент полезного действия двигателя з'= 0,91.

Расчётная мощность асинхронного двигателя, кВ•А,

(1.1)

Выбираем предварительные значения индукции в магнитном зазоре и линейной нагрузки машины для степени защиты IP44 и способа охлаждения IC0141 [1, с. 12, рисунок 4]. Так как наружный диаметр статора D_1Н = 313 мм, то предварительное значение B'_д = 0,92 Тл, А'₁ =36000А/м.

Выбираем предварительные значения обмоточного коэффициента двухслойных обмоток

Расчётная длина сердечника статора, мм,

(1.2)

Округляем полученное значение: l_i=105.

Коэффициент длины двигателя

(1.3)



Так как коэффициент длины двигателя укладывается в диапазон (0,5 -0,8),то это означает, что главные размеры выбраны корректно и рассчитываемая электрическая машина будет рациональной.

2. Выбор размеров активной части двигателя

Сердечники статора и ротора набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Наиболее прогрессивным является применение холоднокатаной изотропной стали. Благодаря большей магнитной проницаемости, меньшим удельным потерям, лучшему качеству поверхности по сравнению с горячекатаной электротехнической сталью холоднокатаная сталь способствует повышению энергетических показателей проектируемого двигателя. Выберем способ изолирования листов стали в сердечниках: Марка стали - 2013, так как высота оси машины h=180мм.

Способ изолирования листов стали в сердечниках статора и ротора - оксидирование. Способ изолирования и толщина листов влияют на коэффициент заполнения сердечников сталью, при указанной толщине и оксидировании:

Воздушный зазор между статором и ротором существенно влияет на технико-экономические показатели двигателя. При проектировании асинхронных двигателей общего назначения на напряжение до 1000 В воздушный зазор целесообразно принимать по данным двигателей единой серии 4А. Определим воздушный зазор между статором и ротором [1, с. 15, рисунок 5]. При высоте оси вращения двигателя равной 180 мм принимаем величину воздушного зазора д = 0,8 мм.

Наружный диаметр сердечника ротора, мм,



(2.1)

Внутренний диаметр сердечника ротора, мм,

(2.2)

Конструктивная длина сердечника статора при отсутствии радиальных вентиляционных каналов, мм,

Длина сердечника ротора, мм,

Число пазов сердечника статора и ротора в значительной степени определяет свойства проектируемой машины и трудоёмкость её изготовления. Выберем оптимальное соотношение числа пазов статора и ротора для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Так как число полюсов двигателя равно двум, высота оси вращения равна 180 мм, то число пазов статора Z₁ = 36, ротора Z₂ = 28 [1, с. 17, таблица 7].

3. Расчет сердечника и обмотки статора

Форма паза статора зависит от параметров машины. Определим форму паза статора: так как число полюсов 2р=2 и высота оси машины h=180мм, то форма пазов статора - трапецеидальные полузакрытые, тип обмотки статора - двухслойная всыпная. При трапецеидальной форме паза зубцы статора имеют параллельные стенки и их сечение по высоте паза одинаковы. Отсутствие в таких зубцах участков уменьшенного сечения способствует снижению магнитного напряжения зубцов; лучшему использованию активной зоны сердечника; уменьшению пульсации магнитной индукции в зазоре двигателя, магнитного напряжения воздушного зазора, добавочных потерь. Однако при таких пазах коэффициент заполнения паза медью невелик. Область применения полузакрытого пазов определяется областью применения всыпной обмотки статора, выполняемой из проводов круглого сечения. На рисунке 3.1 показана трапецеидальная полузакрытая форма паза статора.

Рисунок 3.1 - Трапецеидальная полузакрытая форма паза статора

Рекомендуемые значения магнитной индукции выбираем в зависимости от числа полюсов 2р=2 и высоты оси машины h=180мм , Тл, [1, с.20, таблица 9]

Размеры паза статора различают в свету и в штампе. Размеры в свету несколько меньше размеров в штампе из-за неточности штамповки и некоторого уменьшения паза при сборке листов в сердечник, что учитывается припусками на штамповку по высоте и ширине. Выберем припуск по высоте и ширине в зависимости от высоты оси вращения двигателя [1, с.20, таблица 10]. Так как высота оси вращения двигателя равна 180 мм, то принимаем припуск в размере 0,2 мм. Размеры трапецеидального паза выбираются так, чтобы зубец имел параллельные стенки.

Зубцовое деление статора, мм,

(3.1)

Ширина зубца определяется по допустимому значению магнитной индукции в зубце статора , мм,

(3.2)

Значение высоты спинки статора определяется допустимыми величинами магнитной индукции в спинке статора В_с1, мм,

(3.3)



где - полюсное деление, мм.

Высота зубца, мм,

(3.4)

Наименьшая ширина трапецеидального полузакрытого паза в штампе, мм,

(3.5)

Наибольшая ширина паза в штампе, мм,



(3.6)

Ширина шлица паза статора

Высота шлица и угол в шлицевой части паза

Высота клиновой части паза, мм,

Площадь поперечного сечения трапецеидального паза в штампе, мм²,

(3.8)

В асинхронных двигателях с высотой оси вращения более 160 миллиметров применяются двухслойные обмотки с укороченным шагом. Обмотки статора разделяются на всыпные (с мягкими катушками) и обмотки с жесткими катушками (полукатушками). Всыпная обмотка изготавливается из обмоточного провода круглого сечения. Провод наматывают на шаблон для придания катушке предварительной формы. Затем катушки укладывают в заранее изолированные пазы. После укладки катушек и закрепления их в пазы посредством клиньев или крышек производят формовку лобовых частей и их бандажирование. Затем обмотанный статор пропитывают специальными лаками и составами. Всыпные обмотки получили наибольшее применение в асинхронных двигателях напряжением до 1000 Вольт, т. к. являются более технологичными при изготовлении и обеспечивают наиболее благоприятные условия использования зубцовой зоны статора.

Число пазов на полюс и фазу

(3.9)

Пазовые стороны одной катушечной группы, расположенные в соседних пазах, занимают q₁ пазов и образуют фазную зону, определяемую углом, эл. град.,

(3.10)

Наибольшее применение в трёхфазных асинхронных двигателях получили шестизонные обмотки с б = 60?, если q₁-целое число.

Полюсное деление машины, измеренное в пазах



(3.11)

Шаг обмотки, измеренный в пазах

(3.12)

где в =0,61 при 2р=2 - относительный шаг обмотки.

Коэффициент укорочения

(3.13)

Коэффициент распределения

(3.14)

Обмоточный коэффициент - один из важных параметров обмотки статора. Для основной гармоники ЭДС обмоточный коэффициент



(3.15)

Номинальный ток статора, А,

(3.16)

Отношение 2р/а₁ должно быть целым числом, где а₁- число параллельных ветвей. Примем а₁= 1. Тогда 2р/а₁= 2. Выбранное число параллельных ветвей при данном числе полюсов присутствует в ряду возможных значений а₁[1, с.26, таблица 11].

Число эффективных проводников в пазу статора при отсутствии параллельных ветвей в обмотке (а₁= 1)

(3.17)

Плотность тока в обмотке статора выбирают исходя из того, что с её увеличением уменьшается расход обмоточной меди, но одновременно растет активное сопротивление обмотки статора, что ведет к росту электрических потерь, температуры обмотки, снижению КПД, а с уменьшением растет КПД двигателя и повышается надежность обмотки статора за счет снижения ее температуры [1, с.25, рисунок 10]. При наружном диаметре статора D_1Н = 313 мм принимаем величину плотности тока Д₁ = 6,5 А/мм². По рисунку, приведенному в ссылке, плотность тока ниже, чем принятая в расчете. Причина принятия большей плотности заключается в низких эксплуатационных характеристиках двухполюсных машин.

Площадь поперечного сечения эффективного проводника обмотки статора, мм²,

(3.18)

Зададимся числом элементарных проводников в витке, которое не должно превышать 10:

Площадь поперечного сечения элементарного проводника, мм²,

(3.19)

Выберем площадь поперечного сечения неизолированного провода марок ПЭТВ или ПЭТ-55, среднее значение диаметра изолированного провода и номинальный диаметр неизолированного провода из номенклатурного ряда выпускаемых промышленностью проводов, соответственно[1, с.27, таблица 12]:



Число последовательных витков в обмотке фазы статора

(3.20)

Определим толщины пазовой коробки и крышки для полузакрытого паза, соответственно[1, с. 64, П.2.1], мм,

Площадь пазовой изоляции и прокладок между слоями обмотки с учетом крышки, закрывающей паз и толщины изоляционных прокладок, мм²,

(3.21)

(3.22)

Площадь паза, занимаемая обмоткой статора, мм²,

(3.23)

Коэффициент заполнения паза обмоткой статора,



(3.24)

Коэффициент заполнения паза обмоткой статора должен быть равен (0,70 - 0,72) при машинной укладке обмотки статора. Это продиктовано требованиями к условиям охлаждения обмотки в машине.

Уточненная плотность тока в обмотке статора, А/мм²,

(3.25)

Уточненные значения электромагнитных нагрузок и разница между рассчитанными значениями и выбранными ранее

(3.26)

где А₁ -линейная нагрузка машины, А/м,

- магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл,

Ф - магнитный поток, Вб.



(3.27)

Так как значения уточненных электромагнитных нагрузок А₁ и отличаются от предварительных и менее чем на 10%, то сердечник и обмотка статора являются эффективными.

Размеры мягких катушек статора определяются следующим образом: среднее зубцовое деление статора, т.е. зубцовое деление, измеренное на окружности, проходящей по середине высоты зубцов статора, мм,

(3.28)

Ширина катушки, мм,

(3.29)

Средняя длина одной лобовой части катушки, мм,



(3.30)

асинхронный двигатель ротор статор

Средняя длина витка обмотки статора, мм,

(3.31)

Длина вылета лобовой части обмотки при h ? 160 мм, мм,

(3.32)

Активное сопротивление фазы обмотки статора, приведенное к расчетной рабочей температуре, Ом,

(3.33)

где с=- удельное сопротивление меди при рабочей температуре, Ом•м.

Активное сопротивление в относительных единицах

(3.34)



Активное сопротивление, выраженное в относительных единицах, не попадает в заданный интервал (0,02 - 0,03), что является особенностью двухполюсной машины.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора обусловлено магнитным полем рассеяния, которое состоит из трех частей: пазового, дифференциального рассеяния и рассеяния лобовых частей.

Пазовое рассеяние обусловлено магнитным потоком рассеяния, направленным поперек паза и сцепленным с расположенными в этом пазу проводниками. Если обмотка выполнена с укороченным шагом, то потокосцепление этой обмотки с потоком пазового рассеяния ослаблено.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния при трапецеидальном полузакрытом пазе, который представлен представленным на рисунке 3.2:

(3.35)

Определим коэффициенты k_в и k_в', учитывающие укорочение шага обмотки [1, с.30, рисунок 11]:

Дифференциальное рассеяние - это рассеяние, создаваемое высшими гармоническими составляющими магнитного поля в воздушном зазоре.

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора



(3.36)

где значение k_р.т1и k_д1 выбираются по [1, с.31, таблицы 13 и 14]

Рисунок 3.2 - Трапецеидальный полузакрытый паз статора

При полузакрытых пазах статора коэффициент воздушного зазора учитывает влияние зубчатости статора и ротора на магнитное сопротивление воздушного зазора

(3.37)



Коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых частей об-мотки статора

(3.38)

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки статора

(3.39)

Индуктивное сопротивление рассеяния одной фазы обмотки статора, Ом

(3.40)

В относительных единицах

(3.41)

Индуктивное сопротивление рассеяния, выраженное в относительных единицах, выходит за пределы интервала (0,08 - 0,16), что является особенностью двухполюсной машины.

Построим схему укладки обмотки:

Полюсное деление:

Шаг обмотки:

Угол между соседними пазами:

Расстояние между пазами:

Каждая фаза состоит из катушечных групп.

Катушечная группа состоит из катушек.

Катушечные группы соединяются в фазы, сохраняя направление тока в фазе. Наиболее распространенным способом изображения схемы обмоток является развёртка окружности статора на плоскость. В двухслойных обмотках паз изображается двумя рядом расположенными линиями. Процесс выполнения схемы обмоток упрощается при использовании таблицы алгоритма укладки.

На рисунке 3.3 представлена условная схема соединения групп в параллельных ветвях фазы обмотки (ГОСТ 2.705-70).

Алгоритм укладки обмотки приведён в таблице 3.1.

Схема укладки обмотки статора изображена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.3 - Условная схема соединения катушечных групп



4. Расчет сердечника и обмотки короткозамкнутого ротора

Форма паза ротора зависит от мощности двигателя, числа полюсов и требуемых пусковых характеристик. Определим форму паза короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя серии 4А и рекомендуемые значения магнитной индукции при количестве полюсов 2р=2 и высоте оси машины h=180мм [1, с.36, таблица 16]

форма паза ротора - овальный полузакрытый,

рекомендуемые значения магнитной индукции

где В_Z2max - максимальная магнитная индукция в зубцовом слое ротора,

В_с2 - магнитная индукция в спинке ротора.

На рисунке 4.1 показана овальная полузакрытая форма паза ротора.



Рисунок 4.1 - Овальная полузакрытая форма паза ротора

Зубцовое деление ротора, мм,

(4.1)

Ширина зубца ротора определяется значением магнитной индукции в сечении зубца, мм,

(4.2)

Высота спинки сердечника ротора определяется допустимым значением магнитной индукции в спинке ротора, мм,

(4.3)



Высота зубца (паза) ротора, мм,

(4.4)

Размеры овальных пазов рассчитываются таким образом, чтобы зубцы ротора имели параллельные стенки. При этом h_ш2 = 0,5 и b_ш2 = 1. Диаметр в верхней части паза, мм,

(4.5)

Диаметр в нижней части паза, мм,

(4.6)

Расстояние между центрами окружностями овального паза, мм,

(4.7)

Площадь поперечного сечения овального паза в штампе, мм²,



(4.8)

Короткозамкнутая обмотка ротора ("беличья" клетка) асинхронного двигателя выполняется из алюминия путем заливки пазов сердечника ротора, поэтому размеры и форма стержней этой обмотки определяются размерами и формой пазов сердечника ротора.

Целью расчета обмотки ротора является определение геометрических и электрических параметров обмотки. К электрическим параметрам относятся величины активного и индуктивного сопротивлений.

Активное сопротивление зависит от размеров стержней клетки, удельного сопротивления материала, из которого изготовлены стержни, рабочей температуры ротора с учетом вытеснения тока на поверхность стержня.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора обусловлено следующими видами рассеяния магнитного потока: пазовым, лобовым, дифференциальным (связанным с высшими гармониками поля) и в общем случае рассеянием скоса пазов ротора.

Номинальный ток в обмотке ротора, А,

(4.9)

Рабочий ток в стержне ротора при короткозамкнутой обмотке в номинальном режиме, А,



(4.10)

Плотность тока в стержне ротора, А/мм²,

(4.11)

Значение плотности тока в стержне ротора не находится в рекомендуемом интервале (2,5 - 3,5) А/мм², что объясняется особенностями двухполюсной машины.

Размеры короткозамкнутого кольца литой клетки, представленного на рисунке 4.2, определяются выражениями поперечное сечение, мм²,

(4.12)

высота кольца, мм,

(4.13)

длина кольца, мм,

(4.14)



средний диаметр кольца, мм,

(4.15)

Рисунок 4.2 - Короткозамкнутое кольцо литой клетки

Активное сопротивление стержня обмотки в рабочем режиме, приведенное к рабочей температуре 115^оС , Ом,

(4.16)

где с=- удельное сопротивление меди при рабочей температуре, Ом•м.

Активное сопротивление участка короткозамыкающего кольца между двумя соседними стержнями при расчетной рабочей температуре 115^оС, Ом,

(4.17)



Коэффициент приведения тока кольца к току стержня

(4.18)

Активное сопротивление колец, приведенное к току стержня, Ом,

(4.19)

Активное сопротивление обмотки ротора, Ом,

(4.20)

Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора

(4.21)

Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора в рабочем режиме, Ом,

(4.22)



В относительных единицах

(4.23)

Полученное значение находиться в рекомендуемом интервале (0,02 - 0,03). Определение индуктивного сопротивления обмотки ротора. Коэффициент магнитной проводимости рассеяния ротора в номинальном режиме рассчитывается для овального полузакрытого паза

(4.24)

Определим коэффициент дифференциального рассеяния ротора [1, с.41, рисунок 16]

Рисунок 4.3 - Паз ротора овальный полузакрытый



Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния

(4.25)

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния короткозамыкающих колец литой клетки ротора

(4.26)

Общий коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки ротора в номинальном режиме, при условии отсутствия скосов пазов на одно зубцовое деление

(4.27)

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора в номинальном режиме, Ом,

(4.28)

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенное к обмотке статора в номинальном режиме, Ом,



(4.29)

В относительных единицах

(4.30)

Полученное значение должно находиться в интервале (0,8 - 0,16), но в нашем случае оно оказалось меньше, что улучшает свойства машины.

Результаты расчета электрических сопротивлений обмотки ротора сведем в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Сопротивления обмотки которкозамкнутой ротора

Коэффициент приведения	Активное сопротивление	Индуктивное сопротивление
	Ом	о.е.	Ом	о.е.
1363	0,114	0,021	0,33	0,06

5. Расчёт магнитной цепи

Расчет магнитной цепи асинхронного двигателя проводится в целях определения МДС и намагничивающего тока статора, необходимых для создания в двигателе требуемого магнитного потока. Магнитная система двигателя представляет собой разветвленную симметричную магнитную цепь, содержащую 2р полюсов, поэтому расчет магнитной цепи ведется на одну пару полюсов по средней расчетной линии (рисунок 5.1).



Рисунок 5.1 - Разветвлённая симметричная магнитная цепь асинхронного двигателя

Магнитная цепь состоит из пяти последовательно соединенных участков: воздушного зазора , зубцовых слоев статора h_z1 и ротора h_z2, спинки статора L_c1 и ротора L_c2, поэтому МДС обмотки статора на пару полюсов F определяется как сумма магнитных напряжений всех перечисленных участков магнитной цепи: воздушного зазора F,зубцов статора F_z1 и ротора F_z2, спинки статора F_c1 и ротора F_c2, А,

F = 2F + 2F_z1 + 2F_z2 + F_c1 + F_c2. (5.1)

Магнитное напряжение в воздушном зазоре, А,

F = 0,8B k10³, (5.2)

F = 0,80,9540,81,11510³= 705,1.

Зубцовый слой статора. При трапецеидальных полузакрытых пазах статора магнитная индукция в зубце одинакова по высоте зубца, Тл,

B_z1 = Bt₁/k_c1b_z1, (5.3)

B_z1 = 0,95414,92/0,977,45 = 1,97.



По магнитной индукции в зубце определяем напряжённость магнитного поля в зубце [1, с. 67, таблица П.3.2]. При индукции в зубце статора B_z1 = 1,97 Тл напряженность магнитного поля в нем H_z1 = 2760А/м.

Магнитное напряжение зубцового слоя статора, А,

F_z1 = H_z1 h_z110³, (5.4)

F_z1 = 276020,3610³ = 56,21.

Зубцовый слой ротора. При овальных полузакрытых пазах зубцы имеют параллельные стенки и магнитная индукция в зубце постоянна, Тл,

B_z2 = Bt₂/k_c2b_z2, (5.5)

B_z2 = 0,95419/0,979,84 = 1,9.

По магнитной индукции в зубце определяем напряжённость магнитного поля в зубце [1, с. 67, таблица П.3.2].При индукции в зубце ротора B_z2 = 1,9 Тл напряженность магнитного поля в нем H_z2 = 2070А/м.

Магнитное напряжение зубцового слоя ротора, А,

F_z2 = H_z2 (h_z2 0,4d_п2) 10³, (5.6)

F_z2 = 2070?(11,4 0,47) 10³= 17,8.

Спинка статора. Магнитная индукция в спинке статора, Тл,

B_с1 = 0,5_iB/k_c1h_c1, (5.7)

B_с1 = 0,5?0,64?268,61?0,954/0,97?50,64 = 1,67.

По магнитной индукции в спинке статора определяем напряжённость магнитного поля в спинке статора, пользуясь основными таблицами намагничивания [1, с. 70, таблица П.3.5], при этом расчетное значение B_с1 по уравнению (5.7) уменьшают на 0,4 Тл. Поэтому при индукции в спинке статора B_с1 = 1,27 Тл напряженность магнитного поля в нем H_с1 = 182А/м.

Длина средней силовой линии в спинке статора, мм,

L_с1 = (/2p)(D_1нh_с1), (5.8)

L_с1 = (3,14/2)(313 50,64) = 412,12.

Магнитное напряжение спинки статора, А,

F_с1 = H_с1 L_с110³, (5.9)

F_с1 = 182412,1210³ = 75.

Спинка ротора. Магнитная индукция в спинке ротора, Тл,

B_с2 = 0,5_iB/k_c2h_c2, (5.10)

B_с2 = 0,5?0,64?268,61?0,954/0,97?56,36 = 1,5.

По магнитной индукции в спинке ротора определяем напряжённость магнитного поля в спинке ротора, пользуясь основными таблицами намагничивания [1, с. 70, таблица П.3.5].При индукции в спинке ротора B_с2 = 1,5 Тл напряженность магнитного поля в нем H_с2 = 620 А/м.

Длина средней силовой линии в спинке ротора, мм,

L_с2 = (/2p)(D₂ 2h_z2 h_c2) + h_c2, (5.11)

L_с2 = (3,14/2)(169,4 2?11,4 - 56,36)]+ 56,36 = 198,1.

Магнитное напряжение спинки ротора, А,



F_с2 = H_с2 L_с210³, (5.12)

F_с2 = 620?198,110³ = 122,83,

Коэффициент насыщения магнитной цепи двигателя,

k = F/2F, (5.13)

k =1,756·10³ /2?705,1 = 1,245.

Это значение находится в рекомендуемом интервале (1,2 1,7), что свидетельствует о том, что материалы в двигателе использованы эффективно.

Намагничивающий ток, А,

I = pF/(0,9m₁w₁k_об1), (5.14)

I = 1?1,756·10³/(0,9?3?72?0,78) = 11,53.

относительно номинального тока

I = I/I_1н; (5.15)

I = 11,53/40,48 = 0,285.

Это значение находится в пределах рекомендуемого интервала (0,18 - 0,35). Главное индуктивное сопротивление обмотки статора, соответствующее основной гармонике, Ом,

x_m = k_ЕU₁/I; (5.16)

x_m = 0,98?220/11,53 = 18,7.



или в относительных единицах

x_m = x_mI_1н /U₁ ; (5.17)

x_m = 18,7?40,48/220 = 3,44.

Коэффициент магнитного рассеяния обмотки статора

= x₁/x_m; (5.18)

= 0,285/18,7 = 0,015.

6. Потери и КПД асинхронного двигателя

Потери мощности при преобразовании энергии в электрической машине, переходящие в тепло, подразделяются на основные и добавочные.

Основные потери это потери, связанные с основными электромагнитными и механическими процессами, происходящими в электрической машине. Основные потери разделяются на магнитные, электрические и механические.

Основные магнитные потери. Расчетные массы стали, кг,

спинки статора - G_с1 = 7,810⁶l_ik_c1h_c1(D_1н h_c1),

зубцового слоя - G_z1 = 7,810⁶l_ik_c1h_z1(D₁+ h_z1) S_п1Z₁,

G_с1 = 7,810^-6?105?0,97?50,64?3,14?(313 50,64) = 33,16,

G_z1 = 7,810^-6?105?0,97?20,36?3,14? (171 + 20,36) 180,93?36 = 4,55.

Основные магнитные потери в спинке статора при частоте переменного тока f₁ = 50 Гц, Вт,



P_м.с1 = k_м.тP_1,0/50B²_с1G_с1, (6.1)

где P_1,0/50=2,5 Вт/кг (для стали 2013) удельные магнитные потери,

k_м.т=1,7 технологический коэффициент, учитывающий увеличение магнитных потерь из-за наличия в сердечнике статора различных дефектов.

P_м.с1 = 1,7?2,5?1,27²?33,16 = 227,28.

Основные магнитные потери в зубцовом слое статора, Вт,

P_м.z1 = k_м.тP_1,0/50B²_z1G_z1, (6.2)

P_м.z1 = 1,7?2,5?1,97²?4,55 = 75,1.

Основные магнитные потери в асинхронном двигателе, Вт,

P_м = P_м.с1 + P_мz1, (6.3)

P_м = 227,28 + 75,1 = 302,38.

Основные электрические потери в обмотке статора, Вт,

P_э1 = m₁I²_1Нr₁, (6.4)

P_э1 = 3?40,48²?0,209 = 1,028?10³.

Основные электрические потери в обмотке ротора, Вт,

P_э2 = m₂I²_2Нr_{2 ,} (6.5)

P_э2 = 28?486,92²?8,35?10^-5 = 554,45.



Основные механические потери для АД со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141 без радиальных вентиляционных каналов с вентиляционными лопатками на короткозамыкающих кольцах, Вт,

Р_мех = k_т (n₁10³)²(D_1н 10²)⁴, (6.6)

где k_т=1,3(1 D_1н10³) при 2р=2

k_т=1,3(1 31310³) = 0,89,

Р_мех = 0,89?(300010³)²(31310²)⁴ = 771,47.

Мощность, подводимая к двигателю из сети, Вт,

P₁ = m₁I₁U_1нcos₁, (6.7)

P₁ = 3?40,48?220?0,905 = 24180.

Добавочные потериАД в соответствии с ГОСТ 11828-75 принимают равными 0,5% потребляемой двигателем мощности P₁ в номинальном режиме, Вт,

P_доб = 0,005P₁, (6.8)

P_доб = 0,005?24180 = 120,88.

Суммарные потери, Вт,

P = P_м +P_э1 + P_э2 + P_мех + P_доб, (6.9)

P = 302,38+ 1,028?10³+ 554,45+ 771,47+ 120,88 = 2777,2.

Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя



= 1 P/P₁, (6.10)

= 1 2777,2/24180 = 0,885.

Предварительное значение КПД ? сравним с уточненным

7. Аналитический расчёт рабочих характеристик

Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимости тока статора I₁, потребляемой мощности Р₁, скольжения s, час-тоты вращения n₂, КПД, коэффициента мощности cos₁ и электромагнитного момента М_эм от полезной мощности двигателя Р₂.

На рисунке 7.1 представлена Г-образная схема замещения одной фазы асинхронного двигателя.

Рисунок 7.1 - Г-образная схема замещения асинхронного двигателя



Для каждого значения коэффициента нагрузки рассчитаем требуемые параметры и занесём их в таблицу 7.1. Затем построим рабочие характеристики двигателя.

Расчетное сопротивление, Ом,

(7.1)

Полная механическая мощность, Вт,

P₂ = P₂ +P_мех + P_доб. (7.2)

Значения А и В рассчитываются по следующим выражениям

A = m₁U²_1н/(2P₂) - r₁, (7.3)

B = m₁U ²_1н/P₂ + R = 2A + R. (7.4)

Скольжение при различных нагрузках двигателя определяют по формуле

(7.5)

где с₁= 1+х₁/x_m= 1+0,285/18,7 = 1,015 - комплексный коэффициент.

Эквивалентные сопротивления рабочей цепи схемы замещения определяются выражениями, Ом,



r_экв = c₁r₁ + c²₁r₂/s, (7.6)

x_экв = c₁x₁ + c²₁x₂, (7.7)

(7.8)

Ток в рабочей цепи схемы замещения, А,

I₂ = U_1н/z_экв. (7.9)

Приведенное значение тока обмотки ротора, А,

I₂ =c₁I₂. (7.10)

Коэффициент мощности в рабочей цепи схемы замещения

cos₂ = r_экв/z_экв. (7.11)

Активная составляющая тока ротора, А,

I_2а = I₂cos₂. (7.12)

Реактивная составляющая тока ротора, А,

I_2р = I₂sin₂. (7.13)

Активная составляющие тока статора идеального холостого хода, А,

I_0a = (m₁I_µ²r₁ + P_м)/m₁U_1н . (7.14)



Реактивная составляющие тока идеального холостого хода, А,

I_0р "I . (7.15)

Активная составляющая тока статора, А,

I_1a=I_0a+ I_2а . (7.16)

Реактивная составляющая тока статора, А,

I_1р =I_0р + I_2р . (7.17)

Ток статора асинхронного двигателя, А,

I₁ = I²_1a + I²_1р . (7.18)

Коэффициент мощности асинхронного двигателя

cos₁ = I_1а/I₁. (7.19)

Потребляемая двигателем мощность, кВт,

P₁ =m₁U_1нI_1а10³. (7.20)

Частота вращения ротора, об/мин,

n₂ =n₁(1 s). (7.21)



Электромагнитный момент,Нм,

M _эм = 9,55P_эм10³/ n₂. (7.22)

Критическое скольжение

s_кр"c₁r₂/(x₁ + c₁x₂), (7.23)

s_кр" 1,015?0,114?/(0,285+ 1,015?0,33) = 0,187.

Сопротивление R_кр определяют по формуле, Ом,

R_кр = 2r₁s_кр/c₁r₂, (7.24)

R_кр = 2?0,21?0,187/1,015?0,114 =0,68.

Перегрузочная способность АД при постоянных параметрах схемы замещения рассчитывается по уравнению

(7.25)

Таблица 7.1 - Расчет рабочих характеристик двигателя

Расчетные значения	Значение коэффициента нагрузки
	0	0,25	0,5	0,75	1,0	1,25
P2, Вт	0	5,5·103	1,1·104	1,65·104	2,2·104	2,75·104
Pдоб, Вт	0	7,56	30,22	68	120,88	188,87
P2, Вт	771,47	6,28·103	1,18·104	1,73·104	2,29·104	2,85·104
A	93,9	11,35	5,94	3,98	2,96	2,34
B	191,54	26,45	15,63	11,7	9,67	8,43
s	6,25·10-4	5,2·10-3	0,01	0,015	0,02	0,026
rэкв, Ом	187,89	22,78	11,94	8	5,94	4,67
xэкв, Ом	0,63
zэкв,Ом	187,89	22,79	11,96	8,02	5,97	4,72
cos2	0,999994	0,999622	0,998625	0,996939	0,994477	0,99113
I2",А	1,17	9,65	18,4	27,45	36,84	46,65
I2а",А	1,171	9,65	18,37	27,36	36,64	46,24
I2р",А	3,91·10-3	0,265	0,96	2,15	3,87	6,2
I1a,А	1,755	10,23	18,96	27,95	37,22	46,82
I1р,А	11,54	11,8	12,5	13,68	15,4	17,73
I1,А	11,67	15,62	22,71	31,11	40,28	50,06
cos1	0,172	0,665	0,841	0,904	0,93	0,942
P1, Вт	1,16·103	6,76·103	1,25·104	1,84·104	2,46·104	3,09·104
з	0	0,814	0,88	0,895	0,896	0,89
Pэ1,Вт	85,41	153	323,37	607,16	1,02·103	1,57·103
Pэм, Вт	770,81	6,3·103	1,2·104	1,75·104	2,33·104	2,9·104
n2, об/мин	2,998·103	2,984·103	2,97·103	2,955·103	2,939·103	2,92·103
Mэм,Н?м	2,46	20,16	38,22	56,67	75,55	94,9

Рабочие характеристики построены на рисунках 7.2, 7.3, 7.4, 7.5, 7.6, 7.7, 7.8.

8. Поверочный тепловой расчет

Для обеспечения надежной работы электрической машины в течение установленного срока службы необходимо, чтобы температура отдельных частей машины (обмотки, магнитопровода и т. п.) не превышала допустимых значений, установленных стандартом. Задача теплового расчета состоит в определении превышения температуры отдельных частей машины. Результаты расчетов показывают правильность выбора электромагнитных нагрузок и подтверждают целесообразность применения в машине электроизоляционных материалов выбранного класса нагревостойкости.

При поверочном тепловом расчете использованы средние значения различных коэффициентов, характерные для АД. Определим коэффициент теплоотдачи с поверхности сердечника статора. При наружном диаметре статора D_1Н = 313 мм коэффициент теплоотдачи б₁ = 18,5·10^-5Вт/мм²?^оС. Определим коэффициент, учитывающий долю потерь в сердечнике статора, передаваемых воздуху внутри двигателя. Для двухполюсной машины коэффициент k = 0,22. Определим коэффициент, определяющий отношение значений удельной электрической проводимости меди при расчётной температуре и при максимально допустимой температуре в соответствии с классом нагревостойкости F k_И = 1,07. Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя

(8.1)

Периметр поперечного сечения условной поверхности обмотки статора для трапецеидального полузакрытого паза, мм,

П₁ = 2h_п1 + b_п1+ b_п1, (8.2)

П₁ = 2?17,65 + 7,83 + 11,03 = 54,16.

Среднее значение эквивалентного коэффициента теплопроводности изоляции обмотки в пазу _экв, учитывающего воздушные прослойки: для изоляции класса нагревостойкости F составляет 1610⁵ Вт/(ммС).

Определим эквивалентный коэффициент теплопроводности изоляции провода. При отношении d/d_из = 0,95 эквивалентный коэффициент теплопроводности изоляции провода л'_экв = 11,4·10^-4Вт/мм²?^оС.

Перепад температуры в изоляции части пазовой обмотки статора, С,



(8.3)

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя, °С,

(8.4)

Периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки обмотки статора для трапецеидального полузакрытого паза, мм,

П_л1 2h_п1 + b_п1+ b_п1, (8.5)

П_л1 2?17,65+7,83+11,03 = 54,16 мм.

Перепад температуры в изоляции лобовой части обмотки статора, °С,

(8.6)

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя, °С,



(8.7)

Электрические потери в лобовых частях обмотки статора, Вт,

(8.8)

Электрические потери в пазовых частях обмотки статора, Вт,

(8.9)

Суммарные потери (за исключением потерь в подшипниках), отводимые в воздух внутри двигателя для двигателей со степенью защиты IP44, Вт,

P_в = P (1 k)(P_эл.л1 + P_м) 0,9P_мех, (8.10)

Где P = P (k 1)(P_э1 + P_э2),

P = 2,77·10³ (1,07 1)?(1,028·10³+ 554,45) = 2,66·10³ Вт,

P_в = 2,66·10³ (1 0,22)?(321,74+ 302,38) 0,9·771,47 = 1,485·10³.

Условная поверхность охлаждения двигателя для двигателей со степенью защиты IP44, мм²,

S_дв= (рD_1Н + 8n_ph_p)(l₁ + 2l_в1), (8.11)

S_дв= (3,14?313 + 8?340)(105+2?59,6) = 8,3·10⁵,



где n_p и h_p - число охлаждающих ребер и их высота [1, с.58, рисунок 22].

Определим значение коэффициента подогрева воздуха, Вт/мм²?^оС [1, с.59, рисунок 24]. При наружном диаметре статора D_1Н = 313 мм коэффициент подогрева воздуха б₁ = 2,7·10^-5Вт/мм²?^оС.

Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой охлаждающей среды, °С,

_в = УР_в/S_двб_в, (8.12)

_в = 1,485·10³/8, 3·10⁵?2,7?10^-5 = 66,24.

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой охлаждающей среды, °С,

₁ = ₁ +_в, (8.13)

₁ =15,23 + 66,24 = 81,47^оС 95 ^оС.

Это значение не должно превышать допустимой величины, ограни-ченной классом нагревостойкости изоляции (рабочая температура для класса изоляции F - 115 ^oC), следовательно, с учетом температуры окружающей среды (t_окр.= 20°С)₁ ? 95 ^oC, что выполняется по расчетам (₁ =81,47^°С).

Из расчётов видно, что вся тепловая энергия, выделяемая двигателем из-за наличия электромагнитных потерь, будет поглощена воздухом, который нагреется до температуры, при которой ещё не происходит изменения в размерах ротора и статора, не будет разрушена изоляция обмотки, значит, двигатель будет работать долгое время без поломок.



9. Выбор подшипников

Для обеспечения нормальной работы электродвигателя при вращении его вала необходимо правильно подобрать подшипники. Определим размеры выступающего конца вала электродвигателя, для чего определим наибольший вращающий момент, Н·м, определяемым следующим образом

(9.1)

Где М_н - вращающий момент при коэффициенте нагрузки k_н = 1,

k_м=3,71 - перегрузочный коэффициент, определенный в формуле (7.25),

По таблице П.4.1 принимаем наибольший допустимый момент вращения 355 Н•м, следовательно, диаметр и длина выступающего конца вала: d₁ = 55 мм, l₁ = 110 мм. Диаметр вала под подшипник определяется как диаметр d₁+ 5 = 60 мм. В зависимости от этого диаметра выбираем роликовый подшипник с короткими цилиндрическими роликами из средней широкой серии для установки со стороны выступающего конца вала и радиальный однорядный шарикоподшипник из средней серии для установки с противоположной стороны. Выбранные подшипники имеют маркировку 2612 и 312 соответственно, диаметр внутреннего кольца равен 60 мм, наружного - 130 мм.



Заключение

В данной курсовой работе рассчитаны параметры и спроектирован трехфазный асинхронный двигатель формы исполнения IM1081 со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141 (наружная вентиляция), работающий при частоте питающей сети 50 Гц и напряжением при соединении Д 220 В, при соединении Y 380 В. Имеющий номинальную мощность 22 кВт. Двигатель имеет нагрев при номинальном режиме работы 81,47^°С, КПД в номинальном режиме равен 0,896 и коэффициентом мощности равным 0,93.

Таблица 1 - Основные технические характеристики асинхронного двигателя 4A180S

Показатели	, кВт	, %	, %
асинхронный двигатель 4A180S	22	2,5	88,5	0,91	2,7	1,4	7,5



Библиографический список

1 Расчёт асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: Учебное пособие / В.Д. Авилов, Л.Е. Серкова. 2-е изд., перераб.; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006, 94с.

2 СТП ОмГУПС-1.2-2005. Работы студенческие учебные и выпускные квалификационные: общие требования и правила оформления текстовых документов.

3 Конструкция асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине "Электрические машины и электропривод" / В.Д. Авилов, Л.Е. Серкова, Е.А. Третьяков; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2009. 29 с.



Приложение

Размещено на Allbest.ru