Проектирование трёхфазного асинхронного двигателя общепромышленного применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Задание

2. Выбор главных размеров

3. Определение Z1, w1 и площади поперечного сечения провода обмотки статора

4. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

5. Расчёт ротора

6. Расчёт магнитной цепи

7. Параметры рабочего режима

8. Расчёт потерь

9. Расчёт рабочих характеристик

10. Расчёт пусковых характеристик

11. Тепловой расчёт

Список используемой литературы

1. Задание

Спроектировать трёхфазный асинхронный двигатель общепромышленного применения с короткозамкнутым ротором серии 4А имеющим конструктивное исполнение IM 1001, климатическое исполнение У3, тип защиты IP 44, Р₂ = 31,5 кВт, n = 1000 об/мин, U = 220/380 В.

2.Выбор главных размеров

1. Высота оси вращения (предварительно) по рис. 9.18 Л1, а h = 0,2м

Принимаем ближайшее стандартное значение h = 200мм, D_а = 0,359м (табл.9.8 Л1)

2. Внутренний диаметр статора D = k_D ·D_a = 0,72·0,359 = 0,257мм (k_D по табл.9.9 Л1)

3. Полюсное деление

4. Расчётная мощность по (9.4)

(k_E - по рис. 9.20 Л1; з и cosц - по рис. 9.21, а Л1)

5. Электромагнитные нагрузки (предварительно по рис. 9.22, б Л1)

А= 35000 А/м, В_д=0,83 Тл

6. Обмоточный коэффициент (предварительно для двухслойной обмотки)

k_об1=0,96

7. Расчётная длина магнитопровода по формуле 9.6 Л1

(по 9.5) Щ=2рf/p=2р·50/3=104.72 рад/с)

8. Отношение л=l_д/ф=0.181/0.135=1.34 - находится в допустимых пределах (рис. 9.25 Л1)

3. Определение Z₁, w₁ и площади поперечного сечения провода обмотки статора

9. Предельные значения t_Z1 (по рис. 9.26 Л1): t_z1max=0.0143м; t_z1min=0.0111м.

10. Число пазов статора по формуле 9.6 Л1

Принимаем Z₁=72, тогда q₁=Z₁/(2pm)=72/(6·3)=4

Обмотка однослойная.

11. Зубцовое деление статора (окончательно)

12. Число эффективных проводников в пазу [предварительно, при условии а=1 по формуле 9.17 Л1]

(по формуле 9.18 Л1)

13. Принимаем а=2, тогда по формуле 9.19Л1 u_п=а·u_n=2·6.5=13 проводников.

14. Окончательные значения:

число витков в фазе по формуле 9.20 Л1

линейная нагрузка по формуле 9.20 Л1

магнитный поток по формуле 9.22Л1

укорочение шага в=1

коэффициент укорочения

коэффициент распределения



обмоточный коэффициент k_об1=k_у1·k_р1=1·0.96=0.96

индукция в воздушном зазоре

Значения А и В_д находятся в допустимых пределах (рис. 9.22, б Л1)

15. Плотность тока в обмотке статора (предварительно) по формуле 9.25 Л1

(AJ₁=203·10⁹ по рис. 9.27, б Л1)

16. Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно) по формуле 9.24 Л1, а=2

17. Сечение эффективного проводника (окончательно):

Принимаем n_эл=3, тогда q_эл=q_эф/n_эл=5.28/3=1,76 мм²

Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ (приложение 3), d_эл=1.5мм,

d_из=1.585мм, q_эл=1.767мм², q_э.ср=q_эл·n_эл=1.767·3=5.301мм²

18. Плотность тока в обмотке статора (окончательно) по формуле 9.27 Л1

4. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Выбираем трапециидальный полузакрытый паз по рис. 9.29 Л1, а с соотношением размеров, обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов.

19. Принимаем предварительно по табл. 9.12 Л1 В_Z1=1.9 Тл; В_а=1.6 Тл, тогда по формуле 9.37Л1

(по табл. 9.13 Л1 для оксидированной стали марки 2013 k_c=0.97); по формуле 9.28Л1

20. Размеры паза в штампе: b_ш=3.5мм; h_ш=1мм; в=45^є (рис. 9.29, а Л1);

по формуле 9.38 Л1

по формуле 9.40 Л1

по формуле 9.39Л1

по формулам 9.42 Л1 - 9.45 Л1

Эскиз паза статора показан на рис. 1, а Л1

21. Размеры паза в свету с учётом припуска на сборку:

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки по формуле 9.48 Л1

Где:

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу

где односторонняя толщина изоляции в пазу b_из=0.4мм (по табл. 3.1 Л1)

22. Коэффициент заполнения паза

Полученное значение k_з допустимо для механизированной укладки обмотки.

5. Расчёт ротора

23. Воздушный зазор (по рис. 9.31 Л1) д=0.45мм

24. Число пазов ротора (по табл. 9.18 Л1) Z₂=62

25. Внешний диаметр ротора

26. Длина магнитопровода ротора

27. Зубцовое деление ротора

28. Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал; по формуле 9.102 Л1

(k_в по табл. 9.19 Л1)

29. Ток в обмотке ротора по формуле 9.57 Л1

где по формуле 9.58 Л1

по формуле 9.66Л1

(пазы ротора выполняем без скоса k_ск=1)

30. Площадь поперечного сечения стержня (предварительно) по формуле 9.68 Л1

(плотность тока в стержне литой клетки принимаем А/м²

31. Паз ротора определяем по рис. 9.40, б Л1.

Принимаем b_ш=1.5мм; h_ш=0.7мм;

Допустимая ширина зубца по формуле 9.75Л1

(принимаем по табл. 9.12 Л1).

Размеры паза (см. рис. 9.40 Л1) по формуле 9.76 Л1

по формуле 9.77 Л1

по формуле 9.78 Л1

32. Уточняем ширину зубцов ротора по формулам табл. 9.20 Л1:

Принимаем (см. рис. 1, б Л1)

Полная высота паза

33. Площадь поперечного сечения стержня по формуле 9.79 Л1

Плотность тока в стержне

А/м²

34. Короткозамыкающие кольца. Площадь поперечного сечения кольца по формуле 9.72 Л1

По формулам 9.70 Л1 и 9.71 Л1

, где

А/мм²

Размеры короткозамыкающих колец:

6. Расчёт магнитной цепи

Магнитопровод из стали 2013; толщина листов 0,5 мм.

35. Магнитное напряжение воздушного зазора по формуле 9.103 Л1

по формуле 4.15Л1

, где

36. Магнитное напряжение зубцовой зоны статора по формуле 9.104 Л1

где

(см. п.20 расчёта стр. 5);

расчётная индукция в зубцах по формуле 9.105 Л1

( по п. 19 расчёта стр.5; по табл. 9.13 Л1)

При . по табл. П1.7 Л1А/м.

37. Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора по формуле 9.108 Л1

при зубцах по рис. 9.40, б из табл. 9.20 Л1

индукция в зубце по формуле 9.109 Л1



по п. 32 расчета стр.7)

по табл. П1.7 Л1 для находим А/м

38. Коэффициент насыщения зубцовой зоны по формуле 9.115 Л1

39. Магнитное напряжение ярма статора по формуле 9.116 Л1

по формуле 9.119Л1

, где

по формуле 9.117 Л1

(при отсутствии радиальных вентиляционных каналов в статоре ) для по табл. П1.6 Л1 находим А/м.

40. Магнитное напряжение ярма ротора по формуле 9.121 Л1



по формуле 9.127 Л1

,где

по формуле 9.122 Л1

Расчётная высота ярма ротора по формуле 9.124 Л1

Для по табл. П1.6 Л1 находим А/м

41. Магнитное напряжение на пару полюсов по формуле 9.128 Л1

42. Коэффициент насыщения магнитной цепи по формуле 9.129 Л1

43. Намагничивающий ток по формуле 9.30 Л1



Относительное значение по формуле 9.131 Л1

0.2‹‹ 0.3

7. Параметры рабочего режима

44. Активное сопротивление обмотки статора по формуле 9.132 Л1

(для класса нагревостойкости изоляции F расчётная температура ;

для медных проводников с₁₁₅=10^-6/41 Ом·м)

Длина проводников фазы обмотки по формуле 9.134 Л1

=

по формуле 9.135Л1

где В=0.01м; по табл. 9.23 Л1 К_л=1.4;

по формуле 9.138 Л1

Длина вылета лобовой части катушки по формуле 9.140 Л1

, где по табл. 9.23 Л1 К_выл =0.5

Относительное значение r₁

45. Активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора по формуле 9.168 Л1

Здесь k_г =1; l_r=l₂=0.213

по формуле 9.170Л1

,

где для литой алюминиевой обмотки ротора

Приводим r₂ к числу витков обмотки статора по формулам 9.172 Л1, 9.173Л1:

здесь k_ск=1. Относительное значение

46. Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора

где по табл. 9.26 Л1 (см. рис. 9.50, е Л1) и по рис. 9.73 Л1

где (см. рис. 9.50, е Л1 и 9.73 Л1)

 (проводники закреплены пазовой крышкой)

по формуле 9.154 Л1

по формуле 9.159 Л1

по формуле 9.174,а Л1

по формуле 9.176 Л1

для и по рис. 9.51 Л1, д

Относительное значение

47. Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора по формуле 9.177 Л1



где по табл. 9.27 Л1 (см. рис. 9.52, а, ж Л1)

где (см. рис. 9.52, а, ж Л1 и рис. 9.73 Л1)

; ; ;

;

по формуле 9.178 Л1

по формуле 9.180 Л1

по формуле 9.181 Л1

так как при закрытых пазах

Приводим x₂ к числу витков статора по формулам 9.172 Л1 и 9.183 Л1:

8. Расчёт потерь

48. Потери в стали основные по формуле 9.187 Л1

=410.9 Вт

(p_1.0/50=2.5 Вт/кг для стали 2013 табл. 9.28 Л1);

по формуле 9.188 Л1

по формуле 9.189 Л1

(cм. § 9.11 Л1)

49. Поверхностные потери в роторе по формуле 9.194 Л1

по формуле 9.192 Л1

где k₀₂=1.5

по формуле 9.190 Л1

для по рис. 9.53

50. Пульсационные потери в зубцах ротора по формуле 9.200 Л1

по формуле 9.196 Л1

из п. 37 расчёта, из п. 35 расчёта

по формуле 9.201Л1

из пункта 37 расчёта стр.8 , из пункта 32 расчёта стр.6.

51. Сумма добавочных потерь в стали по формуле 9.202 Л1

(P_пов1 и P_пул1?0, см. § 9.11 Л1).

52. Полные потери в стали по формуле 9.203 Л1

53. Механические потери по формуле 9.210 Л1

[для двигателей с 2p=4 коэффициент ]

54. Холостой ход двигателя по формуле 9.217 Л1

по формуле 9.218 Л1

,

где по формуле 9.219 Л1

по формуле 9.221 Л1

9. Расчёт рабочих характеристик

55. Параметры:

по формуле 9.184 Л1

по формуле 9.185 Л1

по формуле 9.223 Л1

используем приближённую формулу, так как <1?:

Активная составляющая тока синхронного холостого хода: по формуле 9.226 Л1

по формуле 9.227 Л1

Потери не изменяющиеся при изменении скольжения,

56. Рассчитываем рабочие характеристики для скольжений S=0.005

принимая предварительно

Результаты расчёта сведены в табл. 1. стр.13

Номинальные данные спроектированного двигателя

P_2ном=24 кВт, U_1ном=220/380 В, I_1ном=43,95 А, cosц_ном=0,91, .

P_2ном = 24 кВт, U₁ = 220/380 В, 2p = 4, I_0а = 0,7 А, I_0р = I_м = 10.4 А

P_ст + P_мех = 0,67 кВт, r₁ = 0,156 Ом, r₂ = 0.128 Ом, с₁ = 1,03,

, Ом, , Ом.

Таблица 1. Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

№	Расчётные формулы	Размерность	Скольжение s
			0.005	0.01	0.015	0.02	0.03	Sном= 0.026
1	/	Ом	27.2	13.6	9.1	6.8	4.5	5.22
2	/ S	Ом	27.3	13.7	9.2	6.9	4.7	5.39
3	/ S	Ом	1.06	1.06	1.06	1.06	1.06	1.06
4		Ом	27.4	13.8	9.3	7.04	4.8	5.49
5	/ Z	А	8.04	15.9	23.7	31.3	45.7	40.06
6	/ Z	-	0.63	0.818	0.88	0.902	0.911	0.98
7	/ Z	-	0.039	0.077	0.114	0.15	0.22	0.19
8		А	8.7	16.6	24.2	31.6	45.3	40
9		А	10.7	11.7	13.2	15.2	20.5	18.2
10		А	13.9	20.3	27.6	35.1	49.7	43.95
11		А	8.3	16.4	24.4	32.2	47.1	41.2
12		кВт	5.7	10.9	16	20.9	29.9	26.4
13		кВт	0.09	0.193	0.356	0.574	1.157	0.903
14		кВт	0.026	0.104	0.229	0.398	0.853	0.654
15		кВт	0.029	0.055	0.08	0.104	0.15	0.132
16		кВт	0.812	1.018	1.331	1.744	2.826	2.35
17		кВт	4.9	9.9	14.7	19.1	27.1	24
18	/ P1	-	0.86	0.907	0.917	0.916	0.906	0.91
19	/ I1	-	0.63	0.82	0.88	0.9	0.91	0.91

10. Расчёт пусковых характеристик

а) Расчёт токов с учётом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учёта влияния насыщения от полей рассеяния)

Расчёт проводится по формулам табл. 9.32 Л1. Подробный расчёт выполнен для S=1. двигатель привод статор ротор

Данные остальных точек сведены в табл. 2 стр.14

220/380В,

Таблица 2. Расчёт токов в пусковом режиме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учётом влияния эффекта вытеснения тока.

№	Расчётные формулы	Размер ность	Скольжение s
			1	0.8	0.5	0.2	0.1	Sкр= 0.16
1		-	1.86	1.66	1.32	0.83	0.59	0.65
2		-	0.7	0.48	0.21	0.06	0.01	0.03
3		мм	17.2	19.7	23.1	28	28	28
4	kr = qc /qr	-	1.44	1.29	1.15	1	1	1
5		-	8.04	15.9	23.7	31.3	45.7	40.06
6		Ом	0.172	0.157	0.144	0.128	0.128	0.128
7		-	0.79	0.89	0.93	0.97	0.99	0.98
8		-	1.774	1.93	2	2.07	2.1	2
9		-	0.92	0.958	0.973	0.989	0.996	0.991
10		Ом	0.402	0.419	0.425	0.432	0.435	0.433
11		Ом	0.33	0.36	0.45	0.81	1.47	1.22
12		Ом	0.99	1.01	1.015	1.022	1.025	1.023
13		А	210.4	205.7	198.2	168.6	122.9	142.4
14		А	213.6	208.9	201.4	171.4	125.1	145.8

57. Активное сопротивление обмотки ротора с учётом влияния вытеснения тока

[ ];

по рис. 9.73 Л1

по рис. 9.57 Л1 для находим

по формуле 9.246 Л1

по формуле 9.253 Л1, так как (0,5•6.1) < 17.2 < (25+0.5·6.1) (см. рис. 9.73 Л1)

, где

по формуле 9.247 Л1

(q_c по пункту 33 расчёта стр. 7)

по формуле 9.257 Л1

(по пункту 45 расчёта стр. 10 )

Приведённое сопротивление ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока

58. Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока по рис. 9.58 Л1для (см. пункт 57 расчёта стр. ) ; по табл. 9.27 Л1, рис. 9.52, а, ж Л1(см. также п. 47 расчёта стр.11 ) и по формуле 9.262 Л1



где по пункту 47 расчёта стр.

по формуле 9.261 Л1 - см. также п. 47 расчёта стр.11

59. Пусковые параметры по формулам 9.277 Л1 и 9.278 Л1

60. Расчёт токов с учётом влияния эффекта вытеснения тока: по формуле 9.280 Л1 для S=1

по формуле 9.281 Л1

по формуле 9.283 Л1

Расчёт пусковых характеристик с учётом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния.

Расчёт проводим для точек характеристик, соответствующих s = 1; 0.8; 0.5; 0.2; 0.1, при этом используем значения токов и сопротивлений для тех же скольжений с учётом влияния вытеснения тока (см. табл. 9.37 Л1).

Таблица. 3. Подробный расчёт приведён для s =1.

№	Расчётные формулы	Размерность	Скольжение s
			1	0.8	0.5	0.2	0.1	Sкр= 0.16
1		-	1.3	1.26	1.18	1.12	1.1	1.1
2		А	3731	3537	3192	2579	1848	2195
3		Тл	4.8	4.5	4.1	3.3	2.4	2.8
4		-	0.5	0.53	0.58	0.67	0.81	0.75
5		мм	5.9	5.5	4.9	3.8	2.2	2.9
6		-	1.212	1.223	1.241	1.279	1.359	1.31
7		-	0.933	0.989	1.08	1.25	1.512	1.38
8		Ом	0.397	0.404	0.423	0.453	0.502	0.48
9		-	1.015	1.015	1.016	1.017	1.019	1.018
10		мм	5.5	5.2	4.6	3.6	2.1	2.8
11		-	1.4	1.57	1.65	1.74	1.83	1.79
12		-	0.89	0.953	1.043	1.205	1.457	1.36
13		Ом	0.274	0.297	0.314	0.339	0.373	0.3
14		Ом	0.331	0.356	0.448	0.809	1.464	1.254
15		Ом	0.676	0.708	0.741	0.797	0.883	0.821
16		А	292.5	277.6	254	193.7	128.7	154.2
17		А	295.6	280.8	257.1	196.3	130.7	156.8
18		-	1.38	1.34	1.28	1.145	1.04	1.08
19		-	6.7	6.39	5.85	4.47	2.97	4
20		-	1.76	1.81	2.21	2.87	2.54	2.55

61. Индуктивные сопротивления обмоток. Принимаем k_нас = 1.3:

по формуле 9.263 Л1

по формуле 9.265 Л1

по формуле 9.264 Л1

по рис. 9.61 Л1 для находим .

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора с учётом влияния насыщения: по формуле 9.266 Л1

по формуле 9.269 Л1

по формуле 9.272 Л1

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учётом влияния насыщения по формуле 9.274 Л1

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учётом влияния насыщения по формуле 9.275 Л1

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора с учётом влияния насыщения и вытеснения тока:

по формуле 9.271 Л1 (см. п. 47 и 58 расчёта стр. 11 и 16 соответственно)

где по формуле 9.270 Л1

(для закрытых пазов ротора

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учётом влияния насыщения по формуле 9.274 Л1

Приведённое индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения по формуле 9.276 Л1

по формуле 9.278 Л1

62. Расчёт токов и моментов:

по формуле 9.280 Л1

по формуле 9.281 Л1

по формуле 9.283 Л1

Кратность пускового тока с учётом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения

Кратность пускового момента с учётом влияния вытеснения тока и насыщения по формуле 9.284 Л1

Полученный в расчёте коэффициент насыщения

Отличается от принятого на 6.4%

Пусковые характеристики представлены на рис.3 Л1.

63. Критическое скольжение определяем после расчёта всех точек пусковых характеристик (табл.3 стр.17 ) по средним значениям сопротивлений и , соответствующим скольжениям s = 0.2…0.1:

по формуле 9.286 Л1

после чего рассчитываем кратность максимального момента

Спроектированный асинхронный двигатель удовлетворяет требованиям ГОСТ как по энергетическим показателям (КПД, cosц), так и по пусковым характеристикам.

11. Тепловой расчёт

64. Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя по формуле 9.315 Л1

[по табл. 9.35 Л1 К =0.18]

по формуле 9.313 Л1

где из табл. 1 стр. 13 для s = s_ном находим P_э1 = 0.903 кВт по рис.9.67, б Л1

(стр. 449 Л1)

65. Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора по формуле 9.316 Л1

[по формуле 9.317 Л1 для изоляции класса нагревостойкости по рис. 9.69 Л1 для

находим

66. Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей по формуле 9.319 Л1

по формуле 9.314 Л1

67. Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри двигателя по формуле 9.320 Л1



68. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя по формуле 9.321 Л1

69. Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды по формуле 9.322 Л1

по формуле 9.326 Л1

по формуле 9.324 Л1

по табл. 1 стр.13 для

по формуле 9.327 Л1



где по рис. 9.70 Л1 для h = 160мм;

по рис. 9.67, б Л1 для

70. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды по формуле 9.328 Л1

71. Проверка условий охлаждения двигателя.

Требуемый для охлаждения расход воздуха по формуле 9.340 Л1

по формуле 9.341 Л1

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором, по формуле 9.342 Л1

Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах.

Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.

Вывод: спроектированный двигатель отвечает поставленным в техническом задании требованиям.

Список используемой литературы

1. Проектирование электрических машин. Под редакцией профессора И.П. Копылова.

Размещено на Allbest.ru