Расчет и конструирование электрических машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Основные понятия: асинхронный двигатель, статор, ротор, электромагнитные нагрузки, магнитная цепь, параметры, потери мощности, рабочие характеристики, пусковые характеристики.

Объектом проектирования является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Цель проектирования - получить необходимые навыки по расчету и конструированию электрических машин.

В процессе проектирования проводились электромагнитные и тепловые расчеты двигателя, уточнялись ранее выбранные размеры деталей и узлов двигателя.

Основные конструктивные и технико-экспериментальные характеристики:

Конструктивное исполнение - единая серия 4А; исполнение по способу защиты IP44; исполнение и категория размещения - УЗ; класс нагревостойкости изоляции - F; номинальная мощность Рном = 23 кВт; номинальное напряжение Uном = 220/380 В; номинальная частота вращения n = 1500 об/мин; номинальный ток Iном = 21.25 ; 18 А



Содержание

1. Выбор главных размеров

2. Определение Z1, W1 и площади поперечного сечения провода обмотки статора

3. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

4. Расчет ротора

5. Расчет магнитной цепи

6. Параметры рабочего режима

7. Расчет потерь

8. Расчет рабочих характеристик

9. Расчет пусковых характеристик

10. Тепловой расчет

Литература



1. Выбор главных размеров

1. Высота оси вращения (предварительно) по [1; с. 274, рис. 8.17а]

h= 160 мм. Тогда внешний диаметр статора равен Da = 0.28 м.

2. Внутренний диаметр статора

3. Полюсное деление

4. Расчетная мощность по [1; с. 277, рисунку 8.21] находим: , , .

5. Электромагнитные нагрузки

;

6. Обмоточный коэффициент (предварительно для однослойной обмотки)

7. Расчетная длина магнитопровода

8.



8. Отношение

Значение находится в допустимых пределах.

2. Определение Z1 и W1 и площади поперечного сечения провода обмотки статора.

9. Предельное значение tz1

10. Тогда

,

Принимаем Z1 = 54, тогда

- число пазов на полюс и фазу.

11. Зубцовое деление статора

12. Число эффективных проводников в пазу (при условии а=1)



где

13. Принимаем а =1, тогда т.к. однослойная обмотка округляем до целого четного числа

14. Окончательные значения:

- число витков в фазе

- линейная нагрузка

- Магнитный поток

(для однослойной обмотки с q=3 по )

- Индукция в воздушном зазоре



Отклонение (допустимо )

Значения А и находятся в допустимых пределах.

15. Плотность тока в обмотке статора (предварительно)

где

16. Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно). Принимаем

17. Сечение эффективного проводника (окончательно). Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ [2; с. 343, приложение 3]

18. Плотность тока в обмотке статора (окончательно)



3. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Паз статора определяем по[1; с. 294, рисунок 8.29 а] с соотношением размеров, обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов.

19. Принимаем предварительно по[1; с. 289, таблица 8.10]:

Тогда ширина зубца статора

Для оксидированной стали марки 2013 Кс=0,97

Высота ярма статора

20. Размеры паза в штампе:

Размеры шлица:



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

где по[1; с. 292, таблица 8.12]

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки

где площадь поперечного сечения прокладок

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции

Где односторонняя толщина изоляции в пазу - по [1; с.74, таблице 3.1]

22. Коэффициент заполнения паза



Полученное значение коэффициента допустимо для механизированной укладки обмотки ()

4. Расчет ротора

23. Воздушный зазор по [1; с. 300, рисунок 8.31] равен

24. Число пазов ротора [1; с. 306, таблице 8.16]

25. Внешний диаметр ротора

26. Длина магнитопровода

27. Зубцовое деление ротора

28. Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, т.к. сердечник ротора непосредственно насаживается на вал.

где Кв=0,23 по [1; с. 319, таблице 8.17]

29. Ток в обмотке ротора

где - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания на отношение .



Коэффициент приведения токов

(пазы ротор выполняем без скоса )

30. Площадь поперечного сечения стержня (предварительно)

Плотность тока в стержне литой клетки принимаем

31. Паз ротора определяем по[1; с. 313, рисунок 8.40] . Принимаем

Допустимая ширина зуба

где по [1; с. 289, таблица 8.10]

Размеры паза:



32. Уточняем ширину зубцов ротора

Полная высота паза

33. Площадь поперечного сечения стержня

Плотность тока в стержне

34. Расчет короткозамыкающих колец:

- Площадь поперечного сечения



где- ток в кольце

Плотность тока в кольце

Размеры размыкающих колец:

- высота колца

- ширина кольца

- площадь кольца

- диаметр кольца средний



5. Расчет магнитной цепи

Выбираем магнитопровод из стали марки 2013 с толщиной листов 0,5 мм

35. Магнитное напряжение воздушного зазора:

где

36. Магнитное напряжение зубцовой зоны статора

где

для

Расчетная индукция в зубцах

37. Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора



Индукция в зубце ротора

По [2; с. 328, таблица П 1.7] для

38. Коэффициент насыщения зубцовой зоны

39. Магнитное напряжения ярма статора

Длина средней магнитной силовой линии в ярме статора

Высота ярма статора



При отсутствии радиальных вентиляционных каналов в статоре

Индукция в ярме статора

Для по [2; с. 327, таблице П 1.6]

40. Магнитное напряжение ярма ротора

где

Где для четырёхполюсной машины и для

- при отсутствии вентиляционных каналов

Для по[2; с. 327, таблица П 1.6] находим



41. Магнитное напряжение на пару полюсов

42. Коэффициент насыщения магнитной цепи

43. Намагничивающий ток

Относительное значение

6. Параметры рабочего режима

44. Активное сопротивление обмотки статора

Для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура для медных проводников



Длина проводников фазы обмотки

Средняя длина витка

Длина лобовой части

Где В=0,01 - длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части Кл=1.4 - по [1; с. 334, таблице 8.21].

Средняя ширина катушки ( в принимаем равной 1)

Длина вылета лобовой части катушки

- по[1; с. 334, таблица 8.21]



Относительное значение

45. Активное сопротивление фазы обмотки ротора

Сопротивление участка замыкающего кольца, заключенного между двумя соседними стержнями

Где для литой алюминиевой обмотки ротора

Приводим к числу витков статора

Относительное значение



46. Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

где по [1; с. 384, таблице 8.24, рисунок 8.50 е]

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния:

где

- проводники закреплены крышкой

Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния



Где , а по[1; с. 340, рисунок 8.51 д] .

Относительное значение

47. Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора

где по [1; с. 344, таблице 8.25, рисунок 8.52 е]

Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния



Приводим Х2 к числу витков статора

Относительное значение

7. Расчет потерь

48. Потери в стали основные (магнитные потери)

где по[1; с. 348, таблица 8.26] для стали 2013

Масса стали ярма статора



удельная масса стали. Принимаем

Масса стали зубцов статора

где и

49. Поверхностные потери ротора:

где

Где b_ш/д = 1.5/0.5 = 8.605 по [1; с. 349,рисунок 8.53б] в₀₂ = 0.363

50. Пульсационные потери в зубцах ротора



Масса стали зубцов ротора

51. Сумма добавочных потерь в стали:

52. Полные потери в стали

53. Механические потери

Где коэффициент

54. Холостой ход двигателя:

- Ток холостого хода



- Мощность электрическая при холостом ходу двигателя

- Косинус угла при холостом ходу

8. Расчет рабочих характеристик

55. Параметры

Используя упрощенную формулу, т.к. получаем



Активная составляющая тока синхронного холостого хода равна:

;

Потери не изменяются при изменении скольжения

56. Рассчитываем рабочие характеристики для скольжения

S = 0,005; 0,01; 0,015; 0,02; 0,025; 0,03. Номинальное скольжение

. Результаты расчета сведены в таблицу 1.

Таблица 1- Рабочие характеристики АД. ;; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;

	Расчетная формула	Размерность	cкольжениеS
			0.005	0.01	0.015	0.02	0.025	0.03	0.017
1		Ом	37.041	18.52	12.347	9.26	7.408	6.173	5.224
2		Ом	37.256	18.73	12.572	9.475	7.513	6.388	5.439
3		Ом	2.18	2.18	2.18	2.18	2.18	2.18	2.18
4		Ом	37.27	18.764	12.605	9.53	7.69	6.472	5.538
5		А	5.903	11.725	17.545	23.081	33.991	39.727	39.941
6		-	1	0.998	0.997	0.994	0.991	0.987	0.982
7		-	0.028	0.055	0.083	0.109	0.135	0.161	0.188
8		А	6.57	12.565	18.525	23.801	29.191	34.407	39.878
9		А	15.237	15.723	16.513	17.592	18.94	20.537	22.536
10		А	16.699	20.126	24.614	29.596	34.797	40.06	45.805
11		А	5.903	11.725	17.454	23.801	28.595	33.991	39.727
12		кВт	4.461	8.23	12.047	15.708	19.266	22.709	26.319
13		кВт	0.13	0.2	0.33	0.48	0.896	1.267	0.45
14		кВт	0.019	0.076	0.169	0.269	0.454	0.642	0.877
15		кВт	0.014	0.025	0.037	0.047	0.068	0.08	0.046
16		кВт	0.793	0.949	1.184	1.5	1.886	2.338	2.9
17		кВт	2.364	4.47	6.56	8.45	11.9	14.1	8.17
18		-	0.83	0.883	0.893	0.892	0.878	0.864	0.893
19		-	0.45	0.67	0.77	0.82	0.858	0.866	0816

9. Расчет пусковых характеристик

а). Расчет токов с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учета влияния насыщения от полей рассеяния).

Расчет проводим по формулам [1; с. 377 таблицы 8.30]. В целях определения токов в пусковых режимах для дальнейшего учета влияния насыщения на пусковые характеристики двигателя подробный расчет приведен для S = 1. Данные остальных точек сведены в таблицу 2.

57. Активное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока (; ;; ).



Высота стержня в пазу:

Приведенная высота стержня

По[1; с. 366, рисунок 8.57] для

Глубина проникновения тока:

Площадь сечения при

где

Коэффициент общего увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием эффекта вытеснения тока



где ;

Приведенное сопротивление ротора с учетом влияния вытеснения тока

58. Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока [1; с. 366, рисунок 8.58] для .

где

Обозначив коэффициентом К_х изменения индуктивно сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока, получим



59. Пусковые параметры

60. Расчет токов с учетом влияния эффекта вытеснения тока для S = 1.

Критическое значение скольжения

Таблица 2- Расчет пусковых токов в пусковом режиме с учетом влияния эффекта вытеснения тока. ;; ; ; ; ; ; ; ;; ;

	Расчетная формула	Размерность	cкольжениеS
			1	0.8	0.5	0.2	0.1	0.14
1		-	1.82	1.63	1.29	0.82	0.58	0.68
2		-	0.7	0.5	0.19	0.04	0.01	0.01
3		мм	16.9	19.1	24.1	27.55	28.4	28.4
4		-	1.38	1.26	1.08	1	1	1
5		-	1.29	1.2	1.06	1	1	1
6		Ом	0.393	0.359	0.308	0.285	0.285	0.285
7		-	0.8	0.85	0.925	0.971	0.99	0.98
8		-	2.26	2.32	2.42	2.47	2.5	2.48
9		-	0.95	0.96	0.98	0.99	1	1
10		Ом	1.38	1.4	1.42	1.44	1.454	1.45
11		Ом	0.527	0.97	1.14	1.97	3.42	2.49
12		Ом	2.05	2.07	2.09	2.11	2.13	2.12
13		А	103.9	96.2	92.4	76.2	54.6	65.7
14		А	107.9	100	96.1	79.4	57	68.5

б). Расчет пусковых характеристик с учетом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеивания

Расчет проводим для точек характеристик, соответствующих S = 1; 0.8; 0.5; 0.1. При этом используем значения токов и сопротивлений для тех же скольжений с учетом влияния вытеснения тока (таблица 2).

Данные расчета сведены в таблицу 3. Подробный расчет приведен для S =1.



61. Индуктивное сопротивление обмоток. Принимаем

Фиктивная индукция потока рассеяния в воздушном зазоре:

для

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения

где



Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения.

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учетом влияния насыщения асинхронный двигатель статор ротор

Приведенное индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения:

62. Расчет токов и моментов



Кратность пускового тока с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения

Кратность пускового момента с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения

Полученный в расчете коэффициент насыщения

Расхождение , что допустимо (допускается расхождение с первоначально выбранным значением до 15 %).



Таблица 3 - Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния.;; ; ; ; ; ; ; ; ; ;

	Расчетная формула	Размерность	Скольжение S
			1	0.8	0.5	0.2	0.1	0.14
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1		-	1.35	1.3	1.2	1.1	1.05	1.08
2		А	4033	3599	3193	2418	1657	2048
3		Тл	5.29	4.72	4.19	3.17	2.17	2.69
4		-	0.46	0.5	0.55	0.7	0.83	0.75
5		-	5.35	4.95	4.46	2.97	1.68	2.48
6		-	0.9	0.908	1.012	1.228	1.53	1.38
7		-	0.85	0.92	1.012	1.288	1.53	1.38
8		-	0.44	0.45	0.47	0.523	0.573	0.542
9		-	1.012	1.013	1.013	1.015	1.016	1.015
10		-	9.13	8.12	7.61	5.07	2.87	4.23
11		-	1.66	1.73	1.84	1.93	2.04	1.74
12		-	1.21	1.32	1.45	1.84	2.18	1.97
13		Ом	0.845	0.893	0.958	1.087	1.21	0.99
14		Ом	0.918	0.975	1.144	1.966	3.416	2.59
15		Ом	1.3	1.354	1.44	1.626	1.8	1.55
16		А	138.2	131.9	119.6	82.2	57	72.9
17		А	141.5	135.2	122.8	88.9	59.1	75.1
18		-	1.32	1.35	1.27	1.11	1.04	1.01
19		-	6.6	6.36	5.78	4.18	2.78	3.53
20		-	1.29	1.47	1.94	2.51	2.2	2.57

Для расчета других точек характеристики Кнас уменьшаем в зависимости от тока I1 (таблица 2).

Принимаем при

S = 0.8 Кнас = 1.3

S = 0.5 Кнас = 1.2

S = 0.2 Кнас = 1.1

S = 0.1 Кнас = 1.05

S = 0.3Кнас = 1.08

63. Критическое скольжение определяем после расчета всех точек пусковых характеристик (таблица 3) по средним значениям сопротивлений и , соответствующим скольжениям S = 0.2 - 0.1



10. Тепловой расчет

64. Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя

К = 0.19.

По таблице 1 для S = Sном находим ; по[1; с. 400, рисунку 8.70 а] ; .

65. Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора

Для изоляции класса нагревостойкостиFпо[1; с. 402, рисунку 8.72] для находим .



66. Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей

- обволакивающее покрытие.

67. Превышение температуры наружной поверхности лобовой частей над температурой воздуха внутри двигателя.

68. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой внутри двигателя.

69. Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды.



где

из таблицы 1 для S = Sном.

Эквивалентная поверхность охлаждения корпуса

Где по[1; с. 404, рисунок 8.73] Пр = 0.26 м для h = 132 мм. По [1; с. 401, рисунку 8.70 б] для Da = 0.225 м.

70. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды

71. Проверка условий охлаждения двигателя.

Требуемый для охлаждения расход воздуха

Коэффициент, учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса, обдуваемого наружным вентилятором.



Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором

Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах.

Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.

Вывод: спроектированный двигатель отвечает постановленным в техническом задании требованиям.



Литература

1. «Проектирование электрических машин» под редакцией И.П. Копылова. Книга 1. Москва. Энергоатомиздат, 1993 г.

2. «Проектирование электрических машин» под редакцией И.П. Копылова. Книга 2. Москва. Энергоатомиздат, 1993 г.

Размещено на Allbest.ru