Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Задание на проектирование

Основными частями двигателя являются корпус 7, подшипниковые щиты 2, вентилятор 3, статор 4, ротор 5. В двигателе малой мощности корпус выполняется нз алюминия. В более мощных двигателях корпус и подшипниковые щиты чугунные или стальные. На наружной поверхности корпуса имеются ребра, увеличивающие поверхность охлаждения двигателя. Вентилятор устанавливается на валу 6 вне корпуса и закрывается стальным кожухом 7, направляющим воздух на наружную поверхность двигателя. Вентиляционные лопатки 8 на замыкающих кольцах 9 обмотки ротора перемешивают воздух, в результате чего увеличивается отвод тепла от лобовых частей обмотки статора к корпусу и подшипниковым щитам двигателя. В подшипниковых щитах устанавливаются подшипники 10 и 11. Со стороны выводного конца вала устанавливается роликовый подшипник, с противоположной стороны - шариковый. Каждый из подшипников закрыт с обеих сторон крышками 12. Один из подшипников имеет возможность перемещаться в осевом направлении, что предотвращает от заклинивания при сборке двигателя и вследствие теплового расширения.



2. Главные размеры двигателя

2.1 Расчет фазных значений напряжения и тока обмотки статора

Фазное напряжение:

Фазный ток:

2.2 Расчет активной мощности, потребляемой двигателем из сети

Суммарные потери мощности:

Потери мощности в магнитопроводе статора возникают вследствие перемагничивания и действия вихревых токов, пульсаций магнитной индукции в воздушном зазоре и зубцах статора:

Электрические потери в обмотке статора при t = 100 С0:

Электрические потери в обмотке ротора при t = 100 С0:

Механические и вентиляционные потери:

2.3 Построение энергетической диаграммы и расчет электромагнитной и механической мощности

Используя энергетическую диаграмму, можно определить электромагнитную и механическую мощности машины.

Электромагнитная мощность - это мощность, передаваемая от статора к ротору:

Механическая мощность:



2.4 Расчет электромагнитного момента и момента на валу двигателя

Скольжение:

Частота вращения магнитного потока статора:

Угловая скорость вращения магнитного потока статора:

Частота вращения ротора:

Угловая скорость вращения ротора:

Электромагнитный момент:



Полезный момент на валу двигателя:

2.5 Расчет размеров двигателя

Главными размерами машины являются внутренний диаметр статора (диаметр расточки) D1, наружный диаметр статора Da1 и длина статора l1. Наружный диаметр статора определяет высоту оси вращения ротора над опорным основанием машины. Размеры D1 и l1 взаимосвязаны и определяются электромагнитной нагрузкой машины. Их можно изменять, но так, чтобы произведение l1D12 оставалось неизменным. Практикой проектирования асинхронных двигателей установлено оптимальное отношение:

,

при котором достигаются высокие технико-экономические показатели двигателя. Для четырехполюспых асинхронных двигателей это отношение находится в диапазоне 0,7...1,0. В расчете примем =0,85.

Диаметр расточки статора D1 определяется по формуле:



где kф=1,11 - коэффициент формы кривой поля.

Длина статора:



3. Расчет статора

3.1 Расчет обмотки статора

Число витков одной фазы обмотки статора w1 зависит от линейной нагрузки А, представляющей собой сумму токов всех проводников обмотки статора, приходящуюся на единицу длины окружности расточки статора:

Здесь 2w1 - число проводников (сторон) одной фазы обмотки; N= 2w1m1=6w1 - число проводников трех фаз обмотки.

Число витков:

Линейная нагрузка в диапазоне мощности 10...40 кВт линейно зависит от диаметра расточки статора и рассчитывается по формуле:

Тогда:

Число витков в катушке, катушечной группе и фазе должно быть целым. Кроме того, для двухслойных обмоток число проводников в пазу Nп должно быть четным. Этим условиям отвечает ближайшее к полученному число витков w1=120, которое принимаем для дальнейших расчетов.

Предварительное число пазов статора чстырехполюсного асинхронного двигателя определяется по формуле:

Предварительное число пазов на полюс и фазу:

Ближайшее целое значение q1=4.

Окончательное число пазов статора:

Фаза обмотки статора состоит из катушек. Катушки соединяются в катушечные группы, каждая из которых содержит q1 последовательно включенных катушек. Между собой катушечные группы могут соединяться в параллельные ветви. Параллельное соединение катушечных групп необходимо при больших токах статора, когда поперечное сечение проводников превышает 2,5 ... 3,0 мм2, при котором намотка катушек затруднена.

Четырехполюсная асинхронная машина может иметь две (а=2) или четыре (а=4) параллельные ветви. При а=1 все катушечные группы включены последовательно.

В решаемой задаче принимается а=2.

Полюсное деление, выраженное числом пазов:

В четырехполюсных асинхронных двигателях применяются двухслойные петлевые равнокатушечные обмотки с укороченным шагом. Коэффициент укорочения, равный отношению шага обмотки, выраженному числом пазов, к полюсному делению:

выбирается так, чтобы устранить высшие гармонические, вызванные несинусоидальностью магнитного поля в воздушном зазоре машины.

Примем y=10. Тогда коэффициент укорочения шага

Он составляет 0,8...0,85, что находится в пределах рекомендованного диапазона.

Каждая из двух параллельных ветвей обмотки содержит по w1=112 витков, объединенных в две катушечные группы по четыре (q1=4) катушки в каждой. Число витков в катушечной группе:

Число витков в катушке:



Число проводников в пазу двухслойной обмотки:

3.2 Построение схемы обмотки статора

Для составления развернутой схемы обмотки необходимо знать Z1, 2p, q1, a, y. Рекомендуется следующий порядок построения схемы.

1. Вычерчивают тонкими линиями заданное число пазов Z1 и намечают полюсные деления.

2. Отводят для каждой фазы по q1 пазов под каждым полюсом и выделяют их разными цветами. Это соответствует сторонам катушек, лежащим в верхних слоях пазов. Расстояние между началами фаз, выраженное в пазах, составляет 2q1, что соответствует 120 эл.гр.

3. На расстоянии шага y отмечают пунктиром стороны катушек, лежащие в нижнем слое, и соединяют их лобовыми соединениями со сторонами верхних слоев.

4. Вычерчивают межкатушечные соединения и выводы катушечных групп.

5. Выбирают начало первой фазы С1 и соединяют ее катушечные группы так, чтобы получилось нужное число полюсов; получают конец первой фазы С4.

6. Аналогично соединяются катушечные группы и определяется положение выводов фаз С2 - С5 и СЗ - С6.

Для контроля следует задаться направлениями токов: в одной фазе - от начала к концу, в двух других - от конца к началу. Отметив эти направления стрелками на сторонах катушек, убедиться в том, что под каждым полюсом направления токов во всех фазах одинаковы. В обмотке с укороченным шагом противоположные направления токов будут в нескольких пазах, расположенных на границах между полюсами.

3.3 Расчет площади поперечного сечения проводника обмотки статора

Площадь поперечного сечения проводника обмотки статора определяется величиной тока статора, числом параллельных ветвей обмотки и плотностью тока.

Плотность тока в обмотке статора определяется по формуле:

Площадь поперечного сечения проводника одной параллельной ветви:

3.4 Расчет активного сопротивления обмотки статора

Сопротивление одной параллельной ветви при температуре 100 °С:

Сопротивление фазы обмотки статора при температуре 100 °С:

3.5 Расчет размеров катушек

Длина одной параллельной ветви обмотки статора:

где t=0,426108 См/м - удельная электрическая проводимость меди при расчетной температуре 100 oС.

Средняя длина витка:

Осевая длина (вылет) лобовой части обмотки:

где - полюсное деление, выраженное в единицах длины,

.

3.6 Расчет размеров пазов и зубцов статора

Зубцовое деление статора:

Для четырехполюсных двигателей с двухслойной всыпной обмоткой рекомендуется применять трапецеидальную форму паза статора, при которой обеспечивается постоянство ширины зуба н магнитной индукции во всех сечениях по высоте зуба.

Приняв ширину зуба

и определив площадь паза по формуле

,

где kп=0,4 - коэффициент заполнения паза с учетом пазовой изоляции, изоляционных прокладок и клипа, определяем глубину паза (высоту зубца) по формуле: статор двигатель машина вентиляционный

3.7 Расчет основного магнитного потока машины

Основной магнитный поток машины:

,

где коэффициент kc=0,965 - отношение ЭДС фазы обмотки статора к фазному напряжению,

k01=0,925 - обмоточный коэффициент статора.

3.8 Расчет высоты ярма статора н наружного диаметра статора

Высота ярма статора:

,

где kc=0,97 - коэффициент, учитывающий изоляционные прослойки между листами стали; Ba1 - магнитная индукция в ярме статора, значение которой находится в пределах 1,5 ... 1,7 Тл. Примем Ba1=1,6 Тл.

Наружный диаметр статора:

.



4. Расчет ротора

4.1 Расчет числа пазов ротора

Практикой установлено определенное соотношение между числом пазов статора и ротора, при котором снижаются дополнительные потери мощности, уменьшаются тормозные моменты, снижается шум машины. В табл. 1 приведены рекомендуемые числа пазов ротора четырехполюсного асинхронного двигателя. Выбираем Z2= 38.

Таблица 1. Соотношение пазов статора и ротора

Число пазов статора	Число пазов ротора
24	17
36	26 44
48	34 38
60	50 70

4.2 Расчет обмотки ротора

Ток стержня ротора:

,

где k1=0,92 - коэффициент, учитывающий влияние намагничивающего тока на соотношение между токами статора и ротора.

Ток в замыкающем кольце:



где .

Сечение стержня обмотки ротора:

где - плотность тока в стержне.

Сечение замыкающего кольца:

где

плотность тока в кольце.

4.3 Расчет размеров элементов ротора

Принимаем величину воздушного зазора = 0,5 мм, при этом:

- наружный диаметр ротора равен:

- зубцовое деление ротора:



Для короткозамкнутой обмотки ротора применяется закрытый грушевидный паз с шириной зубца:

.

где

магнитная индукция в воздушном зазоре, Вз2=1,8 Тл - магнитная индукция в зубцах ротора.

Размеры паза ротора определяются по формулам:

где hу2 = 0,7 мм - высота усика, hм = 0,3 мм - высота мостика;

;

Высота замыкающего кольца:

.

Ширина замыкающего кольца:



.

Высота ярма ротора:

.

Принимаем Ва2=0,83 Тл.

Диаметр вала под посадку железного ротора:

.



5. Схема замещения двигателя

5.1 Параметры схемы

Г-образная схема замещения

Параметрами схемы являются:

r1 - активное сопротивление фазы;

x1 - индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора;

rm - активное сопротивление, мощность которого соответствует потерям мощности в стали статора;

xm - основное индуктивное сопротивление намагничивающей ветви;

- приведенное активное сопротивление фазы обмотки ротора;

- приведенное индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки ротора;

Rm - активное сопротивление, мощность которого равна полной механической мощности двигателя.

Токи схемы замещения:

I0 - ток холостого хода двигателя;

- приведенный ток ротора;

I1 - фазный ток статора.



5.2 Расчет параметров схемы

Основной магнитный поток машины создается намагничивающим током в катушке с индуктивным сопротивлением:

;

где = 1,2 - коэффициент, учитывающий неравномерное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре вследствие зубчатости статора; = 1,3 - коэффициент насыщения, учитывающий нелинейность кривой намагничивания.

Реактивная составляющая тока холостого хода (намагничивающий ток):

;

где Е1 - ЭДС фазы обмотки статора и равно:

Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора:

Ом

В режиме холостого хода имеются потери в стали и механические потери, они называются потерями холостого хода:



Вт

Активная составляющая тока холостого хода:

Ток холостого хода:

,

что составляет 20% от номинального тока двигателя и является допустимым.

Коэффициент мощности в режиме холостого хода:

, где

Приведенный ток ротора:

Приведенное активное сопротивление рассеяния фазы обмотки ротора:

Приведенное индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки ротора:

Сопротивление, мощность которого равна потерям мощности в стали статора:

5.3 Расчет коэффициента насыщения стали

Намагничивающая (магнитодвижущая) сила, необходимая для создания основного магнитного потока машины:

Намагничивающая сила воздушного зазора:

Коэффициент насыщения стали:

Значение этого коэффициента находится в допустимых пределах 1,2...1,5.



6. Масса двигателя

6.1 Расчет массы электротехнической стали

Ярмо статора:

Зубцы статора:

Ярмо ротора:

Зубцы ротора:

Общая масса стали:

6.2 Расчет массы меди обмотки статора

;

где кг/м3- плотность меди.



6.3 Расчет массы алюминия стержней, замыкающих колец и вентиляционных лопаток

Масса стержней:

Масса колец:

;

где , ал = 2,7103 кг/м3- плотность алюминия;

Общая масса алюминия:

Коэффициент 1.2 учитывает массу вентиляционных лопаток.

6.4 Расчет массы активных материалов

6.5 Расчет массы конструкционных материалов



6.6 Расчет полной массы двигателя



7. Вопросы надежности и техники безопасности

Асинхронные двигатели общего назначения должны соответствовать следующим показателям надежности:

средний срок службы - не менее 15 лет при наработке 40 000 ч;

средний срок службы до первого капитального ремонта - 8 лет при наработке 20 000 ч;

вероятность безотказной работы при наработке 10 000 ч - не менее 0,9.

В процессе работы возникают отказы асинхронных двигателей, которые разделяются на внезапные (обрыв провода, пробой изоляции, поломка) и постепенные (старение изоляции, износ механических деталей). Причинами отказов являются некачественное изготовление, несоответствие конструктивного исполнения условиям эксплуатации, неправильный выбор двигателя по мощности, неудовлетворительное обслуживание, несовершенство защиты или ее отсутствие.

Статистические данные показывают, что до 95% от общего числа отказов составляют отказы, вызванные повреждением изоляции обмоток; до 5% - повреждением подшипников. До 90% повреждений обмоток происходит из-за пробоя межвитковой изоляции.

Работоспособное техническое состояние асинхронных двигателей поддерживается с помощью системы планово-предупредительных ремонтов, включающих техническое обслуживание, текущий и капитальный ремонты, профилактические и послеремонтные испытания.

Программы испытаний, в частности, включают:

измерение сопротивления изоляции обмотки статора, которое для двигателей с напряжением до 660 В в холодном состоянии должно быть не менее 1 МОм;

испытание обмотки статора в течение 1 мин повышенным напряжением, величина которого составляет 2Uн+1 кВ, но не менее 1,5 кВ;

измерение воздушного зазора в четырех сдвинутых па 90° точках. Оиигню и размерах не должно превышать 10% от среднего значения;

проверку работы двигателя на холостом ходу продолжительностью 1 ч. Ток холостого хода не должен отличаться более чем на 10% от указанного в каталоге;

может проводиться проверка работы двигателя под нагрузкой, составляющей 50% от номинальной.

В процессе эксплуатации электрических машин должны неукоснительно соблюдаться технические и организационные требования техники безопасности.

Корпуса всех электрических машин должны быть надежно заземлены, вращающиеся части -закрыты защитными кожухами. Повышению условий безопасной работы служат также своевременные испытания изоляции повышенным напряжением. Обслуживающий персонал должен иметь документы на право работы с электротехническим оборудованием применяемого уровня напряжения.



Список использованной литературы

1. Новиков М.Н. Круговая диаграмма асинхронной электрической машины: Учебное пособие СПб,2000.

2. Новиков М.Н., Мельников В.И. Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: Учебное пособие. СПб 2000.

Размещено на Allbest.ru