КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине «Электрические машины»
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ
Пояснительная записка
Аннотация
В пояснительной записке к курсовому проекту по дисциплине "Электромеханика" представлен электромагнитный, тепловой и вентиляционный расчет шестиполюсного трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором полезной мощности 2,2 кВт на напряжение сети 220/380 В.
Расчет асинхронного двигателя выполнялся вручную и с использованием ЭВМ. В результате проектирования двигателя получен вариант проекта, удовлетворяющий требованиям технического задания.
Для спроектированного асинхронного двигателя выполнен механический расчет вала и выбраны подшипники. Определены размеры элементов конструкции двигателя.
Пояснительная записка содержит 63 листа машинописного текста, в том числе 4 рисунка, 2 таблицы и список использованных источников из 3 наименований.
Содержание
Введение……………………………………………………………….…………....5
1 Выбор главных размеров………………………...………………………………7
2 Определение параметров статора, расчет обмотки и размеров зубцовой зоны статора …………………………………………………………………………..….9
3 Выбор воздушного зазора………………………………...…………………….17
4 Расчет короткозамкнутого ротора……………….....………………………..18
5 Расчет магнитной цепи……………………………….………………………...22
6 Параметры рабочего режима…………………………………………………..27
7 Расчет потерь мощности в режиме холостого хода….…..…………………...34
8 Расчет рабочих характеристик………………………………………….…..…38
9 Расчет пусковых характеристик…………………………………………….....45
10 Тепловой и вентиляционный расчет……………………………………..…..55
11 Конструирование двигателя…………………………………………………..60
Заключение…………………………………………….………………………….62
Список использованных источников...………………………………….............63
Введение
Асинхронные двигатели являются основными двигателями в электроприводах практически всех промышленных предприятий. В СССР выпуск асинхронных двигателей превышал 10 млн. штук в год. Наиболее распространены двигатели на номинальное напряжение до 660 В, суммарная установленная мощность которых составляет около 200 млн. кВт.
Двигатели серии 4А выпускались в 80-х годах XX века в массовом количестве и в настоящее время эксплуатируются, практически на всех промышленных предприятиях России. Серия охватывает диапазон мощностей от 0,6 до 400 кВт и построена на 17 стандартных высотах оси вращения от 50 до 355 мм. Серия включает основное исполнение двигателей, ряд модификаций и специализированные исполнения. Двигатели основного исполнения предназначены для нормальных условий работы и являются двигателями общего назначения. Это трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, рассчитанные на частоту сети 50 Гц. Они имеют исполнение по степени защиты IP44 во всем диапазоне высот оси вращения и IP23 в диапазоне высот осей вращения 160…355 мм.
Модификации и специализированные исполнения двигателей построены на базе основного исполнения и имеют те же принципиальные конструктивные решения основных элементов. Такие двигатели выпускаются отдельными отрезками серии на определенные высоты оси вращения, и предназначены для применения в качестве приводов механизмов, предъявляющих специфические требования к двигателю или работающих в условиях, отличных от нормальных по температуре или чистоте окружающей среды.
К электрическим модификациям двигателей серии 4А относятся двигатели с повышенным номинальным скольжением, повышенным пусковым моментом, многоскоростные, частотой питания 60 Гц. К конструктивным модификациям относятся двигатели с фазным ротором, со встроенным электромагнитным тормозом, малошумные, со встроенной температурной защитой.
По условиям окружающей среды различают модификации двигателей тропического исполнения, влагоморозостойкого, химостойкого, пылезащищенные и сельскохозяйственные.
Специализированное исполнение имеют лифтовые двигатели, частотно-управляемые, высокоточные.
Большинство двигателей серии 4А имеют степень защиты IP44 и выпущено в конструктивном исполнении, относящемся к группе IM1, т. е. с горизонтальным валом, на лапах, с двумя подшипниковыми щитами. Корпус двигателей выполнен с продольными радиальными ребрами, увеличивающими поверхность охлаждения и улучшающими отвод тепла от двигателя в окружающий воздух. На противоположном от рабочего конце вала укреплен вентилятор, прогоняющий охлаждающий воздух вдоль ребер корпуса. Вентилятор закрыт кожухом с отверстиями для прохода воздуха.
Магнитопровод двигателей – шихтованный из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, причем двигателей с h = 50…250 мм из стали марки 2013, а двигателей с h = 280…355 мм – из стали марки 2312.
Во всех двигателях серии с h < 280 мм и в двигателях с 2p = 10 и 12 всех высот оси вращения обмотка статора выполнена из круглого провода и пазы статора полузакрытые. При h = 280…355 мм, кроме двигателей с 2p = 10 и 12, катушки обмотки статора намотаны прямоугольным проводом, подразделенные и пазы статора полуоткрытые.
Обмотка короткозамкнутого ротора лопатки и кольца – литые из алюминия. Вентиляционные лопатки на кольцах ротора служат для перемещения воздуха, находящегося внутри машины.
Подшипниковые щиты крепят к корпусу с помощью четырех или шести болтов.
Коробка выводов расположена сверху станины, что облегчает монтажные работы при соединении двигателя с сетью.
1 Выбор главных размеров
Исходя из требования листа технического задания, за базовой выбираем двигатель серии 4А100S6У3 по приложению А /1/, исполнение по степени защищённости IP54, способ охлаждения ICO141, конструктивное исполнение IM1001. Мощность двигателя 2,2 кВт, 2р = 6, f = 60 Гц, U1н = 230/400 В.
Номинальные данные базового двигателя:
; ; η= 81%; ; h = 100 мм.
Исходя из высоты оси вращения выбираем по таблице 2.1 /1/ внешний диаметр сердечника статора .
Значение диаметра внутренней поверхности статора определяют по внешнему диаметру сердечника статора, и коэффициенту kd, равному отношению внутреннего диаметра к внешнему. Значение коэффициента kd в зависимости от числа полюсов выбираем из таблицы 2.2 [1*[1]] предварительно kd =0,70.
Внутренний диаметр статора:
, (1.1)
где kd – отношение внутреннего и внешнего диаметра сердечника статора;
D = 0,70 · 0,168 = 0,118м.
Полюсное деление:
(1.2)
где p – число пар полюсов;
Расчетная мощность машины:
(1.3)
где – мощность на валу двигателя;
– отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, принимаем = 0,948;
– коэффициент полезного действия двигателя;
– коэффициент мощности;
Электромагнитные нагрузки предварительно принимаем:
А = 25·103 А/м; Вδ = 0,88 Тл.
Обмоточный коэффициент предварительно для однослойной обмотки kоб = 0,96.
Коэффициент формы поля:
. (1.4)
Расчетная длина машины, м:
, (1.5)
где А – линейная токовая нагрузка, ;
– магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл;
Отношение лежит в допустимых пределах.
2 Определение числа пазов и типа обмотки статора, расчет обмотки и размеров зубцовой зоны статора
Определение размеров зубцовой зоны статора начинают с выбора числа пазов Z1. Число пазов статора неоднозначно влияет на технико – экономические показатели машины. Если увеличивать число пазов статора, то улучшается форма кривой ЭДС и распределение магнитного поля в воздушном зазоре. В тоже время уменьшается ширина паза и зубца, что приводит к снижению коэффициента заполнения паза медью, а в машинах небольшой мощности может привести к недопустимому снижению механической прочности зубцов. Увеличение числа пазов статора увеличивает трудоемкость выполнения обмоточных работ, увеличивая сложность штампов, а их стойкость снижается.
Выбирая число пазов статора по рис.3.1 /1/ определяем граничные значения зубцового деления tz1max = 0,012 м; tz1min = 0,008 м.
Число пазов статора:
(2.1)
где – минимальное значение зубцового деления статора, м;
– максимальное значение зубцового деления статора, м;
Из полученного диапазона значений выбираем число пазов статора
Z1 = 36.
Число пазов на полюс и фазу:
(2.2)
где m – количество фаз;
Зубцовое деление статора окончательно:
, (2.3)
Номинальный ток обмотки статора:
(2.4)
где - номинальное напряжение двигателя, В;
Число эффективных проводников в пазу:
, (2.5)
Принимаем число параллельных ветвей а = 1, тогда Uп = 48 т.к. обмотка однослойная.
Число витков в фазе:
, (2.6)
Уточненная линейная нагрузка:
, (2.7)
Обмотку выбираем однослойную концентрическую. Обмотка статора выполняется всыпной из провода круглого поперечного сечения.
Коэффициент распределения:
(2.8)
Обмоточный коэффициент:
kоб1=ky∙kp; (2.9)
где ky – коэффициент укорочения шага обмотки статора, принимается ky=1;
kоб1=1∙0,966=0,966
Схема обмотки показана на рисунке 1.
Рисунок 1- Схема однослойной трехфазной обмотки с z1=36, m1=3, 2p=6, a1=1, q1=2.
Магнитный поток в воздушном зазоре машины:
, (2.10)
Уточненная магнитная индукция в воздушном зазоре:
, (2.11)
Предварительно для Dа = 0,168 м принимаем = 182∙109 .
Плотность тока в обмотке статора:
(2.12)
где – произведение линейной нагрузки на плотность тока, ;
Площадь поперечного сечения эффективного проводника предварительно:
, (2.13)
Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ: dэл = 0,95 мм, dиз= 1,016 мм, qэл=0,706 мм2.
Принимаем предварительно для 2p = 6 B’z1=1,9 Тл; В’а=1,55 Тл.
По таблице 3.2 /1/ для оксидированной стали марки 2013 принимаем .
Предварительное значение ширины зубца статора:
, (2.14)
где – коэффициент заполнения пакета сталью;
Предварительной значение высоты ярма статора:
(2.15)
Размеры паза в штампе принимаем bш= 3,0 мм; hш=0,5 мм; β = 45˚.
Предварительное значение высоты паза статора:
, (2.16)
Размеры паза статора:
(2.17)
где – высота шлица, м;
– ширина шлица, м;
(2.18)
(2.19)
(2.20)
Уточненное значение высоты паза статора:
(2.21)
Принимаем = 0,1 мм и = 0,2 мм.
Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку:
(2.22)
где – припуск по ширине паза, м.
(2.23)
(2.24)
где – припуск по высоте, мм;
Площадь поперечного сечения пазовой изоляции:
(2.25)
где – толщина изоляции , мм;
Sиз = 0,25∙10-3∙(2∙1,37∙10-2+7,8∙10-3+5,9∙10-3)=1,032∙10-5 м2.
Свободная площадь паза, :
(2.26)
Критерием оценки результатов выбора размеров паза является значение коэффициента заполнения свободной площади паза обмоточным проводом:
(2.27)
где – среднее значение диаметра изолированного провода, мм;
Полученное значение коэффициента заполнения допустимо для механизированной укладки обмотки.
Уточненное значение ширины зубца:
(2.28)
(2.29)
Среднее значение ширины зубца статора:
(2.30)
Расчетное значение ширины зубца статора:
(2.31)
Расчетная высота зубца статора:
Уточненное значение высоты ярма статора:
(2.32)
3 Выбор воздушного зазора
Для двигателей мощностью менее 20 кВт, размер воздушного зазора находят по формуле 3.1.
, (3.1)
Округлим значения до 0,05 мм δ=0,35 мм.
4 Расчет короткозамкнутого ротора
Для 2p = 6 и Z1 = 36 выбираем число пазов ротора Z2 = 28.
Наружный диаметр ротора:
, (4.1)
D2 = 0,118 – 2∙0,35∙10-3=0,1173 м.
Зубцовое деление ротора:
, (4.2)
Для 2p = 6 и h = 100 мм принимаем KB=0,23.
Т.к. у нас 2,2 кВт < 100 кВт, то сердечник ротора непосредственно насаивают на вал без промежуточной втулки. Применим горячую посадку сердечника на гладкий вал без шпонки.
При таком исполнении ротора внутренний диаметр магнитопровода равен диаметру вала, м:
Внутренний диаметр ротора:
(4.3)
dв = 0,23·0,168 = 0,0386 м.
Коэффициент приведения токов:
(4.4)
где – коэффициент скоса пазов;
Величина скоса: bск=t1=0.01.
Скос пазов в долях зубцового деления ротора:
(4.5)
Центральный угол скоса пазов:
(4.6)
Коэффициент скоса:
(4.7)
Предварительное значение тока в обмотке ротора:
, (4.8)
Плотность тока в стержнях обмотки ротора принимаем J2 = 3.05∙106 А/м2.
Площадь поперечного сечения стержня:
, (4.9)
qc = 255.12/3.05·106 = 8,36∙10-5 м2.
Для ротора выбираем полузакрытые пазы.
Размеры паза в штампе: принимаем bш =1 мм; hш2 = 0,5 мм.
Для 2p = 6; Bz2 = 1,8 Тл.
Размеры паза ротора:
(4.10)
где – высота шлица, м;
– высота перемычки над пазом, м;
(4.11)
Принимаем b21=5,8∙10-3 м, b22=1,6∙10-3 м;
(4.12)
Уточненное сечение стерня:
(4.13)
Высота паза, мм:
(4.14)
Уточняем ширину зубцов ротора:
(4.15)
(4.16)
Расчетная ширина зубца:
(4.17)
Ток кольца короткозамкнутого ротора:
(4.18)
Площадь поперечного сечения кольца:
, (4.19)
Средняя высота кольца:
(4.20)
Ширина короткозамыкающего кольца:
(4.21)
Средний диаметр кольца:
(4.22)
5 Расчет магнитной цепи
Расчет магнитной цепи асинхронного двигателя производят для номинального режима работы с целью определения суммарной намагничивающей силы, необходимой для создания рабочего магнитного потока в воздушном зазоре.
Магнитную цепь машины разбивают на пять характерных участков: воздушный зазор, зубцы статора и ротора, ярмо статора и ротора. Считают, что в пределах каждого из участков магнитная индукция имеет одно наиболее характерное направление. Для каждого участка магнитной цепи определяют магнитную индукцию, по значению которой определяют напряженность магнитного поля. По значению напряженности магнитного поля на участках магнитной цепи и соответствующей участку длине силовой линии поля, определяют намагничивающую силу. Необходимую намагничивающую силу определяют как сумму намагничивающих сил всех участков магнитной цепи. Магнитная цепь машины считается симметричной, поэтому расчет намагничивающей силы выполняют на одну пару полюсов.
Коэффициент, учитывающий увеличение магнитное сопротивление воздушного зазора вследствие зубчатого строения поверхности статора:
(5.1)
Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения ротора:
(5.2)
Результирующий коэффициент воздушного зазора:
(5.3)
Магнитное напряжение воздушного зазора:
(5.4)
где ;
Расчетная индукция в зубцах статора:
, (5.5)
Расчетная индукция в зубцах ротора:
(5.6)
(5.7)
Выбираем сталь марки – 2013. Для 1,88 Тл принимаем Hz1 = 1970 А/м, для 1,79 Тл принимаем Hz2 = 1480 А/м.
Магнитное напряжение зубцовых зон:
, (5.8)
Коэффициент насыщения зубцовой зоны:
, (5.9)
Полученное значение коэффициента насыщения зубцовой зоны находится в допустимых пределах.
Индукция в ярме статора:
(5.10)
Высота ярма ротора:
(5.11)
Т.к. 2р=6, то расчетная высота ярма ротора h’a2=ha2.
Для 1= 1,56 Тл принимаем Ha 1 = 654 А/м; для 2= 1,06 Тл принимаем Ha 2 = 206 А/м .
Длина магнитной силовой линии в ярме статора и ротора:
(5.12)
(5.13)
Магнитное напряжение ярма статора:
, (5.14)
где – напряженность поля в ярме статора, А/м;
Магнитное напряжение на пару полюсов:
(5.15)
Коэффициент насыщения магнитной цепи:
(5.16)
Намагничивающий ток:
(5.17)
Относительное значение намагничивающего тока:
, (5.18)
Главное индуктивное сопротивление:
(5.19)
где E=keUнф=0,948∙230=218,04 В;
Главное индуктивное сопротивление в относительных единицах:
(5.20)
6 Параметры рабочего режима
6.1 Активные сопротивления обмоток ротора и статора
Средняя ширина катушки обмотки статора:
(6.1)
где – укорочение шага обмотки статора;
Для всыпной обмотки, укладываемой в пазы до запрессовки сердечника в корпус, принимаем B = 0,01 м.
Для 2p = 6 принимаем ,
Вылет лобовой части обмотки статора:
(6.2)
Длина лобовой части обмотки статора:
(6.3)
Средняя длина витка обмотки статора:
(6.4)
Для обмотки статора, выполненной из медных проводников, и расчетной температуры принимаем
Активное сопротивление обмотки статора:
(6.5)
где – удельное сопротивление материала обмотки при расчетной температуре, ;
Для короткозамкнутого ротора, выполненного из алюминия, и расчетной температуры принимаем
Активное сопротивление стержня обмотки ротора:
(6.6)
где kr – коэффициент увеличения активного сопротивления стержня вследствие вытеснения тока, принимаем kr=1;
lcт=l2 – длина стержня;
Сопротивление участка замыкающего кольца, заключенного между двумя соседними стержнями:
(6.7)
Сопротивление фазы ротора:
(6.8)
Активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора, приведенное к числу витков обмотки статора:
(6.9)
где - коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора;
6.2 Индуктивные сопротивления рассеяния асинхронного двигателя
Относительный шаг обмотки β=1, kβ = k’β = 1.
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмоток статора :
(6.10)
Коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния:
, (6.11)
Для выбранной конфигурации пазов статора:
(6.12)
где – скос пазов, выраженный в долях зубцового деления ротора, βск=0,76;
k’ск – коэффициент зависящий от t2/t1 и βск, принимаем k’ск = 1,85;
Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния:
, (6.13)
Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:
, (6.14)
Коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния короткозамкнутого ротора:
(6.15)
где - коэффициент проводимости;
h’ш2 = 0;
Коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния короткозамкнутой обмотки ротора:
, (6.16)
Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора:
, (6.17)
где ;
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора:
, (6.20)
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенное к числу витков статора:
(6.21)
Базисное сопротивление:
(6.22)
Параметры асинхронного двигателя в относительных единицах:
(6.23)
(6.24)
Коэффициент учета влияния скоса пазов:
(6.25)
Индуктивное сопротивления рассеяния машины с учетом скоса пазов:
(6.26)
(6.27)
Уточненное значение коэффициента ke:
(6.28)
Разница между ke и k’e, (ke - k’e )%=((0,948-0,938)/0,948)∙100%=1,1 %.
7 Расчет потерь мощности в режиме холостого хода
Масса стали зубцов статора:
(7.1)
Масса стали ярма статора:
(7.2)
Для стали 2013 принимаем .
Для машин мощностью меньше 250 кВт принимают .
Основные потери в спинке статора:
(7.3)
где – удельные потери в стали, Вт/кг;
Основные потери в зубцах статора:
(7.4)
Основные потери в стали статора:
(7.5)
Принимаем , , k01=1,6, k02=1,6.
Амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов:
(7.6)
(7.7)
Поверхностные потери на статоре:
(7.8)
где
k01 – коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов статора на удельные потери;
Поверхностные потери на роторе:
(7.9)
где
k02 – коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов ротора на удельные потери;
Масса стали зубцов ротора:
(7.10)
Амплитуда пульсаций средних значений магнитной индукции в зубцах:
(7.11)
(7.12)
Пульсационные потери мощности в зубцах статора:
(7.13)
Пульсационные потери в зубцах ротора:
(7.14)
Общие добавочные потери в стали:
(7.15)
Полные потери мощности в стали:
, (7.16)
Механические потери:
(7.17)
где kмех– коэффициент трения, для двигателей с 2p=6
Электрические потери в обмотке статора при холостом ходе:
(7.18)
где -
Активная составляющая тока холостого хода двигателя:
(7.19)
Ток холостого хода:
(7.20)
Коэффициент мощности в режиме холостого хода:
(7.21)
8 Расчет рабочих характеристик
Расчёт рабочих характеристик производится по схеме замещения асинхронного двигателя, представленной на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема замещения асинхронного двигателя
Коэффициент рассеяния статора:
(8.1)
Коэффициент сопротивления статора:
(8.2)
Расчетные значения параметров схемы замещения:
(8.3)
(8.4)
(8.5)
Сопротивления короткого замыкания равны:
(8.6)
(8.7)
(8.8)
Добавочные потери:
(8.9)
Механическая мощность на валу двигателя:
(8.10)
Сопротивления схемы замещения:
(8.11)
Полное сопротивление рабочего контура схемы замещения:
(8.12)
Номинальное скольжение:
(8.14)
Номинальная частота вращения ротора:
(8.15)
Активная и реактивная составляющие тока статора при синхронном
вращении ротора:
(8.16)
Расчетный ток ротора:
(8.17)
Активная и реактивная составляющие тока статора:
(8.18)
(8.19)
Фазный ток статора:
(8.20)
Коэффициент мощности:
(8.21)
Потери мощности в обмотках статора и ротора:
(8.22)
(8.23)
Суммарные потери мощности в двигателе:
(8.24)
Потребляемая мощность:
(8.25)
(8.26)
Коэффициент полезного действия:
(8.27)
Рассчитываем рабочие характеристики для мощности: 0,25∙Р2н; 0,5∙Р2н ; 0,75∙Р2н 0,9∙Р2н; 1,0∙Р2н; 1,25∙Р2н. Результаты расчета сведены в таблицу 1.
Таблица 1 – Рабочие характеристики двигателя
|
№
|
Расчетные величины |
Мощность Р2, Вт. |
|
|||||
|
550 |
1100 |
1650 |
1980 |
2200 |
2750 |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
1 |
Рдоб, Вт. |
3,40 |
6,79 |
10,19 |
12,22 |
13,58 |
16,98 |
|
|
2 |
Р’2, Вт. |
564,87 |
1118,3 |
1671,7 |
2003,7 |
2225,1 |
2778,4 |
|
|
3 |
Rн, Ом. |
268,09 |
128,03 |
79,86 |
63,31 |
54,81 |
38,7 |
|
|
4 |
Zн, Ом. |
274,44 |
134,79 |
87,07 |
70,81 |
62,53 |
47,02 |
|
|
5 |
sн, о.е. |
0,009 |
0,019 |
0,03 |
0,037 |
0,043 |
0,06 |
|
|
6 |
I2’’, A. |
0,838 |
1,706 |
2,64 |
3,25 |
3,68 |
4,89 |
|
|
7 |
I1a, A. |
1,13 |
1,99 |
2,92 |
3,52 |
3,93 |
5,06 |
|
|
Продолжение таблицы 1 |
||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
8 |
I1p, A. |
3,05 |
3,11 |
3,29 |
3,46 |
3,62 |
4,17 |
|
|
9 |
I1, A. |
3,26 |
3,70 |
4,40 |
4,93 |
5,34 |
6,56 |
|
|
10 |
cosφ |
0,346 |
0,539 |
0,665 |
0,713 |
0,736 |
0,772 |
|
|
11 |
Рсум, Вт. |
224,77 |
276,82 |
369,81 |
450,6 |
517,68 |
750,38 |
|
|
12 |
Р1, Вт. |
774,77 |
1376,82 |
2019,81 |
2430,6 |
2717,68 |
3500,38 |
|
|
13 |
η, о.е. |
0,71 |
0,80 |
0,817 |
0,815 |
0,81 |
0,786 |
|
|
14 |
n, об/мин. |
1189 |
1177 |
1164 |
1155 |
1148 |
1128 |
|
Рисунок 3 – Рабочие характеристики спроектированного двигателя
9 Расчет пусковых характеристик
Высота стержня в пазу ротора:
(9.1)
Приведенная высота стержня:
(9.2)
Для принимаем , .
Глубина проникновения тока в стержень:
, (9.3)
Ширина паза ротора на расчетной глубине проникновения тока в стержень:
(9.4)
Площадь поперечного сечения стержня на расчетной глубине проникновения тока:
(9.5)
Расчетный коэффициент увеличения сопротивления стержня:
, (9.6)
Коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки ротора в результате эффекта вытеснения тока:
, (9.7)
Приведенное сопротивление ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока:
, (9.8)
Уменьшение коэффициента магнитной проводимости пазового рассеяния:
(9.9)
Коэффициент изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока:
, (9.10)
Значение индуктивного сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенного к обмотке статора, с учетом эффекта вытеснения тока:
, (9.11)
Коэффициент рассеяния статора в режиме пуска:
(9.12)
Коэффициент сопротивления статора:
(9.13)
Параметры схемы замещения в режиме пуска:
(9.14)
(9.15)
(9.16)
Полное пусковое сопротивление:
(9.17)
Расчетный ток ротора при пуске:
(9.18)
Предварительное значение тока ротора при пуске с учетом влияния насыщения:
(9.19)
где Kн – коэффициент насыщения, предварительно примем Kн=1,6;
Расчетная намагничивающая сила пазов статора и ротора:
(9.20)
где
Эквивалентное раскрытие паза:
(9.21)
Уменьшение проводимости пазового рассеяния:
(9.22)
где ∆bш1=b12-bш1=2,735 мм;
(9.23)
Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния:
(9.24)
(9.25)
Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния:
(9.26)
где
(9.27)
Расчетное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора:
(9.28)
Расчетное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенное к обмотке статора, с учетом насыщения и вытеснения тока:
(9.29)
Сопротивление с учетом насыщения и вытеснения при пуске:
(9.30)
(9.31)
(9.32)
Расчетный ток ротора при пуске:
(9.33)
Активная и реактивная составляющие тока статора при пуске:
(9.34)
(9.35)
Ток статора при пуске:
(9.36)
Кратность пускового тока:
(9.37)
Пусковой момент:
(9.38)
Кратность пускового момента:
(9.39)
Рассчитываем пусковые характеристики для скольжения s = 1; 0,8; 0,6; 0,4; 0,2; 0,1. Результаты расчета сведем в таблицу 2.
Таблица 2 – Расчетные пусковые характеристики.
|
№ |
Расчетная величина |
Скольжение |
|||||
|
1 |
0,8 |
0,6 |
0,4 |
0,2 |
0,1 |
||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
1 |
ξ |
1,60 |
1,43 |
1,24 |
1,01 |
0,72 |
0,51 |
|
2 |
φ |
0,4 |
0,26 |
0,18 |
0,1 |
0,023 |
0,006 |
|
3 |
φ’ |
0,85 |
0,87 |
0,94 |
0,95 |
0,97 |
0,98 |
|
4 |
hr, м. |
0,016 |
0,018 |
0,019 |
0,02 |
0,021 |
0,022 |
|
5 |
br, м. |
2,86∙10-3 |
2,46∙10-3 |
2,19∙10-3 |
1,88∙10-3 |
1,79∙10-3 |
1,61∙10-3 |
|
6 |
qr, м2. |
7,00∙10-5 |
7,47∙10-5 |
7,75∙10-5 |
8,03∙10-5 |
8,1∙10-5 |
8,24∙10-5 |
|
7 |
kr |
1,19 |
1,12 |
1,08 |
1,04 |
1,03 |
1,01 |
|
8 |
KR |
1,15 |
1,09 |
1,06 |
1,03 |
1,02 |
1,01 |
|
9 |
r’2ξ, Ом. |
2,42 |
2,29 |
2,23 |
2,16 |
2,15 |
2,12 |
|
10 |
r”2ξ, Ом. |
2,74 |
2,60 |
2,52 |
2,45 |
2,50 |
2,40 |
|
11 |
Znξ, Ом. |
15,36 |
15,57 |
16,01 |
17,02 |
21,04 |
30,92 |
|
12 |
I”2n, A. |
14,98 |
14,77 |
14,37 |
13,51 |
10,93 |
7,44 |
|
13 |
I”2nн, A. |
23,97 |
21,86 |
19,68 |
16,89 |
11,8 |
7,89 |
|
14 |
Fn, H. |
1,23∙104 |
1,12∙104 |
1,01∙104 |
0,86∙104 |
0,6∙104 |
0,4∙104 |
|
15 |
∆bш2, мм. |
4,945 |
4,944 |
4,9439 |
4,9432 |
4,9409 |
4,9372 |
|
16 |
∆λn1 |
0,232 |
0,232 |
0,232 |
0,232 |
0,232 |
0,232 |
|
17 |
∆λn2 |
0,8432 |
0,8421 |
0,842 |
0,8418 |
0,8418 |
0,8414 |
|
18 |
λn1.н |
1,014 |
1,014 |
1,014 |
1,014 |
1,014 |
1,014 |
|
Продолжение таблицы 2 |
|||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
19 |
λn2ξ.н |
0,7934 |
0,7934 |
0,7934 |
0,7935 |
0,7937 |
0,7941 |
|
20 |
λd1.н |
0,5621 |
0,5621 |
0,5622 |
0,5622 |
0,5264 |
0,5627 |
|
21 |
λd2.н |
0,5622 |
0,5622 |
0,5623 |
0,5623 |
0,5265 |
0,5268 |
|
22 |
x”1н, Ом. |
3,115 |
3,1151 |
3,1151 |
3,1152 |
3,1154 |
3,1158 |
|
23 |
x”2ξн, Ом. |
2,9388 |
2,939 |
2,9391 |
2,9394 |
2,9401 |
2,9413 |
|
24 |
Rn, Ом. |
6,241 |
6,75 |
7,71 |
9,64 |
15,68 |
27,55 |
|
25 |
Хn, Ом. |
6,0539 |
6,0541 |
6,0542 |
6,0546 |
6,0556 |
6,0572 |
|
26 |
Znξ.н, Ом. |
8,69 |
9,07 |
9,80 |
11,38 |
16,81 |
28,21 |
|
27 |
I”2nн, A. |
26,45 |
25,37 |
23,46 |
20,21 |
13,68 |
8,15 |
|
28 |
In.а., A. |
17,86 |
17,87 |
17,62 |
16,56 |
12,65 |
8,1 |
|
29 |
In.р., A. |
20,05 |
18,58 |
16,18 |
12,54 |
7,05 |
4,24 |
|
30 |
I1n, A. |
26,85 |
25,78 |
23,92 |
20,77 |
14,49 |
9,14 |
|
31 |
kin |
4,98 |
4,78 |
4,44 |
3,85 |
2,67 |
1,7 |
|
32 |
Мn, Н∙м. |
37,51 |
37,93 |
38,88 |
41,76 |
40,51 |
35,7 |
|
33 |
km |
2,05 |
2,07 |
2,13 |
2,28 |
2,21 |
1,95 |
Рисунок 4 – Пусковые характеристики спроектированного двигателя
Спроектированный асинхронный двигатель удовлетворяет требованиям ГОСТ как по энергетическим показателям (КПД и ), так и по пусковым характеристикам.
10 Тепловой и вентиляционный расчет асинхронного двигателя
Для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости B принимаем kp=1,15.
Электрические потери в пазовой части обмотки статора:
, (10.1)
где – коэффициент увеличения потерь;
Электрические потери в лобовой части обмотки статора:
(10.2)
Расчетный периметр поперечного сечения паза статора:
(10.3)
Для изоляции класса нагревостойкости В принимаем . принимаем .
Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора:
(10.4)
где – средняя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции;
– среднее значение коэффициента теплопроводности внутренней изоляции катушки всыпной обмотки из эмалированных проводников с учетом неплотности прилегания проводников друг к другу;
Для 2p = 6 принимаем К = 0,19. Для принимаем .
Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя :
(10.5)
где K– коэффициент, учитывающий, что часть потерь в сердечнике статора и в пазовой части обмотки передается через станину непосредственно в окружающую среду;
– коэффициент теплоотдачи с поверхности;
Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей:
(10.6)
где bиз.л – односторонняя толщина изоляции лобовой части одной катушки;
Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри двигателя:
(10.7)
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя:
(10.8)
Для h = 100 мм. принимаем . Для принимаем .
Эквивалентная поверхность охлаждения корпуса:
(10.9)
где – условный периметр поперечного сечения ребер корпуса двигателя;
Сумма потерь в двигателе:
(10.10)
Сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя:
(10.11)
Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды:
(10.12)
Среднее значение превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды:
(10.13)
Для двигателей с и h=100 мм. принимаем .
Коэффициент, учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса, обдуваемого наружным вентилятором:
, (10.14)
Требуемый для охлаждения расход воздуха:
, (10.15)
Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором:
, (197)
Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.
11 Конструирование двигателя
Одновременно со стержнями и замыкающими кольцами отливаются вентиляционные лопатки, bл=3 мм., Nл=9 шт., lл=30 мм., hл=15мм..
Станина выполняется из алюминиевого сплава с продольно поперечным оребрением, bст=4 мм.. Сверху прилитое выводное устройство.
Высота ребра:
(11.1)
Число ребер на четверть поверхности статора:
(11.2)
Выводное устройство машины состоит из закрытой коробки выводов с расположенной в ней изоляционной доской зажимов. Коробка выводов снабжена приспособлением для крепления подводимых проводов.
Для наружного обдува корпуса используют радиальный центробежный вентилятор, расположенный на конце вала со стороны, противоположной приводу. Вентилятор закрывают кожухом. Кожух с торца снабжён решёткой для входа воздуха. Вентилятор и кожух выполняется из пластмассы. Посадка вентилятора осуществляется на шпонку.
Наружный диаметр вентилятора:
(11.3)
где Dкорп = Da+2∙bст=0,168+2∙4∙10-3=0,176 м. ;
Ширина лопаток вентилятора:
(11.4)
Число лопаток вентилятора:
(11.5)
Длительно передаваемый момент:
(11.6)
Согласно полученному моменту выбираем размеры вала: d1=24 мм.; l1=50мм.; b1=8 мм.; h1=7 мм.; t=4,0 мм.; d2=25 мм.; d3=32 мм..
По выбранному диаметру под подшипник вала d2=25 мм, принимается подшипник 180605.
Заключение
Результатом произведенного электромагнитного расчета, является спроектированный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, удовлетворяющий требованиям ГОСТ как по энергетическим показателям (КПД и ), так и по пусковым характеристикам.
Тепловой расчет показал, что наружный вентилятор обеспечивает необходимый для нормального охлаждения расход воздуха.
При конструировании был выбран материал станины, алюминиевый сплав. Станина выполняется с продольно- поперечным оребрением. Через длительно передаваемый момент рассчитаны размеры вала, и выбраны шарикоподшипник 180605.
Технические данные спроектированного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: мощностью P2 = 2,2 кВт, номинальное напряжение 230/400 В, число полюсов 2p = 6, частота вращения n=1148об/мин, коэффициент полезного действия η = 0,81, коэффициент мощности cosφ = 0,74.
Список использованных источников
2 Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов / И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. – 3-е изд., испр. И доп. – М.: Высш. Шк., 2002. – 757с.: ил.
3 СТО 02069024.101-2010. Общие требования и правила оформления – Оренбург, 2010.– 93 с.
* Данный источник является основным, в дальнейшем ссылка на него не выполняется.
ЧЕРТЕЖ
Скачать: