35

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………….. 4

1. Выполнение и содержание расчетов…………………………………………………….. 6

1.1. Выбор главных размеров…………………………………………………………….. 6

1.2. Определение параметров статора…………………………………………………… 7

1.3. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора……………………. 9

1.4. Расчет ротора…………………………………………………………………………. 10

1.5. Расчет магнитной цепи………………………………………………………………. 12

1.6. Параметры рабочего режима………………………………………………………… 14

1.7. Расчет потерь…………………………………………………………………………. 17

1.8. Расчет рабочих характеристик………………………………………………………. 19

1.9. Расчет пусковых характеристик…………………………………………………….. 22

1.9.1. С учетом влияния эффекта вытеснения тока………………………………… 22

1.9.2. С учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения от полей

рассеяния……………………………………………………………………….. 24

1.10. Тепловой расчет…………………………………………………………………….. 29

1.11. Вывод………………………………………………………………………………… 31

2. Специальная часть………………………………………………………………………… 32

2.1. Проводниковые материалы, применяемые в асинхронных двигателях………….. 32

2.2. Обмоточные провода, применяемые в асинхронных двигателях…………………. 34

3. Список используемой литературы………………………………………………………. 36

Введение.

Электротехническая промышленность - ведущая отрасль народного хозяйства. Продукция электротехнической промышленности используется почти во всех промышленных установках, поэтому качество электротехнических изделий во многом определяет технический уровень продукции других отраслей.

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

При создании электрической машины рассчитываются размеры статора и ротора, выбираются типы обмоток, обмоточные провода, изоляция, материалы активных и конструктивных частей машины.

При проектирование необходимо учитывать соответствие технико-экономических показателей машин современному мировому уровню при соблюдении требований государственных и отраслевых стандартов. Приходится также учитывать назначение и условия эксплуатации, стоимость активных и конструктивных материалов, КПД, технологию производства, надежность в работе и патентную чистоту. Расчет и конструирование электрических машин неотделимы от технологии их изготовления. Поэтому при проектировании необходимо учитывать возможности электротехнических заводов, стремиться к максимальному снижению трудоемкости изготовления электрических машин.

Проектирование электрической машины сводится к многократному расчету зависимостей между основными показателями, заданных в виде системы формул, эмпирических коэффициентов, графических зависимостей, которые можно рассматривать как уравнения проектирования.

Данный курсовой проект содержит проектирование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Понятие асинхронной машины связано с тем, что ротор ее имеет частоту вращения, отличающуюся от частоты вращения магнитного поля статора.

Асинхронные двигатели являются основными преобразователями электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода большинства механизмов, используемых во всех отраслях народного хозяйства.

В основу конструкции асинхронного двигателя положено создание системы трехфазного переменного тока. Переменный ток, подаваемый в трехфазную обмотку статора двигателя, формирует в нем вращающееся магнитное поле.

Базовой моделью для проектирования является двигатель серии 4А. В серии 4А за счет применения новых электротехнических материалов и рациональной конструкции мощность двигателей при данных высотах оси вращения повышена на две-три ступени по сравнению с мощностью двигателей серии А2, что дало большую экономию дефицитных материалов. Существенно улучшились виброшумовые характеристики. При проектировании серии большое внимание было уделено повышению надежности машин. Впервые в мировой практике для асинхронных двигателей общего назначения были стандартизированы показатели надежности. Особое внимание при проектировании уделялось экономичности двигателей.

Двигатели серии 4А спроектированы оптимальными для нужд народного хозяйства. Критерием оптимизации была принята суммарная стоимость двигателя в производстве и эксплуатации, которая должна быть минимальной.

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 специализированное исполнение. 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 степени защиты IP44 во всем диапазоне высот оси вращения и IP23 в диапазоне высот осей вращения 160 - 355 мм.

К электрическим модификациям двигателей серии 4А относятся двигатели с повышенным номинальным скольжением, с повышенным пусковым моментом, многоскоростные, с частотой питания 60 Гц и т.п., к конструктивным модификациям - двигатели с фазным ротором, со встроенным электромагнитным тормозом, малошумные, со встроенной температурной защитой и т.п.

Для производства двигателей серии 4А разработана и осуществлена прогрессивная технология. Механическая обработка станин, валов и роторов двигателей производится на автоматических линиях, штамповка листов магнитопровода - на прессах-автоматах. Автоматизирована сборка сердечников статора, механизирована сборка и заливка роторов. Укладка статорной обмотки производится на автоматических станках, а пропитка и сушка обмоток на автоматических струйных или вакуум-нагнетательных установках. Испытание узлов двигателей и двигателей в сборе производится на специальных стендах и автоматических испытательных станциях.

Все это обеспечило высокую производительность труда при высоком качестве изготовления.

По своим энергетическим, пусковым, механическим, виброшумовым, эксплуатационным характеристикам серия 4А удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к асинхронным двигателям, и соответствует современному уровню электромашиностроения.

Выбор главных размеров.

Высота оси вращения (предварительно) по рис. 8.17, а h = 260 мм. Принимаем ближайшее стандартное значение h = 250 мм; Dа = 0.45 м (см. табл. 8.6).

Внутренний диаметр статора D = kD·Da = 0.68 · 0.45 = 0.306 м, kD = 0,68 по табл. 8.7.

Полюсное деление ф = рD/(2p) = р0.306/4 = 0.24 м.

Расчетная мощность по (8.4)

(kЕ - по рис. 8.20; з и cosц - см. задание на проектирование).

Электромагнитные нагрузки (предварительно по рис. 8.22,б)

А = 38·10і А/м; Вд = 0.78 Тл.

Обмоточный коэффициент (предварительно для двухслойной обмотки) kоб1 = 0.92.

Расчетная длина магнитопровода по (8.6)

[по (8.5) Щ = 2рf/p = 2р50/2 = 157 рад/с; kв = 1,11 - коэффициент формы поля].

Отношение л = lд/ф = 0.23/0.24 = 0.96. Значение л = 0,96 находится в допустимых пределах (см. рис. 8.25, а).

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

Предельные значения tz1 (по рис. 8.26): tz1max = 0.018 м; tz1min = 0.015 м.

Число пазов статора по (8.16)

Принимаем Z1 = 60, тогда q1 = Z1/(2pm); 60/(4*3) = 5. Обмотка двухслойная.

Зубцовое деление статора (окончательно)

Число эффективных проводников в пазу (предварительно, при условии а = 1 по (8.17))

Принимаем а = 2, тогда по (8.19) Uп = аUп = 13 проводников.

Окончательные значения:

число витков в фазе по (8.20)

линейная нагрузка по (8.21)

магнитный поток по (8.22)

(для обмотки с q=5 по табл. 3.16 kоб1=kр1=0,957; для Dа=0,45 м по рис. 8.20 kЕ = 0,98);

индукция в воздушном зазоре по (8.23)

Значения А и Вд находятся в допустимых пределах (см. рис. 8.22, б).

Плотность тока в обмотке статора (предварительно) по (8.25)

(AJ=188*10і по рис. 8.27, б).

Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно) по (8.24)

Сечение эффективного проводника (окончательно): принимаем nэл=7, тогда qэл=qэф/nэл=9,4/7=1,344 ммІ. Принимаем обмоточный провод марки ПЭТМ (см. приложение 3), dэл=1,4 мм, qэл=1,539 ммІ, qэ.ср=nэлqэл=10,7 ммІ.

Плотность тока в обмотке статора (окончательно) по (8.27)

Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора.

Паз статора определяем по рис. 8.29,а с соотношением размеров, обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов.

Принимаем предварительно по табл. 8.10 Bz1=1.9 Тл; Ва=1.6 Тл, тогда по (8.37)

(по табл. 8.11 для оксидированной стали марки 2013 kс=0,97);

по (8.28)

Размеры паза в штампе: bш=3,7 мм; hш=1 мм; в=45? (см. рис. 8.29,а);

по (8.38)

по (8.40)

по (8.39)

по (8.42) - (8.45)

Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку:

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки по (8.48)

[площадь поперечного сечения прокладок Sпр=(0,9b1+0,4b2)*10Їі=14ммІ; площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу

Sиз=bиз(2hп+b1+b2)=0,4(2*34,2+9,7+12,9)=36,4ммІ, где односторонняя толщина изоляции в пазу bиз=0,4мм - по табл. 3.1].

Коэффициент заполнения паза

Полученное значение kз допустимо для механизированной укладки обмотки.

Расчет ротора.

Воздушный зазор (по рис.8.31) д=0,8мм.

Число пазов ротора (по табл. 8.16) Z2=52.

Внешний диаметр ротора D2=D - 2 д = 0,306 - 2*0,8*10Їі=0,304 м.

Длина магнитопровода l2=l1=0.23 м.

Зубцовое деление ротора

tZ2=рD2/Z2=р0.304/52=0.0184м=18,4мм.

Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал; по (8.102)

Dj=DB=kBDa=0.23?0.45=103.5 мм

(kB по табл.8,17).

Ток в обмотке ротора по (8.57)

где по (8.58) ki = 0.2+0.8cosц=0.928

[по (8.66)

(пазы ротора выполняем без скоса - kск=1)]

Площадь поперечного сечения стержня (предварительно) по (8.68)

qc = I2/J2 = 621.7/(2.5?10і) = 248.7·10ЇімІ = 248,7ммІ

(плотность тока в стержне литой клетки принимаем J2 = 2.5·10і А/мІ).

Паз ротора определяем по рис. 8.40, б. Принимаем bш=1,5 мм; hш=0,7 мм; hш=0,3мм.

Допустимая ширина зубца по (8.75)

(принимаем BZ2 = 1.8 Тл по табл. 8.10).

Размеры паза (см. рис. 8.40)

по (8.76)

Уточняем ширину зубцов ротора по формулам табл. 8,18:

Принимаем b1=9,6 мм; b2=6,7 мм; h1=24 мм.

Полная высота паза

Площадь поперечного сечения стержня по (8.79)

Плотность тока в стержне

J2 = I2/qc = 621.7/249 = 2.5·10іA/мІ.

Короткозамыкающие кольца (см. рис. 8,37, б). Площадь поперечного сечения кольца по (8.72)

qкл = Iкл/Jкл = 2580/2,13·10і = 1211,3ммІ

[по (8.70) и (8.71)

Iкл = I2/Д = 621.7/0.241 = 2580 A,

где

Д = 2sin[(р?p)/Z2] = 2sin[(р2)/52] = 0.241;

Jкл = 0,85J2 = 0.85?2.5?10і = 2.13·10і А/мІ].

Размеры размыкающих колец:

hкл = 1.25hп2 = 1,25·33,2 = 41,5 мм;

bкл = qкл/hкл = 1211,3/41,5 = 29,2 мм;

qкл = hкл·bкл = 41,5·29,2 = 1211,8 ммІ;

Dк.ср = D2 -hкл = 304 - 41,5 = 262,5 мм.

Расчет магнитной цепи.

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

Магнитное напряжение воздушного зазора по (8.103)

Магнитное напряжение зубцовой зоны статора по (8.104)

Fz1 = 2hz1Hz1 = 2·34.2·10Їі·2070=141.6 A,

где hz1 = hп1 = 34.2 мм (см. п. 20 расчета);

расчетная индукция в зубцах по (8.105)

(bz1 = 6.7 мм по п. 19 расчета; kс1 = 0,97 по табл. 8.11). Так как Bz1 > 1,8 Тл, необходимо учесть ответвление потока в паз и найти действительную индукцию в зубце Bz1. Коэффициент kпх по высоте hzx = 0.5hz по (4.33)

по (4.32)

Принимаем Bz1 = 1,9 Тл, проверяем соотношением Bz1 и Bz1:

1.9 = 1.9 - 1.256·10Їі·2070·1.74 = 1.9,

где для Bz1 = 1.9 Тл по табл. П1.7 Hz1 = 2070 A/м.

Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора по (8.108)

Fz2 = 2hz2Hz2 = 2·0.0325·1520 = 98.8 A

[при зубцах по рис. 8.40, б из табл. 8.18 hz2 = hп2 - 0.1b2 = 32.5 мм;

индукция в зубце по (8.109)

по табл. П1.7 для Bz2 = 1.8 Тл находим Hz2 = 1520 А/м].

Коэффициент насыщения зубцовой зоны по (8.115)

Магнитное напряжение ярма статора по (8.116)

Fa = LaHa = 0.324·750 = 243 A

[по (8.119)

(при отсутствии радиальных вентиляционных каналов в статоре ha = ha = 0.0378 м) для Ва=1,6 Тл по табл. П1.6 находим Ha=750 А/м].

Магнитное напряжение ярма ротора по (8.121)

Fj = LjHj = 0.134·164 = 22 A

[по (8.127)

где по (8.124) для четырехполюсных машин при 0,75(0,5D2 - hп2) < Dj

для Bj = 0.94 Тл по табл. П1.6 находим Hj = 164 А/м].

Магнитное напряжение на пару полюсов по (8.128)

Fц = Fд + Fz1 + Fz2 + Fa + Fj = 1602.4 A.

Коэффициент насыщения магнитной цепи по (8.129)

kм = Fц/Fд = 1.46.

Намагничивающий ток по (8.130)

Относительное значение по (8.131)

Iм* = Iм/Iном = 20/93,3 = 0,22.

Параметры рабочего режима.

Активное сопротивление обмотки статора по (8.132)

(для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура vрасч = 115 ?С, для медных проводников с115 = 10?і/41 Ом·м).

Длина проводников фазы обмотки по (8.134)

L1 = lср1w1 = 1.202·65 = 78.13 м;

по (8.135) lср1 = 2(lп1 + lл1) = 2(0,23 + 0,371) = 1,202 м; lп1 = l1 =0,23 м; по (8.136) lл1 = Кл·bкт +2В = 1,3·0,27 + 2·0,01 = 0,371 м, где В = 0,01 м; по табл. 8.21 Кл = 1,3;

по (8.138)

Длина вылета лобовой части катушки по (8.140)

lвыл = kвыл·bкт + В = 0,4·0,27 + 0,01 = 0,118 м,

где по табл. 8.21 Квыл = 0,4.

Относительное значение

Активное сопротивление фазы обмотки ротора по (8.168)

где для литой алюминиевой обмотки ротора с115 = 10?і/20,5 Ом·м.

Приводим r2 к числу витков обмотки статора по (8.172), (8.173):

Относительное значение

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора по (8.152)

где по табл. 8.24 (см. рис. 8.50, е)

где h2 = hп.к - 2bиз = 30,2 - 2·0,4 = 29,4 мм; b1 = 9,7 мм; hк = 0,5(b1 - bш) = 0,5(9,7 - 3,7) = 3 мм; h1 = 0 (проводники закреплены пазовой крышкой); kв = kв = 1; lд = lд = 0.23 м по (8.154);

по (8.159)

для вск = 0 и tz2/tz1 = 1.15 по рис. 8.51, д kск = 1,1].

Относительное значение

Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора по (8.177)

где по табл. 8.25 (см. рис. 8.52, а, ж)

где (см. рис. 8.52, а, ж)

h0 = h1 + 0.4b2 = 26.68 мм; b1 = 9.6 мм; bш = 1,5 мм; hш = 0,7 мм; hш = 0,3 мм; qс = 249 ммІ;

по (8.178)

так как при закрытых пазах Дz ? 0].

Приводим x2 к числу витков статора по (8.172) и (8.183):

Относительное значение

Расчет потерь.

Потери в стали основные по (8.187)

[p1.0/50 = 2.5 Вт/кг для стали 2013 по табл. 8.26;

по (8.188)

ma = р(Da - ha)halст1kс1хc = р(0.45 - 0.0378)0.0378?0.23?0.97?7.8?10і = 85.2 кг;

по (8.189)

mz1 = hz1bz1срZ1lст1kс1хc = 0,0342·0,0067·60·0,23·0,97·7,8·10і = 23,92 кг;

kда = 1,6; kдz = 1.8 (см. §8.10)].

Поверхностные потери в роторе по (8.194)

для bш/д = 3,7/0,8 = 4,625 по рис. 8.53 в02 = 0,27.

Пульсационные потери в зубцах ротора по (8.200)

Bz2ср = 1,8 Тл из п. 37 расчета; г1 = 2,22 из п. 35 расчета;

по (8.201)

mz2 = Z2hz2bz2срlст2kc2гc = 52?0.0325?0.0081?0.23?0.97?7800 = 23.82 кг;

hz2 = 32,5 мм из п. 37 расчета; bz2 = 8,1 мм из п. 32 расчета.

Сумма добавочных потерь в стали по (8.202)

Рст.доб = Рпов1 + Рпул1 + Рпов2 + Рпул2 = 56,8 + 160,6 = 217,4 Вт.

Полные потери в стали по (8.203)

Рст = Рст.осн + Рст.доб = 1261 + 217,4 = 1487,4 Вт.

Механические потери по (8.210)

Рмех = Кт(n/10)ІD№a = 0.715(1500/10)І0.45№ = 660 Вт

(для двигателей с 2р = 4 коэффициент Кт = 1,3(1 - Dа) = 0,715).

Холостой ход двигателя:

по (8.217)

Расчет рабочих характеристик.

Параметры:

по (8.184)

[используем приближенную формулу, так как |г| < 1°:

Активная составляющая тока синхронного холостого хода:

по (8.226)

Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения,

Рст + Рмех = 1478,4 + 660 = 2138,4 Вт.

Рассчитываем рабочие характеристики для скольжений s = 0,005; 0.01; 0.015; 0.02; 0.025; 0.03; 0.035; 0.04. Результаты расчета сведены в табл. 1.

Таблица 1. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Р2ном = 90 кВт; U1 = 380/660 В; 2р = 4; Ioa = 1.2 A; Iop = Iм = 20 A; Рст + Рмех = 2,1 кВт;

r1 = 0,089 Ом; г2 = 0,071 Ом; с1 = 1,02; a = 1,04; а = 0,091 Ом; b = 0; b = 0,8 Ом

Рис. 1. Рабочие характеристики спроектированного двигателя с короткозамкнутым ротором

(Р2ном = 90 кВт, 2р = 4, Uном = 380/660 В, I1ном = 80 А, cos цном = 0,916, зном = 0,935, sном = =0,0135).

Таблица 2. Сравнение рабочих характеристик.

Расчет пусковых характеристик.

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

Расчет проводится по формулам табл. 8,30 в целях определения токов в пусковых режимах для дальнейшего учета влияния насыщения на пусковые характеристики двигателя. Подробный расчет приведен для s = 1.

Активное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока [vрасч = 115 ?С, с115=10Їі/20,5 Ом·м, bc/bп=1, f1=50Гц].

по рис. 8.57 для о = 2,05 находим ц = 0,95;

по (8.246)

по (8.253), так как b1/2<hr<h1+b1/2

(по п. 45 расчета гc и r2). Приведенное сопротивление ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока

Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока по рис. 8,58 для о=2,05 цґ=kд=0,72; по табл. 8,25, рис. 8,52, а, ж (см. также п. 47 расчета) и по (8,262)

Пусковые параметры по (8,277) и (8,278)

Расчет токов с учетом влияния эффекта вытеснения тока:

по (8.280) для s = 1

Таблица 3. Расчет токов в пусковом режиме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом влияния эффекта вытеснения тока.

Р2ном = 90 кВт, U1 = 380/660 В, 2р = 4, I1ном = 80 А, I2ном = 76,45 А, х1 = 0,375 Ом, x2 = =0,401 Ом, r1 = 0,089 Ом, г2 = 0,071 Ом, х12п = 27,2 Ом, с1п = 1,014, sном = 0,0135.

Расчет пусковых характеристик с учетом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния.

Расчет 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 учетом влияния вытеснения тока (см. табл. 3). Данные расчета сведены в табл. 4. Подробный расчет приведен для s = 1.

Индуктивное сопротивление обмоток. Принимаем kнас = 1,4:

по (8,263)

По рис. 8,61 для ВФд = 5,08 Тл находим кд = 0,47.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения:

по (8.266)

по (8,272)

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения по (8.274)

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учетом влияния насыщения по (8.275)

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

по (8.271) (см. п. 47 и 58 расчета)

(для закрытых пазов ротора hш2 = hш + hш = 0.7 + 0.3 = 1 мм);

по (8.273)

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учетом влияния насыщения по (8.274)

Приведенное индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом влияния насыщения и вытеснения тока по (8.276)

Расчет токов и моментов:

по (8.280)

Кратность пускового тока с учетом влияния насыщения и вытеснения тока

Кратность пускового момента с учетом влияния насыщения и вытеснения тока по (8.284)

Полученный в расчете коэффициент насыщения

отличается от принятого kнас = 1,4 на 3,6 %.

Для расчета других точек характеристики задаемся kнас, уменьшенным в зависимости от тока I1 (см. табл. 3);

принимаем при

s = 0.8 kнас = 1,3;

s = 0,5 kнас = 1,2;

s = 0,2 kнас = 1,1;

s = 0.1 kнас = 1.

Критическое скольжение определяем после расчета всех точек пусковых характеристик (табл. 4) по средним значениям сопротивлений х1нас и х2онас, соответствующим скольжениям s = 0,2 ч 0,1:

по (8.286)

после чего рассчитываем кратность максимального момента: М*max = 2,4 (см. табл. 4).

Таблица 4. Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния

Р2ном = 90 кВт, U1 = 380/660 В, 2р = 4, I1ном = 80 А, I2ном = 76,45 А, х1 = 0,375 Ом, x2 = =0,401 Ом, r1 = 0,089 Ом, г2 = 0,071 Ом, х12п = 27,2 Ом, с1п = 1,014, sном = 0,0135, СN = =1.021.