0

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.

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, U 1н = 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 k d , равному отношению внутреннего диаметра к внешнему. Значение коэффициента k d в зависимости от числа полюсов выбираем из таблицы 2.2 предварительно k d =0,70 .

Внутренний диаметр статора:

где k d - отношение внутреннего и внешнего диаметра сердечника статора;

D = 0,70 · 0,168 = 0,118м.

Полюсное деление:

где p - число пар полюсов;

Расчетная мощность машины:

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 = 25·10 3 А/м; В δ = 0,88 Тл.

Обмоточный коэффициент предварительно для однослойной обмотки kоб = 0,96.

Коэффициент формы поля:

Расчетная длина машины, м:

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 Z 1 . 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 t z 1 max = 0,012 м; t z 1 min = 0,008 м.

Число пазов статора:

где - минимальное значение зубцового деления статора, м;

Максимальное значение зубцового деления статора, м;

Из полученного диапазона значений выбираем число пазов статора

Число пазов на полюс и фазу:

где m - количество фаз;

Зубцовое деление статора окончательно:

Номинальный ток обмотки статора:

где - номинальное напряжение двигателя, В;

Число эффективных проводников в пазу:

Принимаем число параллельных ветвей а = 1, тогда U п = 48 т.к. обмотка однослойная.

Число витков в фазе:

Обмотку выбираем однослойную концентрическую. Обмотка статора выполняется всыпной из провода круглого поперечного сечения.

Коэффициент распределения:

Обмоточный коэффициент:

k об1 =k y ∙k p ; (2.9)

где k y - коэффициент укорочения шага обмотки статора, принимается k y =1;

k об1 =1∙0,966=0,966

Схема обмотки показана на рисунке 1.

Рисунок 1- Схема однослойной трехфазной обмотки с z 1 =36, m 1 =3, 2p=6, a 1 =1, q 1 =2.

Магнитный поток в воздушном зазоре машины:

Уточненная магнитная индукция в воздушном зазоре:

Предварительно для D а = 0,168 м принимаем = 182∙10 9 .

Плотность тока в обмотке статора:

где - произведение линейной нагрузки на плотность тока, ;

Площадь поперечного сечения эффективного проводника предварительно:

Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ: d эл = 0,95 мм, d из = 1,016 мм, q эл =0,706 мм 2 .

Принимаем предварительно для 2p = 6 B’ z 1 =1,9 Тл; В’ а =1,55 Тл.

По таблице 3.2 /1/ для оксидированной стали марки 2013 принимаем.

Предварительное значение ширины зубца статора:

где - коэффициент заполнения пакета сталью;

Предварительной значение высоты ярма статора:

Размеры паза в штампе принимаем b ш = 3,0 мм; h ш =0,5 мм; β = 45˚.

Предварительное значение высоты паза статора:

Размеры паза статора:

где - высота шлица, м;

- ширина шлица, м;

Уточненное значение высоты паза статора:

Принимаем = 0,1 мм и = 0,2 мм.

Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку:

где - припуск по ширине паза, м.

где - припуск по высоте, мм;

Площадь поперечного сечения пазовой изоляции:

где - толщина изоляции, мм;

S из = 0,25∙10 -3 ∙(2∙1,37∙10 -2 +7,8∙10 -3 +5,9∙10 -3)=1,032∙10 -5 м 2 .

Свободная площадь паза, :

Критерием оценки результатов выбора размеров паза является значение коэффициента заполнения свободной площади паза обмоточным проводом:

где - среднее значение диаметра изолированного провода, мм;

Полученное значение коэффициента заполнения допустимо для механизированной укладки обмотки.

Уточненное значение ширины зубца:

Среднее значение ширины зубца статора:

Расчетное значение ширины зубца статора:

Расчетная высота зубца статора:

Уточненное значение высоты ярма статора:

3 Выбор воздушного зазора

Для двигателей мощностью менее 20 кВт, размер воздушного зазора находят по формуле 3.1.

Округлим значения до 0,05 мм δ=0,35 мм.

4 Расчет короткозамкнутого ротора

Для 2p = 6 и Z 1 = 36 выбираем число пазов ротора Z 2 = 28.

Наружный диаметр ротора:

D 2 = 0,118 - 2∙0,35∙10 -3 =0,1173 м.

Зубцовое деление ротора:

Для 2p = 6 и h = 100 мм принимаем K B =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:

d в = 0,23·0,168 = 0,0386 м.

Коэффициент приведения токов:

где - коэффициент скоса пазов;

Величина скоса: b ск =t 1 =0.01.

Скос пазов в долях зубцового деления ротора:

Центральный угол скоса пазов:

Коэффициент скоса:

Предварительное значение тока в обмотке ротора:

Плотность тока в стержнях обмотки ротора принимаем J 2 = 3.05∙10 6 А/м 2 .

Площадь поперечного сечения стержня:

q c = 255.12/3.05·10 6 = 8,36∙10 -5 м 2.

Для ротора выбираем полузакрытые пазы.

Размеры паза в штампе: принимаем b ш =1 мм; h ш2 = 0,5 мм.

Для 2p = 6; B z2 = 1,8 Тл.

Размеры паза ротора:

где - высота шлица, м;

Высота перемычки над пазом, м;

Принимаем b 21 = 5,8∙10 -3 м, b 22 = 1,6∙10 -3 м;

Уточненное сечение стерня:

Высота паза, мм:

Уточняем ширину зубцов ротора:

Расчетная ширина зубца:

Ток кольца короткозамкнутого ротора:

Площадь поперечного сечения кольца:

Средняя высота кольца:

Ширина короткозамыкающего кольца:

Средний диаметр кольца:

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:

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения ротора:

Результирующий коэффициент воздушного зазора:

Магнитное напряжение воздушного зазора:

Расчетная индукция в зубцах статора:

Расчетная индукция в зубцах ротора:

Выбираем сталь марки - 2013. Для 1,88 Тл принимаем H z1 = 1970 А/м, для 1,79 Тл принимаем H z2 = 1480 А/м.

Магнитное напряжение зубцовых зон:

Коэффициент насыщения зубцовой зоны:

Полученное значение коэффициента насыщения зубцовой зоны находится в допустимых пределах.

Индукция в ярме статора:

Высота ярма ротора:

Т.к. 2р=6, то расчетная высота ярма ротора h ’ a 2 = h a 2 .

Для 1 = 1,56 Тл принимаем H a 1 = 654 А/м; для 2 = 1,06 Тл принимаем H a 2 = 206 А/м.

Длина магнитной силовой линии в ярме статора и ротора:

Магнитное напряжение ярма статора:

где - напряженность поля в ярме статора, А/м;

Магнитное напряжение на пару полюсов:

Коэффициент насыщения магнитной цепи:

Намагничивающий ток:

Относительное значение намагничивающего тока:

Главное индуктивное сопротивление:

где E = k e U нф =0,948∙230=218,04 В ;

Главное индуктивное сопротивление в относительных единицах:

6 Параметры рабочего режима

6.1 Активные сопротивления обмоток ротора и статора

Средняя ширина катушки обмотки статора:

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:

Длина лобовой части обмотки статора:

Средняя длина витка обмотки статора:

Для обмотки статора, выполненной из медных проводников, и расчетной температуры принимаем

Активное сопротивление обмотки статора:

где - удельное сопротивление материала обмотки при расчетной температуре, ;

Для короткозамкнутого ротора, выполненного из алюминия, и расчетной температуры принимаем

Активное сопротивление стержня обмотки ротора:

где k r - коэффициент увеличения активного сопротивления стержня вследствие вытеснения тока, принимаем k r =1 ;

l c т = l 2 - длина стержня;

Сопротивление участка замыкающего кольца, заключенного между двумя соседними стержнями:

Сопротивление фазы ротора:

Активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора, приведенное к числу витков обмотки статора:

где - коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора;

6.2 Индуктивные сопротивления рассеяния асинхронного двигателя

Относительный шаг обмотки β=1, k β = k’ β = 1.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмоток статора:

Коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния:

Для выбранной конфигурации пазов статора:

где - скос пазов, выраженный в долях зубцового деления ротора, β ск =0,76;

k ’ ск - коэффициент зависящий от t 2 / t 1 и β ск , принимаем k ’ ск = 1,85;

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

Коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния короткозамкнутого ротора:

где - коэффициент проводимости;

h ’ ш2 = 0;

Коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния короткозамкнутой обмотки ротора:

Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора:

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора:

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенное к числу витков статора:

Базисное сопротивление:

Параметры асинхронного двигателя в относительных единицах:

Коэффициент учета влияния скоса пазов:

Индуктивное сопротивления рассеяния машины с учетом скоса пазов:

Уточненное значение коэффициента k e :

Разница между k e и k ’ e , (k e - k ’ e )%=((0,948-0,938)/0,948)∙100%=1,1 %.

7 Расчет потерь мощности в режиме холостого хода

Масса стали зубцов статора:

Масса стали ярма статора:

Для стали 2013 принимаем.

Для машин мощностью меньше 250 кВт принимают.

Основные потери в спинке статора:

где - удельные потери в стали, Вт/кг;

Основные потери в зубцах статора:

Основные потери в стали статора:

Принимаем, k 01 =1,6 , k 02 =1,6 .

Амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов:

Поверхностные потери на статоре:

k 01 - коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов статора на удельные потери;

Поверхностные потери на роторе:

k 02 - коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов ротора на удельные потери;

Масса стали зубцов ротора:

Амплитуда пульсаций средних значений магнитной индукции в зубцах:

Пульсационные потери мощности в зубцах статора:

Пульсационные потери в зубцах ротора:

Общие добавочные потери в стали:

Полные потери мощности в стали:

Механические потери:

где k мех - коэффициент трения, для двигателей с 2p=6

Электрические потери в обмотке статора при холостом ходе:

Активная составляющая тока холостого хода двигателя:

Ток холостого хода:

Коэффициент мощности в режиме холостого хода:

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:

Расчетные значения параметров схемы замещения:

Сопротивления короткого замыкания равны:

Добавочные потери:

Механическая мощность на валу двигателя:

Сопротивления схемы замещения:

Полное сопротивление рабочего контура схемы замещения:

Номинальное скольжение:

Номинальная частота вращения ротора:

Активная и реактивная составляющие тока статора при синхронном

вращении ротора:

Расчетный ток ротора:

Активная и реактивная составляющие тока статора:

Фазный ток статора:

Коэффициент мощности:

Потери мощности в обмотках статора и ротора:

Суммарные потери мощности в двигателе:

Потребляемая мощность:

Коэффициент полезного действия:

Рассчитываем рабочие характеристики для мощности: 0,25∙Р 2н; 0,5∙Р 2н; 0,75∙Р 2н 0,9∙Р 2н; 1,0∙Р 2н; 1,25∙Р 2н. Результаты расчета сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Рабочие характеристики двигателя

	Расчетные величины	Мощность Р 2 , Вт .
	Р доб , Вт .
	Р ’ 2 , Вт .
	R н , Ом .
	Z н , Ом.
	s н , о.е.
	I 2 ’’ , A.
	I 1a , A.
Продолжение таблицы 1
	I 1p , A.
	I 1 , A.
	Р сум , Вт .
	Р 1 , Вт .
	η , о.е.
	n , об/мин.

Рисунок 3 - Рабочие характеристики спроектированного двигателя

9 Расчет пусковых характеристик

Высота стержня в пазу ротора:

Приведенная высота стержня:

Для принимаем, .

Глубина проникновения тока в стержень:

Ширина паза ротора на расчетной глубине проникновения тока в стержень:

Площадь поперечного сечения стержня на расчетной глубине проникновения тока:

Расчетный коэффициент увеличения сопротивления стержня:

Коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки ротора в результате эффекта вытеснения тока:

Приведенное сопротивление ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока:

Уменьшение коэффициента магнитной проводимости пазового рассеяния:

Коэффициент изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока:

Значение индуктивного сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенного к обмотке статора, с учетом эффекта вытеснения тока:

Коэффициент рассеяния статора в режиме пуска:

Коэффициент сопротивления статора:

Параметры схемы замещения в режиме пуска:

Полное пусковое сопротивление:

Предварительное значение тока ротора при пуске с учетом влияния насыщения:

где K н - коэффициент насыщения, предварительно примем K н =1,6;

Расчетная намагничивающая сила пазов статора и ротора:

Эквивалентное раскрытие паза:

Уменьшение проводимости пазового рассеяния:

где ∆ b ш1 = b 12 - b ш1 =2,735 мм ;

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния:

Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния:

Расчетное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора:

Расчетное индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, приведенное к обмотке статора, с учетом насыщения и вытеснения тока:

Сопротивление с учетом насыщения и вытеснения при пуске:

Расчетный ток ротора при пуске:

Активная и реактивная составляющие тока статора при пуске:

Ток статора при пуске:

Кратность пускового тока:

Пусковой момент:

Кратность пускового момента:

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
	φ ’
	h r , м.
	b r , м .
	q r , м 2 .
	r’ 2ξ , Ом.
	r” 2ξ , Ом .
	Z nξ , Ом .
	I” 2n , A .
	I” 2n н , A .
	F n , H .
	∆ b ш2 , мм .
	∆λ n1
	∆λ n2
	λ n1. н
Продолжение таблицы 2
	λ n 2ξ.н
	λ d1. н
	λ d 2 . н
	x” 1 н , Ом .
	x” 2ξн , Ом .
	R n , Ом .
	Х n , Ом .
	Z nξ .н , Ом .
	I” 2n н , A .
	I n .а . , A .
	I n .р . , A .
	I 1 n , A .
	М n , Н∙м .

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:

где - коэффициент увеличения потерь;

Электрические потери в лобовой части обмотки статора:

Расчетный периметр поперечного сечения паза статора:

Для изоляции класса нагревостойкости В принимаем. принимаем.

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора:

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:

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:

где b из.л - односторонняя толщина изоляции лобовой части одной катушки;

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри двигателя:

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя:

Для h = 100 мм. принимаем. Для принимаем.

Эквивалентная поверхность охлаждения корпуса:

где - условный периметр поперечного сечения ребер корпуса двигателя;

Сумма потерь в двигателе:

Сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя:

Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды:

Среднее значение превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды:

Для двигателей с и h =100 мм. принимаем.

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

Требуемый для охлаждения расход воздуха:

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором:

Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.

11 Конструирование двигателя

Одновременно со стержнями и замыкающими кольцами отливаются вентиляционные лопатки, b л =3 мм ., N л =9 шт. , l л =30 мм. , h л =15мм. .

Станина выполняется из алюминиевого сплава с продольно поперечным оребрением, b ст =4 мм. . Сверху прилитое выводное устройство.

Высота ребра:

Число ребер на четверть поверхности статора:

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:

где D корп = D a +2∙ b ст =0,168+2∙4∙10 -3 =0,176 м. ;

Ширина лопаток вентилятора:

Число лопаток вентилятора:

Длительно передаваемый момент:

Согласно полученному моменту выбираем размеры вала: d 1 =24 мм.; l 1 =50мм.; b 1 =8 мм .; h 1 =7 мм .; t =4,0 мм .; d 2 =25 мм .; d 3 =32 мм ..

По выбранному диаметру под подшипник вала d 2 =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 P 2 = 2,2 кВт , номинальное напряжение 230/400 В, число полюсов 2 p = 6 , частота вращения n =1148 об/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: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.

Архангельский государственный технический университет

Кафедра электротехники и энергетических систем

Факультет ПЭ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине

"Электрические аппараты и машины"

На тему "Проектирование асинхронного двигателя"

Корельский Вадим Сергеевич

Руководитель проекта

Ст. преподаватель Н.Б. Баланцева

Архангельск 2010

на проект трехфазного асинхронного двигателя c короткозамкнутым ротором

Выдано студенту III курса 1 группы факультета ОСП-ПЭ

Выполнить расчет и конструктивную разработку асинхронного двигателя со следующими данными:

Мощность Р н, кВт ……………………………………………..………… 15

Напряжение U н, В ……………………………………………….… 220/380

Частота вращения n, мин -1 (об/мин) ………………………………… 1465

Кпд двигателя η …………………………………………...………… 88,5%

Коэффициент мощности cos φ ……………………………..………… 0,88

Частота тока f, Гц …………………………………………………..…… 50

Кратность пускового тока I п /I н ………………………………………… 7,0

Кратность пускового момента М п /М н ………………………………… 1,4

Кратность максимального момента М макс /М н ………………………… 2,3

Конструкция ……………………………………………..………… IМ1001

Режим работы ………………………………………………… длительный

Дополнительные требования..…………………… двигатель 4А160S4У3

Задание выдано " … " ……………….. 2009 г.

Руководитель проекта…………………………

1. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ

2. РАСЧЁТ СТАТОРА

2.1 Определение , и площади поперечного сечения провода обмотки статора

2.2 Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

3. РАСЧЁТ РОТОРА

4. РАСЧЁТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

5. ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО РЕЖИМА

6. РАСЧЁТ ПОТЕРЬ

7. РАСЧЁТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ

8. РАСЧЁТ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ

8.1 Расчет токов с учетом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния

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

9. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Корельский В.С. Проектирование асинхронного электрического двигателя. Руководитель – старший преподаватель Баланцева Н.Б.

Курсовой проект. Пояснительная записка объёмом 49 страница содержит 7 рисунков, 3 таблицы, 2 источника, графическую часть на формате А1.

Ключевые слова: асинхронный электрический двигатель, статор, ротор.

Цель курсового проекта – приобретение практических навыков в проектировании электрических аппаратов.

На основании списка источников и технического задания выбраны главные размеры, рассчитана обмотка статора, ротор, магнитная цепь асинхронного двигателя серии 4А исполнения по степени защиты IP44, с короткозамкнутым ротором с чугунными станиной и подшипниковыми щитами, с высотой оси вращения 160 мм, с меньшим установочным размером по длине станины (S), двух полюсной (

), климатического исполнения У, категории размещения 3. Также вычислены параметры рабочего режима, потери, рабочие и пусковые характеристики без учёта и с учётом насыщения. Проведён тепловой расчёт.

1. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ

1.1 Согласно таблице 9.8 (стр. 344) при высоте оси вращения

мм. принимаем внешний диаметр статора , м м

1.2 Принимая, что размеры пазов не зависят от числа полюсов машины, получим приближенное выражение внутреннего диаметра статора, м.

, (1)

где K D – коэффициент, характеризующий отношение внутреннего и наружного диаметров сердечника статора асинхронной машины серии 4А. При числе полюсов p =4, по таблице 9.9 ; принимаем K D = 0,68

1.3 Полюсное деление

, м (2) м

1.4 Расчетная мощность, ВА.

, (3)

где P 2 – мощность на валу двигателя, P 2 =15∙10 3 Вт;

k E – отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, которое приближенно определяем по рис. 9.20 Принимаем

k E = 0,975;

1.5 Электромагнитные нагрузки предварительно определяем по рис 9.22б, (стр. 346 ), в зависимости от высоты оси вращения h = 160 мм и степени защиты двигателя IP44 откуда

А/м, Тл

1.6 Обмоточный коэффициент (предварительно для однослойной обмотки при 2р =4) принимаем

1.7 Расчетная длина магнитопровода l δ , м

, (4) - коэффициент формы поля (принимаем предварительно) , ; - синхронная угловая частота двигателя, рад/с; (5) рад/с, м

1.8 Значение отношения

. Критерий правильности выбора главных размеров - отношение расчетной длины магнитопровода к полюсному делению (6) находится в допустимых пределах (рис. 9.25 а стр. 348 )

2. РАСЧЁТ СТАТОРА

2.1 Определение

, и площади поперечного сечения провода обмотки статора

1.1 Предельные значения зубцового деления статора

, мм, определяем согласно рисунку 9.26 мм; мм.

2.1.2 Число пазов статора

, определяем по формулам (7) ,

Принимаем Z 1 =48, тогда число пазов на полюс и фазу:

(8)
является целым числом. Обмотка однослойная.

2.1.3 Зубцовое деление статора (окончательно)

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электрические машины

Курсовой проект

«Проектирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором»

Техническое задание

Спроектировать асинхронный трёхфазный двигатель с короткозамкнутым ротором:

Р = 15 кВт, U = 220/380 В, 2р = 2;

n = 3000 об/мин, = 90%, cos = 0,89, S НОМ = 3%;

h=160 М п / М н =1,8, М max / М н =2,7, I п / I н = 7;

конструктивное исполнение IM1001;

исполнение по способу защиты IP44;

способ охлаждения IC0141;

климатическое исполнение и категория размещения У3;

класс нагревостойкости изоляции F.

режим работы S1

Определение основных геометрических размеров

1. Предварительно выбираем высоту оси вращения по рис. 8.17, а (здесь и далее все формулы, таблицы и рисунки из ) h = 150 мм.

Из табл. 8.6 принимаем ближайшее меньшее значение h = 132 мм и а = 0,225 м (D а - наружный диаметр статора).

2. Определяем внутренний диаметр статора:

D=K D D а =0,560,225=0,126 (м)

K D - коэффициент пропорциональности, определяемый по табл. 8.7.

3. Полюсное деление

м

где 2p - число пар полюсов.

4. Определяем расчетную мощность:

P = (P 2 k Е)/(cos)

k Е - отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, определяем по рис. 8.20, k Е = 0,983

- КПД асинхронного двигателя, по рис. 8.21,a , = 0,89 , cos = 0,91

P 2 - мощность на валу двигателя, Вт

P = (1510 3 0,983) / (0,890,91) = 18206 (Вт)

5. Определяем электромагнитные нагрузки (предварительно) по рис. 8.22, б:

Линейная нагрузка (отношение тока всех витков обмотки к длине окружности) А = 25,310 3 (А/м)

Индукция в воздушном зазоре B= 0,73 (Тл)

6. Предварительный обмоточный коэффициент выбираем в зависимости от типа обмотки статора. Для однослойных обмоток k О1 = 0,95 0,96.

Примем k О1 = 0,96.

7. Расчетная длина воздушного зазора определяется по формуле:

= P / (k В D 2 k О 1 AB)

k В - коэффициент формы поля, предварительно принимают равным

k В = / () = 1,11

- синхронная угловая скорость вала двигателя, рад/с, расчитывается по формуле

рад/с

где 1 - частота питания, Гц

= 18206 / (1,110,126 2 3140,9625,310 3 0,73) = 0,19 (м)

8. Проверяем отношение = / . Оно должно находиться в пределах 0,19 0,87, определяемых по рис. 8.25:

= 0,19 / 0,198 = 0,96

Полученное значение выше рекомендуемых пределов, поэтому принимаем следующую большую из стандартного ряда (табл. 8.6) высоту оси вращения h = 160 мм. Повторяем расчеты по пп. 1-8:

D а = 0,272 (м) P = (1510 3 0,984) / (0,910,89) = 18224 (Вт)

D = 0,560,272 = 0,152 (м) A = 3410 3 (A/м)

= (3,140,152) / 2 = 0,239 (м) B = 0,738 (Тл)

= 18224 / (1,110,152 2 3140,963610 3 0,738) = 0,091 (м)

= 0,091 / 0,239 = 0,38

Расчет обмотки, пазов и ярма статора

Определение Z 1 , 1 и сечения провода обмотки статора

1. Определяем предельные значения зубцового деления 1 по рис. 6-15:

1 max = 18 (мм) 1 min = 13 (мм)

2. Предельные значения числа пазов статора определяем по следующим формулам

Принимаем 1 = 36, тогда q = Z 1 / (2pm), где m - число фаз

q = 36 / (23) = 6

Обмотка однослойная.

3. Окончательно определяем зубцовое деление статора:

м = 1410 -3 м

4. Находим число эффективных проводников в пазу (предварительно, при условии, что параллельные ветви в обмотке отсутствуют (а=1)):

u =

I 1H - номинальный ток обмотки статора, A, и определяется по формуле:

I 1H = P 2 / (mU 1H cos) = 1510 3 / (32200,890,91) = 28,06(A)

u= = 16

5. Принимаем а=2, тогда

u= аu = 216 = 32

6. Получаем окончательные значения:

число витков в фазе обмотки

линейная нагрузка

А/м

поток

Ф = (1) -1

k О1 - окончательное значение обмоточного коэффициента, определяем по формуле:

k О1 = k У k Р

k У - коэффициент укорочения, для однослойной обмотки k У = 1

k Р - коэффициент распределения, определяется из табл. 3.16 для первой гармоники

k Р = 0,957

Ф = = 0,01 (Вб)

индукция в воздушном зазоре

Тл

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

7. Плотность тока в обмотке статора (предварительно):

J 1 = (AJ 1)/ A= (18110 9)/ (33,810 3)= 5,3610 6 (А/м 2)

произведение линейной нагрузки на плотность тока определяется по рис. 8.27, б.

Сечение эффективного проводника (предварительно):

q ЭФ = I 1 H / (aJ 1) = 28,06 / (25,1310 6) = 2,7310 -6 (м 2) = 2,73(мм 2)

Принимаем n ЭЛ = 2, тогда

q ЭЛ = q ЭФ / 2 = 2,73 / 2 = 1,365 (мм 2)

n ЭЛ - число элементарных проводников

q ЭЛ - сечение элементарного проводника

Выбираем обмоточный провод ПЭТВ (по табл. П3.1) со следующими данными:

номинальный диаметр неизолированного провода d ЭЛ = 1,32 мм

среднее значение диаметра изолированного провода d ИЗ = 1,384 мм

площадь поперечного сечения неизолированного провода q ЭЛ = 1,118 мм 2

площадь поперечного сечения эффективного проводника q ЭФ = 1,1182 = 2,236 (мм 2)

9. Плотность тока в обмотке статора (окончательно)

Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Паз статора - по рис. 1, a с соотношением размеров, обеспечивающим параллельность боковых граней зубцов.

1. Принимаем предварительно по табл. 8.10:

значение индукции в зубцах статора B Z1 = 1,9 (Тл) значение индукции в ярме статора B a = 1,6 (Тл), тогда ширина зубца

b Z1 =

k C - коэффициент заполнения сердечника сталью, по табл. 8.11 для оксидированных листов стали марки 2013 k С = 0,97

СТ1 - длина стали сердечников статора, для машин с 1,5 мм

СТ1 = 0,091 (м)

b Z1 = = 6,410 -3 (м) = 6,4 (мм)

высота ярма статора

2. Размеры паза в штампе принимаем:

ширина шлица паза b Ш = 4,0 (мм)

высота шлица паза h Ш = 1,0 (мм) , = 45

высота паза

h П = h a = =23,8 (мм) (25)

ширина нижней части паза

b 2 = = = 14,5 (мм) (26)

ширина верхней части паза

b 1 = = = 10,4 (мм) (27)

h 1 = h П - + = = 19,6 (мм) (28)

3. Размеры паза в свету с учётом припусков на сборку:

для h = 160 250 (мм) b П = 0,2 (мм); h П = 0,2 (мм)

b 2 = b 2 - b П = 14,5 - 0,2 = 14,3 (мм) (29)

b 1 = b 1 - b П = 10,4 - 0,2 = 10,2 (мм) (30)

h 1 = h 1 - h П = 19,6 - 0,2 = 19,4 (мм) (31)

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников:

S П = S ИЗ S ПР

площадь поперечного сечения прокладок S ПР = 0

площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу

S ИЗ = b ИЗ (2h П +b 1 +b 2)

b ИЗ - односторонняя толщина изоляции в пазу, по табл. 3.1 b ИЗ = 0,4 (мм)

S ИЗ = 0,4(223,8+14,5+10,4) = 29 (мм 2)

S П = 0,5(14,3+10,2)19,4 29 = 208,65 (мм 2)

4. Коэффициент заполнения паза:

k З = [(d ИЗ) 2 u n n ЭЛ ] / S П = (1,405 2 402)/ 208,65 = 0,757 (34)

Полученное значение k З для механизированной укладки обмотки чрезмерно велико. Коэффициент заполнения должен находиться в пределах 0,70 0,72 (из табл. 3-12 ). Уменьшим значение коэффициента заполнения увеличив площадь поперечного сечения паза.

Примем B Z1 = 1,94 (Тл) и B a = 1,64 (Тл), что допустимо, так как эти значения превышают рекомендуемые только на 2,5 - 3 %.

5. Повторяем расчет по пп. 1-4.

b Z1 = = 0,0063(м)= 6,3(мм) b 2 = = 11,55 (мм)

h a = = 0,0353(м) = 35,3(мм) b 1 = = 8,46 (мм)

h П = = 24,7 (мм) h 1 = = 20,25 (мм)

b 2 = = 11,75 (мм)

b 1 = = 8,66 (мм)

h 1 = = 20,45 (мм)

S ИЗ = = 29,9 (мм 2)

S П = = 172,7 (мм 2)

k З = = 0,7088 0,71

Размеры паза в штампе показаны на рис. 1 , a .

Расчет обмотки, пазов и ярма ротора

1. Определяем воздушный зазор (по рис. 8.31): = 0,8 (мм)

2. Число пазов ротора (по табл. 8.16): Z 2 = 28

3. Внешний диаметр:

D 2 = D2 = 0,15220,810 -3 = 0,150 (м) (35)

4. Длина магнитопровода ротора 2 = 1 = 0,091 (м)

5. Зубцовое деление:

t 2 = (D 2)/ Z 2 = (3,140,150)/ 28 = 0,0168 (м) = 16,8 (мм) (36)

6. Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник непосредственно насажен на вал:

D J = D В = k В D а = 0,230,272 = 0,0626 (м) 60 (мм) (37)

Значение коэффициента k В взято из табл. 8.17: k В = 0,23

7. Предварительное значение тока в стержне ротора:

I 2 = k i I 1 i

k i - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение I 1 / I 2 . k i = 0,2+0,8cos = 0,93

i - коэффициент приведения токов:

i = (2m 1 1 k O 1) / Z 2 = (23960,957) / 28 = 19,7

I 2 = 0,9328,0619,7 = 514,1 (А)

8. Площадь поперечного сечения стержня:

q С = I 2 / J 2

J 2 - плотность тока в стержнях ротора, при заливке пазов алюминием выбирается в пределах

J 2 = (2,53,5)10 6 (А/м 2)

q C = 514,1 / (3,510 6) = 146,910 -6 (м 2) = 146,9 (мм 2)

9. Паз ротора - по рис. 1. б. Проектируем грушевидные закрытые пазы с размерами шлица b Ш = 1,5 мм и h Ш = 0,7 мм. Высоту перемычки над пазом выбираем равной h Ш = 1 мм.

Допустимая ширина зубца

b Z2 = = = 7,010 -3 (м) = 7,0 (мм) (41)

B Z2 - индукция в зубцах ротора, по табл. 8.10 B Z2 = 1,8 (Тл)

Размеры паза

b 1 ===10,5 (мм)

b 2 = = = 5,54 (мм) (43)

h 1 = (b 1 - b 2)(Z 2 / (2)) = (10,5 - 5,54)(28/6,28) = 22,11 (мм) (44)

Принимаем b 1 = 10,5 мм, b 2 = 5,5 мм, h 1 = 22,11 мм.

10. Уточняем ширину зубцов ротора

b Z2 = = 9,1 (мм)

b Z2 = = 3,14 9,1 (мм)

b Z2 = b Z2 9,1 (мм)

Полная высота паза:

h П 2 = h Ш + h Ш +0,5b 1 +h 1 +0,5b 2 = 1+0,7+0,510,5+22,11+0,55,5 = 31,81 (мм)

Сечение стержня:

q C = (/8)(b 1 b 1 +b 2 b 2)+0,5(b 1 +b 2)h 1 =

(3,14/8)(10,5 2 +5,5 2)+0,5(10,5+5,5)22,11 = 195,2 (мм 2)

11. Плотность тока в стержне:

J 2 = I 2 / q C = 514,1 / 195,210 -6 = 3,4910 6 (А/м 2)

12. Короткозамыкающие кольца. Площадь поперечного сечения:

qКЛ = IКЛ / JКЛ

JКЛ - плотность тока в замыкающих кольцах:

JКЛ = 0,85J2 = 0,853,49106 = 2,97106 (А/м2) (51)

IКЛ - ток в кольцах:

IКЛ = I2 /

= 2sin = 2sin = 0,224 (53)

IКЛ = 514,1 / 0,224 = 2295,1 (A)

qКЛ = 2295 / 2,97106 = 772,710-6 (м2) = 772,7 (мм2)

13. Размеры замыкающих колец:

hКЛ = 1,25hП2 = 1,2531,8 = 38,2 (мм) (54)

bКЛ = qКЛ / hКЛ = 772,7 / 38,2 = 20,2 (мм) (55)

qКЛ = bКЛhКЛ = 38,2 20,2 = 771,6 (мм2) (56)

DК. СР = D2 - hКЛ = 150 - 38,2 = 111,8 (мм) (57)

Расчет магнитной цепи

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

1. Магнитное напряжение воздушного зазора:

F= 1,5910 6 Bk, где (58)

k- коэффициент воздушного зазора:

k= t 1 /(t 1 -)

= = = 2,5

k= = 1,17

F= 1,5910 6 0,7231,170,810 -3 = 893,25 (A)

2. Магнитное напряжение зубцовых зон:

статора

F Z1 = 2h Z1 H Z1

h Z1 - расчетная высота зубца статора, h Z1 = h П1 = 24,7 (мм)

H Z1 - значение напряженности поля в зубцах статора, по таблице П1.7 при B Z1 = 1,94 (Тл) для стали 2013 H Z1 = 2430 (А/м)

F Z1 = 224,710 -3 2430 = 120 (A)

расчетная индукция в зубцах:

B Z1 = = = 1,934 (Тл)

так как B Z1 1,8 (Тл), необходимо учесть ответвление потока в паз и найти действительную индукцию в зубце B Z1 .

Коэффициент k ПХ по высоте h ZX = 0,5h Z:

k ПХ =

b ПХ = 0,5(b 1 +b 2)= 0,5(8,66+11,75) = 12,6

k ПХ = = 2,06

B Z1 = B Z1 - 0 H Z1 k ПХ

Принимаем B Z1 = 1,94 (Тл), проверяем соотношение B Z1 и B Z1:

1,94 = 1,934 - 1,25610 -6 24302,06 = 1,93

ротора

F Z2 = 2h Z2 H Z2

h Z2 - расчетная высота зубца ротора:

h Z2 = h П2 - 0,1b 2 = 31,8- 0,15,5 = 31,25 (мм)

H Z2 - значение напряженности поля в зубцах ротора, по таблице П1.7 при B Z2 = 1,8 (Тл) для стали 2013 H Z2 = 1520 (А/м)

F Z2 = 231,25 10 -3 1520 = 81,02 (A)

индукция в зубце

B Z2 = = = 1,799 (Тл) 1,8 (Тл)

3. Коэффициент насыщения зубцовой зоны

k Z = 1+= 1+= 1,23

4. Магнитное напряжение ярма:

статора

F a = L a H a

L a - длина средней магнитной линии ярма статора, м:

L a = = = 0,376 (м)

H a - напряженность поля, по таблице П1.6 при B a = 1,64 (Тл) H a = 902 (А/м)

F a = 0,376902 = 339,2 (A)

B a =

h a - расчетная высота ярма статора, м:

h a = 0,5(D a - D) - h П 1 = 0,5(272 - 152) - 24,7 = 35,3 (мм)

B a = = 1,6407 (Тл) 1,64 (Тл)

ротора

F j = L j H j

L j - длина средней магнитной линии потока в ярме ротора:

L j = 2h j

h j - высота спинки ротора:

h j = - h П2 = - 31,8 = 13,7 (мм)

L j = 213,7 10 -3 = 0,027 (м)

B j =

h j - расчетная высота ярма ротора, м:

h j = = = 40,5 (мм)

B j = = 1,28 (Тл)

H j - напряженность поля, по таблице П1.6 при B j = 1,28 (Тл) H j = 307 (А/м)

F j = 0,027307 = 8,29 (А)

5. Суммарное магнитное напряжение магнитной цепи на пару полюсов:

F Ц = F+F Z1 +F Z2 +F a +F j = 893,25+120+81,02+339,2+8,29= 1441,83 (A)

6. Коэффициент насыщения магнитной цепи:

k = F Ц / F= 1441,83/893,25 = 1,6

7. Намагничивающий ток:

I = = = 7,3 (A)

относительное значение

I = I / I 1H = 7,3 / 28,06 = 0,26

Расчет параметров асинхронной машины для номинального режима

1. Активное сопротивление фазы обмотки статора:

r 1 = 115

115 - удельное сопротивление материала обмотки при расчетной температуре, Омм. Для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура равна 115 градусам. Для меди 115 = 10 -6 /41 Омм.

L 1 - общая длина эффективных проводников фазы обмотки статора, м:

L 1 = СР1 1

СР1 - средняя длина витка обмотки статора, м:

СР1 = 2(П1 + Л1)

П1 - длина пазовой части, П1 = 1 = 0,091 (м)

Л1 - лобовая часть катушки

Л1 = K Л b КТ +2В

K Л - коэффициент, значение которого берётся из таблицы 8.21: K Л = 1,2

В - длина вылета прямолинейной части катушки из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части, м. Принимаем В = 0,01.

b КТ - средняя ширина катушки, м:

b КТ = 1

1 - относительное укорочение шага обмотки статора, 1 = 1

b КТ = = 0,277 (м)

Л1 = 1,20,277+20,01 = 0,352 (м)

СР1 = 2(0,091+0,352) = 0,882 (м)

L 1 = 0,88296 = 84,67 (м)

r 1 = = 0,308 (Ом)

Длина вылета лобовой части катушки

ВЫЛ = K ВЫЛ b КТ +В = 0,260,277+0,01= 0,08202 (м)= 82,02 (мм) (90)

По таблице 8.21 K ВЫЛ = 0,26

Относительное значение

r 1 = r 1 = 0,308= 0,05

2. Активное сопротивление фазы обмотки ротора:

r 2 = r C +

r C - сопротивление стержня:

r C = 115

для литой алюминиевой обмотки ротора 115 = 10 -6 / 20,5 (Омм).

r C = = 22,210 -6 (Ом)

r КЛ - сопротивление участка замыкающего кольца, заключенного между двумя соседними стержнями

r КЛ = 115 = = 1,0110 -6 (Ом) (94)

r 2 = 22,210 -6 + = 47,110 -6 (Ом)

Приводим r 2 к числу витков обмотки статора:

r 2 = r 2 = 47,110 -6 = 0,170 (Ом) (95)

Относительное значение:

r 2 = r 2 = 0,170= 0,02168 0,022

3. Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

х 1 = 15,8(П1 + Л1 + Д1) , где (96)

П1 - коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния:

П1 =

h 2 = h 1 - 2b ИЗ = 20,45 - 20,4 = 19,65 (мм)

b 1 = 8,66 (мм)

h K = 0,5(b 1 - b) = 0,5(8,66 - 4) = 2,33 (мм)

h 1 = 0 (проводники закреплены пазовой крышкой)

k = 1 ; k = 1 ; = = 0,091 (м)

П1 = = 1,4

Л1 - коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния:

Л1 = 0,34(Л1 - 0,64) = 0,34(0,352 - 0,640,239)= 3,8

Д1 - коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния

Д1 =

= 2k СК k - k O1 2 (1+ СК 2)

k = 1

СК = 0 , так как отсутствует скос пазов

k СК определяем по кривым рис. 8.51 ,д в зависимости от t 2 /t 1 и СК

= = 1,34 ; СК = 0 ; k СК = 1,4

= 21,41 - 0,957 2 1,34 2 = 1,15

Д1 = 1,15 = 1,43

х 1 = 15,8(1,4+3,8+1,43) = 0,731 (Ом)

Относительное значение

х 1 = х 1 = 0,731= 0,093

4. Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора:

х 2 = 7,9 1 (П2 + Л2 + Д2 + СК)10 -6 (102)

П2 = k Д +

h 0 = h 1 +0,4b 2 = 17,5+0,45,5 = 19,7 (мм)

k Д = 1

П2 = = 3,08

Л2 = = = 1,4

Д2 =

= = = 1,004

так как при закрытых пазах Z 0

Д2 = = 1,5

х 2 = 7,9500,091(3,08+1,4+1,5)10 -6 = 21510 -6 (Ом)

Приводим х 2 к числу витков статора:

х 2 = х 2 = = 0,778 (Ом)

Относительное значение

х 2 = х 2 = 0,778= 0,099 (108)

Расчёт потерь мощности

1. Потери в стали основные:

P СТ. ОСН. = P 1,0/50 (k Да B a 2 m a +k ДZ B Z1 2 +m Z1)

P 1,0/50 - удельные потери при индукции 1 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц. По табл. 8.26 для стали 2013 P 1,0/50 = 2,5 (Вт/кг)

m a - масса стали ярма статора, кг:

m a = (D a - h a)h a k C1 C =

= 3,14(0,272 - 0,0353)0,03530,0910,977,810 3 = 17,67 (кг)

С - удельная масса стали; в расчётах принимают С = 7,810 3 (кг/м 3)

m Z1 - масса стали зубцов статора, кг:

m Z1 = h Z1 b Z1 СР. Z 1 CT 1 k C 1 C =

= 24,710 -3 6,310 -3 360,0910,977,810 3 = 3,14 (кг) (111)

k Да и k ДZ - коэффициенты, учитывающие влияние на потери в стали неравномерности распределения потока по сечениям участков магнитопровода и технологических факторов. Приближенно можно принять k Да = 1,6 и k ДZ = 1,8.

PСТ. ОСН. = 2,51(1,61,64217,67+1,81,93423,14) = 242,9 (Вт)

2. Поверхностные потери в роторе:

PПОВ2 = pПОВ2(t2 - bШ2)Z2СТ2

pПОВ2 - удельные поверхностные потери:

pПОВ2 = 0,5k02(B02t1103)2

B02 - амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов ротора:

B02 = 02

02 зависит от соотношения ширины шлица пазов статора к воздушному зазору. 02 (при bШ1/ = 4/0,5 = 8 по рис. 8.53,б) = 0,375

k02 - коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов ротора на удельные потери. Примем k02 =1,5

B02 = 0,3571,180,739 = 0,331 (Тл)

pПОВ2 = 0,51,5(0,33114)2 = 568 (16,8 - 1,5)24 0,091 = 22,2 (Вт)

3. Пульсационные потери в зубцах ротора:

PПУЛ2 = 0,11mZ2

BПУЛ2 - амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов:

BПУЛ2 = BZ2

mZ2 - масса стали зубцов ротора, кг:

mZ2 = Z2hZ2bZ2СТ2kC2C =

= 2826,6510-39,110-30,0910,977,8103 = 3,59 (кг) (117)

BПУЛ2 = = 0,103 (Тл)

PПУЛ2 = 0,11= 33,9 (Вт)

4. Сумма добавочных потерь в стали:

PСТ. ДОБ. = PПОВ1+PПУЛ1+PПОВ2+PПУЛ2 = 22,2 + 33,9 = 56,1 (Вт

5. Полные потери в стали:

PСТ. = PСТ. ОСН. + PСТ. ДОБ. = 242,9 + 56,1 = 299 (Вт

6. Механические потери:

PМЕХ = KTDa4 = 0,2724 = 492,6 (Вт) (120)

Для двигателей с 2р=2 KT =1.

7. Холостой ход двигателя:

IХ. Х.

IХ.Х.а. =

PЭ1 Х.Х. = mI2r1 = 37,320,308 = 27,4 (Вт)

IХ.Х.а. = = 1,24 (А)

IХ.Х.Р. I = 7,3 (A)

IХ.Х. = = 7,405 (А)

cos хх = IX.X.a / IX.X. = 1,24/4,98 = 0,25

асинхронный трёхфазный двигатель короткозамкнутый ротор

Расчёт рабочих характеристик

1. Параметры:

r 12 = P СТ. ОСН. /(mI 2) = 242,9/(37,3 2) = 3,48 (Ом)

x 12 = U 1H /I - x 1 = 220/7,3 - 1,09 = 44,55 (Ом)

c 1 = 1+x 1 /x 12 = 1+0,731/44,55 = 1,024 (Ом)

= = =

= arctg 0,0067 = 0,38 (23) 1 o

Активная составляющая тока синхронного холостого хода:

I 0a = (P СТ. ОСН. +3I 2 r 1) / (3U 1H) = = 0,41 (A)

a = c 1 2 = 1,024 2 = 1,048

b = 0

a = c 1 r 1 = 1,0240,308 = 0,402 (Ом)

b = c 1 (x 1 +c 1 x 2) = 1,024(0.731+1,0241,12) = 2,51 (Ом)

Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения:

P СТ. +P МЕХ. = 299+492,6 = 791,6 (Вт)

	Расчётные формулы	Размерность	Скольжение S
	Z = (R 2 +X 2) 0,5
	I 1a = I 0a +I 2 cos 2
	I 1p = I 0p +I 2 sin 2
	I 1 = (I 1a 2 +I 1p 2) 0,5
	P 1 = 3U 1 I 1a 10 -3
	P Э 1 = 3I 1 2 r 1 10 -3
	P Э 2 = 3I 2 2 r 2 10 -3
	P ДОБ = 0,005P 1
	P=P СТ +Р МЕХ +P Э1 +Р Э2 +Р ДОБ

Таблица 1. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Р2НОМ = 15 кВт; I0p = I = 7,3 A ; PСТ. +PМЕХ. = 791,6 Вт

U1НОМ = 220/380 В; r1 =0,308 Ом; r2 = 0,170 Ом

2р=2 ; I0a = 0,41 A ; c1 = 1,024 ; a = 1,048 ; b = 0 ;

a = 0,402 (Ом) ; b = 2,51 (Ом)

2. Рассчитываем рабочие характеристики для скольжений

S = 0,005;0,01;0,015

0,02;0,025;0,03;0,035 , принимая предварительно, что SНОМ r2 = 0,03

Результаты расчёта сведены в табл. 1 . После построения рабочих характеристик (рис. 2) уточняем значение номинального скольжения: SН = 0,034.

Номинальные данные спроектированного двигателя:

Р2НОМ = 15 кВт cos НОМ = 0,891

U1НОМ = 220/380 В НОМ = 0,858

I1НОМ =28,5 А

Расчёт пусковых характеристик

Расчет токов с учётом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учёта влияния насы щения от полей рассеяния)

Подробный расчёт приведён для S = 1. Данные расчёта остальных точек сведены в табл. 2.

1. Активное сопротивление обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока:

= 2h C = 63,61h C = 63,610,0255= 1,62 (130)

расч = 115 о С; 115 = 10 -6 /20,5 (Омм) ; b C /b П =1 ; 1 = 50 Гц

h C = h П - (h Ш +h Ш) = 27,2 - (0,7+1) = 25,5 (мм)

- ”приведённая высота” стержня

по рис. 8.57 для = 1,62 находим = 0,43

h r = = = 0,0178 (м)= 17,8 (мм)

так как (0,510,5) 17,8 (17,5+0,510,5):

q r =

h r - глубина проникновения тока в стержень

q r - площадь сечения, ограниченного высотой h r

b r = = 6,91 (мм)

q r = = 152,5 (мм 2)

k r = q C /q r = 195,2 / 152,5 = 1,28 (135)

K R = = 1,13

r С = r C = 22,210 -6 (Ом)

r 2 = 47,110 -6 (Ом)

Приведённое сопротивление ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока:

r 2 = K R r 2 = 1,130,235 = 0,265 (Ом)

2. Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока:

для = 1,62 = kД = 0,86

KX = (П2 +Л2 +Д2)/(П2 +Л2 +Д2)

П2 = П2 - П2

П2 = П2(1- kД) = =

= = 0,13

П2 = 3,08 - 0,13 = 2,95

KX = = 0,98

x2 = KXx2 = 0,980,778 = 0,762 (Ом)

3. Пусковые параметры:

Индуктивное сопротивление взаимной индукции

х 12П = k x 12 = 1,644,55 = 80,19 (Ом) (142)

с 1П = 1+х 1 /х 12П = 1+1,1/80,19 = 1,013 (143)

4. Расчёт токов с учётом влияния эффекта вытеснения тока:

R П = r 1 +c 1 П r 2 /s = 0,308+1,0130,265 = 0,661 (Ом)

	Расчётные формулы	Размерность	Скольжение S
	63,61h C S 0,5
	K R =1+(r C /r 2)(k r - 1)
	R П = r 1 +c 1 П r 2 /s
	X П = x 1 +c 1П x 2
	I 2 = U 1 / (R П 2 +X П 2) 0,5
	I 1 = I 2 (R П 2 + +(X П +x 12 П) 2) 0,5 /(c 1 П x 12 П)

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

Р2НОМ = 15 кВт; U1 = 220/380 B ; 2р=2 ; I1НОМ = 28,5 А;

r2 = 0,170 Ом; х12П = 80,19 Ом; с1П = 1,013 ; SНОМ = 0,034

XП = х1 + с1Пх2 = 0,731+1,0130,762 = 1,5 (Ом)

I2 = U1 / (RП2+ХП2)0,5= 220/(0,6612+1,52)0,5= 137,9 (A)

I1 = I2 (RП2+(ХП+х12П)2)0,5/ (c1Пх12П)=

=137,9(0,6612+(1,5+80,19)2)0,5/(1,01380,19)= 140,8 (A)

Расчет пусковых характеристик с учётом влияния эффекта 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.

Данные расчёта сведены в табл. 3. Подробный расчёт приведён для S=1.

1. Индуктивные сопротивления обмоток. Принимаем k НАС =1,35:

Средняя МДС обмотки, отнесённая к одному пазу обмотки статора:

F П. СР. = = = 3916,4 (А)

C N = = 1,043

Фиктивная индукция потока рассеяния в воздушном зазоре:

B Ф =(F П. СР. /(1,6С N))10 -6 =(3916,410 -6)/(1,60,810 -3 1,043)=5,27(Тл)

для B Ф = 5,27 (Тл) находим к = 0,47

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

сЭ1 = (t1 - bШ1)(1 - к) = (14 - 4)(1 - 0,47) = 6,36

П1 НАС. =((hШ1 +0,58hK)/bШ1)(сЭ1/(сЭ1+1,5bШ1))

hK = (b1 - bШ1)/2 = (10,5 - 4)/2 = 3,25 (153)

П1 НАС. =

П1 НАС. = П1 - П1 НАС. = 1,4 - 0,37 = 1,03

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учётом влияния насыщения:

Д1 НАС. = Д1к = 1,430,47 = 0,672

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учётом влияния насыщения:

х1 НАС. = (х11 НАС.)/ 1 = = 0,607 (Ом)

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

П2. НАС. = (hШ2/bШ2)/(cЭ2/(сЭ2+bШ2))

сЭ2 = (t2 - bШ2)(1 - к) = (16,8 - 1,5)(1 - 0,47) =10,6

hШ2 = hШ +hШ = 1+0,7 = 1,7 (мм)

П2. НАС. =

П2. НАС. = П2 - П2. НАС. = 2,95 - 0,99 = 1,96

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учётом влияния насыщения:

Д2. НАС. = Д2к = 1,50,47 = 0,705

Приведённое индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения:

х2 НАС = (х22 НАС.)/ 2 = = 0,529 (Ом)

с1П. НАС. = 1+ (х1 НАС. /х12 П) = 1+(0,85/80,19) = 1,011

	Расчётные формулы	Размерность	Скольжение S
	BФ =(FП.СР.10-6) / (1,6CN)
	сЭ1 = (t1 - bШ1)(1 - к)
	П1 НАС. = П1 - П1 НАС.
	Д1 НАС. = к Д1
	х1 НАС. = х11 НАС. / 1
	c1П. НАС. = 1+х1 НАС. / х12П
	сЭ2 = (t2 - bШ2)(1 - к)
	П2 НАС. = П2 - П2 НАС.
	Д2 НАС. = к Д2
	х2 НАС. = х22 НАС. /2
	RП. НАС. = r1+c1П. НАС. r2/s
	XП.НАС=х1НАС.+с1П.НАС.х2НАС
	I2НАС=U1/(RП.НАС2+ХП.НАС2)0,5
	I1 НАС=I2 НАС (RП.НАС2+(ХП. НАС+ х12П) 2) 0,5/(c1П. НАСх12П)
	kНАС. = I1 НАС. /I1
	I1 = I1 НАС. /I1 НОМ
	М = (I2НАС/I2НОМ)2КR(sHОМ/s)

Таблица 3 . Расчёт пусковых характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учётом эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния

Р2НОМ = 15 кВт; U1 = 220/380 B ; 2р=2 ; I1НОМ = 28,06 А;

I2НОМ = 27,9 А; х1 = 0,731 Ом; х2 = 0,778 Ом; r1 = 0,308 Ом;

r2 = 0,170 Ом; х12П = 80,19 Ом; СN = 1,043 ; SНОМ = 0,034

2. Расчёт токов и моментов

RП. НАС. = r1+c1П. НАС. r2/s = 0,393+1,0110,265 = 0,661 (Ом) (165)

XП.НАС.=х1НАС.+с1П.НАС.х2НАС. = 1,385 (Ом) (166)

I2НАС.=U1/(RП.НАС2+ХП.НАС2)0,5= 220/(0,6612+1,3852)0,5= 187,6 (A)

I1 НАС. = I2НАС.= = 190,8 (A) (168)

IП = = 6,8

M = = = 1,75

kНАС. = I1 НАС. /I1 = 190,8/140,8 = 1,355

kНАС. отличается от принятого kНАС. = 1,35 менее чем на 3%.

Для расчёта других точек характеристики задаёмся kНАС. , уменьшенным в зависимости от тока I1 . Принимаем при:

s = 0,8 kНАС. = 1,3

s = 0,5 kНАС. = 1,2

s = 0,2 kНАС. = 1,1

s = 0,1 kНАС. = 1,05

Данные расчёта сведены в табл. 3 , а пусковые характеристики представлены на рис. 3 .

3. Критическое скольжение определяем после расчёта всех точек пусковых характеристик (табл. 3) по средним значениям сопротивлений х1 НАС. и х2 НАС. , соответствующим скольжениям s = 0,2 0,1:

sКР = r2 / (x1 НАС. /c1П НАС. +x2 НАС) = 0,265/(1,085/1,0135+1,225)=0,12

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

Тепловой расчёт

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

пов1 =

PЭ. П1 - электрические потери в пазовой части обмотки статора

PЭ. П1= kPЭ1= = 221,5 (Вт)

PЭ1 = 1026 Вт (из табл.1 при s = sНОМ)

k = 1,07 (для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости F)

K = 0,22 (по табл. 8.33)

1 - коэффициент теплоотдачи с поверхности; 1 = 152 (Вт/м 2 С)

пов1 =

2. Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора:

из. п1 =

П П1 = 2h ПК +b 1 +b 2 = 220,45+8,66+11,75 = 66,2 (мм) = 0,0662 (м)

ЭКВ - средняя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции, для класса нагревостойкости F ЭКВ = 0,16 Вт/(мС)

ЭКВ - среднее значение коэффициента теплопроводности, по рис. 8.72 при

d/d ИЗ = 1,32/1,405 = 0,94 ЭКВ = 1,3 Вт/(м 2 С)

из. п1 = = 3,87 (С)

3. Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей:

из. л1=

PЭ. Л1 - эл. потери в лобовой части обмотки статора

PЭ. Л1 = kPЭ1= = 876 (Вт)

ПЛ1 = ПП1 = 0,0662 (м)

bИЗ. Л1 МАХ =0,05

из. л1= = 1,02 (С)

4. Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри двигателя:

пов. л1 = = 16,19 (С)

5. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя

1 = =

= = 24,7 (С)

6. Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды

В =

P В - сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя:

P В = P - (1 - K)(P Э. П1 +P СТ. ОСН.) - 0,9P МЕХ

P - сумма всех потерь в двигателе при номинальном режиме:

P = P +(k - 1)(PЭ1+PЭ2) = 2255+(1,07 - 1)(1026+550) = 2365 (Вт)

PВ = 2365 - (1 - 0,22)(221,5+242,9) - 0,9492,6 = 1559 (Вт)

SКОР - эквивалентная поверхность охлаждения корпуса:

SКОР = (Da+8ПР)(+2ВЫЛ1)

ПР - условный периметр поперечного сечения рёбер корпуса двигателя, для h = 160 мм ПР = 0,32 .

В - среднее значение коэффициента подогрева воздуха, по рис. 8.70,б

В = 20 Вт/м2С.

SКОР = (3,140,272+80,32)(0,091+282,0210-3) = 0,96 (м2)

В = 1559/(0,9620) = 73,6 (C)

7. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды:

1 = 1 +В = 24,7+73,6 = 98,3 (С)

8. Проверка условий охлаждения двигателя:

Требуемый для охлаждения расход воздуха

В =

km = = 9,43

Для двигателей с 2р=2 m= 3,3

В = = 0,27 (м3/с)

Расход воздуха,обеспечиваемый наружным вентилятором

В = = 0,36 (м3/c)

Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах.

Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.

Вывод

Спроектированный двигатель отвечает поставленным в техническом задании требованиям.

Список использованной литературы

1. И.П. Копылов “Проектирование электрических машин” М.: «Энергоатомиздат» , 1993г. ч.1,2.

2. И.П. Копылов “Проектирование электрических машин” М. : “Энергия” , 1980г.

3. А.И. Вольдек “Электрические машины” Л.: “Энергия” , 1978г.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Определение числа пазов статора, витков в фазе обмотки сечения провода обмотки статора. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора. Расчёты основных потерь.

курсовая работа , добавлен 10.01.2011


Данные двигателя постоянного тока серии 4А100L4УЗ. Выбор главных размеров асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Расчет зубцовой зоны и обмотки статора, конфигурация его пазов. Выбор воздушного зазора. Расчет ротора и магнитной цепи.

курсовая работа , добавлен 06.09.2012


Определение главных размеров электродвигателя. Расчёт обмотки, паза и ярма статора. Параметры двигателя для рабочего режима. Расчёт магнитной цепи злектродвигателя, постоянных потерь мощности. Расчёт начального пускового тока и максимального момента.

курсовая работа , добавлен 27.06.2016


Изоляция обмотки статора и короткозамкнутого ротора. Активные и индуктивные сопротивления обмоток. Сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора с овальными закрытыми пазами. Расчет параметров номинального режима работы асинхронного двигателя.

курсовая работа , добавлен 15.12.2011


Расчет параметров обмотки статора и ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Расчет механической характеристики асинхронного двигателя в двигательном режиме по приближенной формуле М. Клосса и в режиме динамического торможения.

курсовая работа , добавлен 23.11.2010


Обмотка статора с трапецеидальными полузакрытыми пазами. Размеры короткозамыкающего кольца, овальных закрытых пазов и магнитной цепи. Сопротивление обмоток преобразованной схемы замещения двигателя. Расчет параметров номинального режима работы.

курсовая работа , добавлен 23.02.2014


Размеры, конфигурация, материал магнитной цепи трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Обмотка статора с трапецеидальными полузакрытыми пазами. Тепловой и вентиляционный расчеты, расчет массы и динамического момента инерции.

курсовая работа , добавлен 22.03.2018


Определение допустимых электромагнитных нагрузок и выбор главных размеров двигателя. Расчет тока холостого хода, параметров обмотки и зубцовой зоны статора. Расчет магнитной цепи. Определение параметров и характеристик при малых и больших скольжениях.

курсовая работа , добавлен 11.12.2015


Режим электромагнитного тормоза асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (противовключение): механические характеристики режима динамического торможения, принципа действия схемы торможения АД: порядок ее работы и назначение органов управления.

лабораторная работа , добавлен 01.12.2011


Электромагнитный расчет трехфазного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Выбор главных размеров, определение числа пазов статора и сечения провода обмотки. Расчет размеров зубцовой зоны статора, ротора, намагничивающего тока.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электропривода и электрического транспорта

Допускаю к защите:

Руководитель__ Клепикова Т.В __

ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К курсовому проекту по дисциплине

«Электрические машины»

096.00.00П3

Выполнил студент группы _ЭАПБ 11-1 ________ __ Нгуен Ван Ву____

Нормоконтроль ___________ _доцент каф.ЭЭТ Клепикова Т.В __

Иркутск 2013

Введение

1. Главные размеры

2 Сердечник статора

3 Сердечник ротора

Обмотка статора

1 Обмотка статора с трапецеидальными полузакрытыми пазами

Обмотка короткозамкнутого ротора

1 Размеры овальных закрытых пазов

2 Размеры короткозамыкающего кольца

Расчет магнитной цепи

1 МДС для воздушного зазора

2 МДС для зубцов при трапецеидальных полузакрытых пазах статора

3 МДС для зубцов ротора при овальных закрытых пазах ротора

4 МДС для спинки статора

5 МДС для спинки ротора

6 Параметры магнитной цепи

Активное и индуктивное сопротивления обмоток

1 Сопротивление обмотки статора

2 Сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора с овальными закрытыми пазами

3 Сопротивление обмоток преобразованной схемы замещения двигателя

Режим холостого хода и номинальный

1 Режим холостого хода

2 Расчет параметров номинального режима работы

Круговая диаграмма и рабочие характеристики

1 Круговая диаграмма

2 Рабочие характеристики

Максимальный момент

Начальный пусковой ток и начальный пусковой момент

1 Активные и индуктивные сопротивления, соответствующие пусковому режиму

2 Начальные пусковые ток и момент

Тепловой и вентиляционный расчеты

1 Обмотка статора

2 Вентиляционный расчет двигателя со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141

Заключение

Список использованных источников

Введение

Электрические машины являются основными элементами энергетических установок, различных машин, механизмов, технологического оборудования, современных средств транспорта, связи и др. Они вырабатывают электрическую энергию, осуществляют высокоэкономичное преобразование ее в механическую, выполняют разнообразные функции по преобразованию и усилению различных сигналов в системах автоматического регулирования и управления.

Электрические машины широко применяются во всех отраслях народного хозяйства. Их преимущества - высокий КПД, достигающий в мощных электрических машинах 95÷99%, сравнительно малая масса и габаритные размеры, а также экономное использование материалов. Электрические машины могут быть выполнены на различные мощности (от долей ватта до сотен мегаватт), частоты вращения и напряжения. Они характеризуются высокой надежностью и долговечностью, простотой управления и обслуживания, удобством подвода и отвода энергии, небольшой стоимостью при массовом и крупносерийном производстве и являются экологически чистыми.

Асинхронные машины - наиболее распространенные электрические машины. В основном они используются как электродвигатели и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

В настоящее время асинхронные электродвигатели потребляют около половины всей вырабатываемой в мире электроэнергии и широко применяются в качестве электропривода подавляющего большинства механизмов. Это объясняется простотой конструкции, надежностью и высоким значением КПД этих электрических машин.

В нашей стране самой массовой серией электрических машин является общепромышленная серия асинхронных машин 4А. Серия включает машины мощностью от 0,06 до 400 кВт и выполнена на 17 стандартных высотах оси вращения. На каждую из высот вращения выпускаются двигатели двух мощностей, отличающиеся по длине. На базе единой серии выпускаются различные модификации двигателей, которые обеспечивают технические требования большинства потребителей.

На базе единых серий выпускаются различные исполнения двигателей, предназначенных для работы в специальных условиях.

Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Техническое задание

Спроектировать асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором: Р=45кВт, U= 380/660 B, n=750 об/мин; конструктивное исполнение IM 1001; исполнение по способу защиты IP44.

1. Магнитная цепь двигателя. Размеры, конфигурация, материал

1 Главные размеры

Принимаем высоту оси вращения двигателя h=250 мм (, таблица 9-1).

Принимаем наружный диаметр сердечника статора DН1=450 мм (, таблица 9-2).

Внутренний диаметр сердечника статора (, таблица 9-3):

1= 0,72 DН1-3=0,72ˑ450-3= 321 (1.1)

Принимаем коэффициент (, рисунок 9-1).

Принимаем предварительное значение КПД (, рисунок 9-2, а)

Принимаем предварительное значение (, рисунок 9-3, а).

Расчетная мощност

(1.2)

Принимаем предварительную линейную нагрузку А/см (, рисунок 9-4, а и таблица 9-5).

Принимаем предварительную индукцию в зазоре (, рисунок 9-4, б и таблица 9-5).

Принимаем предварительное значение обмоточного коэффициента (, страница 119).

Расчетная длина сердечника статора

Принимаем конструктивную длину сердечника статора .

Максимальное значение отношения длины сердечника к его диаметру (, таблица 9-6)

Отношение длины сердечника к его диаметру

(1.5)

1.2 Сердечник статора

Принимаем марку стали - 2013. Принимаем толщину листа 0,5 мм. Принимаем вид изолирования листов - оксидирование.

Принимаем коэффициент заполнения стали kC=0,97.

Принимаем количество пазов на полюс и фазу (, таблица 9-8).

Количество пазов сердечника статора (1.6)

1.3 Сердечник ротора

Принимаем марку стали - 2013. Принимаем толщину листа 0,5 мм. Принимаем вид изолирования листов - оксидирование.

Принимаем коэффициент заполнения стали kC=0,97.

Принимаем сердечник ротора без скоса пазов.

Принимаем воздушный зазор между статором и ротором (, таблица 9-9).

Наружный диаметр сердечника ротора

Внутренний диаметр листов ротора

Принимаем длину сердечника ротора равную длине сердечника статора,

.

Принимаем количество пазов сердечника ротора (, таблица 9-12).

2. Обмотка статора

Принимаем двухслойную обмотку с укороченным шагом, укладываемую в трапецеидальные полузакрытые пазы (, таблица 9-4).

Коэффициент распределения

(2.1)

где

Принимаем относительный шаг обмотки .

Шаг полученной обмотки:

(2.2)

Коэффициент укорочения

Обмоточный коэффициент

Предварительное значение магнитного потока

Предварительное количество витков в обмотке фазы

Предварительное количество эффективных проводников в пазу

(2.7)

где - число параллельных ветвей обмотки статора.

Принимаем

Уточненное количество витков в обмотке фазы

(2.8)

Уточненное значение магнитного потока

Уточненное значение индукции в воздушном зазоре

(2.10)

Предварительное значение номинального фазного тока

Отклонение полученной линейной нагрузки от предварительно принятой

(2.13)

Отклонение не превышает допустимое значение, равное 10%.

Принимаем среднее значение магнитной индукции в спинке статора (, таблица 9-13).

Зубцовое деление по внутреннему диаметру статора

(2.14)

2.1 Обмотка статора с трапецеидальными полузакрытыми пазами

Обмотка статора и паз определяем по рис 9.7

Принимаем среднее значение магнитной индукции в зубцах статора (, таблица 9-14).

Ширина зубца

(2.15)

Высота спинки статора

Высота паза

Большая ширина паза

Предварительное значение ширины шлица

Меньшая ширина паза

где - высота шлица (, страница 131).

И исходя из требования

Площадь поперечного сечения паза в штампе

Площадь поперечного сечения паза в свету

(2.23)

где - припуски на сборку сердечников статора и ротора соответственно по ширине и по высоте (, страница 131).

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции

где - среднее значение односторонней толщины корпусной изоляции (, страница 131).

Площадь поперечного сечения прокладок между верхней и нижней катушками в пазу, на дне паза и под клином

Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой

Произведение

где - допускаемый коэффициент заполнения паза для ручной укладки (. страница 132).

Принимаем количество элементарных проводов в эффективном .

Диаметр элементарного изолированного провода

(2.28)

Диаметр элементарного изолированного провода не должен превышать 1,71 мм при ручной укладке и 1,33 мм при машинной. Данное условие выполняется.

Принимаем диаметры элементарного изолированного и неизолированного (d) провода (, приложение 1)

Принимаем площадь поперечного сечения провода (, приложение 1).

Уточненный коэффициент заполнения паза

(2.29)

Значение уточненного коэффициента заполнения паза удовлетворяет условиям ручной укладки и машинной (при машинной укладке допускаемый ).

Уточненная ширина шлица

Принимаем , так как .

(2.31)

Произведение линейной нагрузки на плотность тока

Принимаем допустимое значение произведения линейной нагрузки на плотность тока (, рисунок 9-8). Где коэффициент k5=1 (таблица 9-15).

Среднее зубцовое деление статора

Средняя ширина катушки обмотки статора

Средняя длина одной лобовой части катушки

Средняя длина витка обмотки

Длина вылета лобовой части обмотки

3. Обмотка короткозамкнутого ротора

Принимаем пазы ротора овальной формы, закрытые.

3.1 Размеры овальных закрытых пазов

Пазы ротора определяем по рис. 9.10

Принимаем высоту паза . (, рисунок 9-12).

Расчетная высота спинки ротора

где - диаметр круглых аксиальных вентиляционных каналов в сердечнике ротора, в проектируемом двигателе они не предусматриваются.

Магнитная индукция в спинке ротора

Зубцовое деление по наружному диаметру ротора

(3.3)

Принимаем магнитную индукцию в зубцах ротора (, таблица 9-18).

Ширина зубца

(3.4)

Меньший радиус паза

Больший радиус паза

где - высота шлица (, страница 142);

Ширина шлица (, страница 142);

для закрытого паза (, страница 142).

Расстояние между центрами радиусов

Проверка правильности определения и исходя из условия

(3.8)

Площадь поперечного сечения стержня, равная площади поперечного сечения паза в штампе

3.2 Размеры короткозамыкающего кольца

Принимаем литую клетку.

Короткозамыкающие кольца ротора изображены на рис. 9.13

Поперечное сечение кольца

Высота кольца

Длина кольца

(3.12)

Средний диаметр кольца

4. Расчет магнитной цепи

1 МДС для воздушного зазора

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения статора

(4.1)

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатости строения ротора

Принимаем коэффициент, учитывающий уменьшение магнитного сопротивления воздушного зазора при наличии радиальных каналов на статоре или роторе .

Общий коэффициент воздушного зазора

МДС для воздушного зазора

4.2 МДС для зубцов при трапецеидальных полузакрытых пазах статора

(, приложение 8)

Принимаем среднюю длину пути магнитного потока

МДС для зубцов

4.3 МДС для зубцов ротора при овальных закрытых пазах ротора

Так как , принимаем напряженность магнитного поля (, приложение 8).

МДС для зубцов

4.4 МДС для спинки статора

(, приложение 11).

Средняя длина пути магнитного потока

МДС для спинки статора

4.5 МДС для спинки ротора

Принимаем напряженность магнитного поля (, приложение 5)

Средняя длина пути магнитного потока

МДС для спинки ротора

4.6 Параметры магнитной цепи

Суммарная МДС магнитной цепи на один полюс

Коэффициент насыщения магнитной цепи

(4.13)

Намагничивающий ток

Намагничивающий ток в относительных единицах

(4.15)

ЭДС холостого хода

Главное индуктивное сопротивление

(4.17)

Главное индуктивное сопротивление в относительных единицах

(4.18)

5. Активное и индуктивное сопротивления обмоток

1 Сопротивление обмотки статора

Активное сопротивление обмотки фазы при 20 0С

где -удельная электрическая проводимость меди при 200С (, страница 158).

Активное сопротивление обмотки фазы при 20 0С в относительных единицах

(5.2)

Проверка правильности определения

Принимаем размеры паза статора (, таблица 9-21)

Высота: (6.4)

Коэффициенты, учитывающие укорочение шага

Коэффициент проводимости рассеяния

(5.7)

Принимаем коэффициент дифференциального рассеяния статора (, таблица 9-23).

Коэффициент, учитывающий влияние открытия пазов статора на проводимость дифференциального рассеяния

Принимаем коэффициент, учитывающий демпфирующую реакцию токов, наведенных в обмотке короткозамкнутого ротора высшими гармониками поля статора (, таблица 9-22).

(5.9)

Полюсное деление:

(5.10)

Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки

Коэффициент проводимости рассеяния обмотки статора

Индуктивное сопротивление обмотки фазы статора

Индуктивное сопротивление обмотки фазы статора в относительных единицах

(5.14)

Проверка правильности определения

5.2 Сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора с овальными закрытыми пазами

Активное сопротивление стержня клетки при 20 0С

где - удельная электрическая проводимость алюминия при 20 °C (, страница 161).

Коэффициент приведения тока кольца к току стержня

(5.17)

Сопротивление короткозамыкающих колец, приведенное к току стержня при 20 0С

магнитный цепь сопротивление обмотка

Центральный угол скоса пазов aск=0 т.к. скоса нет.

Коэффициент скоса пазов ротора

Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора

Активное сопротивление обмотки ротора при 20 0C, приведенное к обмотке статора

Активное сопротивление обмотки ротора при 20 0C, приведенное к обмотке статора в относительных единицах

Ток стержня ротора для рабочего режима

(5.23)

Коэффициент проводимости рассеяния для овального закрытого паза ротора

(5.24)

Количество пазов ротора на полюс и фазу

(5.25)

Принимаем коэффициент дифференциального рассеяния ротора (, рисунок 9-17).

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния

(5.26)

Коэффициент проводимости рассеяния короткозамыкающих колец литой клетки

Относительный скос пазов ротора, в долях зубцового деления ротора

(5.28)

Коэффициент проводимости рассеяния скоса пазов

Индуктивное сопротивление обмотки ротора

Индуктивное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора

Индуктивное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора, в относительных единицах

(5.32)

Проверка правильности определения

(5.33)

Должно выполняться условие . Данное условие выполняется.

5.3 Сопротивление обмоток преобразованной схемы замещения двигателя

Коэффициент рассеяния статора

Коэффициент сопротивления статора

где -коэффициент (, страница 72).

Преобразованные сопротивления обмоток

Пересчет магнитной цепи не требуется, так как и .

6. Режим холостого хода и номинальный

1 Режим холостого хода

Так как , в дальнейших расчетах примем .

Реактивная составляющая тока статора при синхронном вращении

Электрические потери в обмотке статора при синхронном вращении

Расчетная масса стали зубцов статора при трапецеидальных пазах

Магнитные потери в зубцах статора

Масса стали спинки статора

Магнитные потери в спинке статора

Суммарные магнитные потери в сердечнике статора, включающие добавочные потери в стали

(6.7)

Механические потери при степени защиты IP44, способе охлаждения IC0141

(6.8)

где при 2р=8

Активная составляющая тока х.х.

Ток холостого хода

Коэффициент мощности при х.х.

6.2 Расчет параметров номинального режима работы

Активное сопротивление к.з.

Индуктивное сопротивление к.з.

Полное сопротивление к.з.

Добавочные потери при номинальной нагрузке

Механическая мощность двигателя

Эквивалентное сопротивление схемы замещения

(6.17)

Полное сопротивление схемы замещения

Проверка правильности расчетов и

(6.19)

Скольжение

Активная составляющая тока статора при синхронном вращении

Ток ротора

Активная составляющая тока статора

(6.23)

Реактивная составляющая тока статора

(6.24)

Фазный ток статора

Коэффициент мощности

Плотность тока в обмотке статора

(6.28)

где -обмоточный коэффициент для короткозамкнутого ротора (, страница 171).

Ток в стержне короткозамкнутого ротора

Плотность тока в стержне короткозамкнутого ротора

Ток в короткозамыкающем кольце

Электрические потери в обмотке статора

Электрические потери в обмотке ротора

Суммарные потери в электродвигателе

Подводимая мощность:

Коэффициент полезного действия

(6.37)

Подводимая мощность: (6.38)

Подводимые мощности, рассчитанные по формулам (6.36) и (6.38) должны быть равны друг другу, с точностью до округлений. Данное условие выполняется.

Отдаваемая мощность

Отдаваемая мощность должны соответствовать отдаваемой мощности, указанной в техническом задании. Данное условие выполняется.

7. Круговая диаграмма и рабочие характеристики

1 Круговая диаграмма

Масштаб тока

где - диапазон диаметров рабочего круга (, страница 175).

Принимаем .

Диаметр рабочего круга

(7.2)

Масштаб мощности

Длина отрезка реактивного тока

Длина отрезка активного тока

Отрезки на диаграмме

(7.7)

(7.8)

7.2 Рабочие характеристики

Расчет рабочих характеристик ведем в форме таблицы 1.

Таблица 1 - Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Услов. обоз.	Отдаваемая мощность в долях
cos0,080,500,710,800,830,85
P, Вт1564,75172520622591,53341,74358,4
, %13,5486,8891,6492,8893,0892,80

8. Максимальный момент

Переменная часть коэффициента статора при трапецеидальном полузакрытом пазе

Составляющая коэффициента проводимости рассеяния статора, зависящая от насыщения

Переменная часть коэффициента ротора при овальных закрытых пазах

(8.3)

Составляющая коэффициента проводимости рассеяния ротора зависящая от насыщения

Ток ротора, соответствующий максимальному моменту (9-322)

(8.7)

Полное сопротивление схемы замещения при максимальном моменте

Полное сопротивление схемы замещения при бесконечно большом скольжении

Эквивалентное сопротивление схемы замещения при максимальном моменте

Кратность максимального момента

Скольжение при максимальном моменте

(8.12)

9. Начальный пусковой ток и начальный пусковой момент

1 Активные и индуктивные сопротивления, соответствующие пусковому режиму

Высота стержня клетки ротора

Приведенная высота стержня ротора

Принимаем коэффициент (, рисунок 9-23).

Расчетная глубина проникновения тока в стержень

Ширина стержня на расчетной глубине проникновения тока в стержень

(9.4)

Площадь поперечного сечения стержня при расчетной глубине проникновения тока

(9.5)

Коэффициент вытеснения тока

Активное сопротивление стержня клетки при 20 0С для пускового режима

Активное сопротивление обмотки ротора при 20 0С, приведенное к обмотке статора, для пускового режима

Принимаем коэффициент (, рисунок 9-23).

Коэффициент проводимости рассеяния паза ротора при пуске для овального закрытого паза

Коэффициент проводимости рассеяния обмотки ротора при пуске

Индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, зависящее от насыщения

Индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, не зависящее от насыщения

(9.12)

Активное сопротивление к.з. при пуске

9.2 Начальные пусковые ток и момент

Ток ротора при пуске двигателя

Полное сопротивление схемы замещения при пуске (с учетом явлений вытеснения тока и насыщения путей потоков рассеяния)

Индуктивное сопротивление схемы замещения при пуске

Активная составляющая тока статора при пуске

(9.17)

Реактивная составляющая тока статора при пуске

(9.18)

Фазный ток статора при пуске

Кратность начального пускового тока

(9.20)

Активное сопротивление ротора при пуске, приведенное к статору, при расчетной рабочей температуре и Г-образной схеме замещения

(9.21)

Кратность начального пускового момента

10. Тепловой и вентиляционный расчеты

1 Обмотка статора

Потери в обмотке статора при максимально допускаемой температуре

где - коэффициент (, страница 76).

Условная внутренняя поверхность охлаждения активной части статора

Расход воздуха, который может быть обеспечен наружным вентилятором, должен превышать необходимый расход воздуха. Данное условие выполняется.

Напор воздуха, развиваемый наружным вентилятором

Заключение

В данном курсовом проекте был спроектирован асинхронный электродвигатель основного исполнения, с высотой оси вращения h=250 мм, степенью защиты IP44, с короткозамкнутым ротором. В результате расчета были получены основные показатели для двигателя заданной мощности P и cos, которые удовлетворяют предельно допустимым значением ГОСТа.

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

Тип двигателя Мощность, кВт Высота оси вращения, мм Масса, кг Частота вращения, об/мин КПД, % Коэффициент мощности, Момент инерции,

2. Кравчик А.Э. и др. Асинхронный двигатель серии 4А, справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 504с.

3. Проектирование электрических машин: учеб. для электромех. И электроэнергет. специальностей вузов / И. П. Копылов [и др.]; под ред. И. П. Копылова. - Изд. 4-е, перераб. и доп. - М. : Высш. шк., 2011. - 306 с.

Приложение. Составление спецификации

			Обозначение	наименование		Примечание
				Документация
			1.096.00.000.ПЗ	Пояснительная записка
			1.096.00.000.СЧ	Сборочный чертеж
				Обмотка статора
				Обмотка ротора
				Сердечник статора
				Сердечник ротора
				Коробка выводов
				Рым. Болт
				Болт заземления
				Вентилятор
				Кожух Вентилятор
				Подшипник

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева

Факультет энергетики и машиностроения

Кафедра энергетики и приборостроения

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему: «Проектирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором»

по дисциплине – «Электрические машины»

Выполнил Калантырев

Научный руководитель

д.т.н., проф. Н.В. Шатковская

Петропавловск 2010

Введение

1. Выбор главных размеров

2. Определение числа пазов статора, витков в фазе обмотки сечения провода обмотки статора

4. Расчёт ротора

5. Расчёт магнитной цепи

6. Параметры рабочего режима

7. Расчёт потерь

9. Тепловой расчёт

Приложение А

Заключение

Список литературы

Введение

Асинхронные двигатели являются основными преобразователями электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода большинства механизмов. Серия 4А охватывает диапазон номинальных мощностей от 0,06 до 400 кВт и имеет 17 высот оси вращения от 50 до 355 мм.

В данном курсовом проекте рассматривается следующий двигатель:

Исполнение по степени защиты: IP23;

Способ охлаждения: IС0141.

Конструктивное исполнение по способу монтажа: IM1081 – по первой цифре – двигатель на лапах, с подшипниковыми щитами; по второй и третьей цифрам – с горизонтальным расположением вала и нижним расположением лап; по четвертой цифре – с одним цилиндрическим концом вала.

Климатические условия работы: У3 – по букве – для умеренного климата; по цифре – для размещения в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания температуры и влажности воздуха, воздействия песка и пыли, солнечной радиации существенно меньше, чем на открытом воздухе каменные, бетонные, деревянные и другие, не отапливаемые помещения.

1. Выбор главных размеров

1.1 Определим число пар полюсов:

Тогда число полюсов .

1.2 Определим высоту оси вращения графически: по рисунку 9.18, б , в соответствии с , по таблице 9.8 определим соответствующий оси вращения наружный диаметр .

1.3 Внутренний диаметр статора , вычислим по формуле:

где – коэффициент определяемый по таблице 9.9.

При лежит в промежутке: .

Выберем значение , тогда

1.4 Определим полюсное деление :

(1.3)

1.5 Определим расчётную мощность , Вт:

, (1.4)

где – мощность на валу двигателя, Вт;

– отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, которое может быть приближенно определено по рисунку 9.20. При и , .

Приближенные значения и возьмём по кривым, построенным по данным двигателей серии 4А. рисунок 9.21, в. При кВт и , , а

1.6 Электромагнитные нагрузки А и В d определим графически по кривым рисунок 9.23, б. При кВт и , , Тл.

1.7 Обмоточный коэффициент . Для двухслойных обмоток при 2р>2 следует принимать =0,91–0,92. Примем .

1.8 Определим синхронную угловую скорость вала двигателя W:

где – синхронная частота вращения.

1.9 Рассчитаем длину воздушного зазора :

, (1.6)

где – коэффициент формы поля. .

1.10 Критерием правильности выбора главных размеров D и служит отношение , которое должно находиться в допустимых пределах рисунок 9.25, б.

. Значение l лежит в рекомендуемых пределах, значит главные размеры определены верно.

2. Определение числа пазов статора, витков в фазе обмотки и сечения провода обмотки статора

2.1 Определим предельные значения: t 1 max и t 1 min рисунок 9.26. При и , , .

2.2 Число пазов статора:

, (2.1)

(2.2)

Окончательно число пазов должно быть кратным значению числа пазов на полюс и фазу: q. Примем , тогда

, (2.3)

где m - число фаз.

2.3 Окончательно определяем зубцовое деление статора:

(2.4)

2.4 Предварительный ток обмотки статора

2.5 Число эффективных проводников в пазу (при условии ):

(2.6)

2.6 Принимаем число параллельных ветвей , тогда

(2.7)

2.7 Окончательное число витков в фазе обмотки и магнитный поток :

, (2.8)

2.8 Определим значения электрических и магнитных нагрузок:

(2.11)

Значения электрической и магнитных нагрузок незначительно отличаются от выбранных графически.

2.9 Выбор допустимой плотности тока производится с учётом линейной нагрузки двигателя:

где - нагрев пазовой части обмотки статора, определим графически рисунок 9.27, д. При .

2.10 Рассчитаем площадь сечения эфективных проводников:

(2.13)

Принимаем , тогда таблица П-3.1 , , .

2.11 Окончательно определим плотность тока в обмотке статора:

3. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

3.1 Предварительно выберем электромагнитные индукции в ярме статора B Z 1 и в зубцах статора B a . При таблица 9.12 , а .

3.2 Выберем марку стали 2013 таблица 9.13 и коэффициент заполнения сталью магнитопроводов статора и ротора .

3.3 По выбранным индукциям определим высоту ярма статора и минимальную ширину зубца

3.4 Подберём высоту шлица и ширину шлица полузакрытого паза. Для двигателей с высотой оси , мм. Ширину шлица выберем из таблицы 9.16 . При и , .

3.5 Определим размеры паза:

высоту паза:

размеры паза в штампе и :

Выберем , тогда

высоту клиновой части паза :

Рисунок 3.1. Паз спроектированного двигателя с короткозамкнутым ротором

3.6 Определим размеры паза в свету с учётом припусков на шихтовку и сборку сердечников: и , таблица 9.14 :

ширину, и :

и высоту :

Определим площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу:

где - односторонняя толщина изоляции в пазу, .

Расчитаем площадь поперечного сечения прокладок к пазу:

Определим площадь поперечного сечения паза для размещения проводников:

3.7 Критерием правильности выбранных размеров служит коэффициент заполнения паза , который приближённо равен .

, (3.13)

таким образом выбранные значения верны.

4. Расчёт ротора

4.1 Выберем высоту воздушного зазора d графически по рисунок 9.31. При и , .

4.2 Внешний диаметр короткозамкнутого ротора:

4.3 Длина ротора равна длине воздушного зазора: , .

4.4 Число пазов выберем из таблицы 9.18 , .

4.5 Определяем величину зубцового деления ротора:

(4.2)

4.6 Значение коэффициента k B для расчёта диаметра вала определим из таблицы 9.19 . При и , .

Внутренний диаметр ротора равен:

4.7 Определим ток в стержне ротора:

где k i - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение , определим графически при ; ;

Коэффициент приведения токов, определим по формуле:

Тогда искомый ток в стержне ротора:

4.8 Определим площадь поперечного сечения стержня:

где - допустимая плотность тока; в нашем случае .

4.9 Паз ротора определяем по рисунку 9.40, б . Принимаем , , .

Магнитную индукцию в зубце ротора выберем из промежутка таблица 9.12. Примем .

Определим допустимую ширину зубца:

Расчитаем размеры паза:

ширинуb 1 и b 2:

, (4.9)

высоту h 1:

Рассчитаем полную высоту паза ротора h П2:

Уточним площадь сечения стержня :

4.10 Определим плотность тока в стержне J 2:

(4.13)

Рисунок 4.1. Паз спроектированного двигателя с короткозамкнутым ротором

4.11 Рассчитаем площадь сечения короткозамыкающих колец q кл:

где - ток в кольце, определим по формуле:

,

4.12 Рассчитаем рамеры замыкающих колец , и средний диаметр кольца:

(4.18)

Уточним площадь сечения кольца:

5. Расчёт намагничивающего тока

5.1 Значение индукций в зубцах ротора и статора:

, (5.1)

(5.2)

5.2 Расчитаем индукцию в ярме статора B a:

5.3 Определим индукцию в ярме ротора B j:

, (5.4)

где h" j - расчетная высота ярма ротора, м.

Для двигателей с 2р≥4 с посадкой сердечника ротора на втулку или на оребренный вал h" j определяют по формуле:

5.4 Магнитное напряжение воздушного зазора F d:

, (5.6)

где k д - коэффициент воздушного зазора, определим по формуле:

, (5.7)

где

Магнитное напряжение воздушного зазора:

5.5 Магнитное напряжение зубцовых зон статора F z 1:

F z1 =2h z1 H z1 , (5.8)

где 2h z1 - расчетная высота зубца статора, м.

H z1 определим по таблице П-1.7. При , .

5.6 Магнитное напряжение зубцовых зон ротора F z 2:

, (5.9)

, таблица П-1.7.

5.7 Рассчитаем коэффициент насыщения зубцовой зоны k z:

(5.10)

5.8 Найдём длину средней магнитной линии ярма статора L a:

5.9 Определим напряженность поля H a при индукции В a по кривой намагничивания для ярма принятой марки стали 2013 таблица П-1.6. При , .

5.10 Найдём магнитное напряжение ярма статора F a:

5.11 Определим длину средней магнитной линии потока в ярме ротора L j:

, (5.13)

где h j - высота спинки ротора, находится по формуле:

5.12 Напряжённость поля H j при индукции определим по кривой намагничивания ярма для принятой марки стали таблица П-1.6. При , .

Определим магнитное напряжение ярма ротора F j:

5.13 Рассчитаем суммарное магнитное напряжение магнитной цепи машины (на пару полюсов) F ц:

5.14 Коэффициент насыщения магнитной цепи :

(5.17)

5.15 Намагничивающий ток :

Относительное значение намагничивающего тока :

(5.19)

6. Параметры рабочего режима

Параметрами асинхронной машины называют активные и индуктивные сопротивления обмоток статора х 1 , r 1 , ротора r 2 , x 2 , сопротивление взаимной индуктивности х 12 (или x м),и расчетное сопротивление r 12 (или r м), введением которого учитывают влияние потерь в стали статора на характеристики двигателя.

Схемы замещения фазы асинхронной машины, основанные на приведении процессов во вращающейся машине к неподвижной, приведены на рисунке 6.1. Физические процессы в асинхронной машине более наглядно отражает схема, изображенная на рисунке 6.1. Но для расчета удобнее преобразовать ее в схему, показанную на рисунке 6.2.

Рисунок 6.1. Схема замещения фазы обмотки приведенной асинхронной машины

Рисунок 6.2. Преобразованная схема замещения фазы обмотки приведенной асинхронной машины

6.1 Активное сопротивление фазы обмотки статора расчитаем по формуле:

, (6.1)

где L 1 - общая длина эффективных проводников фазы обмотки, м;

а - число параллельных ветвей обмотки;

с 115 - удельное сопротивление материала обмотки (меди для статора) при расчетной температуре. Для меди ;

k r - коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки от действия эффекта вытеснения тока.

В проводниках обмотки статора асинхронных машин эффект вытеснения тока проявляется незначительно из-за малых размеров элементарных проводников. Поэтому в расчетах нормальных машин, как правило, принимают k r =1.

6.2 Общую длину проводников фазы обмотки L 1 расcчитаем по формуле:

где l ср - средняя длина витка обмотки, м.

6.3 Среднюю длину витка l ср находят как сумму прямолинейных - пазовых и изогнутых лобовых частей катушки:

, (6.3)

где l П - длина пазовой части, равна конструктивной длине сердечников машины. ;

l л - длина лобовой части.

6.4 Длина лобовой части катушки всыпной обмотки статора определяется по формуле:

, (6.4)

где К л - коэффициент, значение которого зависит от числа пар полюсов, для таблица 9.23 ;

b КТ - средняя ширина катушки, м, определяемая по дуге окружности, проходящей по серединам высоты пазов:

, (6.5)

где b 1 - относительное укорочение шага обмотки статора. Обычно принимают .

Коэффициент для всыпной обмотки, укладываемой в пазы до запрессовки сердечника в корпус.

Средняя длина:

Общая длина эффективных проводников фазы обмотки:

Активное сопротивление фазы обмотки статора:

6.5 Определим длину вылета по лобовой части:

где К выл - коэффициент, определяемый по таблице 9.23. при .

6.6 Определим относительное значение сопротивления фазы обмотки статора :

(6.7)

6.7 Определим активное сопротивление фазы обмотки ротора r 2:

где r с - сопротивление стержня;

r кл - сопротивление кольца.

6.8 Сопротивление стержня рассчитаем по формуле:

6.9 Рассчитаем сопротивление кольца:

Тогда активное сопротивление ротора:

6.10 Приведём r 2 к числу витков обмотки статора, определим :

6.11 Относительное значение сопротивления фазы обмотки ротора.

(6.12)

6.12 Индуктивное сопротивление фаз обмотки ротора:

, (6.13)

где l п – коэффициент магнитной проводимости пазового ротора.

Исходя из рисунка 9.50, e l п определим по формуле из таблицы 9.26:

, (6.14)

(проводники закреплены пазовой крышкой).

, (6.15)

Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния:

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния, определим по формуле:

, (6.17)

где определяется графически, при , рисунок 9.51, д, .

По формуле (6.13) рассчитаем индуктивное сопротивление обмотки статора:

6.13 Определим относительное значение индуктивного сопротивления обмотки статора :

(6.18)

6.14 Произведём расчёт индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора по формуле:

где l п2 – коэффициент магнитной проводимости паза ротора;

l л2 – коэффициент магнитной проводимости лобовой части ротора;

l д2 – коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора.

Коэффициент магнитной проводимости паза ротора рассчитаем по формуле, исходя из таблица 9.27:

6.15 Коэффициент магнитной проводимости лобовой части ротора определим по формуле:

,

6.16 Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора определим по формуле:

, (6.23)

где .

6.17 Найдём значение индуктивного сопротивления по формуле (6.19):

Приведём x 2 к числу витков статора:

Относительное значение, :

(6.25)

7. Расчёт потерь

7.1 Рассчитаем основные потери в стали статора асинхронной машины по формуле:

, (7.1)

где – удельные потери, таблица 9.28;

b – показатель степени, для марки стали 2013 ;

k да и k д z – коэффициенты, учитывающие влияние на потери в стали, для стали марки 2013 , ;

m a – масса ярма, считается по формуле:

где – удельная масса стали.

Масса зубцов статора:

7.2 Рассчитаем полные поверхностные потери в роторе:

где p пов2 – удельные поверхностные потери, определим по формуле:

, (7.5)

где – коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов ротора на удельные потери;

В 02 – амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре, определим по формуле:

где определяется графически при рисунок 9.53, б.

7.3 Рассчитаем удельные поверхностные потери по формуле (7.5):

7.4 Рассчитаем пульсационные потери в зубцах ротора:

, (7.7)

где m z 2 – масса стали зубцов ротора;

В пул2 – амплитуда магнитной пульсации в роторе.

, (7.9)

7.5 Определим сумму добавочных потерь в стали:

7.6 Полные потери в стали:

7.7 Определим механические потери:

где , при по таблице 9.29 .

7.8 Рассчитаем добавочные потери при номинальном режиме:

7.9 Ток холостого хода двигателя:

, (7.14)

где I х.х.а. – активная составляющая тока холостого хода, её определим по формуле:

где Р э.1 х.х. – электрические потери в статоре при холостом ходе:

7.10 Определим коэффициент мощности при холостом ходе:

(7.17)

8. Расчёт рабочих характеристик

8.1 Определим действительную часть сопротивления:

(8.1)

(8.2)

8.3 Постоянная электродвигателя:

, (8.3)

(8.4)

8.4 Определим активную составляющую тока:

8.5 Определим величины:

8.6 Потери, не меняющиеся при изменении скольжения:

Принимаем и рассчитаем рабочие характеристики, при скольжении равном: 0,005; 0,01; 0,015; 0,02; 0,0201. Результаты расчёта запишем в таблицу 8.1.

Р 2н =110кВт; U 1н =220/380 В; 2p=10 I 0 a =2,74 A; I 0 p =I m =61,99 A;

P c т + P мех =1985,25 Вт; r 1 =0,0256 Oм; r¢ 2 =0,0205 Oм; с 1 =1,039;

а¢=1,0795; а=0,0266 Ом; b¢=0; b=0,26 Ом

Таблица 8.1

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Расчётная формула		Скольжение s

Рисунок 8.1. График зависимости двигателя от мощности P 2

Рисунок 8.2. График зависимости КПД двигателя от мощности P 2

Рисунок 8.3. График зависимости скольжения s двигателя от мощности P 2

Рисунок 8.4. График зависимости тока статора I 1 двигателя от мощности P 2

9. Тепловой расчёт

9.1 Определим превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя:

, (9.1)

где при и степени защиты IP23, таблица.9,35;

a 1 – коэффициент теплоотдачи с поверхности, определим графически рисунок 9.68, б, .

, (9.2)

где – коэффициент увеличения потерь, для класса нагревостойкости F .

,

9.2 Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора:

, (9.4)

где П п1 – периметр поперечного сечения паза статора, определим по формуле:

l экв. – средняя эквивалентная теплопроводимость пазовой части, для класса нагревостойкости F , страница 452;

– среднее значение коэффициента теплопроводимости внутренней изоляции. определим графически при , , рисунок 9.69.

9.3 Определим перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей:

, (9.6)

где , .

Лобовые части обмотки статора не изолированы, поэтому .

9.4 Рассчитаем превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри машины:

9.5 Определим среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины:

(9.8)

9.6 Рассчитаем среднее превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды:

где a в – определим графически рисунок 9.68, ;

– сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя:

где – суммарные потери в двигателе при номинальном режиме;

Р э1 – электрические потери в обмотке статора при номинальном режиме;

Р э2 – электрические потери в обмотке ротора при номинальном режиме.

, (9.12)

где S кор. – площадь поверхности станины.

П р определяем графически. При , рисунок 9.70 .

9.7 Определим среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды:

9.8 Определим расход воздуха, требуемый для вентиляции:

(9.14)

9.9 Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором при конструктивном исполнении, и размерах принятых в серии 4А может быть приближённо определён по формуле:

, (9.15)

где и - число и ширина, м, радиальных вентиляционных каналов, страница 384 ;

n- частота вращения двигателя, об/мин;

Коэффициент, для двигателей с .

Т.е. расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором больше расхода воздуха требуемого для вентиляции электродвигателя.

10. Расчёт рабочих характеристик по круговой диаграмме

10.1 Сначала определим ток синхронного холостого хода по формуле:

10.2 Рассчитаем активное и индуктивное сопротивления короткого замыкания:

10.3 Рассчитаем масштабы круговой диаграммы:

Масштаб тока равен:

где D к – диаметр круга диаграммы, выбирается из интервала: , выберем .

Масштаб мощности:

Масштаб момента:

(10.6)

Круговая диаграмма двигателя приведена ниже. Окружность диаметром D к с центром О¢ является геометрическим местом концов вектора тока статора двигателя при различных скольжениях. Точка А 0 определяет положение конца вектора тока I 0 при синхронном холостом ходе, а - при реальном холостом ходе двигателя. Отрезок , равен коэффициенту мощности при холостом ходе. Точка А 3 определяет положение конца вектора тока статора при коротком замыкании (s=1), отрезок - ток I к.з. , а угол - . Точка А 2 определяет положение конца вектора тока статора при .

Промежуточные точки на дуге А 0 А 3 определяют положение концов вектора тока I 1 при различных нагрузках в двигательном режиме . Ось абсцисс диаграммы ОВ является линией первичной мощности Р 1 . Линией электромагнитной мощности Р эм или электромагнитных моментов М эм является линия А 0 А 2 . Линией полезной мощности на валу (вторичной мощности Р 2) является линия А ’ 0 А 3 .

Рисунок 10.1. Круговая диаграмма

Заключение

В данном курсовом проекте был спроектирован асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. В результате расчета были получены основные показатели для двигателя заданной мощности з и cosj, которые удовлетворяют предельно допустимым значением ГОСТа для серии двигателей 4А. Был произведен расчет и построение рабочих характеристик проектируемой машины.

Таким образом, по данным расчета данному двигателю можно дать следующее условное обозначение:

4 – порядковый номер серии;

А – род двигателя – асинхронный;

315 – высота оси вращения;

М – условная длина станины по МЭК;

10 – число полюсов;

У – климатическое исполнение для умеренного климата;

Номинальные данные спроектированного двигателя:

Р 2н =110 кВт, U 1н =220/380 В, I 1н =216 А, cosj н =0,83, h н =0,93.

Список литературы

1. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов / П79

И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. – 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2005. – 767 с.: ил.

2. Вольдек А.И., Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов. – СПб,: – Питер, 2007. –350 с.

3. Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам: Учебное пособие для студентов образоват. учреждений сред. проф. образования/ Марк Михайлович Кацман. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 480 с.

Приложение А

(обязательное)

Рисунок 1. Схема двухслойной обмотки с укороченным шагом, , ,