Разработка асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Содержание

Введение

1. Описание конструкции асинхронного двигателя

2. Выбор главных размеров

2.1 Расчёт высоты вращения и длины железа статора

2.2 Определение числа пазов, витков и сечения провода обмотки статора

2.3 Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

2.4 Расчёт ротора

2.5 Расчёт паза ротора

2.6 Расчёт короткозамыкающих колец

3. Электромагнитный расчёт

3.1 Расчёт магнитной цепи

3.2 Расчёт намагничивающего тока

3.3 Параметры рабочего режима

3.4 Расчёт потерь

3.5 Расчёт рабочих характеристик

3.6 Расчёт пусковых характеристик

4. Круговая диаграмма

5. Тепловой и вентиляционный расчёты

5.1 Тепловой расчёт

5.2 Вентиляционный расчёт

6. Механичский расчёт

6.1 Расчёт вала

6.2 Расчёт подшипников

7. Экономический расчёт

8. Описание технологии сборки

Заключение

Список литературы

Введение

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

Асинхронные двигатели общего назначения мощностью от 0,06 до 400кВт на напряжение до 1140В - наиболее широко применяемые электрические машины. В парке всех производств Республики Беларусь они составляют по количеству 90%, по мощности - примерно 55%, а по потреблению электроэнергии более 40%.

При проектировании необходимо учитывать соответствие технико-экономических показателей современному мировому уровню при соблюдении требований государственных и отраслевых стандартов. Приходится также учитывать назначение и условия эксплуатации, стоимость активных и конструктивных материалов КПД, технологию производства, надежность в работе и патентную частоту.

Расчет и конструирование неотделимы от технологии их изготовления. Поэтому при проектировании необходимо учитывать возможности электротехнических заводов, стремиться к максимальному снижению трудоемкости изготовления электрических машин.

Выбрать оптимальный вариант можно, сопоставив многие варианты расчета. Поэтому без применения ЭВМ не обходится ни один серьезный расчет электрических машин.

В данном курсовом проекте все расчеты ведутся на ЭВМ, включая и построение рабочих и пусковых характеристик.

1. Описание конструкции асинхронного двигателя

Опираясь на исходные данные, заданные в задании на проектирование, можно произвести анализ конструкции электродвигателя.

По условию курсовой работы заданы: исполнение по защите, монтажное исполнение и способ охлаждения. Исполнение по защите проектируемого двигателя IP44. Это подразумевает, что двигатель защищен от возможности соприкосновения инструмента с токоведущими частями попадания внутрь двигателя твердых тел диаметром более 1 мм, а также двигатель защищен от брызг, вода, разбрызгиваемая на оболочку в любом направлении, не должна оказывать вредного действия на изделие, т.е. двигатель выполнен в закрытом исполнении.

Способ охлаждения IС0А141 подразумевает, что охлаждение осуществляется воздухом, а машина с ребристой станиной, обдуваемая внешним вентилятором, расположенным на валу двигателя.

Монтажное исполнение IМ2001 говорит о том, что двигатель выполнен на лапах с двумя подшипниковыми щитами и фланцем на одном щите, имеет горизонтальное расположение и один выходной конец вала.

Обмотка короткозамкнутого ротора не имеет изоляции, выполняется заливкой пазов алюминием, одновременно со стержнями отливается замыкающие кольца с вентиляционными лопатками.

В связи с тем, что мощность двигателя 50 кВт, в статор укладываем двухслойную обмотку с укороченным шагом.

Магнитопровод статора выполняют шихтованным из целых листов электротехнической стали 2312 толщиной 0,5 мм.

2. Выбор главных размеров

По условиям курсового проекта заданы следующие параметры проектируемого двигателя:

- мощность двигателя Р2= 47800 Вт;

- линейное напряжение питания 380/220В;

- исполнение по способу защиты IP44;

- число пар полюсов 2р=10

- частота питающей сети 50 Гц;

- конструктивное исполнение IM2001;

2.1 Расчёты высоты вращения и длины железа статора

Первым шагом при выборе главных размеров асинхронного двигателя является выбор высоты оси вращения h, которая предварительно выбирается по рисунку 8.17 [1,c.274] для двигателя P2=47,8кВт, IP=44, 2р=10. Принимается h=280 мм.

Внешний диаметр Da магнитопровода статора выбирается из таблицы 8.6 [1, c.275] для h=280 мм. Принимается Da=520 мм.

Внутренний диаметр D магнитопровода статора вычисляется по формуле [1, c. 275]

D=kD×Da, (1)

где kD – коэффициент характеризующий отклонение внутреннего и внешнего диаметров сердечников статора асинхронных двигателей серий 4А и АИ, таблица 8.7 [1, c. 276].Принимается для 2р=10 kD=0,76.

D=0,76×0,52=0,395 м

Полюсное деление t, мм определяется по формуле8.3 [1, c. 276]:

 (2)

где р – число пар полюсов.

Расчётная мощность ,В×А:

, (3)

где  - номинальная мощность двигателя, Вт; - отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению; h - номинальный расчётный КПД; соsj - номинальный расчётный коэффициент мощности.

Из рисунка 8.20 [1, c. 276] =0,945. Из рисунка 8.21 [1, c. 277] принимается h=0,91, соsj =0,78.

 (Вт)

Синхронная угловая скорость движения W, рад/с, рассчитывается по формуле:

 (4)

где f1 – частота питающей сети, Гц.

Расчётная длина магнитопровода определяется по формуле 8.6 [1, c. 279]:

 (5)

где - коэффициент формы поля; - обмоточный коэффициент (выбирается в зависимости от типа обмотки статора); А - электромагнитная нагрузка, А/м; - индукция магнитного поля в воздушном зазоре, Тл.

 принимается равным 1,11.

При мощности АД больше 15 кВт используется двухслойная обмотка, поэтому принимается =0,91. Из рисунка 8.23 [1, c. 279] находим: А=36×103 А/м, =0,8 Тл.

Для определения правильности выбора главных размеров D и ld используется значение:

 (6)

Полученное значение находится в пределах указанных на рисунке 8.25 [1, c. 280].

2.2 Определение числа пазов, витков и сечения провода обмотки статора

Следующий этап расчёта включает определение числа пазов статора Z1 и числа витков в фазе обмотки статора W1.

 (7)

Значения tZ1min, tZ1max определяются по графику на рисунке 8.26 [1, c. 282]. Для h=280 мм, 2p=10, t=124 мм, tZ1min=0.0138 м, tZ1max=0.016 м.

Окончательное число пазов статора Z1 выбирается в полученных пределах с учётом условий симметрии: q1 есть целое число.

 (8)

где m – число фаз, m=3.

Принимается Z1=90, q1=3. Окончательное значение tZ1 вычисляется по формуле:

 (9)

 входит в выбранный диапазон.

Далее предварительно определяется число эффективных проводников в пазу u’п по формуле 8.17 [1, c. 284]при условии, что параллельных ветвей в обмотке 4 (a=4).

 (10)

где I1ном – номинальный ток АД, А по формуле 8.18 [1, c. 279].

 (11)

Окончательно принимается a=5.

Число эффективных проводников в пазу равно:

 (12)

Для двухслойной обмотки принимаем . Относительное число витков в фазе обмотки по формуле 8.20 [1, c. 279]:

 (13)

Окончательное значение линейной нагрузки по формуле 8.21 [1, c. 279]:

 (14)

   (15)

Пусть шаг обмотки y=7 зубцовых делений, тогда относительный шаг равен:

 (16)

Коэффициент укорочения:

 (17)

Коэффициент распределения определяется по таблице 3.16 [1, c. 113]. Принимается =0,943.

Обмоточный коэффициент определяется следующим образом:

      (18)

Далее определяется значение потока по формуле 8.22 [1, c. 285]:

 (19)

Индукция в воздушном зазоре определяется по формуле 8.23 [1, c. 285]:

 (20)

Выбор допустимой плотности тока производится с учётом линейной нагрузки двигателя:

 (21)

Значение (A·J) для АД различных исполнений приведены на рисунке 8.27 [1, c. 286]. Для проектируемого двигателя выбирается (A·J)=150·109 A2/м2.

Сечение эффективных проводников определяется исходя из тока одной параллельной ветви и допустимой плотности тока в обмотке по формуле 8.24 [1, c. 285]:

 (22)

Принимается число эффективных проводников nэл=3, qэл=1.227 мм2 (таблица П-28 [2, c. 470]), тогда qэф1=3•1.227=3.68 мм2, dиз=1,33 мм. Обмотка выполняется круглым проводом.

Далее уточняется плотность тока в обмотке:

 (23)

2.3 Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

По таблице 8.10 [1, c. 289] Ba=1.1 Тл и BZср=1.6 Тл. По таблице 8.11 [1, c. 290] выбирается коэффициент заполнения сталью магнитопровода kc1=0,95. По выбранным значениям Bа и kc1 рассчитывается высота ярма статора по формуле 8.28 [1, c. 288]:

 (24)

Минимальная ширина зубца статора:

 (25)

Размеры паза вначале определяются без учёта размеров и числа проводников обмотки, исходя из допустимых значений индукции в зубцах и ярме статора.

Высота паза определяется по следующей формуле:

 (26)

Ширина паза:

 (27)

 (28)

где - высота шлица зуба, м; - ширина шлица зуба, м.

Принимается =1 мм, =4 мм [1, c. 295-296]. Приведённые расчёты выполнены для трапециидального паза. Форма паза статора представлена в графической части проекта.

.

 (29)

Для расчёта коэффициента заполнения паза необходимо определить площадь паза в свету и учесть площадь сечения паза, занимаемую корпусной изоляцией Sиз и прокладками в пазу Sпр. Размеры паза в свету определяются с учётом припусков на шихтовку и сборку сердечников Dbп и Dhп:

 (30)

Из таблицы 8.12 [1, c. 292] Dbп=Dhп=0,3 мм.

Площадь поперечного сечения трапециидального паза, в которой размещаются обмотки, корпусная изоляция и прокладки:

. (31)

Площадь занимаемая корпусной изоляцией в пазу, м2:

 (32)

где - односторонняя толщина изоляции в пазу, м.

Из таблицы 3.1 [1, c. 74] выбирается =0,55·10-3 м2, тогда:

Площадь поперечного сечения прокладок по 8.47, м2:

 (м2 ) (33)

Площадь поперечного сечения паза, остающаяся свободной для размещения проводников обмотки, м2:

Контролем правильности размещения обмотки в пазах является значение коэффициента заполнения паза:

, (34)

где dиз – диаметр изолированного элементарного проводника, мм. dиз=1.33*10-3 м.

Коэффициент заполнения входит в указанные пределы (0.72<<0.74)[1]

Для обмотки статора используется круглый медный эмалированный провод ПЭТ-155 с площадью поперечного сечения 1.227 мм2.

2.4 Расчёт ротора

На следующем этапе выбирается воздушный зазор по рис. 8,31 [1, c.300]:

d = 0,0007 (м)

После выбора величины воздушного зазора выполняется расчёт короткозамкнутого ротора.

Число пазов ротора по таблице 8.16 [1, c.307]: .

Диаметр ротора:

 (35)

Длина магнитопрвода ротора равна длине магнитопровода статора: .

Зубцовое деление:

 (36)

Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал, по формуле 8.102 [1, c.319]:

; (37)

где  - находим из таблицы 8.17 [1, c.319].

 (м).

Коэффициент привидения токов по формуле 8.66 [1, c.308]

, (38)

Пазы ротора со скосом пазов вычисляем по формулам.

 (39)

 (40)

Угол скоса:

 (41)

Коэффициент скоса равен:

 (42)

Ток в обмотке ротора по формуле 8.57 [1, c.302]

, (43)

где  - коэффициент учитывающий влияние формы тока намагничивания на отношение I2/I1 находим по формуле 8.58 [1, c.303]

. (45)

Плотность поперечного сечения стержня  предварительно по формуле 8.68 [1, c.308], плотность тока в стержне алюминиевой литой клетки принимаем

 (46)

2.5 Расчёт паза ротора

Принимается =0,8 мм, =1,7 мм, =0,5 мм [1, c. 295-296]. Приведённые расчёты выполнены для трапецеидального закрытого паза. Форма паза ротора представлена в графической части проекта.

Определяем допустимое значение индукции по таблице 8.10 [1, c.289] =1.85.

Допустимая ширина зубца по формуле 8.75 [1, c.314]

 (47)

Размеры паза по формулам 8.76-8.78 [1, c.314]:

 (48)

 (49)

 (50)

Уточняем ширину зубцов ротора по формулам таблицы 8.18 [1,c.324]

 (51)

Полная высота паза:

 (52)

 (53)

Таким образом  Площадь поперечного сечения стержня рассчитываем по формуле 8.79 [1, c. 314]

 (54)

Плотность тока в стержне:

 (55)

2.6 Расчёт короткозамыкающих колец

Токи в кольце по формуле 8.70 [1, c.309]

 (56)

где .

Плотность тока в замыкающих кольцах [1, c.309]:

. (57)

Площадь поперечного сечения кольца по формуле 8.72 [1, c.309]:

 (58)

Высота сечения кольцах [1, c.310]:

 (59)

Ширина замыкающих колец [1, c.310]:

. (60)

Средний диаметр замыкающих колец по формуле 8.74 [1, c.310]:

. (61)

Следующим этапом является электромагнитный расчет.

3. Электромагнитный расчёт

3.1 Расчет магнитной цепи

Для магнитопровода используется сталь 2312.

Магнитное напряжение воздушного зазора определяется по формуле:

 (62)

где - коэффициент воздушного зазора; - магнитная постоянная.

Коэффициент воздушного зазора рассчитывается по следующей формуле:

 (63)

 (64)

где - зубцовое деление статора;- ширина шлица паза статора.

Для статора =14·10-3 м, =4·10-3 м,d=0,7·10-3 м.

Далее рассматривается магнитное напряжение зубцовой зоны статора. Для зубцов с параллельными гранями (трапециидальные пазы):

, (65)

 (66)

 (67)

По таблице 8.15 [1, c. 299] расчетная высота паза hZ1=hп=33·10-3 м.

Индукция в зубце, Тл:

 (68)

Магнитное напряжение зубцовой зоны статора, А:

         (69)

После расчёта магнитной цепи статора рассчитывается магнитная цепь ротора. Общая формула для расчета магнитного напряжения ротора, А:

 (70)

где - расчётная высота зубца, м; - расчётная напряжённость в зубце, А/м.

Для короткозамкнутого ротора с закрытыми пазами

=-0,1=28-0,1·5.86=27 мм. (71)

Индукция в зубце, Тл:

 (72)

Пусть действительная индукция =1,85 Тл, соответствующая ей напряжённость =3330 А/м (таблица П – 17, [2, c. 330]). Полученные данные нужно подставить в следующие уравнения:

Магнитное напряжение зубцовой зоны статора, А:

 (73)

Коэффициент насыщения зубцовой зоны рассчитываем по формуле 8.115 [1, c.328]:

 (74)

На следующем этапе рассматривается магнитное напряжение  ярма статора по формуле 8.116 [1, c.329]:

 (75)

где - длина средней магнитной силовой линии в ярме статора, м; - напряжённость поля при индукции  по кривой намагничивания стали ярма, А/м.

Индукция в ярме статора, определяется по следующей формуле, Тл:

Страницы: 1, 2, 3, 4