Расчет и проектирование судового асинхронного электродвигателя

Министерство транспорта Российской Федерации

Государственная Морская Академия имени адмирала С.О. Макарова

Кафедра ЭДАС

Вариант № 10

Задание на курсовое проектирование по дисциплине:

“Судовые электрические машины”

Рассчитать и спроектировать судовой асинхронный двигатель по следующим данным:

1.    Номинальная мощность: =40 кВт;

2.    Номинальная частота вращения (синхронная): =1500 об/мин

3.    Схема статора: “звезда”;

4.    Номинальное напряжение питания: =380 В;

5.    Исполнение: брызгозащищенная;

6.    Исполнение ротора: короткозамкнутый;

7.    Частота сети

Выполнил: к-т гр. Э-332

Попаденко Н.С.

Проверил:

Сюбаев М.А.

Санкт-Петербург

2005

1.Электромагнитный расчет и определение основных размеров двигателя

Определение размеров двигателя

При заданной номинальной мощности = 40 кВт, частоте сети =50 Гц, синхронной частоте вращения  = 1500 об/мин определяем число пар полюсов двигателя ;

Задаемся предварительными значениями КПД , коэффициента мощности , индукции в воздушном зазоре =0,74 Тл, используя кривые графиков (мет.указ. рис.1-3).

Определяем фазный ток статора по выражению:

А; гдеВ;
- число фаз статора; - номинальное фазное напряжение обмотки статора, В;  - номинальная мощность машины, кВт.

Определяем расчетную (внутреннюю) мощность двигателя по выражению:

кВА;

Зная расчетную мощность и число пар полюсов, по графику  устанавливаем предварительное значение диаметра расточки статора = 26,67 см = 0,2667 м.

Далее определяем окружную скорость ротора:

; Выполнено условие ≤40;
В результате имеем предварительное значение = 0,2667 м, полученное с учетом параметров построенных машин и допустимой окружной скорости ротора.

Расчет обмотки статора

Определяем магнитный поток машины: , задаемся величинами: ;

 ;

;

 м;

 Вб;

Находим предварительно число последовательно соединенных витков фазы статора:

; где - обмоточный коэффициент, .

Задаемся числом пазов на полюс и фазу .

Предварительное значение числа последовательно соединенных проводников в пазу:

.

Округляем до ближайшего целого четного числа ;

Окончательное число последовательно соединенных витков фазы статора ;

Для полученного значения  определяем значение магнитного потока:

 Вб.

Линейная нагрузка для ,:

;

Машинная постоянная Арнольда:

Для диаметра расточки статора  окончательно определим значения:

;

Длина статора :    см;

Конструктивная длина статора:  см;

Аксиальная длина чистой стали статора:  см, где - коэффициент заполнения листовой стали толщиной 0,5 мм, =0,9…0,93.

Определяем внешний диаметр магнитопровода статора по формуле:

 см;

Найдем ближайший меньший нормализованный диаметр статора:  ;

Установим вид паза – прямоугольный. Задаемся высотой паза ;

Находим высоту сердечника статора:

;

сечение сердечника статора:

;

Определяем магнитную индукцию в сердечнике статора:

;  Соблюдено условие ;

Выбор воздушного зазора

Для машин с мощностью :

 ;

Диаметр ротора:

;

Определяем число пазов статора:

Расчетное значение провода статорной обмотки:

, где - принятая плотность тока, при 

Пусть ;

 - округляем до ближайшего стандартного значения

Выбираем размеры:

высота , ширина  - для прямоугольной меди;

Для проверки правильности расчетов определим коэффициент заполнения паза:

, где  - площадь сечения паза,

при прямоугольном пазе

В качестве обмотки статора применим двухслойную укороченную обмотку.

Определяем элементы обмотки:

шаг секции по пазам: , где =0,1,2,3…

, =2 (укороченная обмотка);

шаг по пазам между началами фаз , где k=0,1,2,3…

, k=2

полюсное деление в шагах по пазам:

;

коэффициент распределения обмотки:

коэффициент укорочения обмотки:

Обмоточный коэффициент:

Расчет обмотки ротора

Число пазов ротора выбираем в определенной зависимости от числа пазов статора , с целью уменьшения паразитных моментов, шума, вибрации, двигателя:

;

Определяем ток фазы ротора, т.е ток стержня:

, где коэффициент трансформации тока

Для обмотки типа “беличья клетка”:

;

 А;

Сечение стержня ротора:

, где   - плотность тока в медных стержнях; =5,5…8

; отсюда диаметр паза ротора ;

Ток в короткозамыкающем кольце:

;

Сечение короткозамыкающего кольца:

 , где плотность тока

;

Размеры короткозамыкающего кольца:

;

Расчет магнитной цепи

Зубцовый шаг на расточке статора:

;

Ширина зубца статора на расточке:

, где  - ширина щели прямоугольного паза статора;

;

МДС зубцового слоя статора:

, где  - расчетная высота зубца в радиальном направлении;

 - расчетная напряженность поля;

Для прямоугольных пазов принимается: ;

;

, где - ширина зубца статора на 1/3 высоты зубца;

Зубцовый шаг статора на 1/3 высоты:

;

 Ширина зубца статора на 1/3 высоты зубца:

;

;

Напряженность  определим по кривым намагничивания стали, зная величину индукции в этом сечении: ;

МДС зубцового слоя статора:

;

МДС сердечника статора:

,  где  - напряженность магнитного поля в сердечнике статора, определяемая по кривым намагничивания на основе полученного ранее значения магнитной индукции ; ;

 - средняя длина магнитной цепи статора:

;

;

МДС зубцового слоя ротора:

, где для круглых пазов ротора принимается равной диаметру паза ;

Зубцовые шаги ротора по трем сечениям:

;

;

;

Ширина зубца ротора по трем сечениям:

;

;

;

Ширина зубца ротора на расточке:

;

Магнитная индукция в зубцах ротора по трем сечениям:

;

;

;

Магнитная индукция в зубцах не должна превышать 1,9 Тл.

По кривым намагничивания на основании рассчитанных индукций находятся напряженности магнитного поля по трем сечениям зубца: :

Средняя напряженность магнитного поля в зубцах ротора:

;

;

Сечение сердечника ротора:

;

Высота сердечника ротора:

;

МДС сердечника ротора:

, где напряженность магнитного поля сердечника ротора  определяется по кривой намагничивания, задавшись магнитной индукцией в сердечнике ротора: ;     ;

;

;

МДС воздушного зазора:

, где - выбор воздушного зазора, мм; - коэффициент воздушного зазора; , где - коэффициент воздушного зазора статора, - коэффициент воздушного зазора ротора;

;

= 1,52;

;

полная МДС магнитной цепи на пару полюсов:

;

Коэффициент насыщения двигателя:

;

Определение сопротивлений обмоток двигателя

Определение активных сопротивлений

Активное сопротивление фазы статорной обмотки при 75:

, где - коэффициент увеличения сопротивления при переменном токе:

Омическое сопротивление одной фазы при 15:

, где  - расчетное значение провода статорной обмотки;

;      - длина лобовой части, ;  ;

;

 Ом;

 Ом;

Активное сопротивление стержня при 75:

, где - расчетная длина стержня ротора, м;

Удельное сопротивление для медных стержней .

;

Активное сопротивление двух колец, приведенное к сопротивлению стержня:

, где  - удельное сопротивление кольца; - длина короткозамыкающего кольца между центрами соседних пазов.

;

 Ом;

Активное сопротивление ротора ;

Приведенное к статору активное сопротивление обмотки ротора:

;

Определение индуктивных сопротивлений

Индуктивное сопротивление обмотки статора

Пазовая магнитная проводимость открытого паза:

, где ; =10, =4;

;

Магнитная проводимость дифференциального рассеяния для открытого паза:

;

Магнитная проводимость рассеяния лобовых частей:

;

Полная магнитная проводимость рассеяния обмотки статора:

Индуктивное сопротивление обмотки статора:

Индуктивное сопротивление обмотки типа “беличья клетка”:

Пазовая магнитная проводимость для круглого стержня:

;

Магнитная проводимость дифференциального рассеяния:

;

Магнитная проводимость рассеяния лобовых частей при кольцах, прилегающих к стали ротора:

, где , - соответственно толщина и ширина сечения короткозамыкающего кольца. - диаметр оси короткозамыкающего кольца. ;

Полная магнитная проводимость рассеяния ротора:

Приведенное к статору индуктивное сопротивление ротора:

;

2. Расчет параметров и характеристик двигателя.

Ток холостого хода

Фазная индуктивная составляющая тока холостого хода:

;

Потери в стали статора состоят из потерь в сердечнике статора и зубцах:

;

Для электротехнической стали Э11 с толщиной листов 0,5 мм удельные потери ;

Масса сердечника статора:

, где  - плотность электротехнической стали.

;

Масса зубцов статора:

;

;

=0,537 кВт;

Поверхностные потери статора, Вт:; где удельные поверхностные потери статора, Вт/м2: ;

;

Поверхностные потери ротора, Вт:

; где удельные поверхностные потери ротора, Вт/м2:

;

Суммарные поверхностные потери:

;

Пульсационные потери в статоре, Вт:

, где амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубца статора: , где ; ;

;

Пульсационные потери в роторе:

, где

Амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубца ротора:

 Тл, где ;

Масса зубцов ротора:

;

;

Суммарные пульсационные потери:

;

Механические потери:

Ориентировочно механические потери ;

Электрические потери в обмотке статора при холостом ходе:

, где

Намагничивающий ток:

;

Суммарные потери в асинхронном двигателе при холостом ходе:

2279 Вт.

Активная составляющая тока холостого хода:

;

Ток холостого хода (фазный):

;

Кратность тока холостого хода:

;

Коэффициент мощности при холостом ходе:

.

Пусковые характеристики:

Индуктивное сопротивление холостого хода:

;

Комплексный коэффициент:

;

Параметры короткого замыкания:

активное сопротивление:

;

индуктивное сопротивление:

;

полное сопротивление:

;

Приведенный ток короткого замыкания ротора:

;

Ток короткого замыкания статора  ;

Коэффициент мощности при коротком замыкании:

;

Кратность тока короткого замыкания должна составлять:

;

Кратность пускового вращающего момента:

;

Номинальное скольжение:

, где ,

;

Для судовых двигателей начальный (пусковой) момент должен быть не ниже 0,9 номинального момента: . В нашем случае: .

3.Тепловой расчет

Удельные тепловые нагрузки в статоре:

от потерь в стали

;

от потерь в меди статора:

;

от изоляции:

; где  - периметр паза статора.

Превышение температуры над входящим воздухом:

а) стали статора:

, где - коэффициент теплорассеяния статора при аксиальной вентиляции:

;  - окружная скорость вентилятора.

б) лобовых частей обмотки:

, коэффициент теплорассеяния лобовых частей при аксиальной вентиляции:

;

в) в изоляции статорной обмотки:

, где коэффициент теплопроводности изоляции класса В - ;

Среднее превышение температуры статорной обмотки:

Превышение температуры обмоток асинхронных двигателей морского исполнения не должно быть более: 75  для класса изоляции В.

Расчет рабочих характеристик двигателя:

При расчете будем применять аналитический метод. Задаемся 6-ю значениями скольжения S в пределах номинального скольжения (0,2…1,3). Расчет удобно выполнить в табличной форме:

Само номинальное скольжение:

.

В таблице: - активная составляющая тока статора;  - реактивная составляющая тока статора;  - электрические потери в статоре;  - электрические потери в роторе;  - суммарные потери в стали; - добавочные потери;  - активная мощность при номинальной нагрузке;  - комплексный коэффициент;  - фазное напряжение.

Максимальный момент:

;

Критическое скольжение, соответствующее максимальному моменту:

;

Участок зависимости в диапазоне  рассчитаем по формуле Клосса:

;

Для построения графика зависимости  расчеты удобно свести в таблицу: