Тепловой и вентиляционный расчет асинхронного двигателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Выбор главных размеров

2. Выбор числа пазов и типа обмотки статора

3. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

4. Расчет короткозамкнутого ротора

5. Расчет магнитной цепи

6. Параметры асинхронного двигателя для установившегося режима

7. Расчёт потерь

8. Расчет рабочих характеристик

9. Расчёт пусковых характеристик

10. Тепловой и вентиляционный расчет асинхронного двигателя

Список использованных источников

Аннотация



Введение

Асинхронные двигатели являются основными преобразователями электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода большинства механизмов, используемых во всех отраслях промышленности, сельского хозяйства, транспорта и в быту. Это объясняется простотой их конструкции, большой надежностью и высоким значением КПД. Более 60 процентов всей электрической энергии, вырабатываемой в мире, преобразуется в механическую энергию с их помощью.

Асинхронные двигатели общего назначения мощностью от 0,06 до 400 кВт на напряжение до 1000 В - наиболее широко применяемые электрические машины. На их изготовление расходуется большое количество дефицитных материалов: обмоточной меди, электротехнической стали, изоляционных и конструкционных материалов. Затраты на обслуживание и ремонт асинхронных двигателей в эксплуатации составляют более 5 процентов на ремонт и обслуживание всего установленного оборудования. Поэтому создание экономичных и надежных асинхронных двигателей является важнейшей задачей.

Асинхронные двигатели проектируются в виде серий. Серия имеет широкий ряд модификаций и специализированных исполнений для максимального удовлетворения нужд электропривода. Благодаря высокому уровню унификации и стандартизации деталей и сборочных единиц успешно решаются вопросы производства модификаций асинхронных двигателей на базе машин основного исполнения.

По своим энергетическим, пусковым, вибрационным и шумовым, механическим и эксплуатационным характеристикам асинхронные двигатели современных серий должны удовлетворять государственным стандартам, требованиям документов международной электротехнической комиссии и соответствовать современному уровню развития производства.

Серии электрических машин сменялись в течение 7 - 12 лет. Проектирование новых серий - ответственная задача, решаемая с учетом новейших мировых достижений ведущих электротехнических фирм. Это накладывает особые требования на проектирование базовых машин серий и модификаций. При проектировании необходимо учитывать возможные изменения стоимости материалов и электроэнергии, спрос на международном рынке, затраты на технологическое оборудование и другие факторы.

Серия асинхронных двигателей 4А разработана в 1969 - 1972 гг. В ее разработке принимали участие Ереванское отделение ВНИИЭМ (двигатели с высотами оси вращения ), специальное конструкторское бюро Харьковского электротехнического завода (), специальное конструкторское бюро Томского завода «Сибэлектромотор» (), Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт электромашиностроения () и Московский электромеханический завод им. Ленина (). Научное руководство разработкой серии 4А осуществлялось ВНИИЭМ.



1. Выбор главных размеров

1 Высоту оси вращения по рис. 9.18 принимаем: Внешний диаметр сердечника статора определяется по таблице 9.8.

2. Диаметр внутренней поверхности статора:

,

Гдеkd = 0.65 - коэффициент, равный отношению внутреннего диаметра сердечника статора к внешнему, определяется по таблице 9.9.

3. Полюсное деление:

,

4. Расчетная мощность машины:

,

где ke = 0.98 - коэффициент, равный отношениюЭДС к номинальному напряжению, выбирается по рисунку 9.20.;

cosцH= 0.92и зН = 0.92% - соответственно номинальные коэффициент мощности и КПД.

5. Электромагнитные нагрузки (по рис.9.22.):

- линейная токовая нагрузка;

- магнитная индукция в воздушном зазоре.

6. - обмоточный коэффициент.

7. Расчётная длинна магнитопровода:



,

,

синхронная угловая частота двигателя.

8. Отношение

,

Величина л находится в заданных пределах.

2. Выбор числа пазов и типа обмотки статора

9. По рисунку 9.26.определяются граничные значения зубцового деления:

;

10. Диапазон возможных значений чисел пазов статора:

,

,

Принимаем =60 тогда

,

Обмотка однослойная .

11. Зубцовое деление статора:

,

12. Число эффективных проводников в пазу статора (предварительно,при a1 = 1) и номинальный ток обмотки статора:

,

,

13. Принимаем , тогда по 9.19 проводник.

Принимаем

14. Окончательные значения: число витков в фазе:

,

Уточненное значение линейной токовой нагрузки:

,

Обмоточный коэффициент:

,

Магнитный поток в воздушном зазоре машины:

,

Уточненное значение магнитной индукции в воздушном зазоре:

,

15. Плотность тока в обмотке статора:

,

где AJ = 180·109A2/м3 определяется по рисунку 9.27, б.

16. Предварительное значение сечения эффективного проводника обмотки статора:

,

17. Число элементарных проводников принимаем nэл1 = 6 и по таблице приложения 3выбираем стандартные значения диаметров изолированного и неизолированного проводника, а также сечение элементарного проводника.

, ,

,

18. Плотность тока в обмотке статора (окончательно):

,

3. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

19. По таблице 9.12 определяется магнитная индукция в зубцах и в ярме статора:

;

Магнитопровод статора и ротора выполняют шихтованным из листовой электротехнической стали марки 2013, способ изолировки листов статора и ротора - оксидирование. Коэффициент заполнения пакета сталью.

Предварительное значение ширины зубца статора:

,

Предварительное значение высоты ярма статора:

,

20. Ширина и высота шлица паза статора: , .

Угол наклона грани клиновой части паза: .

Предварительное значение высоты паза статора:

,

Размеры паза статора:

,

=0.013 м,

,

21. Размеры паза в свету с учётом припуска на сборку.

Размеры паза в свету:



,

,

,

Площадь поперечного сечения пазовой изоляции:

,

где bиз = м - толщина изоляции.

Свободная площадь паза:

,

где Sпр = 0 - площадь поперечного сечения изоляции между слоями для двухслойных обмоток.

22. Коэффициент заполнения свободной площади паза обмоточным проводом:

,

Полученное значение kз допустимо для механизированной укладки обмотки статора.

4. Расчет короткозамкнутого ротора

23. Воздушный зазор является одним из основных размеров асинхронного двигателя, так как он влияет на энергетические и виброакустические показатели, на использование активных материалов и надежность машины.

Воздушный зазор:

,

24. Наружный диаметр ротора:

,

25. Выберем число пазов ротора из табл. 9.18.

26. Зубцовое деление ротора:

,

27. Внутренний диаметр магнитопровода:

,

где коэффициент по табл.9.19.

28 Длина магнитопровода ротора принимают равной длине сердечника статора:

,

29. Предварительное значение тока в стержне обмотки ротора:

,

где коэффициент, зависящий от ;

коэффициент приведения токов для двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора:

,

Где коэффициент скоса - ,пазы выполняем без скоса;

30. Сечение стержня:

,

где плотность тока в стержне обмотки ротора:

31. Форма пазов ротора:

Размеры шлицевой части паза:

,

,

Паз полузакрытый.

Ширина зубцов ротора по высоте паза:

,

Размеры паза ротора:

м,

= 0.0056 м,

Размеры паза ротора округляют до десятых долей мм:

,

,

Определяют размер паза:

,

32. Полная высота паза:

=

33. Площадь поперечного сечения стержня:

,

34. Ток кольца короткозамкнутого ротора:

где

,

Площадь поперечного сечения кольца:

,

где Jкл - плотность тока в кольце, А/м2, выбирается на 15-20% меньше, чем в стержне.

Jкл=0.85



Средняя высота кольца принимается больше высоты паза ротора на 20-25%:

,

Ширина кольца:

,

Средний диаметр кольца:

,

5. Расчет магнитной цепи

35. Расчет магнитной цепи асинхронного двигателя производится для номинального режима работы с целью определения суммарной намагничивающей силы, необходимой для создания рабочего магнитного потока в воздушном зазоре.

Магнитное напряжение воздушного зазора:

,

где ;

коэффициент воздушного зазора.

,

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

.044

л==1.607

36. Магнитное напряжение зубцовых зонстатора :

167.4 А

где 0.071 м

,

,

,

37. Магнитная индукция в зубцах ротора:

,

Из табл. П. 1.7. определяетсянапряженность магнитного поля:

.

,

135.44 А

38. Коэффициент насыщения зубцовой зоны:

,



39. Индукция в ярме статора:

,

Высота ярма статора:

,,

Длина силовой линии поля в ярме статора:

,

Магнитное напряжение ярма статора:

= 177.811 А

где напряженность магнитного поля в ярме статора.

По табл. П.1.6. находим

,

40. Магнитное напряжение ярма ротора:

,

Индукция в ярме ротора:

,



Длина силовой линии поля в ярме ротора:

,

Магнитное напряжение ярма ротора:

= 15 А

где напряженность магнитного поля в ярме ротора.

По табл. П.1.6. находим

,

41. Суммарное магнитное напряжение всех участков магнитной цепи на пару полюсов:

,

42. Коэффициент насыщения магнитной цепи:

,

43. Намагничивающий ток:

,

Относительное значение:

,



Для двигателя с мощностью, находится в допустимых пределах.

6. Параметры асинхронного двигателя для установившегося режима

44. Активное сопротивление обмотки статора:

,

где

Ом·м - удельное сопротивление медной обмотки статора;

- средняя длина витка обмотки статора

1.214 м

где - длина лобовой части обмотки статора:

0.732 м

где =1.2, - длина вылета прямолинейного участка катушки от торца сердечника до изгиба лобовой части, - среднее значение ширины катушки:

,



Длина вылета лобовой части катушки:

,

где

= 0.023

45. Активное сопротивление стержня обмотки ротора:

,

где - коэффициент увеличения активного сопротивления стержня вследствие вытеснения тока. В установившемся режиме , а Ом·м - удельное сопротивление алюминиевой обмотки ротора, - длина стержня.

Активное сопротивление участка кольца

,

Сопротивление фазы ротора

Ом

где - коэффициент приведения.

Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора:

где

коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора. электромагнитный статор асинхронный двигатель

Относительное значение:

,

46.Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора:

,

где - коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора;

- коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки статора;

- коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора.

Коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора

,

где - для обмоток с диаметральным шагом.

Коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки статора:



,

Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора

,

Где

,

- коэффициент, который зависит от .

= 0.177

47. Индуктивное сопротивление обмотки ротора:

,

где - коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора;

- коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки ротора;

- коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки ротора.

Коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора:



,

Коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки ротора:

= 1.146

Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки ротора:

,

где

- коэффициент, по рис.9.51.

Индуктивное сопротивление рассеяние обмотки ротора, приведенное к обмотке статора:

= 0.353

Относительное значение

= 0.089

7. Расчёт потерь

48. Основные потери в стали статора:



,

- коэффициенты, учитывающие увеличение потерь в зубцах и в спинке из-за явления «наклепа» в процессе штамповки листов статора.

Масса стали зубцов статора:

,

Масса стали ярма статора:

,

49. Поверхностные потери в роторе:

,

где

- коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов статора на поверхностные потери;

- амплитуда пульсаций магнитной индукции в воздушном зазоре над головками зубцов, Тл.

Амплитуда пульсаций магнитной индукции в воздушном зазоре над головками зубцов:

,

,

- коэффициент, значения которых зависят от отношения ширины шлица паза к величине воздушного зазора и определяются по рис. 9.53.

= 3.75

50. Масса зубцов ротора:

,

Амплитуда пульсаций средних значений магнитной индукции в зубцах:

,

Пульсационные потери мощности в зубцах ротора:

,

51. Общие добавочные потери в стали:

,

52. Полные потери мощности в стали:

,

53.Механические потери в двигателях со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141:



,

где

54. Холостой ход двигателя

,

Электрические потери мощности в обмотке статора в режиме холостого хода:

,

Активная составляющая тока холостого хода:

,

Ток холостого хода:

,

Коэффициент мощности в режиме холостого хода:

,

8. Расчет рабочих характеристик

55. Параметры:

,

,

,

,

,

,

56. Номинальное скольжение , тогда для построения рабочих характеристик берём диапазон в котором лежит точка и рассчитываем рабочие характеристики для всех точек указанных в диапазоне. Результаты расчёта заносим в таблицу 9.1.

Таблица 1.1 - Расчет рабочих характеристик

Расчётная формула	Размер-ность	Скольжение s
		0.005	0.01	0.015	,	0.03	sном
,	Ом	432	241	186	153	96	121
,	Ом	362	211	194	95	84	116
,	Ом	18.8	5.4	3.2	2.7	2.5	1.6
,	Ом	396	255	196	163	137	122
,	А	0.515	1.09	1.5	2.5	3	2.47
,	--	0.95	0.94	0.927	0.915	0.996	0.919
,	--	0.313	0.341	0.374	0.403	0.42	0.444
, ,	А	6.471	6.972	7.52	7.973	8.236	8.582
, ,	А	5.139	5.533	6.026	6.49	6.789	7.219
,	А	8.263	8.901	9.637	10.28	10.674	11.214
,	А	7.044	7.694	8.435	9.079	9.47	10.006
,	кВт	4.271	4.602	4.963	5.262	5.436	5.664
,	кВт	0.316	0.419	0.492	0.559	0.603	0.66
,	кВт	0.0083	0.0099	0.012	0.014	0.015	0.017
,	кВт	0.021	0.023	0.025	0.026	0.027	0.028
, , ,	кВт	0.559	0.62	0.696	0.768	0.813	0.879
,	кВт	3.711	3.981	4.267	4.5	4.623	4.785
,	--	0.869	0.865	0.854	0.845	0.842	0.84
,	--	0.783	0.783	0.78	0.776	0.772	0.765

9. Расчёт пусковых характеристик

Пусковые свойства асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором оцениваются кратностью пускового момента и пускового тока, а также перегрузочной способностью, которая характеризуется кратностью максимального момента.

Для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором наиболее распространённым способом пуска является прямое включение под номинальное напряжение сети. В процессе пуска частота тока в обмотке ротора изменяется от частоты сети f (s=1) до значений соответствующих рабочим скольжениям.

Расчёт пусковых характеристик начинается со скольжения .

57. Активное сопротивление обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока.

Высота стержня в пазу:

,

Приведённая высота стержня при литой алюминиевой обмотке ротора и расчётной температуре 750С:



,

по рис. 9.57 для найденного значения находим соответствующее значение

Расчётная глубина проникновения тока в стержень:

,

Ширина паза на расчётной глубине:

,

Сечение стержня на расчётной глубине:

,

Коэффициент увеличения сопротивления стержня:

,

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

,

Активное сопротивление обмотки ротора, приведённое к обмотке статора с учётом эффекта вытеснения тока:

58. Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учётом эффекта вытеснения тока:, kd=0.9

,

,

Коэффициент уменьшения индуктивного сопротивления рассеяния обмотки ротора в результате эффекта вытеснения тока:

,

,

59. Пусковые параметры:

,

,

60. Расчёт токов с учётом влияния эффекта вытеснения тока:

,

,

Расчётный ток ротора при пуске:

,



,

61. Индуктивные сопротивления обмоток.;

Расчётная намагничивающая сила пазов статора и ротора:

,

,

,

По рис 9.61. для , находим

Для статора:

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

,

Уменьшения проводимостей пазового рассеяния:

,

где 3,

,

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

,



Для ротора:

,

,

,

,

,

Индуктивные сопротивления фазы обмоток статора и ротора с учётом влияния насыщения:

,

,

,

62. Расчёт токов и моментов:

,

,

,

Расчётный ток ротора при пуске:

,



,

Кратность пускового тока:

,

Кратность пускового момента:

,

Коэффициент насыщения:

,

Значение отличается от принятого менее чем на 9%.

63. Критическое скольжение:

,

Таблица 1.2 - Расчет токов в пусковом режиме

Расчётная формула	Размер-ность	Скольжение s
		1	0.8	0.5	0.2	0.091	0.1
	--	1.337	1.196	0.946	0.598	0.403	0.423
	--	0.97	0.94	0.89	0.078	0.71	0.74
	м	0.017	0.019	0.02	0.021	0.021	0.021
	--	1.153	1.088	1.046	1.01	1.003	0.997
	--	1.124	1.071	1.37	1.008	1.003	0.997
	Ом	1.31	1.249	1.208	1.175	1.169	1.162
	--	0.93	0.95	0.96	0.97	0.98	0.99
	--	288	2.95	2.964	2.979	2.993	3.007
	--	0.975	0.987	0.99	0.992	0.995	0.997
	Ом	3.872	3.913	3.924	3.934	3.944	3.954
	Ом	3.2	3.452	4.378	8.119	8.864	14.332
	Ом	9.7	9.722	9.733	9.744	9.755	9.766
	А	450	449	447	424	354	366
	А	460	458	457	434	362	374

Таблица 1.3 - Расчет пусковых характеристик

Расчётная формула	Размер-ность	Скольжение s
		1	0.8	0.5	0.2	0.091	0.1
	--	1.3	1.23	1.17	1.1	1.05	1
	А	1245	1165	1072	851.5	783.02	572.76
	Тл	2.803	2.623	2.414	1.917	1.763	1.29
	--	0.91	0.92	0.93	0.94	0.95	0.95
	мм	0.679	0.604	0.528	0.453	0.377	0.377
	--	1.391	1.397	1.403	1.409	1.415	1.415
	--	5.16	5.217	5.274	5.331	5.387	5.387
	Ом	5.084	5.129	5.174	5.219	5.264	5.264
	--	1.075	1.076	1.077	1.077	1.078	1.078
	мм	0.946	0.84	0.735	0.63	0.525	0.525
	--	2.65	2.698	2.734	2.771	2.811	2.826
	--	2.161	2.185	2.208	2.232	2.256	2.256
	Ом	3.552	3.603	3.645	3.688	3.733	3.743
	Ом	3.144	3.444	4.366	8.095	10.053	14.293
	Ом	8.904	9.005	9.098	9.191	9.287	9.298
	А	201.965	198.818	197.802	195.962	193.074	190.902
	А	211.454	209.456	205.015	204.048	201.108	195.851
	--	1.075	1.065	1.054	1.032	1.014	0.962
	--	2.406	2.359	2.156	1.867	1.777	1.358
	--	0.411	0.48	0.679	1.121	1.174	0.9

10. Тепловой и вентиляционный расчет асинхронного двигателя

64. Потери мощности в обмотке пазовой части статора:

,

где по рис.9.67 а, находим

, - класс

нагревостойкости - F.

Превышение температуры внутренней поверхности магнитопровода статора над температурой воздуха внутри машины :

,

65. Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки

,



где

- периметр поперечного сечения паза;

- средняя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции;

- среднее значение эквивалентного коэффициента теплопроводности внутренней изоляции катушки всыпной обмотки их эмалированного провода, определяется по рис 9.69.

66. Потери мощности в лобовой части обмотки статора:

,

Перепад температуры по толщине изоляции лобовой части катушки из круглого провода:

,

где - условный периметр охлаждения лобовой части одной катушки;

- односторонняя толщина изоляции лобовой части катушки.

67. Превышение температуры поверхности лобовых частей обмотки статора над температурой воздуха внутри машины:

,

68. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины:



,

69. Превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды:

,

где - сумма потерь мощности, отводимых в воздух внутри машины;

- коэффициент подогрева воздуха;

- условная поверхность охлаждения корпуса.

Потери мощности, отводимые внутри машины при степени защиты IP44

,

где

,

При расчете условной поверхности охлаждения корпуса учитывают поверхность ребер станины

,

где - условный периметр поперечного сечения реберкорпуса двигателя, определяется по рис.9.70.

70. Среднее значение превышения температуры обмотки статора над температурой окружающей среды

,

71. Требуемый расход воздуха для охлаждения асинхронных двигателей со степенью защиты IP44:

,

где

коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи по длине корпуса машины;

Расход воздуха, который может быть получен при заданных размерах двигателя:

,

Для нормального охлаждения асинхронных двигателей необходимо, чтобы расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором, был больше требуемого:

,

,

Вывод: спроектированный двигатель отвечает поставленным в техническом задании требованиям.



Список использованных источников

1. 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. - 757 с.: ил.

2. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л., «Энергия», 1974, 840 с. с ил.



Аннотация

Пояснительная записка содержит 32 страниц, в том числе 3 таблицы, 2 источника. Графическая часть выполнена на 1 листе формата А1.

В данном проекте представлены расчеты: выбор главных размеров и электромагнитных нагрузок, выбор числа пазов статора и ротора, расчет зубцовой зоны статора и ротора, выбор воздушного зазора, расчет магнитной цепи, расчет параметров установившегося режима, расчет активных и индуктивных сопротивлений обмоток, расчет потерь мощности в режиме холостого хода, рабочих и пусковых характеристик, тепловой и вентиляционный расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором полезной мощностью 90 кВт. Расчет выполнялся вручную и с использованием ЭВМ.

Размещено на Allbest.ru

...