Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту (работе) по проектированию электрических машин

на тему: Проектирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Автор проекта Пронченко К.И.

Руководитель проекта Гречкин В.В.

Новосибирск 2014

Содержание

асинхронный двигатель ротор статор

Введение

1. Техническое задание

2. Выбор главных размеров

3. Электромагнитный расчет

4. Параметры рабочего режима

5. Расчёт потерь

6. Расчет рабочих характеристик

7. Расчёт пусковых характеристик

Заключение

Список использованных источников



Введение

Асинхронные двигатели получили наиболее широкое применение в современных электрических установках и являются самым распространенным видом бесколлекторных электрических двигателей переменного тока. Объясняется это простотой конструкции, надежностью в работе и удовлетворительными рабочими характеристиками. Области применения асинхронных двигателей, составляющих основу современного электропривода, весьма широкие - от привода устройства автоматики и бытовых электроприборов до привода крупного горного оборудования. Наибольшее применение имеют трёхфазные асинхронные двигатели серии 4А, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты.

Серия 4А охватывает диапазон мощностей от 0.06 до 400 кВт и выполнена на 17 стандартных высотах оси вращения, причем шкала мощностей содержит 33 ступени. Основными исполнениями являются закрытое обдуваемое (4А) и защищённое (4АН). Применение изоляции класса нагревостойкости F и новых сортов электротехнической стали дало возможность повысить электромагнитные нагрузки. Это позволило увеличить мощность двигателей при тех же высотах оси вращения, что и в прежних сериях, улучшить их технико-экономические показатели.

Двигатели выполняются на следующие номинальные напряжения: 220/380 В - при мощностях от 0.06 до 0.37 кВт, 220/380 и 380/660 В - при мощностях от 0.55 до 110 кВт, 380/660 В - при мощностях более 132 кВт.

Спроектированный двигатель может быть применён для привода механизмов с неизменной частотой вращения: привода вентиляторов, насосов, транспортеров и обрабатывающих станков или других устройств, не требующих регулирования частоты вращения приводного двигателя.



1. Техническое задание

Сконструировать и рассчитать асинхронный двигатель 4А132М4У3 с короткозамкнутым ротором по заданным исходным характеристикам, установленным в соответствии с требованиями государственных и отраслевых стандартов.

В качестве базовой модели принимается асинхронный двигатель серии 4А с короткозамкнутым ротором. Конструктивное исполнение по способу монтажа IM1001. Исполнение по степени защиты - IP44, категория климатического исполнения - У3, изоляция класса нагревостойкости F, режим работы - продолжительный.

Для данного двигателя применяется сталь марки 2013 в соответствии с ГОСТ 21427.3-83. Сердечники статора и ротора собраны из штампованных листов электротехнической стали. Обмотка короткозамкнутого ротора и закорачивающие кольца выполняются алюминиевыми, обмотка статора - медной.

2. Выбор главных размеров

1.1. Высота оси вращения принимается по исходным данным:

- внешний диаметр статора принимаем по рекомендации [1]:

1.2. Внутренний диаметр статора:

где - коэффициент, характеризующий отношения внешнего и внутреннего диаметров сердечника статора, выбираем по рекомендации [1].

1.3. Полюсное деление:

1.4. Расчетная мощность:

где - коэффициент, характеризующий отношения ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, выбираем по рекомендации[1].

1.5. Расчетная длина магнитопровода:

где - коэффициент формы поля, выбираем , - обмоточный коэффициент, предварительно выбираем , и - электромагнитные нагрузки, предварительно выбираем по рекомендации [1], - синхронная угловая скорость двигателя, находится по формуле:

где - частота питания сети.

Критерием правильности выбора главных размеров и служит отношение:

находится в нужных пределах по [1], значит главные размеры и выбраны правильно.

1.6. Определение и площади поперечного сечения провода обмотки статора.

1.6.1. Число пазов статора:

где и - максимальное и минимальное зубцовое деление статора, принимаем и , по рекомендации [1].

Принимаем , по указанию преподавателя.

Тогда, - число пазов на полюс и фазу равно:

где - число фаз.

Обмотка однослойная.

1.6.2. Зубцовое деление статора:

1.6.3. Число эффективных проводников в пазу:

где - номинальный ток обмотки статора, находится по формуле:

Принимаем число параллельных ветвей обмотки , тогда:

1.6.4. Окончательные значения:

Число витков в фазе обмотки:

Значение потока:

Индукция в воздушном зазоре:

Значения и А находятся в допустимых пределах по рекомендации [1].

1.6.5. Плотность тока в обмотке статора:

где значение произведения линейной нагрузки на плотность тока принимаем по рекомендации [1], .

1.6.6. Площадь поперечного сечения эффективного проводника(предварительно):

1.6.7. Сечение эффективного проводника(окончательно):

Принимаем число элементарных проводников тогда сечение элементарного проводника равно:

Принимаем круглый провод:

1.6.8. Плотность тока в обмотке статора(окончательно):

1.7. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора.

Принимаем трапецеидальный паз по рекомендации [1].

1.7.1. Ширина зубца статора:

высота ярма статора определяется по:

где - индукция в зубце статора при постоянном сечении и в ярме статора принимается по рекомендациям [1], и , - коэффициент заполнения сталью магнитопровода статора, принимаем по рекомендации [1], , так как способ изолирования - оксидирование.

1.7.2. Размеры паза статора в штампе:

высота шлица паза статора: ,

ширина шлица паза статора:

угол наклона грани клиновой части

принимаем по рекомендациям [1].

Размеры паза в штампе рассчитываем по:

Паз статора представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 Паз статора

1.7.3. Размеры паза статора в свету с учетом припуска на сборку:

где - припуски на шихтовку сердечников принимаем по рекомендациям [1], и .

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки определяем по:

где - площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу, определяем по:

где - односторонняя толщина изоляции в пазу, принимаем по рекомендации [1], .

1.7.4. Коэффициент заполнения паза:

полученное значение допустимо по рекомендации [1].

1.8. Выбор воздушного зазора

Односторонний воздушный зазор между статором и ротором определяем по формуле:

1.9. Расчет ротора

1.9.1. Число пазов ротора:

1.9.2. Внешний диаметр ротора:

1.9.3. Длина магнитопровода ротора:

1.9.4. Зубцовое деление ротора:

1.9.5. Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал:

где коэффициент принимаем по рекомендации [1], .

1.9.6. Ток в обмотке ротора:

где - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение и - коэффициент приведения токов, определяем по:

1.9.7. Площадь поперечного сечения стержня (предварительно):

где - плотность тока в стержне литой клетки принимаем по рекомендации [1], .

1.9.8. Принимаем закрытый трапецеидальный паз по рекомендации [1], где

- ширина шлица паза ротора,

- высота шлица паза ротора,

- высота перемычки над пазом.

Допустимая ширина зубца:

где - индукция в зубцах ротора, принимаем по рекомендации [1], Тл.

Размер паза ротора:

Диаметр закругления нижней части пазов не менее 1,5 - 2 мм, по рекомендации [1].

1.9.9. Уточняем ширину зубцов ротора:

Полная высота паза:

Паз ротора показан на рисунке 2.

Рисунок 2 Паз ротора

1.9.10. Плотность тока в стержнях ротора:

1.9.11. Размеры короткозамыкающих колец:

Площадь поперечного сечения кольца:

где - токи в кольце, - плотность тока в стержнях ротора определяем по:

Где

Размеры размыкающих колец:

2. Электромагнитный расчет

1.10. Магнитное напряжение воздушного зазора:

где - магнитная проницаемость, принимаем по рекомендации [1] и - коэффициент воздушного зазора определяем по:

где определяем по:

1.11. Магнитное напряжение зубцовых зон:

статора, для стали 2013 определяем по:

Так как , необходимо учесть ответвление потока в паз и найти действительную индукцию в зубце .

- коэффициент, определяющий отношение площадей поперечных сечений паза и зубца на высоте , определяем по:

Где

Принимаем , тогда по рекомендации [1]

проверяем соотношение :

ротора определяем по:

где - расчетная высота зубца ротора определяется по:

тогда по рекомендации [1]

1.12. Коэффициент насыщения зубцовой зоны:

1.13. Магнитное напряжение ярма:

статора определяем по:

где - длина средней магнитной силовой линии в ярме статора определяется по:

где - высота ярма статора определяется по:

тогда по рекомендации [1]

ротора определяем по:

где - длина силовой линии в ярме ротора определяется по:

где - высота ярма ротора определяется по:

где - расчетная высота ярма ротора определяется по:

1.14. Суммарное магнитное напряжение магнитной цепи на пару полюсов:

Относительное значение:

3. Параметры рабочего режима

1.15. Активное сопротивление обмотки статора (для класса нагревостойкости F расчетная температура 115°):

где - коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки от действия эффекта вытеснения тока, принимаем , - удельное сопротивление материала обмотки при температуре , принимаем , по рекомендации [1] и - общая длина эффективных проводников фазы обмотки определяется по:

где - средняя длина витка обмотки определяется по:

где и - длины пазовой и лобовой частей витка, соответственно, определяются по:

где , B - длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части принимаем , по рекомендации [1], - средняя длина катушки определяется по:

где - укорочение шага обмотки статора, принимаем по рекомендации [1].

Длина вылета лобовой части катушки:

где

Относительное значение:

1.16. Активное сопротивление фазы обмотки ротора:

где - сопротивление стержня и - сопротивление участка замыкающего кольца, заключенного между двумя соседними стержнями определяются по:

где для литой алюминиевой обмотки ротора по рекомендации [1].

Приводим к числу витков обмотки статора:

Относительное значение:

1.17. Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

где - коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора, - коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния, - коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния, находятся по:

где - коэффициенты зависящие от укорочения шага обмотки; ; ;

где коэффициент находится по:

где - коэффициент скоса пазов, - коэффициент зависящий от и , по рекомендации [1] принимаем .

1.18. Индуктивное сопротивление обмотки ротора:

где - коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора, - коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния, - коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора, находятся по:

где - коэффициент, который при расчете номинального режима двигателя по рекомендации [1] принимается ; ;

где - коэффициент приведения токов в кольце к току в стержне, находится по:

где коэффициент по рекомендации [1] принимаем .

Приводим к числу витков обмотки статора:

4. Расчет потерь

1.19. Потери в стали основные:

где - удельные потери при индукции 1 Тл и частоте перемагничивания 50 Гц, принимаем ; и - коэффициенты, учитывающие влияние на потери в стали неравномерности распределения потока по сечениям участков магнитопровода и технологических факторов, принимаем , для машин мощность меньше 250 кВт, по рекомендациям [1]; и - масса стали ярма и зубцов статора, находим по:

где - удельная масса стали, по рекомендации [1] принимаем .

1.20. Поверхностные потери в зубцах ротора:

где - удельные поверхностные потери, приходящиеся на 1 поверхности головок зубцов ротора, находим по:

где - коэффициент, учитывающий влияние обработки головок зубцов ротора на удельные потери, по рекомендации [1] так как двигатель мощностью менее 160 кВт, принимаем , - амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов ротора, находим по:

где - коэффициент зависящий от отношения ширины шлица пазов статора к воздушному зазору, по рекомендации [1], так как
принимаем

1.21. Пульсационные потери в зубцах ротора:

где - амплитуда пульсации в среднем сечении зубцов ротора, - масса стали зубцов ротора, находим по:

1.22. Сумма добавочных потерь в стали:

Поверхностные и пульсационные потери в статорах двигателей с короткозамкнутым ротором обычно очень малы, так как в пазах таких роторов мало и пульсации индукции в воздушном зазоре над головками зубцов статора незначительны, поэтому расчет потерь в статоре не производим[1]. И находим добавочные потери по:

1.23. Полные потери в стали:

1.24. Механические потери:

где - коэффициент, который принимается в зависимости от количества полюсов, так как , то по рекомендации [1] находим по:

1.25. Холостой ход двигателя

Найдем ток холостого хода двигателя по:

где - активная составляющая тока холостого хода, находим по:

где - электрические потери в статоре при холостом ходе, находим по:

Тогда коэффициент мощности равен:



5. Расчет рабочих характеристик

Рассчитаем последовательно включенные сопротивления и по:

Для расчета рабочих характеристик найдем комплексный коэффициент . Для его нахождения используем приближенную формулу, так как, найдем по:

Приближенная формула для нахождения комплексного коэффициента:

Перед началом расчета выпишем постоянные, не завещающие от скольжения. К ним относятся - номинальное напряжение фазы, и - сопротивления, - сумма потерь, составляющие тока синхронного холостого хода: - реактивная и - активная, которую находим по[1]:

Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения:

Также выпишем расчетные величины, обозначенные как: , , и , которые найдем по:

1.26. Рассчитываем рабочие характеристики для скольжений

Принимая предварительно, что:

Номинальные данные спроектированного двигателя:

Значения независящие от скольжения:

Таблица 1

Рабочие характеристики асинхронного двигателя

№ п/п	Расчётная формула	Единица	Скольжение
			0,007	0,014	0,021	0,028	0,035	Sн=0,036	0,042	0,049	0,056
1		Ом	55,33	27,67	18,44	13,83	11,07	10,76	9,22	7,90	6,92
2		Ом	55,95	28,28	19,06	14,45	11,68	11,38	9,84	8,52	7,53
3		Ом	1,96	1,96	1,96	1,96	1,96	1,96	1,96	1,96	1,96
4		Ом	55,98	28,35	19,16	14,58	11,85	11,54	10,03	8,74	7,78
5		А	3,93	7,76	11,48	15,09	18,57	19,06	21,93	25,16	28,26
6		-	1,00	1,00	0,99	0,99	0,99	0,99	0,98	0,97	0,97
7		-	0,03	0,07	0,10	0,13	0,17	0,17	0,19	0,22	0,25
8		А	4,35	8,16	11,84	15,37	18,74	19,20	21,93	24,94	27,78
9		А	6,40	6,80	7,43	8,28	9,33	9,49	10,54	11,89	13,36
10		А	7,73	10,62	13,98	17,46	20,93	21,42	24,33	27,63	30,82
11		А	4,02	7,93	11,73	15,42	18,98	19,48	22,41	25,71	28,88
12		кВт	2,9	5,4	7,8	10,1	12,4	12,7	14,5	16,5	18,3
13		кВт	0,11	0,2	0,35	0,55	0,79	0,83	1,07	1,39	1,72
14		кВт	0,018	0,07	0,15	0,27	0,4	0,42	0,56	0,74	0,93
15		кВт	0,014	0,026	0,39	0,5	0,61	0,63	0,72	0,82	0,91
16		кВт	0,48	0,64	0,89	1,21	1,6	1,66	2,05	2,54	3,08
17		кВт	2,39	4,75	6,93	8,94	10,77	11,02	12,43	13,92	15,25
18		-	0,832	0,881	0,886	0,881	0,871	0,869	0,859	0,845	0,832
19		-	0,562	0,768	0,847	0,880	0,895	0,897	0,901	0,903	0,901

Графики рабочих характеристик представлены на рисунке 3:

Рисунок 3 Графики рабочих характеристик



6. Расчет пусковых характеристик

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

Будем рассчитывать характеристики для точек. Соответствующих скольжениям:

Таблица 2

Пусковые характеристики без влияния токов насыщения

№ п/п	Расчётная формула	Единица	Скольжение
			1	0,8	0,6	0,4	0,2	0,1	0,197
1		-	1,22	1,1	0,95	0,77	0,55	0,39	0,54
2		-	0,16	0,11	0,07	0,03	0,008	0,002	0,0078
3		мм	16,6	17,3	18	18,7	19,1	19,2	19,1
4		-	1,1	1,07	1,04	1,01	1	1	1
4		-	1,07	1,05	1,03	1,01	1	1	1
5		Ом	0,398	0,388	0,381	0,373	0,368	0,367	0,368
6		-	0,92	0,94	0,96	0,97	0,98	0,99	0,98
7		-	0,94	0,95	0,97	0,98	0,98	1	0,98
8		Ом	1,08	1,1	1,11	1,12	1,13	1,14	1,13
9		Ом	1,01	1,1	1,25	1,55	2,48	2,5	4,34
10		Ом	1,84	1,85	1,87	1,88	1,89	1,89	1,89
11		А	105,1	102,1	97,8	90,2	70,6	46,5	70,1
12		А	111,6	105,8	101,3	93,5	73,3	48,5	72,8

1.28. Расчет пусковых характеристик с учетом влияния вытеснения тока и насыщения от поле рассеяния:

Таблица 3

Пусковые характеристики с учетом влияния вытеснения тока

№	Расчётная формула	Единица	Скольжение
			1	0,8	0,6	0,4	0,2	0,197	0,1
1		-	1,3	1,25	1,2	1,15	1,1	1,08	1,03
2		А	3329	3034	2789	2468	1851	1804	1146
3		Тл	5,43	4,95	4,54	4,02	3,02	2,94	1,87
4		-	0,45	0,47	0,49	0,52	0,67	0,7	0,86
5		мм	3,58	3,45	3,32	3,12	2,15	1,95	0,91
6		-	1,08	0,84	0,85	0,86	0,96	0,98	1,12
7		-	0,8	0,84	0,87	0,93	1,19	1,25	1,53
8		Ом	0,53	0,49	0,5	0,52	0,58	0,59	0,67
9		-	1,0114	1,0107	1,0108	1,0111	1,0125	1,0128	1,0144
10		мм	7,15	6,89	6,63	6,24	4,29	3,9	1,82
11		-	1,6	1,69	1,77	1,82	1,89	1,9	2,03
12		-	1,05	1,1	1,15	1,22	1,57	1,64	2,01
13		Oм	0,695	0,724	0,753	0,779	0,875	0,893	1,005
14		Ом	1,01	1,1	1,25	1,55	2,47	2,5	4,33
15		Ом	1,44	1,47	1,5	1,53	1,63	1,64	1,76
16		А	125,0	119,9	112,7	101,2	74,4	73,6	47,1
17		А	127,5	122,4	115,2	103,4	76,2	75,3	48,4
18			1,142	1,158	1,137	1,105	1,039	1,034	0,997
19		-	5,79	5,57	5,24	4,70	3,46	3,42	2,20
20		-	1,59	1,78	2,06	2,44	2,61	2,59	2,08

Графики пусковых характеристик представлены на рисунке 4:

Рисунок 4 Пусковые характеристики



Заключение

В данной работе был сконструирован и рассчитан асинхронный двигатель 4А132М4У3 с короткозамкнутым ротором по заданным исходным характеристикам.

При расчетах были учтены все особенности двигателя и входе проверки можно убедиться, что машина посчитана верно.



Список литературы

1. Проектирование электрических машин / И.П. Копылов и др. Под ред. И.П. Копылова, 1980.

2. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик и др. М.: Энергоиздат, 1982.

Размещено на Allbest.ru

...