Электрический двигатель мощность 30 кВт

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Кыргызской Республики

Агентство профессионально-технического образования

Каракольский профессиональный лицей №14

Выпускная квалификационная работа

на тему: Электрический двигатель мощность 30 квт

Выполнил студент гр. ЭМС 33: Камудинов Марлен

Каракол 2017

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор

1.1 Современные серии электрических машин

1.2 Основные тенденции в электромашиностроении

2. Расчеты и основные результаты работы

2.1 Техническое задание

2.2 Выбор аналога двигателя

2.3 Размеры, конфигурация и материал магнитной цепи двигателя

2.4 Обмотка статора

2.5 Обмотка короткозамкнутого ротора

2.6 Расчет магнитной цепи

2.7 Активные и индуктивные сопротивления обмоток

2.8 Режим холостого хода и номинальный

2.9 Рабочие характеристики

2.10 Максимальный момент

2.11 Начальный пусковой момент и пусковые токи

2.12 Расчет механической характеристики двигателя и зависимости пускового тока от скольжения

2.13 Тепловой и вентиляционный расчеты

2.14 Масса двигателя и динамический момент инерции ротора

2.15 Расчет надежности обмотки статора

2.16 Механический расчет вала и подбор подшипников качения

Заключение

Список использованных источников

Приложение

Введение

Асинхронный электродвигатель - двухобмоточный электрический двигатель, одна из обмоток которого питается от сети переменного напряжения, а другая замкнута накоротко или на сопротивление.

Асинхронные двигатели находят широкое применение в хозяйстве. По разным данным, около 70% всей электрической энергии, преобразуемой в механическую вращательного или поступательного движения, потребляется асинхронными электродвигателями.

Широкое применение асинхронных двигателей связано с простотой их конструкции, ее технологичностью и минимальными затратами в эксплуатации, по сравнению с другими видами электрических машин, таких как двигатели постоянного тока, синхронными двигателями и т.д.

Трехфазный асинхронный электродвигатель, традиционного исполнения, выполняющего вращательное движение (конструкция такого двигателя впервые была предложена М.О. Доливо-Добровольским в 1889 году) состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

Статор состоит из станины, в которую впрессован сердечник статора - магнитопровод статора с распределенной обмоткой. Назначение сердечника - создание вращающегося магнитного поля. Магнитопровод состоит из штампованных, изолированных друг от друга листов электротехнической изотропной (в крупных машинах - анизотропной) стали, толщиной (в зависимости от размеров и необходимых параметров машины) от 0,28 до 1мм.

Сердечник ротора двигателя, аналогично сердечнику статора, набирается из листов электротехнической стали. Обмотки роторов бывают короткозамкнутые, из алюминиевого литья, и фазные, которые, аналогично обмотке статора, выполнены из изолированного медного провода, концы обмоток выводятся на контактные кольца, закрепленные на вале ротора, далее, посредством щеточного контакта, к обмотке ротора можно подключить пусковой реостат.

В данном курсовом проекте речь пойдет о трехфазном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором.

1. Аналитический обзор

1.1 Принцип действия

В основу работы любой электрической машины положен принцип электромагнитной индукции. Электрическая машина состоит из неподвижной части -- статора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или индуктора (для машин постоянного тока) и подвижной части -- ротора (для асинхронных и синхронных машин переменного тока) или якоря (для машин постоянного тока). В роли индуктора на маломощных двигателях постоянного тока очень часто используются постоянные магниты.

Ротор асинхронного двигателя может быть:

короткозамкнутым;

фазным (с обмоткой) -- используются там, где необходимо уменьшить пусковой ток и регулировать частоту вращения асинхронного электродвигателя. В большинстве случаев это крановые электродвигатели серии МТН, которые повсеместно используются в крановых установках.

Якорь -- это подвижная часть машин постоянного тока (двигателя или генератора) или же работающего по этому же принципу так называемого универсального двигателя (который используется в электроинструменте). По сути универсальный двигатель -- это тот же двигатель постоянного тока (ДПТ) с последовательным возбуждением (обмотки якоря и индуктора включены последовательно). Отличие только в расчётах обмоток. На постоянном токе отсутствует реактивное (индуктивное или ёмкостное) сопротивление. Поэтому любая «болгарка», если из неё извлечь электронный блок, будет вполне работоспособна и на постоянном токе, но при меньшем напряжении сети.

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя

При включении в сеть в статоре возникает круговое вращающееся магнитное поле, которое пронизывает короткозамкнутую обмотку ротора и наводит в ней ток индукции. Отсюда, следуя закону Ампера (на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует ЭДС), ротор приходит во вращение. Частота вращения ротора зависит от частоты питающего напряжения и от числа пар магнитных полюсов.

Разность между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора характеризуется скольжением. Двигатель называется асинхронным, так как частота вращения магнитного поля статора не совпадает с частотой вращения ротора.

Синхронный двигатель имеет отличие в конструкции ротора. Ротор выполняется либо постоянным магнитом, либо электромагнитом, либо имеет в себе часть беличьей клетки (для запуска) и постоянные магниты или электромагниты. В синхронном двигателе частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора совпадают. Для запуска используют вспомогательные асинхронные электродвигатели, либо ротор с короткозамкнутой обмоткой.

Асинхронные двигатели нашли широкое применение во всех отраслях техники. Особенно это касается простых по конструкции и прочных трехфазных асинхронных двигателей с коротко-замкнутыми роторами, которые надежнее и дешевле всех электрических двигателей и практически не требуют никакого ухода. Название «асинхронный» обусловлено тем, что в таком двигателе ротор вращается не синхронно с вращающимся полем статора. Там, где нет трехфазной сети, асинхронный двигатель может включаться в сеть однофазного тока.

Статор асинхронного электродвигателя состоит, как и в синхронной машине, из пакета, набранного из лакированных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, в пазах которого уложена обмотка. Три фазы обмотки статора асинхронного трехфазного двигателя, пространственно смещенные на 120°, соединяются друг с другом звездой или треугольником.



Рис. 1 Двигатель постоянного тока в разрезе. Справа расположен коллектор с щётками

На рис.1. показана принципиальная схема двухполюсной машины -- по четыре паза на каждую фазу. При питании обмоток статора от трехфазной сети получается вращающееся поле, так как токи в фазах обмотки, которые смещены в пространстве на 120° друг относительно друга сдвинуты по фазе друг относительно друга на 120°.

Для синхронной частоты вращения nc поля электродвигателя с р парами полюсов справедливо при частоте тока {\displaystyle f} f: {\displaystyle n_{c}={\frac {60f}{p}}} n_{c}={\frac {60f}{p}}

При частоте 50 Гц получаем для {\displaystyle p} p = 1, 2, 3 (двух-, четырёх- и шести-полюсных машин) синхронные частоты вращения поля {\displaystyle n_{c}} n_{c} = 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Рис. 2 Трехфазные асинхронные двигатели

Ротор асинхронного электродвигателя также состоит из листов электротехнической стали и может быть выполнен в виде короткозамкнутого ротора (с «беличьей клеткой») или ротора с контактными кольцами (фазный ротор).

В короткозамкнутом роторе обмотка состоит из металлических стержней (медь, бронза или алюминий), которые расположены в пазах и соединяются на концах закорачивающими кольцами (рис. 1). Соединение осуществляется методом пайки твердым припоем или сваркой. В случае применения алюминия или алюминиевых сплавов стержни ротора и закорачивающие кольца, включая лопасти вентилятора, расположенные на них, изготавливаются методом литья под давлением.

У ротора электродвигателя с контактными кольцами в пазах находится трехфазная обмотка, похожая на обмотку статора, включенную, например, звездой; начала фаз соединяются с тремя контактными кольцами, закрепленными на валу. При пуске двигателя и для регулировки частоты вращения можно подключить к фазам обмотки ротора реостаты (через контактные кольца и щетки). После успешного разбега контактные кольца замыкаются накоротко, так что обмотка ротора двигателя выполняет те же самые функции, что и в случае короткозамкнутого ротора.

Классификация электродвигателей

По принципу возникновения вращающего момента электродвигатели можно разделить на гистерезисные и магнитоэлектрические. У двигателей первой группы вращающий момент создается вследствие гистерезиса при перемагничивании ротора. Данные двигатели не являются традиционными и не широко распространены в промышленности.

Наиболее распространены магнитоэлектрические двигатели, которые по типу потребляемой энергии подразделяется на две большие группы -- на двигатели постоянного тока и двигатели переменного тока (также существуют универсальные двигатели, которые могут питаться обоими видами тока).

Двигатель постоянного тока в разрезе. Справа расположен коллектор с щётками

Двигатель постоянного тока -- электрический двигатель, питание которого осуществляется постоянным током. Данная группа двигателей в свою очередь по наличию щёточно-коллекторного узла подразделяется на:

Коллекторные двигатели;

Бесколлекторные двигатели.

Щёточно-коллекторный узел обеспечивает электрическое соединение цепей вращающейся и неподвижной части машины и является наиболее ненадежным и сложным в обслуживании конструктивным элементом.

По типу возбуждения коллекторные двигатели можно разделить на:

Двигатели с независимым возбуждением от электромагнитов и постоянных магнитов;

Двигатели с самовозбуждением делятся на:

Двигатели с параллельным возбуждением (обмотка якоря включается параллельно обмотке возбуждения);

Двигатели последовательного возбуждения (обмотка якоря включается последовательно обмотке возбуждения);

Двигатели смешанного возбуждения (часть обмотки возбуждения включается последовательно с якорем, а вторая часть -- параллельно обмотке якоря или последовательно соединённым обмотке якоря и первой обмотки возбуждения, в зависимости от требуемой нагрузочной характеристики).

Бесколлекторные двигатели (вентильные двигатели) -- электродвигатели, выполненные в виде замкнутой системы с использованием датчика положения ротора, системы управления (преобразователя координат) и силового полупроводникового преобразователя (инвертора). Принцип работы данных двигателей аналогичен принципу работы синхронных двигателей

Двигатели переменного тока

Трехфазные асинхронные двигатели

Двигатель переменного тока -- электрический двигатель, питание которого осуществляется переменным током. По принципу работы эти двигатели разделяются на синхронные и асинхронные двигатели. Принципиальное различие состоит в том, что в синхронных машинах первая гармоника магнитодвижущей силы статора движется со скоростью вращения ротора (благодаря чему сам ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля в статоре), а у асинхронных -- всегда есть разница между скоростью вращения ротора и скоростью вращения магнитного поля в статоре (поле вращается быстрее ротора).

Синхронный электродвигатель -- электродвигатель переменного тока, ротор которого вращается синхронно с магнитным полем питающего напряжения.

Синхронные электродвигатели подразделяются на

синхронный двигатель с обмотками возбуждения. Данные двигатели обычно используются при больших мощностях (от сотен киловатт и выше).

синхронный двигатель с постоянными магнитами;

синхронный реактивный двигатель;

гистерезисный двигатель;

шаговый двигатель;

гибридный синхронный реактивный двигатель с постоянными магнитами;

реактивно-гистерезисный двигатель.

Существуют синхронные двигатели с дискретным угловым перемещением ротора -- шаговые двигатели. У них заданное положение ротора фиксируется подачей питания на соответствующие обмотки. Переход в другое положение осуществляется путём снятия напряжения питания с одних обмоток и передачи его на другие. Ещё один вид синхронных двигателей -- вентильный реактивный электродвигатель, питание обмоток которого формируется при помощи полупроводниковых элементов.

Асинхронный электродвигатель -- электродвигатель переменного тока, в котором частота вращения ротора отличается от частоты вращающего магнитного поля, создаваемого питающим напряжением. Эти двигатели наиболее распространены в настоящее время.

По количеству фаз двигатели переменного тока подразделяются на:

однофазные -- запускаются вручную, или имеют пусковую обмотку, или имеют фазосдвигающую цепь;

двухфазные -- в том числе конденсаторные;

трёхфазные;

многофазные;

Универсальный коллекторный электродвигатель

Основная статья: Коллекторный электродвигатель

Универсальный коллекторный электродвигатель -- коллекторный электродвигатель, который может работать и на постоянном, и на переменном токе. Изготавливается только с последовательной обмоткой возбуждения на мощности до 200 Вт. Статор выполняется шихтованным из специальной электротехнической стали. Обмотка возбуждения включается частично при переменном токе и полностью при постоянном. Для переменного тока номинальные напряжения 127, 220 В, для постоянного 110, 220 В. Применяется в бытовых аппаратах, электроинструментах.

Двигатели переменного тока с питанием от промышленной сети 50 Гц не позволяют получить частоту вращения выше 3000 об/мин. Поэтому для получения высоких частот применяют коллекторный электродвигатель, который к тому же получается легче и меньше двигателя переменного тока той же мощности или применяют специальные передаточные механизмы, изменяющие кинематические параметры механизма до необходимых нам (мультипликаторы). При применении преобразователей частоты или наличии сети повышенной частоты (100, 200, 400 Гц) двигатели переменного тока оказываются легче и меньше коллекторных двигателей (коллекторный узел иногда занимает половину пространства). Ресурс асинхронных двигателей переменного тока гораздо выше, чем у коллекторных, и определяется состоянием подшипников и изоляции обмоток.

Синхронный двигатель с датчиком положения ротора и инвертором является электронным аналогом коллекторного двигателя постоянного тока. Строго говоря, универсальный коллекторный двигатель является коллекторным электродвигателем постоянного тока с последовательно включенными обмотками возбуждения (статора), оптимизированным для работы на переменном токе бытовой электрической сети. Такой тип двигателя независимо от полярности подаваемого напряжения вращается в одну сторону, так как за счёт последовательного соединения обмоток статора и ротора смена полюсов их магнитных полей происходит одновременно и результирующий момент остаётся направленным в одну сторону.

Для возможности работы на переменном токе применяется статор из магнитно-мягкого материала, имеющего малый гистерезис (сопротивление перемагничиванию). Для уменьшения потерь на вихревые токи статор выполняют наборным из изолированных пластин. Особенностью (в большинстве случаев -- достоинством) работы такого двигателя именно на переменном токе (а не на постоянном такого же напряжения) является то, что в режиме малых оборотов (пуск и перегрузка) индуктивное сопротивление обмоток статора ограничивает потребляемый ток и соответственно максимальный момент двигателя (оценочно) до 3--5 от номинального (против 5--10 при питании того же двигателя постоянным током). Для сближения механических характеристик у двигателей общего назначения может применяться секционирование обмоток статора -- отдельные выводы (и меньшее число витков обмотки статора) для подключения переменного тока.

Синхронный электродвигатель возвратно-поступательного движения

Принцип его работы заключается в том, что подвижная часть двигателя представляет собой постоянные магниты, закреплённые на штоке. Через неподвижные обмотки пропускается переменный ток и постоянные магниты под действием магнитного поля, создаваемого обмотками, перемещают шток возвратно-поступательным образом

Современные серии электрических машин

В 70-е годы была разработана и внедрена серия электродвигателей 4А, основным критерием при проектировании которой был принят минимум суммарной стоимости двигателя в производстве и эксплуатации. Переход на новую привязку мощностей и установочных размеров электродвигателей позволил получить большую экономию дефицитных материалов. Впоследствии серия была модернизирована, вследствие чего несколько улучшены виброакустические и некоторые энергетические показатели электрических двигателей. Серия получила название 4АМ.

В связи со все возраставшими требованиями мирового электромашиностроения к асинхронным двигателям на замену двум предыдущим сериям 4А и 4АМ в 80-х годах бывшей организацией социалистических стран ИНТЕРЭЛЕКТРО была разработана унифицированная серия асинхронных электродвигателей АИ. Двигатели серии АИ отличаются повышенными надежностью и перегрузочной способностью - расширенным диапазоном регулирования, улучшенными энергетическими и виброакустическими характеристиками.

Распад Советского Союза на суверенные государства привел к тому, что многие заводы электротехнической промышленности, монопольно выпускавшие отдельные габариты единой серии АИ, оказались за рубежом. Поэтому в НИПТИЭМ разработана новая серия асинхронных электродвигателей 5А (взаимозаменяемых с электродвигателями АИР, 4А) на замену тем габаритам, производство которых осталось за границей России.

При разработке серии 5А учтены изменившиеся требования к асинхронным электродвигателям для повышения конкурентоспособности их на мировом рынке. На многих типоразмерах двигателей улучшены энергетические, виброакустические показатели, а так же моментные характеристики.

Общая характеристика двигателей серии АИ и5А

Привязка мощностей и установочных размеров электрических двигателей серии АИ аналогична привязке серий 4А, 4AМ и охватывает диапазон 0,06…400 кВт (при частоте вращения 1500 оборотов в минуту). Серия состоит из 17 габаритов, характеризуемых значениями оси вращения от 50 до 355 мм. Двигатели выпускается на частоты вращения 3000, 1500, 1000, 750, 600 и 500 оборотов в минуту.

Структура серии предусматривает следующие группы исполнений:

основное;

модификации по характеристикам с повышенным пусковым моментом, электрические двигатели с повышенным скольжением, многоскоростные двигатели, электрические двигатели с фазным ротором, однофазные, малошумные;

модификации по условиям окружающей среды (для холодного, для тропического климата, электродвигатели для сельского хозяйства, для работы в пыльных помещениях, для работы в химически активных средах);

модификации электродвигателей по точности установочных размеров (с повышенной точностью, с высокой точностью установочных размеров);

модификации асинхронных двигателей с дополнительными устройствами (со встроенной температурной защитой, со встроенным электромагнитным тормозом);

· узкоспециализированные модификации (текстильные, для моноблок насосов, двигатели в рудничном нормальном исполнении).

В России двигатели серии 5АМ (модернизированные) производят на Владимирском Электромашиностроительном Заводе. В настоящее время завод выпускает и двигатели серии 6А. Ведутся разработки серии 7А.

Параллельно в 1992 году на Ярославском Электромашиностроительном Заводе шло создание новой серии электрических машин РА. В двигателях используются съемные лапы, позволяющие потребителю выбирать наиболее удобное для него расположение машины. Кроме того, в двигателях используется горизонтально-вертикальное оребрение станин, позволяющее сэкономить до 15% материала станины, улучшая при этом теплоотдачу. Освоение серии РА позволило сократить зависимость России от импорта и развить экспорт асинхронных двигателей.

1.2 Основные тенденции в развитии электромашиностроения

К основным тенденциям можно отнести:

Применение утоньшенной корпусной изоляции и обмоточных проводов с малой толщиной изоляции. При этом повышается коэффициент заполнения обмоточного пространства медью и соответственно использование объема машины.

Использование более нагревостойкой изоляции. В настоящее время наибольшее распространение находит изоляция класса F. В машинах, работающий в более тяжелых условиях, распространена изоляция класса Н.

Применение улучшенных марок электротехнической стали. Сейчас часто используют холоднокатаную электротехническую сталь, обладающую большей магнитной проницаемостью и меньшими удельными потерями в сравнении с горячекатаной.

Усовершенствование охлаждения машин, путем повышения производительности вентиляторов, уменьшения аэродинамического сопротивления воздухопровода, увеличения поверхности охлаждения, усиления теплопередачи путем лучшего заполнения воздушных прослоек в обмотках пропитывающими лаками и компаундами.

Усовершенствование методов расчета машин.

Улучшение конструкции машин, придание рациональной формы, при обеспечении снижения массы и повышения прочности.

Также сюда можно отнести стремление уменьшить динамический момент инерции, увеличение отношения длины сердечника ротора к его диаметру; повышение надежности.

2. Расчеты и основные результаты работы

2.1 Техническое задание

Спроектировать трехфазный асинхронный электродвигатель в соответствии со следующими данными:

номинальная мощность P₂ =45 кВт;

номинальное линейное напряжение, Д/Y: 380/660 В;

число пар полюсов р=3;

степень защиты: IP44;

исполнение по способу монтажа: IM1001;

исполнение по способу охлаждения: IC141.

2.2 Выбор аналога двигателя

По вышеуказанным данным выбираем из каталога Владимирского Электромашиностроительного Завода двигатель 5АМ250S6У3.

Технические характеристики двигателя:

номинальная мощность: P₂ =45 кВт;

номинальное линейное напряжение: 380/660В (Д/Y);

номинальная частота вращения: n_ном =985 об/мин;

коэффициент полезного действия: з=93%;

коэффициент мощности: cosц=0.83;

номинальный фазный ток: I_1ном = 87.5А;

номинальный момент: М_ном =436 Н·м;

кратность пускового момента к номинальному: М_п /М_ном =2;

кратность максимально момента к номинальному: М_m /М_ном =2;

динамический момент инерции ротора: J=1.2 Н·м² ;

масса двигателя: 430 кг.

2.3 Размеры, конфигурация, материал магнитной цепи двигателя

По таблице 9-2 [1] по заданной высоте оси вращения определяем максимально допустимый наружный диаметр сердечника статора:

D_{H 1 max} =452 мм, припуск на штамповку - Д_шт = 8мм; ширина резаной ленты стали марки 2411 равна 460мм.

Выбираем наружный диаметр сердечника статора: D_{H 1} =440мм.

Внутренний диаметр сердечника статоранаходим по формуле, приведенной в таблице 9-3 [1]:

мм;

Расчетную мощность Р¹ по коэффициенту k_H =0.97 находим по формуле 1.11[1], cosц принимаем 0.86:

Для изготовления магнитопроводов статора и ротора выбираем резаную ленту стали 2411, толщиной 0.5 мм.

По графикам на рисунке 9-4 [1] определим электромагнитные нагрузки:

А₁ =358 А/см - линейная нагрузка статора;

В_д ' =0.81 Тл - индукция в зазоре.

Частота вращения ротора при идеальном холостом ходе n=1000 об/мин.

Предварительный коэффициент обмотки статора: k_об1 =0.93.

Определим приблизительную длину сердечника статора:

Принимаем длину сердечника равной 175 мм. Найдем отношение длины к диаметру сердечника и сравним с максимально допустимым:

Полученное отношение меньше предельного, с учетом достаточно большого числа полюсов - длина сердечника достаточна.

Сердечник статора из стали 2411 с термостойким изоляционным покрытием. Коэффициент заполнения сталью: k_c =0.93.

Число пазов на полюс и фазу q₁ выбираем равным 4.

Количество пазов, таким образом: z₁ =6·3/4=72, пазы трапецеидальные полузакрытые, обмотка всыпная из круглого провода.

Сердечник ротора из стали 2411 с термостойким изоляционным покрытием. Коэффициент заполнения также 0.93.

Наружный диаметр ротора определяем по формуле, с учетом что зазор в машине принимаем равным 0.7мм:

Внутренний диаметр листов ротора:

Для улучшения охлаждения машины и уменьшения динамического момента инерции делаем n_k = 10 аксиальных каналов в сердечнике ротора, диаметром d_k =30мм. Длина сердечника ротора равна l, длине сердечника статора. Число зубцов ротора, в соответствии с предложенным рядом, выбираем равным z₂ =82.

2.4 Обмотка статора

Обмотка всыпная из круглого провода марки ПЭТ-155, класса F, двухслойная, с укороченным шагом, петлевая (схема обмотки фазы в Приложении).

Коэффициент распределения обмотки:

где б=60^° /q₁ =15°.

Шаг обмотки (коэффициент укорочения в принимаем равным 0.833:

Коэффициент укорочения:

Обмоточный коэффициент (скоса пазов нет, коэффициент скоса равен единице):

Предварительное значение магнитного потока:

Предварительное число витков в обмотке фазы:

Число эффективных проводников в пазу (число параллельных ветвей в обмотке а=1):

Принимаем N_п =10, тогда число витков в фазе щ=120.

Уточним значения магнитного потока и индукции в воздушном зазоре:

Предварительное значение номинального фазного тока:

Уточненная линейная нагрузка статора:

Разница с ранее принятым .

Расчет трапецеидального полузакрытого паза:

Рис. 3. Трапецеидальный полузакрытый паз статора

Зубцовое деление по внутреннему диаметру статора:

Из рекомендуемых значений индукции в зубце статора (таблица 9-14 [1]) принимаем индукцию в зубце: B_з1 =1.7 Тл.

Определим ширину зубца:

Индукцию в спинке статора определяем по табл. 9-13 [1]: В_с1=1.45Тл.

Высота спинки статора:

Высота паза:

Большая ширина паза:

Высота шлица: h_ш1 =0.5 мм; ширина шлица b_ш1 =0.3h^1/2 =4.5мм.

Меньшая ширина паза:

Высота паза занимаемая обмоткой:

Размеры h_k , h₂ , h₄ определяем в соответствии с таблицей 9-21[1].

Выполним проверку правильности определения большей и меньшей ширины паза:

Следует, что расчет геометрии произведен верно.

Припуск на сборку: b_c =0.2 и h_c =0.2мм.

Площадь поперечного сечения паза в штампе:

Площадь поперечного сечения паза в свете:

Толщина корпусной изоляции: b_и1 =0.4 мм.

Определим площадь поперечного сечения корпусной изоляции:

мм²

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

Площадь поперечного сечения занимаемая обмоткой:

Число элементарных проводников в эффективном с=6.

Тогда диаметр элементарного изолированного провода, при предположении что коэффициент заполнения паза k_n =0.72:

По приложению 1[1] находим ближайший стандартный провод марки ПЭТ-155:

d₁ =1.585 мм; сечение провода (неизолир.) S=1.767мм² .

Предварительное значение плотности тока в обмотке:

Коэффициент заполнения паза:

Определим размеры элементов обмотки:

Среднее зубцовое деление статора:

Средняя ширина катушки обмотки:

Средняя длина одной лобовой части катушки:

Средняя длина витка обмотки:

Длина вылета лобовой части:

2.5 Обмотка короткозамкнутого ротора

Рис. 4 Закрытый грушевидный паз

Выбираем по таблице 9-18 индукцию в зубце ротора:

B₃₂ =1.8 Тл.

Выбираем глубину паза по рисунку 9-12 [1]:

h_{n 2} =56мм.

Высота спинки ротора:

Индукция в спинке ротора:

Зубцовое деление по наружному диаметру ротора:



Ширина зубца ротора:

Меньший радиус паза:

Высота шлица: h_ш2 =0.7 мм; высота мостика h₂ =0.3 мм; ширина мостика b_ш2 =1.5мм.

Больший радиус паза:

Проверка правильности определения r₁ и r₂ :

Сечение стержня:

Обмотка ротора из алюминия марки АКМ12-4. Вместе с обмоткой отливаем короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки.

Рис. 5. Короткозамыкающее кольцо и вентиляционная лопатка ротора.

Поперечное сечение кольца:

Высота кольца:

Длина кольца:

Средний диаметр кольца:

Вылет лобовой части обмотки ротора по рисунку 9-21 [2]:

l_л = 70мм. На роторе 14 лопаток, толщиной 4мм.

Рис. 6. Вентиляционные лопатки ротора

2.6 Расчет магнитной цепи

МДС для воздушного зазора.

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

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

Коэффициент воздушного зазора:

МДС воздушного зазора:



МДС для зубцов при трапецеидальных полузакрытых пазах статора:

B₃₁ =1.7 Тл;

Н₃₁ =16.3 А/см (для стали 2411);

L₃₁ =h_п1 =32.7мм - средняя длина пути магнитного потока;

МДС для зубцов при грушевидных закрытых пазах ротора:

B₃₂ =1.8Тл;

Н₃₂ =31.9 А/см;

L₃₂ =h_п2 -0.2r₂ =56-0.2=55.8мм;

МДС для спинки статора:

B_с1 =1.45Тл;

Н_с1 =5.7 А/см;

МДС для спинки статора:

B_с2 =1.03Тл;

Н_с2 =2.77 А/см;



Параметры магнитной цепи:

Суммарная МДС на один полюс:

Коэффициент насыщения магнитной цепи:

Намагничивающий ток:

Намагничивающий ток в относительных единицах:

ЭДС холостого хода:

Главное индуктивное сопротивление:



Главное индуктивное сопротивление в относительных единицах:

2.7 Активные и индуктивные сопротивления обмоток

Активное сопротивление обмотки фазы при 20°С:

В относительных единицах:

Проверка правильности определения:

Коэффициенты, учитывающие укорочение шага обмотки (по рисунку 14-18[2]):

k_{в 1} =0.7;

k'_{в 1} =0.77;

Коэффициент проводимости для пазового рассеяния:



Коэффициент, учитывающий влияние открытия пазов статора на проводимость дифференциального рассеяния:

Коэффициент, учитывающий демпфирующую реакцию токов, наведенных в обмотке короткозамкнутого ротора высшими гармониками поля статора, по таблице 9-22 [1]:

k'_{p 1} =0.74

Коэффициент дифференциального рассеяния статора:

k_д1 =0.0062

Коэффициент проводимости для дифференциального рассеяния:

Полюсное деление:

Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей:

Коэффициент проводимости рассеяния обмотки статора:

Индуктивное сопротивление обмотки фазы статора:

То же в относительных единицах:

Проверка правильности определения:

Сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора с овальными закрытыми пазами:

Активное сопротивление стержня клетки при 20°С:

Где 15 См/мкм - удельная проводимость алюминия АКМ12-4.

Коэффициент приведения тока кольца к току стержня:



Активное сопротивление короткозамыкающего кольца:

Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора:

Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора:

Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора в относительных единицах:

Ток стержня ротора для рабочего режима:

Коэффициент проводимости рассеяния:

Количество пазов ротора на полюс и фазу:

Из рисунка 9-17 [1]:

Коэффициент дифференциального рассеяния: k_д2 =0.0045

Коэффициент проводимости рассеяния короткозамыкающих колец:

Коэффициент проводимости рассеяния:

Индуктивное сопротивление обмотки ротора:

Приведенное:

В относительных единицах:

Проверка правильности определения:

x₁ /x'₂ =0.7 (находится в рекомендуемых пределах 0.7-1.0).

Сопротивления обмоток преобразованной схемы замещения двигателя (с вынесенным на зажимы намагничивающим контуром):

Коэффициент рассеяния статора:

Коэффициент сопротивления статора:

Параметры схемы замещения:



ЭДС холостого хода:

Разница с ранее рассчитанным:

2.8 Режим холостого хода и номинальный

Реактивная составляющая тока статора при синхронном вращении:

А

Электрические потери в обмотке статора при синхронном вращении:

Вт

Расчетная масса стали зубцов статора при трапецеидальных пазах:

кг

Магнитные потери в зубцах статора:

Вт

Масса стали спинки статора:

кг

Магнитные потери в спинке статора:

Вт

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

Вт

Механические потери:

Вт

Активная составляющая тока холостого хода:

А

Ток холостого хода:

А

Коэффициент мощности при холостом ходе:

Расчет номинального режима производим в соответствии со схемой замещения, представленной на рисунке 7.

Рис. 7. схема замещения асинхронного двигателя.

Расчет параметров схемы замещения.

Активное сопротивление короткого замыкания:

Ом

Индуктивное сопротивление короткого замыкания:

Ом

Полное сопротивление короткого замыкания:

Ом

Добавочные потери при номинальной нагрузке:

Вт

Механическая мощность двигателя:

Вт

Эквивалентное сопротивление схемы замещения:

Ом

Полное сопротивление схемы замещения:

Ом

Проверка правильности расчетов:

Номинальное скольжение:

Активная составляющая тока статора при синхронном вращении:

А

Ток ротора:

А

Активная составляющая тока статора:

А

Реактивная составляющая:

А

Фазный ток статора:

А

Коэффициент мощности:

Линейная нагрузка статора:

А/см

Плотность тока в обмотке статора:

А/мм²

Линейная нагрузка ротора:

А/см

Ток в стержне короткозамкнутого ротора:

А/мм²

А

Плотность тока в стержне короткозамкнутого ротора:

Ток в короткозамыкающем кольце:

А

Электрические потери в обмотке статора:

Вт

Электрические потери в обмотке ротора:

Вт

Суммарные потери в электродвигателе (Вт):

Подводимая мощность:

Вт

Коэффициент полезного действия

:

%

Проверка.

Подводимая мощность:

Вт

Выходная мощность:

Вт

При повышении точности расчета (до 4-6 знаков после запятой) выходная мощность стремится к значению 45000Вт.

2.9 Рабочие характеристики.

Расчет рабочих характеристик ведем аналитическим путем по формулам из предыдущего пункта, меняя мощность Р₂ в диапазоне от 0 до 58.8 кВт. Полученные графики смотрите в Приложении.

2.10 Максимальный момент.

Переменная часть коэффициента статора при трапецеидальном полузакрытом пазе:



Составляющая коэффициента проводимости рассеяния статора, зависящая от насыщения:

Переменная часть коэффициента ротора:

Составляющая коэффициента проводимости рассеяния ротора, зависящая от насыщения:

Индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, зависящее от насыщения:

Ом

Независящее от насыщения (Ом):

Ток ротора, соответствующий максимальному моменту, при закрытых овальных пазах:

Полное сопротивление схемы замещения:

Ом

-

сопротивление при бесконечном скольжении.

Эквивалентное сопротивление схемы замещения при максимальном моменте:

Ом

Кратность максимального момента:

Критическое скольжение:



2.11 Начальный пусковой момент и пусковые токи

Рассчитаем параметры схемы замещения двигателя при пуске, с учетом влияния вытеснения тока и насыщения магнитной цепи.

Высота стержня клетки ротора:

Приведенная высота стержня ротора:

По графику на рисунке 9-23 [1] определяем коэффициент .

Расчетная глубина проникновения тока в стержень:

Ширина стержня на расчетной глубине проникновения тока:

Площадь поперечного сечения стержня при расчетной глубине проникновения тока:



Коэффициент вытеснения тока:

Активное сопротивление стержня клетки для пускового режима:

Активное сопротивление обмоткиротора приведенное к обмотке статора:

По графику на рисунке 9-23 [1] определяем коэффициент .

Коэффициент проводимости рассеяния паза ротора при пуске:

Коэффициент проводимости рассеяния обмотки ротора при пуске:



Индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, зависящее от насыщения:

Независящее:

Активное сопротивление короткого замыкания при пуске:

Рассчитаем пусковой ток и момент.

Ток ротора при пуске:

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

Индуктивное сопротивление схемы замещения при пуске:

Активная составляющая тока статора при пуске:

Реактивная составляющая тока статора при пуске:

Фазный ток статора при пуске:

Кратность начального пускового тока:

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

Кратность начального пускового момента:

2.12 Расчет механической характеристики двигателя и зависимости пускового тока от скольжения

Расчет механической характеристики в диапазоне скольжений от 0 до критического производим по формуле Клосса. Имея значения максимального и пускового моментов и значение момента при s=0.5, можно достаточно точно построить механическую характеристику в диапазоне скольжений от 0 до 1.

Для того, чтобы определить значение момента при s=0.5 построим круговую диаграмму двигателя для данного скольжения, учитывая соответствующее уменьшение индуктивных сопротивлений (в отличии от номинального режима) и увеличения сопротивления r₂₁₁ . Построение диаграммы ведем по методу, изложенному в параграфе 14-12 [2].

Масштаб по току принимаем: С_Т =1.5 А/мм;

Тогда масштаб мощности:



Диаметр рабочего круга:

Расстояния GH, GF, GE соответственно:

200·с1=2.22мм

100r₁₁ /x_k =23.5/1.46=16.1 мм

100r_кп /x_k = 0.58/1.46=39.7мм

Проводим через точкуО и Е, О и А линии механических мощностей и электромагнитных моментов, соответственно.

Отношение моментов будет равно отношению КК₁ /LL₁ .

Отношение токов: O₁ K/O₁ L.

Рис. 8. Круговая диаграмма двигателя при s=0.5

Таким образом, кратность моментов равна 1.6.

Кривую тока строим по 4 точкам:

s=0: I_xp /I₁ =0.36;

s=0.023: I/I₁ =1.0;

s=0.5: I/I₁ =4.7 (покруговойдиаграмме);

s=1.0: I_xp /I₁ =5.3;

Графики механической характеристики двигателя и зависимости тока от скольжения приведены в Приложении.

2.13 Тепловой и вентиляционный расчеты

Проектируемый двигатель имеет изоляцию класса F. Тепловой расчет проводят для наиболее неблагоприятных условий работы - температуру обмоток принимаем 140 градусов. Соответственно коэффициент m_T =1.48.

Потери в обмотке статора при максимальной температуре:

Условная внутренняя поверхность охлаждения активной части статора:

Условный периметр поперечного сечения трапецеидального полузакрытого паза:

Условная поверхность охлаждения пазов:

Условная поверхность охлаждения лобовых частей:



Число ребер на станине 36, высота ребра 30мм.

Условная поверхность охлаждения двигателя:

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали, отнесенных к внутренней поверхности охлаждения активной части статора:

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки, отнесенных к внутренней поверхности охлаждения пазов:

Удельный тепловой поток от потерь в лобовых частях обмотки, отнесенных к внутренней поверхности охлаждения пазов:

Окружная скорость ротора:



Превышение температуры внутренней поверхности активной части статора над температурой воздуха внутри машины:

(по рисунку 9-24)

Перепад температуры в изоляции паза и катушек из круглых проводов:

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

Перепад температуры в изоляции лобовых частей катушек из круглых проводов:

Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри двигателя:



Потери в обмотке ротора, при максимальной допускаемой температуре:

Потери в двигателе со степенью защиты IP44, передаваемые воздуху внутри двигателя:

Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой наружного воздуха:

( по рисунку 9-25).

Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного воздуха:

.

Вентиляционный расчет двигателя.

Наружный диаметр корпуса машины:



Коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи по длине корпуса двигателя:

Необходимый расход воздуха:

м³ /с

Расход воздуха, который может быть обеспечен наружным вентилятором:

м³ /с

Напор воздуха, развиваемый наружным вентилятором:

Па

2.14 Масса двигателя и динамический момент инерции ротора

Масса изолированных проводов обмотки статора:



Масса алюминия короткозамкнутого ротора с литой клеткой (число лопаток на роторе N=14, ширина лопатки средняя b_л =5мм, длина лопатки l_л =70мм, высота h_л =56мм):

Масса стали сердечников статора и ротора:

Масса изоляции статора:

Масса конструкционных материалов:

Масса двигателя:

Динамический момент инерции:

2.15 Расчет надежности обмотки статора

Пусть вероятность наличия хотя бы одного дефекта изоляции провода длиной 100мм после укладки: q₁ =0.2, коэффициент характеризующий качество пропитки: k_пр =0.5, тогда дефектность витковой изоляции до начала эксплуатации электродвигателя:

Вероятность плотного касания соседних витков:

Количество проводников, находящихся в наружном слое секции:

во внутреннем слое:



Доля пар соседних элементарных витков, принадлежащих к одному эффективному:

Общая длина пар соседних витков в обмотке:

Количество последовательно соединенных секций в фазе:

Среднее значение фазных коммутационных перенапряжений:

Среднее квадратичное отклонение величины коммутационных фазных перенапряжений:

Номинальное фазное напряжение, приходящееся на секцию:

Вероятность отказа витковой изоляции при воздействии одного импульса перенапряжения и при условии, что на касающихся витках имеются совпадающие дефекты:

Скорость роста дефектности витковой изоляции для класса F:

Вероятность возникновения короткого замыкания витковой изоляции на длине касающихся витков в течение 20000 часов:

Вероятность отказа межвитковой изоляции в течение 20000 часов:



Вероятность безотказной работы межвитковой изоляции в течение 20000 часов:

Вероятность безотказной работы обмотки статора за 20000 часов:

ГОСТ 19523-74 устанавливает минимальную вероятность безотказной работы в течении 10000 часов 0.9. В нашем случае имеем 0.972 при времени работы 20000 часов.

2.16 Механический расчет вала и подбор подшипников качения

Рис. 9. Эскиз вала ротора.

Таблица 1 - Участок вала b:

d, мм	J, мм4	у, мм	у3 , мм3	y3 i -y3 i-1 , мм3	y3 i -y3 i-1 / J, мм-1	У2 , мм2	y2 i -y2 i-1 , мм2	Y2 i -y2 i-1 / J, мм- 2
80	2.01х106	13	2197	2197	0.0011	169	169	0.0001
90	3.22х106	81.1	533411	531214	0.1649	6577	6308	0.002
101.2	5.15х106	250.5	15718937	15182526	2.9494	62750	56173	0.0109

Из таблицы (суммы 6ого и 9ого столбцов): S_b =3.1155 S₀ =0.013

Таблица 2 - Участок вала a:

d, мм	J, мм4	х, мм	х3 , мм3	х3 i -х3 i-1 , мм3	х3 i -х3 i-1 / J, мм-1
80	2.01х106	13	2197	2197	0.0011
90	3.22х106	91.1	756058	753861	0.2341
101.2	5.15х106	260.5	17677595	16921537	3.2866

Сумма 6ого столбца таблицы 2: S_а =3.5218

Размеры участков:

Прогиб вала посередине сердечника под воздействием силы тяжести:

Прогиб:

Номинальный момент двигателя:

Поперечная сила передачи (муфта МУВП1-75):

Прогиб вала посередине сердечника от поперечной силы передачи:



Начальный расчетный эксцентриситет:

Сила одностороннего магнитного притяжения:

Дополнительный прогиб вала от силы магнитного притяжения:

Установившийся прогиб вала от силы магнитного притяжения:

Результирующий прогиб вала:

-

составляет менее 10% от зазора.

С учетом влияния силы тяжести соединительного устройства первая критическая частота вращения вала:

- масса муфты;

- сила тяжести муфты.

Значительно превышает максимальную рабочую частоту вращения.

Расчет вала на прочность.

При соединении муфтой расстояние от середины втулки муфты до первой ступени вала:

Момент кручения:

Изгибающий момент на выходной части вала:

Момент сопротивления при изгибе:

При совместном действии изгиба и кручения приведенное напряжение:



Полученное значение более чем на порядок отличается от критического (материал вала сталь 45, однако можно принять менее прочный материал, например сталь 30).

Подбор подшипников качения.

По рекомендациям данным в пособии «Проектирование серий электрических машин» Гурина Я.С., на выходном конце вала устанавливаем роликовый подшипник, на участке а - шариковый.

Наибольшая радиальная нагрузка на шариковый подшипник:

Динамическая приведенная нагрузка:

Необходимая динамическая грузоподъемность (принимаем расчетный срок службы подшипника 20000 часов):

По приложению 14[2], с учетом повышения надежности, выбираем подшипник №216 со значением С=56000Н.

Аналогично выбираем роликовый подшипник:

Наибольшая радиальная нагрузка на шариковый подшипник:

Динамическая приведенная нагрузка:

Необходимая динамическая грузоподъемность:

По приложению 14[2], с учетом повышения надежности, выбираем подшипник №2216 со значением С=78000Н.

В подшипниковых узлах делаем устройства для замены консистентной смазки.

двигатель ротор ток индуктивный

Заключение

Спроектированный двигатель отвечает современным требованиям к асинхронным трехфазным электродвигателям общепромышленного исполнения. Сравнивая энергетические параметры спроектированного двигателя с аналогом (5А250S6У3) можно отметить чуть более низкий КПД по сравнению с аналогом - 91.8% против 93%, но также следует отметить больший коэффициент мощности - 0.86 против 0.83, таким образом,главный энергетический показатель (произведение КПД на cosц) спроектированного двигателя 0.79 против 0.77 в аналоге.

К плюсам полученного двигателя можно отнести кратность пускового тока, равная 5.3, тогда как в аналоге 6.0, однако этот факт уравновешивается более низким пусковым моментом - 1.4 против 2.0. Перегрузочная способность двигателя достаточно высока - кратность максимального момента 2.4.

Согласно результатам теплового расчета, обмотка двигателя используется эффективно, превышение температуры обмоток над температурой окружающей среды около 62°С, что полностью соответствует рекомендуемому превышению для изоляции класса F.

Двигатель приблизительно на 30 кг легче аналога, имеет меньшую длину. Динамический момент инерции ротора на 20% меньше чем в аналоге, что является существенным плюсом для двигателя. Более низкий момент инерции был получен путем применения аксиальных охлаждающий каналов в сердечнике ротора, таким образом улучшили и охлаждение двигателя.

Механический расчет вала двигателя показал, что прогиб вала под серединой сердечника очень мал (менее 2% от зазора).

Двигатель оснащен устройством для замены консистентной смазки подшипников, тем самым увеличивая его надежность. Расчет надежности обмотки статора показал, что двигатель полностью соответствует ГОСТу 19523-74 по вероятности безотказной работы.

Конструкция двигателя была спроектирована в соответствии с рекомендациями Я.С. Гурина, изложенными в пособии «Проектирование серий электрических машин».

Список использованных источников

1. Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин/О.Д. Гольдберг, Я.С. Гурин, И.С. Свириденко. - М.: Высшая школа, 2001. - 430с.

2. Гурин Я.С. Проектирование серий электрических машин. - М.: Энергия, 1998. - 480с.

3. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Учебник для ВУЗов. - М.: Высшая школа, 2006. - 930с.

4. Копылов И.П. Проектирование электрических машин. - М.: Высшая школа, 2002. - 757с.

Размещено на Allbest.ru

...