Проектирование электрических машин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Техническое задание

2. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

3. Параметры рабочего режима

4. Расчет потерь

5. Расчет рабочих характеристик

Вывод

Список используемой литературы



Введение

Электротехническая промышленность - ведущая отрасль народного хозяйства. Продукция электротехнической промышленности используется почти во всех промышленных установках, поэтому качество электротехнических изделий во многом определяет технический уровень продукции других отраслей.

Проектирование электрических машин - это искусство, соединяющее знание процессов электромеханического преобразования энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров-электромехаников, умением применять вычислительную технику и талантом инженера, создающего новую или улучшающего уже выпускаемую машину.

При создании электрической машины рассчитываются размеры статора и ротора, выбираются типы обмоток, обмоточные провода, изоляция, материалы активных и конструктивных частей машины.

При проектирование необходимо учитывать соответствие технико-экономических показателей машин современному мировому уровню при соблюдении требований государственных и отраслевых стандартов. Приходится также учитывать назначение и условия эксплуатации, стоимость активных и конструктивных материалов, КПД, технологию производства, надежность в работе и патентную чистоту. Расчет и конструирование электрических машин неотделимы от технологии их изготовления. Поэтому при проектировании необходимо учитывать возможности электротехнических заводов, стремиться к максимальному снижению трудоемкости изготовления электрических машин.

Проектирование электрической машины сводится к многократному расчету зависимостей между основными показателями, заданных в виде системы формул, эмпирических коэффициентов, графических зависимостей, которые можно рассматривать как уравнения проектирования.

Данный курсовой проект содержит проектирование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Понятие асинхронной машины связано с тем, что ротор ее имеет частоту вращения, отличающуюся от частоты вращения магнитного поля статора.

Асинхронные двигатели являются основными преобразователями электрической энерги в механическую и составляют основу электропривода большинства механизмов, используемых во всех отраслях народного хозяйства.

В основу конструкции асинхронного двигателя положено создание системы трехфазного переменного тока. Переменный ток, подаваемый в трехфазную обмотку статора двигателя, формирует в нем вращающееся магнитное поле.

Базовой моделью для проектирования является двигатель серии 4А. В серии 4А за счет применения новых электротехнических материалов и рациональной конструкции мощность двигателей при данных высотах оси вращения повышена на две-три ступени по сравнению с мощностью двигателей серии А2, что дало большую экономию дефицитных материалов.

Существенно улучшились виброшумовые характеристики. При проектировании серии большое внимание было уделено повышению надежности машин. Впервые в мировой практике для асинхронных двигателей общего назначения были стандартизированы показатели надежности. Особое внимание при проектировании уделялось экономичности двигателей.

Двигатели серии 4А спроектированы оптимальными для нужд народного хозяйства. Критерием оптимизации была принята суммарная стоимость двигателя в производстве и эксплуатации, которая должна быть минимальной.

Серия охватывает диапазон мощностей от 0,6 до 400 кВт и построена на 17 стандартных высотах оси вращения от 50 до 355 мм. Серия включает основное исполнение двигателей, ряд модификаций и специализированное исполнение. Двигатели основного исполнения предназначены для нормальных условий работы и являются двигателями общего назначения. Это трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, рассчитанные на частоту сети 50 Гц. Они имеют исполнение степени защиты IP44 во всем диапазоне высот оси вращения и IP23 в диапазоне высот осей вращения 160 - 355 мм.

К электрическим модификациям двигателей серии 4А относятся двигатели с повышенным номинальным скольжением, с повышенным пусковым моментом, многоскоростные, с частотой питания 60 Гц и т.п., к конструктивным модификациям - двигатели с фазным ротором, со встроенным электромагнитным тормозом, малошумные, со встроенной температурной защитой и т.п.

Для производства двигателей серии 4А разработана и осуществлена прогрессивная технология. Механическая обработка станин, валов и роторов двигателей производится на автоматических линиях, штамповка листов магнитопровода - на прессах-автоматах. Автоматизирована сборка сердечников статора, механизирована сборка и заливка роторов. Укладка статорной обмотки производится на автоматических станках, а пропитка и сушка обмоток на автоматических струйных или вакуум-нагнетательных установках. Испытание узлов двигателей и двигателей в сборе производится на специальных стендах и автоматических испытательных станциях.

Все это обеспечило высокую производительность труда при высоком качестве изготовления.

По своим энергетическим, пусковым, механическим, виброшумовым, эксплуатационным характеристикам серия 4А удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к асинхронным двигателям, и соответствует современному уровню электромашиностроения.



1. Техническое задание

Спроектировать трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором: , ; ; конструктивное исполнение IM1001; исполнение по способу защиты от воздействия окружающей среды IP44; категория климатического исполнения У3.

1. Число пар полюсов .

Выбор главных размеров

2. Высота оси вращения (предварительно). . (рис.7.а.)

Принимаем ближайшее меньшее значение ;. (таб. 6.) 3. Внутренний диаметр статора где: (таб.7.)

4. Полюсное деление .

5. Расчетную мощность

где: kЕ.=0,983 (рис.8.)

КПД=0,91, cos =0,89 (рис.10.)

6. Электромагнитные нагрузки (предварительно)

; . (рис.11)

7. Обмоточный коэффициент для однослойной обмотки (предварительно) 1.kоб1=0.91

8. Расчетная длина воздушного зазора



;

9. Отношение .

Значение л находится в рекомендуемых пределах. (рис.14а)

Определение , и сечения провода обмотки статора

10. Предельные значения ; . (рис.15)

11. Число пазов статора

;

.

Принимаем , тогда . Обмотка двухслойная.

12. Зубцовое деление статора (окончательно)

.

13. Число эффективных проводников в пазу:

.

14. Принимаем б=1, тогда.

15. Окончательные значения:

число витков в фазе

;

линейная нагрузка

;

магнитный поток

[для обмотки с по табл. П - 13; для : ].

Определяем индукцию в воздушном зазоре

.

Значения и находятся в допустимых пределах.

16. Плотность тока в обмотке статора (предварительно)

[]. (рис.16)



17. Сечение эффективного проводника (предварительно)

;

принимаем , тогда . Обмоточный провод ПЭТM ; , , .

18. Плотность тока в обмотке статора (окончательно)

.

2. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

19. Принимаем предварительно:

; тогда:

[];

.

20. Размеры паза в штампе принимаем ; :

;

;

;



21. Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку:

;

;

.

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников

.

Площадь поперечного сечения прокладок .

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу

,

где односторонняя толщина изоляции в пазу .

22.Коэффициент заполнения паза

.

Полученное значениедопустимо для механизированной укладки обмотки.

Расчет ротора

25. Воздушный зазор . по рис.21.

26. Число пазов ротора Z2 =28 по табл 15.

27. Внешний диаметр .

28. Длина .

29. Зубцовое деление

.

30. Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник непосредственно насажен на вал

31. Ток в стержне ротора

.

32. Площадь поперечного сечения стержня

[плотность тока в стержне литой клетки принимаем ].

33. Паз ротора. Принимаем ; ; . Для двигателей с 2р=2 и h 160мм

Допустимая ширина зубца

.

Размеры паза:

;

;

.

Принимаем ; ; .

Полная высота паза

.

Сечение стержня

.

34. Плотность тока в стержне

.

35. Короткозамыкающие кольца. Площадь поперечного сечения

Размеры замыкающих колец:



;

;

;

.

Рис .1. Паз статора и ротора.

Расчет намагничивающего тока

36. Значение индукции:

;

;

;

[расчетная высота ярма ротора



37. Магнитное напряжение воздушного зазора

.

38. магнитные напряжения зубцовых зон:

;

[для стали 2013 при ; при ; , ].

39. Коэффициент насыщения зубцовой зоны

.

40. Магнитные напряжения ярм статора и ротора:

;

[ Bб =1,59 Тл при; при ];

;

,

.

41. Магнитное напряжение на пару полюсов

.

42. Коэффициент насыщения магнитной цепи

.

43. Намагничивающий ток

;

относительное значение

.

3. Параметры рабочего режима

44. Активное сопротивление фазы обмотки статора

.

Для класса нагревостойкости изоляции F расчетная . Для меди .

Длина проводника фазы обмотки

[;; 

,

где ; ;

Длина вылета лобовой части катушки

,

где .

Относительное значение

.

45. Активное сопротивление фазы обмотки ротора

где для литой алюминевой обмотки ротора

Приводим к числу витков обмотки статора:



.

Относительное значение

.

46. Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора

.

где

,

где (см. рис. 66)

; ;

(проводники закреплены пазовой крышкой);

; ; ,

;



;

для и , д .по рис.39

Относительное значение

.

47. Индуктивное сопротивление фазы ротора

,

где по табл. 23 (рис. 40, а, и)

[; ; ; (для рабочего режима)]; асинхронный двигатель ротор статор

;

;

.



Приводим к числу витков статора:

.

Относительное значение

.

4. Расчет потерь

48. Потери в стали основные

.

[ и для стали 2013];

,

где ;

.

49. Поверхностные потери в роторе

;

,

где ;

;

для .

50. Пульсационные потери в зубцах ротора

[;

из п. 37 расчета;

].

51. Сумма добавочных потерь в стали:

.

52. Полные потери в стали

.

53. Механические потери

[для двигателей 2p =2 коэффициент

54. Добавочные потери при номинальном режиме

.



55. Холостой ход двигателя

;

,

;

.

5. Расчет рабочих характеристик

56. Сопротивление

;

;

[используем приближенную формулу, так как ;

;

Потери не меняющиеся при изменении скольжения;



.

Принимаем и рассчитываем рабочие характеристики, задаваясь

После построения кривых уточняем значение номинального скольжения .

Результаты расчета приведены в табл. 1. Характеристики представлены на рис. 3-6

Номинальные данные спроектированного двигателя: ; ; ; ; ; s =0,013.

Таблица 1.Рабочие характеристики

№	Расчетная	Размер-			Скольжение s
п/п	Формула	ность	0,005	0,01	0,015	0,02	0,025	0,03
1 2 3	a'г'2/s bґrґ2/s R=a+aґrґ2/s	Ом	17 17,18	8,5 8,68	5,77 5,88	4,25 4,44	3,4 3,59	2,83 3,09
4	X=b+b'г'2/s	Ом	1,197	1,197	1,197	1,197	1,197	1,197
5		Ом	17,24	8,76	6,04	4,59	3,8	3,22
6	I''2=U1/Z	А	21,8	43,3	63,3	82,71	100	118
7	cosц'2=R/Z	----	0,987	0,99	0,98	0,967	0,944	0,93
8	sinц'2=X/Z	----	0,068	0,137	0,2	0,26	0,315	0,375
9	I1a=I0a+I2Ѕ· cosґц2	А	22,32	43,63	62,88	80.72	95,7	110,9
10	I1p=I0+I2Ѕ· sinґц2	А	13	17,55	24,28	33,16	41,89	53,10
11		А	25,8	47,07	67,3	87,25	103,9	122,5
12	I'2=c1I''2	А	22,3	44,53	64,65	84,5	102,2	120,6
13	P1=3U1I1a·	кВт	25,42	49,69	71,78	92	108,5	125,8
14	Pэ1=3I1Іr1· 10-3	кВт	0,369	1,22	2,513	4,2	5,77	8,26
15	Pэ2=3I'2Іг'2· 10-3	кВт	0,048	0,159	0,344	0,588	0,846	1,172
16	Pдоб=РдобН· (I1/I1H)2·10-3	кВт	0,057	0,24	0,385	0,609	0,89	1,2
17	?P=Pст+Pмех+Pэ1+Pэ2+Pдоб	кВт	3,4	4,45,	5,88	7,8	9,65	12,4
18	P2=P1-?P	кВт	22	45,3	65,7	84,2	99	113,2
19	n2=n1(1-S)	об/мин	2985	2970	2955	2940	2925	2910
20	M=9,55P2/n2	Hм	70	145	212	273	323,2	371
21	з=1-?P/P1	----	0,864	0,91	0,92	0,915	0,914	0,9
22	cosґц=I1a/I1	----	0,865	0,929	0,933	0,925	0,916	0,9

В таблице 1. приведены рабочие характеристики асинхронного двигателя

Р2ном = 55 кВт; U1 = 380 ; В; 2р = 2; Ioa = 0,827 A; Iop = Iм = 11,62 A; Рст+

Рмех = 2,991кВт;

r1 = 0,185 Ом; г'2 = 0,0814 Ом; с1 = 1,022; a' = 1,044; а = 0,189 Ом; b' = 0;

b = 1,197 Ом.

На рис.2. приведены рабочие характеристики.

57. Расчет пусковых характеристик.

Рассчитываем точки характеристик, соответствующие скольжениям .

Подробный расчет приведен для скольжения . Данные расчета других

точек сведены в табл. 2. Пусковые характеристики спроектированного двигателя представлены на рис. 7.

Параметры с учетом вытеснения тока :

;

для находим; .

Активное сопротивление обмотки ротора:

;

,

;

;

.

Приведенное активное сопротивление ротора с учетом действия эффекта вытеснения тока

.

Индуктивное сопротивление обмотки ротора

[при предварительно принимаем ];

;

.



Ток ротора приближенно без учета влияния насыщения по (269), принимая ,

.

58. Учет влияния насыщения на параметры. Принимаем для коэффициент насыщения и и приводим расчет для .

;

,

.

для находим .

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

;

;

.

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения по (263)

.

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учетом влияния насыщения

,

.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора с учетом влияния насыщения и вытеснения тока:

,

;

.

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учетом влияния насыщения

.

Приведенное индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом влияния вытеснения тока и насыщения

,

.

Сопротивление взаимной индукции обмоток в пусковом режиме:



;

.

Расчет токов и моментов:

;

;

;

.

Полученное значение тока составляет 98% принятого при расчете влияния насыщения на параметры, что допустимо.

Относительные значения

; .

Критическое скольжение определяем после расчета всех точек пусковых характеристик по средним значениям сопротивлений и , соответствующим скольжениям

,

после чего рассчитываем точку характеристики, соответствующую sКР=0,09: .

Кратности пускового и максимального моментов и пускового тока спроектированного двигателя удовлетворяют требованиям ГОСТ.

(Р2ном = 55 кВт, Uном = 380 В, 2р = 2, Мп*=0,8, Iп*=7 Мmax=2,2) в табл.2.

представлены расчеты пусковых характеристик.

Таблица 2.Расчет пусковых характеристик.

S	1	0,8	0,5	0,2	0,1
о	1,714	1,52	1,21	0,75	0,54
ц	0,5	0,3	0,06	0,06	0,06
kr=qc/qr	1,33	1,19	1,0	1,0	1,0
kR=1+r/rc· (kr-1)	1,23	1,13	1,0	1,0	1,0
rD	0,85	0,9	0,95	0,97	0,98
kл=?л2о/?л2	0,92	0,924	0,928	0,93	0,932
xґ2о=kч·xґ2	0,384	0,419	0,421	0,422	0,423
xґ2нас=xґ2·?л2онас/?л2	0,284	0,287	0,291	0,295	0,297
x1нас=x1·?л1нас/?л1	0,627	0,63	0,634	0,64	0,67
c1пнас =1+x1нас/x12п	1,014	1,016	1,018	1,022	1,024
aп =r1нас+c1пнасrґ2о/s	0,286	0,312	0,385	0,685	1,185
вп=x1нас +c1пнасxґ2о	0,915	1,05	1,06	1,1	1,12
	413,4	348	337	299,3	233,2
I1п=Iґ2(aп2+(вп+ +x12п)2)/c1пx12п	417	360	348	317	245
I*1 =I1/I1н	7	6,1	5,8	5,3	4,18
M*=(Iґ2/Iґ2н)kR·sн/s	0,68	0,7	1,05	1,58	2,2

Тепловой расчет

59. Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя



[ ;;].

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора

[; для изоляции класса нагревостойкости F ; по рис. 62 для находим ].

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей:

[; ; ].

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри машины

.

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины



Превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды:

где Вт;

где для ; для ].

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды

.

60. Расчет вентиляции. Требуемый для охлаждения расход воздуха

[по (341) ].

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором

; .

Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах.

Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.

Рис.2.Рабочие характеристики.

Рис .3.Пусковые характеристики.



Рис .4. Механическая характеристика при малых значениях S.



Вывод

Спроектированный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором на базе двигателя серии 4А (4А250М4У3) удовлетворяет требованиям ГОСТ как по энергетическим показателям, так и по пусковым характеристикам, а также отвечает поставленным в техническом задании требованиям.



Список используемой литературы

1. Методические указания.

2.«Проектирование электрических машин». Кн. 1, 2. Под редакцией И. П. Копылова, - М., Энергоатомиздат, 1993 г.

3.«Электрические машины». И. П. Копылов, - М., Логос, 2000 г.

4.«Общая электротехника с основами электроники». И. А. Данилов, П. М. Иванов, - М., Высшая школа, 2000 г.

5.Электротехнический справочник. Т. 1. Под редакцией П. Г. Грудинского и др., - М., Энергия, 1974.

6.Методические указания к курсовому проекту. М. В. Хиврин, - М., МГГУ, 2002 г.

7.Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник. А. Э. Кравчик, М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболенская, - М., Энергоиздат, 1982 г.

Размещено на Allbest.ru

...