Проектирование асинхронного двигателя общего назначения

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Курсовой проект 52 с., 8 рис., 2 табл., 1 источник, 3 прил.

АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ, СТАТОР, РОТОР, ОБМОТКА, МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ, ПОТЕРИ.

Объектом исследования является асинхронный двигатель.

Цель работы - спроектировать двигатель по заданным параметрам.

Содержание

Введение

1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЁТ

1.1. Выбор главных размеров

1.2. Расчёт обмотки статора

1.3 Расчёт размеров зубцeвой зоны статора

1.4 Расчёт ротора

1.5 Расчёт магнитной цепи

1.6 Параметры рабочего режима

1.7 Расчёт потерь

1.8 Расчёт рабочих характеристик

1.9 Расчёт пусковых характеристик

2. ТЕПЛОВОЙ И ВЕНТЕЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЁТ

3. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

3.1 Расчет прогиба ротора

3.2 Критическая частота вращения

3.3 Расчёт вала на прочность

3.4 Проверочный расчет подшипников качения на долговечность

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗАВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ

Приложение А Паз статора

Приложение В ФЮРА.525600.004 Спецификация

Приложение В ФЮРА.525600.004.СБ Сборочный чертеж

• Введение

Цель работы - проектирование асинхронного двигателя общего назначения, по заданию на проект.

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

Асинхронные двигатели общего назначения мощностью от 0,06 до 400 кВт на напряжение до 1000 В - наиболее широко применяемые электрические машины. В народно-хозяйственном парке электродвигателей они составляют по количеству 90% ,по мощности примерно 55%, [3]. Асинхронные двигатели потребляют около 40% вырабатываемой в стране электроэнергии. На изготовление асинхронных двигателей расходуется большое количество дорогостоящих цветных металлов - обмоточной меди, алюминия, изоляционных материалов, электротехнической стали и других материалов. Затраты на обслуживание и ремонт асинхронных двигателей в эксплуатации составляет более 5% затрат на ремонт и обслуживание всего установленного оборудования в народном хозяйстве[3].

При проектировании асинхронного двигателя должны быть учтены последние достижения, как в области проектирования, так и в области производства асинхронных двигателей. Широкое внедрение САПР позволяет спроектировать асинхронный двигатель, удовлетворяющий заданным критериям оптимизации: минимуму массы активных и конструктивных материалов; максимуму энергетического КПД; минимуму приведённых затрат на производство и эксплуатацию асинхронных двигателей. Последнему критерию оптимизации удовлетворяют спроектированные ещё в СССР серии асинхронных двигателей 4А, АИР. Двигатели этих серий составляют основу современного парка асинхронных двигателей в народном хозяйстве. Производство двигателей этих серий освоено электротехническими заводами нашей страны. Это позволяет взять в качестве аналога двигатель из этих серий наиболее полно удовлетворяющий заданию на проект , например асинхронный двигатель 4А90L4У3. Выбор в качестве аналога двигателя 4А90L4У3 обусловлен, прежде всего, тем, что на двигатели серии 4А имеются наиболее полные справочные данные [3]. Ожидается, что спроектированный двигатель не только должен удовлетворять заданию на проект, но и не уступать по своим технико-экономическим показателям аналогу - двигателю 4А90L4У3.

• 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЁТ
• 1.1. выбор главных размеров
• Выбираем предварительно по табл.6.6, [1] для h = 90 мм внешний диаметр статора
• Dа=149 мм.
• Определяем внутренний диаметр статора
• ,
• где КD -коэффициент, характеризующий отношение внутренних и внешних диаметров сердечников статора. Из табл.6.7, [1] выбираем КD=0.65
• Находим полюсное деление по формуле
• .
• Расчетная мощность
• ,
• где Р2 - мощность на валу двигателя, Вт; kЕ - отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению по рис. 6.8, [1], kE=0,962; з и cosц -примерное значение КПД и коэффициент мощности по рис. 6.9, [1] з=0,81 и cosц=0,825
• Электромагнитные нагрузки (предварительно) по рис. 6.11, [1]

Обмоточный коэффициент (предварительно для однослойной обмотки)

Расчетная длина магнитопровода

где Щ - синхронная угловая скорость двигателя по формуле

Критерием правильности выбора главных размеров D и lд служит отношение =l/, которое должно находится в пределах показанных на рис.6.14, [1]

Полученное значение находится в допустимом пределе.

Для расчёта магнитной цепи помимо длины воздушного зазора необходимо определить полную конструктивную длину и длину стали сердечников статора и ротора. Так как длина сердечника не превышает 250-300 мм, то радиальных вентиляционных каналов не делают. Сердечники шихтуются в один пакет. Для такой конструкции конструктивная длина и длина стали сердечника статора равна .

Конструктивную длину сердечника ротора берём равной длине сердечника статора

• 1.2 Расчёт обмотки статора
• При расчёте обмотки статора определяется число пазов статора, число витков в фазе обмотки и сечение проводника. При этом число витков фазы обмотки статора должно быть таким, чтобы линейная нагрузка двигателя и индукция в воздушном зазоре как можно более близко совпадали с их значениями принятыми предварительно при выборе главных размеров, а число пазов статора обеспечивало достаточно равномерное распределение катушек обмотки. Предварительно была выбрана однослойная концентрическая обмотка. Однослойные обмотки имеют диаметральный шаг, что является их основным недостатком. При однослойной обмотке необходимость в такой прокладке отпадает, вследствие чего повышается заполнение паза обмоточным проводом. Другим преимуществом однослойной обмотки является более легкая механизация укладки ее в пазы.
• Зубцевое деление статора tZ1 по рис.6.15, [1]
• Максимальное значение tZ1max=0.0098 м
• Минимальное значение tZ1min=0.007 м

Число пазов статора

Окончательное число пазов статора выбираем с учётом условий, налагаемых требованиями симметрии обмотки, и желательно получения целого числа пазов на полюс и фазу.

Принимаем Z1=36

Число пазов на полюс и фазу

Зубцовое деление статора (окончательно)

Число эффективных проводников в пазу (при, условии, что параллельные ветви отсутствуют а=1) по формуле

,

где I1ном - номинальный фазный ток по формуле 6.18 [1]

, отсюда

Принимаем число параллельных ветвей а=1, тогда число эффективных проводников в пазу будет равно

Окончательное число витков в фазе по формуле

Окончательное значение линейной нагрузки по формуле

Полученное значение находится в допустимом пределе.

Магнитный поток по формуле

,

(для однослойной обмотки с q=3 по таблице 3.13 [1] kоб1=kр1=0,96)

Индукцию в воздушном зазоре примем (окончательно)

Значения А незначительно отличаются от принятых ранее значений.

Сечение эффективного проводника определяется, исходя из тока одной параллельной ветви и допустимой плотности тока в обмотке. С точки зрения повышения использования активных материалов плотность тока должна быть выбрана как можно большей, но при этом возрастают потери в меди обмотки. Увеличение потерь сказывается, во-первых, на повышение температуры обмотки и во-вторых, на КПД двигателя. В асинхронных двигателях общего назначения при принятой в них системе косвенного охлаждения влияние плотности тока на нагрев обмотки более существенно, чем на КПД. Нагрев пазовой части обмотки зависит от произведения линейной нагрузки на плотность тока. Поэтому выбор допустимой плотности тока производят с учётом линейной нагрузки.

Плотность тока по формуле

где АJ произведение линейной нагрузки на плотность тока , рис.6.16,а [1];

АJ=187,6109 А2/м3

Сечение эффективного проводника (по формуле 6.24 [1])

Для всыпных обмоток могут быть использованы обмоточные провода диаметром не более 1.8 мм, однако в современных двигателях для повышения надёжности обмотки и упрощения её укладки в пазы используют провода меньшего диаметра. При ручной укладке диаметр провода не должен превышать 1.7 мм. Если расчетное сечение эффективного проводника в машинах со всыпной обмоткой выше значений, соответствующих указанным диаметрам, то эффективный проводник разделяется на несколько элементарных nэл.

По таблице П-28 [1] выбираем провод ПЭТВ:

dэл=0,9 мм, dиз=0,965мм, qэл=0,636 мм2 ,nэл=1. .

Плотность тока (окончательно)

Схема трехфазной однослойной концентрической обмотки статора представлена на рисунке 1.

• 1.3 Расчёт размеров зубцeвой зоны статора
• асинхронный двигатель ротор статор
• Размеры пазов в электрических машинах должны быть выбраны таким образом, чтобы, во-первых, площадь паза соответствовала количеству и размерам размещаемых в нём проводников обмотки с учётом всей изоляции и во-вторых, чтобы значения индукции в зубцах и ярме статора находились в определённых пределах, зависящих от типа, мощности, исполнения машины и от марки электротехнической стали сердечника.
• В связи с тем, что обмоточный провод круглого сечения, то он может быть уложен в пазы произвольной конфигурации, поэтому размеры зубцовой зоны при всыпной обмотке выбираем таким образом, чтобы зубцы имели не параллельные грани. Такие зубцы имеют не постоянное, изменяющееся с высотой зубца поперечное сечение, индукция в них также меняется и магнитное напряжение зубцов с не параллельными гранями оказывается больше, чем магнитное напряжение не трапециидальных зубцов при том же среднем значении индукции в них.
• Ширина зубца
• ,
• где Bz1 индукция в зубцах статора по табл.6.10 [1]; принимаем Bz1=1,886Тл;
• кс коэффициент заполнения пакета сталью по табл.6.11 [1]; кс=0.97
• Высота ярма статора [1, c.175]
• где Ва индукция в ярме статора по табл.6.10 [1]; принимаем Ва=1.58 Тл
• Ширину шлица принимаем bш1=3 мм по табл.6.12 [1]; высоту шлица принимаем hш1=0,5 мм [1, cтр.178]
• Высота паза [1, cтр.178, ф.6.40]
• Максимальная ширина паза по формуле
• Минимальная ширина паза по формуле
• Высота паза, предназначенная для укладки обмотки по формуле
• Размеры паза в свету с учётом припуска на сборку по формуле
• Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу по формуле
• где bиз односторонняя толщина изоляции в пазу табл.3.8 [1]: bиз=0.25мм
• Площадь поперечного сечения прокладок [1, cтр.179] м.
• Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников формуле
• Коэффициент заполнения паза [1, cтр.180]
• Полученное значение коэффициента заполнения паза находится в рекомендуемом пределе.
• Размеры паза статора и его заполнение представлены на рисунке 2.
• 1.4 Расчёт ротора
• Воздушный зазор следует выбирать, руководствуясь данными выпускаемых двигателей по рис.6.21 [1]
• Правильный выбор воздушного зазора во многом определяет энергетические показатели асинхронного двигателя. Чем меньше воздушный зазор, тем меньше его магнитное сопротивление и магнитное напряжение, составляющее основную часть суммарной МДС магнитной цепи всей машины. Поэтому уменьшение зазора приводит к соответственному уменьшению МДС магнитной цепи и намагничивающего тока двигателя, благодаря чему возрастает его коэффициент мощности и уменьшаются потери в меди обмотки статора. Но чрезмерное уменьшение воздушного зазора приводит к возрастанию амплитуд пульсаций индукции в воздушном зазоре и, как следствие этого, к увеличению поверхностных и пульсационных потерь. Поэтому КПД двигателей с очень малыми зазорами не улучшается, а часто даже становится меньше.
• В современных асинхронных двигателях зазор выбирают, исходя из минимума суммарных потерь. Согласно рекомендациям выбираем =0,25 мм.
• Число пазов ротора по табл.6.15 [1]
• Число пазов ротора следует выбирать особенно тщательно. Это объясняется тем, что в поле воздушного зазора машины помимо основной присутствует целый спектр гармоник более высокого порядка, поэтому ток в стержнях обмотки имеет сложный гармонический состав.
• В результате взаимодействия токов и полей высших гармоник возникают электромагнитные моменты, которые при неблагоприятном соотношении Z1 и Z2 могут существенно ухудшать механическую характеристику двигателя, так как момент на валу машины является суммой моментов, обусловленных всеми взаимодействующими гармониками.
• Исследования, проведённые для изучения влияния соотношений чисел зубцов на статоре и роторе на кривую момента, а также на шумы и вибрации, позволили определить наилучшие соотношения Z1 и Z2 для короткозамкнутых двигателей с различными числами 2р.
• Согласно табл.6.15 [1] при 2р=4 и Z1=36 принимаем Z2=28 (пазы со скосом).
• Внешний диаметр ротора
• Зубцовое деление ротора
• Внутренний диаметр ротора по формуле
• Так как сердечник непосредственно насаживается на гладкий вал при помощи горячей посадки, то внутренний диаметр ротора равен диаметру вала.
• где kВ коэффициент по табл.6.16 [1]; kВ=0,23
• Ток в стержне ротора по формуле 6.60 [1]
• где ki коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на соотношение I1/I2, его приблизительное значение может быть рассчитано в зависимости от номинального cosц, которым задавались в начале расчета рис.6.22 [1]
• Площадь поперечного сечения стержня по формуле
• где J2 плотность тока в стержне ротора машин закрытого обдуваемого исполнения при заливке пазов алюминием [1, cтр.186]; J2=3,5106 А/м2
• Паз ротора

Для обеспечения высоких энергетических показателей в номинальном режиме работы выбираем пазы с широкой верхней частью грушевидные. Паз выполняем полузакрытым.

[1, cтр.188]: ширина шлица bш2=1 мм, высота шлица hш2=0,5 мм.

Ширина зубца ротора

где Bz2 индукция в зубцах ротора по табл.6.10 [1]; принимаем Bz2=1,898 Тл

Максимальная ширина паза

Минимальная ширина паза по формуле

Полная высота паза ротора

где по формуле 6.76[1]

Уточняем сечение паза формуле

Размеры паза ротора в штампе представлены на рисунке 3.

Плотность тока в стержне (окончательно)

Ток в кольце по формуле

Плотность тока в кольце [1, cтр.186]

Плотность тока в замыкающих кольцах выбираем на 20% меньше, чем в стержнях. Это объясняется следующим образом. Так как замыкающие кольца, имея лучшие условия охлаждения по сравнению со стержнями, являются своего рода радиаторами, которые отводят тепло стержней, усиливая их охлаждение.

Cечение короткозамкнутого кольца по формуле

Высота короткозамкнутого кольца [1, cтр.186]

Длина короткозамкнутого кольца [1, cтр.244]

Средний диаметр короткозамкнутого кольца [1, cтр. 244]

• 1.5 Расчёт магнитной цепи
• Расчёт намагничивающего тока будем проводить для режима холостого хода двигателя, при котором для асинхронных машин характерно сильное насыщение стали зубцов статора и ротора.
• Индукция в зубцах статора (окончательно) по формуле
• Индукция в зубцах ротора (окончательно) по формуле
• Индукция в ярме статора (окончательно) по формуле
• Расчётная высота ярма ротора по формуле
• Индукция в ярме ротора по формуле
• Коэффициент воздушного зазора [1, cтр.106]

В связи с тем, что поверхности статора и ротора ограничивающие воздушный зазор, не гладкие а имеют различные неравномерности: пазы, углубления для размещения бандажей и др. Магнитное сопротивление участков такого зазора в поперечном сечении машины различно, поэтому распределение индукции по площади воздушного зазора неравномерно. Наибольшая неравномерность возникает из-за наличия зубцов на статоре и роторе. Над коронками зубцов магнитные линии потока сгущаются, а над прорезями пазов плотность линии уменьшается. В кривой индукции в воздушном зазоре появляются провалы. Магнитное сопротивление и магнитное напряжение воздушного зазора при неравномерной индукции возрастают.

Увеличение магнитного напряжения учитывается введением коэффициента воздушного зазора. Этот коэффициент, полученный расчётом полей в зазорах с различным соотношением ширины зубцов и пазов, показывает насколько возрастает магнитное напряжение зазора при зубчатой поверхности статора или ротора по сравнению с магнитным напряжением зазора между гладкими поверхностями.

Коэффициент воздушного зазора по формуле 4.14,4.15[1]

Магнитное напряжение воздушного зазора по формуле

По табл.П.17 ,[1] стали марки 2013 определяем напряженность магнитного поля для зубцов АД: Нz1=1830 А/м.

Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора по формуле

где Нz2 напряжённость магнитного поля табл.П.17 [1] для стали 2013 при индукции Вz2=1,898 Тл, Нz2=2010 А/м.

Коэффициент насыщения зубцовой зоны по формуле

Полученное значение коэффициента насыщения зубцовой зоны позволяет предварительно оценить правильность выбранных размерных соотношений и обмоточных данных проектируемого двигателя. Если кz1,51,6, имеет место чрезмерное насыщение зубцовой зоны; если кz1,2, то зубцовая зона мало использована или воздушный зазор взят большим. Так как кz=1,25, то можно сделать вывод о том, что спроектированная зубцовая зона и выбранный воздушный зазор являются оптимальными для данной машины.

Длина магнитной линии ярма статора по формуле

Длина магнитной линии ярма ротора по формуле

где - высота спинки ротора по формуле

Магнитное напряжение ярма статора по формуле

где На напряжённость магнитного поля ярма статора по табл.П.16 [1]; для стали 2013 при индукции Ва=1,59 Тл, На=726 А/м.

Магнитное напряжение ярма статора по формуле

где Нj напряжённость магнитного поля ярма ротора по табл.П.16 [1]; для стали 2013 при индукции Вj=1,159 Тл, Нj=245 А/м.

Магнитное напряжение на пару полюсов по формуле

Коэффициент насыщения магнитной цепи по формуле

Намагничивающий ток по формуле

Относительное значение намагничивающего тока по формуле

Относительное значение намагничивающего тока служит определённым критерием правильности выбора и расчёта размеров и обмотки двигателя. Если I*0.20.18, то это свидетельствует о том, что размеры машины выбраны завышенными и активные материалы недоиспользованы. Такой двигатель может иметь высокие КПД и cos, но плохие показатели расхода материалов на единицу мощности, большую массу и габариты. Если I*0.30.35, то это означает, что либо его габариты взяты меньшими, чем следовало, либо неправильно выбраны размерные соотношения участков магнитопровода. Двигатель будет иметь низкие КПД и cos.

В небольших двигателях мощностью менее 2 - 3 кВт I* может достигать значения 0,5-0,6, несмотря на правильно выбранные размеры и малое насыщение магнитопровода. Это объясняется относительно большим значением магнитного напряжения воздушного зазора, характерным для двигателей малой мощности.

• 1.6 Параметры рабочего режима
• Параметрами асинхронной машины называют активные и индуктивные сопротивления обмоток статора x1,r1, ротора x2,r2, сопротивление взаимной индуктивности х12 и расчётное сопротивление r12, введением которого учитывают влияние потерь в стали статора на характеристики двигателя.
• Известные из общей теории электрических машин схемы замещения фазы асинхронной машины, основанные на приведении процессов во вращающейся машине к неподвижной (рис.4). Физические процессы в асинхронной машине более наглядно отражает схема, изображённая на рис.4а.
• Рисунок 4 - Схемы замещения фазы обмотки приведённой асинхронной машины
• Но для расчёта оказалось удобнее преобразовать её в схему показанную на рисунке 4б.
• Параметры схемы замещения не остаются неизменными при различных режимах работы машины. С увеличением нагрузки увеличивается поток рассеяния, и в связи с этим из-за возрастания насыщения отдельных участков магнитопровода полями рассеяния уменьшаются индуктивные сопротивления х1 и х2.
• Увеличение скольжения в двигателях приводит к возрастанию действия эффекта вытеснения тока, что вызывает изменение сопротивлений обмотки ротора r2 и х2. При расчёте рабочих режимов машины в пределах изменения скольжения от холостого хода до номинального эти изменения незначительны и ими обычно пренебрегают.
• Средняя ширина катушки по формуле
• Длина лобовой части по формуле
• Лобовая часть катушек имеет сложную конфигурацию. Точный расчёт её длины и длины вылета лобовой части требует предварительного определения всех размеров катушки и сопряжён со значительным объёмом расчётов, данные которых в дальнейшем электромагнитном расчёте обычно не используются. Для машин малой и средней мощности достаточно точные для практических расчётов результаты дают эмпирические формулы, учитывающие основные особенности конструктивных форм катушек.
• где Кл коэффициент по табл.6.19 [1]; Кл=1,3
• В длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца
• сердечника до начала отгиба лобовой части [1, cтр.197]; В=0,01 м.
• Вылет лобовых частей обмотки по формуле
• где Квыл коэффициент по табл.6.19 [1]; Квыл=0,4
• Средняя длина витка обмотки по формуле
• где длина пазовой части; 0.1 м
• Длина проводников фазы обмотки по формуле
• Активное сопротивление фазы обмотки статора по формуле
• где 75 удельное сопротивление материала обмотки по табл.4-1 [1]; для данного класса нагревостойкости изоляции расчётная температура 750С, для меди 75=10-6/47 Омм
• Относительное значение активного сопротивления фазы обмотки статора [1, c.245]
• Активное сопротивление фазы короткозамкнутого ротора определяется следующим образом. За фазу обмотки, выполненной в виде беличьей клетки принимают один стержень и два участка замыкающих колец. Токи в стержнях и замыкающих кольцах различны, поэтому их сопротивления при расчёте общего сопротивления фазы должны быть приведены к одному току. Таким образом, сопротивление фазы короткозамкнутого ротора является расчётным, полученным из условия равенства электрических потерь в сопротивлении r2 от тока Ic и суммарных потерь в стержне и участках замыкающих колец реальной машины.
• Сопротивление стержня по формуле

• где 115 удельное сопротивление материала обмотки по табл.4-1 [1]; для данного класса нагревостойкости изоляции расчётная температура 750С, для алюминия 75=10-6/21.5 Омм.
• Сопротивление участка замыкающего кольца, заключённого между двумя соседними стержнями [1, c.202 формула 6.166]
• Активное сопротивление фазы обмотки ротора по формуле
• Приводим r2 к числу витков обмотки статора по формуле
• Относительное значение активного сопротивления фазы обмотки ротора [1, c.245]
• Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора по табл.6-22 [1]

• где к и к коэффициенты учитывающие укорочение шага обмотки [1, c.199];
• - при диаметральном шаге для всех однослойных обмоток
• Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки статора по формуле 6.154 [1]
• Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора по формуле 6.170 [1]
• где коэффициент по формуле 6.172 [1];
• при полузакрытых или полуоткрытых пазах статора с учетом скоса пазов:
• где ск коэффициент скоса, выраженный в долях зубцового деления ротора; так как скос пазов на статоре отсутствует, то ск=0.
• кск коэффициент по рис.6-39д [1]; при t2/t1=1,279 и ск=0, кск=1
• Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора
• Относительное значение индуктивного сопротивления фазы обмотки статора [1, c.205]
• Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора по табл.6-23 ,[1]
• Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки ротора по формуле
• Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора по формуле
• где коэффициент по формуле
• где находят по кривым по рис.6.39 а ,[1]; =0.025
• Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора по формуле
• Приводим х2 к числу витков обмотки статора по формуле
• Относительное значение х2 [1, c.205]
• Перевод относительных параметров асинхронного двигателя в относительные значения делается для удобства сопоставления параметров отдельных машин и упрощения расчёта характеристик.
• Так, относительные значения индуктивных сопротивлений рассеяния обмотки статора и приведённого сопротивления обмотки ротора большей частью находятся в пределах х1*=0.080.14 и х2*=0.10.16.
• Относительные значения активных сопротивлений обмотки статора и приведённого сопротивления обмотки ротора близки друг к другу и обычно составляют несколько сотых долей.
• Полученные значения параметров обмотки статора и ротора находятся в рекомендуемом пределе.
• 1.7 Расчёт потерь
• При работе асинхронного двигателя часть подводимой мощности расходуется на нагрев проводников, перемагничивание сердечника, создание необходимого для охлаждения потока воздуха, трение вращающихся частей о воздух, трение в подшипниках и т.д. Эту часть мощности называют потерями, так как она как бы «теряется» при электромеханическом преобразовании энергии.
• Потери в асинхронных машинах подразделяются на потери в стали (основные и добавочные), электрические потери, вентиляционные, механические и добавочные потери при нагрузке.
• Основные потери в стали асинхронных двигателей рассчитываются только в сердечнике статора, так как частота перемагничивания ротора, равная f2=sf1 в режимах, близких к номинальному, очень мала и потери в стали ротора даже при больших индукциях незначительны.
• Масса стали зубцов статора по формуле
• где с удельная масса стали [1, c.206]; с=7800 кг/м3
• Масса стали ярма статора по формуле
• Основные потери в стали по формуле
• где удельные потери в стали по табл.6-24 [1]; для стали 2013
• 2.5
• показатель степени по табл.6-24 [1]; для стали 2013 =1.5
• кда и кдz коэффициенты, учитывающие влияние на потери в стали неравномерности распределения потока по сечениям участков магнитопровода и технологических факторов [1, c.206]; кда=1.6 и кдz=1.8.
• Добавочные потери в стали, возникающие при холостом ходе, подразделяются на поверхностные (потери в поверхностном слое коронок зубцов статора и ротора от пульсаций индукции в воздушном зазоре) и пульсационные потери в стали зубцов (от пульсации индукции в зубцах).
• Амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов ротора по формуле
• где 02 зависит от отношения ширины шлица пазов статора к воздушному зазору 02=f(bшл1/) по рис.6-41 [1]; при bшл1/=12, 02=0.42
• Удельные поверхностные потери по формуле
• где - коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности ротора на удельные потери [1, c.207]; =1.5.
• Полные поверхностные потери ротора по формуле
• Масса зубцов стали ротора по формуле
• Амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов ротора по формуле
• Пульсационные потери в зубцах ротора по формуле
• Поверхностные и пульсационные потери в статоре двигателя с короткозамкнутым ротором обычно очень малы, так как в пазах таких роторов ширина шлица ротора небольшая и пульсации индукции в воздушном зазоре над головками зубцов статора незначительны. Поэтому расчёт этих потерь в статоре двигателя не производится.
• Сумма добавочных потерь по формуле
• Полные потери в стали по формуле
• Механические потери по формуле

• где Кт коэффициент [1, c.208]; при 2р=4
• Добавочные потери при номинальном режиме [1, c.209]
• Добавочные потери возникают за счёт действия потоков рассеяния, пульсаций индукции в воздушном зазоре, ступенчатости кривых распределения МДС обмоток статора и ротора. В короткозамкнутых роторах, кроме того, возникают потери от поперечных токов, то есть токов между стержнями, замыкающихся через листы сердечника ротора. ГОСТ устанавливает средние расчётные добавочные потери при номинальной нагрузке, равные 0.5% номинальной мощности.
• Электрические потери при холостом ходе в обмотке статора
• по формуле
• Активная составляющая тока холостого хода по формуле
• Ток холостого хода двигателя по формуле
• Коэффициент мощности при холостом ходе по формуле
• 1.8 Расчёт рабочих характеристик
• Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называют зависимости Р1, I1, cos, , s=f(Р2). Методы расчёта характеристик базируются на системе уравнений токов и напряжений асинхронной машины, которой соответствует Г-образная схема замещения (рис.5). Активные и индуктивные сопротивления схемы замещения являются параметрами машины.
• Рисунок 5 - Преобразованная Г-образная схема замещения приведённой асинхронной машины.
• Коэффициент с1 представляет собой взятое с обратным знаком отношение вектора напряжения фазы U1 к вектору ЭДС Е1, при синхронном вращении машины с учётом сдвига фаз этих векторов.
• Расчётное сопротивление r12 по формуле
• Сопротивление взаимной индукции обмоток статора и ротора по формуле 6.180 [1];
• Коэффициент с1 по формуле 6.218 [1];
• Была использована приближённая формула
• Расчёт рабочих характеристик можно проводить с помощью круговой диаграммы или аналитическим методом. Расчёт по круговой диаграмме более нагляден, но менее точен, так как требует графических построений, снижающих точность расчёта. Аналитический метод более универсален, позволяет учитывать изменение отдельных параметров при различных скольженьях и может быть легко переведён на язык программ при использовании ЭВМ в расчётах.
• Для расчёта рабочих характеристик выбираем аналитический метод. Расчёт характеристик проводим, задаваясь значениями скольжений в диапазоне s=(0.21.1)sн. Номинальное скольжение предварительно принимаем равным sн=r2*=0.057. Для построения характеристик достаточно рассчитать значения требуемых величин для пяти-шести различных скольжений, выбранных в указанном диапазоне примерно через равные интервалы.
• Активная составляющая тока синхронного холостого хода по формуле
• 1.8.5 Постоянные коэффициенты по формуле
• Результаты расчёта сведены в таблице1.
• Таблица1. Расчёт рабочих характеристик

N	Расчётная формула	Скольжение
П/п		6e-4	0,003	0,009	0,022	0,044	0,06	0,051
1	, Ом	4388	880.66	296.07	123.35	63.298	47.626	55.363
2	, Ом	7.231	7.231	7.231	7.231	7.231	7.231	7.231
3	, Ом	4388	880.6	296.16	123.57	63.71	48.17	55.83
4	, А	0.05	0.25	0.743	1.78	3.453	4.567	3.94
5		1	1	1	0.998	0.994	0.989	0.992
6		1.6e-3	8.2e-3	0.024	0.059	0.113	0.15	0.13
7	, А	0.23	0.43	0.92	1.96	3.61	4.69	4.09
8	, А	2.16	2.16	2.17	2.26	2.55	2.84	2.67
9	, А	2,17	2,2	2,36	2,99	4,42	4,88	5,49
10	, А	0.05	0.26	0.76	1.83	3.55	4.7	4.05
11	, кВт	0,15	0,28	0,61	1,29	2,38	3,1	2,7
12	, кВт	0.052	0.053	0.061	0.099	0.215	0.332	0.263
13	, кВт	0	5e-4	0.004	0.025	0.094	0.164	0.122
15	, кВт	7.5e-4	0.001	0.003	0.006	0.012	0.015	0.013
16	, кВт	0.146	0.148	0.162	0.223	0.414	0.605	0.492
17	, кВт	0,01	0,13	0,45	1,07	1,97	2,49	2,2
18		0,035	0,475	0.734	0.827	0,826	0,805	0,818
19		0,105	0,194	0,390	0,654	0,817	0,855	0,837

• По результатам расчётов строятся рабочие характеристики, которые представлены на рисунке 6. После построения зависимости s=f(Р2 ) уточняем значение номинального скольжения sн=0.051
• Номинальные данные спроектированного двигателя:
• Р2н=2.2 кВт, Iн1=4.88 А, =0.818, Uн1=220/380 В, cos=0.837.

• Рисунок 6 - Рабочие характеристики асинхронного двигателя,
• Р2н=2.2 кВт, 2р=4, Iн1=4.88 А, =0.818, Uн1=220/380 В, cos=0.837.
• 1.9 Расчёт пусковых характеристик

Расчёт токов с учётом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учёта влияния насыщения от полей рассеяния).

Расчёт для S=1.

Активное сопротивление обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока (расч=75єС; с75=10-6/21.5 Ом?м)

hc=hп-hш=0.015 м;

по формуле ;

по рис. 6.46 [1] для ц = 0.97;

по рис. 6.47 [1] для ц' = 0.96 = kД;

глубина проникновения тока по формуле

м;

площадь сечения qr по формуле

где по формуле

коэффициент kr по по формуле

;

коэффициент общего увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием эффекта вытеснения тока по формуле

;

приведённое активное сопротивление ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока [1, с.249]:

Ом.

Коэффициент изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока по формуле

;

где - коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния с учетом эффекта вытеснения тока, по табл.6.23 [1]:

индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учётом действия эффекта вытеснения тока по формуле 6.250 [1];

Ом.

Пусковые параметры по формуле

Ом,

по формуле

.

Расчёт токов с учётом влияния эффекта вытеснения тока по формуле

Ом,

Ом,

Ток в обмотке ротора:

А,

Ток в обмотке статора:

А.

Расчёт пусковых характеристик с учётом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния.

Подробный расчёт для S=1.

Индуктивные сопротивления обмоток. Принимаем [1, с.219]: kн=1.35 средняя МДС обмотки, отнесённая к одному пазу обмотки статора по формуле

А,

коэффициент CN по формуле 6.254 [1]

,

фиктивная индукция потока рассеяния в воздушном зазоре по формуле

Тл.

По рис.6.50 [1] для Тл находим kд=0.48.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора с учётом влияния насыщения по формуле

.

Уменьшение коэффициента проводимости рассеяния паза статора по формуле

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния паза статора с учетом насыщения по формуле 6.261 [1]

.

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния статора с учетом насыщения по формуле 6.263 [1]

.

Индуктивное сопротивление обмотки статора с учетом насыщения по формуле

Ом.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора с учетом насыщения и вытеснения тока по формуле 6.260 [1]

,

где сэ2 по формуле 6.259 [1]

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния паза ротора с учетом насыщения по формуле

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния статора с учетом насыщения по формуле

.

Приведенное индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом насыщения и вытеснения тока по формуле:

Ом,

коэффициент с1п.нас по формуле

.

Расчет токов и моментов:

сопротивления по формуле

Ом,

Ом,

токи по формуле

А,

Кратность пускового тока с учётом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения [1, c. 251]:

Кратность пускового момента с учётом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения [1, c. 251]:

Критическое скольжение [1, c. 223, ф.6.272]:

Результаты расчёта сведены в таблице 2. По результатам расчётов строятся пусковые характеристики М*,I*=f(s), которые представлены на рисунке 7.

Таблица 2. Расчёт пусковых характеристик с учётом эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния.

№	Расчётная формула	Скольжение S	Sкр
		1	0,5	0,3	0,2	0,01	0,36
1		0.939	0.664	0.514	0.420	0.094	0.563
2		0.069	0.017	0.0062	0.0027	6.9e-6	0.0089
3		1.020	0.988	0.981	0.979	0.977	0.983
,4		1.015	0.991	0.985	0.984	0.983	0.987
5	, Ом	2.525	2.464	2.451	2.447	2.444	2.454
6		0.962	0.973	0.979	0.983	0.996	0.977
7		0.990	0.993	0.995	0.996	0.999	0.994
8	, Ом	4.054	4.066	4.073	4.077	4.091	4.07
9	, Ом	2.404	2.635	2.996	3.338	4.031	2.834
10		2.003	2.13	2.33	2.52	2.804	2.242
11		1.014	1.015	1.016	1.018	1.020	1.016
12	, Ом	6.238	8.679	11.972	16.130	252.90	10.602
13	,Ом	4.442	4.804	5.378	5.916	6.915	5.12
14	, А	28.730	22.178	16.751	12.805	0.870	18.658
15	, А	29.242	22.628	17.160	13.182	1.760	19.106
16		5,33	4,124	3,127	2,403	0,321	3,48
17		2,62	3,056	2,89	2,53	0,233	3,001

Рисунок 7 - Пусковые характеристики асинхронного двигателя

2. ТЕПЛОВОЙ И ВЕНТЕЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЁТ

На первоначальной стадии проектирования достаточно достоверную оценку теплового режима двигателя даёт приближённый метод теплового расчёта, основанный на упрощённом представлении о характере тепловых связей между элементами электрической машины. В нём используются средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности и теплопроводности изоляции, характерные для определённой конструкции и технологии производства двигателей данного типа.

Тепловой расчёт будем проводить только для статора. При расчёте используются потери, полученные для номинального режима, но потери в обмотке статора несколько увеличиваются по сравнению с расчётными. Предполагается, что обмотка может быть нагрета до предельно допустимой для принятого класса изоляции температуры.

Электрические потери в обмотке статора в пазовой части по формуле

где кр коэффициент увеличения потерь [1, c.235]; кр=1.07

Электрические потери в обмотке статора в лобовой части по формуле

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя по формуле

где К коэффициент, учитывающий, что часть потерь в сердечнике статора и в пазовой части обмотки передаётся через станину непосредственно в окружающую среду по табл.6-30 [1]; при 2р=2, К=0.2

Расчётный периметр поперечного сечения паза статора по формуле

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора по формуле.6.315.[1]

где экв средняя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции [1, c.237];

экв=0.16 Вт/м0С

экв среднее значение коэффициента теплопроводности внутренней изоляции катушек всыпной обмотки из эмалированных проводников с учётом не плотности прилегания проводников друг к другу по рис.6-62[1]; при d/dиз=0.932, экв=1 Вт/м0С

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей

где Пл1 периметр условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки [1, c.237]; Пл1Пп1=0.031 м

bиз.л1 односторонняя толщина изоляции лобовой части катушки bиз.л1=0,05

Превышение температуры наружной поверхности изоляции лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри машины по формуле

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины по формуле

Эквивалентная поверхность охлаждения корпуса по формуле

где Пр условный периметр поперечного сечения рёбер станины по рис.6-63[1]:

Пр=0.16 м

Сумма потерь отводимых в воздух внутри двигателя по формуле

где по формуле

Превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды по формуле



где в коэффициент подогрева воздуха [1, c.235 рис.6-59а]; в=20 Вт/м2С

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды по формуле

Полученное значение превышения температуры не превышает допускаемое превышение температуры для принятого класса изоляции.

Вентиляционный расчёт асинхронного двигателя, так же как и тепловой на первоначальном этапе проектирования, может быть выполнен приближённым методом. Метод заключается в сопоставлении расхода воздуха, необходимого для охлаждения двигателя и расхода, который может быть получен при данной конструкции и размерах двигателя.

Коэффициент, учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса, обдуваемого наружным вентилятором по формуле

где кm коэффициент [1, c.240]; для двигателе с 2р = 4 при h=0.90 м, m=1,8

Требуемый для охлаждения расход воздуха по формуле

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором

необходимое условие для охлаждения машин выполнено.

Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах.

Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.

• 3. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЁТ

Рисунок 8 - Вал двигателя

Асинхронный двигатель выполнен с горизонтальным расположением вала. В этом случае вал несёт на себе всю массу вращающихся частей, через него передаётся вращающий момент машины. При сочленении машины с исполнительным механизмом на вал действуют дополнительные изгибающие силы. Кроме того, на вал могут действовать силы одностороннего магнитного притяжения, вызванные магнитной несимметрией, усилия, появляющиеся из-за наличия небаланса вращающихся частей, а также усилия, возникающие при появлении крутильных колебаний. Правильно сконструированный вал должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать все действующие на него нагрузки без появления остаточных деформаций. Вал должен также иметь достаточную жёсткость, чтобы при работе машины ротор не задевал о статор. Критическая частота вращения вала должна быть значительно больше рабочих частот вращения машины. Окончательные размеры вала устанавливаются после его расчётов на жёсткость и прочность.

• 3.1 Расчет прогиба ротора

Принимая, что ротор асинхронной машины представляет собой сплошной цилиндр с плотностью 8300 кг/м3, его массу можно определить как

Сила тяжести ротора

Определим поперечную силу, приложенную к выступающему концу вала

Н,

где Мн -номинальный вращающий момент;

Нм,

nн-частота вращения вала ротора

об/мин

kп- коэффициент , при подаче упругой муфтой kп=0,3

D1- диаметр по центрам пальцев муфты D1=70 10-3 м

Прогиб вала по середине сердечника под действием силы тяжести

где Е - модуль упругости Е=2,06* 1011 Па,

1/м, 1/м

Вал разбивают на три участка а, b, с - это расстояния от места приложения силы до ближайшей опоры а=108*10-3м, b=108*10-3м, с=55*10-3 м

Прогиб вала по середине магнитопровода ротора от поперечной силы муфты

где 1/м

l-расстояние между опорами l=220*10-3м,

Первоначальное смещение ротора:

м,

Начальная сила одностороннего магнитного притяжения

H,

Прогиб вала от силы Т0

,м

Установившийся прогиб вала от одностороннего момента притяжения

,

где m=fт/l0=3,199*10-7

Суммарный прогиб по середине магнитопровода ротора

F=fм+fq+fп=

• 3.2 Критическая частота вращения
• 3.3 Расчёт вала на прочность

Найдем напряжение в самом нагруженном сечении вала, в сечении А:

Определяем опорные реакции в подшипниках

МА = -G*a + RB*l - FM*c = 0

МB = G*a + RA*l - FM*(c+l) = 0

RB = (-G*a - FM*c)/l = (57.5*0.11 + 147*0.055)/0.022 = 65.5 H

RA = (-G*a + FM*(c+l))/l = (-57.5*0.11 + 147*(0.055+0.22))/0.022 = 155 H

Изгибающий момент в расчетном сечении

MИЗ = -FM*c + RA*x - G*a + RB*(l+y) =

= -147*0.055 + 155*0.01 - 57.5*0.11 + 65.5*(0.22+0.001) = 1.615 H

Момент сопротивления при изгибе

где d=0,032 м -диаметр вала в сечении А

Напряжение изгиба

где -отношение допустимого напряжения при изгибе к удвоенному допускаемому напряжению при кручении.

Крутящий момент

Эквивалентное сопротивление при изгибе и кручении



Произведём проверку: для стали 45 ДОП=350*106 Н

• 3.4 Проверочный расчет подшипников качения на долговечность

Приведенная динамическая нагрузка :

где кН=1,5-коэффициент учитывающий характер нагрузки двигателя, при нагрузке с умеренными толчками .

Динамическая грузоподъемность подшипника

Где n=1500 об/мин, L=20000 ч - срок службы подшипника.

Выбрали шарикоподшипник средней серии.

Приведенная динамическая нагрузка на опору В

Динамическая грузоподъемность

Из приведенного расчета следует, что шарикоподшипник легкой серии подходит для спроектированного двигателя по найденной динамической грузоподъемности наиболее нагруженной опоры.

• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• В данной работе был спроектирован трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. В качестве базовой модели выбрана конструкция асинхронных двигателей серии 4А, которые предназначены для наиболее широкого применения в различных отраслях народного хозяйства.
• В начале расчета двигателя были получены значения электромагнитных нагрузок и , входящие в рекомендуемые пределы, основанные на исследовании работающих двигателей серии 4А. От электромагнитных нагрузок зависят не только размеры машины, а также и ее характеристики. Так как двигатель обладает небольшой мощностью, то упрощения укладки обмотки в пазы принята трехфазная однослойная концентрическая обмотка. Число пазов статора принято стандартному и равно Z1=36, т.о. обмотка имеет целое число пазов на полюс и фазу (q=3).
• Плотность тока в обмотке статора получилась значительной, что характерно для двигателей небольшой мощности. Для обмотки статора используется стандартный эмалированный провод с диаметром dиз=0,965мм, это позволяет применять механизированную укладку обмотки, коэффициент заполнения паза соответствует механизированной укладке. В расчете зубцовой зоны статора была принята конфигурация пазов, при которой зубцы имеют не постоянное поперечное сечение по всей высоте, т.е. в зубцах будут участки с разной индукцией и суммарное магнитное напряжение будет меньше, чем у зубцов другой конфигурации.
• Воздушный зазор был выбран достаточно малым, что приводит к уменьшению магнитодвижущей силы магнитной цепи и тока намагничения. При этом будут уменьшаться суммарные потери, благодаря чему в расчете рабочих характеристик повысились значения и КПД. Но, вследствие малости воздушного зазора, в расчете магнитной цепи получился значительным коэффициент насыщения магнитной цепи. Число пазов ротора выбрано по рекомендациям, основанным на изучении влияния соотношений числа зубцов статора и ротора на кривую момента, а также шумы и вибрации. Пазы ротора выполнены со скосом. Несмотря на уменьшение ЭДС обмотки, скос пазов уменьшает негативное влияние высших гармоник и значительно улучшает виброакустические характеристики двигателя. При расчете рабочих характеристик получили уточненные значения номинального тока обмотки статора и мощности, потребляемой двигателем, которые меньше, чем принятые вначале работы предварительно.
• В расчете пусковых характеристик кратность пускового тока получилась в допустимых пределах, установленных стандартом (ГОСТ 19523 - 74), а пусковой момент достаточным, его кратность превысила заданного значения. Это явилось следствием таких факторов, как довольно высокое сопротивление фазы обмотки ротора, высокая и тонкая форма пазов ротора, в которых более сильно проявляется эффект вытеснения тока, проявляющегося в результате действия потока пазового рассеяния. Таким образом, можно задавать пусковой момент, меняя плотность тока в обмотке ротора или индукцию в зубцах ротора.
• Тепловой расчет показал, что у двигателя имеется температурный запас по температуре нагрева обмотки статора (для класса изоляции В), а вентилятор обеспечивает расход воздуха почти с двукратным запасом.
• В механическом расчете определен суммарный прогиб вала от действия силы тяжести ротора и силой, обусловленной соединением муфтой. Полученный прогиб вала не превышает 10% от воздушного зазора. По критической частоте вращения и напряжениях в опасных сечениях, вал имеет огромные запасы.

В данном двигателе применяются герметизированные подшипники, устанавливаемые на весь срок службы двигателя, что обеспечивает высокую долговечность и надежность. Спроектированный двигатель отвечает поставленным в техническом задании требованиям.

СПИСОК ИСПОЛЬЗАВАНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Копылов И.П., Горяинов Ф.А., Клоков Б.К. и др. Проектирование электрических машин: Учеб. Пособие для вузов. М.: Энергия, 1980. - 496 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...