Размещено на http://www.allbest.ru/

Иркутск 2014

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине

Электромеханика-Электрические машины

Проектирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

наименование темы



Содержание

Техническое задание

Введение

1. Теоретические сведения об асинхронных машинах

1.1 Описание конструкции асинхронного электродвигателя

1.2 Принцип действия асинхронного двигателя

1.3 Назначение и области применения АД

2. Выбор главных размеров

3. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

4. Расчет размеров зубцовой зоны ротора

4.1 Сердечник ротора

4.2 Расчет размеров овальных закрытых пазов

4.3 Короткозамыкающее кольцо ротора

5. Электромагнитный расчёт

5.1 Расчет магнитной цепи

5.2 Определение намагничивающего тока

6. Рабочий режим и потери в стали

6.1 Расчет параметров рабочего режима

6.2 Определение потерь в стали

7. Расчет и построение круговой диаграммы асинхронного двигателя

8. Расчет и построение рабочих характеристик двигателя

Заключение

Список использованной литературы

асинхронный электродвигатель статор ток



Введение

Асинхронный двигатель является преобразователем электрической энергии в механическую и составляет основу большинства механизмов, использовавшихся во всех отраслях народного хозяйства.

В настоящее время асинхронные двигатели потребляют более 40% вырабатываемой электрической энергии, на их изготовление расходуется большое количество дефицитных материалов: обмоточной меди, изоляции, электрической стали и других затрат.

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.

На ремонт и обслуживание асинхронных двигателей в эксплуатации средства составляют всего 5 % затрат из обслуживания всего установленного оборудования.

Все вышеперечисленное дает понять, что создание серии высокоэкономичных и надежных асинхронных двигателей являются важнейшей народно - хозяйственной задачей, а правильный выбор двигателей, их эксплуатации и высококачественный ремонт играют первоочередную роль в экономии материалов и трудовых ресурсов.

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.



1. Теоретические сведения об асинхронных машинах

Асинхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которой только одна обмотка (первичная) получает питание от электрической сети с постоянной частотой, а вторая обмотка (вторичная) замыкается накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичной обмотке появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота является функцией угловой скорости ротора, которая в свою очередь зависит от вращающего момента, приложенного к валу.

Наибольшее распространение получили асинхронные машины с трехфазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на статоре, питаемой от сети переменного тока, и с трехфазной или многофазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на роторе.

Машины такого исполнения называют просто «асинхронными машинами», в то время как асинхронные машины иных исполнений относятся к «специальным асинхронным машинам».

Асинхронные машины используются в основном как двигатели; в качестве генераторов они применяются крайне редко.

Асинхронный двигатель является наиболее распространенным типом двигателя переменного тока.

Разноименнополюсная обмотка ротора асинхронного двигателя может быть короткозамкнутой или фазной. Наибольшее распространение имеют дешевые в производстве и надежные в эксплуатации двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе, или короткозамкнутые двигатели. Эти двигатели обладают жесткой механической характеристикой (при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной их частота вращения уменьшается всего на 2--5%).

Двигатели с короткозамкнутой обмоткой на роторе обладают также довольно высоким начальным пусковым вращающим моментом. Их основные недостатки: трудность осуществления плавного регулирования частоты вращения в широких пределах; потребление больших токов из сети при пуске (в 5--7 раз превышающих поминальный ток).

Двигатели с фазной обмоткой на роторе или двигатели с контактными кольцами избавлены от этих недостатков ценой усложнения контрукции ротора, что приводит к их заметному удорожанию по сравнению с короткозамкнутыми двигателями (примерно в 1,5 раза). Поэтому двигатели с контактными кольцами на роторе находят применение лишь при тяжелых условиях пуска, а также при необходимости плавного регулирования частоты вращения.

Двигатели с контактными кольцами иногда применяют в каскаде с другими машинами. Каскадные соединения асинхронной машины позволяют плавно регулировать частоту вращения в широком диапазоне при высоком коэффициенте мощности, однако из-за значительной стоимости не имеют сколько-нибудь заметного распространения.

В двигателях с контактными кольцами выводные концы обмотки ротора, фазы которой соединяются обычно в звезду, присоединяются к трем контактным кольцам. С помощью щеток, соприкасающихся с кольцами, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочное сопротивление или дополнительную ЭДС для изменения пусковых или рабочих свойств машины; щетки позволяют также замкнуть обмотку накоротко.

В большинстве случаев добавочное сопротивление вводится в обмотку ротора только при пуске двигателя, что приводит к увеличению пускового момента и уменьшению пусковых токов и облегчает пуск двигателя. При работе асинхронного двигателя пусковой реостат должен быть полностью выведен, а обмотка ротора замкнута накоротко. Иногда асинхронные двигатели снабжаются специальным устройством, которое позволяет после завершения пуска замкнуть между собой контактные кольца и приподнять щетки. В таких двигателях удается повысить КПД за счет исключения потерь от трения колец о щетки и электрических потерь в переходном контакте щеток.

Выпускаемые заводами асинхронные двигатели предназначаются для работы в определенных условиях с определенными техническими данными, называемыми номинальными. К числу номинальных данных асинхронных двигателей, которые указываются в заводской табличке машины, укрепленной на ее корпусе, относятся:

- механическая мощность, развиваемая двигателем;

- частота сети;

- линейное напряжение статора;

- линейный ток статора I1лн;

- частота вращения ротора;

- коэффициент мощности;

- коэффициент полезного действия.

Если у трехфазной обмотки статора выведены начала и концы фаз и она может быть включена в звезду или треугольник, то указываются линейные напряжения и токи для каждого из возможных соединений (Х/Д).

Кроме того, для двигателя с контактными кольцами приводится напряжение на разомкнутых кольцах при неподвижном роторе и линейный ток ротора в номинальном режиме.

Номинальные данные асинхронных двигателей варьируются в очень широких пределах. Номинальная мощность -- от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частота вращения при частоте сети 50 Гц от 3000 до 500 об/мин и менее в особых случаях; при повышенных частотах -- до 100 000 об/мин и более (номинальная частота вращения ротора обычно на 2--5% меньше синхронной; в микродвигателях -- на 5--20%). Номинальное напряжение от 24 В до 10 кВ (большие значения при больших мощностях).

Номинальный КПД асинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения; при мощности более 0,5 кВт он составляет 0,65--0,95, в микродвигателях 0,2--0,65.

Номинальный коэффициент мощности асинхронных двигателей, равный отношению активной мощности к полной мощности, потребляемой из сети, также возрастает с ростом мощности и частоты вращения двигателей; при мощности более 1 кВт он составляет 0,7--0,9; в микродвигателях 0,3--0,7.

1.1 Описание конструкции асинхронного электродвигателя

В настоящее время, на долю асинхронных двигателей приходится не менее 80% всех электродвигателей, выпускаемых промышленностью. Асинхронные электродвигатели широко используются в устройствах автоматики и телемеханики, бытовых и медицинских приборах, устройствах звукозаписи и т.п.

Асинхронный двигатель - это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

Асинхронные двигатели сегодня составляют большую часть электрических машин, которые используются как основные преобразователями электрической энергии в механическую.

Конструкция асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором представлена на рисунке 1.

Статор машины состоит из магнитопровода 2, трехфазной разноименнополюсной обмотки 20, выводные концы которой с помощью выводной коробки 13 присоединяются к сети переменного тока и станины 1.

Активными элементами статора, специально предназначенными для образования вращающегося магнитного поля, являются магнитопровод 2 и обмотка 20; станина выполняет только конструктивные функции, фиксируя активные части в определенном положении (при помощи лап 14 станина неподвижно закрепляется на фундаменте).

Рисунок 1 Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Магнитопровод 2 набирается из изолированных пластин электротехнической стали обычно толщиной 0,5мм. Пластины штампуются из листовой или рулонной электротехнической стали со стандартизованными размерами и изолируются с обеих сторон лаком. При наружном диаметре магнитопровода менее 1м, что имеет место во всех асинхронных двигателях, за исключением самых крупных, его набирают из цельных кольцеобразных пластин, на внутренней стороне которых вырублены пазы нужной формы (рис. 2, б). В конструкции по рисунку 1 радиальные каналы в магнитопроводе отсутствуют. В этом случае кольцевые пластины собираются в пакет и прессуются вне станины на специальной цилиндрической оправке. В спрессованном состоянии пакет пластин удерживается с помощью нажимных колец 6 и стяжных скоб 5 и лишь после установки обмотки вставляется в станину.

Рисунок 2 Кольцевые пластины магнитопроводов ротора (а) и статора(б): 1 - ярмо; 2 - зубец; 3 - паз; 4 - аксиальный вентиляционный канал; 5 - отверстие для вала; 6 - ярмо статора

Рисунок 3 Крепление в станине статора магнитопровода с радиальными каналами, набранного из цельных пластин

Магнитопровод, образованный из ряда пакетов кольцевых пластин, отделенных друг от друга радиальными вентиляционными каналами, собирается обычно в станине. Необмотанный статор такой конструкции показан на рисунке 3. В радиальном направлении пакеты пластин 1 центрируются ребрами станины 2, в осевом направлении они удерживаются в спрессованном состоянии нажимными шайбами 3 и приваренными после запрессовки магнитопровода шпонками 4. Каналы между пластинами образуются при помощи дистанционных распорок 5.

При наружном диаметре магнитопровода более 1м он набирается из отдельных сегментов, и конструкция статора получается такой же, как в крупных синхронных машинах.

В целях уменьшения пульсаций магнитного поля и добавочных потерь, связанных с зубчатостью магнитопровода, обмотка статора укладывается в асинхронных машинах в полузакрытые пазы (рис. 4, а). Только в крупных асинхронных машинах применяют шаблонные катушечные и стержневые обмотки, укладываемые в открытые пазы. Для таких пазов пригодны как однослойные, так и двухслойные многовитковые катушечные всыпные обмотки. Катушки этих обмоток наматываются из изолированного обмоточного провода круглого сечения (7 на рис. 4, а) каждый проводник катушки «всыпается» в паз по отдельности.

Рисунок 4 Разрезы пазов: а - двухслойной катушечной всыпной обмотки статора асинхронного двигателя; б - трехфазной двухслойной волновой стержневой обмотки ротора асинхронного двигателя с контактными кольцами

Для изолирования витков катушки друг от друга оказывается достаточной собственная изоляция обмоточных проводников. Изоляция обмотки от заземленных частей, называемая корпусной изоляцией, делается в зоне пазовых и лобовых частей по-разному. Корпусная изоляция пазовой части катушки выполняется в виде «пазовой коробочки», образованной из нескольких слоев 2ч4 изоляционных материалов, которая закладывается в паз перед укладкой обмотки. Обмотка закрепляется в пазах при помощи клиньев 7 из изоляционного материала. Под клинья подкладываются изоляционные прокладки 6. Изоляцией между слоями обмотки служит прокладка 5 (в однослойной обмотке эта прокладка отсутствует).

Ротор машины состоит из магнитопровода 3 (см. рис. 1), в пазах которого размещается неизолированная многофазная короткозамкнутая обмотка 19, пристроенных к ней вентиляционных лопастей 7, вала 15 и двух вентиляторов 8 и 11. Активными элементами ротора, принимающими участие в процессе преобразования энергии, являются магнитопровод 3 и обмотка 19; остальные детали имеют конструктивное назначение: вал 15 передает механическую энергию к исполнительной машине, вентиляторы 7,8 и 11 обеспечивают циркуляцию охлаждающей среды. Более детально устройство активных частей ротора показано на рисунке 5.

Магнитопровод ротора 4 (рис. 5) набирается из цельных кольцевых пластин, отштампованных из листов электротехнической стали толщиной 0,5мм, на наружной стороне которых вырублены пазы нужной формы (на рис. 5 -- закрытые, на рис. 2, а -- полузакрытые).

Пластины магнитопровода ротора набираются на специальную оправку, спрессовываются на ней и удерживаются в запрессованном состоянии в процессе изготовления короткозамкнутой обмотки. Короткозамкнутая обмотка отливается из алюминия и не изолируется от магнитопровода. Торцевые кольца 2 (рис. 5), замыкающие с двух сторон стержни обмотки 1, отливаются как одно целое со стержнями. Одновременно в виде приливов к короткозамыкающим кольцам отливаются вентиляционные лопасти 3.

Рисунок 5 Магнитопровод ротора асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой, литой из алюминия

Кроме своего основного назначения короткозамкнутая обмотка служит также для стягивания пластин ротора после удаления оправки. Это позволяет обойтись без специальных прессующих деталей, удерживающих листы ротора в осевом направлении.

Вал ротора 15 (см. рис. 1) опирается на подшипники качения 12, 17, которые, в свою очередь, при помощи подшипниковых щитов 9, 21 и крышек подшипников 16,18 сопрягаются со станиной 1.

Шариковый подшипник 12 центрирует ротор не только в радиальном, но и в осевом направлении, воспринимая наряду с радиальными усилиями также и осевые. Консистентная смазка подшипников закладывается в камеру между подшипниковыми крышками 16,18 и не нуждается в замене в течение нескольких лет эксплуатации. Поскольку зазор между магнитопроводами ротора и статора при мощности более 0,5кВт обычно не превышает 0,3ч1мм (в микромашинах 0,02ч 0,3мм), вал ротора должен быть достаточно жестким, а механическая обработка конструктивных частей, обеспечивающих правильное положение оси вала в пространстве, должна производиться с высокой точностью.

На рисунке 1 представлено типичное для серийных короткозамкнутых асинхронных двигателей исполнение по способу охлаждения и защиты от воздействия внешней среды - обдуваемое исполнение, в котором внутреннее пространство машины защищено от брызг воды и пыли.

Внешний обдув двигателя создается наружным вентилятором (кожух 10 защищает обслуживающий персонал от прикосновения к вентилятору и направляет воздух к оребренной поверхности станины). Циркуляция воздуха внутри машины усиливается при помощи внутреннего вентилятора 8 и вентиляционных лопастей 7 (направление движения воздуха показано на рисунке стрелками).

1.2 Принцип действия асинхронного двигателя

Рисунок 6 Принцип действия асинхронного электродвигателя

Принцип действия АД заключается в следующем. В обмотке статора, включенной в сеть трехфазного тока, под действием напряжения возникает переменный ток, который создает вращающееся магнитное поле. Магнитное поле пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них переменную ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Поскольку обмотка ротора замкнута, ЭДС вызывает в ней ток того же направления.

В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем возникает сила, действующая на проводники ротора, направление которой определяется по правилу левой руки. Сила создает момент, действующий в сторону.

Под действием момента ротор приводит в движение и после разбега вращается в том же направлении, что и магнитное поле, с несколько меньшей частотой вращения, чем поле.

Все сказанное о принципе действия асинхронного двигателя справедливо, если обмотка ротора выполнена из ферромагнитного материала с теми же магнитными свойствами, что и сердечник ротора. В действительности обмотка ротора выполняется из неферромагнитного материала (меди или алюминия), поэтому магнитная индукция в пазу с проводниками намного меньше, чем в зубцах. Основная сила, вызывающая момент вращения, возникает в результате взаимодействия магнитного поля ротора с вращающимся магнитным полем статора и приложена к зубцам ротора. На проводник действует только небольшая сила. Однако для анализа работы двигателя и получения расчетных уравнений обычно считают, что в основе принципа действия асинхронного двигателя лежит закон Ампера - взаимодействие проводника с током и магнитного поля. Такая трактовка закономерна, поскольку результаты расчета при этом совпадают с полученными из принципа взаимодействия магнитных полей ротора и статора.

1.3 Назначение и области применения АД

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 напряжением до 1000 В - наиболее широко применяемые электрические машины. В народнохозяйственном парке электродвигателей они составляют по количеству 90%, по мощности - примерно 55%. Потребность, а, следовательно, и производство асинхронных двигателей на напряжение до 1000 В растёт из года в год в нашей стране.

Асинхронные двигатели потребляют более 40% вырабатываемой в России электроэнергии, на их изготовление расходуется большое количество дефицитных материалов: обмоточной меди, электротехнической стали и др., а затраты на обслуживание всего установленного оборудования уменьшаются. Поэтому создание серий высокоэкономичных и надёжных АД являются важнейшими задачами, а правильный выбор двигателей их эксплуатацией и высококачественный ремонт играют роль в экономии материальных и трудовых ресурсов.

Сроки жизни электрооборудования довольно длительные (до 20 лет). За этот срок в процессе эксплуатации одни из элементов электрооборудования (изоляция) стареют, другие (подшипники) изнашиваются.

Процессы старения и износа выводят электродвигатель из строя. Эти процессы зависят от многих факторов: условий и режима работы, технического обслуживания и т.д. Одна из причин выхода электрооборудования из строя - аварийные режимы: перегрузка рабочей части машины, попадание в рабочую машину посторонних предметов, неполнофазные режимы работы и т.п.

Электрооборудование, вышедшее из строя, восстанавливают. Особенность ремонта в том, что до ремонта двигатель рассчитывают. Это необходимо для проверки соответствия имеющихся обмоточных данных электродвигателя каталожными.

Полученные данные сравниваются с каталожными. Только в случае полного совпадения всех необходимых величин или при малых расхождениях между ними можно приступать к ремонту электродвигателя.



2. Выбор главных размеров

К главным размерам электродвигателя переменного тока относят внутренний диаметр D_Н1 и длину l₁ сердечника статора, поскольку они определяют габариты, массу и технико-экономические показатели этого типа электрических двигателей.

Наружный диаметр сердечника статора рассчитываем по таблице 9-2 [2], исходя из того, что для высоты оси вращения h по таблице 9-1 [2]:

По таблице 9-8 [2] D_a=0,272

Принимая, что размеры пазов не зависят от числа полюсов машины, получаем приближенное выражение

(9.2)

По таблице 9-9 [2]: K_D=0,68.

Листы статора для выбранной высоты оси вращения вала предполагается изготовлять штамповкой из резаной ленты шириной до 500 мм.

Определим величину полюсного деления проектируемого двигателя:

Расчетная мощность двигателя определяется как:

где:

k_Е - отношения ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, которое определено по рисунку 7;

Рисунок 7 Определение значения k_Е

cosц - коэффициент мощности рассчитываемого асинхронного двигателя при номинальной нагрузке, найденный по графику зависимости, представленному на рисунке 8;

з - коэффициент полезного действия рассчитываемого асинхронного двигателя при номинальной нагрузке, найденный по графику зависимости, представленному на рисунке 8;

Расчетная мощность равна:

где P₂ - мощность на валу двигателя, P₂ =15•10³ Вт;

Синхронная угловая скорость вала рассчитывается как:

где n₁ -- синхронная частота вращения, об/мин;

Рисунок 8 Примерные значения КПД и cos ц асинхронных двигателей: а -- со степенью защиты IP44 и мощностью до 30 кВт

Коэффициент полюсного перекрытия б_д и коэффициент формы поля k_в предварительно принимают равными:

Расчетная длина сердечника статора определяется как:

где:

А₁ - линейная нагрузка обмотки статора, определяется по диаграмме на рисунке 10. Приблизительное значение данной величины примем равным (точное значение будет рассчитано ниже):

причем умножать на поправочный коэффициент k₁ не имеет смысла, поскольку по таблице 9-5 [2] его значение равно 1.

Рисунок 10 Средние значения параметра А₁ и В_б при исполнении по защите IP44 с полузакрытыми пазами и двухслойной всыпной обмоткой

В_б - максимальное значение магнитной индукции в зазоре, определяется по диаграмме на рисунке 10. Значение данной величины примем предварительно равным:

Умножение на добавочный коэффициент k₂ также не меняет результат, поскольку для исходных данных по рассчитываемому двигателю он равен 1.

k_ОБ1 - коэффициент обмотки статора основной гармонической кривой ЭДС. Принимаем усредненное значение: k_ОБ1 = 0,95.

Отсюда, расчетная длина сердечника статора:

Чтобы удостоверится в правильности расчета ранее рассмотренных параметров, рассчитаем отношение:

,

которое не должно превышать (таблицы 9-6, [2]):

Таким образом, высота оси вращения вала двигателя для расчета главных размеров подобрана правильно.



3. Расчет статора

2.1 Определение , и площади поперечного сечения провода обмотки статора

1.1 Предельные значения зубцового деления статора , мм, определяем согласно рисунку 9.26

Определение числа пазов статора, витков в фазе обмотки и сечения провода обмотки статора

1 Определим предельные значения: t_1max и t_1min рисунок 9.26. При и , , .

Число пазов статора:

, (2.1)

(2.2)

Окончательно число пазов должно быть кратным значению числа пазов на полюс и фазу: q. Примем , тогда:

, (2.3)

где m число фаз, является целым числом. Обмотка однослойная.

Окончательно определяем зубцовое деление статора:

(2.4)

Предварительный ток обмотки статора

(2.5)

2.5 Число эффективных проводников в пазу ( при условии ):

(2.6)

2.6 Принимаем число параллельных ветвей , тогда

(2.7)

2.7 Окончательное число витков в фазе обмотки и магнитный поток :

, (2.8)

(2.9)

2.8 Определим значения электрических и магнитных нагрузок:

, (2.10)

(2.11)

Значения электрической и магнитных нагрузок незначительно отличаются от выбранных графически.

2.9 Выбор допустимой плотности тока производится с учётом линейной нагрузки двигателя:

, (2.12)

где нагрев пазовой части обмотки статора, определим графически [1] рисунок 9.27, б.

Рисунок 9.27 (б)

При .

(17)

2.10 Рассчитаем площадь сечения эфективных проводников:

(2.13)

Сечение эффективного проводника (окончательно):

Принимаем , тогда

(19)

мм².

Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ

(по приложению 3, стр.713 [1]):

мм,

мм²,

мм,

мм²

2.11 Окончательно определим плотность тока в обмотке статора:

(20)

А/мм²



3. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

По таблице 9,12 B_a=1,4 Тл и B_Zср=1,6 Тл. По таблице 9,13 [1] выбирается коэффициент заполнения сталью магнитопровода k_c1=0,97. По выбранным значениям B_а и k_c1 рассчитывается высота ярма статора по формуле 8.28 [1, c. 288]:

Минимальная ширина зубца статора:

)

Размеры паза в штампе ; и ,

где - ширина шлиц паза, мм;

- высота шлиц паза, мм;

Размеры паза вначале определяются без учёта размеров и числа проводников обмотки, исходя из допустимых значений индукции в зубцах и ярме статора.

Высота паза определяется по следующей формуле:

м

Далее находим размеры паза в штампе (см. рис. 9.29, а), м,

м

Приведённые расчёты выполнены для трапецеидального паза. Форма паза статора представлена в графической части проекта.

.

Для расчёта коэффициента заполнения паза необходимо определить площадь паза в свету и учесть площадь сечения паза, занимаемую корпусной изоляцией S_из и прокладками в пазу S_пр. Размеры паза в свету определяются с учётом припусков на шихтовку и сборку сердечников b_п и h_п:

Из таблицы 8.12 [1, c. 292] b_п=h_п=0,2 мм.

Площадь поперечного сечения трапецеидального паза, в которой размещаются обмотки, корпусная изоляция и прокладки:

.

Площадь занимаемая корпусной изоляцией в пазу, м²:

где b_из - односторонняя толщина изоляции в пазу, м.

Из таблицы 3.1 [1, c. 74] выбирается b_из =0,4?10^-3 м², тогда:

Площадь поперечного сечения паза, остающаяся свободной для размещения проводников обмотки, м²:

- площадь поперечного сечения прокладок в пазу, мм²;

Контролем правильности размещения обмотки в пазах является значение коэффициента заполнения паза:

,

где d_из - диаметр изолированного элементарного проводника, d_из=1,585мм.

Коэффициент заполнения входит в указанные пределы (0,72?k_з?0,74) [1].

Для обмотки статора используется круглый медный эмалированный провод ПЭТ-155 с площадью поперечного сечения 1,227 мм².



4. Расчет размеров зубцовой зоны ротора

4.1 Сердечник ротора

Сердечник ротора набирают из отдельных отштампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Материал стали и изоляционные покрытия такие же, как в статоре.

По таблице 9-9 [2] выбираем среднее значение воздушного зазора д:

д=1мм.

Наружный диаметр сердечника ротора:

Внутренний диаметр листов ротора:

Аксиальные каналы в конструкции ротора присутствуют (), их количество , а диаметр .

Длина сердечника ротора:

т.к. .

Пазы ротора обычно имеют овальную закрытую форму, причем радиусы r₁ и r₂ принимают такими, чтобы стенки зубцов были параллельны () на протяжении расстояния h₁ (см. рис. 12). Примерные значения высот пазов короткозамкнутого ротора h_п2 принимаем из диаграммы на рисунке 13:

Рисунок 12 Геометрия закрытых пазов короткозамкнутого ротора

Рисунок 13 Средние значения h_п2 для короткозамкнутого ротора с овальными закрытыми пазами

Чем больше принимаемое значение h_п2, тем меньше высота спинки ротора h_с2, и, соответственно, больше магнитная индукция в спинке B_с2.

Расчетная высота спинки ротора для и :

Для закрытого паза (см. рис.12.) принимаем, что:

Магнитная индукция в спинке ротора:

т.е. высота паза подобрана верно.

4.2 Расчет размеров овальных закрытых пазов

Зубцовое деление по наружному диаметру ротора:

Среднее значение магнитной индукции в зубцах ротора по таблице 9-18 [2]:

Ширина зубца равна:

Меньший радиус паза:

Больший радиус паза:

Расстояние между центрами радиусов:

Проверка правильности определения r₁ и r₂ ():

Площадь поперечного сечения стержня, равная площади поперечного сечения паза в штампе:

4.3 Короткозамыкающее кольцо ротора

Для рассматриваемого случая обмотка ротора будет получена путем заливки пазов собранного сердечника алюминием А5 в специальной машине литья под давлением.

Поперечное сечение кольца литой клетки:

Рисунок 14 Короткозамыкающее кольцо ротора

Высота кольца литой клетки:

Длина кольца:

Средний диаметр кольца литой клетки:

Длина лобовой части стержня:

Коэффициент учета изгиба стержня:

Вылет лобовой части обмотки:



5. Электромагнитный расчёт

5.1 Расчет магнитной цепи

Для магнитопровода используется сталь 2312.

Магнитное напряжение воздушного зазора определяется по формуле:

где k_д - коэффициент воздушного зазора; д - магнитная постоянная.

Коэффициент воздушного зазора рассчитывается по следующей формуле:

где - зубцовое деление статора;- ширина шлица паза статора.

Для статора =14?10^-3 м, =4?10^-3 м, =0,7?10^-3 м.

Далее рассматривается магнитное напряжение зубцовой зоны статора. Для зубцов с параллельными гранями (трапецеидальные пазы).

,

По таблице 8.15 [1, c. 299] расчетная высота паза h_z1=h_п=33?10^-3 м.

Индукция в зубце, Тл:

Магнитное напряжение зубцовой зоны статора:

После расчёта магнитной цепи статора рассчитывается магнитная цепь ротора. Общая формула для расчета магнитного напряжения ротора:

где - расчётная высота зубца, м; - расчётная напряжённость в зубце, А/м.

Для короткозамкнутого ротора с закрытыми пазами

Индукция в зубце, Тл:

Пусть действительная индукция , соответствующая ей напряжённость (таблица П - 17, [2, c. 330]). Полученные данные нужно подставить в следующие уравнения:

Магнитное напряжение зубцовой зоны статора, А:

Коэффициент насыщения зубцовой зоны рассчитываем по формуле 8.115 [1, c.328]:

На следующем этапе рассматривается магнитное напряжение ярма статора по формуле 8.116 [1, c.329]:

где - длина средней магнитной силовой линии в ярме статора, м; - напряжённость поля при индукции по кривой намагничивания стали ярма, А/м.

Индукция в ярме статора, определяется по следующей формуле, Тл:

где - расчётная высота ярма статора, м.

При отсутствии аксиальных вентиляционных каналов в статоре:

Длина средней магнитной силовой линии в ярме статора:

По таблице П - 16 [2, c. 460] для для стали 2212 .

Магнитное напряжение ярма ротора, А по формуле 8.121 [1, c.329]:

где - напряжённость поля в ярме при индукции по кривой намагничивания;- длинна силовой линии в ярме, м.

Для двигателей с непосредственной посадкой ротора на вал (D_j=D_B) без вентиляционных аксиальных каналов по формуле 8.123 [1, c.330]:

Индукция в ярме ротора по формуле 8.122 [1, c.329]:

Для =0.44 Тл, =108 А/м.

Длина средней магнитной силовой линии в ярме ротора, м:

.

Суммарное магнитное напряжение на пазу полюсов по формуле 8.128 [1, c.330]:

Коэффициент насыщения магнитной цепи по формуле 8.129 [1, c.330]:

5.2 Определение намагничивающего тока

Намагничивающий ток по формуле 8.130 [1, c.331]:

Относительное значение намагничивающего тока определяется по формуле 8.131 [1, c.331]:

- находится в допустимых пределах.



6. Рабочий режим и потери в стали

6.1 Расчет параметров рабочего режима

Для номинального режима АД активное сопротивление обмотки статора определяется по формуле 8.132 [1, c.332]:

где - общая длинна эффективных проводников фазы обмотки, м; - площадь поперечного сечения эффективного проводника, м²; - удельное сопротивление материала обмотки при расчётной температуре, Ом?м; -коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки от действия эффекта вытеснения тока.

Значение для номинальных режимов принимается равным единице. Для класса изоляции F =(1/41)?10^-6 Ом?м.

Общая длина проводников фазы обмотки определяется по формуле:

где - средняя длина витка обмотки статора, м; - число витков фазы.

Средняя длинна витка есть сумма прямолинейных пазовых и изогнутых лобовых частей катушки:

Длина пазовой части равна конструктивной длине сердечника, для всыпной обмотки статора длина лобовой части равна:

Вылет лобовых частей, м:

где - средняя ширина катушки, м, определяемая по дуге окружности, проходящей по серединам высоты пазов; B - длины вылета прямолинейной части катушек из паза, м.

,

где в - относительное укорочение шага обмотки статора. , - коэффициенты в зависимости от числа полюсов машины и наличия изоляции в лобовых частях (таблица 8.21[1, с.334]).

Для машин, обмотки которых укладываются после запрессовки сердечника в корпус, вылет прямолинейной части B=0,01 м. Из таблицы 8.21 [1, с. 334]

=1,9, =0,72.

,

,

,

,

.

Активное сопротивление фазы статора:

.

Относительное значение:

Далее рассчитывается активное сопротивление фазы ротора, Ом:

где - сопротивление стержня; - сопротивление участка замыкающего кольца, заключенного между двумя соседними стержнями.

Сопротивление стержня:

Сопротивление участка замыкающего кольца, заключенного между двумя соседними стержнями:

.

Для дальнейших расчётов должно быть приведено к числу витков первичной обмотки:

Относительное значение сопротивления:

Далее рассчитываются индуктивные сопротивления, обмоток статора и ротора двигателя.

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

где - расчётная длина магнитопровода, м; - коэффициенты магнитной проводимости пазового, лобового и дифференциального рассеяния соответственно.

При отсутствии вентиляционных каналов -,

Коэффициент рассчитывается для двухслойной обмотки в трапециидальном пазу.

Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния:

Коэффициенты магнитной проводимости дифференциального рассеяния:

Из рисунка 8.51 [1, c. 340] ;

.

Относительное значение:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора по 8.177 [1, c.343]:

где - коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора; - коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора; - коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния ротора.

так как режим номинальный.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора:

Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния для ротора с литыми обмотками при замыкающих кольцах, прилегающих к торцам сердечника ротора:

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора:

Приводим к числу витков статора по формуле:

Относительное значение:

На следующем этапе проектирования рассчитываются потери.

6.2 Определение потерь в стали

Основные потери в стали определяются по формуле:

где - удельные потери, Вт/кг; - показатель степени, учитывающий зависимость потерь в стали от частоты перемагничивания, ,- коэффициенты, учитывающие влияние на потери в стали, неравномерности распределения потока по сечениям участков магнитопровода и технологических факторов масса стали ярма и зубьев статора, кг.

Для стали 2312 по таблице 8.26 [1, c. 348] принимается Вт/кг. Для машины мощностью менее 250 кВт и .

где - расчётная высота зубца статора, м; - удельная плотность стали,

Затем рассчитываются добавочные потери в стали.

Амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов статора и ротора, Тл:

.

из рисунка 8.53 [1, c.349].

По и частоте пульсаций индукции под зубцами, равной , определяются удельные поверхностные потери для ротора. Для проектируемого двигателя .

где - коэффициент учитывающий влияние обработки поверхности зубцов ротора на удельные потери.

Принимается

Вт/м²

Полные потери ротора, Вт:

Для определения пульсационных потерь вначале находится амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов ротора, Тл:

.

Пульсационные потери зубцах статора и ротора, Вт:

Масса стали зубцов ротора:

Добавочные потери в стали, Вт:

,

Полные потери в стали, Вт:

Механические потери, Вт:

Добавочные потери, Вт при номинальном режиме:

Суммарные потери в двигателе, Вт:

Коэффициент полезного действия двигателя:

Рассчитываем холостой ход двигателя.

Электрические потери статора при холостом ходе, Вт:

Ток холостого хода двигателя, А:

где - активная составляющая тока, А; - реактивная составляющая тока, А.

- при холостом ходе:

На следующем этапе необходимо рассчитать и построить круговую диаграмму асинхронного двигателя.



7. Расчет и построение круговой диаграммы асинхронного двигателя

Диаметр рабочего круга принимаем в пределах:

Масштаб тока :

Уточняем диаметр рабочего круга:

Определим масштаб мощности:

Пусть - начало координат. Отрезок по оси абсцисс (в масштабе тока) численно равен :

Отрезок по оси ординат (в масштабе тока) численно равен :

Строим вектор О₁О, который является суммой векторов О₁О₂ и О₁О₃.

Из точки O проводим прямую, параллельную оси абсцисс. На ней откладываем отрезок OB=100 мм. Через точку B к оси абсцисс проводим перпендикуляр и на нем откладываем отрезки:

На прямой ОС откладываем отрезок OD=DA=246 мм. На отрезке OD строим окружность круговой диаграммы. Через точки О и Е проводим прямую. Точку пересечения ее с окружностью обозначаем G - эта точка соответствует:.

Прямая OG - это линия электромагнитных моментов или мощностей.

Через точки О и F также проводим прямую до пересечения с окружностью в точке K, которая соответствует:.

Прямая OK является линией механических мощностей .

Круговая диаграмма асинхронного двигателя представлена ниже.

Рисунок 15 Круговая диаграмма электродвигателя



8. Расчет и построение рабочих характеристик двигателя

Рабочими характеристиками называются зависимости:

Эти характеристики рассчитываются как аналитически, так и определяются по круговой диаграмме, которая дает представление об особенностях спроектированного электродвигателя.

Определим рабочие характеристики двигателя с помощью круговой диаграммы, представленной на рисунке 15.

Для определения cosц из точки О₁ строим дугу окружности радиусом 100 мм от оси абсциссы до оси ординаты.

Для определения номинальной мощности по круговой диаграмме следует сначала определить точку А, расстояние от которой до линии механических мощностей равно :

Для определения коэффициента мощности продлеваем вектор тока статора до пересечения со вспомогательной окружностью в точке L; из точки L проводим линию, параллельную оси абсцисс до пересечения оси ординат в точке N, т.е.:

Для определения отрезка, соответствующего максимальному моменту (без учета явлений насыщения путей потоков рассеяния и без учета явления вытеснения тока), необходимо из центра круговой диаграммы (отрезка OD) провести линию, перпендикулярную линии моментов OG до пересечения с окружностью в точке М. Из этой точки опустить перпендикуляр на линию диаметров до пересечения с линией моментов в точке M₁. Величина отрезка в масштабе мощности определяет величину максимального момента:

Ток статора определяется длиной отрезка O₁A в масштабе тока:

Ток ротора определяется на круговой диаграмме отрезком OA в масштабе тока:

Подводимая мощность P₁ равна длине перпендикуляра AT в масштабе мощности:

Электрические потери в обмотках статора и ротора по полученным характеристикам круговой диаграммы:

Суммарные потери в электродвигателе:

Коэффициент полезного действия:

Скольжение:

Аналогично по круговой диаграмме можно рассчитать рабочие характеристики для других значений мощностей (0,25P₂, 0,5P₂, 0,75P₂, 1,25P₂), вначале определив на круговой диаграмме точку A, соответствующую этим значениям. В связи с известной долей приближения (~1 мм) полученные по диаграммам результаты не совсем точны.

Результаты расчета рабочих характеристик представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты расчета рабочих характеристик двигателя

Условное обозначение	Отдаваемая мощность в долях от номинальной Р2
	0,25	0,5	0,75	1	1,25
P2, кВт	27,5	60	87,5	110	137,5
РД, Вт	121,0	241,9	362,9	483,9	604,8
Р'2, Вт	23560,2	46181,1	68802,1	91423,1	114044,0
Rн, Ом	6,082	3,044	1,990	1,445	1,105
Zн, Ом	6,122	3,093	2,049	1,515	1,186
s, о.е.	0,003	0,006	0,009	0,012	0,016
I''2, А	35,9	71,1	107,4	145,2	185,5
Ia1, А	39,6	74,4	109,7	145,4	181,8
Ip1, А	75,9	81,4	91,1	105,5	125,8
I1, А	85,6	110,3	142,6	179,6	221,1
cosц	0,46	0,67	0,77	0,81	0,82
Рм1, Вт	285,6	474,3	792,8	1258,0	1906,5
Рм2, Вт	69,7	273,1	622,5	1138,5	1857,7
РУ, Вт	3624,6	4137,7	4926,6	6028,7	7517,4
Р1, Вт	93624,6	94137,7	94926,6	96028,7	97517,4
з, %	96,1	95,6	94,8	93,7	92,3

Графически рабочие характеристики представлены ниже.

Рисунок 16 График зависимости

Рисунок 17 График зависимости

Рисунок 18 График зависимости

Рисунок 19 - График зависимости

Рисунок 20 Механическая характеристика проектируемого двигателя

Заключение

В результате проектирования был разработан асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который полностью отвечает требованиям, поставленным в курсовом проекте. Все проверяемые параметры отвечают критериям, рекомендуемым ГОСТ.

Список используемой литературы

1. Копылов И.П. «Проектирование электрических машин». Москва «Энергия» 1980.

2. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин: Учебник для втузов. М.: Высшая школа, 2001.

3. Кравчик А. Э. «Асинхронные двигатели серии 4А»: справочник. М.: Электроатомиздат, 1982. 504 с.

4. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 1. М.: Энергоатомиздат, 1988. 456 с.: ил.

5. Асинхронные двигатели серии 4A: Справочник/ А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.: ил.

6. Вольдек А.И.. Электрические машины: Учебник для втузов. Л.: Энергия, 1974. 840 с.: ил.

7. Сергеев П.С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин: Учебное пособие для студентов. М.: Энергия, 1970. 632 с., ил.

Размещено на Allbest.ru

...