Асинхронный двигатель серии 4А

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

Асинхронный двигатель серии 4А

Введение

Электрические машины в общем объёме производства электротехнической промышленности занимают основное место, поэтому эксплуатационные свойства новых электрических машин имеют важное значение для экономики нашей страны.

По своим показателям и характеристикам электрические машины удовлетворяют самым разнообразным требованиям различных отраслей народного хозяйства. Они различаются по принципу действия, мощности, напряжению, частоте вращения, режиму работы, конструктивным формам и параметрам.

При проектировании электрической машины рассчитываются размеры статора и ротора, выбираются типы обмоток, обмоточные провода, изоляция материалы активных и конструктивных частей машины. Отдельные части машины должны быть так сконструированы и рассчитаны, чтобы при её изготовлении трудоёмкость и расход материалов были наименьшими, а при эксплуатации машина обладала высокой надёжностью и наилучшими энергетическими показателями, при этом электрическая машина должна соответствовать условиям применения её в электроприводе. [1]

Проектирование электрических машин производится с учетом требований государственных и отраслевых стандартов. При проектировании электрических машин приходится учитывать назначение и условия эксплуатации, КПД. При проектировании необходимо учитывать возможности электротехнических заводов, стремиться к максимальному снижению трудоемкости.

В данном дипломном проекте необходимо спроектировать асинхронный двигатель серии 4А, обладающий характеристиками соответствующими техническому заданию.

1. Анализ технического задания

В техническом задании приведен тип электрической машины 4А250S4. Проведем подробный анализ данного типа для определения параметров проектируемого двигателя.

Цифра на первой позиции в типе электрической машины определяет принадлежность её к одной из серий двигателей.

На второй позиции стоит буква, указывающая принадлежность по роду двигателя. Буква А на первой позиции в приведенном в техническом задании типе двигателя указывает, что необходимо спроектировать асинхронный двигатель.

Буква на третьей позиции указывает на исполнение двигателя по способу защиты от окружающей среды. Отсутствие на третьей позиции буквы Н означает, что исполнение двигателя закрытое обдуваемое, IP44.

Исполнение IP44. Данный код обозначает уровни защиты. Первая цифра - защита от проникновения посторонних предметов. Уровень 4 - предметы, имеющие диаметр больше 1 миллиметра. Вторая цифра - защита от проникновения жидкости. Уровень 4 - защита от брызг, падающих в любом направлении.

Буква на четвертой позиции указывает на исполнение ротора двигателя. Отсутствие буквы К на четвертой позиции в обозначении типа электрической машины означает, что проектируемый двигатель должен иметь короткозамкнутый ротор.

Буква на пятой позиции определяет исполнение двигателя по материалу станины и щитов. В техническом задании на пятой позиции в обозначении электрической машины буква отсутствует. Значит щиты и станина должны быть выполнены из чугуна или стали.

Шестая позиция содержит три или две цифры, определяющие высоту оси вращения проектируемого двигателя. Высота оси вращения проектируемого двигателя 250 миллиметров.

Седьмая позиция определяет установочный размер по длине станины. Присутствие на седьмой позиции буквы S в обозначении проектируемого двигателя означает, что выбирается меньший установочный размер по длине станины.

Буква на восьмой позиции в обозначении двигателя определяет выбор длины сердечника. В обозначении проектируемого двигателя на восьмой позиции буква отсутствует, что означает, что при данном установочном размере по длине станины выполняются сердечники только одной длины.

Цифра на девятой позиции определяет количество полюсов проектируемого двигателя. В обозначении проектируемого двигателя на девятой позиции стоит цифра 4. Следовательно выполняется двигатель с четырьмя полюсами.

На десятой и одиннадцатой позиции приводятся обозначение климатического исполнения и категория размещения. Так как мы проектируем двигатель общего назначения, то выберем климатическое исполнение для умеренного климата и категорию размещения 3.

4А250S4 - асинхронный двигатель серии 4А исполнения по степени защиты IP44, с короткозамкнутым ротором, с чугунными станиной и подшипниковыми щитами, с высотой оси вращения 250 миллиметров, меньшим установочным размером по длине станины, четырёхполюсный, климатическое исполнение У, категории размещения 3.

Проектирование двигателя серии 4А производится по расчетной методике, построенной на «машинной постоянной Арнольда», приведенной в [1]. Ссылки на рисунки, таблицы, формулы произведены на [1].

2. Выбор главных размеров

Расчет асинхронных двигателей начинают с определения главных размеров: внутреннего диаметра статора D и расчетной длины воздушного зазора l. Размеры D и l связаны с мощностью, угловой скоростью и электромагнитными нагрузками выражением «машинной постоянной» (9.1) [1]

,

где ? - синхронная угловая частота двигателя;

Р' - расчетная мощность, Вт;

- коэффициент полюсного перекрытия;

kB - коэффициент формы поля;

kоб - обмоточный коэффициент;

А - линейная нагрузка, А/м;

В - индукция в воздушном зазоре, Тл.

В начале расчета двигателя все величины, входящие в (9.1) [1], кроме синхронной угловой скорости, неизвестны, поэтому расчет проводят, задаваясь на основании имеющихся рекомендаций значениями электромагнитных нагрузок и коэффициентов k, kоб и , и приближенно, определяют расчетную мощность P`. Остаются два неизвестных D и l, однозначное определение которых без дополнительных условий невозможно.

Высота оси вращения из технического задания h=250 мм.

Для высоты оси вращения 250 мм наружный диаметр статора Da принимается из таблицы 9.8 [1] равным 445 мм.

Внутренний диаметр статора D вычисляется по формуле (9.2) [1]

,

где - коэффициент, характеризующий отношение внутреннего и внешнего диаметров сердечника статора.

По таблице 9.9 [1] для двигателя с четырьмя полюсами выбираем значение равное 0,68.

Тогда получим

(мм).

Полюсное деление вычисляется по формуле (9.3) [1]

,

где 2р - число полюсов, 2р=4.

(мм).

Расчетная мощность Р', Вт, вычисляется по формуле (9.4) [1]

,

где P2 - мощность на валу двигателя, Вт, P2=75 кВт;

- отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, определяется по рисунку (9.20) [1], =0,981;

- коэффициент полезного действия, в процентах, =0,93;

cos() - коэффициент мощности, cos()=0,9.

(кВт)

Электромагнитные нагрузки А, А/м и В, Тл, предварительно по рисунку 9.22[1], примем равными 38500 А/м и 0,78 Тл соответственно.

Предварительное значение обмоточного коэффициента kоб1 выбирают в зависимости от типа обмотки статора.

В машинах с номинальным напряжение до 660 В и мощностью до 100 кВт обмотки выполняют из круглого обмоточного провода и укладывают в трапецеидальные пазы. Обмотку такого типа ещё называют всыпной. Наибольший диаметр провода, применяемый для всыпных обмоток, не превышает 1,8 миллиметров, так как провода большего диаметра имеют слишком большую жесткость и плохо уплотняются в пазах во время укладки. Нужное сечение эффективного проводника обеспечивается выполнение обмотки из нескольких элементарных проводников. При проектировании машин для уменьшения необходимого числа элементарных проводников выбирают обмотку с несколькими параллельными ветвями.

Практически во всех машинах переменного тока мощностью более 15 кВт применяются двухслойные обмотки. Основным достоинством двухслойных обмоток является возможность использования укорочения шага для подавления высших гармоник поля в кривой ЭДС. Кроме того, двухслойные обмотки имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с однослойными, например по количеству возможных вариантов выполнения параллельных ветвей, дробного числа пазов на полюс и фазу, равномерности расположения лобовых частей катушек. В проектируемом двигателе принимаем двухслойную обмотку статора при 2р=4, значит, по [1] предварительно принимаем kоб1 =0,91.

Синхронная угловая скорость вала двигателя , рад/с, рассчитывается по формуле (9.5) [1]

,

где f1 - частота сети, Гц.

(рад/с).

Расчетная длина воздушного зазора l, мм, может быть определена по формуле (9.6) [1]

,

где - коэффициент формы поля.

Примем по [1] =1,11, тогда

(мм).

Критерием правильности выбора главных размеров D и l служит коэффициент , который должен находиться в пределах, показанных на рисунке 9.25, б [1].

= l / =201,5/237,7=0,85.

Отношение принятой длины воздушного зазора l к полюсному делению находится в рекомендуемых в [1] пределах (от 0,7 до 1,3).

3. Расчет обмотки статора

Расчет обмотки статора включает в себя определение числа пазов статора Z1 и числа витков в фазе обмотки статора W1. 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.

Чтобы выполнить эти условия, вначале выбирают предварительно значение зубцового деления tz1 в зависимости от типа обмотки, номинального напряжения и полюсного деления машины. Принимая номинальное напряжение равное 220 В, выберем предельные значения tz1, мм, по таблице 9.11 [1], tz1max=18 мм и tz1min=14 мм.

Тогда возможные числа пазов статора Z1min и Z1max соответствующие выбранному диапазону определяются по формуле (6-16) [1]

, .

Z1min = 3,14·302,6/18 = 53,

Z1max = 3,14·302,6/14 = 68.

Принимаем число пазов статора двигателя Z1 =60, тогда число пазов на полюс и фазу q, найдем по формуле

q = Z1/(2·p·m),

где m - число фаз, m=3.

q = 60/2·2·3 = 5.

Зубцовое деление статора tz1, мм, окончательно определим по формуле

tz1 =·D/(2·p·m·q). (3.1)

Тогда по (9.16) [1] получим

tz1 = 3,14·302,6/2·2·3·5 = 15,8 (мм).

Номинальный ток обмотки статора I1н, А, рассчитывается по формуле (9.18) [1]

,

где U1н - номинальное напряжение обмотки статора, В, U1н=220 В.

(А).

Число эффективных проводников в пазу u'п при условии, что параллельные ветви в обмотке отсутствуют, то есть а=1, предварительно определяется по формуле (9.17) [1]

,

.

При определении числа эффективных проводников в пазу руководствуются следующим: uп должно быть целым, а в двухслойной обмотке желательно, чтобы оно было кратно двум. Применение двухслойных обмоток с нечетным uп допускается лишь в исключительных случаях, так как это приводит к необходимости выполнять разновитковые катушки, что усложняет технологию изготовления и укладки обмотки.

Примем такое число параллельных ветвей обмотки а, при котором число эффективных проводников в пазу либо будет полностью удовлетворять приведенным ранее условиям, либо потребует лишь незначительного изменения.

Принимаем а=4 ([3], стр.76), тогда число эффективных проводников в пазу uп определяется по формуле (9.19) [1]

=а·,

= 4·4,49 = 17,96.

Округляем до ближайшего целого значения число эффективных проводников в пазу =18.

Окончательное значение числа витков в фазе обмотки статора W1 определяется по формуле (9.20) [1]

,

.

Окончательное значение линейной нагрузки А, А/м, определяется по формуле (9.21) [1]

,

(А/м).

Значение линейной нагрузки А=38561 А/мм расходится с принятым ранее значением менее чем на 0,2%.

Коэффициент укорочения ky1, учитывающий уменьшение ЭДС витка, вызванное укорочением шага обмотки, определяется по формуле (3.6) [1]

, (3.2)

где 1 - укорочение шага обмотки статора.

В двухслойных обмотках асинхронных двигателей шаг y1 выполняют в большинстве случаев с укорочением, близким к 1=0,8.

Шаг двухслойной обмотки y1 можно определить по формуле

,

.

Полученное значение шага y1 округляем до целого, тогда принимаем y1= 12.

Уточним укорочение шага двухслойной обмотки по формуле

,

.

Тогда по формуле (3.2)

.

Найдем коэффициент распределения обмотки, учитывающий уменьшение ЭДС распределенной по пазам обмотки по сравнению с сосредоточенной обмоткой. Он определяется по формуле (3.13) [1]

,

.

Значение обмоточного коэффициента kоб1 определим по формуле (3.5) [1]

.

Уточнённое значение обмоточного коэффициента равно

.

Окончательно значение магнитного потока Ф, Вб, определяется по формуле (9.22) [1]

,

(Вб).

Окончательно значение магнитной индукции в воздушном зазоре В, Тл, определяется по формуле (9.23) [1]

,

(Тл).

Полученное значение магнитной индукции в воздушном зазоре В=0,777 Тл не выходит за пределы рекомендуемой области, по рисунку 9.23,б [1] более чем на 5%. Пределы значений линейной нагрузки А, А/м и магнитной индукции в воздушном зазоре 37500-39500 А/м и 0,77-0,79 Тл соответственно.

Плотность тока в обмотке статора J1, А/мм2, предварительно определяется по формуле (9.25) [1]

,

где AJ1 - произведение линейной нагрузки на плотность тока и определяется по рисунку 9.27, в [1], AJ1 =190 А/мм 3.

(А/мм2).

Сечение эффективного проводника qэф, мм2, предварительно определяется по формуле (9.24) [1]

,

(мм2).

Расчетное значение qэф=6,89 мм2, значит подразделяем эффективный проводник на 8 элементарных, тогда nэл=8 (см. стр. 9). Сечение элементарного проводника qэл определяется по формуле (9.26) [1]

.

(мм2).

Площадь поперечного сечения неизолированного провода по таблице П 3.2 [1] qэл=0,883 мм2.

Тогда сечение эффективного проводника qэф определим по формуле

,

(мм 2).

Уточняем плотность тока в обмотке статора J1, (А/мм2), по формуле (9.27) [1]

,

(А/мм2).

На этом расчет обмотки статора заканчивается.

4. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Расчет размеров зубцовой зоны проводят по допустимым индукциям в ярме и в зубцах статора по таблице 9.12 [1].

Круглые обмоточные провода всыпной обмотки могут быть уложены в пазы произвольной конфигурации, поэтому размеры зубцовой зоны при всыпных обмотках выбирают таким образом, чтобы параллельные грани имели зубцы, а не пазы статора. Выбираем трапециидальный полузакрытый паз статора. Принимаем предварительно по таблице 9.12 [1] допустимую индукцию в ярме статора Ва=1,52 Тл и индукцию в наиболее узком сечении зубца статора Вz1max=1,8 Тл.

Тогда минимальную ширину зубца bz min, мм, можно определить по формуле (9.29) [1]

,

где lст1 - длина пакета статора, мм, равная длине воздушного зазора l, мм; lст1 = 201,5 мм,

- коэффициент заполнения сталью магнитопровода статора, выбираем по таблице 9.13 [1]; = 0,97.

(мм).

Высота ярма статора ha, мм, определяется по формуле (9.28) [1]

,

(мм).

Находим размеры паза в штампе.

Высота паза hп, мм, определяется по формуле (9.38) [1]

,

(мм).

Высота шлица паза статора принимается hш = 1 мм.

Ширина шлица паза статора принимается bш = 3,7 мм.

Ширина паза b1 в самом узком месте определяется по формуле (9.33)

;

(мм).

Ширина паза b2 в самом широком месте определяется по формуле (9.39)

;

(мм).

Определяем hк по формуле (9.45)

;

(мм).

Определяем h1 по формуле (9.44)

;

(мм).

Припуск на сборку по ширине паза принимаем bп = 0,2 мм, а по высоте паза hп = 0,2 мм.

Размеры паза статора в свету с учётом припуска на сборку определяем по формуле (9.42)

b1' = b1 - bп,

b2' = b2 - bп,

hп' = hп - hп;

b1' = 9,3 - 0,2 = 9,7 (мм),

b2' = 12,1- 0,2 = 11,9 (мм),

hпк' = 31,3 - 0,2 = 31,1 (мм).

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников вычисляем по формуле (9.48)

,

где Sиз - площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу статора, определяемая по формуле (9.46)

Sиз = bиз (2hп + b1 + b2),

где bиз - односторонняя толщина изоляции, bиз = 0,4 мм;

(мм2);

где Sпр - площадь поперечного сечения прокладок в пазу статора, определяемая по формуле (9.47)

Sпр = 0,4b1 + 0,9b2;

(мм2);

(мм2).

Коэффициент заполнения паза вычисляем по формуле

;

.

Полученное значение допустимо как для ручной, так и для механизированной укладки обмотки.

Паз статора с проводниками и изоляцией показан на рисунке 4.2. Зубец и паз статора с конструктивными размерами показан на рисунке 4.1. Схема электрическая принципиальная обмотки статора представлена в приложении А.

Рисунок 4.1 Паз статора

1 - клин; 2 - проводники обмотки; 3 - изоляция слоя; 4 - прокладка между слоями; 5 - корпусная или пазовая изоляция;

Рисунок 4.2 Паз статора с проводниками и изоляцией

5. Расчет ротора

Величину воздушного зазора , мм, рассчитаем по формуле (9.51) [1]

,

(мм).

Окончательно принимаем величину воздушного зазора =0,8 мм.

Короткозамкнутые обмотки роторов в отличие от всех других существующих обмоток не имеют определенного числа фаз и числа полюсов. Один и тот же ротор может работать в машинах, статоры которых выполнены на различные числа полюсов. Обычно принято считать, что каждый стержень обмотки образует одну фазу короткозамкнутой обмотки. Тогда число её фаз равно числу пазов ротора и обмотка каждой из фаз имеет половину витка. Обмоточный коэффициент такой обмотки равен единице.

По таблице 9.18 [1] принимаем число пазов ротора Z2 = 74.

Внешний диаметр D2, мм, определяется по формуле

,

(мм).

Примем длину магнитопровода ротора lст2, (мм), равной длине воздушного зазора l, мм, тогда lст2 = 201,5 (мм).