Размещено на http://www.allbest.ru/

4

ВВЕДЕНИЕ

асинхронный двигатель статор ротор

Асинхронные двигатели являются основными преобразователями электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода большинства механизмов.

Целью курсового проекта является проектирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Рассматриваемый в курсовом проекте двигатель конструктивного исполнения IM 1001. Исполнение по способу защиты проектируемого двигателя - IP 44. Двигатели такой серии широко используются в промышленности и сельском хозяйстве благодаря конструктивной простоте, низкой стоимости и высокой эксплуатационной надежности при минимальном обслуживании. Серия имеет широкий ряд модификаций и специализированных исполнений для максимального удовлетворения нужд электропривода.

В процессе выполнения курсового проекта будут выбраны главные размеры АД, рассчитаны зубцовой зоны статора и воздушного зазора, будет произведен расчет ротора и магнитной цепи. Также будет произведен расчет рабочих характеристик, потерь и параметров рабочего режима. По итогам расчетов будет осуществлен сравнительный анализ спроектированного АД с его серийным прототипом.

1. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ

1. Высота оси вращения h=200 мм. По h выбираем диаметр сердечника статора D_а = 355 мм.

Рассчитаем количество пар полюсов:

, т. е. 2p=8

2. Внутренний диаметр статора:

k_D=0,75

D=k_DD_a=0,75*0,355=0,266 м, k_D - по таблице 9.9

3. Полюсное деление:

ф=рD/(2p)=р*0,266/8=0,104 м

4. Расчётная мощность по рисункам 9.20 и 9.21,

k_e=0,95

з=0,9

cosц=0,82

5. Электромагнитные нагрузки по рисунку 9.22

А=34*10³

B_д=0,79 Тл

6. Обмоточный коэффициент:

k_об1=0,95

7. Расчётная длина магнитопровода:

k_B=1,11

рад/с

8. Отношение:

Значение л=1,73 находится в допустимых пределах.

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ Z1, w1 И ПЛОЩАДИ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ПРОВОДА ОБМОТКИ СТАТОРА

9. Предельные значения t_z1 по рисунку 9.26 (обмотка из круглого провода):

t_Z1max=13.5 мм

t_Z1min=11,5мм

10. Число пазов статора:

Принимаем Z₁=72 тогда q₁=Z₁/(2pm)=72/(8*3)=3 Обмотка однослойная.

11. Зубцовое деление статора

m=3

q=3

12. Число эффективных проводников в пазу:

a=1

13. Принимаем a=1, тогда по (9.19) u_п=a*u'_п=9 проводников

14. Окончательные значения: число витков в фазе по 9.20

Линейная нагрузка по 9.21

, А/м

Магнитный поток по 9.22

, Вб

для однослойной обмотки с q=3 по таблице (3.16) k_об1=k_p1=0,96

для D_a=0,355 м по рисунку (9.20) k_E=0,955

Индукция в воздушном зазоре по (9.23)

, Тл

Значения A и B_д находятся в допустимых пределах (рисунок 9.22, б)

15. Плотность тока в обмотке статора (предварительно) по (9.25)

, А/м²

AJ₁=212 (по рисунку 9.27, б)

16. Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно по 9.24)

17. Сечение эффективного проводника (окончательно): принимаем n_эл=3, тогда

q_эл=q_эф/n_эл=7,21/3=2,39 мм².

Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ

d_эл=1,7 мм; q_эл=2,27 мм²; q_э.ср.=n_эл*q_эл=3*2,27=6,81 мм²

18. Плотность тока в обмотке статора (окончательно) по 9.27

А/мм²

3. РАСЧЁТ РАЗМЕРОВ ЗОНЫ СТАТОРА И ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА

Паз статора определяем по рисунку 9.29, а с соотношением размеров, обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов.

19. Принимаем предварительно по таблице 9.12

B_Z1=1,8 Тл; B_a=1, 2 Тл, тогда по (9.37)

По таблице (9.13) для оксидированной стали марки 2013 k_c=0,97

20. Размеры паза в штампе:

По таблице b_ш=3,7 мм, h_ш=1 мм

Угол наклона грани клиновой части в трапециидальных пазах обычно в=45°

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

Дb_П=0,2 мм

Дh=0,2 мм

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки по (9.48)

Площадь поперечного сечения прокладок:

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу:

односторонняя толщина изоляции в пазу b_из=0,4мм

22. Коэффициент заполнения паза по (3.2)

d_из=1,785 мм u_П=8,7 n_эл=3

Полученное значение k_з допустимо для механизированной укладки обмотки

4. РАСЧЁТ РОТОРА

Воздушный зазор между статором и ротором (по рис. 9.31.) д=0,55 мм.

Число пазов ротора (по табл. 9.18) Z₂=58

Внешний диаметр ротора D₂=D-2д=0,266-2*0,55*10^-3=0,2649 м.

Длина магнитопровода ротора l₂=l₁=0,18 м

Зубцовое деление ротора

Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал; по (9.102)

k_B=0,23

Ток в обмотке ротора по (9.57)

k_i=0,2+0,8*cosц=0,2+0,8*0,82=0,856 - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания на отношение I₁/I₂.

Пазы ротора выполняем без скоса k_ск=1

I₂=k_iI₁v_i=0,856*45,2*10,37=401,15 А

Площадь поперечного сечения стержня (предварительно) по (9.68)

J₂=2,5*10⁶ A/м² - плотность тока в стержне литой клетки

q_п=I₂/J₂=401,15/(2,5*10⁶)=160,46*10^-6 м²=160,46 мм²

Паз ротора принимаем равным b_ш2=1,5 мм, h_ш=0,7 мм, h'_ш=0,3 мм.

Допустимая ширина зубца по (9.75)

k_c=0,97

B_Z2=1,8 Тл

Размеры паза:

Уточняем ширину зубцов ротора по формулам таблицы (9.20)

Принимаем b₁=7,36 мм; b₂=4,7 мм; h₁=24,55 мм.

Полная высота паза:



Площадь поперечного сечения стержня по (9.79):

Плотность тока в стержне:

Короткозамыкающие кольца. Площадь поперечного сечения кольца по (9.72)

Размеры короткозамыкающих колец:

5. РАСЧЁТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

Магнитопровод из стали 2013; толщина листов 0,5 мм

Магнитное напряжение воздушного зазора по (9.103)

м₀=4р*10^-7 Гн/м - магнитная проницаемость;

B_д - индукция в воздушном зазоре, Тл;

д - воздушный зазор;

k_д - коэффициент воздушного зазора.

Магнитное напряжение зубцовой зоны статора по (9.104)

h_Z1=H_П1=21.97*10^-3 - расчётная высота зубца статора.

H_Z1=1570 А/м

Расчётная индукция в зубцах по (9.105)

Так как B'_Z1 > 1,8 Тл, необходимо учесть ответвление потока в паз и найти действительную индукцию в зубце B_Z1



Принимаем , проверяем соотношение и

Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора по (9.108)

H_Z2=1480 А/м

Индукция в зубце по (9.109)

Коэффициент насыщения зубцовой зоны по (9.115)

Магнитное напряжение ярма статора по (9.116)

Магнитное напряжение ярма ротора по (9.121)

Где для 0,57 Тл по табл. П1.6 находим =74

Магнитное напряжение на пару полюсов по (9.128)

Коэффициент насыщения магнитной цепи по (9.129)

Намагничивающий ток по (9.130)

Относительное значение по (9.131)

Относительное значение соответствует норме 0,3 < I*_м < 0,4. Выбор размеров и расчёт обмотки произведён правильно.

6. ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО РЕЖИМА

Активное сопротивление обмотки статора по (9.132)

Для класса нагревостойкости изоляции F расчётная температура н_расч=115°С;

для медных проводников p₁₁₅=10^-6/41 Ом*м

Длина проводников фазы обмотки по (9.134)

Длина вылета лобовой части катушки по (9.140)

Относительное значение r₁

Активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора по (9.168)



Для литой алюминиевой обмотки ротора

Приводим r₂ к числу витков обмотки статора

Относительное значение

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора по (9.152)

h₁=0 - проводники закреплены пазовой крышкой



;

мм

Приводим к числу витков статора:

Ом

Относительное значение:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора по (9.177)

Ом,

Где

высота паза ротора мм;

мм, h_ш=0,7 мм, h'_ш=0,3 мм

мм;

мм;

;

7. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ

Потери в стали основные по (9.187)

Поверхностные потери в роторе по (9.194)

Пульсационные потри в зубцах ротора по (9.200)

Сумма добавочных потерь в стали по (9.202)

Полные потери в стали по (9.203)

Механические потери по (9.210)

Холостой ход двигателя по (9.217)

8. РАСЧЕТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Параметры по (9.184)

Используем приближённую формулу, так как |г| < 1°

Активная составляющая тока синхронного холостого хода по (9.226)

Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения

Рассчитываем рабочие характеристики для скольжений S=0,005; 0,01; 0,015; 0,02; 0,025; 0,03, принимая предварительно, что Результаты расчёта сведены в таблице. После построения рабочих характеристик уточняем значение рабочего скольжения: Sном=0,0267

Номинальные данные спроектированного двигателя:

Таблица - 8.1. Расчёт рабочих характеристик асинхронного двигателя

№	Расчётная формула	Размерн	Скольжение S
			0,005	0,01	0,015	0,02	0,025	0,03	0,0267
1		Ом	28,08	14,04	9,36	7,02	5,616	4,68	5,258
2		Ом	28,351	14,31	9,631	7,291	5,887	4,95	5,529
3		Ом	1,37	1,37	1,37	1,37	1,37	1,37	1,37
4		Ом	28,38	14,37	9,72	7,42	6,04	5,137	5,7
5		А	7,75	15,3	22,6	29,65	36,4	42,826	38,6
6		-	0,998	0,995	0,99	0,98	0,97	0,963	0,97
7		-	0,0482	0,095	0,140	0,184	0,226	0,2666	0,24
8		А	8,55	16,04	23,2	29,95	36,26	42,08	38,29
9		А	15,77	16,85	18,58	20,87	23,6	26,821	24,68
10		А	17,94	23,27	29,7	36,5	43,3	49,9	45,56
11		А	8,06	15,91	23,52	30,84	37,85	44,54	40,16
12		кВт	5,65	10,59	15,32	19,78	23,93	27,776	25,27
13		кВт	0,252	0,424	0,691	1,043	1,467	1,95	1,62
14		кВт	0,125	0,2112	0,344	0,519	0,730	0,971	0,8
15		кВт	0,0282	0,053	0,076	0,098	0,119	0,1388	0,126
16		кВт	0,93	1,22	1,645	2,194	2,85	3,6	3,093
17		кВт	4,7	9,36	13,67	17,6	21,09	24,18	22,18
18		-	0,8338	0,884	0,892	0,888	0,880	0,8706	0,87
19		-	0,47	0,69	0,78	0,82	0,84	0,84	0,84

9. РАСЧЕТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПО КРУГОВОЙ ДИАГРАММЕ

Ток синхронного холостого хода:

=15.42 А.

Сопротивления короткого замыкания:

0,546+1,040,744= 1,32 Ом;

0,261+1,040,13=0,3962 Ом.

Принимаем 200 мм.

Масштаб тока:

=0,801 А/мм.

Масштаб мощности:

3= 528.84 Вт/мм.

Масштаб момента:

= 6,74 Н•м/мм, где 78,5

Вектор синхронного холостого хода:

= 19.25мм;

arccos=76.98⁰

Откладываем отрезок:

85=2,868мм

где 0,016875

Расчитываем длины отрезков и откладываем точки F₂ и F₃:

= 26,5 мм;

135 = 40,05 мм.

Расчитываем величину отрезка:

= 1,36 мм,

где 532+3 = 718,18 Вт.

Для точки, соответствующей номинальному режиму, выполняем следующие расчёты:

= 41,6 мм.

Номинальный ток статора:

0,801*127=101,73 А

Номинальный ток ротора:

0,801*115=92,115 А

Номинальная первичная мощность, потребляемая из сети:

528,84*83=43,893 КВт

Номинальная полезная мощность:

528,84*54=28,56 КВт

Номинальный коэффициент мощности:

25⁰

Номинальный КПД:

Номинальное скольжение двигателя:

Круговая диаграмма представлена в Приложении 4. Рабочие характеристики по круговой диаграмме представлены в Приложении 5.

10. РАСЧЁТ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

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

Расчёт проводится в целях определения токов в пусковых режимах для дальнейшего учёта влияния насыщения на пусковые характеристики двигателя. При отсутствии необходимости учитывать влияние насыщения от полей рассеяния расчёт пусковых характеристик проводится аналогично, включая последние пункты формуляра. Подробный расчёт приведён для S=1.



Таблица - 10.1 Расчёт токов в пусковом режиме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учётом влияния эффекта вытеснения тока

№	Расчётная формула	Размерность	Скольжение S
			1	0,8	0,5	0,2	0,1	Sкр=0,102
1		-	1,95	1,74	1,38	0,87	0,62	0,62
2		-	0,75	0,56	0,25	0,05	0,01	0,02
3		мм	17,47	19,60	24,46	29,12	30,28	30,04
4		-	1,58	1,41	1,12	0,94	0,90	0,91
5		-	1,46	1,32	1,10	0,95	0,92	0,93
6		Ом	0,19	0,17	0,14	0,12	0,12	0,12
7		-	0,77	0,84	0,92	0,96	0,99	0,98
8		-	2,57	2,68	2,80	2,86	2,90	2,89
9		-	0,93	0,94	0,96	0,97	0,98	0,98
10		Ом	0,69	0,70	0,71	0,72	0,73	0,73
11		Ом	0,46	0,48	0,56	0,90	1,50	1,48
12		Ом	1,26	1,26	1,28	1,29	1,30	1,30
13		А	163,91	162,56	157,47	139,78	110,89	111,69
14		А	170,75	169,37	164,25	145,98	116,11	116,92

Активное сопротивление обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока [нрасч=115°C, p115=10-6/20,5 Ом*м, bc/bп=1, f1=50 Гц];

По рисунку 9.57 для о=1,945 находим ц=0,75;

Приведённое сопротивление ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока

Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока для о=1,945; ц'=kд=0,77.

Пусковые параметры

Расчёт токов с учётом влияния эффекта вытеснения тока для S=1

11. РАСЧЁТ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ С УЧЁТОМ ЭФФЕКТА ВЫТЕСНЕНИЯ ТОКА И НАСЫЩЕНИЯ ОТ ПОЛЕЙ РАССЕЯНИЯ

Расчёт проводим для точек характеристик, соответствующих S=1; 0,8; 0,5; 0,2; 0,1, при этом используем значения токов и сопротивлений для тех же скольжений с учётом влияния вытеснения тока.

Таблица - 11.1 Расчёт пусковых характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учётом эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния.

№	Расчётная формула	Размерность	Скольжение S
			1	0,8	0,5	0,2	0,1	Sкр=0,102
1		-	1,35	1,3	1,2	1,1	1,05	1,06
2		А	3078	2964	2736	2508	2394	2416
3		Тл	3,484	3,355	3,096	2,838	2,709	2,735
4		-	0,64	0,66	0,7	0,74	0,76	0,75
5		мм	2,844	2,686	2,37	2,05	1,89	1,975
6		-	1,352	1,361	1,38	1,3987	1,408	1,403
7		-	1,28	1,32	1,40	1,48	1,52	1,5075
8		Ом	0,43	0,43	0,45	0,46	0,47	0,466
9		-	1,02	1,02	1,02	1,02	1,02	1,0278
10		мм	4,62	4,36	3,852	3,34	3,0816	3,21
11		-	2,071	2,078	2,095	2,114	2,126	2,12
12		-	1,15	1,186	1,258	1,329	1,365	1,347
13		Ом	0,523	0,53	0,543	0,556	0,563	0,56
14		Ом	0,455	0,504	0,651	1,23	2,21	2,175
15		Ом	0,967	0,981	1,007	1,034	1,048	1,041
16		А	205,7	199,4	183,4	136,4	89,8	91,21
17		А	212,2	205,8	189,5	141,2	93,53	94,96
18		-	1,25	1,22	1,18	0,106	0,98	0,96
19		-	5,66	5,228	4,565	3,648	2,455	2,08
20		-	1,21	1,245	1,273	1,52	1,37	1,58

Индуктивное сопротивление обмоток. Принимаем kнас=1,2

По рисунку (9.61) для BФд=3,484Тл находим kд=0,64.

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

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учётом влияния насыщения:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учётом влияния насыщения:

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



Для закрытых пазов ротора:

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учётом влияния насыщения:

Приведённое индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения:

Расчёт токов и моментов:

Кратность пускового тока с учётом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения:

Кратность пускового момента с учётом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения:

Полученный в расчёте коэффициент насыщения:

Для расчёта других точек характеристики задаёмся kнас, уменьшенным в зависимости от тока I1.

По таблице (9.37) принимаем значения:

при S=0,8 kнас=1,22;

при S=0,5 kнас=1,18;

при S=0,2 kнас=1,06;

при S=0,1 kнас=0,98;

Критическое скольжение определяем после расчёта всех точек пусковых характеристик по средним значениям сопротивлений х1нас и x'2онас, соответствующим значениям скольжений S=0,2…0,1.

,

после чего рассчитываем кратность максимального момента: М'max=1,31.

Спроектированный асинхронный двигатель удовлетворяет требованиям ГОСТ как по энергетическим показателям (КПД и cosц), так и по пусковым характеристикам.

12. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя:

По таблице (9.35) К=0,18.

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора:

Для изоляции класса нагревостойкости

F

По рисунку (9.69) для d/dиз=1,7/1,785=0,952 находим

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей:

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

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя:

Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды:

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды:

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды по (9,328)

Проверка условий охлаждения двигателя.

Требуемый для охлаждения расход воздуха:

m'=2,5 для двигателя с 2р ? 4, при h ? 160 мм.

Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах.

Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе работы были определены внутренний диаметр сердечника и его длина, определены типы обмоток статора и ротора, был произведён расчёт магнитной цепи, найдены активные и индуктивные сопротивления обмоток, были рассчитаны режимы холостого хода и номинальный, построены круговая диаграмма и рабочие характеристики, а так же найден максимальный момент, начальный пусковой ток, произведён вентиляционный расчет.

Проделав расчёт асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, можно сделать вывод о пригодности использования в промышленности такого двигателя. Для этого необходимо сравнить технические данные (таблица 4) рассчитанного асинхронного двигателя с данными таких двигателей, выпускаемых Владимирским электромоторным заводом (таблица 4).

Таблица - 4. Сравнение двигателей.

	Марка	Р2, кВт	I, А	,%
Типовой АД	4А200L8У3	22	45	88,5	0,84	1,2	5,5
Спроектированный АД		22	45,56	88	0,84	1,31	5,66

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Копылов И.П. Проектирование электрических машин/ И.Б. Копылов - М.: «Энергоатомиздат», 2011. - 767 с.

2. Кравчук А.Э. Асинхронные двигатели серии 4А, справочник/ А.Э. Кравчук - М.: «Энергоатомиздат», 1982. -504 с.

3. Стандарт предприятия ИРНИТУ СТО 005-2015. Учебно-методическая деятельность. Оформление курсовых проектов (работ) и выпускных квалификационных работ технических специальностей. Иркутск, 2015

Размещено на Allbest.ru

...