Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

Учебное пособие

Расчёт асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

В. Д. Авилов, Л. Е. Серкова

Рекомендовано учебно-методическим объединением в качестве

учебного пособия для вузов железнодорожного транспорта

Омск 2006

УДК 621.313

ББК 31.261.-01я7

Авилов В.Д. Расчёт асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: Учебное пособие / В. Д. Авилов, Л. Е. Серкова. 2-е изд., перераб.; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 94 с.

Учебное пособие содержит варианты задания и методические указания к выполнению курсовой работы по расчёту асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Пособие включает в себя разделы определения главных размеров и геометрии сердечников, расчёт обмоток статора и ротора, рабочих характеристик, потерь мощности и КПД, магнитной системы, а также упрощённый тепловой расчёт. Данное учебное пособие может использоваться как основная методическая литература при расчёте асинхронных двигателей мощностью от 18,5 до 132 кВт с синхронной частотой вращения от 600 до 3000 об/мин.

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения по специальности 190303.65(181400) - «Электрический железнодорожный транспорт» и 190301.65(150700) - «Локомотивы», а также для специалистов, занимающихся ремонтом и эксплуатацией тяговых двигателей и вспомогательных электрических машин электрооборудования локомотивов.

Библиогр.: 5 назв. Табл. 30. Черт. 31.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. Н. Горюнов;

доктор техн. наук, профессор В. Н. Зажирко.

ISBN 5-94941-007-6

© Омский гос. университет путей сообщения, 2006

Содержание

Введение

1. Задание на проектирование асинхронного двигателя

2. Главные размеры электрической машины

3. Выбор размеров активной части двигателя

4. Расчёт сердечника и обмотки статора

5. Расчёт сердечника и обмотки короткозамкнутого ротора

6. Расчёт магнитной цепи

7. Потери и КПД асинхронного двигателя

8. Аналитический расчёт рабочих характеристик

9. Поверочный тепловой расчёт

10. Вентиляционный расчёт

Приложение 1. Пример оформления титульного листа

Приложение 2. Параметры изоляции обмоток статора

Приложение 3. Магнитные характеристики материалов, применяемых для сердечников статора и ротора

Приложение 4. Размеры выступающего конца вала электродвигателей

Приложение 5. Выбор подшипников

Приложение 6. Сведения о конструктивных формах и применяемых материалах в электромашиностроении

Приложение 7. Примерный перечень вопросов к защите курсовой работы

Приложение 8. Основные обозначения

Библиографический список

Введение

конструктивный статор тепловой сердечник

Курсовое проектирование наряду с другими формами обучения является одним из важных элементов подготовки инженеров. Выполнение данной курсовой работы служит предварительным этапом в получении навыков разработки проекта технического изделия, к которым относятся и электрические машины (ЭМ).

Проектирование ЭМ - сложная комплексная задача, включающая в себя расчёт и выбор их главных размеров, конструирование деталей и сборочных единиц с последующей компоновкой ЭМ в целом, требующая знания теории электрических машин, свойств электротехнических и конструкционных материалов, технологии их производства.

Электрические машины, как и другие проектируемые изделия, должны удовлетворять целому комплексу требований.

Технические требования можно обобщить следующим образом: ЭМ должна надёжно работать в условиях, для которых она предназначена, в течение срока, указанного в технических условиях (ТУ), развивая требуемую мощность при установленных напряжении, частоте вращения, КПД и других параметрах. При этом машина должна быть удобной и безопасной в эксплуатации.

Экономические требования сводятся к экономии труда и материалов на изготовление ЭМ, к повышению технологичности её конструкции и снижению стоимости ее изготовления. В эксплуатации свойства машины определяются её энергетическими показателями, ремонтопригодностью, экономичностью.

Стандартизация основных параметров электрических машин создает определенные преимущества при проектировании и изготовлении ЭМ и при продвижении изделия на товарном рынке. Стандартным значениям должны отвечать номинальные мощность, напряжение, частота вращения, высота оси вращения, установочные и присоединительные размеры и т.п.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором широко используются в промышленности благодаря простоте устройства и управления, надёжности в эксплуатации, наименьшим массе, габаритам и стоимости при заданной мощности. Их масса на единицу мощности в 1,5 - 2,0 раза ниже, чем у двигателей постоянного тока.

1. Задание на проектирование асинхронного двигателя

Полное задание исходных данных для реального проектирования должно содержать следующее:

- номинальная мощность, кВт;

- частота сети, Гц;

- число пар полюсов или

- синхронная частота вращения, об/мин;

- перегрузочная способность;

- отношение начального пускового момента к номинальному;

- отношение начального пускового тока к номинальному;

тип обмотки ротора;

исполнение двигателя по степени защиты;

способ охлаждения;

исполнение по способу монтажа;

режим работы (продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный);

класс нагревостойкости системы изоляции.

В качестве исходных данных для выполнения данной курсовой работы, посвященной отдельным вопросам расчета короткозамкнутого асинхронного двигателя (АД), будут служить значение номинальной мощности и синхронная частота вращения (табл. 1).

Задание для курсовой работы выбирается студентом по последним двум цифрам варианта, названного студенту преподавателем. Для студентов заочной формы обучения вариант определяется по последним двум цифрам шифра студента. Во всех вариантах проектируется короткозамкнутый двигатель формы исполнения IM1081. Для четных вариантов - со степенью защиты IP44 (с закрытым корпусом) и способом охлаждения IC0141 (наружная самовентиляция); для нечетных - со степенью защиты IP23 (c вентиляционными отверстиями в корпусе) и способом охлаждения IC01 (внутренняя самовентиляция). Схема обмотки статора должна быть рассчитана на соединение Y/? при напряжении питающей сети U = 380/220 В частотой f₁ = 50 Гц.

Основные разделы курсовой работы:

1. Выбор электромагнитных нагрузок и определение главных размеров двигателя.

2. Выбор форм и размеров активной части двигателя. Эскизы зубцовых зон статора и ротора.

3. Расчет и построение обмотки статора.

4. Расчет обмотки ротора.

5. Расчет магнитной цепи и определение намагничивающего тока.

6. Определение активных и реактивных сопротивлений обмоток.

7. Расчет потерь и КПД.

8. Построение Г-образной схемы замещения, круговой диаграммы.

9. Расчет и построение рабочих характеристик АД.

10. Упрощенный тепловой расчет АД с определением превышения температуры и оценки достаточности вентиляции.

11. Сборочный чертеж АД.

Таблица 1.Исходные данные проектируемого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Предпоследняя цифра шифра	Номинальная мощность , кВт	Последняя цифра шифра	Синхронная частота вращения , об/мин
0	18,5	0	3000
1	22	1	3000
2	30	2	1500
3	37	3	1500
4	45	4	1000
5	55	5	1000
6	75	6	750
7	90	7	750
8	110	8	600
9	132	9	600

Выполнение курсовой работы должно проводиться в определенные преподавателем сроки, оформление должно соответствовать требованиям стандарта предприятия СТП ОмГУПС -1.2-2005.

Пояснительная записка к курсовой работе выполняется на бумаге формата А4 и должна включать в себя титульный лист; задание на курсовую работу; реферат, содержание, введение, основную часть, заключение, список использованных источников, графический материал.

В разделе «Введение» должны быть приведены общие сведения об асинхронных двигателях, их назначении, областях применения; сформулированы задачи курсовой работы.

В разделе «Заключение» должен быть дан общий анализ результатов выполнения работы и приведена сводная таблица параметров спроектированного двигателя.

Графический материал оформляется на миллиметровой бумаге в соответствии со стандартами на условные графические изображения. Сборочный чертеж может быть построен с помощью программного обеспечения «Компас» на ЭВМ и распечатан на плоттере.

2. Главные размеры электрической машины

Проектирование машины общего назначения начинается с выбора базовой модели, на которую ориентируются при выполнении всех расчетов и при конструировании двигателя. В данной работе за базовую модель следует принять один из типоразмеров двигателя серии 4А.

Определение главных размеров машины является важнейшим этапом ее проектирования, так как оптимальные их значения во многом определяют рациональное использование активных материалов.

Главными размерами асинхронной машины называют внутренний и наружный диаметры сердечника статора, внутренний и наружный диаметры сердечника ротора, величину зазора и расчетную длину статора, т. е. длина без учета вентиляционных каналов. Главные размеры зависят от ряда факторов: номинальных данных машины (мощность, частота вращения), высоты оси вращения, выбранного класса нагревостойкости системы изоляции и других параметров, значение которых влияет на выбор электрической и магнитной нагрузок. Следует помнить, что определение главных размеров и весь расчет электрической машины - многовариантная задача.

Высота оси машины выбирается в соответствии с заданной мощностью и частотой вращения (числом пар полюсов) по табл. 2 и 3 для соответствующей заданию степени защиты.

Таблица 2. Зависимость высоты оси вращения от номинальной мощности двигателя

Высота оси вращения, мм	Условное обозначение длины	Номинальная мощность, кВт, со степенью защиты IР44 при следующих значениях 2р
		2	4	6	8	10	12
160	S M	15 18,5	15 18,5	11 15	7,5 11
180	S M	22 30	22 30	18,5	15
200	M L	37 45	37 45	22 30	18,5 22
225	M	55	55	37	30
250	S M	75 90	75 90	45 55	37 45
280	S M	110 132	110 132	75 90	55 75
315	S M	160 200	160 200	110 132	90 110	55 75	45 55
355	S M	250 315	250 315	160 200	132 160	90 110	75 90

Таблица 3. Зависимость высоты оси вращения от номинальной мощности двигателя

Высота оси вращения, мм	Условное обозначение длины	Номинальная мощность, кВт, со степенью защиты IР23 при следующих значениях 2р,
		2	4	6	8	10	12
160	S M	22 30	18,5 22	11 15	7,5 11
180	S M	37 45	30 37	18,5 22	15 18,5
200	M L	55 75	45 55	30 37	22 30
225	M	90	75	45	37
250	S M	110 132	90 110	55 75	45 55
280	S M	160 200	132 160	90 110	75 90
315	S M	250	200 250	132 160	110 132	75 90	55 75
355	S M	315 400	315 400	200 250	160 200	110 132	90 110

Наружный и внутренний диаметры сердечника статора выбираются в зависимости от высоты оси машины по данным табл. 4.

Таблица 4. Зависимость диаметров статора от высоты оси вращения

h, мм	D1Н, мм	2p	D1, мм	h, мм	D1Н, мм	2p	D1, мм
160	272	2 4 6, 8	155 185 197	280	520	2 4 6 8 10	275 335 370 385 400
180	313	2 4 6, 8	171 211 220	315*	520	2 4 6 8 10	275 335 370 385 400
200	349	2 4 6, 8	194 238 250	315**	590	2 4 6 8 10, 12	310 380 425 440 450
225	392	2 4 6, 8	208 254 284	355*	590	2 4 6 8 10, 12	310 380 425 440 450
250	437	2 4 6, 8	232 290 317	355**	660	2 4 6 8 10, 12	345 435 470 490 500
				* - исполнение IP44 ** - исполнение IP23

Предварительными значениями КПД и коэффициента мощности задаются в зависимости от величины номинальной мощности (рис. 1, 2).

Рис. 1

Рис. 2

Расчетная мощность АД, кВ•А, принимается равной

, (2.1)

где , при этом большие значения соответствуют меньшему числу пар полюсов.

Предварительные значения и для двигателей степени защиты IP44 и способа охлаждения IC0141определяются по рис. 3; для степени защиты IP23 и способа охлаждения IC01 - по рис. 4.

Рис. 3

Принятое предварительное значение следует привести в соответствие с классом нагревостойкости применяемой системы изоляции (в курсовой работе - F), умножив на коэффициент (табл. 5).

Рис. 4

Таблица 5. Поправочный коэффициент для предварительных значений

h, мм	Рекомендуемый класс изоляции	Значение при системе изоляции класса нагревостойкости
		B	F	H
160-355	F	0,87	1,0	1,15

Предварительные значения обмоточного коэффициента однослойных обмоток: = 0,96; двухслойных - при 2р = 2 = 0,8; при 2р 4 = 0,9 - 0,96.

Расчетная длина сердечника статора, мм,

(2.2)

Полученное значение округляется до 5 мм.

Коэффициент длины двигателя должен укладываться в диапазон (0,5 - 0,8). В противном случае нужно изменить высоту оси машины и повторить выбор перечисленных выше параметров.

3. Выбор размеров активной части двигателя

Выбор марки стали и коэффициента заполнения сердечников сталью. Сердечники статора и ротора набирают из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Наиболее прогрессивным является применение холоднокатаной изотропной стали. Благодаря большей магнитной проницаемости, меньшим удельным потерям, лучшему качеству поверхности по сравнению с горячекатаной электротехнической сталью холоднокатаная сталь способствует повышению энергетических показателей проектируемого двигателя. Рекомендации по применению холоднокатаных изотропных сталей в асинхронных двигателях приведены в табл. 6.

Таблица 6. Способы изолирования листов стали в сердечниках

Высота оси h, мм	Марка стали	Способ изолирования листов стали
		статора	ротора
			короткозамкнутого	фазного
50 - 250 280 - 355	2013 2312	Оксидирование Лакировка	Оксидирование Оксидирование	Лакировка Лакировка

Способ изолирования и толщина листов влияют на коэффициент заполнения сердечников сталью : при указанной толщине и оксидировании = 0,97; при лакировке - 0,95.

Радиальные вентиляционные каналы предусматривают в машинах защищенного исполнения, если длина сердечников статора и ротора превышает 450 мм. Радиальные вентиляционные каналы в асинхронных двигателях с ко-

короткозамкнутой литой клеткой ротора желательно не применять, так как это технологически затруднено необходимостью принятия специальных мер, предотвращающих затекание алюминия в эти каналы.

Воздушный зазор между статором и ротором существенно влияет на технико-экономические показатели двигателя. Так, с увеличением зазора возрастает намагничивающий ток статора, что ведет к снижению КПД и коэффициента мощности двигателя. При уменьшении зазора уменьшается намагничивающий ток статора, что способствует повышению КПД и двигателя. Однако если зазор сделать слишком маленьким, то резко возрастут добавочные (поверхностные и пульсационные) потери, что тоже приведет к снижению КПД двигателя. Кроме того, при очень малом зазоре даже небольшая его неравномерность вызывает значительную силу одностороннего магнитного тяжения. Это является причиной значительного увеличения нагрузки на подшипники и вал двигателя и создает опасность задевания ротора о внутреннюю поверхность статора, т. е. снижается надежность двигателя. Слишком маленький воздушный зазор нежелателен еще и потому, что снижается технологичность двигателя и повышается стоимость его изготовления из-за весьма жестких допусков на изготовление отдельных деталей двигателя и на его сборку. Из этого следует, что к выбору величины воздушного зазора необходимо подходить, взвесив все названные обстоятельства.

При проектировании асинхронных двигателей общего назначения на напряжение до 1000 В воздушный зазор целесообразно принимать по данным двигателей единой серии 4А (рис. 5).

Рис. 5

Основные размеры активной части асинхронного двигателя показаны на рис. 6.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наружный диаметр сердечника ротора, мм

. (3.1)

Внутренний диаметр сердечника ротора, мм,

. (3.2)

В дальнейшем, при расчете вала на жесткость значение уточняют.

Конструктивная длина сердечника статора при отсутствии радиальных вентиляционных каналов равна его расчетной длине ;

Длина сердечника ротора, мм,

при мм равна длине сердечника статора: ;

при мм больше длины сердечника статора на 5 мм для компенсации неточностей сборки двигателя .

В сердечнике ротора не предусматривать аксиальных вентиляционных каналов.

Число пазов сердечника статора и ротора в значительной степени определяет свойства проектируемой машины и трудоемкость ее изготовления. С увеличением числа пазов в сердечнике форма кривой МДС в зазоре приближается к синусоиде, что способствует ослаблению высших гармоник ЭДС. Это ведет к улучшению энергетических показателей машины. Однако чрезмерно большое число пазов ухудшает заполнение пазов медью, усложняет изготовление штампов и снижает их стойкость, увеличивает трудоемкость операций, связанных с изолированием пазов и укладкой обмотки. Одновременно уменьшается сечение зубцов, разделяющих пазы.

Известно, что в воздушном зазоре машины происходит взаимодействие магнитных полей основной и высших гармоник. При этом поля высших гармоник создают дополнительные синхронные и асинхронные моменты, которые, накладываясь на основной электромагнитный момент, ухудшают рабочие и пусковые характеристики двигателя. Значение этих моментов зависит от соотношения числа пазов статора и ротора.

Опыт проектирования и эксплуатации асинхронных двигателей позволил установить наиболее благоприятные соотношения, которые можно принять по табл. 7.

Таблица 7. Оптимальное соотношение числа пазов статора и ротора для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Высота оси вращения, мм	Соотношение числа пазов статора и ротора Z1/Z2 при следующих значениях 2р
	2	4	6	8	10	12
160	36/28	48/38	54/50	48/44	-	-
180, 200	36/28	48/38	72/58	72/58	-	-
225	36/28	48/38	72/56	72/56	-	-
250	48/40	60/50	72/56	72/56	90/76	-
280-355	48/38	60/50	72/82	72/86	90/106	90/106

Если дальнейшие расчеты размеров паза статора или ротора не будут удовлетворять наложенным на них последующим ограничениям, то следует выбрать другое соотношение количества пазов статора и ротора (табл. 8).

Таблица 8. Рекомендуемые числа пазов короткозамкнутых асинхронных двигателей

Число полюсов	Число пазов статора	Число пазов ротора без скоса	Число полюсов	Число пазов статора	Число пазов ротора без скоса
1	2	3	4	5	6
2	12	9, 15	6	36	26, 46, 48
	18	11, 12, 15, 21, 22		54	44, 64, 66, 68
	24	15, 16, 17, 19, 32		72	56, 58, 62, 82, 84, 86, 88
	30	22, 38		90	74, 76, 78, 80, 100, 102, 104
	36	26, 28, 44, 46	8	48	34, 36, 44, 62, 64
	42	32, 33, 34, 50, 52		72	56, 58, 86, 88, 90
	48	38, 40, 56, 58		84	66, 68, 70, 98, 100, 102, 104
4	12	9		96	78, 82, 110, 112, 114
	18	10, 14	10	60	44, 46, 74, 76
	24	15, 16, 17, 32		90	68, 72, 74, 76, 104, 106, 108, 110, 112, 114
	36	26, 44, 46		120	86, 88, 92, 94, 96, 98, 102, 104, 106, 134, 136, 138, 140, 142, 144, 146
	42	34, 50, 52, 54	12	72	56, 64, 80, 88
	48	34, 38, 56, 58, 62, 64		90	68, 70, 74, 88, 98, 106, 108, 110
	60	50, 52, 68, 70, 74		108	86, 88, 92, 100, 116, 124, 128, 130, 132,
	72	62, 64, 80, 82, 86		144	124, 128, 136, 152, 160, 164, 166, 168, 170, 172

В целях улучшения пусковых характеристик и снижения уровня шума в АД с высотой оси до 160 мм включительно используют скос пазов на одно зубцовое деление. Однако скос пазов увеличивает трудоемкость изготовления двигателя и при высоте оси вращения более 160 мм скоса пазов не делают и потому, что, как показывает опыт, скос пазов в этих двигателях не дает значительного эффекта в улучшении пусковых характеристик.

4. Расчет сердечника и обмотки статора

Форма паза статора зависит от параметров машины и выбирается по рекомендациям табл. 9. Практическое применение в машинах переменного тока получили следующие формы пазов сердечника статора: трапецеидальные полузакрытые (рис. 7, а) и прямоугольные полуоткрытые или открытые (рис. 7, б, в).

При трапецеидальной форме паза зубцы статора имеют параллельные стенки и их сечение по высоте паза одинаково. Отсутствие в таких зубцах участков уменьшенного сечения способствует снижению магнитного напряжения зубцов; лучшему использованию активной зоны сердечника; уменьшению пульсации магнитной индукции в зазоре двигателя, магнитного напряжения воздушного зазора, добавочных потерь. Однако при таких пазах коэффициент заполнения паза медью невелик. Область применения полузакрытых пазов определяется областью применения всыпной обмотки статора, выполняемой из проводов круглого сечения.

При пазах прямоугольной формы зубцы статора имеют трапецеидальную форму с уменьшенным сечением со стороны воздушного зазора. Магнитная индукция в этом сечении зубцов имеет максимальное значение, что ведет к возрастанию магнитного напряжения зубцов. Большое раскрытие полуоткрытых, а тем более открытых пазов вызывает усиление пульсаций магнитной индукции в зазоре и способствует увеличению магнитного напряжения воздушного зазора и увеличению добавочных потерь. Однако при таких пазах выше коэффициент заполнения паза медью, так как проводники прямоугольного сечения расположены в пазу упорядоченно.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7

Рекомендации по выбору формы паза статора и типа обмотки для двигателей общего назначения серии 4А основного исполнения при напряжении не более 1000 В приведены в табл. 9.

Размеры паза статора различают в свету и в штампе. Размеры в свету несколько меньше размеров в штампе из-за неточности штамповки и некоторого уменьшения паза при сборке листов в сердечник, что учитывается припусками на штамповку по высоте и ширине паза. Значения этих величин можно принять в зависимости от высоты оси вращения двигателя (табл. 10).

Таблица 9. Выбор формы пазов и типа обмотки статора

Высота оси h, мм	2 p	Форма пазов статора	Тип обмотки статора	Рекомендуемые значения магнитной индукции, Тл при исполнении двигателе по способу защиты IР44
160	2	Трапецеидальные,	Двухслойная	1,75 - 2,0	1,45 - 1,7
		полузакрытые	всыпная
	4	То же	Однослойная	1,75 - 2,0	1,45 - 1,7
			всыпная
	6	«	То же	1,70 - 1,85	1,35 - 1,5
	8	«	»	1,70 - 1,85	1,10 - 1,2
180 - 250	2	«	Двухслойная	1,70 - 1,90	1,45 - 1,6
			всыпная
	4, 6	«	Одно-, двухслой-	1,70 - 1,90	1,45 - 1,6
			ная всыпная
	8	«	Двухслойная	1,70 - 1,85	1,10 - 1,2
			всыпная
280 - 355	2, 4,	Прямоуголь-	Двухслойная	1,70 - 1,90	1,40 - 1,6
	6, 8	ные полуот- крытые	из жестких полу-катушек
	10	Трапецеи-	Двухслойная	1,60 - 1,80	1,30 - 1,40
		дальные полу-	концентрическая
		закрытые	всыпная
	12	То же	То же	1,60 - 1,80	1,15 - 1,2

Примечание. При исполнении двигателей по способу защиты IР23 рекомендуется значения магнитной индукции увеличить на 8 %.

Таблица 10. Припуски по высоте и ширине

Высота оси вращения , мм	Припуск по высоте и ширине, мм
50 - 132 160 - 250 280 - 355	0,1 0,2 0,3

Трапецеидальные полузакрытые пазы (см. рис. 7,а). Размеры трапецеидального паза выбирают такими, чтобы зубец имел параллельные стенки.

Зубцовое деление статора, мм,

. (4.1)

Ширина зубца, мм, определяется по допустимому значению магнитной индукции в зубце статора (см. табл. 9):

; (4.2)

Высота зубца, мм,

. (4.3)

Значение высоты спинки статора определяется допустимыми величинами магнитной индукции в спинке статора (см. табл. 9):

; (4.4)

при = 0,64.

Наименьшая ширина трапецеидального полузакрытого паза в штампе, мм,

; (4.5)

где .

Наибольшая ширина паза в штампе, мм,

(4.6)

где .

Ширина шлица паза статора должна быть такова, чтобы при принятой толщине пазовой изоляции через шлицы можно было уложить в пазы катушки (секции) по одному проводу. Обычно 4,0 мм.

Высота шлица 0,8 - 1,2 мм. Угол = 45° в двигателях с высотой оси вращения 250 мм и =30° в двигателях с 280 мм. Тогда высота клиновой части паза, мм, при =45° при =30°

Площадь поперечного сечения трапецеидального паза в штампе, мм²:

, (4.7)

где

Прямоугольные полуоткрытые пазы (см. рис. 7,б). Ширина зубца в узком месте, мм,

. (4.8)

Максимальное значение магнитной индукции в зубце статора может быть предварительно принято по табл. 9.

Ширина полуоткрытого паза в штампе, мм,

, (4.9)

где

Для полуоткрытых пазов отношение 0,46 - 0,56, причем большие значения относятся к меньшим диаметрам .

Высота шлица 0,8 -1,2 мм; высоту клиновой части паза принимают при 2р = 2 равной 3,5 мм; при 2р = 4, 6 и более - 3,0 мм.

Ширину шлица полуоткрытого паза, мм,

(4.10)

Высота паза (зубца) определяется по формуле (4.3), высота части паза, занимаемой обмоткой, мм,

(4.11)

Прямоугольные открытые пазы (см. рис. 7, в). Размеры открытых пазов определяют аналогично размерам полуоткрытых пазов.

По окончании расчета размеров пазов статора нужно выполнить эскиз зубцового деления статора с соблюдением масштаба и простановкой размеров.

Обмотка статора предназначена для создания вращающегося магнитного поля. Принципы построения и основные элементы обмоток переменного тока рассматриваются в теоретическом курсе. В данной работе отражены специальные вопросы проектирования обмоток.

В ходе проектирования обмотки статора определяются конструктивные особенности обмотки; геометрические размеры; электрические параметры; строится развертка обмотки.

В асинхронных двигателях с высотой оси вращения 160 мм применяют двухслойные обмотки с укороченным шагом. Пример такой обмотки с параметрами = 24; = 2; = 5; = 6; = 4; = 1 приведён на рис. 8.

Рис.8

Тип обмотки. Обмотки статора разделяются на в с ы п н ы е (с мягкими катушками) и обмотки с жесткими катушками (полукатушками). Всыпная обмотка изготавливается из обмоточного провода круглого сечения. Провод наматывают на шаблон для придания катушке предварительной формы. Затем катушки укладывают в заранее изолированные пазы. После укладки катушек и закрепления их в пазах посредством клиньев или крышек производят формовку лобовых частей и их бандажирование. Затем обмотанный статор пропитывают специальными лаками и составами. Всыпные обмотки получили наибольшее применение в асинхронных двигателях напряжением до 1000 В, т. к. являются более технологичными при изготовлении и обеспечивают наиболее благоприятные условия использования зубцовой зоны статора.

При выборе класса нагревостойкости и конструкции системы изоляции можно руководствоваться данными серии 4А: в двигателях с высотами оси вращения = 50 - 132 мм применяют систему изоляции класса нагревостойкости В (допустимая температура нагрева - 130 ^оС), а в двигателях с = 160 - 355 мм - класса нагревостойкости F (допустимая температура - 155 ^оС, рабочая - 115 ^оС).

Конструкции изоляции обмоток статора, применяемые в двигателях серии 4А, приведены табл. П 2.1, 2.2.

Число пазов на полюс и фазу

. (4.12)

Пазовые стороны одной катушечной группы, расположенные в соседних пазах, занимают пазов и образуют фазную зону, определяемую углом

. (4.13)

Наибольшее применение в трехфазных асинхронных двигателях получили шестизонные обмотки с = 60°, если целое число.

Полюсное деление машины, измеренное в пазах,

.(4.14)

Шаг обмотки, измеренный в пазах,

,(4.15)

где - относительный шаг обмотки; 0,58 - 0,63 при 2р = 2 и

0,8 - 0,89 при 2р ? 4; выбирается такое значение из рекомендованного интервала, чтобы шаг обмотки получился целым числом.

Коэффициент укорочения

. (4.16)

Коэффициент распределения

. (4.17)

Обмоточный коэффициент - один из важных параметров обмотки статора. Для основной гармоники ЭДС обмоточный коэффициент

. (4.18)

Номинальный ток статора

. (4.19)

Число эффективных проводников в пазу статора в расчете на одну параллельную ветвь

Размещено на http://www.allbest.ru/

. (4.20)

Полученное значение округляют до целого четного числа для двухслойной обмотки.

Рис. 9

Плотность тока в обмотке статора выбирают исходя из того, что с увеличением уменьшается расход обмоточной меди, но одновременно растет активное сопротивление обмотки статора, что ведет к росту электрических потерь, температуры обмотки, снижению КПД. С уменьшением растет КПД двигателя и повышается надежность обмотки статора за счет снижения ее температуры. Для двигателей со степенью защиты IP44 и способом охлаждения IC0141 при выборе можно руководствоваться данными, приведенными на рис. 9. Для двигателей со степенью защиты IР23 и способом охлаждения IС01 значение по рис. 9 следует увеличить на 25 % при 2р = 2 и на 20 % - при 2р > 2.

Площадь поперечного сечения эффективного проводника обмотки статора, мм²,

(4.21)

где - число параллельных ветвей, которое можно выбрать исходя из приведенных ниже ограничений.

Отношение должно быть целым числом. Ряд возможных значений при различном числе полюсов указан в табл. 11.

Таблица 11. Число параллельных ветвей обмотки статора

	1	2	3	4	5	6	8	10
2	+	+	-	-	-	-	-	-
4	+	+	-	+	-	-	-	-
6	+	+	+	-	-	+	-	-
8	+	+	-	+	-	-	+	-
10	+	+	-	-	+	-	-	+

Более простая и технологичная обмотка получается при а₁ = 1. Число параллельных ветвей приходится увеличивать при больших токах обмотки статора, чтобы не превышать значений плотности тока, так как диаметр проводника и соответственно эффективное сечение ограничиваются условиями укладки обмотки в паз. Для всыпной обмотки статора диаметр круглого провода с изоляцией , выбранный из номенклатурного ряда выпускаемых промышленностью проводов (табл. 12), не должен превышать 2 мм. В противном случае для облегчения процесса укладки мягких катушек в пазы статора и повышения надежности обмотки статора эффективный проводник выполняют из нескольких элементарных проводников.

Таблица 12. Диаметры и площади поперечного сечения круглых медных эмалированных проводов марок ПЭТВ и ПЭТ-55, применяемых для всыпных обмоток

Площадь поперечного сечения неизолиро-ванного провода , мм2	Среднее значение диаметра изолирова-нного провода, , мм	Номинальный диаметр неизолиро-ванного провода мм	Площадь поперечного сечения неизолиро-ванного провода , мм2	Среднее значение диаметра изолиро-ванного провода, , мм	Номинальный диаметр неизолиро-ванного провода мм
0,00502	0,1	0,08	0,159	0,49	0,45
0,00636	0,11	0,09	0,1772	0,515	0,475
0,00785	0,122	0,1	0,19663	0,545	0,5
0,00985	0,134	0,112	0,221	0,585	0,53
0,01227	0,147	0,125	0,246	0,615	0,56
0,01388	0,154	0,132	0,283	0,655	0,6
0,01539	0,162	0,14	0,312	0,69	0,63
0,01767	0,18	0,15	0,353	0,73	0,67
0,0201	0,19	0,16	0,396	0,77	0,71
0,0227	0,2	0,17	0,442	0,815	0,75
0,0255	0,21	0,18	0,503	0,965	0,8
0,0284	0,22	0,19	0,567	0,915	0,85
0,0314	0,23	0,2	0,636	0,965	0,9
0,0353	0,242	0,212	0,709	1,015	0,95
0,0394	0,259	0,224	0,785	1,08	1,00
0,0437	0,271	0,236	0,883	1,14	1,06
0,0491	0,285	0,25	0,985	1,20	1,12
0,0552	0,3	0,265	1,094	1,26	1,18
0,0616	0,315	0,28	1,227	1,33	1,25
0,0707	0,335	0,3	1,368	1,405	1,32
0,0779	0,35	0,315	1,539	1,485	1,40
0,0881	0,37	0,335	1,767	1,585	1,5
0,099	0,395	0,355	2,01	1,685	1,6
0,1104	0,415	0,375	2,27	1,785	1,7
0,1257	0,44	0,4	2,54	1,895	1,8
0,1419	0,465	0,425	2,83	1,995	1,9

Площадь поперечного сечения элементарного проводника

. (4.22)

Число элементарных проводников в витке не должно превышать 10.

Суммарная площадь поперечного сечения элементарных проводников должна быть не меньше расчетного сечения эффективного проводника по формуле (4.21).

Число последовательных витков в обмотке фазы статора

. (4.23)

Толщина изоляции для полузакрытого паза по высоте и по ширине определяется по табл. П. 2.1, П 2.2.

Площадь пазовой изоляции и прокладок между слоями обмотки с учетом крышки, закрывающей паз, определяют по чертежу зубцового деления с учетом толщины изоляционных прокладок, пользуясь данными табл. П. 2.1, П. 2.3.

(4.24)

(4.25)

Площадь паза, занимаемая обмоткой статора, должна удовлетворять условию:

. (4.26)

Коэффициент заполнения паза обмоткой статора

(4.27)

должен быть равен 0,70 - 0,72 при машинной укладке обмотки статора. Это продиктовано требованиями к условиям охлаждения обмотки в машине. Если полученное значение больше рекомендованного интервала, то конструктивные параметры обмотки нужно изменить, чтобы добиться указанной величины коэффициента заполнения.

Уточненная плотность тока в обмотке статора после окончательного выбора размеров обмоточного провода и числа элементарных проводников

, (4.28)

она не должна превышать допустимых значений (см. рис. 9) .

Уточненные значения электромагнитных нагрузок:

;

;

(4.29)

где - коэффициент формы кривой поля статора.

Уточненные значения не должны отличаться от предварительных более чем на 10 %.

Размеры мягких катушек статора определяются следующим образом: среднее зубцовое деление статора, т. е. зубцовое деление, измеренное на окружности, проходящей по середине высоты зубцов статора, мм,

(4.30)

Ширина катушки, мм,

(4.31)

Средняя длина одной лобовой части катушки, мм,

(4.32)

Средняя длина витка обмотки статора, мм,

(4.33)

Длина вылета лобовой части обмотки при 160 мм, мм,

. (4.34)

Активное сопротивление фазы обмотки статора, приведенное к расчетной рабочей температуре, Ом,

,(4.35)

где удельное сопротивление или материала обмотки при рабочей температуре 115 ^оС для меди равно 24,4•10^-9 Ом•м; для алюминия - 48,78•10^-9 .

Активное сопротивление в относительных единицах (относительные единицы обозначаются «звездочкой»)

(4.36)

Значение этой величины должно находится в интервале (0,02 - 0,03).

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора обусловлено магнитным полем рассеяния, которое состоит из трех частей: пазового, дифференциального рассеяния и рассеяния лобовых частей.

Пазовое рассеяние обусловлено магнитным потоком рассеяния, направленным поперек паза и сцепленным с расположенными в этом пазу проводниками. Если обмотка выполнена с укороченным шагом, то потокосцепление этой обмотки с потоком пазового рассеяния ослаблено.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния при трапецеидальном полузакрытом пазе (рис. 10)

Рис. 10

(4.37)

Коэффициенты и , учитывающие укорочение шага обмотки, определяют по рис. 11.

Рис. 11

Дифференциальное рассеяние - это рассеяние, создаваемое высшими гармоническими составляющими магнитного поля в воздушном зазоре.

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора

(4.38)

значение и выбираются по табл. 13 и 14;

Таблица 13. Значение коэффициент , учитывающего демпфирующую реакцию токов, наведенных в обмотке короткозамкнутого ротора высшими гармониками поля статора

	Значения коэффициента при следующих значениях отношения
	10	15	20	25	30	35	40
2	0,94	0,87	-	-	-	-	-
3	0,92	0,87	0,84	0,78	-	-	-
4	-	0,81	0,77	0,75	0,72	-	-
5	-	-	-	0,69	0,67	0,65	-
6	-	-	-	0,62	0,60	0,58	-
8	-	-	-	-	-	0,47	0,46

Таблица 14. Значение коэффициент дифференциального рассеяния двухслойной обмотки статора

	Значения коэффициента
	двигатель с короткозамкнутым ротором	двигатель с фазным ротором
1,5	0,0450	0,0470
2	0,0235	0,0235
2,5	0,0170	0,0180
3	0,0111	0,0111
4	0,0062	0,0062
5	0,0043	0,0043
6	0,0030	0,0030
8	0,0021	0,0021

При полузакрытых и полуоткрытых пазах статора и полузакрытых пазах ротора коэффициент воздушного зазора учитывает влияние зубчатости статора и ротора на магнитное сопротивление воздушного зазора:

;

; (4.39)

При открытых пазах статора и ротора вместо и подставляют соответственно и . При закрытых пазах на роторе

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых частей обмотки статора

Коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки статора

(4.41)

Индуктивное сопротивление рассеяния одной фазы обмотки статора, Ом,

Размещено на http://www.allbest.ru/

(4.42)

В относительных единицах

. (4.43)

Полученное относительное значение должно находиться в пределах интервала 0,08...