Расчёт и конструирование асинхронных двигателей (стр. 1 )

Министерство образования и науки Украины

Донецкий государственный технический университет

Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Тема: «Расчёт и конструирование асинхронных двигателей»

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине «Электрические машины»

КП. 00-610.44.00.00. ПЗ

Выполнил студент гр. ЭАПУ-01-04___________________________

Проверил доц. __________________________. В. Апухтин

Мариуполь – 2005

СОДЕРЖАНИЕ

Реферат

Условные обозначения

Введение

1. Выбор главных размеров

2. Расчёт обмоток статора

3. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

4. Расчёт ротора

5. Расчёт намагничивающего тока

("1") 6. Параметры рабочего режима

7. Расчёт потерь

8. Расчёт рабочих характеристик

9. Расчёт пусковых характеристик

10. Тепловой расчёт

11. Вентиляционный расчёт

12. Масса активных материалов и показатели их использования

Выводы

Список использованных источников

Приложения

РЕФЕРАТ

____страниц, ___рисунков, ___ таблиц, ___источников, ___приложений.

Объектом расчёта и конструирования является асинхронный двигатель 4А250S8У3 с короткозамкнутым ротором. Исходными данными к расчёту являются: номинальная мощность Рн=37 кВт, номинальное напряжение Uн=220/380 В, cos(н=0,83, синхронная частота вращения n1=750 об/мин, частота напряжения сети f=50 Гц, hн=0,9 .

Цель работы: сконструировать и рассчитать асинхронный двигатель 4А250S8У3 с короткозамкнутым ротором по заданным исходным характеристикам, установленным в соответствии с требованиями государственных и отраслевых стандартов.

В качестве базовой модели принимается асинхронный двигатель серии 4А с короткозамкнутым ротором. Конструктивное исполнение по способу монтажа IM1001. Исполнение по степени защиты - IP44, категория климатического исполнения - У3, изоляция класса нагревостойкости F, режим работы – продолжительный.

Для данного двигателя применяется сталь марки 2013 в соответствии с ГОСТ 21427.3-83. Сердечники статора и ротора собраны из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Обмотка короткозамкнутого ротора и закорачивающие кольца выполняются алюминиевыми, обмотка статора – медной.

При проектировании были выбраны главные размеры (высота оси вращения h=250 мм, наружный диаметр статора Dа=0,437 м, внутренний диаметр статора D=0,328 м, расчётная длина воздушного зазора L(=0,19 м), электромагнитные нагрузки (А=36,4∙103 А/м, В(=0,81 Тл),

Ключевые слова: СТАТОР, РОТОР, ОБМОТКА, ПАЗ, СТЕРЖЕНЬ, КОЛЬЦО, ВИТОК, ЗУБЕЦ, ВОЗДУШНЫЙ ЗАЗОР, НАМАГНИЧИВАЮЩИЙ ТОК, ИНДУКЦИЯ, ПОТЕРИ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ:

р – число пар полюсов;

("2") D – внутренний диаметр статора;

Da – наружный диаметр статора;

Р’ – расчётная мощность;

m – число фаз;

n1 – синхронная частота вращения;

f – частота питания;

Z1,2 – число пазов статора, ротора;

ω – синхронная угловая скорость;

δ – воздушный зазор;

t - полюсное деление;

lд – расчётная длина воздушного зазора;

t1,2 – значение зубцового деления;

I1н – ток статора при номинальной нагрузке;

А1 – значение линейной нагрузки;

Вд – индукция в воздушном зазоре;

j1 – плотность тока в обмотке статора;

qэф – сечение эффективного проводника;

hа – высота ярма статора;

Kз – коэффициент заполнения;

D2 – внешний диаметр ротора;

("3") qc – площадь поперечного сечения стержня;

j2 – плотность тока в стержнях ротора;

qкл – площадь поперечного сечения замыкающих колец;

Fz1,2 – магнитные напряжения зубцовых зон статора, ротора;

Kz – коэффициент насыщения зубцовых зон;

Lа – длина средней магнитной линии статора;

Km - коэффициент насыщения магнитной цепи;

R1 – активное сопротивление фазы обмотки статора;

Кr – коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки статора

от действия эффекта вытеснения тока;

а – число параллельных ветвей обмотки;

lср – средняя длина витка обмотки;

Rкл – сопротивление короткозамыкающего кольца;

Х1 – индуктивное сопротивление обмотки статора;

Х2 - индуктивное сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора;

Рэ1,2 – электрические потери в обмотке статора, ротора;

Рст – общие потери в стали статора;

η – коэффициент полезного действия;

Iо – ток холостого хода двигателя;

Qв – требуемый для охлаждения расход воздуха;

("4") Δυ1 – среднее превышение температуры обмотки статора над температурой

окружающей среды.

ВВЕДЕНИЕ

Асинхронные двигатели получили наиболее широкое применение в современных электрических установках и являются самым распространенным видом бесколлекторных электрических двигателей переменного тока. Объясняется это простотой конструкции, надежностью в работе и удовлетворительными рабочими характеристиками. Области применения асинхронных двигателей, составляющих основу современного электропривода, весьма широкие – от привода устройства автоматики и бытовых электроприборов до привода крупного горного оборудования. В соответствии с этим мощность асинхронных двигателей, выпускаемых электромашиностроительной промышленностью, составляет диапазон от долей ватт до тысячи киловатт при напряжении питающей сети от десятков вольт до 10 киловольт. Наибольшее применение имеют трёхфазные асинхронные двигатели серии 4А, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты.

Серия 4А была спроектирована в 1969 – 1971 гг. и через несколько лет была внедрена в производство. В основу построения серии положены высоты оси вращения ротора (для машин с горизонтальной осью вращения) до установочной поверхности.

Серия 4А охватывает диапазон мощностей от 0.06 до 400 кВт и выполнена на 17 стандартных высотах оси вращения, причем шкала мощностей содержит 33 ступени. Основными исполнениями являются закрытое обдуваемое (4А) и защищённое (4АН). Применение изоляции класса нагревостойкости F и новых сортов электротехнической стали дало возможность повысить электромагнитные нагрузки. Это позволило увеличить мощность двигателей при тех же высотах оси вращения, что и в прежних сериях, улучшить их технико-экономические показатели.

Двигатели выполняются на следующие номинальные напряжения:

220/380 В – при мощностях от 0.06 до 0.37 кВт, 220/380 и 380/660 В – при мощностях от 0.55 до 110 кВт, 380/660 В – при мощностях более 132 кВт.

Спроектированный двигатель может быть применён для привода механизмов с неизменной частотой вращения: привода вентиляторов, насосов, транспортеров и обрабатывающих станков или других устройств, не требующих регулирования частоты вращения приводного двигателя.

1. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ

1.1 Число пар полюсов:

1.2 Высота оси вращения:

Тогда принимаем наружный диаметр статора:

/1, стр.164, табл. 6,6/

1.3 Внутренний диаметр статора:

где Кd=0,75 /1, стр. 165, табл. 6.1/

1.4 Полюсное деление:

("5")

1.5 Расчётная мощность:

где Ке – отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, Ке=0,98

/1, стр. 169, табл. 6.8/

cosj,( – по /1, стр.169, рис 6.9/

1.6 Электромагнитная нагрузка по /1, стр. 166, рис 6.1/ принимаем:

линейную нагрузку: А=36,5∙103 А/м

индукция в воздушном зазоре: В(=0,81 Тл

1.7 Обмоточный коэффициент для двухслойной обмотки (предварительно):

Коб1=0,92

1.8 Расчётная длина воздушного зазора:

где - коэффициент формы кривой поля,

( - угловая скорость вала,

1.9 Отношение

Сравнив полученное значение l с рекомендуемым /1, стр. 168, рис 6.14/ видим, что ( находится в рекомендуемых пределах.

2. РАСЧЁТ ОБМОТОК СТАТОРА

2.1 Предельное значение t1 – зубцовое деление /1, стр. 175, рис. 6-15/:

("6") t1max=15 мм

t1min=11 мм

2.2 Число пазов статора:

так как число пазов q – целое число то принимаем: Z1=72.

где m – число фаз статорной обмотки. Обмотка двухслойная.

2.3 Зубцовое деление статора (окончательное):

2.4 Число эффективных проводников в пазу (предварительно при условии, что параллельные ветви в обмотке отсутствуют, то есть а=1):

где I1н – ток в обмотке статора:

2.5 Принимаем а=2, тогда число эффективных проводников в пазу:

2.6 Тогда окончательное значение:

число витков в фазе обмотки:

значение линейной нагрузки:

("7")

магнитный поток:

где

/ 1, стр. 69 рис. 3.11 /

/ 1. стр. 71, табл. 3.13 /

Значение А и Вd находится в допустимых пределах / 1. Стр. 166, рис. 6-11 /

2.7 Плотность тока в обмотке статора (предварительно):

где / 1. стр. 173, рис. 6-16 /

2.8 Сечение эффективного проводника (предварительно):

Принимаем число элементарных проводников n=5, тогда сечение:

Тогда обмоточный провод / 1. стр. 470, П-28 / принимаем ПЭТВ:

2.9 Плотность тока в обмотке статора (окончательно):

("8")

3. РАСЧЁТ РАЗМЕРОВ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ СТАТОРА И ВОЗДУШНОГО

ЗАЗОРА

3.1 Предварительно принимаем Вz=1,8 Тл и Ва=1,3 Тл /1. cтр.174. табл. 6-10/.

Ширина зубца:

где Кс – коэффициент / 1. стр. 176, табл. 6-11 /.

Высота ярма статора:

3.2 Размеры паза в штампе принимаем по / 1. стр. 176 /:

bш=3,7 мм

hш=1 мм

Глубина паза:

Ширина зубца:

3.3 Размеры паза в свету с учётом припусков на сборку:

("9")

где припуски по ширине паза (bP и по высоте (hP принимаем 0,2мм / 1. стр. 177/.

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников:

где Sпр – площадь поперечного сечения прокладок

Sиз – площадь поперечного сечения корпусной изоляции

где bиз – односторонняя толщина изоляции, bиз=0,4 /1, стр. 61, табл. 3.8/

3.4 Коэффициент заполнения паза:

Кз находится в допустимых пределах по /1, стр. 66, табл. 3-12/

4. РАСЧЁТ РОТОРА

4.1 Воздушный зазор:

d=0,8мм /1, стр. 181, рис. 6-21/

4.2 Число пазов ротора:

Z2=58

4.3 Внешний диаметр:

("10") 4.4 Длина L2=L1=0,19 мм

4.5 Зубцовое деление:

4.6 Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник непосредственно насажен на вал:

4.7 Ток в стержне ротора:

где КI – коэффициент учитывающий влияния тока намагничивания и сопротивления обмоток, КI=0,87 /1, стр. 183, рис. 6.22/

nI – коэффициент приведения токов:

4.8 Площадь поперечного сечения стержня:

где J2 – плотность тока, J2=2,5∙106А/м2 /1, стр. 186/

4.9 Паз ротора. Для закрытого грушевидного паза короткозамкнутого ротора /1, стр. 188, рис. 6.27(б)/:

bШ=1,5мм

hШ=0,7мм

Допустимая ширина зубца:

где ВZ2 – индукция в зубцах, ВZ2=1,8Тл /1, стр. 174, табл. 6-10/

("11") Размер паза:

где hP2 – полная высота паза, hР2=55мм /2, рис. 11/

Окончательное значение сечения стержня:

4.10 Ширина зубцов в двух сечениях

4.11 Плотность тока в стержне:

4.12 Короткозамыкающие кольца. Площадь поперечного сечения:

где IКЛ – ток в кольце

JКЛ – плотность тока в замыкающих кольцах

("12") Определяем размеры замыкающих колец:

Окончательно принимаем расчётное сечение замыкающих колец литой обмотки, не учитывая утолщения в местах примыкания вентиляционных лопаток /1, стр. 187/:

5. РАСЧЁТ НАМАГНИЧИВАЮЧЕГО ТОКА

5.1 Значение индукции:

- в зубцах статора:

- в зубцах ротора:

- в ярме статора:

- в ярме ротора:

где - расчётная высота ярма ротора,

где dкл = 30 мм и mкл =10 – диаметр и число рядов аксиальных вентиляционных каналов в роторе – в данном случае они равны нулю, так как каналы отсутствуют при h=250 мм.

5.2 Магнитное напряжение воздушного зазора:

("13")

где Кd - коэффициент воздушного зазора:

5.3 Магнитное напряжение зубцовых зон:

статора:

где HZ1=1520 A/м при ВZ1=1,8 Тл для стали 2013 по основной кривой намагничивания /1, стр. 460, П-15/

hZ1=hP= 28,2 мм.

ротора:

где HZ2= 1480 A/м при ВZ2=1,78 Тл /1, стр. 460, П-15/

5.4 Коэффициент насыщения зубцовой зоны:

Коэффициент насыщения лежит в допустимых пределах /1, стр. 194/.

5.5 Магнитные напряжения:

ярма статора:

где Ha=320 A/м /1, стр. 460, П-16/

("14") La – длина средней магнитной линии ярма статора:

ярма ротора:

где HJ=64A/м /1, стр. 460, табл. П-16/

Высота стенки ротора:

5.6 Суммарное магнитное напряжение на

5.7 Коэффициент насыщения магнитной цепи:

5.8 Намагничивающий ток:

относительное значение: