Электрическая машина (стр. 1 )

Введение

Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической энергии. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях электрическими машинами – генераторами, преобразующими механическую энергию в электрическую. Основная часть электроэнергии (до 80%) вырабатывается на тепловых электростанциях, где при сжигании химического топлива (уголь, газ, торф) нагревается вода и превращается в пар высокого давления. Последний подается в турбину, где расширяясь, приводит ротор турбины во вращение. В результате электромагнитных процессов, происходящих в генераторе, механическая энергия преобразуется в электрическую.

Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей является их главным применением, так как связано исключительно с целью взаимного преобразования электрической и механической энергий. Так, потребление электроэнергии часто связано с преобразованием переменного тока в постоянный или же с преобразованием тока промышленной частоты в ток более высокой частоты. Для этих целей применяют электромашинные преобразователи.

Асинхронные машины получили наибольшее применение в современных электрических установках и являются самым распространенным видом бесколлекторных электрических машин переменного тока. Как и любая электрическая машина, асинхронная машина обратима и может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Области применения асинхронных двигателей весьма широкие – от привода устройств автоматики и бытовых электроприборов до привода крупного горного оборудования (экскаваторов, дробилок, мельниц и т. п.). В соответствии с этим мощность асинхронных двигателей, выпускаемых электромашиностроительной промышленностью, составляет диапазон от долей ватт до тысяч киловатт при напряжении питающей сети от десятков вольт до 10 кВ. Наибольшее применение имеют трехфазные асинхронные двигатели, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты (50 Гц). Асинхронные двигатели специального применения изготовляются на повышенные частоты переменного тока (200, 400 Гц и более).

Условие:

Номинальная мощность: Р2н = 18,5 кВт

Исполнение: Защ. ІР44

Линейное напряжение питающей сети: U1л = 380 В

Соединение обмотки статора: Y

Синхронная частота вращения: n1 = 1500об/мин

Обмотка ротора: фазная

1 Определение главных размеров и выбор электромагнитных нагрузок

Расчет асинхронных машин начинают с определения главных размеров:

Внутреннего диаметра статора D1 и расчетной длины воздушного зазора lδ. Внутренний диаметр статора непосредственно связан определенными размерными соотношениями, зависящими от числа полюсов, с наружным диаметром статора D1Н, в свою очередь определяющим высоту оси вращения h.

В связи с этим выбор главных размеров проводят в следующей последовательности:

1.1 Число пар полюсов:

, 2р=4.

Высота оси вращения h=160 мм.

1.2 Наружный диаметр сердечника статора и значение коэффициента определяется по значению высоты оси вращения и числа пар полюсов соответственно: D1Н = 0,278м.

, выбираем из этого интервала значение .

1.3 Внутренний диаметр сердечника D1 рассчитывается по следующей формуле:

.

1.4 Полюсное деление:

.

1.5 Расчетная мощность асинхронного двигателя РЕ, (кВА) определяют по заданной номинальной мощности

.

Предварительные значения η и cosφ1 могут быть взяты по рисунку 1.1, КЕ по рисунку 1.2, а Вδ и А1 по рисунку 1.3:

η =0,87= 87%;

cosφ1 = 0,86;

КЕ = 0,98;

Вδ = 0,78 Тл;

А1 = А/м.

.

1.7 Значения коэффициента полюсного перекрытия αδ и коэффициента формы поля kВ предварительно принимают равными

; ;

1.8 Предварительное значение обмоточного коэффициента для однослойных всыпных обмоток . Выбираем среднее значение .

1.9 Синхронная угловая частота вращения вала двигателя Ω, рад/сек, рассчитывается по формуле

.

1.10 Расчетная длина воздушного зазора с учетом значения αδ (м):

.

1.11 Критерием правильности выбора главных размеров D1 и lδ служит отношение

,

которое находится в пределах (0,8 – 1,2)м для принятого исполнения двигателя. На этом выбор главных размеров заканчивается.

1.12 Для расчета магнитной цепи, помимо lδ, необходимо определить полную конструктивную длину и длину стали сердечника статора (l1 и lст1). В асинхронных двигателях, длина сердечников статоров которых не превышает 0,25 – 0,3 м, радиальных вентиляционных каналов не делают. Для такой конструкции

.

2 Определение числа пазов статора Z1 и расчет обмотки статора

2.1 Тип обмотки статора – двухслойная всыпная, форма пазов статора – трапециадальная.

2.2 Число пазов статора

,

где m1 – число фаз обмотки статора (m1 = 3);

q1 = 3

2.3 Зубцовое деление статора

м.

2.4 Номинальный фазный ток обмотки статора (А)

,

где при соединении обмотки «Y».

2.5 Число эффективных проводников на паз

,

где число параллельных ветвей а1 = 1.

2.6 Число витков в фазе обмотки статора

.

2.7 Однослойная обмотка обычно выполняется с диаметральным шагом:

2.8 Коэффициент укорочения обмотки

,

Коэффициент распределения обмотки

По таблице для q=3 .

Обмоточный коэффициент

.

2.9 Магнитный поток (Вб)

.

2.10 Уточненное значение магнитной индукции в воздушном зазоре (Тл)

.

2.11 Уточное значение линейной нагрузки (А/мм)

м.

2.12 Плотность тока в обмотке статора предварительно выбираем как

J1 = 6 А/мм.

2.13 Сечение эффективного проводника фазы (предварительно), (мм2)

.

2.14 Так как >, то число элементарных частей, составляющие проводник , т. е. сечение элементарного проводника мм2

По таблице приложения выбирается ближайший по сечению стандартный проводник, этим окончательно определяется сечение элементарного проводника и его диаметр .

2.15 Плотность тока в обмотке статора (уточненное значение)

.

3 Расчет размеров трапециадального полузакрытого паза обмотки статора

3.1 Ширина зубца bz1 по рекомендуемому значению индукции в зубцах Bz1

.

где = 0,97 для h =132-250 мм;= 1,6 Тл.

3.2 Высота ярма статора (м)

.

где = 1,4 Тл.

3.3 Высота зубца (м)

.

3.4 Высота паза = =0,025м.

3.5 Ширина шлица

,

.

3.6 Высота клина .

3.7 Наименьшая ширина паза в штампе (м)

,

,

.

3.8 Наибольшая ширина паза в штампе (м)

,

Высота шлица выбирается из промежутка Угол β=450 при высоте оси вращения h =160 мм.

3.9 Площади поперечного сечения паза в свету (мм2) определяются с учетом припусков на шихтовку и сборку сердечников:

где ΔhП = 0,0002 м; ΔbП = 0,0002 м.

3.10 Класс изоляции обмотки статора: в двигателях с высотами оси вращения рекомендуется применять систему изоляции класса нагревостойкости F.

3.11 Площадь поперечного сечения паза :

Площадь поперечного сечения пазовой изоляции ();

,

где =0,5 мм - ее толщина;

.

3.12 Коэффициент заполнения паза

.

3.13 Полученное значение коэффициента заполнения находится в рекомендуемых пределах .

3.14 После окончательного определения размеров паза необходимо пересчитать индукцию в зубце

.

Предварительная ширина зубца статора в наиболее узком месте ,м

,

.

3.16 Зубцовое деление в наиболее узком месте м:

.

3.17 Предварительная ширина паза в штампе

.

3.20 Окончательное значение ширины зубца статора в наиболее узком и широком местах зубца, м:

3.21 Индукции в наиболее узком и широком местах зубца, Тл:

3.22 Индукция в ярме статора, Тл:

4 Расчет размеров сердечника, число пазов и обмотки фазного ротора

4.1 Наружный диаметр сердечника ротора (м)

,

где воздушный зазор (м)

4.2 Внутренний диаметр сердечника ротора (он же диаметр вала) в (м)

.

4.3 Конструктивная длина сердечника и длина стали сердечника (м)

4.5 Число пазов на полюс и фазу

.

4.6 Число пазов ротора

.

Число фаз обмотки статора

.

4.7 В двигателях с h ≤ 200мм применяется двухслойная петлевая обмотка, которая укладывается в полузакрытые трапецеидальные пазы.

Расчет числа витков и эффективных проводников в пазу:

4.8 Число витков обмотки (предварительное)

Эффективное число проводников в пазу , где число параллельных ветвей а2 =1.

.

Уточненное число витков обмотки:

.

С. Е2,

,

4.9 Ток обмотки ротора .

4.10 Сечение эффективного проводника (предварительно) мм2

.

4.11 Так как >, то число элементарных частей, составляющие проводник , т. е. сечение элементарного проводника мм2

4.12 Плотность тока в обмотке ротора (уточненное значение)

.

5 Расчет размеров пазов ротора

Расчет размеров трапецеидального паза обмотки ротора с прямоугольными секциями:

5.1 Предварительная ширина зубца ротора в наиболее узком месте (м)

где = 1,7 Тл.

5.2 Предварительная высота паза (м) ротора для h > 200 мм

м

5.3 Минимальная ширина паза

5.4 Ширина шлица и его высота

5.5 Высота клиновой части м.

5.6 Максимальная ширина паза

5.7 Площадь поперечного сечения паза и коэффициент заполнения паза

,

где ΔhП = 0,0002 м; ΔbП = 0,0002 м.

Площадь поперечного сечения паза :

Площадь поперечного сечения пазовой изоляции ();

,

где =0,5 мм - ее толщина;

.

Коэффициент заполнения паза

.

5.9 Предварительное значение ширины зубца статора в наиболее узком месте зубца, м:

5.10 Предварительная ширина паза в штампе, м:

5.12 Индукция в зубцах ротора, Тл:

5.13 Плотность тока:

6 Расчет магнитной цепи

6.1 МДС на магнитную цепь на пару полюсов определяется как сумма магнитных напряжений всех перечисленных участков магнитной цепи

.

6.2 Магнитное напряжение воздушного зазора на пару полюсов (А)

,

где коэффициент воздушного зазора

,

,

,

.

6.3 Магнитное напряжение зубцового слоя статора (А)

,