Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного размера.

Курсовой проект

по курсу «Электрические машины»

 на тему: «Проектирование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором»

Вариант 11

Нижний Тагил

2003

Содержание.

Проектное задание··································································································

Введение··················································································································

Выбор главных размеров·······················································································

Определение ,  и сечения провода обмотки статора···································

Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора··························

Расчёт ротора··········································································································

Расчёт намагничивающего тока············································································

Параметры рабочего режима·················································································

Расчёт потерь··········································································································

Расчёт рабочих характеристик···············································································

Расчёт пусковых характеристик·············································································

Тепловой расчёт········································································································

Заключение··············································································································

Библиография··········································································································

Проектное задание.

Спроектировать трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором:

;

;

;

конструктивное исполнение IM1001;

исполнение по способу защиты от воздействия окружающей среды IP44;

категория климатического исполнения У3.

Введение.

Прогресс в развитии электромашиностроения зависит от успехов в области теории электрических машин. Глубокое понимание процессов электромеханического преобразования энергии необходимо не только инженерам-электромеханикам, создающим и эксплуатирующим электрические машины, но и многим специалистам, деятельность которых связана с электромеханикой.

Проектирование электрических машин – это искусство, соединяющее знание процессов электромеханического преобразование энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров-электромехаников, умением применять вычислительную технику и талантом инженера, создающего новую или улучшающего уже выпускаемую машину.

При проектировании необходимо учитывать возможные изменения стоимости материалов и электроэнергии, спрос на международном рынке, затраты на технологическое оборудование и другие факторы. Выбор оптимального варианта определяется критерием, который определяется минимумом суммарных затрат, т.е. минимумом стоимости материалов, затрат на изготовление и эксплуатацию. Стоимость эксплуатации зависит от КПД, коэффициента мощности, ремонтоспособности и ряда других факторов.

В последние десятилетия благодаря широкому применению ЭВМ теория электрических машин получила дальнейшее развитие. Большая математизация позволяет более строго излагать теорию электрических машин и ввести более глубокие математические методы исследования.

В настоящее время редко проектируется индивидуальная машина, а проектируются и выпускаются серии электрических машин. На базе серий выполняются различные модификации машин, что накладывает определённые требования на выполнение проекта новой электрической машины.

Основная серия асинхронных машин 4А включает в себя двигатели от 0,4 до 400 кВт. Выпускаются высоковольтные машины в виде единой серии А4 на мощности свыше 400 кВт. Разработана единая серия асинхронных машин АИ, АИР, 5A и RA.

При конструировании асинхронных двигателей единых серий обеспечивается максимальная унификация узлов и отдельных деталей.

Кроме асинхронных двигателей единой серии 4А промышленностью выпускаются двигатели серий А2 и А02. Асинхронные машины серий А2 и А02 имеют больший расход материалов и другие установочные размеры.

В последние годы Ярославский электромашиностроительный завод освоил новую серию RA — Российская асинхронная, а Владимирский электромоторный завод выпускает серию 5А, которая заменяет серию 4А.

Электротехнической промышленностью выпускаются высоковольтные асинхронные двигатели серий А, АК 12—13-го габаритов и их модификации на мощность свыше 100 кВт на напряжение 6000 В. Такие двигатели выпускаются с короткозамкнутым и фазным ротором. В двигателях с короткозамкнутым ротором применяется сварная клетка. Обмотки статора имеют изоляцию типа «монолит-2». Изоляция соответствует классу нагревостойкости F.

Для насосов и аэродинамических труб выпускаются асинхронные двигатели мощностью до 20 МВт. Одной из распространенных серий мощных асинхронных двигателей является серия АТД. Двигатели АТД выполняются с короткозамкнутым массивным ротором и водяным охлаждением обмотки статора.

Конструкции асинхронных микродвигателей отличаются от конструкций двигателей общего назначения. Это связано с особыми требованиями работы в системах автоматического управления, применением в бытовых приборах с однофазным питанием и функциональным использованием (тахогенераторы, датчики и другие устройства).

Конструкции асинхронных машин делятся на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и фазным ротором. Наибольшее распространение получили двигатели с короткозамкнутым ротором, которые в серии 4А выполняются на все мощности, включая 400 кВт.

Обмотки короткозамкнутых роторов выполняются литыми из алюминия или его сплавов. При заливке одновременно отливаются стержни, лежащие в пазах, и короткозамыкающие кольца с размещенными на их торцах вентиляционными лопатками и штырями для крепления балансировочных грузиков.

Короткозамкнутые роторы крупных машин и специальных асинхронных машин с улучшенными пусковыми характеристиками выполняются сварными. Стержни ротора из меди или латуни привариваются к короткозамыкающим кольцам, имеющим отверстия, куда перед сваркой вставляются стержни обмотки.

Асинхронные машины с фазным ротором имеют на роторе обмотку из круглых или прямоугольных проводов, которая выполняется так же, как и обмотка статора.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором серии 4А можно разделить на две разновидности по степени зашиты и способу охлаждения.

Электрические машины подразделяются по степени защиты от воздействия окружающей среды.

Машины закрытые, защищенные от попадания внутрь ее брызг любого направления и предметов диаметром более 1 мм, имеют внешний обдув вентилятором. По ГОСТ это исполнение имеет обозначение IР44.

Второй разновидностью конструкции являются машины с исполнением по степени защиты IР23. В этих машинах обеспечивается защита от возможности соприкосновения пальцев рук и твердых предметов диаметром более 12,5 мм с токоведущими вращающимися частями машины. Исполнение IР23 предусматривает защиту от попадания внутрь машины капель, падающих под углом 60° к вертикали. Иногда такое исполнение называют каплезащищённым.

Статор асинхронной машины с короткозамкнутым или с фазным ротором состоит из магнитопровода с обмоткой и станины. Магнитопровод статора набирается из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга и имеющих на внутренней поверхности пазы.

Сердечник статора состоит из отдельных пакетов, которые после сборки скрепляют скобами и укрепляют в станине. При сборке пакетов магнитопровода статора может быть выполнен скос пазов. Форма пазов и число пазов на статоре зависят от мощности и частоты вращения.

Климатическое исполнение У3 – двигатели, предназначенные для эксплуатации на суше, реках, озерах для макроклиматических районов с умеренным климатом, в закрытых помещениях, в которых колебания температуры и влажности, а также воздействие песка и пыли на машину существенно меньше, чем на открытом воздухе.

Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов (по ГОСТ 8865-70)

Принцип действия асинхронного двигателя.

Пусть на зажимы трёхфазной обмотки статора подано напряжение от трёхфазного симметричного источника сигнала. Под действием напряжения, в трёхфазной обмотке статора протекает ток, который создаёт вращающееся магнитное поле. Это поле в проводниках обмотки статора наводит ЭДС самоиндукции. А в проводниках – ЭДС взаимоиндукции. Под действие последней в обмотке ротора протекает ток, который в свою очередь создаёт собственное вращающееся магнитное поле. Это поле вращается в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и поле, созданное токами обмотки статора. Таким образом, в зазоре асинхронной машины вращается результирующее магнитное поле, обусловленное взаимным действием МДС обмоток статора и ротора.

При взаимодействии вращающегося магнитного поля и тока, в обмотке ротора, возникают электромагнитные силы и момент, под действием которого ротор начинает вращаться в сторону вращения магнитного поля. При вращении ротора, его скорость относительно вращающегося магнитного поля, уменьшается. Следовательно, уменьшаются амплитуды ЭДС и тока в обмотке ротора, а так же частота (ЭДС и тока). При номинальной скорости вращения ротора, частота ЭДС и тока в обмотке ротора составляет 2..4Гц.

Если под действием рабочей машины, скорость вращения ротора станет равной угловой скорости вращения магнитного поля, то будет иметь место режим идеального холостого хода, амплитуда и частота ЭДС и тока в обмотке ротора будут равны 0. Электромагнитный момент так же равен 0.

1. Число пар полюсов

Выбор главных размеров.

2. Предварительное определение высоты оси вращения [1] рис. 9.18 а и табл. 9.8

Принимаем ближайшее меньшее значение  и  

– наружный диаметр статора.

3. Внутренний диаметр статора

,

где  - коэффициент, характеризующий отношения внутренних и наружных диаметров сердечников статоров АД серии 4А при различных числах полюсов ([1], табл. табл. 9.9)

4. Определение полюсного деления.

5. Определение расчётной мощности по формуле

,

где  - мощность на валу двигателя, Вт

 - приближённое отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению ([1],  рис. 9.20)      

 - примерное значение КПД ([1], рис. 9.21 а)

 - примерный коэффициент мощности рис. 9.21 а)

6. Определение электромагнитных нагрузок (предварительно) ([1], рис. 9.22 б)

   ,

где  - линейная нагрузка двигателя,

 - магнитная индукция в зазоре машины,

7. Выбор предварительного значения обмоточного коэффициента. Для однослойной обмотки примем  ([1] стр. 348).

8. Определение расчётной длины воздушного зазора по формуле ([1], стр. 168):

,

где  - синхронная угловая скорость вращения двигателя,  ([1], стр. 168)

 - коэффициент формы поля ([1], стр. 167)

Правильный выбор воздушного зазора во многом определяет энергетические показатели АД. Чем меньше воздушный зазор, тем меньше его магнитное сопротивление и магнитное напряжение, составляющее основную часть МДС магнитной цепи всей машины. Поэтому уменьшение зазора приводит к соответственному уменьшению МДС магнитной цепи и намагничивающего тока двигателя, благодаря чему возрастает его cosj и уменьшаются потери в меди обмотки статора. Но чрезмерное уменьшение воздушного зазора приводит к возрастанию амплитуды пульсаций индукции в воздушном зазоре и, как следствие этого, к увеличению поверхностных и пульсационных потерь. Поэтому КПД двигателей с очень малыми зазорами не улучшается, а часто даже становится меньшим.

В современных АД зазор выбирают, исходя из минимума суммарных потерь. Т. к. при увеличении зазора потери в меди возрастают, а поверхностные и пульсационные уменьшаются, то существует оптимальное соотношение между параметрами, при котором сумма потерь будет наименьшей.

9. Проверка правильности выбора главных размеров  и  ([1], стр. 168). Критерием правильности выбора служит отношение:

Это отношение также влияет на технико-экономические показатели машины (при увеличении l уменьшается относительная величина неактивных лобовых частей машины, однако ухудшаются условия охлаждения), поэтому существуют оптимальные пределы, полученные эмпирическим путем.

Полученное значение  находится в допустимых пределах  ([1], рис. 9.25a).

Определение ,  и сечения провода обмотки статора.

10. Определение предельных значений зубцового деления ([1], ], стр. 351, рис. 9.26.)       ,

11.  Определение числа пазов статора по формуле ([1], стр. 170)

,

Окончательное число пазов статора  следует выбирать в полученных пределах с учётом условий, налагаемых требованиями симметрии обмотки, и желаемого для проектируемой машины числа пазов на полюс и фазу . Число пазов статора в любой обмотке АМ должно быть кратным числу фаз, а число  должно быть целым.

Принимаем , тогда  для однослойной обмотки.

12.  Определение окончательного значения зубцового деление статора.

13.  Определение предварительного числа эффективных проводников в пазу при условии отсутствия параллельных ветвей, т.е.  

,

где  - номинальный ток обмотки статора, А

14.  Принимаем a=1, тогда

15.  Окончательное число витков в обмотке статора

Окончательное значение линейной нагрузки

Уточняем обмоточный коэффициент . Коэффициент укорочения для однослойной обмотки  ([1], стр. 172). Следовательно, . Коэффициент распределения находим для первой гармоники с учётом  ([1], табл. 3.16 ) . Отсюда

Уточняем значение потока

Окончательное значение индукции в воздушном зазоре

Значение индукции в зазоре не  превышает рекомендованное ([1], рис. 9.23а) для . Максимальное значение рекомендованного значения .

16.  Предварительный расчёт плотности тока в обмотке статора ([1], стр. 172):

,

где  - произведение линейной нагрузки на плотность тока ([1], рис. 9,27а)

17.  Предварительное значение сечения эффективного проводника

Принимаем число элементарных проводников  и выбираем обмоточный провод ПЭТВ ([1], табл. П3.1):

 - номинальный диаметр неизолированного провода,

 - площадь поперечного сечения неизолированного провода.

По своему функциональному назначению изоляция обмоток подразделяется на корпусную (наружную изоляцию катушек, изолирующую их от стенок пазов в сердечниках (пазовая изоляция) и от других металлических частей машины (изоляция лобовых частей катушек)); межфазовую, изолирующую катушки каждой фазы обмотки от других фаз; витковую, изолирующую каждый виток катушки от других витков; проводниковую изоляцию каждого из проводов обмотки. Каждый из видов изоляции имеют свою специфическую конструкцию и к ним предъявляются различные требования.

18.  Окончательное значение плотности тока в обмотке статора ([1], стр. 172):

Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного размера.

Требования к пусковым характеристикам с короткозамкнутым ротором следует обязательно учитывать при выборе конфигурации пазов статора. Так, узкие и глубокие пазы с сужающейся верхней частью обеспечивают большое увеличение расчётного активного сопротивления при пуске и большие пусковые моменты, но при таких пазах возрастает индуктивное сопротивление рассеяния обмотки и уменьшается перегрузочная способность двигателя и коэффициент мощности при номинальном режиме.

Размеры пазов в электрических машинах должны быть выбраны таким образом, чтобы, во-первых, пло­щадь паза соответствовала количе­ству и размерам размещаемых в нем проводников обмотки с учетом всей изоляции и, во-вторых, чтобы значения индукций в зубцах и яр­ме статора находились в определен­ных пределах, зависящих от типа, мощности, исполнения машины и от марки электротехнической стали сердечника. Конфигурация пазов и зубцов определяется мощностью машины и типом обмотки. Расчет размеров зубцовой зоны проводят по допустимым индукциям в ярме и в зубцах статора.

На рис. 1 изображён паз статора для всыпной обмотки с соотношением размеров, обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов.

19.  Принимаем предварительно ([1], табл. 9.12):

 - значение индукция в ярме статора,

 - значение индукции в зубцах статора.

Тогда ширина зубца и высота ярма:

,

 - коэффициент заполнения сталью магнитопровода статора для оксидированных листов стали марки 2013

20. Размеры паза в штампе:

 - ширина шлица

 - высота шлица

Высота паза ([1], стр. 178):

Ширина паза в нижней части ([1], стр. 178):

Ширина паза в верхней части для ([1], стр. 178):

Высота  паза  между  наибольшей  шириной  и наименьшей для  ([1], стр. 179):

21. Размеры паза в свету ([1], табл. 9.14) с учётом припуска на сборку ,  

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников

,

где  - площадь поперечного сечения прокладок ,для однослойной обмотки

 - площадь поперечного сечения корпусной изоляции

,

где  - односторонняя толщина изоляции в пазу

22.  Коэффициент заполнения паза

Полученное значение коэффициента заполнение чрезмерно велико, т.к. среднее значение должно быть .

Не изменяя главных размеров, снизить значение  можно уменьшением  или увеличением . Уменьшение  приведёт к ещё большему увеличению индукции в зазоре, что недопустимо. Будем увеличивать . Для этого зададимся большими значениями  и , превышающими рекомендуемые на 10-12%:

23.  Коэффициент заполнения паза:

Полученное значение коэффициента заполнения паза превышает рекомендуемое примерно на 15%.

Расчёт ротора.

24.  Воздушный зазор ([1], рис. 9.31.)

.

25.  Число пазов ротора  ([1], стр. 373, табл. 9.18.) .

26.  Внешний диаметр

27.  Длина

28.

29.  Внутренний диаметр  ротора равен диаметру вала, так как сердечник непосредственно насажен на вал

30. , где  ([1], стр. 385, табл. 9.19).

31.  Ток в стержне ротора

,

где  - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение

 - коэффициент приведения токов

32.  Площадь поперечного сечения стержня ([1], стр. 186):

,

где  - плотность тока в стержнях ротора ([1], стр. 186) при заливке пазов алюминием рекомендуется в пределах , причём для меньшей мощности нужно брать большее значение; ввиду очень малой мощности двигателя принимаем плотность тока выше рекомендуемых пределов, иначе при расчёте  будет очень малым или под корнем получится отрицательное число.

33.  Выбираем трапецеидальные закрытые пазы ([1], стр. 380), которые при высоте оси вращения h<250мм имеют узкую прорезь со следующими размерами: , .

Допустимая ширина зубца

,

где  - допустимая индукция в зубцах ротора ([1], стр. 174)

Ширина паза в верхней части ([1], стр. 188):

Ширина паза в нижней части ([1], стр. 188):

Высота паза между центрами окружностей с диаметрами  и  ([1], стр. 188):

Полная высота паза:

Сечение стержня ([1], стр. 188):

34.  Плотность тока в стержне:

35.  Расчёт замыкающих колец:

Площадь поперечного сечения короткозамыкающих колец

,

где  - токи в кольце;

,

где  - коэффициент, зависящий от угла сдвига между токами в стержнях ([1], стр. 186) ;

 выбирают в среднем на 15-20% меньше, чем в стержнях, т.к. замыкающие кольца имеют лучшие условия охлаждения

Размеры замыкающих колец:

Средняя высота паза выбирается из условия  

 - средний диаметр замыкающего кольца.