Проектирование асинхронного двигателя 4А160М4У3

Проектирование асинхронного двигателя 4А160М4У3

Проектирование асинхронного двигателя 4А160М4У3

Введение

Целью курсового проектирования является расширение и закрепление знаний по курсу «Электрические машины», Овладение современными методами расчёта и конструирования электрических машин, приобретение навыков пользования справочной литературой и т.п.

Проектирование электрической машины состоит из расчёта и конструирования. Обычно делается расчёт нескольких вариантов, но из-за ограниченности времени достаточно рассчитать один вариант, базируясь на данных каталога единой серии асинхронных двигателей. При выполнении курсового проекта необходимо выполнить следующие расчёты:

- определение главных размеров машин;

- расчёт обмотки, паза и ярма статора;

- расчёт обмотки, паза и ярма ротора;

- расчёт магнитной цепи электродвигателя;

- определение параметров двигателя для рабочего режима;

- расчёт потерь мощности электродвигателя;

- определение рабочих характеристик электродвигателя;

- определение пусковых характеристик электродвигателя;

- тепловой расчёт.

Заключительным этапом проектирования является разработка конструкции двигателя, которая включается в виде сборочного чертежа в двух проекциях с продольным и поперечным разрезом.

1.      Определение главных размеров электродвигателя

Исходные данные:

- полезная мощность на валу P2=8,5 кВт

- число полюсов 2р=2

- номинальное напряжение U1=380/660 В

- высота оси вращения h=160 мм

- степень защиты IP44 (закрытое исполнение)

Расчёт главных размеров.

. Коэффициент полезного действия по табл. 2-1 [1] ηн=0,895.

. Коэффициент мощности по табл. 2-1 [1] cosφн=0,88

2.      Подводимая мощность

. Наружный диаметр сердечника по табл. 6-1 [1] DН1=272 мм.

. Внутренний диаметр сердечника статора по табл. 6-1 [1] D1=182 мм.

. Воздушный зазор по табл. 6-1 [1] δ=0,5 мм.

. Наружный диаметр сердечника ротора

DН2 = D1 -- 2·δ =208 - 2 · 1 = 181мм.

. Внутренний диаметр листов ротора (диаметр вала) по табл. 6-1 [1]

D2= 0.23 • Dн1 = 0.23 • 272 = 50 мм

9. Число аксиальных каналов ротора по табл. 6-1 [1]

nк2 = 0, т.к. h < 250 мм.

. Диаметр аксиальных каналов dк2 = 0, т.к. h < 250 мм.

. Марка стали 2013

. Толщина листов 0.5 мм

. Коэффициент заполнения сталью сердечника статора КС = 0.95

. Коэффициент заполнения сталью сердечника ротора КС = 0.97

. Число пазов статора z1=48 и ротора z2=38 по табл.6-1 [1].

2. Расчёт обмотки, паза и ярма статора

2.1    Тип и число витков обмотки

1.       Тип обмотки - однослойная вразвалку по табл. 6-1 [1].

2.       Форма пазов статора - трапециидальная полузакрытая.

.        Число пазов на полюс и фазу q1=4

.        Шаг обмотки по пазам по табл. 6-1 [1]

5.       Укорочение шага

6.       Коэффициент распределения

7.       Коэффициент укорочения

Ку = sin(β•90) = sin(1•90) = 1

8.       Обмоточный коэффициент

Ко1 = Ку1 • Кр1 = 0.818•0.958 = 0.958

9.       Магнитная индукция в воздушном зазоре по табл. 6-1 [1] Bδ=0.69 Тл

10.     Магнитный поток в воздушном зазоре

где l1n = 180 мм.

11.     Коэффициент падения напряжения в обмотке статоре рис. 2 [2]

КЕ = 0.985

12.     Число витков в обмотке фазы

13.     Число эффективных проводников в пазу

где а1 = 1 - число параллельных ветвей обмотки фазы

14.     Принятое число эффективных проводников в пазу Sn = 19

15.     Уточнённое число витков обмотки фазы

16.    
Эффективное число витков обмотки фазы статора

Wэф = W1 • Ko1 = 152 • 0,958 = 145

17.     Принятая длина сердечника статора по табл. 6-1 [1] l1 = 180 мм.

18.     Номинальный фазный ток

19.     Линейная нагрузка статора

20. Эффективная длина сердечника

lэф1 = l1n • Kc = 180 • 0.95 = 180 мм.

. Предварительное значение магнитной индукции в спинке статора по табл. 5 [2] Вс1 = 1.6 Тл

. Расчётная высота спинки статора

23. Высота паза статора

24. Зубцовое деление по внутреннему диаметру статора

2.2    Размеры паза статора и проводников обмотки статора

1. Предварительное значение магнитной индукции в расчётном сечении зуба по табл. 6 [2] Вz1 = 1.95 Тл.

. Ширина зуба с равновеликим сечением

. Большая ширина паза

4. Ширина шлица паза по табл. 6-1 [1] вш1 = 2 мм

. Высота шлица паза по табл. 6-1 [1] hш1 = 0,5мм

. Меньшая ширина паза

7. Площадь поперечного сечения паза в штампе

8. Площадь поперечного сечения паза в свету

вс = 0.4 мм - припуск на сборку сердечников по ширине паза (табл. 7 [2]); hc = 0.4 мм -- припуск на сборку сердечников по высоте паза (табл. 7 [2]).

. Площадь поперечного сечения корпусной изоляции

ви = 0.4 мм - односторонняя толщина корпусной изоляции (табл. 8 [2]).

. Площадь поперечного сечения паза, занимаемая обмоткой

где Qпр = площадь поперечного сечения прокладки между верхней и нижними катушками, на дне паза и под клин.

11. Максимально допустимый диаметр изолированного провода

где Кп = 0.75 - коэффициент заполнения паза изолированными проводниками

Sп = 19 - число эффективных проводников в пазу по табл. 6-1 [1]

. Число элементарных проводников в одном эффективном по табл. 6-1 [1] m = 3.

. Диаметр голого провода (табл. 6-1 [1]) d = 1.18 мм

. Диаметр изолированного провода (табл. 6-1 [1]) d’ = 1.6 мм.

. Сечение провода

16. Коэффициент заполнения паза

17. Плотность тока в обмотке статора

18. Характеристика тепловой нагрузки

А1 • γ1 = 328,658 • 6,28 = 2064.05 А2/(мм2•см)

. Среднее зубцовое деление статора

20.     Средняя ширина катушки обмотки статора

вср = tср • у1 = 14.63• 12 = 175.561мм

21.     Средняя длина лобовой части обмотки статора

lА1 = (1.16 + 0.14•p) • вср + 15 = (1.16 + 0.14•2)• 175.561+ 15 =267.808мм

22.     Средняя длина витка обмотки

ср1 = 2 • ( l1 + lA1) = 2 • ( 180 + 319.549) =895.616мм.

23.     Длина вылета лобовой части обмотки

в1 = ( 0.19 + 0.1•р) • вср + 10 = ( 0.19 + 0.1•1) • 175.561+10 = 78.469мм.

3.      Расчёт обмотки, паза и ярма ротора

1.       Форма пазов ротора - выбираем по табл. 6-1 [1] грушевидный закрытый паз.

2.       Зубцовое деление по наружному диаметру ротора

3.       Высота шлица hш2 = 0,7мм

Ширина шлица вш2 = 1.5 мм

4.       Больший радиус паза

5. Индукция в зубцах ротора принимаем по табл. 11 [2] Bz2 = 1.95 Тл.

. Высота паза hn2 = 34 мм по табл. 6-1 [1]

. Расчётная высота спинки ротора

8. Эффективная длина пакета ротора

lэф2 = Kc • l2 = 0.97 • 180 =174.6мм.

9. Магнитная индукция в спинке ротора

10. Меньший радиус паза

. Расстояние между центрами радиусов

h1 = hn2 - hш - h2 - r1 - r2 = 35 - 1 - 0.3 - 5.727 - 2.917 = 26.57мм

. Площадь поперечного сечения паза ротора и стержня

13. Поперечное сечение кольца литой клетки (предварительно)

. Высота кольца

hк = (1.1 … 1.25)•hn2 = 1.25•35 = 42.5мм.

. Длина кольца

. Принятое поперечное сечение кольца

Sк = hк • lк = 43.75 • 36.024 =787.012мм2

. Средний диаметр кольца

Dк ср = Dн2 - hк = 182 - 42.5 = 138.5мм.

4.      Параметры двигателя для рабочего режима

. Удельная проводимость меди обмотки статора при расчётной температуре (по табл. 12 [2]) γθм = 47 Ом•мм2/м

. Удельная проводимость алюминия обмотки ротора при расчётной температуре (по табл. 12 [2]) γθм = 21.5 Ом•мм2/м

. Активное сопротивление обмотки фазы

4. Активное сопротивление обмотки фазы, в О. Е.

5. Коэффициент влияния укороченного шага на пазовое рассеяние (по рис. 9 [2]) Кβ` = 1

. Коэффициент влияния укороченного шага на пазовое рассеяние (по рис. 9 [2]) Кβ = 1

. Коэффициент магнитной проводимости рассеяния пазов

hk = (в2 - вш1)/2 = (10.838 - 4)/2 = 3.013 мм.

8. Коэффициент, учитывающий демпфирующую реакцию токов (табл. 14) Кρ1 = 0.84.

. Коэффициент, учитывающий влияния открытия пазов статора

10. Коэффициент дифференциального рассеяния статора (табл. 13)

Кд1 = 0.0062.

. Коэффициент воздушного зазора, учитывающий зубчатость статора

. Коэффициент воздушного зазора, учитывающий зубчатость ротора

Принимаем Kδ2=1, т.к. пазы ротора закрытые.

. Коэффициент воздушного зазора

Kδ = Kδ1 • Kδ2 = 1.129 • 1 = 1.129.

. Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния статора

15. Коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых частей обмотки статора

где τ 1 - полюсное деление статора:

16. Суммарный коэффициент магнитной проводимости обмотки статора

Σλ1 = λn1 + λд1 + λА1 =1.142+0.637+2.176=4.994

. Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора

18. Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора в О.Е.

19. Активное сопротивление стержня клетки

. Сопротивление короткозамыкающих колец, приведённое к току стержня

. Коэффициент скоса пазов ротора

Принимаем Кск=1, т.к. пазы ротора закрытые.

. Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора

23. Активное сопротивление обмотки ротора, приведённое к обмотке статора

В относительных единицах

24. Коэффициент магнитной проводимости рассеяния пазов ротора

где ψ - коэффициент, учитывающий уменьшения проводимости пазового рассеяния при вытеснении тока. Принимаем ψ = 1.

25. Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния

где Кд2 - коэффициент дифференциального рассеяния ротора. Выбирается по табл. 13 [2] для q2 = z2 / (6•p)=4.7. Выбираем Кд2 = 0.048.

. Коэффициент магнитной проводимости рассеяния короткозамыкающих колец литой клетки (лобовых частей ротора)

27. Коэффициент проводимости рассеяния скоса пазов

Принимаем λск=0, т.к. пазы ротора закрытые.

. Суммарный коэффициент магнитной проводимости ротора

Σλ2 = λn2 + λд2 + λА2 + λск = 1.912+1.715+1.003+0=13.771

. Индуктивное сопротивление обмотки ротора

30. Индуктивное сопротивление рассеяния ротора, приведённое к обмотке статора

Х2’ = Кпр • Х2 = 1.595•103 • 3.292•10-4 = 6.589 Ом

В относительных единицах

5. Расчёт магнитной цепи электродвигателя

Воздушный зазор

. Магнитное напряжение воздушного напряжения на полюс

Зубцы статора

. Ширина зубца статора в расчётных сечениях

3. Магнитная индукция в расчётном сечении зубца статора

4. Расчётная длина магнитной силовой линии в зубце статора

Lz1 = hn1 = 41.531мм

. Магнитное напряжение зубцов статора

Fz1 = 0.1 • Hz1 • Lz1 = 0.1 • 13.3 • 36.142 = 55.237A

где Нz1 = 13,3 A/см по приложению 1 [2].

Зубцы ротора.

. Ширина зубца ротора в расчётных сечениях

. Магнитная индукция в расчётных сечениях

. Коэффициент, учитывающий ответвления магнитного потока в паз ротора

Кз = 0, т.к. Вz2 < 1.8 T.

9. Определение магнитного поля в зубце ротора по приложению 1 [2]

Нz2min = 13,3 А/см

Hz2max = 13,3 А/см

Hz2cp = 13,3 A/см

. Расчётное значение напряжённостей магнитного поля в зубце ротора

11. Расчётная длина магнитной силовой линии в зубце ротора

Lz2 = hn2 - 0.2 • r2 = 35 - 0.2 • 2.917 =33.577мм

. Магнитное напряжение зубцов ротора

Fz2 = 0.1 • Hz2 • Lz2 = 0.1 • 13.35 • 34.417 = 44.657A

Спинка статора

. Высота спинки статора

14. Магнитная индукция в спинке статора

15. Расчётная длина магнитной линии в спинке статора

. Магнитное напряжение спинки статора

Fc1 = 0.1 • Hc1 • Lc1 = 0.1 • 4.2 • 263.872 = 110.826

где Нс1 = 2,36 по приложению 4.

Спинка ротора

. Расчётная длина магнитной силовой линии спинки ротора

. Магнитная индукция в спинке ротора (см. выше)

. Магнитное напряжение в спинке ротора

Fc2 = 0.1 • Hc2 • Lc2 = 0.1 • 1,11 • 211.754 = 9.429A

где Нс2 = 1,11 - по приложение 3 [2]

Параметры магнитной цепи

. Намагничивающая сила магнитной цепи на один полюс

. Коэффициент насыщения магнитной цепи

. Намагничивающий ток

В процентах от номинального тока

. Главное индуктивное сопротивление

В относительных единицах

Коэффициент сопротивления статора

6. Расчёт постоянных потерь мощности

. Реактивная составляющая тока статора при идеальном холостом ходе

где коэффициент рассеяния ротора

. Электрические потери в обмотки статора при холостом ходе

. Расчётная масса стали зубцов статора

. Магнитные потери в зубцах статора

Рz1 = 4.4 • Bz1cp2 •Gz1 = 4.4 • 1,752 • 14,014 = 11.809Вт

. Расчётная масса стали спинки статора

. Магнитные потери в спинке статора

Рс1 = 4.4 • Bc12 •Gс1 = 4.4 • 1.452 • 78,637 = 44.889 Вт

. Суммарные потери в сердечнике статора при холостом ходу, включая добавочные потери

1.       Механические потери

где Кмх = 7 - коэффициент механических потерь

. Активная составляющая тока холостого хода

10. Ток холостого хода

асинхронный электродвигатель статор ротор

11. Коэффициент мощности при холостом ходе

7.     
Рабочие характеристики двигателя

Произведём расчёт рабочих характеристик машины при помощи программы для расчёта рабочих характеристик асинхронного двигателя (Ad3), разработанную Соломенником А.П. под руководством Тодарева В.В.

8. Определение пусковых характеристик электродвигателя

.1 Расчёт начального пускового тока и момента

. Приведённая высота проводника

где S = 1

hc = hn2 - hш2 = 34 - 1 = 33 мм

. Расчётная глубина проникновения тока в стержень

где φ = 2.074- рис.21 [3].

. Ширина стержня на расчётной глубине проникновения тока

. Площадь поперечного сечения стержня при расчётной глубине проникновения тока

5. Коэффициент вытеснения тока

. Активное сопротивление стержня клетки

. Активное сопротивление обмотки ротора, приведённое к обмотке статора

8.       Коэффициент проводимости рассеяния пазов ротора с учётом вытеснения тока

где ψ = 0.95 - коэффициент, учитывающий уменьшение проводимости пазового рассеяния при вытеснении тока (рис. 21 [3])

. Коэффициент проводимости рассеяния обмотки ротора

. Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учётом вытеснения тока

. Приведённое индуктивное сопротивление ротора

. параметры схемы замещения

. Приведённое активное сопротивление короткого замыкания

. Приведённое индуктивное сопротивление короткого замыкания

. Приведённое полное сопротивление короткого замыкания

. Составляющая коэффициента пазовой проводимости статора зависящая от насыщения

где Kβ` = 1

. Составляющая коэффициента проводимости статора, зависящая от насыщения

. Составляющая коэффициента пазовой проводимости ротора, зависящая от насыщения

. Составляющая коэффициента проводимости рассеяния ротора, зависящие от насыщения

. Индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, зависящее от насыщения

. Индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, не зависящее от насыщения

. Расчётный ток ротора при пуске

23. Расчётные параметры схемы замещения при пуске с учётом вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния:

полное сопротивление

индуктивное сопротивление

. Активная составляющая тока статора при спуске

. Реактивная составляющая тока статора при пуске

26. Фазный ток статора при пуске

. Кратность пускового тока

. Кратность пускового момента

8.2 Расчёт максимального момента

. Индуктивное сопротивление, зависящее от насыщения

x-- = 6.889Ом

. Индуктивное сопротивление, не зависящее от насыщения

. Расчётный ток ротора при M=Mmax с учётом насыщения

. Сопротивление схемы замещения при максимальном моменте

. Активная составляющая тока статора

. Реактивная составляющая тока статора

. Ток фазы статора при M = Mmax

. Кратность максимального момента

. Критическое скольжение

Рис. 1. Пусковые характеристики двигателя.

9. Тепловой расчёт

. Превышение температуры сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя

где K = 0.2 - коэффициент, учитывающий долю потерь в сердечнике статора, передаваемых воздуху двигателей (табл.17 [2]).

КΘ = 1.15 - коэффициент для приведения потерь в меди при расчётной температуре к максимально допустимой температуре при изоляции класса В;

α1 = 12,5 • 10-5 Вт/(мм2 • °С) - коэффициент теплопроводности с поверхности сердечника статора (рис. 4 [2]);

Рэ1 = 3 • R1 • I1н2 = 3 • 0.145 • 57.6272 = 1.124*10 3Вт

. Периметр поперечного сечения условной поверхности охлаждения паза статора

П1 = 2 • hn1 + вn1 + вn2 = 2 • 36.142 + 16.372 +10.838 = 104.083мм.

. Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора

где λэкв = 16 • 10-5 - эквивалентная удельная теплопроводность

λэкв’ = 14 • 10-4 - эквивалентный коэффициент теплопроводности внутренней изоляции катушки из круглого провода (рис. 13 [2]).

вu1 = 0.4 мм - односторонняя толщина изоляции в пазу статора (табл. 8 [2]).

. Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя

. Перепад температуры в изоляции лобовой части обмотки статора

. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя

. Сумма потерь при предельно допускаемой температуре, передаваемых воздуху внутри двигателя

Рдоб = 0.005 • Р1 = 0.005 • 65695 = 117.445Вт

Рэ2 = 3•(I’2)2•R’2=3•0.082•48.2462=297.048Вт

. Условная поверхность охлаждения двигателя

где hp• np = 300 мм - число и высота рёбер (рис. 15 [2])

. Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой охлаждающей среды

где αв = 2.2• 10-5 Вт/(°С • мм2) - коэффициент подогрева воздуха (рис. 16 [2])

. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой охлаждающей среды

ΔΘ1 = ΔΘ1` + ΔΘв = 19.764 + 58.15 = 71.896град.

Заключение

В данном курсовом проекте мной был рассчитан трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4А160М4У3 закрытого исполнения со степенью защиты IP44. Анализ данных, полученных в ходе расчёта, с данными справочника «Асинхронные двигатели серии 4А» показывает, что в конструктивном исполнении двигатель рассчитан правильно, так как все основные размеры статора и ротора сходятся или почти сходятся. Однако, сравнение рабочих и пусковых характеристик с характеристиками двигателя, приведенными в справочнике, говорит о том, что рассчитанный двигатель в этом отношении несколько отличается. Данное отклонение в расчёте пусковых и рабочих параметров электродвигателя можно отнести на счёт погрешности в инженерных расчетах.

Главной задачей курсовой работы является ознакомление с принципами работы и расчёт асинхронного двигателя. В настоящей курсовой работе эта цель выполнена.

Литература

1.   Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник. М. Энергоиздат, 1982.

2.       Методическое указание №2102 к курсовому проектированию по курсу "Электрические машины"

.        Проектирование электрических машин под ред.И. П. Копылова М. "Энергия". 1980.