Проектирование асинхронного двигателя основного исполнения 4АМ180М2УЗ
Введение
Электрические машины играют решающую роль в
современной электроэнергетике. Асинхронные двигатели занимают главное место
среди всех видов электрических двигателей. На них приходиться потребление более
80 процентов всей вырабатываемой электроэнергии. Поэтому проектирование,
эксплутационные свойства производство и эксплуатация асинхронных двигателей
являются важным фактором экономики нашей страны.
В данной работе производим проектирование
асинхронного двигателя основного исполнения 4АМ180М2УЗ. При проектировании
электрической машины рассчитываем размеры статора и ротора, производим расчет
характеристик машины и приближенный тепловой расчет, выбираем типы обмоток,
обмоточные провода, изоляцию материалы, активных и конструктивных частей
двигателя. Отдельные части рассчитываем и конструируем так, чтобы при
изготовлении машины трудоемкость и расход материалов был наименьшими, а при
эксплуатации машина обладала наилучшими энергетическими показателями, для этого
пользуемся указаниями и данными из литературы. При проектировании учитывали
необходимость соответствия экономических и технических показателей двигателя
требованиям государственным и отраслевым стандартам.
Проектируемый асинхронный двигатель имеет
конструктивное исполнение IМ
1081 (ГОСТ 2479-79), степень защиты IP44
(ГОСТ 17494-72), способ охлаждения ICA0141(ГОСТ
20459-75), климатическое исполнение УЗ (ГОСТ15150-69).
1.
Выбор главных размеров
. Число пар полюсов: 2р=2
. Высота оси вращения: h=160
мм.
Из таб. 6-6[1] принимаем Da=272мм.
. Внутренний диаметр статора ( по таб. 6-7[1]):
мм
.Полюсное деление:
мм
.Расчетная мощность:
кВт
kE по рис. 6-8
.Электромагнитные
нагрузки(предварительно) по рис. 6-11[1]
А=36000А/м; В=0.74Тл.
.Обмоточный коэффициент для
двухслойной обмотки (предварительно)kоб=0.95
.Расчетная длина воздушного зазора:
мм
рад/с
9.Отношение
в норме (рис.6-14,а[1])
2. Расчет
статора
10. Предельные значения t1
(по рис. 6-15[1]): t1max=16.4мм,t1min=14.4мм
. Число пазов статора
Принимаем Z1=30 , тогда
12.Зубцовое деление статора
(окончательно):
мм
.Число эффективных проводников в
пазу, при условии, а=1:
Номинальный ток статора
(предварительно)
А
.Число эффективных проводников в
пазу округляем до целого числа .
.Окончательные значения
электромагнитной нагрузки:
Число витков в фазе обмотки
А/м
Вб
Тл
Значения находятся в допустимых
пределах (рис. 6-11 [1])
.Плотность тока в обмотке статора
(предварительно):
А/мм2
где AJ=180×109 А2/м2
(по рис. 6-16,б [1])
.Сечение эффективного
проводника(предварительно):
мм2
принимаем nэл=2, тогда . Обмоточный
провод ПЭТМ в таблице П-28[1] ,
qэл=2.83 мм2,
dэл=1.9 мм, dиз=1.995мм, qэф=5.66мм2.
.Плотность тока в обмотке статора:
А/мм2
Плотность тока в обмотке статора
отличается от зaданной менее чем 10%:(0.66%).
Расчёт размеров зубцовой зоны
статора и воздушного зазора.
19.Принимаем по таб. 6-10 [1]
индукцию в зубцахBZ1=1.9Тл и ярме Ba=1.6Тл
статора. Для оксидированных листов стали kС=0.97
Ширина зубца.
мм
Высота ярма.
мм
.Размеры паза в штампе принимаем: hш=1мм; bш=4мм.
Высота паза.
мм Рис.1
Большая ширина паза
мм
Меньшая ширина паза
мм
Высота обмотки в пазу
мм
.Размеры паза на просвет с учетом
припуска на сборку:
мм
мм
мм
Площадь поперечного сечения
корпусной изоляции в пазу, односторонняя толщина изоляции по таб. 3-8 bиз=0.4мм,:
мм2
Площадь поперечного сечения
прокладки для двигателей с h = 180 мм по [1], (6-49):
мм2
Площадь сечения, приходящаяся для
размещения проводников:
мм2
22.Коэффициент заполнения паза:
Полученное значение коэффициента
соответствует требованиям ручной укладки [2].Наносим размеры паза на рис.1
3.
Расчет ротора
.Воздушный зазор:
мм
24.Число пазов ротора (по таб.
6-15): Z2=22
.Внешний диаметр ротора:
мм
.Длина ротора: l2=ld=92.9мм
.Зубцовое деление ротора:
мм
.Внутренний диаметр ротора
соответствует диаметру вала, так как сердечник непосредственно насажен на вал.
(Коэффициент для расчета диаметра вала при h=71-250 ( табл. 6-16)
мм
.Ток в стержне короткозамкнутой
обмотки ротора:
А
ki=0.92-коэффициент,
учитывающий влияние тока намагничивания и соотношение сопротивлений на
отношение I1/I2(по рис
6-22[1]).
30.Площадь поперечного сечения
стержня: плотность тока в стержне литой клетки принимаем, J2=4 А/мм2
мм2
.Паз ротора:
По таб. 6-10 [1] индукцию в зубцах
ротора BZ1=1.85Тл.
Допустимая ширина зубца ротора
мм
Размеры паза ротора:
принимаем hш=1мм;bш=1.5мм;hш¢=1мм.
мм
Меньшая ширина паза
мм
Контроль правильности: при мм мм
Высота пазов между центрами:
мм
Сечение стержня:
мм2
Полная высота паза:
мм
.Плотность тока в стержне
короткозамкнутой обмотки ротора
А/мм2
Наносим размеры паза ротора на рис.2
.Площадь поперечного сечения
короткозамыкающих колец
мм2
А
Плотность тока
Размеры короткозамыкающих колец
мм
мм
мм2
мм
3. Расчет намагничивающего тока
.Значения индукции:
в зубце статора:
Тл
в зубце ротора:
Тл
в ярме статора:
Тл
Расчетная высота ярма ротора при
непосредственной посадке на вал, с учетом того что часть магнитных линий
замыкается по валу:
мм
в ярме ротора:
Тл
Контроль правильности: значения
индукции не превышают максимальных значений по табл.6-10[1].
.Магнитное напряжение в воздушном
зазоре:
А
Коэффициент воздушного зазора
(Картера) [1]:
36.Магнитное напряжение зубцовой
зоны статора:
А
Для зубцов из стали 2013 HZ1=2070A/м при BZ1=1.9Тл(табл.
П-17)
Магнитное напряжение зубцовой зоны
ротора:
А
Для зубцов из стали 2013 HZ2=1740A/м при BZ2=1.845Тл(табл.
П-17)
.Коэффициент насыщения зубцовой зоны
Контроль правильности: коэффициент
насыщения зубцовой зоны должен иметь значения
. Магнитное напряжение ярма статора:
А
Для стали 2013 Hа=750A/м при Bа=1.6Тл
(табл. П-16)
Длина средней магнитной линии в ярме
статора:
мм
Магнитное напряжение ярма ротора:
А
Для стали 2013 =392A/м при =1.39Тл
(табл. П-16)
Длина средней магнитной линии в ярме
ротора:
39. Магнитное напряжение на пару
полюсов:
А
.Коэффициент насыщения магнитной
цепи:
41.Намагничивающий ток:
А
Намагничивающий ток в относительных
единицах:
4. Расчет параметров рабочего режима
42.Активное сопротивление фазы обмотки статора:
Ом
Для изоляции класса нагревостойкости
F имеем
расчетную температуру qрасч=115°С. [1]
Длина обмоточного провода:
мм
Длина витка:
мм
Длина части провода, уложенной в паз
мм
Длина лобовой части витка
мм
Кл , Квыл по таб. 6-19[1]
Средняя ширина катушки:
мм
В=0.01м -длина вылета прямолинейной
части катушки.
мм
Активное сопротивление статора в
относительных единицах
.Активное сопротивление фазы обмотки
ротора
Ом
Сопротивление стержня:
Ом
Сопротивление кольцевой части:
Ом
асинхронный двигатель
статор размер
Сопротивление ротора, приведенное к
числу витков обмотки статора:
Ом
Активное приведенное сопротивление
ротора в относительных единицах
44. Коэффициенты магнитной
проводимости обмотки статора коэффициент проводимости пазового рассеяния для
трапецеидального полузакрытого паза (табл.6-22)
; ;
Индуктивное сопротивление фазы
обмотки статора
Коэффициент магнитной проводимости
пазового рассеянья статора:
Коэффициент магнитной проводимости
рассеянья лобовой части статора:
Коэффициент магнитной проводимости
дифференциального рассеянья обмотки статора:
Активное сопротивление статора в
относительных единицах
.Индуктивное сопротивление фазы
обмотки ротора
Ом
Коэффициент магнитной проводимости
пазового рассеянья ротора:
Коэффициент магнитной проводимости
рассеянья лобовой части:
Коэффициент магнитной проводимости
дифференциального рассеянья:
DZ=0 по рис.6-39, а[1]
Индуктивное сопротивление ротора,
приведенное к числу витков обмотки статора:
Ом
Индуктивное приведенное
сопротивление ротора в относительных единицах:
5. Расчет потерь
.Основные потери в стали
=242.327 Вт
Для стали марки 2013
Р1.0/50=2.5Вт/кг. По таб. 6-24 kda=1.6; kdz=1.8; [1]
Масса ярма статора:
мм
Масса зубцовой зоны статора:
кг
.Поверхностнвые потери в роторе:
Вт
Амплитуда пульсаций
Тл
по рис 6-41 b02=0.35. [1]
Удельные поверхностные потери ротора:
Вт/м2
.Пульсационные потери в зубцах
ротора:
Вт
Амплитуда пульсации индукции в среднем
сечении зубца ротора
Тл
Масса зубцовой зоны ротора:
кг
.Сумма добавочных потерь в стали:
Вт
.Полные потери в стали:
Вт
.Механические потери:
Вт
.Добавочные потери при номинальном
режиме:
Вт
.Холостой ход двигателя и расчет
цепи намагничивания.
Электрические потери в статоре
холостого хода:
Вт
Активная составляющая тока холостого
хода:
А
Полный ток холостого хода:
А
Параметры цепи намагничивания:
Ом
Ом
Сопротивления цепи намагничивания в
относительных единицах:
6. Расчет рабочих характеристик
.Преобразуем схему замещения к
“Г-образному” виду:
Угол g меньше 1°
поэтому [1] применяем упрощенную формулы:
Ом
Ом
Активный ток в цепи намагничивания:
А
Потери, не меняющиеся при изменении
скольжения:
кВт
Рассчитываем рабочие характеристики
задаваясь s=0.05;0.01;0.015;0.020;0.025;0.030.
Результаты расчета представлены в
таб.2 .Характеристики представлены на рис.4,5
После построения кривых по по рис.4
уточняем значение номинального скольжения sH=0.03.
Рассчитываем параметры номинального
режима.
Номинальные данные спроектированного
двигателя:
Мощность на валу двигателя Р2=15
кВт.
Питание от сети U1Н=220/380
В.
Ток статора в номинальном режиме I1H=28.692 А.
cosjH=08.9.
h=0.89.
Данные расчета рабочих характеристик
асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
P2H=15 кВт;
U1H=220/380 B; 2p=2 ; I1H=28.692 A; РСТ+Рмех=0.767
кВт;
Рдоб=0.165кВт
; I0a=0.379A ; I0р»Im=4.883A;
r1=0.323 Ом;
r2¢=0.254
Ом;
с1=1.027; а¢=1.055 Ом;
а=0.331 Ом; b¢=0; b=2.206Ом
№
п/п
|
Расчетная
формула
|
Единица
|
Скольжение
|
|
|
|
0.005
|
0.010
|
0.015
|
0.020
|
0.025
|
0.030
|
|
1
|
Ом
|
53.671
|
26.836
|
17.89
|
13.418
|
10.734
|
8.945
|
|
|
2
|
Ом
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
0
|
|
|
3
|
Ом
|
54.003
|
27.167
|
18.222
|
13.749
|
11.066
|
9.277
|
|
|
4
|
Ом
|
2.206
|
2.206
|
2.206
|
2.206
|
2.206
|
2.206
|
|
|
5
|
Ом
|
54.048
|
27.256
|
18.355
|
13.925
|
9.535
|
|
|
6
|
А
|
4.070
|
8.072
|
11.986
|
15.799
|
19.498
|
23.072
|
|
|
7
|
|
0.999
|
0.997
|
0.993
|
0.987
|
0.981
|
0.973
|
|
|
8
|
|
0.041
|
0.081
|
0.120
|
0.158
|
0.196
|
0.231
|
|
|
9
|
A
|
4.446
|
8.424
|
12.278
|
15.978
|
19.500
|
22.825
|
|
|
10
|
А
|
5.049
|
5.536
|
6.323
|
7.386
|
8.695
|
10.221
|
|
|
11
|
А
|
6.727
|
10.08
|
13.811
|
17.603
|
21.351
|
25.009
|
|
|
12
|
А
|
4.180
|
8.289
|
12.308
|
16.224
|
20.022
|
23.693
|
|
|
13
|
кВт
|
2.934
|
5.56
|
8.103
|
10.546
|
12.87
|
15.065
|
|
|
14
|
кВт
|
0.044
|
0.098
|
0.185
|
0.300
|
0.441
|
0.605
|
|
|
15
|
кВт
|
0.013
|
0.052
|
0.116
|
0.201
|
0.306
|
0.429
|
|
|
16
|
кВт
|
0.0046
|
0.01
|
0.02
|
0.032
|
0.047
|
0.064
|
|
|
17
|
кВт
|
0.829
|
0.928
|
1.087
|
1.3
|
1.561
|
1.865
|
|
|
18
|
кВт
|
2.105
|
4.631
|
7.016
|
9.246
|
11.309
|
13.199
|
|
|
19
|
|
0.717
|
0.833
|
0.866
|
0.877
|
0.879
|
0.876
|
|
|
20
|
|
0.661
|
0.836
|
0.889
|
0.908
|
0.913
|
0.913
|
|
|
7. Расчет пусковых характеристик
Рассчитываем характеристики для пускового
момента (s=1) в качестве
примера расчета.
.Расчет влияния вытеснения тока
Приведенная высота стержня ротора:
По рис.6-46 [1] j=0.4; по рис. 6-47 [1]
Кд=0.86.
Глубина проникновения тока в
стержень ротора
мм
мм
Площадь части стержня, в которой
протекает ток:
Коэффициент, показывающий, во сколько раз
увеличилось сопротивление пазовой части стержня при неравномерной плотности
тока в нем, по сравнению с его сопротивлением при одинаковой плотности тока по
всему сечению стержня:
Коэффициент, показывающий, во
сколько раз увеличилось активное сопротивление фазы короткозамкнутого ротора
при неравномерной плотности тока в стержне:
Коэффициент, показывающий, как
изменилось индуктивное сопротивление фазы короткозамкнутого ротора при
неравномерной плотности тока в стержне:
Коэффициент магнитной проводимости пазового
рассеянья ротора с учетом вытеснения тока (для s=1предварительно
принимаем I2П/I2H=6.5):
Параметры двигателя с учетом вытеснения тока:
Ом
Ом
Ток ротора без учета влияния
насыщения:
А
.Учет влияния насыщения на
параметры. Принимаем для s=1 kНАС=1.4 по
рекомендациям [1] и I1»I2¢ и проводим расчет для kНАС ×I1=1.3×101.371=131.78
А
Средняя МДС обмотки, отнесенная к
одному пазу статора:
А
Фиктивная индукция потока рассеянья
в зазоре:
Тл
По полученному значению Вфd определяется по рис.6-50 [1]
коэффициент cd =0.47,
характеризующий отношение потока рассеянья при насыщении к потоку рассеянья
ненасыщенной машины.
Дополнительное раскрытие пазов
статора:
мм
Вызванное насыщением от полей
рассеянья уменьшение коэффициента магнитной проводимости пазового рассеянья
обмотки статора:
Коэффициент магнитной проводимости
пазового рассеянья обмотки статора с учетом насыщения:
Коэффициент магнитной проводимости
дифференциального рассеянья обмотки статора с учетом влияния насыщения:
Индуктивное сопротивление фазы
обмотки статора с учетом влияния насыщения:
Ом
Вызванное насыщением от полей
рассеянья уменьшение коэффициента магнитной проводимости пазового рассеянья
стержня ротора:
дополнительное раскрытие пазов
ротора.
Коэффициент магнитной проводимости
пазового рассеянья обмотки статора с учетом влияния насыщения и вытеснения
тока:
Коэффициент магнитной проводимости
дифференциального рассеянья фазы ротора с учетом влияния насыщения:
Индуктивное сопротивление фазы
обмотки ротора с учетом влияния насыщения и вытеснения тока:
Ом
Сопротивление взаимной индукции
обмоток при пуске:
Ом
Расчет токов и моментов:
Ом
Ом
А
А
Полученное значение тока I1 отличается
от принятого при расчете менее чем на 5%, что является допустимым.
Относительные величины тока и момента:
Критическое скольжение определяем
после расчета всех точек пусковых характеристик по средним значениям
сопротивлений на участке 0.05-0.2.
8. Тепловой расчет
Тепловой расчет производим в
упрощенном виде.
.Превышение температуры внутренней
поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя:
Вт
По рис. 6-63[1] выбираем Пр; по рис.
6-59 [1] выбираем a1 и aВ
Расчетный периметр поперечного
сечения паза
мм
Перепад температуры в изоляции
лобовой части обмотки статора
Вт
Превышение температуры наружной
поверхности лобовой части обмотки статора над температурой воздуха внутри
двигателя
Среднее превышение температуры
обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя:
Превышение температуры внутри
двигателя над температурой окружающей среды:
Вт
м2
Среднее превышение температуры
обмотки статора над температурой окружающей среды:
°С
.Расчет вентиляции. Требуемый для
охлаждения расход воздуха:
м3/с
Расход воздуха, обеспечиваемый наружным
вентилятором должен быть больше расхода воздуха на охлаждение:
м3/с
Вывод
В результате проведенной работы был произведен
расчет параметров и конструкции асинхронного двигателя АИР180S2. Были получены
размеры электрической части конструкции, такие как внутренний диаметр статора,
размеры воздушного зазора между статором и ротором, длина статора и ротора,
число и размеры пазов статора и ротора. Исходя из выбранных размеров, были
рассчитаны параметры схемы замещения. По параметрам схемы замещения были
получены рабочие и пусковые характеристики.
Таблица 4
|
Мощ-ность,
кВт
|
Сколь-жение,
%
|
КПД,
%
|
cosf
|
|
|
|
Каталожный
|
15.00
|
3
|
89
|
0,89
|
2.70
|
1.8
|
7.0
|
Рассчитан-ный
|
15.06
|
3
|
88
|
0.91
|
2.71
|
1.3
|
5.2
|
Литература
.Проектирование электрических машин
: Учебное пособие для вузов. И.П. Копылов, Ф.А. Горяинов и др. Под ред. И.П
Копылова.-М.:Энергия,1980.-496с.
.Справочник по электрическим
машинам: В 2 т./Под ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова
т.1-М.:Энергоатомиздат,1988.-456 с.
. Пиотровский Л.М. Электрические
машины. -М.: Энергия, 1950.