Проектирование судовых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Проектирование судовых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором

Введение

Согласно заданию необходимо спроектировать трёхфазный асинхронный двигатель мощностью 37 кВт, с частотой вращения 3000 об/мин, напряжением 220 / 380 В при частоте 50 Гц, КПД составляет 90% и коэффициент мощности, соответственно, 0,89; ротор - короткозамкнутый, исполнение двигателя по степени защиты IP44. В качестве базовой модели принята конструкция асинхронного двигателя типа 4А200М2У3.

При проектировании использована методика и рекомендации, содержащиеся в методическом пособии «Электрические машины. Курсовое проектирование судовых асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором», автор А.А. Ушакевич.

Число пар полюсов

Электромагнитный расчёт

Определение главных размеров.

Главными размерами асинхронной машины являются внутренний диаметр статора и расчётная длина воздушного зазора . Главными они называются потому, что определяют в основном все остальные показатели машины. От размеров  и и соотношения между ними зависят объём активной части машины, её масса, степень использования активной части, технико-экономические и другие важные показатели машины.

Наружный диаметр статора  выбирается в зависимости от заданной высоты оси вращения  по табл. 1.

Таблица 1

Принимаем значение и .

Внутренний диаметр статора  в общем случае может быть определён по наружному диаметру, высотам ярма и зубцового слоя:

На указанном этапе расчёта размеры и  неизвестны. Поэтому для расчёта внутреннего диаметра используют:

Значение  принимаем из таблицы 2.

Таблица 2

Принимаем  

Находим внутренний диаметр:

Расчётная длина воздушного зазора  определяется:

где - расчётная мощность, Вт;

 - внутренний диаметр статора, м;

 - угловая частота вращения, рад/с;

 - коэффициент формы поля ();

 - обмоточный коэффициент, выбираемый в зависимости от типа обмотки статора. Для двухслойных обмоток =0,9;

 - линейная нагрузка, А/м;

- индукция в воздушном зазоре, Тл.

Расчётная мощность определяется по формуле:

где - номинальная мощность, Вт;

- коэффициент отношения ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению;

 - КПД машины

 - коэффициент мощности

 [ рис.1(в) стр.13] принимаем 0,985

Расчётная мощность будет равна:

Находим  и [ рис.2(б) стр.14]:  и

Определяем угловую частоту вращения:

Критерием правильности выбора главных размеров  и  служит отношение

где - полюсное деление, в м, вычисляемое по формуле

Находим  

Величина  должна находиться в пределах [рис.3 стр.15].

Величина  находится в допустимых пределах.

Проектирование статора.

Выбираем тип обмотки и форму паза для статора из табл.3

Таблица 3

Тип обмотки: Двухслойная всыпная Форма паза: Трапецеидальный полузакрытый

Находим предельные значения

 [рис.11, стр.67]:  ,

где - зубцовое деление статора

Предварительно определяем число пазов статора:

Из этого промежутка принимаем число пазов статора

Определяем число пазов на полюс и фазу:

, где - число фаз;

Окончательно определяем зубцовое деление статора:

Полученное значение зубцового деления  должно быть не менее минимального рекомендуемого значения (табл.4)

Находим число эффективных проводников в пазу (предварительно при условии )

 (здесь - номинальный фазный ток обмотки статора)

Величина определяется по формуле:

, где - номинальное фазное напряжение.

Принимаем , т.к. при этом значении номинальный фазный ток обмотки статора в параллельной ветви обмотки статора не превышает 50-55 А.

Определяем число параллельных ветвей  в обмотке статора. При выборе числа параллельных ветвей следует обязательно проверить выполнимость обмотки, т.е. соотношение . Для двухслойных обмоток:  должно быть целым числом.

Принимаем . Отсюда находим (окончательно) число эффективных проводников в пазу: .

Находим число последовательно соединённых витков в фазе обмотки статора :

Уточняем электромагнитные нагрузки  и :

Чтобы уточнить , нужно найти величину потока:

Здесь уточняем :

(для двухслойных обмоток относительный шаг обмотки рекомендуется принимать )

двигатель асинхронный статор ротор ток

Значения  и  находятся в допустимых пределах [рис.2(б) стр.14].

Размеры проводника обмотки статора определяются исходя из теплового фактора , который характеризует тепловую нагрузку (или нагрев пазовой части) обмотки статора. Для этого по кривым [рис.4 стр.20] выбираем произведение .

Далее определяем допустимую плотность тока :

Предварительно определяем сечение эффективного проводника:

Принимаем число элементарных проводников , тогда мы можем определить площадь поперечного сечения неизолированного провода:

Выбираем ближайшее значение [табл.6 стр.22]:

По этому значению определяем номинальный диаметр неизолированного провода  и среднее значение диаметра изолированного провода :

 и

Уточним сечение эффективного проводника:

Уточним плотность тока в обмотке статора:

Проведём расчёт размеров зубцовой зоны статора. Для этого зададимся значениями индукций в ярме статора  и в зубце  [табл.7 стр. 23]:  и .

По допустимым значениям индукций определяем высоту ярма  и ширину зубца :

,

- для сердечников статоров, которые шихтуются в один пакет

- коэффициент заполнения сталью магнитопровода статора [табл.8 стр.24]

 (для оксидированных листов)

В двигателях серии 4А с высоту шлица увеличивают до

,

где  и - соответственно высота и ширина шлица.

Размеры паза в штампе принимаем:

и .

Находим размеры паза в свету с учётом припуска на сборку:

 и  определяем по табл.5

Таблица 5

Находим площадь поперечного сечения паза для размещения проводников:

,

где  - площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу

 - площадь поперечного сечения прокладок

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу:

;  - односторонняя толщина корпусной изоляции в пазу

 [табл.10 стр.27]

Площадь поперечного сечения прокладок:

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников:

Определяем коэффициент заполнения паза:

;

В современном электромашиностроении плотность укладки обмотки выполняется такой, чтобы коэффициент  был в пределах 0,70,75 при ручной укладке обмотки и 0,70,72 при механической укладке.

Т.к.  не попадает ни в один предел, то необходимо уменьшить длину сердечника статора за счёт увеличения линейной нагрузки  примерно но 10% и повторить расчёт обмотки и паза для нового значения.

Пересчитаем:

Увеличим  на 10%:

 находится в пределе 0,70,75 ручная укладка обмотки

Проектирование короткозамкнутого ротора.

Необходимо выбрать величину воздушного зазора  [Рис.6 стр.32]

Выбранное значение  следует округлить с погрешностью до при

Определяем число пазов ротора  [табл.12 стр.34]

Двигатели с высотами оси вращения свыше 160 мм обычно выполняются без скоса пазов на роторе.

В двигателях с высотами оси вращения до 250 мм включительно обычно принимается

Находим внешний диаметр :

Длина ротора

Зубцовое деление

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

  определяем по табл.6

Таблица 6

Находим ток в стержне ротора:

; [рис.14 стр.74];

Площадь поперечного сечения:

;  - плотность тока в стержне литой клетки;

Определяем паз ротора [рис.7 стр.36]. В двигателях при высоте  выполняются грушевидные закрытые пазы со следующими размерами шлица:

; ;

Допустимая ширина зубца:

Размеры паза:

После расчёта размеры паза ротора следует округлить до десятых долей миллиметра:

Определяем полную высоту паза:

Сечение стержня:

Плотность тока в стержне:

Замыкающие кольца короткозамкнутого ротора являются литыми [рис.15 стр.75]

Площадь поперечного сечения:

где  - коэффициент приведения токов в кольце к току в стержне

Размеры замыкающих колец:

где  - средний диаметр замыкающих колец

 - средние высота ширина колец

Рис.1 Размеры замыкающих колец КЗ-ротора с литой обмоткой

а)                                            б)

Рис.2 Пазы спроектированного двигателя: а - статора, б - ротора

Расчёт магнитной цепи и намагничивающего тока

Значения индукций:

Расчётная высота ярма:

, т.к. отсутствуют аксиальные вентиляционные каналы

Находим магнитное напряжение воздушного зазора:

,

где  - коэффициент воздушного зазора (коэффициент Картера)

,

где

Теперь определим магнитные напряжения зубцовых зон статора:

(По табл. прил. В [стр.104] для стали 2013

 при ;

 при ; ;

)

Исходя из предыдущего, можно найти коэффициент насыщения зубцовой зоны:

 ;

Магнитные напряжения ярм статора и ротора:

( По табл. прил. Д [стр. 107]  при ;  при ;

Магнитное напряжение на пару полюсов:

Коэффициент насыщения магнитной цепи:

Находим намагничивающий ток и его относительное значение:

Расчёт параметров двигателя для номинального режима

Под параметрами двигателя следует понимать активные и индуктивные сопротивления обмоток статора , ; ротора , ; сопротивление взаимной индуктивности  и расчётное сопротивление  (или ), введением которого учитывают влияние потерь в стали статора на характеристики двигателя.

В расчётных формулах активных сопротивлений обмотки статора и фазы обмотки короткозамкнутого ротора значение удельного сопротивления для меди и литого алюминия необходимо подставлять при температурах 75 или 115 в зависимости от выбранного класса изоляции обмотки статора [табл.16 стр.44].

Для класса нагревостойкости  расчётная  Для меди .

Активное сопротивление фазы обмотки статора определяется по формуле:

,

где  - общая длина эффективных проводников фазы обмотки, м;

 - сечение эффективного проводника, м;

 - число параллельных ветвей;

 - удельное сопротивление материала обмотки при расчётной температуре.

Общая длина проводников фазы обмотки определяется по формуле:

,

где  - средняя длина витка обмотки, м;

 - число витков фазы.

Среднюю длину витка  находят как сумму прямолинейных пазовых и изогнутых лобовых частей катушки:

Длина пазовой части  равна конструктивной длине сердечников машины

Лобовая часть катушки имеет сложную конфигурацию и определяется по эмпирическим формулам. Длина лобовой части катушки для всыпной обмотки статора определяется по формуле:

где - средняя ширина катушки, м, определяется по дуге окружности, проходящей по середине высоты пазов, т.е. :

,

где  - относительное укорочение шага обмотки статора;

 - коэффициент, зависящий от числа полюсов и наличия изоляции в лобовых частях [табл.22 стр.79];

- длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части, м. В расчётах значение  принимают равным 0,01 м.

Длина вылета лобовой части обмотки, т.е. расстояние от торца сердечника до конца лобовой части обмотки определяется по формуле:

, [табл.22 стр.79]

Сопротивление обмотки фазы статора в относительных единицах определяется по формуле:

,

где  - активное сопротивление фазы статора, Ом;

 - номинальная сила тока фазы статора, А;

 - номинальное напряжение фазы статора;

Активное сопротивление фазы короткозамкнутого ротора определяется следующим образом:

где  - сопротивление стержня, Ом

 - сопротивление участка замыкающего кольца, заключённого между двумя соседними стержнями, Ом

 - для литой алюминиевой обмотки ротора

Сопротивление  для дальнейших расчётов должно быть приведено к числу витков первичной обмотки по формуле:

Находим относительное значение:

Расчёт индуктивных сопротивлений рассеяния обмотки статора ведётся по формуле:

,

где - суммарный коэффициент удельной магнитной проводимости обмотки статора, который определяется по формуле:

,

где  - коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора,

 - коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки статора,

 - коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора.

 - [табл.17, рис.10(з), стр.50]

При двухслойной обмотке с укорочением шага

,

Коэффициент  определяется по формуле:

; ; ;  

Коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки статора определяется по формуле:

Для электрических машин с длиной статора до 300 мм радиальные вентиляционные каналы отсутствуют, и тогда .

Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора определяется по формуле:

Коэффициент  зависит от формы пазов статора и ротора, от наличия скоса пазов и определяется следующим образом:

Для полузакрытых или полуоткрытых пазах статора без учёта скоса:

,

 - коэффициент скоса (при отсутствии скоса пазов равен нулю)

Находим относительное значение:

Индуктивное сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора определяют по формуле:

Коэффициент удельной магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора  рассчитывается в зависимости от размеров и расположения замыкающих колец короткозамкнутой обмотки [табл.23 стр.81-82] и в зависимости от конфигурации паза ротора [рис.17 стр.82].

; ;  (для номинального режима); .

Коэффициент удельной магнитной проводимости лобового рассеяния короткозамкнутого ротора  рассчитывают в зависимости от размеров и расположения замыкающих колец короткозамкнутой обмотки следующим образом:

В роторах с литыми обмотками при замыкающих кольцах, прилегающих к торцам сердечника ротора, используют формулу:

Коэффициент удельной магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора  определяется по формуле:

,

так как  и

Приведённое к числу витков первичной обмотки индуктивное сопротивление рассеяния фазы ротора определяется по формуле:

Находим относительное значение:

Расчёт потерь мощности и КПД

В асинхронном двигателе различают следующие виды потерь:

•        - потери в стали (основные и добавочные);

•         - механические и вентиляционные потери;

•         - электрические потери в обмотке статора;

•         - электрические потери в обмотке короткозамкнутого ротора;

•         - добавочные потери в двигателе при нагрузке.

Потери мощности определяются при установившемся режиме работы асинхронного двигателя для расчёта КПД и нагрева машины.

Основные потери в стали ярма и зубцов статора рассчитываются по формуле:

,

где показатель степени  и удельные потери в стали  определяются в зависимости от марки стали [табл.18 стр.55]

 и  - коэффициенты, учитывающие влияние на потери в стали неравномерности распределения потока по сечениям участков магнитопровода, а также технологические факторы. Для машин мощностью меньше 250 кВт приближённо можно принять  и ;

 и  - соответственно индукция в ярме и средняя индукция в зубцах статора, Тл;  и  - соответственно масса стали ярма и зубцов статора, кг, рассчитываемая по формулам:

, ;

 - высота ярма статора, м, рассчитываемая по формуле:

;

 - расчётная высота зубца статора, м

 - средняя ширина зубца статора, м, определяемая по формуле:

 - удельная масса стали (в расчётах принимают ).

Поверхностные потери в роторе:

удельные поверхностные потери

 - коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности зубцов ротора на удельные потери, =1,41,8

 - амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов

 [рис.18 стр.85]

,

где  - амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов;

,

 - средняя индукция в зубцах ротора, Тл;

 - масса стали зубцов ротора

Таким образом, добавочные потери в стали определяются по формуле:

Общие потери в стали асинхронных двигателей определяются по формуле:

Механические потери определяются по формуле:

Добавочные потери при номинальном режима:

Холостой ход двигателя:

Расчёт рабочих характеристик

Рабочими характеристиками асинхронных двигателей называют зависимости , , ,  от мощности на валу двигателя . Методы расчёта характеристик базируются на системе уравнений токов и напряжения асинхронной машины, которой соответствует Г - образная схема замещения. Рабочие характеристики могут быть рассчитаны с помощью круговой диаграммы или аналитическим методом. Аналитический метод более универсален, позволяет учитывать изменение отдельных параметров при различных скольжениях и может быть легко переведён на язык программ при использовании ПВМ в расчётах.

Определяем последовательно включённые сопротивления взаимоиндукций обмоток статора и ротора:

Определяем коэффициенты и параметры, входящие в формуляр таблицы 7:

Формуляр расчёта рабочих характеристик асинхронного двигателя

Рис.3 Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

Тепловой расчёт

Задачей теплового расчёта является определение превышения температуры различных частей машины (их перегрев) над температурой окружающей среды.

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя:

 определяем по табл.8

Таблица 8

 [рис.20 стр.89]

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора:

Класс нагревостойкости F: ;

 [рис.21 стр.90]

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей:

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри машины:

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины:

Превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды:

 [рис.22 стр. 92]

 [рис.20 стр.89]

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды:

Расчёт вентиляции:

Требуемый для охлаждения расход воздуха:

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором:

Заключение

В данном курсовом проекте был спроектирован асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. В результате расчета были получены основные показатели для двигателя заданной мощности и , которые удовлетворяют предельно допустимым значением ГОСТа для серии двигателей 4А. Был произведен расчет и построение рабочих характеристик проектируемой машины.

Таким образом, по данным расчета данному двигателю можно дать следующее условное обозначение: 4А200М2У3,

где:

•        4 - порядковый номер серии;

•        А - род двигателя - асинхронный;

•        200 - высота оси вращения;

•        М - условная длина станины по МЭК;

•        2 - число полюсов;

•        У - климатическое исполнение для умеренного климата;

•        3 - категория размещения.

Номинальные данные спроектированного двигателя:

; ; ;

Список литературы

1.  Кравчик, А.Э. Справочник «Асинхронные двигатели серии 4А» / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская - М.: Энергоиздат, 1982 - 504 с.

2.       Полузадов, В.Н. Проектирование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. / В.Н. Полузадов, А.В. Дружинин - Екатеринбург.: Уральский государственный горный университет, 2005 - 202с.

.        Полузадов, В.Н. Электрические машины. / В.Н. Полузадов // Екатеринбург.: Уральский государственный горный университет, 2007 - 52 с.

.        Полузадов, В.Н. Электрические машины. Ч.3. Асинхронные машины. / В.Н. Полузадов // Екатеринбург.: ГОУ ВПО Уральский государственный горный университет, 2005 - 88 с.

.        Алиев, И.И. Асинхронные двигатели в трехфазном и однофазном режимах. / И.И. Алиев. // М.: ИП РадиСофт, 2004 - 128 с.

.        Кацман, М.М. Расчет и конструирование электрических машин. / М.М. Кацман // М.: Энергоатомиздат, 1984 - 360 с.

.        Китаев, В.Е. Электрические машины. Ч.II. Машины переменного тока. / В.Е. Китаев, Ю.М. Корхов, В.К. Свирин - М.: Высш. школа, 1978 - 184 с.

.        Лотоцкий, К.В. Электрические машины и основы электропривода / К.В. Лотоцкий // М.: Колос, 1964 - 497 с.

Радин, В.И. Электрические машины. Асинхронные машины / В.И. Радин, Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, И.П. Копылов - М.: Высш. шк, 1988 - 328 с