Расчёт и конструирование электрической машины

Курсовая работа

по электрическим машинам

Содержание

1. Исходные данные

. Определение главных размеров электромагнитных нагрузок

. Определение числа пазов статора, числа витков в фазе обмотки статора и расчет зубцовой зоны статора

. Определение числа пазов ротора. Расчет короткозамкнутой обмотки и зубцовой зоны ротора

. Расчет магнитной цепи статора и ротора

. Параметры асинхронного двигателя для номинального режима

. Определение потерь и коэффициента полезного действия

. Расчет рабочих характеристик

. Результаты расчетов

Список использованной литературы

1. Исходные данные

Номинальная мощность Р2= 90 кВт

Исполнение - закрытое обдуваемое

Линейное напряжение питания сети U1 =380 В

Соединение обмотки статора - "треугольник"

Синхронная частота вращения n1 =750 об/мин

Обмотка ротора - короткозамкнутая

Частота питания f1=50Гц

. Определение главных размеров электромагнитных нагрузок

Внутренний диаметр статора непосредственно связан определенными размерными соотношениями, зависящими от числа полюсов, с наружным диаметром статора, в свою очередь определяющим высоту оси вращения, значение которой при проектировании должно быть принято только из стандартных высот, установленных по ГОСТ 13267-73 для серии 4А.

Находим число пар полюсов машины:

 (2.1)

Высоту оси вращения предварительно определяем для заданных значений Р2 и 2р в зависимости от исполнения двигателя и принимаем равной h=100 мм. [1].

В зависимости от оси вращения выбираем наружный диаметр статора  и внутренний диаметр статора  [1].

Находим полюсное значение:

Определяем расчетную мощность асинхронного двигателя по заданной номинальной мощности :

где  (большее значение соответствует меньшему числу полюсов).

Предварительные значения коэффициента полезного действия и коэффициента мощности выбираем равным:  [1].

Выбираем предварительные значения электромагнитных нагрузок: линейная токовая нагрузка, магнитная индукция в воздушном зазоре  [2].

Значения коэффициента полюсного перекрытия и коэффициента формы поля предварительно принимаются равными [2]:

Для двухслойных обмоток при полюсности  предварительное значение обмоточного коэффициента принимаем равным:  [2].

Синхронная угловая скорость вала двигателя:

Расчётная длина воздушного зазора:

Правильность выбранных главных размеров и доказываем отношением:

которое находится в заданных пределах для двигателя со степенью защиты IP44 [2].

Для расчётов магнитной цепи определяем полную конструктивную длину стали и длину сердечников статора и ротора.

3. Определение числа пазов статора, числа витков в фазе обмотки статора и расчет зубцовой зоны статора

Число витков фазы обмотки должно быть таким, чтобы линейная нагрузка и индукция в воздушном зазоре как можно ближе совпадали с их значениями, принятыми предварительно при определении главных размеров, а число пазов статора обеспечивало достаточно равномерное распределение катушек обмотки.

Тип обмотки и формы пазов статора выбираются следующими: обмотка статора - однослойная всыпная, пазы статора - трапецеидальные, магнитная индукция при исполнении двигателя со степенью защиты IP44:  

Предварительное значение зубцового деления для h=100 мм, выбираем равным t1=0,01 м [2].

Число пазов статора:

выбираем ближайшее стандартное пазов  [2]

Число пазов на полюс и фазу:

где  число фаз статора

Окончательное значение зубцового деления:

Номинальный фазный ток обмотки статора:

Число эффективных проводников на паз:

где  число параллельных ветвей

округляем до ближайшего целого

Число витков в фазе обмотки статора:

Окончательное значение линейной нагрузки:

Плотность тока в обмотке статора (предварительно):

Сечение эффективного проводника (предварительно):

Подбираем сечение элементарного проводника  и диаметр  [3].

Окончательное значение плотности тока в обмотке статора:

где  число элементарных проводников

В двигателях серии 4А с высотой оси h=100 мм принимаем систему изоляции класса нагревостойкости - В [2].

По допустимому значению магнитной индукции в зубце статора определяем ширину зубцов:

где  коэффициент заполнения сталью магнитопровода статора и ротора:

Высота спинки статора:

Высота зуба:

Наименьшая ширина трапецеидального паза в штампе:

где минимальное значение зубчатого деления:

Наибольшая ширина паза в штампе:

где максимальное значение зубчатого деления:

Среднее значение ширины паза:

Ширину шлица, высоту шлица и угол выбираем следующими:  

Высота клиновой части паза при

Площадь поперечного сечения паза в штампе:

где высота паза:

Размеры паза в свету определяются с учётом припусков на шихтовку и сборку сердечников  и

где

Площадь поперечного сечения паза, занятая обмоткой:

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции:

где  односторонняя толщина корпусной изоляции

При однослойной обмотке площадь прокладок в пазу:

Коэффициент заполнения паза:

где

Одним из важнейших параметров обмотки статора является обмоточный коэффициент, который для основной группы гармоник ЭДС обмотки статора равен:

где  коэффициент укорочения, учитывающий уменьшение ЭДС, обусловленное укорочением шага обмотки:

где  и

 коэффициент распределения, учитывающий уменьшение ЭДС, обусловленное распределением обмотки в пазах:

где зубцовый угол:

Магнитная индукция в воздушном зазоре (уточнённая):

где магнитный поток:

Воздушный зазор для двигателей мощностью  при

Размеры катушек статора.

среднее зубцовое деление:

средняя длина катушки:

где  среднее значение шага обмотки статора в зубцовых делениях

электромагнитный двигатель статор ротор

средняя длина лобовой части катушки:

средняя длина витка обмотки статора:

где длина лобовой части обмотки при h=100 мм:

. Определение числа пазов ротора. Расчет короткозамкнутой обмотки и зубцовой зоны ротора

В двигателе при и   [3].

При исполнении двигателя по способу защиты IP44 при h=100 мм, 2p=4 определяем рекомендуемые значения магнитной индукции:  

Ширина зубца ротора:

где зубцовое деление определяем по наружному диаметру ротора:

наружный диаметр ротора:

Длина ротора принимается равной длине статора:

Ток в стержне ротора:

где  коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания от сопротивления обмоток

 коэффициент приведения токов:

Площадь поперечного сечения стержня:

где  плотность тока в стержнях ротора машин закрытого обдуваемого исполнения при заливке пазов алюминием, выбираем равной -

В асинхронных двигателях с короткозамкнутым роторам серии 4А с высотой оси h=100 мм - пазы имеют узкую прорезь:

Высота перемычки над зазором в двигателях с 2р=4 выполняют равной

Допустимая ширина зуба:

Размеры паза.

Диаметр в верхней части паза:

Диаметр в нижней части паза:

Полная высота паза:

Сечение стержня:

Плотность тока в стержне:

Размеры коротко замыкающего кольца литой клетки ротора определяются выражениями:

площадь поперечного сечения:

. Расчет магнитной цепи статора и ротора

Магнитная цепь четырех полюсной машины состоит из пяти последовательно соединённых участков: воздушного зазора , зубцовых слоёв статора и ротора, спинки статора . МДС обмотки статора на пару полюсов определяется как сумма магнитных напряжений всех перечисленных участков магнитной цепи:

где  МДС воздушного зазора;  МДС зубцовой зоны статора;

 МДС зубцовой зоны ротора;  МДС ярм статора и ротора.

Магнитная индукция в зубце статора:

Магнитная индукция в зубце ротора:

Магнитная индукция ярма статора:

Магнитная индукция ярма статора:

Расчётная высота ярма ротора при посадке сердечника непосредственно на вал в двигателях с

Магнитное напряжение воздушного зазора:

где коэффициент воздушного зазора:

коэффициент воздушного зазора статора:

коэффициент воздушного зазора ротора:

Магнитное напряжение зубцовых зон статора:

где расчётная высота зубца статора:

Значение напряжённости поля в зубцах находим в соответствии с индукцией  по кривой намагничивания для зубцов марки стали - 2013 [3].

Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора:

где  расчётная высота зубца ротора:

Коэффициент насыщения зубцовой зоны:

Выбранные значения размерных соотношений и обмоточных данных машины являются правильными.

Магнитное напряжение ярма статора:

где длина средней магнитной линии ярма статора:

высота ярма статора:

Значение напряжённости поля в спинке асинхронных двигателей находим в соответствии с индукцией по кривой намагничивания для спинки марки стали - 2013.

Магнитное напряжение ярма ротора:

где длина средней магнитной линии потока в ярме ротора для двигателей

Магнитное напряжение на пару полюсов:

Коэффициент насыщения магнитной индукции:

Намагничивающий ток:

Относительное значение намагничивающего тока:

. Параметры асинхронного двигателя для номинального режима

Активное сопротивление фазы обмотки статора, приведённое к расчётной рабочей температуре:

где  удельное электрическое сопротивление меди при температуре 750 С [4]

где

 коэффициент катушки статора при изолированных лентой лобовых частей.

 длина вылета прямолинейной части катушек

Средняя длина катушки:

 где относительное укорочение обмотки статора

Относительное значение активного сопротивления:

Активное сопротивление фазы обмотки ротора:

 где сопротивление стержня:

 - удельное электрическое сопротивление литого алюминия при температуре 75⁰С.

 полная длина стержня

 сопротивление участка, замыкающего кольца между двумя замыкающими стержнями:

Средний диаметр замыкающих колец:

Приведённое активное сопротивление ротора  к числу витков обмотки статора:

Относительное значение:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

где коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния фазных обмоток для однослойной обмотки [4].

коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния:

при открытых пазах статора и отсутствии скоса пазов статора или ротора:

где

Относительное значение индуктивного сопротивления:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора:

коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния короткозамкнутых обмоток [4].

коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния:

коэффициент магнитной проводимости:

где

Приведённое к числу витков статора:

Относительное значение индуктивного сопротивления:

7. Определение потерь и коэффициента полезного действия

Потери в асинхронной машине подразделяются на потери в стали, электрические, механические и добавочные потери.

Основные потери в стали:

где  потери в стали спинки статора:

 удельные потери в стали [4].

 масса стали спинки статора:

 удельная масса стали

 потери в стали зубцов статора:

 масса стали зубцов статора:

Механические потери:

при  и

Добавочные потери асинхронного двигателя принимаются равными 0,5% потребляемой мощности:

Суммарные потери в двигателе:

Коэффициент полезного действия:

. Расчет рабочих характеристик

Сопротивление схемы замещения:

где

Коэффициент схемы замещения:

Активная составляющая тока холостого хода:

Определяем расчётные величины, для построения характеристики:

Для расчёта рабочих характеристик задаём скольжение от 0,005; 0,015; 0,035; 0,045;

. Результаты расчетов

Список использованной литературы

1. Проектирование электрических машин. Под. ред. И.Н. Копылова. - М.: Энергия, 1980.

. М.М. Кацман. Расчёт и конструирование электрических машин. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. - М.: Высшая школа, 1984.

. Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И., Соболевская Е.А. Справочник. Асинхронные двигатели серии 4А. - М.: Энергоиздат, 1982.

. Алексеев А.Е. Конструкция электрических машин. - Л.: Госэнергоиздат, 1985.