Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 4А 80В2У3

Введение

Данный курсовой проект содержит проектирование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Понятие асинхронной машины связано с тем, что ротор ее имеет частоту вращения, отличающуюся от частоты вращения магнитного поля статора.

Асинхронные двигатели являются основными преобразователями электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода большинства механизмов, используемых во всех отраслях народного хозяйства.

В основу конструкции асинхронного двигателя положено создание системы трехфазного переменного тока. Переменный ток, подаваемый в трехфазную обмотку статора двигателя, формирует в нем вращающееся магнитное поле.

Базовой моделью для проектирования является двигатель серии 4А. В серии 4А за счет применения новых электротехнических материалов и рациональной конструкции мощность двигателей при данных высотах оси вращения повышена на две-три ступени по сравнению с мощностью двигателей серии А2, что дало большую экономию дефицитных материалов.

Существенно улучшились виброшумовые характеристики. При проектировании серии большое внимание было уделено повышению надежности машин. Впервые в мировой практике для асинхронных двигателей общего назначения были стандартизированы показатели надежности. Особое внимание при проектировании уделялось экономичности двигателей.

Двигатели серии 4А спроектированы оптимальными для нужд народного хозяйства. Критерием оптимизации была принята суммарная стоимость двигателя в производстве и эксплуатации, которая должна быть минимальной.

Серия охватывает диапазон мощностей от 0,6 до 400 кВт и построена на 17 стандартных высотах оси вращения от 50 до 355 мм. Серия включает основное исполнение двигателей, ряд модификаций и специализированное исполнение.

Двигатели основного исполнения предназначены для нормальных условий работы и являются двигателями общего назначения. Это трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, рассчитанные на частоту сети 50 Гц. Они имеют исполнение степени защиты IP44 во всем диапазоне высот оси вращения и IP23 в диапазоне высот осей вращения 160 - 355 мм.

К электрическим модификациям двигателей серии 4А относятся двигатели с повышенным номинальным скольжением, с повышенным пусковым моментом, многоскоростные, с частотой питания 60 Гц и т.п., к конструктивным модификациям - двигатели с фазным ротором, со встроенным электромагнитным тормозом, малошумные, со встроенной температурной защитой и т.п.

Для производства двигателей серии 4А разработана и осуществлена прогрессивная технология. Механическая обработка станин, валов и роторов двигателей производится на автоматических линиях, штамповка листов магнитопровода - на прессах-автоматах. Автоматизирована сборка сердечников статора, механизирована сборка и заливка роторов. Укладка статорной обмотки производится на автоматических станках, а пропитка и сушка обмоток на автоматических струйных или вакуум-нагнетательных установках. Испытание узлов двигателей и двигателей в сборе производится на специальных стендах и автоматических испытательных станциях.

Все это обеспечило высокую производительность труда при высоком качестве изготовления.

По своим энергетическим, пусковым, механическим, виброшумовым, эксплуатационным характеристикам серия 4А удовлетворяет всем требованиям.

1. Выбор главных размеров двигателя

Исходя из требования листа технического задания выбираем двигатель серии 4А80В2У3, исполнение по степени защиты IP44, способ охлаждения ICАO141. Мощность двигателя 2.2 кВт, 2р = 2, f = 50 Гц., U_1н = 220/380 В., n = 3000 об/мин.

Высота оси вращения (предварительно) по рис. 9.18 /1/, а

Принимаем ближайшее стандартное значение  (см. рис. 9.19 /1/).

Исходя из высоты оси вращения выбираем по табл. 9.8 /1/ внешний диаметр сердечника статора .

Значение диаметра внутренней поверхности статора определяют по внешнему диаметру сердечника статора, и коэффициенту k_d, равному отношению внутреннего диаметра к внешнему. Значение коэффициента k_d в зависимости от числа полюсов выбираем из таблицы 9.9./1/ Предварительно k_d = 0.56.

Внутренний диаметр сердечника статора, м:

Определяем полюсное деление, м:

двигатель магнитный пусковой статор

где  - внутренний диаметр сердечника статора, м;

 - число пар полюсов.

Расчетная мощность машины, Вт:

где  - коэффициент, равный отношению ЭДС к номинальному напряжению;

 - КПД машины (предварительно), о.е.;

 - коэффициент мощности машины, о.е;

 - мощность машины, Вт.

, по рис. 9.20 /1/

=0.87,

=0.83,

Выбираем предварительно электромагнитную нагрузку машины по рис. 9.22/ 1/: ;

Расчетная длинна магнитопровода машины, м:

где = 0.64 - расчетный коэффициент полюсного перекрытия;

 = 1.11 - коэффициент формы поля;

 = 0.9 - обмоточный коэффициент;

 - номинальная частота вращения, об/мин;

D - диаметр внутренней поверхности статора, м;

 - расчетная мощность машины, Вт

Критерием правильного выбора главных размеров машины является отношение , которое в зависимости от исполнения машины, должно находиться в пределах, показанных на рис.9.25а /1/

Полная конструктивная длина  и длина стали  сердечника статора определим с учетом наличия радиальных вентиляционных каналов.

Но так как мм, то радиальных каналов не устраивают, т.е.

мм.

Длина сердечника ротора при этом принимается

мм.

Длина стали сердечника ротора

мм.

2. Расчет обмоток статора и ротора

Определение размеров зубцовой зоны статора начинают с выбора числа пазов Z₁. Число пазов статора неоднозначно влияет на технико - экономические показатели машины. Если увеличивать число пазов статора, то улучшается форма кривой ЭДС и распределение магнитного поля в воздушном зазоре. В тоже время уменьшается ширина паза и зубца, что приводит к снижению коэффициента заполнения паза медью, а в машинах небольшой мощности может привести к недопустимому снижению механической прочности зубцов. Увеличение числа пазов статора увеличивает трудоемкость выполнения обмоточных работ, увеличивая сложность штампов, а их стойкость снижается.

Выбирая число пазов статора по рис.9.26/1/ определяем граничные значения зубцового деления t _{z1 max} = 0.0118 и t _{z1 min} = 0.01.

Диапазон возможных значений чисел пазов статора:

Из данного диапазона значений Z₁ выбираем такое, при котором число пазов на полюс и фазу q₁ будет целым числом:

где m - число фаз.

Таким образом принимаем z₁ = 24 паза.

Зубцовое деление статора, м:

Номинальный ток обмотки статора, А:

Число эффективных проводников в пазу статора U_п (предварительно):

Число параллельных ветвей обмотки а₁ при целом q₁ должно удовлетворять условию целое число. Число эффективных проводников в пазу  максимально приближалось к любому целому числу. Принимаем а₁ = 1.

Число витков в фазе:

Уточненное значение линейной токовой нагрузки:

Коэффициент распределения:

K_p =0.958 по таблице 3,16 /1/

Расчетный шаг обмотки:

 т.к. обмотка однослойная

Коэффициент укорочения шага обмотки статора:

K_y =1 т.к обмотка со сплошной фазной зоной.

Обмоточный коэффициент:

Магнитный поток в воздушном зазоре машины, Вб:

Уточнённое значение магнитной индукции в воздушном зазоре, Тл:

Плотность тока в обмотке статора, :

где - тепловой фактор, определяется по рис.9.27а/1/

Предварительное значение сечения эффективного проводника обмотки статора, мІ:

Сечение эффективного проводника окончательно, ммІ:

Выбираем провод с классом нагревостойкости изоляции F марки ПЭТ. Из приложения 3 таблица П3.1 /1/ выбираем стандартное сечение 0.709 ммІ и диаметр провода: d_эл = 0.95 мм; d_из = 1,015 мм. В качестве пазовой изоляции используется пленкостеклопласт марки «Имидофлекс» класса нагревостойкости F (ТИ 155).

Магнитопровод статора и ротора выполняют шихтованным из листовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Сталь марки 2013.

Уточняем плотность тока в обмотке статора:

Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Размеры пазов статора должны быть такими, чтобы обеспечивалось оптимальное размещение проводников обмотки, а магнитная индукция в зубцах и в ярме статора не выходила за рекомендуемые пределы, рисунок 3.1.

Рисунок 3.1 - К определению размеров зубцовой зоны статора

Определение размеров зубцовой зоны статора начинают с выбора магнитной индукции в зубцах и в ярме статора (таблица 9.12/ 1/): В_z1 = 1.18 Тл, В_а = 1.02 Тл.

Предварительное значение ширины зубца статора, м:

где - предварительное значение магнитной индукции в зубцах статора, Тл;

= 0,97 - коэффициент заполнения сердечника сталью (табл.3.13/1/)

мм,

Предварительное значение высоты ярма статора, м:

Предварительное значение высоты паза статора, м:

мм.

Размеры паза статора, м:

где = 0.5 мм - высота шлица;

= 3.0 мм - ширина шлица. Выбирается по (таблице 9.16/1/)

Высота клиновидной части паза:

Уточненное значение высоты паза статора, м:

Полученные размеры определяют размеры паза в штампе. Для дальнейших расчетов необходимо получить размеры паза после шихтовки сердечника, т.е., размеры паза в свету. Из - за смещения листов статора при шихтовке эти размеры будут меньше размеров паза в штампе на величину припуска на шихтовку Δb и Δh.

 = 0.1 мм - припуск на шихтовку по высоте паза.

= 0.1 мм - припуск на шихтовку по ширине паза (табл.9.14 /1/)

Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку:

Площадь поперечного сечения пазовой изоляции, мІ:

где = 0.2мм - толщина пазовой изоляции. Выбирается по таблице 3.1/1/

Площадь поперечного сечения изоляции между слоями:

,

Свободная площадь паза, мІ:

Критерием оценки результатов выбора размеров паза является значение коэффициента заполнения свободной площади паза обмоточным проводом:

Рисунок 3.2 - Трапецеидальный паз статора

Расчет ротора

Выбор воздушного зазора:

Для двигателей мощностью менее 20 кВт:

Округлим значения до 0,05 мм

δ=0,35 мм.

Также воздушный зазор можно выбрать по рисунку 3.3

Рисунок 3.3 Выбор воздушного зазора

Расчет ротора

Наружный диаметр ротора, м:

Зубцовое деление ротора, м:

где  = 20 пазов - число пазов на роторе машины. Выбирается по рекомендациям, приведенным в таблице 9.18 /1/. Т.к. у нас мм, то нужно выполнить скос пазов.

Т.к. у нас мм, то сердечник ротора непосредственно садим на вал без промежуточной втулки. Применим горячую посадку сердечника на гладкий вал без шпонки.

При таком исполнении ротора внутренний диаметр магнитопровода равен диаметру вала, м:

где К_в = 0,23 - коэффициент, который выбирается из таблицы 9,19/1/.

мм.

Предварительное значение тока в стержне обмотки ротора:

где = 0.90 - коэффициент, зависящий от cosφ_н. Его значение определяется по рисунку 6,22/2/;

 - коэффициент приведения токов для двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора. Определяется по формуле:

где k_ск = 1 - коэффициент скоса пазов

Сечение стержня, мІ:

где J₂ - плотность тока в стержнях обмотки ротора. В асинхронных двигателях закрытого исполнения (IP44) плотность тока выбирается в пределах J₂ = 2,5 ч 3,5

Т.к. мм, значит применим трапецеидальные пазы и литую обмотку ротора с размерами шлица:

Рисунок 3.4 Трапецеидальный паз ротора

Размеры трапецеидального паза (рис 3.4а) рассчитываем, исходя из сечения стержня и постоянства ширины зубцов ротора. Ширина зубца

 мм,

 (таблица 9.12/1/)

Определяем размеры паза:

 мм,

 мм,

 мм.

Проверим при мм мм. Верно.

Рассчитанные размеры паза и округлим до десятых долей миллиметра и уточним площадь

Полная высота паза:

Сечение стержня:

Определим ширину зубца в двух сечениях

мм,

 мм,

 мм.

Расчетная высота зубца:

мм.

Рисунок 3.5 Трапецеидальный паз проектируемого ротора

Коротко-замыкающие кольца.

Ток кольца короткозамкнутого ротора, А:

где

Площадь поперечного сечения кольца (предварительно), мІ:

Плотность тока в кольце выбираем на 15 - 20% меньше, чем в стержне т.е. J_кл = 2.4^.

Средняя высота кольца принимается больше высоты паза ротора на 20 - 25%:

Ширина кольца, мм:

Средний диаметр кольца, м:

Рисунок 3.6 Замыкающее кольцо с литой обмоткой

3. Расчет магнитной цепи, потерь и КПД

Расчет магнитной цепи асинхронного двигателя производят для номинального режима работы с целью определения суммарной намагничивающей силы, необходимой для создания рабочего магнитного потока в воздушном зазоре.

Магнитную цепь машины разбивают на пять характерных участков: воздушный зазор, зубцы статора и ротора, ярмо статора и ротора. Считают, что в пределах каждого из участков магнитная индукция имеет одно наиболее характерное направление. Для каждого участка магнитной цепи определяют магнитную индукцию, по значению которой определяют напряженность магнитного поля. По значению напряженности магнитного поля на участках магнитной цепи и соответствующей участку длине силовой линии поля, определяют намагничивающую силу. Необходимую намагничивающую силу определяют как сумму намагничивающих сил всех участков магнитной цепи. Магнитная цепь машины считается симметричной, поэтому расчет намагничивающей силы выполняют на одну пару полюсов.

Магнитное напряжение воздушного зазора, А:

 А

где - коэффициент воздушного зазора. Учитывает возрастание магнитного сопротивления воздушного зазора, вызванное зубчатым строением поверхностей ротора и статора

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитное сопротивление воздушного зазора вследствие зубчатого строения поверхности статора:

Магнитное напряжение зубцовой зоны статора:

 А,

где  м.

Расчет индукции в зубцах

 Тл.

 по таблице П 1.7/1/  А/м

Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора:

 А,

мм

Индукция в зубце:

 Тл;

по таблице П 1.7/1/ для  Тл находим  А/м.

Коэффициент насыщения зубцовой зоны

Магнитное напряжение ярма статора

 А,

 м,

 м;

 Тл;

для  Тл по таблице П 1.6/1/  А/м.

Магнитное напряжение ярма ротора:

 А.

Для 2р=2

расчетная высота ярма ротора: при 2р=2; стр. 194/2/

где

 Тл,

по таблице П 1.6 /1/ для  Тл находим  А/м.

Магнитное напряжение на пару полюсов

Коэффициент насыщения магнитной цепи:

Намагничивающий ток

 А.

или в относительных единицах:

4. Расчет и построение круговой диаграммы

Сопротивления короткого замыкания:

Масштаб тока:

Масштаб мощности:

мм

=

Масштаб моментов:

=

5. Расчет параметров двигателя и построение рабочих и пусковых характеристик.

Параметры рабочего режима

Активное сопротивление обмотки статора

 Ом,

Для класса нагревостойкости изоляции расчетная

Для меди

Длина проводников фазы обмотки:

Длина вылета лобовой части катушки:

табл 9,23/1/

Относительное значение:

Активное сопротивление фазы обмотки ротора:

Приводим r₂ к числу витков обмотки статора:

Относительное значение:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

где

где

Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния для обмотки статора

где  при полузакрытых пазах статора с учетом скоса пазов равен

для  и  по рисунку 9.51 /1/, д .

Относительное значение

.

Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора

 мм,  мм,  мм,  мм,  ммІ

Для расчета коэффициента магнитной проводимости лобового рассеяния используем формулу:

;

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния для обмотки ротора:

где

При большом числе пазов ротора,приходящихся на пару полюсов: Z₂ /p ≥10,без заметной погрешности можно принять

Приведенное к числу витков первичной обмотки индуктивное сопротивление рассеяния фазы ротора

 Ом.

Относительное значение

Потери в двигателе

Основные потери в стали

где

удельные потери для стали 2013 по таблице 9.28/1/

 кг;

 кг;

где  удельная масса стали,

Поверхностные потери

 Вт;

 Вт/ мІ,

где .

для  по рис. 9.53/1/ .

Пульсационные потери в зубцах ротора

 Вт;

 Тл;

где  Тл из расчета;  из расчета;

 кг;

 мм из расчета;  мм из расчета.

Сумма добавочных потерь в стали

 Вт;

( и )

Полные потери в стали

 Вт.

Механические потери

 Вт,

[для двигателей с  коэффициент Для двигателей с D_a≤0.25м стр. 416 /1/]

Холостой ход двигателя

 А,

 А.

 Вт;

Расчет рабочих характеристик

Параметры

 Ом;

 Ом

.

Используем приближенную формулу, так как :

Угол g меньше 1° поэтому применяем упрощенные формулы:

 А;

Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения

Вт

Рассмотрим рабочие характеристики для скольжений S = 0,005; 0,01; 0,015; 0,02; 0,025 0,03 0.035; принимая предварительно, что .Результаты расчетов представлены в таблице 1.

На рисунке 6.1 представлены рабочие характеристики, по которым найдено S_ном=0,035, соответствующее Р_2н.

P_2H = 2,2кВт; U_1H = 220/380 B; 2p = 2; I_1H = 4.56 A; Р_СТ+Р_МЕХ = 0.2 кВт;

Р_доб =13.25 Вт; I_0a = 0.098 A; I_0р » I_m = 1.28 A; r₁ = 3.13 Ом; r₂¢ = 1.7 Ом;

с₁ = 1,012; а¢ = 1,024 Ом; а = 3.16 Ом; b¢=0; b = 8.1.

Таблица 1. Рабочие характеристики АД с короткозамкнутым ротором.

Расчет пусковых характеристик

Рассчитываем характеристики для пускового момента (s=1) в качестве примера расчета.

Расчет влияния вытеснения тока

Приведенная высота стержня ротора:

 мм

Т.к ξ ≤ 1то эффект вытеснения тока практически не влияет на сопротивления стержней

Глубина проникновения тока в стержень:

Приведенное сопротивление ротора с учетом действия эффекта вытеснения тока:

Ток ротора приближенно без учета влияния насыщения:

Учет влияния насыщения на параметры. Принимаем для s=1 k_НАС = 1,35 по рекомендациям /1/

Средняя МДС обмотки, отнесенная к одному пазу статора по (9-263/1/):

По полученному значению В_фd определяется по рис.9-61 /1/ коэффициент k_d = 0,53, характеризующий отношение потока рассеяния при насыщении к потоку рассеяния ненасыщенной машины.

Дополнительное раскрытие пазов статора по (9-266 /1/):

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учетом влияния насыщения:

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния с учетом влияния насыщения и вытеснения тока:

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения:

Приведенное индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом влияния вытеснения тока насыщения:

Сопротивление взаимной индукции обмоток в пусковом режиме:

Расчет токов и моментов:

=0,3

Расчет токов в пусковом режиме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом влияния эффекта вытеснения тока представлены в таблице 2

Таблица 2. Расчет токов в пусковом режиме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом влияния эффекта вытеснения тока

Р_2ном = 2.2 кВт; U_1ном = 220/380 В; 2р = 2; I_1ном = 4.56 А;

I'_2ном = 4.1 A; x₁ = 4.6 Ом; x'₂ = 3.21 Ом; х_12п = 194 Ом;

с_1п = 1.02; r₁ = 3.13 Ом; r'₂ = 1.7 Ом; s_ном = 0,035

Таблица 3. Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния

Р_2ном = 2,2 кВт; U₁ = 220/380 В; 2р = 2; I_1ном = 4,56 A; I'_2ном = 4,1 А;

х₁ = 4.6 Ом; х'₂ = 3.21 Ом; х_12п = 194 Ом; r₁ = 3,13 Ом;

r'₂ =1,7 Ом; s_ном = 0,035; С_N = 0,91

17             I_1нас = I'_2нас

20             М_* =

1,79

1,99

.57

.79

.12

6. Тепловой расчет

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

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора:

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:

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды:

Расчет вентиляции

Расчет вентиляции требуемый для охлаждения расход воздуха:

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором:

Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах.

Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.

7. Определение расходов активных материалов и показателей их использования

Определим массу меди:

кг,

где  кг/мі,  м.

Расход меди на мощность двигателя:

 кг/кВт.

Определим массу стали:

где  кг/мі.

Расход стали на мощность двигателя:

 кг/кВт.

Вывод: спроектированный двигатель марки 4А80В2У3 отвечает поставленным в техническом задании требованиям.

Список литературы

1. Проектирование электрических машин. И.П. Копылов. Москва. Высшая школа, 2005 г.

. Проектирование электрических машин. под. ред. Копылов И.П., Москва, Энергия, 1980 г.