Скачать: kursovaya-rabota-po-elmashu-10-y-variant.zip [425,87 Kb] (cкачиваний: 201)

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Электрические машины»

Проектирование асинхронного двигателя

Выполнил:

Проверил:

Содержание

1. Введение…………….……………………………………………………………3

2. Исходные данные………………………………………………………………..4

3. Размеры, конфигурация и материал……………………………………………4

4. Обмотка статора…………………………………………………………………6

5. Обмотка фазного ротора………………………………………………………

6. Расчет магнитной цепи………………………………………………………

7. Активные и индуктивные сопротивления обмоток……………………………

8. Режимы холостого хода и номинальный……………………………………….

9. Круговая диаграмма и рабочие характеристики……………………………….

10. Максимальный момент………………………………………………………

11. Тепловой и вентиляционный расчеты…………………………………………

12. Масса двигателя и динамический момент инерции ротора…………………

13. Механический расчет вала…………………………………

14. Расчет подшипников…………………………………………

15.Заключение…………………………………………………………………...

16.Список литературы………………………………………………………

1. Введение

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

Асинхронные двигатели общего назначения мощностью от 0,06 до 400 кВт на напряжение до 1000 В – наиболее широко применяемые электрические машины. Потребность, а следовательно, и производство асинхронных двигателей на напряжение до 1000 В в нашей стране растет неуклонно из года в год.

Статор двигателя представляет собой стальную цельнолитую трубу, в которую запрессован сердечник. Обмотка статора – двухслойная всыпная концентрическая с укороченным шагом, из проводов круглого поперечного сечения.

Секционированный сердечник ротора посажен непосредственно на вал двигателя. Пакеты сердечника набираются на вал, чередуясь с радиальными подшипниками скольжения, которые в свою очередь фиксируются относительно внутренней поверхности статора.

Асинхронный двигатель с фазным ротором – серия 4А.

Роторы двигателей с h>225 мм выполняют с пря­моугольными полузакрытыми пазами и обмоткой изолированных медных стержней прямоугольного поперечного сечения, которые вставляют в пазы с торца. Обмотка волновая двухслойная; для получения секции волновой обмотки одному концу стержня прида­ют изгиб заранее по шаблону, а второй конец изгибают после вставки стержня в паз. Каждый стержень предварительно изолиру­ют, после чего спрессовывают.

Номинальный режим работы – продолжительный, S1, с постоянными во времени нагрузкой и потерями.

Степень защиты от внешних воздействий – IP23, машина защищенная от попадания твердых тел размером более 12 мм и от капель воды(защищенная машина).

Способ охлаждения – IС01, защищенная машина с самовентиляцией.

Климатические условия и категория размещения – У3, это значит, что двигатель должен работать в макроклиматических районах с умеренным климатом или размещаться в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственного регулирования климатических условий.

Исполнение по способу монтажа – IM1001, машина на двух лапах с подшипниковыми щитами, вал горизонтальный, причем форма выступающего конца вала – цилиндрическая.

Материал станины и подшипниковых щитов – чугун или сталь.

2. Исходные данные

Для выполнения расчета предоставлены следующие данные:

Номинальный режим работы Продолжительный S1

Исполнение ротора фазный

Номинальная отдаваемая мощность Р₂, кВт 160

Количество фаз статора m 3

Способ соединения фаз статора Δ/Y

Частота сети f, Гц 50

Номинальное линейное напряжение U, В 380/660

Синхронная частота вращения n₁, об/мин 1500

Степень защиты от внешних воздействий IP23

Способ охлаждения IС01

Исполнение по способу монтажа IM1001

Климатические условия и категория размещения У3

Форма выступающего конца вала Цилиндрическая

Способ соединения с приводным механизмом Упругая муфта

3. Размеры, конфигурация и материал

Главные размеры:

К главным размерам машин переменного тока относят внутренний диаметр D_н1 и длину l₁ сердечника статора, поскольку они определяют габариты, массу и технико-экономические показатели этого типа электрических машин.

Наружный диаметр сердечника статорарассчитываем по таблице 6.2, исходя из того, что для указанной высоты оси вращения:

,

приведено предельно допустимое значение наружного диаметра сердечника статора:

,

и значение припуска на штамповку,

,

откуда:

.

Листы статора для выбранной высоты оси вращения вала предполагается изготовлять штамповкой из рулонной стали стандартной шириной.

Определимвнутренний диаметр сердечника статора. Для этого воспользуемся эмпирической зависимостью D₁=f(D_н1) из таблицы 6.3:

где k_D – коэффициент отношения внутреннего и наружного диаметров сердечника статора машины.

Расчетная мощность машины определяется как:

где:

k_E – отношения ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению.

cos φ – коэффициент мощностирассчитываемого асинхронного двигателя при номинальной нагрузке.

ŋ – коэффициент полезного действиярассчитываемого асинхронного двигателя при номинальной нагрузке.

Расчетная мощность равна:

Теперь по таблице 6.4 определим форму паза и тип обмотки. Исходя из величины высоты оси вала (h = 280 мм) получаем, что форма паза – прямоугольные полуоткрытые, а тип обмотки – двухслойная из жестких катушек, из проводов прямоугольного поперечного сечения, хотя при этом уменьшается поперечное сечение проводов и ширина зубца в наиболее узком месте.

Расчетная длина сердечника статора определяетсякак:

,

где:

А₁ – линейная нагрузка обмотки статора. Приблизительное значение данной величины примем равным:

,

B_δ – максимальное значение магнитной индукции в зазоре. Приблизительно значение данной величины примем равным:

k_об1 – коэффициент обмотки статора основной гармонической кривой ЭДС, рекомендуемое значение для двухслойных обмоток при 2p>4 находится в диапазоне:

k_об1 = 0,91÷0,94,

принимаем усредненное значение:

k_об1 = 0,93

Отсюда,расчетная длина сердечника статора:

Округлим до ближайшего числа, кратного пяти, при условии, что l'₁>100 мм. Таким образом,</sub>

Чтобы удостоверится в правильности расчета ранее рассмотренных параметров, рассчитаем отношение:

,

которое не должно превышать (таблица 6.6):

,

Таким образом, поскольку высота оси вращения вала двигателя для расчета главных размеров подобрана правильно.

Сердечник статора

Сердечник статора собирают из отдельно отштампованных листов электротехнической стали 2312 толщиной 0,5 мм, имеющих изоляционные покрытия для уменьшения потерь в стали от вихревых токов. Для стали 2312 обычно используют изолирование листов лакировкой (коэффициент заполнения стали k_с=0,95).

Количество пазов сердечника статора:

.

Как видим, оно зависит от выбранного количества пазов на полюс и фазу q₁:

.

Выбираем значение q₁ из таблицы 6.8:

.

Отсюда,

.

Сверим полученный результат со сводной таблицей 6.12 по серии 4А:

.

Откуда число пазовфазного ротора:

4. Обмотка статора

Ранее было определено по таблице 6.4, что для статора рассчитываемого двигателя форма паза – прямоугольная полуоткрытая, а тип обмотки – двухслойная концентрическая с укороченным шагом, из проводов прямоугольного поперечного сечения. Следует отметить, что, несмотря на большую сложность в изготовлении, двухслойные концентрические обмотки с укороченным шагом имеют лучшую форму кривой магнитного поля и при этом уменьшается расход меди на изготовление лобовых частей.

Обмотку статора выполняем шестизонной, каждая зона равна 60°. Определим коэффициент распределения:

,

где . Тогда,

Укорочение шага выбирают β₁ ≈ 0,8 для 2p≥4.

Двухслойную обмотку выполняют с укороченным шагом:

.

Найдем коэффициент укорочения:

.

Уточненное значение обмоточного коэффициента равно:

.

Теперь найдем предварительное значение магнитного потока:

.

Определим предварительное количество витков в обмотке фазы:

,

k_н ≈ 0,98 из диаграммы. Отсюда,

Предварительное значение количества эффективных проводников в пазу:

,

где a₁ – количество параллельных ветвей обмотки статора, которое является одним из делителей числа полюсов, в нашем случае для 2p=4 a₁ = 1,2,3. Кроме этого, при малом значении возникают трудности с расположением проводников в пазу. Примем a₁ = 2, тогда:

Поскольку обмотка выбрана двухслойная, рекомендуется четное значение . Теперь уточним предварительно установленные значения , , :

Уточненное значение магнитного потока:

Уточненное значение индукции в воздушном зазоре:

Предварительное значение номинального фазного тока:

Уточненная линейная нагрузка статора:

Произведем проверку правильности расчета количества витков. Критерий – значение A₁ не должно отличаться от значения A'₁более чем на 10%:

По таблице 6.13 определим среднее значение магнитной индукции в спинке статора:

.

Определим теперь зубцовое деление по внутреннему диаметру статора:

Определим основные размеры трапецеидальных пазов:

.

Определим основные размеры прямоугольных пазов:

Для определения предварительной ширины зубца в наиболее узком месте следует принять по таблице 6.16. предварительное значение магнитной индукции в этой части зубцапо таблице 6.16.

Тогда предварительное значение магнитной индукции в наиболее узком месте зубца статора:

.

Зубцовое деление статора в наиболее узком месте:

Предварительная ширина зубца в наиболее узком месте:

Предварительная ширина полуоткрытого паза в штампе:

Ширина шлица полуоткрытого паза:

Количество эффективных проводников по ширине паза:

Для высоты оси вращения h≤ 355 мм припуски на сборку сердечника по высоте и ширине:

.

По табл.6.17 определяем общую толщину изоляции по высоте и ширине паза:

высота шлица высота клина

Допустимая ширина эффективного проводника с витковой изоляцией:

Количество эффективных проводников по высоте паза:

Предварительная высота спинки ротора:

.

Предварительная высота паза:

.

Допустимая высота эффективного проводника с витковой изоляцией:

Площадь эффективного проводника:

.

Для определения количества элементарных проводов в одном эффективном можно исходить из наибольшей допустимой по технологическим соображениям площади и ширины элементарного проводника.

Для полуоткрытых пазов: площадь эффективного провода,ширина

Высота эффективного проводника:

Предварительно количество элементарных проводников:

Количество элементарных проводников в одном эффективном по ширине:

Предварительно количество элементарных проводников в одном эффективном по высоте паза:

Размер элементарного проводника по высоте паза:

Меньший и больший размеры неизолированного элементарного провода:

где двусторонняя толщина изоляции провода, мм ( Приложения 3).

По Приложению 2 находили ближайший стандартизованный элементарный неизолированный провод с размерами: а=2мм, в=3мм,

и площадь поперечного сечения паза:

.

Размер по высоте паза в штампе:

Размер по ширине паза в штампе:

Уточненная ширина зубца в наиболее узкой части:

Высота паза:

Уточненная магнитная индукция в наиболее узкой части:

Плотность тока в обмотке статора:

Определим уровень удельной тепловой нагрузки статора от потерь в обмотке. Для этого определим произведение линейной нагрузки на плотность тока в обмотке:

По диаграмме определяем, что .

Среднее зубцовое деление статора:

Средняя ширина катушки обмотки:

Средняя длина одной лобовой части катушки при U≤660В:

Средняя длина витка обмотки:

Длина вылета лобовой части обмотки при U≤660В:

5. Обмотка фазного ротора

Сердечник ротора

Сердечник ротора набирают из отдельных отштампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Материал стали и изоляционные покрытия такие же, как в статоре.

Обычно в роторах применяют двухслойную волновую обмотку из медных изолированных стерж­ни прямоугольного поперечного сечения. В пазу располагают по два стержня (один над другим, большей стороной по высоте паза). Следовательно, количество проводников в пазу N_П2 = 2.

Обмотка имеет одну параллельную ветвь а₂ = 1.

По таблице 6.9 выбираем среднее значение воздушного зазора δ:

δ=1мм

Наружный диаметр сердечника ротора:

.

Внутренний диаметр листов ротора:

.

Аксиальные вентиляционные каналы в конструкции ротора присутствует (h>250мм), поэтому диаметр: ,количество вентиляционных каналов:

Длина сердечника ротора:

,

т.к. .

Пазы ротора имеют прямоугольную полузакрытую форму.

Количество пазов на полюс и фазу:

Количество пазов в сердечнике ротора:

Тип обмотки и общее положение.

Найдем количество последовательно соединенных витков обмотки одной фазы:

Шаги секций с передней y_П2 и задней y^/_П2 стороны:

Шаг в конце обхода ротора укороченный:

Коэффициенты распределения , укорочения и обмоточный коэффициент определяются так же, как для обмотки статора по (6.11), (6.14), (6.15) с заменой q1 на q2, z1 на z2, β1 на β2:

, где . Тогда,

.

Определим коэффициент трансформаций ЭДС и тока:

Электродвижущая сила обмотки:

Напряжение на кольцах:

На контактных кольцах устанавливается металлографитная щетка – МГ-4.

Обмотка фазного ротора.

По табл.6.19 находим индукцию в наиболее узком месте ,где его ширина

Предварительная высота паза ротора:

Высота спинки ротора:

Магнитная индукция в спинке ротора:

Зубцовое деление по наружному диаметру ротора:

Ширина паза в наиболее узком месте:

Ширина паза:

Предварительный размер эффективного стержня по высоте:

по приложению2:;

где h_и2 =4,5мм – толщина изоляций в пазу по высоте; h_k2 = 2,5мм – значение клина ; h_ш2 = 1 мм - значение шлица.

Размеры эффективного стержня по ширине:

по приложению2: b_ст=1,95 мм ;

где 2b_и2=1,6 мм – двухсторонняя толщина корпусной изоляций;

h_c=b_c=0,3 мм – пропуски на сборку сердечника по высоте и ширине.

Площадь сечения эффективного стержня:

, отсюда с₂=1 - количество элементарных проводников

Уточнение значений размеров ротора:

Высота паза:

Ширина паза:

Высота спинки ротора:

Уточненная магнитная индукция в спинке ротора:

Уточненная ширина паза в наиболее узком месте:

Магнитная индукция в наиболее узком месте:

Среднее зубцовое деление ротора:

Среднее ширина катушки обмотки:

Средняя длина одной лобовой части обмотки:

Средняя длина витка обмотки:

.

Длина вылета лобовой части обмотки:

6. Расчет магнитной цепи

Асинхронные двигатели относятся к электрическим машинам с симметричной магнитной цепью, поэтому можно ограничиться расчетом МДС на полюс. Магнитная цепь асинхронного двигателя состоит из пяти последовательно соединенных однородных участков: воздушный зазор между ротором и статором, зубцов ротора, зубцов статора, спинки статора, спинки ротора. При расчете каждого из участков считается, что магнитная индукция на участке распределена равномерно.

МДС для воздушного зазора

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения статора:

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения ротора:

.

Радиальные каналы на статоре и роторе отсутствуют, вследствие этого:

.

Общий коэффициент воздушного зазора:

МДС для воздушного зазора:

.

МДС для зубцов при трапецеидальных полузакрытых пазах статора

При B_з1 ≤ 1,8 Тл:

Зубцовое деление на высоты зуба:

Ширина зубца:

Магнитная индукция на высоте высоты зуба:

При B_з1 ≤ 1,8 Тл напряженность магнитного поля определяем по приложению 9:

.

Средняя длина пути магнитного потока:

.

МДС для зубцов:

.

МДС для зубцов при прямоугольных пазах ротора

При :

Зубцовое деление ротора:

Зубцовое деление ротора в минимальном сечении зубца:

Ширина зубца:

в наиболее узкой части

в наиболее широкой части

в средней части

Магнитная индукция в зубцах ротора:

в наиболее узкой части

в наиболее широкой части

в наиболее широкой части

Коэффициент зубцов в наиболее узкой части

в наиболее широкой части

в средней части

Напряженность магнитного поля определяем по приложению 15:

в наиболее узкой части

в наиболее широкой части

в средней части

Среднее значение напряженности магнитного поля в зубцах:

Средняя длина пути магнитного потока:

МДС для зубцов:

МДС для спинки статора

Напряженность магнитного поля при 2p≥4 и B_с11,4 Тл: определяем из приложения 12:

Средняя длина пути магнитного потока:

МДС для спинки статора:

МДС для спинки ротора

Напряженность магнитного поля при 2p≥4 определяем из приложения 6:

Средняя длина пути магнитного потока:

МДС для спинки ротора:

Параметры магнитной цепи

Суммарная МДС магнитной цепи на один полюс:

.

Коэффициент насыщения магнитной цепи:

Намагничивающий ток:

Намагничивающий ток в относительных единицах:

ЭДС холостого хода:

Главное индуктивное сопротивление:

Главное индуктивное сопротивление в относительных единицах:

7. Активные и индуктивные сопротивления обмоток

Сопротивление обмотки статора

Активное сопротивление обмотки фазы при 20°С:

Активное сопротивление обмотки фазы при 20°С в относительных единицах:

.

Проведем проверку правильности определения r_1*:

Рассчитаем коэффициенты, учитывающие укорочение шага для β₁ = 0,8:

;

.

Согласно таблицы 6.21 для полуоткрытой формы паза статора:

;

;

.

Коэффициент проводимости рассеяния для прямоугольного полуоткрытого паза:

.

Коэффициент, учитывающий влияние открытия пазов статора на проводимость дифференциального рассеяния:

.

Коэффициент, учитывающий демпфирующую реакцию токов, наведенных в обмотке короткозамкнутого ротора высшими гармониками поля статора, определяем по таблице 6.22:

Коэффициент дифференциального рассеяния статора определяют по таблице 6.23:

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния:

Полюсное деление:

Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки:

Коэффициент проводимости рассеяния обмотки статора:

.

Индуктивное сопротивление обмотки фазы статора:

Индуктивное сопротивление обмотки фазы статора (в относительных единицах):

Проверка правильности определения x_1* (в относительных единицах):

Сопротивление обмотки фазного ротора.

Активное сопротивление обмотки фазы при 20°С:

.

Коэффициент приведения обмотки ротора к обмотки статора:

Активное сопротивление обмотки фазы ротора приведенной к обмотки статора:

Активное сопротивление обмотки фазы при 20°С в относительных единицах:

Рассчитаем коэффициенты, учитывающие укорочение шагадля β₂ = 0,8:

Согласно таблицы 6.21 для полузакрытой формы паза ротора:

;

;

;

h₁= h_п2-h_к2-h_ш2-h₂-h₄=47,3-2,5-1-1,1-1,6=41,1 мм.

Коэффициент проводимости рассеяния для прямоугольного полузакрытого паза:

Коэффициент, учитывающий влияние открытия пазов ротора на проводимость дифференциального рассеяния:

Коэффициент дифференциального рассеяния ротора:

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния:

Полюсное деление:

Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей обмотки:

Коэффициент проводимости рассеяния обмотки ротора:

Индуктивное сопротивление обмотки фазы ротора:

.

Индуктивное приведенное сопротивление обмотки фазы ротора:

Индуктивное сопротивление обмотки фазы ротора (в относительных единицах):

.

Проверка правильности определения x₂ (в относительных единицах):

должно выполняться условие:;

Сопротивление обмоток преобразованной схемы замещения двигателя (с вынесенным на зажимы намагничивающим контуром)

Коэффициент рассеяния статора:

Коэффициент сопротивления статора:

Найдем преобразованные сопротивления обмоток:

Так как и необходимость пересчета магнитной цепи отсутствует.

8. Режимы холостого хода и номинальный

Расчет режима холостого хода

Реактивная составляющая тока статора при синхронном вращении:

.

Электрические потери в обмотки статора при синхронном вращении:

Расчетная масса стали зубцов статора при трапецеидальных пазах:

Магнитные потери в зубцах статора (для стали 2312):

Масса стали спинки статора:

Магнитные потери в спинке статора (для стали 2312):

Суммарные магнитные потери в сердечнике статора, включающие добавочные потери в стали:

Механические потери при степени защиты IP23 и способе охлаждения IC01 без радиальных вентиляционных каналов:при 2р

Активная составляющая тока ХХ:

Ток ХХ:

Коэффициент мощности при ХХ:

Расчет параметров номинального режима работы

Активное сопротивление КЗ:

.

Индуктивное сопротивление КЗ:

.

Полное сопротивление КЗ:

.

Добавочные потери при номинальной нагрузке:

Механическая мощность двигателя:

Эквивалентное сопротивление схемы замещения:

Полное сопротивление схемы замещения:

Проверка правильности определения и :

Скольжение (в относительных единицах):

Активная составляющая тока статора при синхронном вращении:

Ток ротора:

Ток статора, активная составляющая:

Ток статора, реактивная составляющая:

Фазный ток статора:

Коэффициент мощности:

Линейная нагрузка статора:

Плотность тока в обмотке статора:

Линейная нагрузка ротора:

Ток (фазный) фазного ротора:

Плотность тока в обмотке фазного ротора:

Электрические потери в обмотках статора и ротора соответственно:

Суммарные потери в электродвигателе:

Подводимая мощность:

Коэффициент полезного действия:

Проверка правильности вычислений (с точностью до округлений):

9. Круговая диаграмма и рабочие характеристики

Рабочими характеристиками называются зависимости:

Эти характеристики рассчитываются как аналитически, так и определяются по круговой диаграмме, которая дает представление об особенностях спроектированного электродвигателя.

Расчет и построение круговой диаграммы

Диаметр рабочего круга принимаем в пределах:

.

Масштаб тока :

Принимаем

Уточняем диаметр рабочего круга:

Ключевые слова -