Выбор главных размеров активных частей двигателя

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение..................................................................................................................... 3

Исходные данные для проектирования.....................................................................5

Выбор главных размеров активных частей двигателя.............................................6

Расчет числа пазов, параметров обмотки статора...................................................7

Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора..............................11

Расчет ротора..............................................................................................................14

Расчет магнитной цепи.............................................................................................17

Расчет параметров рабочего режима....................................................................... 21

Расчет потерь..............................................................................................................24

Расчет рабочих характеристик.................................................................................25

Расчет пусковых характеристик...............................................................................29

Тепловой расчет..........................................................................................................38

Список рекомендуемой литературы.........................................................................41

 

Введение

 

Асинхронные двигатели выпускают сериями. Серия - ряд двигателей возрастающей мощности, имеющих одну конструкцию и единую технологию изготовления. При проектировании серий машин важнейшее значение имеют вопросы унификации деталей, конструктивных узлов и нормализации ряда размеров. Внешние диаметры статора выбирают таким образом, чтобы на одном и том же диаметре при изменении длины машины можно было получить несколько машин на различные мощности и частоты вращения. Такое построение серий приводит к сокращению количества штампов, уменьшению количества моделей для отливки станин и подшипниковых щитов, сохранению одних и тех же диаметров валов, унификации подшипниковых щитов, сокращению количества оснастки и измерительного инструмента.

В настоящее время выпускается единая серия асинхронных двигателей 4А и АИ. В серии 4А 17 габаритов, число ступеней мощности составляет 33, диапазон мощностей 0,06—400 кВт; высоты осей вращения 50—355 мм. На базе единых серий изготовляются двигатели различных исполнений, предназначенные для работы в специальных условиях. Так, на базе серии 4А выпускаются следующие электрические модификации: с повышенным пусковым моментом, с повышенным скольжением, многоскоростные, на частоту сети 60 Гц, однофазные, с фазным ротором и другие.

При проектировании индивидуальной машины необходимо по возможности использовать имеющиеся на заводе штампы, модели, шаблоны и так выбирать размеры, чтобы максимально использовать существующие узлы и детали.

Большинство двигателей серии 4А - это трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, рассчитанные на частоту сети 50 Гц. Они имеют исполнение по степени защиты IP44 во всем диапазоне высот оси вращения и IP23 - в диапазоне высот осей вращения 160-355 мм.

Значительное увеличение производства асинхронных двигателей в последнее время ставит перед инженерами-электромеханиками с особой остротой проблемы экономии материалов и электроэнергии, снижения трудоемкости и повышения надежности электрических машин. Решение этих проблем во многом зависит от умения проектировать электрические машины с высокими технико-экономическими показателями.

Проектирование асинхронного двигателя - сложная многовариантная задача, которая сводится к многократному повторению расчетов, для получения более близкого к заданию расчетного варианта.

Уравнениями проектирования асинхронного двигателя является цепочка формул, эмпирические коэффициенты, графические зависимости. Причем, число неизвестных переменных больше числа уравнений проектирования, поэтому при одних и тех же исходных данных можно получить различные варианты расчета. Выбрать лучший вариант расчета из всех возможных является задачей оптимизации. Для этого используют специальные методы и ЭВМ.

В учебном проектировании используются обычные методики расчета. Если строго следовать рекомендациям, выработанным на основе длительного опыта проектирования, можно получить вариант расчета с высокими технико-экономическими показателями.

Проектирование электрической машины связано с расчетом размеров статора и ротора, выбором типа обмотки, обмоточных проводов, изоляции, материалов активных и конструктивных частей машины. При этом необходимо соблюдение требований государственных и отраслевых стандартов.

Курсовая работа выполнена по методике, изложенной в учебном пособии [4].

Исходные данные для проектирования

 

 

Номинальная мощность	P2=45 кВт
Номинальное линейное напряжение	U1л=220 В
Номинальная синхронная частота вращения	n1=750 м
Число фаз	m=3
Частота сети, Гц	f1=50 Гц
Ротор	короткозамкнутый
Способ защиты от окружающей среды	IP44
Режим работы - продолжительный	S1
Соединение обмотки статора - звездой

 

 

Расчет ротора

26. Воздушный зазор (см. с.50)

м; мм

27. Число пазов ротора (по табл.5.1).

28. Внешний диаметр ротора

м.

29. Длина магнитопровода ротора м.

30. Зубцовое деление ротора

мм.

31. Внутренний диаметр ротора (равен диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал) (по 5.52)

мм,

где =0,23 (табл.5.2)

32. Ток в обмотке ротора (по 5.7)

А

(по 5.8),

(по 5.9),

(пазы ротора выполнены без скоса –).

33. Площадь поперечного сечения стержня (предварительно) (по 5.18)

мм²,

- плотность тока в стержне литой клетки, принимаем А/м² (см. с.58).

34. Паз ротора принимаем по рис.5.9, б

ширина шлица паза ротора мм (см. с.64), высота шлица паза ротора мм и мм (см. с.64)

Допустимая ширина зубца по (5.25)

мм,

- допустимая индукция в зубце ротора,принимаем Тл (табл.4.4).

 

Размеры паза:

больший размер паза по (5.26)

мм;

меньший размер паза по (5.27)

мм;

размер между центрами окружностей по (5.28)

мм

35. Уточняем ширину зубцов

мм по (5.30);

мм по (5.31),

мм, принимаем мм; мм; мм;

полная высота паза ротора (рис.5.9, б)

мм

Фрагмент зубцового слоя ротора приведен на рис.4

 

Рис.4. Фрагмент зубцоввого слоя ротора (масштаб 2.5:1)

36. Площадь поперечного сечения стержня (уточненная) по (5.29)

мм²

Плотность тока в стержне

А/м.

37. Короткозамыкающие кольца (рис.5.6,):

площадь поперечного сечения кольца предварительно по (5.22)

мм²

ток кольца по (5.20)

А,

по (5.21)

плотность тока в кольце (см. с.60)

А/м

Размеры короткозамыкающих колец:

высота кольца (см. с.60)

мм;

ширина кольца по (5.23)

мм,

мм²

средний диаметр кольца по (5.24)

мм.

Расчет магнитной цепи

 

Магнитопровод из стали 2013; толщина листов 0,5мм.

38. Магнитное напряжение воздушного зазора по (6.1)

А,

магнитная проницаемость,

коэффициент воздушного зазора (см. с.72)

,

.

39. Магнитное напряжение зубцовой зоны статора по (6.5)

А,

мм,

расчетная индукция в зубцах статора по (6. 3)

Тл,

не превышает 1.8 Тл, поэтому ответвление магнитного потока в паз не учитываем и

магнитная напряженность А/м (по табл.6.1)

40. Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора по (6.6)

А;

при зубцах ротора по рис.5.9,б из табл.6.2 мм

расчетная индукция в зубцах ротора по (6. 7)

,

не превышает 1.8 Тл, поэтому ответвление магнитного потока в паз не учитываем и

магнитная напряженность А/м (по табл.6.1)

41. Коэффициент насыщения зубцовой зоны по (6.13)

.

42. Магнитное напряжения ярма статора по (6.14)

А,

- длина средней магнитной силовой линии по (6.17)

м,

индукция в ярме статора по (6.15)

Тл,

 

при отсутствии радиальных вентиляционных каналов в статоре м и

магнитная напряженность А/м (по табл.6.5).

43. Магнитное напряжение ярма ротора по (6.19)

А,

- длина средней магнитной силовой линии в ярме ротора, при 2по (6.19)

м,

высота ярма ротора при 2по (6.24)

м

индукция в ярме ротора по (6.20)

Тл,

магнитная напряженность А/м (по табл.6.5)

44. Магнитное напряжение на пару полюсов по (6.26)

А.

45. Коэффициент насыщения магнитной цепи по (6.27)

,

находится в допустимых пределах 1,2 – 1,5.

46. Намагничивающий ток по (6.28)

А.

Относительное значение намагничивающего тока по (6.29)

,

для 2находится в допустимых пределах 0,22 – 0,4.

Продольный и поперечный разрез активных частей асинхронного двигателя

приведен на рис.5.

 

 

Расчет потерь

51. Потери в стали основные по (8.1)

 

Вт,

(Вт/кг для стали 2013 по табл.8.1)

; (см. с.101);

масса стали ярма сердечника статора по (8.2)

кг;

масса стали зубцов сердечника статора по (8.3)

кг.

52. Поверхностные потери в роторе по (8.7)

Вт,

- удельные поверхностные потери в роторе по (8.6)

Вт/м² (см. с.102),

- амплитуда пульсации индукции над коронками зубцов ротора по (8.4)

,

(по рис.8.1,б для)

53. Пульсационные потери в зубцах ротора по(8.14)

Вт,

- амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов ротора по (8.10)

Тл,

- масса зубцов ротора по (8.15)

кг.

54. Сумма добавочных потерь в стали по (8.16)

Вт,

и для закрытых пазов ротора.

55. Полные потери в стали по (8.17)

Вт.

56. Механические потери по (8.23)

Вт,

для двигателей закрытого исполнения с 2 (см. с. 105)

 

55. Ток холостого хода двигателя по (8.31)

А,

- активная составляющая тока холостого по (8.32)

;

электрические потери при холостом ходе по (8.33)

Вт,

А;

коэффициент мощности при холостом ходе по (8.35)

.

Тепловой расчет

65. Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя по (11.3)

С,

- коэффициент передачи тепла непосредственно в окружающую среду, (по табл. 1.1);

по (11.1) электрические потери в пазовой части обмотки

Вт,

Вт/(м²·⁰C) -коэффициент теплоотдачи с поверхности (рис. 11.1,б);

для обмоток c изоляцией класса нагревостойкости F (см. с.128).

66. Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора по (11.4)

С,

-расчетный периметр поперечного сечения паза статора при полузакрытых трапецеидальных пазах по (11.5)

мм; м;

-средняя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции для обмоток класса нагревостойкости F, Вт/(м·⁰C) (см. с.131);

-коэффициент теплопроводности внутренней изоляции всыпной обмотки

по рис. 11.3 для, Вт/(м·⁰C).

67. Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей (лобовые части не изолированы) по (11.8)

С,

-потери в лобовой части обмотки статора по (11.2)

Вт.

68. Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой

воздуха внутри двигателя машины по (11.9)

С

69. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя по (11.10)

 

С

70. Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды по (11.11)

С,

-сумма потерь, отводимых в воздух внутри машины по (11.15)

 

Вт;

по (11.13)

Вт;

эквивалентная поверхность охлаждения корпуса по (11.16)

м² ,

-среднее значение периметра поперечного сечения ребер, м (рис. 11.4);

-коэффициент подогрева воздуха, Вт/(м²·⁰C) (рис. 11.1,б).

71. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды по (11.17)

С.

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды меньше допустимой для выбранного класса изоляции F.

72. Проверка условий охлаждения двигателя:

требуемый для охлаждения расход воздуха

м³/с,

-коэффициент, учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса по (11.30)

,

(см. с.136),

номинальная частота вращения

=750= 733,65 мин.

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором по (11.31)

м³/с.

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором, больше требуемого для охлаждения ().

Вывод: спроектированный двигатель отвечает поставленным в техническом задании требованиям.

Список рекомендуемой литературы

1. Проектирование электрических машин: Учеб для вузов/ И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; под ред. И.П. Копылова.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 2005.- 767с.: ил.

2. Проектирование электрических машин: Учеб для вузов.- В 2кн.: Кн.1/ И.П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; под ред. И.П. Копылова.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1993.- 384с.

3. Проектирование электрических машин: Учеб. пособие для вузов/ И.П. Копылов, Ф.А. Горяинов, Б.К. Клоков, и др.; под ред. И.П. Копылова. –М: Энергия, 1980.-496с.

4. Проектирование асинхронных трехфазных электродвигателей. Учеб. пособие к курсовому и дипломному проектированию/ В.А. Потапкин, Р.В. Ротыч, Г.А. Назикян, В.И. Рожков; М–во образования и науки РФ, Юж.– Рос. гос. техн. ун–т. Новочеркасск: ЮРГТУ 2009. – 137 с.

 

5. Справочник по электрическим машинам: В 2 т./Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т.1 – М: Энергоатомиздат, 1988. 456с.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Введение..................................................................................................................... 3

Исходные данные для проектирования.....................................................................5

Выбор главных размеров активных частей двигателя.............................................6

Расчет числа пазов, параметров обмотки статора...................................................7

Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора..............................11

Расчет ротора..............................................................................................................14

Расчет магнитной цепи.............................................................................................17

Расчет параметров рабочего режима....................................................................... 21

Расчет потерь..............................................................................................................24

Расчет рабочих характеристик.................................................................................25

Расчет пусковых характеристик...............................................................................29

Тепловой расчет..........................................................................................................38

Список рекомендуемой литературы.........................................................................41

 

Введение

 

Асинхронные двигатели выпускают сериями. Серия - ряд двигателей возрастающей мощности, имеющих одну конструкцию и единую технологию изготовления. При проектировании серий машин важнейшее значение имеют вопросы унификации деталей, конструктивных узлов и нормализации ряда размеров. Внешние диаметры статора выбирают таким образом, чтобы на одном и том же диаметре при изменении длины машины можно было получить несколько машин на различные мощности и частоты вращения. Такое построение серий приводит к сокращению количества штампов, уменьшению количества моделей для отливки станин и подшипниковых щитов, сохранению одних и тех же диаметров валов, унификации подшипниковых щитов, сокращению количества оснастки и измерительного инструмента.

В настоящее время выпускается единая серия асинхронных двигателей 4А и АИ. В серии 4А 17 габаритов, число ступеней мощности составляет 33, диапазон мощностей 0,06—400 кВт; высоты осей вращения 50—355 мм. На базе единых серий изготовляются двигатели различных исполнений, предназначенные для работы в специальных условиях. Так, на базе серии 4А выпускаются следующие электрические модификации: с повышенным пусковым моментом, с повышенным скольжением, многоскоростные, на частоту сети 60 Гц, однофазные, с фазным ротором и другие.

При проектировании индивидуальной машины необходимо по возможности использовать имеющиеся на заводе штампы, модели, шаблоны и так выбирать размеры, чтобы максимально использовать существующие узлы и детали.

Большинство двигателей серии 4А - это трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, рассчитанные на частоту сети 50 Гц. Они имеют исполнение по степени защиты IP44 во всем диапазоне высот оси вращения и IP23 - в диапазоне высот осей вращения 160-355 мм.

Значительное увеличение производства асинхронных двигателей в последнее время ставит перед инженерами-электромеханиками с особой остротой проблемы экономии материалов и электроэнергии, снижения трудоемкости и повышения надежности электрических машин. Решение этих проблем во многом зависит от умения проектировать электрические машины с высокими технико-экономическими показателями.

Проектирование асинхронного двигателя - сложная многовариантная задача, которая сводится к многократному повторению расчетов, для получения более близкого к заданию расчетного варианта.

Уравнениями проектирования асинхронного двигателя является цепочка формул, эмпирические коэффициенты, графические зависимости. Причем, число неизвестных переменных больше числа уравнений проектирования, поэтому при одних и тех же исходных данных можно получить различные варианты расчета. Выбрать лучший вариант расчета из всех возможных является задачей оптимизации. Для этого используют специальные методы и ЭВМ.

В учебном проектировании используются обычные методики расчета. Если строго следовать рекомендациям, выработанным на основе длительного опыта проектирования, можно получить вариант расчета с высокими технико-экономическими показателями.

Проектирование электрической машины связано с расчетом размеров статора и ротора, выбором типа обмотки, обмоточных проводов, изоляции, материалов активных и конструктивных частей машины. При этом необходимо соблюдение требований государственных и отраслевых стандартов.

Курсовая работа выполнена по методике, изложенной в учебном пособии [4].

Исходные данные для проектирования

 

 

Номинальная мощность	P2=45 кВт
Номинальное линейное напряжение	U1л=220 В
Номинальная синхронная частота вращения	n1=750 м
Число фаз	m=3
Частота сети, Гц	f1=50 Гц
Ротор	короткозамкнутый
Способ защиты от окружающей среды	IP44
Режим работы - продолжительный	S1
Соединение обмотки статора - звездой

 

 

Выбор главных размеров активных частей двигателя

1. Число пар полюсов

2. Предварительный выбор высоты оси вращения (рис.3.1, а),

принимаем ближайшее стандартное значение мм.

3. Предварительное значение внутреннего диаметра статора по (3.2)

м,

- внешний диаметр сердечника статора, по табл.3.1 м;

коэффициент принимаем по табл.3.2 из диапазона 0,72 – 0,75,

4. Полюсное деление по (3.3)

м

5. Расчетная мощность по (3.4)

кВт,

по рис.3.4, и % по рис.3.5, б.

6. Предварительные значения линейной нагрузки и магнитной индукции в воздушном зазоре А/м; Тл (по рис.3.6, б)

7. Коэффициент полюсного перекрытия и коэффициент формы поля ,

предварительно принимаются равными

; .

8. Предварительное значение обмоточного коэффициента (для двухслойной обмотки)

9. Синхронная угловая частота двигателя по (3.5)

рад/с.

10. Расчетная длина сердечника статора по (3.6)

м

11. Коэффициент длины (см. с.22)

Коэффициент λ находится в допустимых пределах (рис.3.9,а)