Кафедра «Электромеханические комплексы и системы»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Петербургский государственный университет путей сообщения

Кафедра «Электромеханические комплексы и системы»

 

УТВЕРЖДАЮ

	Зав. кафедрой В.В. Никитин

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

на курсовой проект «РАСЧЕТ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ»

Студент а группы ЭТ-007

Иванова Ивана Ивановича

Номинальные данные проектируемого двигателя:

Номинальная мощность, снимаемая с вала, 15000 Вт, частота вращения

поля статора, 1500 мин^-1, номинальное напряжение , 220/380 В, частота

питающей сети, 50 Гц, количество фаз статора – 3, класс нагревостойкости

изоляции – В, степень защиты IP44, способ монтажа IM1001, способ

охлаждения IC0141, режим работы S1

Перечень разделов, подлежащих выполнению:

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ
		1. Электромагнитный расчет
		2. Тепловой и вентиляционный расчет
		3. Механический расчет вала
ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
		1. Сборочный чертеж двигателя
		2. Сборочный чертеж узла -
		3. Чертеж детали -

Вся техническая документация должна удовлетворять требованиям ЕСКД и ЕСТПП

Срок сдачи законченного проекта 01декабря 2008 г.

Задание принял_ к выполнению 15сентября 2008 г

Студент_ _____________________(____________________)

Руководитель _____________________(____________________)

РЕФЕРАТ

 

Иванов И.И. Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Курс. проект. / ПГУПС, каф. ЭМКиС; рук. А.В. Колесова. – Санкт-Петербург, 2008.

Гр. ч. 1 л. ФА1, 2 л. ФА3, ПЗ с., 6 рис., 4 табл., 4 источника, 2 прил.: специф. 3л.

 

РОТОР КОРОТКОЗАМКНУТЫЙ, ОБМОТКА СТАТОРА ОДНОСЛОЙНАЯ ВСЫПНАЯ, ПАЗ ТРАПЕЦЕИДАЛЬНЫЙ, ВЫТЕСНЕНИЕ ТОКА, НАСЫЩЕНИЕ.

 

Объектом исследования является асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором исполнения IP44, IC0141, IM1001.

Цель работы - проработка методик расчета двигателя и конструкции, исследование рабочих и пусковых характеристик, механический расчет вала. Проработать расчеты в соответствии с выбранным аналогом 4A160S4.

Полученные показатели при номинальном режиме рассчитанного асинхронного двигателя близки к показателям аналога.

В пусковом режиме кратность пускового тока , кратность пускового момента , что находится в допустимых пределах и удовлетворяет ГОСТ 19523-74. Тепловой режим отвечает условиям класса нагревостойкости изоляции В.

 

ВВЕДЕНИЕ

Асинхронные двигатели (АД) являются основными в электроприводах практически всех промышленных предприятий. Наиболее распространены двигатели на номинальные напряжения до 660 В. Обычно двигатели выпускаются сериями, что позволяет унифицировать отдельные узлы и детали и тем самым снизить затраты на изготовление.

Двигатели серии 4А выпускались в 80-х годах 20 века в массовом количестве и в настоящее время эксплуатируются практически на всех предприятиях России. 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 специализированные исполнения. Двигатели основного исполнения предназначены для нормальных условий работы и являются двигателями общего назначения. Это трехфазные АД с короткозамкнутым ротором, рассчитанные на частоту сети 50 Гц.

Позднее были созданы двигатели серий АИ и АИР. Машины этих серий по качеству и энергетическим показателям находятся на уровне лучших двигателей, выпускаемых зарубежными фирмами, а по массогабаритным показателям во многих типоразмерах превосходят их.

Разработка новой серии АД (РА) началась в 1992 году. В нее были заложены решения, позволившие изготавливать двигатели для любых требований потребителя. Конструкция корпуса двигателей новой серии позволяет увеличить теплоотдачу при снижении массы машины, а также улучшить эстетичность ее формы. Технико-экономические показатели двигателей серии РА превосходят зарубежные.

Электромагнитный расчет

Выбор главных размеров

Число пар полюсов по (1)

*)

где - частота напряжения сети;

n₁ –синхронная частота вращения, об/мин;

Высота оси вращения по рис.3 и таблице П.2.2, мм

h =160.

Наружный диаметр статора по таблице 3, м,

.

Внутренний диаметр статора по (2), м,

,

где -коэффициент, определяемый по таблице 4;

.

Полюсное деление по (3), м,

.

Расчетная мощность по (5), ВА,

где - номинальная мощность на валу двигателя, Вт;

- отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, по рис.4.

- коэффициент полезного действия двигателя по рис.5,

- коэффициент мощности по рис.6,

Линейная нагрузка для двигателя со степенью защиты IP44 (предварительно) по рис.8, А/м,

А=28000.

Индукция в воздушном зазоре двигателя со степенью защиты IP44 по рис.8, Тл,

_ ._______________________

*⁾ Расчет двигателя по /1/

Обмоточный коэффициент для однослойной обмотки (предварительно)

Синхронная угловая скорость двигателя, рад/с,

.

Коэффициент формы поля

.

Расчетная длина воздушного зазора по (5), м,

,

где - расчетный коэффициент полюсной дуги;

Так как мм, то радиальные вентиляционные каналы не выполняются и длина сердечника статора равна расчетной длине воздушного зазора . Так как мм, то длина сердечника ротора равна величине .

Критерий правильности выбора главных размеров по (7)

Значение находится в рекомендованных пределах.

1.2 Определение и сечение провода обмотки статора

Число пазов статора (минимальное) по (8),

где - зубцовое деление статора АД со всыпной обмоткой (максимальное), по рис.12, м,

.

Число пазов статора (максимальное) по (8)

где - зубцовое деление статора АД со всыпной обмоткой (минимальное), по рис.12, м,

В соответствии с рекомендациями ПРИЛОЖЕНИЯ 1 принимается .

Число пазов на полюс и фазу по (9)

где m - число фаз;

Так как высота оси вращения не больше 160 мм, в двигателе может использоваться однослойная обмотка без укорочения шага (). Схема обмотки приводится на рисунке 1.1.

Зубцовое деление статора в соответствии с (8) и (9), м,

Число эффективных проводников в пазу для а =1 по (10)

где - номинальный ток обмотки статора по (11), А,

Принимается а =1, тогда по (12)

Принимается u_п = 11.

Окончательное число витков в фазе обмотки по (13)

Окончательное значение линейной нагрузки по (14), А/м,

Значение обмоточного коэффициента по (П.1.13), с учетом отсутствия скоса пазов ()

,

где - коэффициент распределения по (П.1.15)

- коэффициент укорочения по (П.1.14)

,

где - шаг укорочения для однослойной обмотки;

.

Магнитный поток по (15), Вб,

Индукция в воздушном зазоре окончательно по (16), Тл,

Сечение эффективных проводников по (17), м²,

где - плотность тока в обмотке статора, по таблице 5, для изоляции класса нагревостойкости В принимается А/мм².

Сечение эффективного проводника более 2,5 мм², поэтому эффективный проводник разбивается на элементарные количество элементарных проводников .

Сечение элементарного проводника по (18), м²,

где - число элементарных проводников;

для обмотки статора выбирается обмоточный провод ПЭТВ, размеры голого и изолированного провода по таблице П.3.1

; ;

; .

Плотность тока в обмотке статора (окончательно) по (17), А/м²,

Плотность тока в обмотке статора находится в рекомендуемых пределах

Расчет ротора

Внешний диаметр ротора по (41), м,

где - воздушный зазор по (40, б), м,

,

,

величину следует округлить до стандартного значения, с учетом допуска на люфт подшипников и технологических допусков, мм,

Зубцовое деление по (47), м,

где - число пазов ротора, по таблице 14 ,

Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник непосредственно насажен на вал по (68), м,

где - коэффициент для расчета диаметра вала по, таблице (15),

Ток в стержне ротора по (42), А,

Рисунок 1.2 Эскиз паза статора «в свету»

Таблица 1.1 - Спецификация паза

Позиция	Наименование	Число слоев	Одност. толщина, мм
	Имидофлекс		0,5
	Имидофлекс		0,4
	ПЭТВ

 

где - коэффициент влияния тока намагничивания и сопротивления обмоток на отношение по (43),

,

,

- коэффициент привидения тока по (44),

Для короткозамкнутого ротора выбирается литая алюминиевая обмотка без скоса пазов, пазы ротора закрытые (см. рис. 16,б)

Площадь поперечного сечения стержня по (45), м²,

где - плотность тока в стержне ротора, А/м²;

Допустимая ширина зубца по (46), м,

где - допустимая индукция в зубцах ротора по таблице 5,

Тл,

Высота шлица паза, мм,

.

Высота перемычки над пазом, мм,

.

Ширина шлица паза, мм,

.

Большая ширина паза по (48), м,

Меньшая ширина паза по (49), м,

Расстояние между осям закруглений по (50), м,

Полная высота паза ротора по (52), м,

Расчетная высота зубца ротора по (53), м,

,

.

Эскиз паза ротора приводится на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3. Эскиз паза ротора

 

Уточненное сечение стержня по (51) м²,

Плотность тока в стержне ротора, в соответствии с (45) А/м²,

Площадь поперечного сечения замыкающих колец короткозамкнутого ротора, по (48) м²,

где - ток в кольце по (62), А,

- плотность тока в замыкающих кольцах, А/м²,

Размеры короткозамыкающих колец, м,

высота кольца по(65)

;

ширина кольца по (66)

Уточнённое сечение замыкающих колец короткозамкнутого ротора в соответствии с (66), м²,

Средний диаметр короткозамыкающего кольца по (67), м,

Количество вентиляционных лопаток принимается равным 17.

Параметры рабочего режима

Активное сопротивление фазы обмотки статора по (108), Ом,

где - коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки от действия эффекта вытеснения тока;

- удельное сопротивление материала обмотки статора (медь) по таблице 17, Ом×м;

L - общая длина проводников фазы обмотки по(107), м,

- средняя длина витка обмотки по (106), м,

длина пазовой части, м;

;

- длина лобовой части по (97), м,

- коэффициент удлинения лобовой части по таблице 16;

– длина вылета прямолинейной части катушек из паза, м;

- средняя ширина катушки по (98), м,

- относительное укорочение шага обмотки статора;

Длина вылета лобовой части катушки по (99), м,

где - коэффициент вылета лобовой части по таблице 16,

.

Относительное значение сопротивления фазы обмотки статора по (126)

Значение находится в рекомендованных пределах.

Активное сопротивление фазы обмотки ротора по (116), Ом,

где - сопротивление стержня по (114), Ом,

- удельное сопротивление материала в стержне (алюминий), по таблице 17, Ом×м;

- длина стержня ротора, м;

- сопротивление участка замыкающего кольца между двумя стержнями по (115), Ом,

- удельное сопротивление материала замыкающих колец (алюминий), по таблице 17, Ом×м;

Активное сопротивление фазы обмотки ротора, приведенное к числу витков обмотки статора по (118) с учетом (117), Ом,

Относительное значение приведённого активного сопротивления ротора по (126)

Значение находится в рекомендованных пределах.

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора по (109), Ом,

где - коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния по таблице 18,

- размеры паза, м,

- коэффициенты учитывающие уменьшение МДС паза, вызванное укорочением шага обмотки по таблице 18,

- коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния по (111)

- коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния по (112),

- коэффициент, зависящий от обмоточных данных и геометрии зубцовой зоны по (113,б),

- коэффициент;

- коэффициент скоса;

Относительное значение индуктивного сопротивления рассеяния статора по (126),

Индуктивное сопротивление короткозамкнутого ротора по (119), Ом,

где - коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора, по таблице 19,

- размеры паза, м,

- коэффициент демпфирования (для номинального режима);

- коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния по (120,а)

- коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора по (121)

- коэффициент, зависящий от обмоточных данных и геометрии зубцовой зоны по (122)

 

- коэффициент, определяемый по рис.23;

Приведенное индуктивное сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора к числу витков статора по (124) с учетом (117), Ом,

Относительное значение приведённого индуктивного сопротивления обмотки короткозамкнутого ротора по (126)

Значение находится в рекомендованных пределах.

Расчет потерь и КПД

Потери в стали основные по (127), Вт,

где - удельные потери в стали, Вт/кг;

- показатель степени,

-масса стали ярма статора по (128), кг,

- плотность стали, кг/м³;

- масса зубцов статора по (129), кг,

- коэффициенты, учитывающие технологические факторы, в машинах мощностью до 250 кВт , ;

Поверхностные потери в роторе по (132), Вт,

где - удельные поверхностные потери по (133), Вт/м²,

- коэффициент учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов ротора на удельные потери;

- индукция в воздушном зазоре над коронками зубцов ротора по (134), Тл,

- коэффициент зависящий от отношения ширины шлица пазов статора к воздушному зазору по рис.24,а;

Пульсационные потери в зубцах ротора по (135), Вт,

где - амплитуда пульсации индукции в среднем сечении зубцов ротора по (136), Тл,

- масса стали зубцов ротора по (138), кг,

Сумма добавочных потерь в стали по (139), Вт,

Общие потери в стали по(140), Вт,

Электрические потери во всех фазах обмотки статора по (141), Вт,

Электрические потери в обмотке короткозамкнутого ротора по (142), Вт,

Механические и вентиляционные потери по (145), Вт,

где - приведенный коэффициент трения,

Добавочные потери при номинальном режиме по (146,а), Вт,

Ток холостого хода двигателя по (147), А,

где - активная составляющая тока холостого хода по (148), А,

- электрические потери в статоре при холостом ходе по (149), Вт,

Коэффициент мощности при холостом ходе по (150),

Тепловой расчет

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя по (204), °С,

где - коэффициент, учитывающий теплопередачу от обмотки статора через станину в окружающую среду, определяется по таблице 24,

- электрические потери в пазовой части обмотки статора по (202), Вт,

коэффициент увеличения потерь;

коэффициент теплоотдачи с поверхности по рис.30;

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора по (205), °С,

где расчетный периметр поперечного сечения паза статора по (206), м,

,

- средняя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции, Вт/(м×°С);

- среднее значение теплопроводности внутренней изоляции катушки по рис.32;

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей по (209), °С,

где - электрические потери в лобовой части обмотки статора по (203), Вт,

- периметр условной поверхности охлаждения лобовой части, м,

- толщина изоляции лобовых соединений, м,

Превышение температуры наружной поверхности изоляции лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри машины по (210), °С,

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой внутри машины по (211), °С,

Превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды по (212), °С,

где - сумма потерь, отводимых в воздух внутри машины по (213,б), Вт,

- сумма потерь в двигателе при номинальном режиме по (214), Вт,

,

эквивалентная поверхность охлаждения корпуса по (215,б), м²,

условный периметр поперечного сечения ребер станины по рис.33,

- коэффициент подогрева воздуха, по рис.30;

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды по (216), °С,

Значение находится в рекомендованных пределах.

Вентиляционный расчет

 

Требуемый расход воздуха для охлаждения по (219), м³/с,

где коэффициент, учитывающий изменения условий охлаждения по длине поверхности корпуса, обдуваемого наружным вентилятором по (220),

где – коэффициент, учитывающий конструкцию машины;

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором по (221), м³/с,

Условие охлаждения машины выполняется.

3 Механический расчет вала

Расчет вала на жесткость

Сила тяжести ротора по (224), Н,

,

где масса ротора по (223), кг,

,

;

.

Поперечная сила, приложенная к выступающему концу вала по (229), Н,

где номинальный вращающий момент по (230), Н×м,

– номин