Тепловой и вентиляционный расчеты

Для получения достаточно достоверной оценки теплового состояния двигателя используется приближенный метод теплового расчета. Основу этого метода образуют упрощенные представления о характере тепловых связей между элементами конструкции. Поэтому используются средние значения коэффициентов теплоотдачи с поверхности и теплопроводности изоляции, характерные для определенной конструкции и технологии производства асинхронных двигателей.

Расчет нагрева проводят, используя значения потерь, полученных для . Потери в обмотке статора несколько увеличивают, предполагая, что она может быть нагрета до предельно допустимой температуры: при классе нагревостойкости В до С, при классе нагревостойкости F до С. Коэффициент увеличения потерь для класса нагревостойкости В составляет 1,15, для класса нагревостойкости F - 1,07.

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя рассчитывают по формуле 9.315 [1, с. 449]. Коэффициент теплоотдачи с поверхности, для исполнения IP 44, определяется по рисунку 9.67 [1], где . Коэффициент К, учитывающий, что часть потерь в сердечнике статора и в пазовой части обмотки передается через станину непосредственно в окружающую среду, принимается по таблице 9.35 [1, с. 450], . Значение коэффициента К с уменьшением частоты вращения ротора уменьшается, т. к. уменьшается интенсивность наружного обдува станины.

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора рассчитывают по формуле 9.316 [1, с. 450]. Расчетный периметр поперечного сечения паза, рисунок 9.29 а, б [1] определяется по формуле 9.317 [1, с. 451], используя размеры паза в штампе. Расчетный периметр поперечного сечения паза, рисунок 9.29 в, определяется тоже по формуле 9.317 [1], но вместо подставляется значение . Средняя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции для классов нагревостойкости В и F одинакова, =0,16 Вт/м С. Среднее значение коэффициента теплопроводности внутренней (витковой) изоляции всыпной обмотки из эмалированных проводников (с учетом их неплотного прилегания друг к другу) принимается по рисунку 9.69 [1, с. 453], = .

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей обмотки статора рассчитывают по формуле 9.319 [1, с. 452]. Электрические потери в лобовых частях катушек расчитывают по формуле 9.314 [1, c. 449]. Периметр условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки принимается равным расчетному периметру поперечного сечения паза из ранее выполненного расчета по формуле 9.317 [1, c. 451]. При наличии изоляции лобовых частей катушек ее односторонняя толщина принимается по таблице 3.1 [1, с. 77], а при отсутствии – равной нулю.

Превышение температуры наружной поверхности изоляции лобовых частей обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя расчитывается по формуле 9.320 [1, c. 452].

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя рассчитывают по формуле 9.321 [1, с. 452].

Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды определяется по формуле 9.322 [1, с. 452] в предположении, что температура корпуса (оболочки) равна температуре воздуха внутри двигателя. Сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя , для степени защиты IP 44 определяется по формуле 9.326 [1, с. 453]. Эквивалентная поверхность охлаждения корпуса определяется по формуле 9.327 [1, с. 453], а условный периметр поперечного сечения ребер принимается по рисунку 9.70 [1], где . Коэффициент подогрева воздуха , учитывающий теплоотдающую способность корпуса и интенсивность перемешивания воздуха внутри двигателя, определяется для степени защиты IP 44 по рисунку 9.67 [1, с. 450], .

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды рассчитывают по формуле 9.328 [1, с. 453]. Из-за приблизительного характера расчета значение должно быть не менее чем на 20 % меньше допускаемого превышения температуры для принятого класса нагревостойкости.

При температуре газообразной охлаждающей среды + 40 С и высоте над уровнем моря не более 1000 м по ГОСТ 183-74 (2001) допускаемое превышение температуры обмотки статора рассчитывают следующим образом. Для класса нагревостойкости изоляции В температурный индекс (ТИ130) равен 130 С. При этой температуре срок службы изоляционного материала равен 20 тыс. ч. Вычитая из 130 С температуру охлаждающей среды, получаем допускаемое превышение температуры 90 ⁰С, тогда .

Для класса нагревостойкости F (ТИ155) допускаемое превышение температуры обмотки статора составляет 115 С, .

Вентиляционный расчет двигателя, так же как тепловой, выполняется с использованием приближенного метода. При этом сопоставляются расход воздуха, необходимый для охлаждения двигателя, и расход, который может быть получен при заданной конструкции и окончательных размерах двигателя.

Необходимый расход воздуха рассчитывают по формуле 9.340 [1, с. 456]. Коэффициент , учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса, обдуваемого наружным вентилятором, определяют по формуле 9.341 [1], где .

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором, рассчитывают по формуле 9.342 [1]. Он должен быть больше расхода, необходимого для охлаждения двигателя.

 

МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ВАЛА

 

Вал асинхронного двигателя конструктивного исполнения по способу монтажа IM 1001 испытывает одновременно несколько воздействий:

- силы тяжести ротора;

- вращающего момента двигателя;

- изгибающей силы передачи;

- силы магнитного притяжения;

- силы небаланса ротора;

- силы крутильных колебаний.

Правильно сконструированный вал должен быть достаточно прочным (выдерживать все действующие на него нагрузки без проявления остаточных деформаций), достаточно жестким (при работе двигателя ротор не должен задевать о сердечник статора), критическая частота вращения вала должна быть значительно больше его рабочих частот вращения.

Материал валов – углеродистые стали, преимущественно марки 45, подвергаемые термической обработке для повышения механических свойств.

Вал двигателя имеет ступенчатую цилиндрическую форму. Предварительные размеры вала определяют при разработке эскиза его конструкции. Минимальное число ступеней вала зависит от количества узлов, деталей машины, размещаемых на нем (короткозамкнутый ротор, подшипники, вентилятор). Самый большой диаметр имеет средняя ступень, на которой размещается сердечник ротора с короткозамкнутой обмоткой. Величина этого диаметра равна внутреннему диаметру сердечника ротора. Две ступени вала для размещения подшипников имеют одинаковый диаметр, который равен ближайшему меньшему, относительно средней ступени, стандартному диаметру внутреннего кольца , таблицы П5.1-П5.3 [1, с. 733-737]. Длина ступеней вала для размещения подшипников выбирается в диапазоне (1,5÷2,0) В, где В – ширина наружного и внутреннего колец подшипника.

При переходе с одного диаметра вала на другой для предупреждения недопустимой концентрации механических напряжений не следует применять отношение диаметров соседних ступеней вала более 1,3. Обеспечение этого требования может вызвать увеличение числа ступеней вала.

Размеры выступающего конца вала (диаметр и длина) стандартные, таблица 8.1 [1, с. 244]. Диаметр - ближайший меньший относительно диаметра d. Концы валов предусматриваются двух исполнений – длинные и короткие. В таблице П6.4 [1, с. 740] для длинных выступающих концов вала указан наибольший момент вращения, что необходимо принять во внимание.

Вал разбивают на три участка: , , . Получение размеров , поясняет нижеприведенный рисунок 5. При расчете вала на жесткость нужно взять за основу систему обозначений, принятую на рисунке 8.14 [1, с. 245], и структуру, аналогичную таблице 8.3 [1, с. 248, 249].

Прогиб вала от действия силы тяжести ротора под серединой магнитопровода рассчитывают по формуле 8.15 [1, с. 245].

Прогиб вала от изгибающей силы передачи (поперечной силы ) рассчитывают по формуле 8.19 [1, с. 246]. При оценке сочленения асинхронного двигателя с исполнительным механизмом через ременную передачу или через упругую муфту понадобится значение - радиус окружности шкива или радиус по центрам пальцев муфты [2; приложения 37,38, с. 415, 416].

Рис.5. К механическому расчету вала

 

Прогиб вала от силы одностороннего магнитного притяжения, вызванной смещением ротора из центрального положения относительно внутренней поверхности сердечника статора, рассчитывают по формуле 8.23 [1, c. 247]. Первоначальное смещение ротора происходит от неточной механической обработки, износа подшипников и прогиба вала под действием сил , и рассчитывается по формуле 8.21 [1, c. 247]. Эта сила вызывает дополнительный прогиб вала, пропорциональный прогибу от силы тяжести ротора, и рассчитывается по формуле 8.22 [1, c. 247].

Результирующий прогиб вала определяется для наихудшего случая, когда три составляющие прогибов суммируются.

В процентах от величины воздушного зазора результирующий прогиб вала асинхронного двигателя не должен превышать 10 % для всех способов сочленения с исполнительным механизмом.

При критической частоте вращения вынуждающая сила небаланса имеет частоту равную частоте собственных поперечных колебаний вала. Наступает явление резонанса, при котором резко увеличиваются прогиб вала и вибрация двигателя. Приблизительное значение критической частоты вращения рассчитывают по формуле 8.25 [1, с. 248], которое должно отличаться от рабочей частоты не менее чем на 30 %.

Расчет вала на прочность заключается в определении механических напряжений в сечении каждой его ступени от совместного действия напряжений изгиба и кручения. Для этого определяют по формулам 8.31 - 8.33 для каждой ступени изгибающий момент с учетом перегрузки и момент сопротивления при изгибе W по формуле 8.30 [1]. Коэффициент перегрузки принимается равным из результатов расчета пусковых характеристик. Расчетное значение не должно превышать 0,7 предела текучести материала вала. Для стали 45 = 360 МПа.

ВЫБОР ПОДШИПНИКОВ

По конструктивным признакам подшипники подразделяют на подшипники качения (роликовые и шариковые) и подшипники скольжения.

В двигателях с горизонтальным расположением вала в основном применяют радиальные однорядные шарико- и роликоподшипники. Роликоподшипники применяют для больших нагрузок, чем это допустимо для шарикоподшипников.

В двигателях небольшой мощности при 200 мм чаще всего оба подшипника выбираются шариковыми. У двигателей средней и большой мощности подшипник со стороны привода, воспринимающий большую нагрузку, выбирается роликовым, а с противоположной стороны – шариковым.

В общем случае на подшипник действуют радиальная и осевая нагрузки. Для двигателей с горизонтальным расположением вала в большинстве случаев можно не учитывать осевую нагрузку. При определении радиальной нагрузки на подшипники исходят из наихудшего случая и рассчитывают и по формулам 8.36, 8.37 [1, с. 257].

Основной характеристикой подшипника является динамическая грузоподъемность С, рассчитываемая по формуле 8.38 для шарикоподшипников, по формуле 8.38 а для роликоподшипников. Приведенная динамическая нагрузка для однорядных шарикоподшипников определяется по формуле 8.35 а [1, с. 256], с учетом коэффициента - характера нагрузки. Для двигателей общего назначения в большинстве случаев =1,5÷2,0. Срок службы подшипника, если не задан, выбирают не менее (15÷20) ч.

По расчетной динамической грузоподъемности С, таблицы П5.1-П5.3 [1, с. 733-737], выбирают подшипник и его габаритные размеры. Расчетное значение С должно быть меньшим или равным табличному значению. Если расчетное значение С получилось больше табличного, а срок службы нельзя уменьшить, то следует выбрать подшипник из другой, соответствующей заданным параметрам серии. Выбор подшипников рекомендуется производить, начиная с легкой серии.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

Выбор главных размеров

1 Перечислите главные размеры асинхронного двигателя.

2 Как принимается предварительное значение внешнего диаметра сердечника статора?

3 Что такое «высота оси вращения» асинхронного двигателя?

4 Как принимается предварительное значение внутреннего диаметра сердечника статора?

5 Что такое «полюсное деление»?

6 Что такое «расчетная мощность»?

7 Что характеризует коэффициент ?

8 Что называют энергетическими показателями асинхронного двигателя?

9 От чего зависят предварительные значения энергетических показателей?

10 Поясните, что такое «электромагнитные нагрузки» и назовите их размерности.

11 Изложите соображения, которыми целесообразно руководствоваться при выборе предварительного значения каждой электромагнитной нагрузки.

12 От чего зависят рекомендуемые диапазоны электромагнитных нагрузок?

13 Когда обмотка статора выбирается однослойной?

14 Перечислите преимущества и недостатки однослойных обмоток.

15 Когда обмотка статора выбирается двухслойной?

16 Перечислите преимущества и недостатки двухслойных обмоток.

17 Как принимается предварительное значение обмоточного коэффициента обмотки статора?

18 Как зависит обмоточный коэффициент обмотки статора от числа ее слоев?

19 От чего зависит предварительная длина сердечника статора?

20 Как зависит длина сердечника статора от расчетной мощности двигателя?

21 Как зависит длина сердечника статора от внутреннего диаметра сердечника статора?

22 Как зависит длина сердечника статора от обмоточного коэффициента его обмотки?

23 Как зависит длина сердечника статора от электромагнитных нагрузок?

24 Как зависит длина сердечника статора от синхронной угловой частоты ротора двигателя?

25 От чего зависит синхронная угловая частота двигателя?

26 Что учитывает коэффициент формы поля ?

27 Как проверяется правильность выбора главных размеров двигателя?

28 Изложите соображения, которыми целесообразно руководствоваться при уменьшении значения критерия правильности выбора главных размеров двигателя.

29 Изложите соображения, которыми целесообразно руководствоваться при увеличении значения критерия правильности выбора главных размеров двигателя.

30 Какие факторы накладывают ограничение на коэффициент ?

31 Поясните конструкцию сердечника статора.

32 Для чего сердечник статора выполняется шихтованным?

 

Определение , и выбор провода обмотки статора

1 Какие факторы обуславливают выбор числа пазов статора?

2 От чего зависит диапазон рекомендуемого значения зубцового деления сердечника статора с всыпной обмоткой?

3 От чего зависит диапазон рекомендуемых значений числа пазов сердечника статора?

4 Какими соображениями руководствуются при выборе окончательного числа пазов сердечника статора?

5 Что такое «число пазов на полюс и фазу»?

6 Перечислите требования, предъявляемые к окончательному значению зубцового деления сердечника статора.

7 Поясните, что такое параллельная ветвь обмотки статора?

8 Какие значения числа параллельных ветвей возможны в выбранной обмотке статора?

9 Что такое «эффективный проводник»?

10 Каким должно быть окончательное число эффективных проводников в пазу двухслойной обмотки?

11 Каким должно быть окончательное число эффективных проводников в пазу однослойной обмотки?

12 От чего зависит предварительное значение номинального тока фазы обмотки статора?

13 От чего зависит число витков фазы обмотки статора?

14 От чего зависит амплитуда основного магнитного потока?

15 От чего зависит уточненное значение индукции в воздушном зазоре?

16 Что такое «распределенная обмотка статора»?

17 Почему обмотка статора выполняется распределенной?

18 С какой целью выполняют укорочение шага обмотки?

19 Что такое «шаг обмотки» (полный, укороченный)?

20 Что такое «относительный шаг» обмотки ?

21 Назовите физический смысл обмоточного коэффициента обмотки статора.

22 Назовите физический смысл коэффициента распределения обмотки статора.

23 Назовите физический смысл коэффициента укорочения обмотки статора.

24 Назовите причины необходимости уточнения обмоточного коэффициента обмотки статора.

25 Перечислите требования, предъявляемые к уточненным значениям электромагнитных нагрузок.

26 Поясните возможные действия, если значение линейной нагрузки не входит в требуемый диапазон значений.

27 От чего зависит предварительное значение плотности тока в обмотке статора?

28 Какими соображениями руководствуются при выборе предварительного значения произведения из рекомендуемого диапазона?

29 От чего зависит предварительная площадь поперечного сечения эффективного проводника обмотки статора?

30 Назовите предельное значение диаметра изолированного провода при механизированной укладке обмотки.

31 Назовите предельное значение диаметра изолированного провода при ручной укладке обмотки.

32 Назовите причину формирования сечения эффективного проводника из нескольких элементарных проводников.

33 Назовите предельное значение числа элементарных проводников в одном эффективном.

34 Назовите возможную причину увеличения предварительного значения числа параллельных ветвей обмотки статора, появившуюся при выборе провода.

35 Назовите марку выбранного обмоточного провода и дайте необходимые пояснения.

36 Назовите класс нагревостойкости выбранного обмоточного провода и поясните, что означает его температурный индекс?

37 Назовите причину уточнения плотности тока обмотки статора.

38 Назовите последствия увеличения (уменьшения) уточненной плотности тока обмотки статора.