Выбор внешнего и внутреннего диаметра статора, электромагнитных нагрузок, длины статора и ротора

Выбор внешнего и внутреннего диаметра статора, электромагнитных нагрузок, длины статора и ротора

Техническое задание определило исходные параметры для проектирования двигателя: Р_2ном=8 [кВт]; U_1фном=660 [В]; n₁=600 [мин^-1]; m₁=3; f₁=50 [Гц];

схема соединения фаз обмотки статора - звезда; горизонтальный вал; защищенное исполнение с самовентиляцией; продолжительные условия работы; климатические условия эксплуатации - У2; общепромышленное применение двигателя; класс нагревостойкости изоляции – F.

В соответствии с заданной синхронной частотой вращения магнитного поля машины находим нужное число полюсов на статоре:

p ;

2p=10.

Из [1] при заданной мощности Р_2ном и 2р=10 по кривой рис.1 находим рекомендуемую высоту оси вращения h=160 [мм]. Учитывая требования стандарта к размерам листов электротехнической стали, из табл.1: выбираем стандартную высоту оси h =160 [мм], при этой высоте рекомендован наружный диаметр статора D₁ =0,278 [м].

Внутренний диаметр статора d₁ находим из соотношения d₁=Kg* D₁; при 2р=10 рекомендован Kg=0,74-0,75 принимаем Kg=0,75; тогда d₁=0,2085[м].

Находим часть окружности статора, приходящуюся на один полюс: [м].

Определяем мощность, потребляемую двигателем из сети при номинальной механической нагрузке на валу:

Р_1ном= , где Ке=Е_1фном/U_1фном находим из кривой рис.2;

при 2р=10 и D₁=0.278 [м] находим Ке=0.95; предварительное значение коэффициента полезного действия =0.85-0.9; принимаем =0,85; тогда

P_1ном= =8,941 [кВт].

Находим рекомендованную величину линейной токовой нагрузки, приходящейся на единицу длины окружности статора из [1]: при D₁=0,278 [м], и 2р=10 по кривой, приведенной на рис.3 находим А₁ = [А/м]. Из кривой, приведенной на рис.4 при D₁=0,278 и 2р=10 находим величину магнитной индукции в воздушном зазоре; В_б=0,82 [Тл]. Главные размеры машины зависят от произведения А₁ и В_б, а характеристики двигателя зависят от соотношения между А₁ и В_б.

При выбранном соотношении А₁ и В_б расчетная длина сердечника статора определится из выражения:

l₁= ,

где коэффициент формы кривой магнитного поля К=1,1,

₁= [c^-1];

обмоточный коэффициент K₀₁=0,91;

тогда

l₁=8,941*10³/0,2085²*62,8*1,1*0,91*30*10³*0,82=0,13299 [м].

Проверяем соотношения l₁ и : =l₁/ =0.13299/0,06547=2,03, это соотношение при 2р=10 близко к единице. При отсутствии радиальных вентиляционных каналов между пакетами сердечника статора осевая длина стали статора приравнивается полученной длине l_1. Сердечник ротора тоже будет собран в один пакет, поэтому его осевая длина l₁= l₂.

Величину воздушного зазора между статором и ротором находим из выражения:

=(0,25+d₁)*10^-3=(0,25+208,5)*10^-3=208,75*10^-3;

округляем до 0,230 [мм]. Прогиб вала машины не должен превышать 10% от величины воздушного зазора.

 

Расчет конструктивных параметров обмотки статора

Для заданной мощности машины принимаем всыпную обмотку статора из круглых изолированных проводников. Чтобы найти число пазов в сердечнике статора, предварительно задаем длину зубцового деления t₁. Рекомендуемое t₁ для всыпных обмоток находим из кривой, приведенной на рис.5. При известной величине =0,0654 [м] находим t₁ =8 [мм]. Отсюда число пазов в сердечнике статора определим по формуле:

Z₁=p*d₁/t₁=3.14*209/8=82.

Из возможных вариантов Z₁ выбираем такое число, при котором число пазов, принадлежащих одной фазе и расположенных под одним полюсом, было целым числом: q₁=Z₁/2p*m₁=3 - целое число. Тогда Z₁=2p*m₁*q_1, рекомендуемое q₁=2-5; чаще всего q=3-4, принимаем q₁=3; Z₁=90. Проверяем:

t₁=p*d₁/Z₁=3,14*209/90=7,29 [мм];

отношение рекомендуемого t₁ и полученного 0,71, разница не превышает 0.8 %.

Число эффективных проводников в одном пазу должно быть целым числом: u_n1=целое число;

u_n1=p*d₁*A₁/I_1фном*Z₁;

I_1фном= [A].

Предварительное значение cos находим из кривой рис.6 по [1]: при заданной P_2ном и 2р=10 получаем cos _1ном=0,83.

Тогда: u_n1=3,14*0,209*30*10³/5,716*90=38,27; округляем до u_n1=38.

Уточнение ранее принятых параметров статора

 

Число витков в фазах обмотки статора:

m₁*W₁=3W₁= u_n1*Z₁/2=38*90/2=360;

это должно быть целое число. Число витков в одной фазе обмотки статора: W₁=m₁*W1/m1-целое число;W1=570;

Число витков, включенных в одной фазе последовательно: Wa=u_n1*Z₁/2*m₁=570; W_a=W₁=целое число. Проверяем линейную токовую нагрузку по длине окружности ротора: А₁= 2*I_1фном* W₁* m₁/ p*d₁=2*5,716*570*3/3,14*0,209=30 [А/м]; сравнение с ранее принятой 35 показывает, что разница не превышает 1 %.

Магнитный поток на пару полюсов:

Ф=Е₁/4,44*W₁*K₀₁*f₁;

K_e=E_1фном/U_1фном=0,95; K₀₁=0,91;

E_1фном=U_1фном*K_e=660*0,95=627[В];

Ф=627/4,44*570*0,91*50=0,0054 [Вб];

К₀₁=К_р1*К_у1.

Магнитная индукция в воздушном зазоре:

В_б=Ф/а_б*т*l₁;а_б=0,64-0,7;

принимаем а_б=0,7;

В_б=0,0054/0,7*0,06547*0,13299=0,83[Тл], что близко к ранее принятой индукции.

 

Исходные параметры для расчета характеристик

Расчет рабочих характеристик проведем с использованием Г-образной схемы замещения фазы машины, представленной на рис. 17. Расчет параметров проводим для практического диапазона работы двигателя: от S=0 до 1,4 S_ном. Расчет процесса пуска от S=1 до S_ном требует учета изменения некоторых параметров схемы замещения и проводится отдельно в конце раздела.

Исходные данные, необходимые для проведения расчета рабочих характеристик: Р_2ном=8 [кВт]; U_1фном=660 [В]; 2р=10; I_1фном=5,716 [А];

(DР_с1+DР_мех+DР_сg)=174,5+19,6+962,449=1156,54[Вт]; С₁=1+X₁/X₁₂=1+0.086/330=1; DР_gном = 44,7 [Вт]; I_оа=0,93 [А]; I_ор=2 [А]= I_m;

R₁=5,68 [Ом]; R¹₂=3,12 [Ом];

а=С₁*R₁=1*5,68=5,68 [Ом]; а¹=С₁²=1;

в=С₁*(X₁+С₁*X¹_2­)=1*(0,086+1*14,32)=14,4 [Ом]; в¹=0. Предварительно принимаем S_ном=R¹_2*=0,027. Для проведения расчета в заданном диапазоне задаем конкретную величину скольжения S=0,005, 0,01, 0,015, 0,022, 0,025, 0,03. После проведения расчетов уточним величину S_ном, соответствующую P_2ном по кривой S=f(P₂).

 

Выбор системы вентиляции

Для проектируемого двигателя принимаем искусственную вентиляцию, самовентиляцию. При этом охлаждение активных и конструктивных деталей машины производится потоком охлаждающего воздуха, всасываемым вентилятором, размещенным на роторе. Вытяжная система вентиляции обладает преимуществом перед нагнетательной системой в том, что в машину попадает холодный воздух; нет подогрева воздуха при прохождении его через вентилятор. Воздух поступает в машину через патрубок, движется вдоль оси машины, охлаждая поверхность статора и ротора. В двигателе с литой алюминиевой беличьей клеткой вентиляционные лопатки составляют одно целое с коротко замыкающими кольцами клеток.

Вентиляционный расчет определяет количество воздуха, которое необходимо прогонять через машину для поддерживания необходимой температуры деталей, и давление этого воздуха (его напор), обеспечивающее прохождение требуемого количества воздуха через воздуховоды. Подаваемый воздух должен отводить все потери мощности, выделяющиеся при работе двигателя и греющие детали конструкции.

 

Расчет и выбор подшипников

 

По данным 1 выбираем подшипники. Принимаем шарикоподшипники радиальные однорядные легкой серии. Шарикоподшипник показан на рис. 22. Его параметры: марка 213, диаметр под вал - 65 [мм], внешний диаметр - 120 [мм], ширина – 23 [мм], динамическая грузоподъемность - С=44000 [Н], статическая грузоподъемность - С₀=34000 [Н], максимальная частота вращения - 5000 [мин^-1], левый и правый подшипники одинаковые. На рис. 22 приведена схема для определения радиальных реакций в подшипниках.

Из уравнений равновесия сил относительно опор А и В находим радиальные реакции в подшипниках: R_a(a+в)-G_p*в=0; R_в(a+в)-G_p*в=0; a=в=125 [мм];

G_p=157,15 [H];

R_a=G_p*в/(a+в);

 

R_в=G_p*в/(a+в);

R_а= [H];

R_в= [H].

Приведенную динамическую нагрузку принимаем Q= к*R [H], где для машины общепромышленного назначения к=2. Тогда Q=2*78,575=157,15 [H].

Динамическая нагрузка подшипника:

С= Q³√Д∙n_ном/25.6=27386 [Н].

Полученная динамическая нагрузка обеих подшипников не превышает допустимой динамической грузоподъёмности.

 

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Проектирование электрических машин: Учеб. Пособие для вузов /

И. П. Копылов, Ф.А. Горямнов, Б.К. Клоков и др.; Под ред. И.П. Копылова- М.: Энергия. – 1980. – 496 с.

2. Проектирование электрических машин: Учеб. Пособие для вузов /

И. П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова- 3-е изд. испр. и допл.-М.:Высшая школа./- 2002. – 757 с.

3. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболецкая. – М.: Энергоиздат.-1982.-504 с.

4. Справочник по электрическим машинам/ Под ред. И.П. Копылова; Б.К. Клокова.- М.: Энергоатомиздат.-1988.- 456 с.

5. Калинкин В.С. и Карельская Н.Т. Курсовое проектирование по технологии электромашиностроения: Учеб. Пособие для техникумов.-М.: Высшая школа.-1989.- 360 с.

6. Кацман М.М. Расчет и конструирование электрических машин:

Обмоточные данные. Ремонт.Модеонизация:Справочник.-М.:Энергоатомиздат.- 1984.-360 с.

7. Петриков Л.В. Корначенко Г.Н. Асинхронные электродвигатели: Обмоточные данные. Ремонт.Модеонизация: Справочник.-М.:Энергоатомиздат.-1988.-496с.

8. Автоматизированное проектирование электрических машин: Учеб. Пособие для вузов / Под. Ред. Ю.Б. Бородулина.-М.:Высшая школа.-1989.-309с.

 

РЕФЕРАТ

 

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электрические машины» содержит: 54 стр., 8 разделов, 2 рис., 1табл., перечень ссылок из 8 наименований.

Объектом курсового проекта явился асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, предназначенный для применения во всех отраслях промышленности Украины.

Предметом проекта явились расчетные параметры асинхронного двигателя, характеризующие основные размеры его деталей и конструктивное устройство, электрические, магнитные и механические нагрузки деталей, позволяющие изготовить работающую и надежную электрическую машину.

Целью курсового проекта явилась разработка конструкции двигателя, соответствующую исходным данным, учитывающей состояние современного отечественного и зарубежного электромашиностроения, требования к конструктивному исполнению и технологии промышленного изготовления машин, обеспечивающей высокую степень использования активных и конструктивных материалов, минимальную стоимость двигателя при заданной долговечности.

В курсовом проекте разработано: конструктивное исполнение деталей, их линейные размеры при заданных или рассчитанных нагрузках; выбраны материалы для отдельных деталей; просчитаны электрические, магнитные и механические нагрузки материала всех деталей, которые сопоставлены с предельно допустимыми; сделан вентиляционный и тепловой расчеты машины; проверена степень использования электрической энергии при ее преобразовании в механическую энергию.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК, АСИНХРОННЫЙ КОРОТКОЗАМКНУТЫЙ РОТОР, КОНСТРУКЦИЯ,РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ.

 

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ_{------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------}6

1 ВЫБОР ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ И ЭЛЕКТРОМАГИТНЫХНАГРУЗОК_------7

1.1 Выбор внешнего и внутреннего диаметра статора, электромагнитных нагрузок, длины статора и ротора_{------------------------------------------------------------------------------------------------------}7

1.2 Расчет конструктивных параметров обмотки статора_{------------------------------------------}9

1.3 Уточнение ранее принятых параметров статора_{-----------------------------------------------------}9

1.4 Форма и размеры паза статора, заполнение паза_{------------------------------------------------------}10

1.5 Расчет конструктивных параметров ротора_{----------------------------------------------------------------}12

1.6 Форма и размеры паза ротора, заполнение паза_{-------------------------------------------------------}14

1.7 Уточнение ранее принятых параметров ротора_{-------------------------------------------------------}15

1.8 Расчет размеров короткозамыкающего кольца_{--------------------------------------------------------}15

2 РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ МАШИНЫ_{-----------------------------------------------------------------}17

2.1 Эскиз магнитной цепи, линейные размеры участков_{--------------------------------------------}17

2.2 Расчет магнитных напряжений на участках магнитной цепи_{----------------------------}18

2.3 Определение намагничивающего тока_{------------------------------------------------------------------------}20

3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ФАЗЫ МАШИНЫ_---------21

3.1 Расчет активного сопротивления фазы обмотки статора_{------------------------------------}21

3.2 Расчет активного сопротивления фазы короткозамкнутого ротора_{--------------}21

3.3 Расчет индуктивного сопротивления фазы обмотки статора_{------------------------------}22

3.4 Расчет индуктивного сопротивления обмотки ротора_{-------------------------------------------}23

3.5 Определение индуктивного сопротивления взаимной индукции_{--------------------}23

3.6 Относительные значения найденных параметров_{---------------------------------------------------}24

4 РАСЧЕТ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ_{--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------}25

4.1 Электрические потери мощности в обмотках статора и ротора_{---------------------}25

4.2 Основные потери мощности в стали сердечника статора_{-------------------------------------}26

4.3 Расчет добавочных потерь мощности в стали машины_{------------------------------------------}26

4.4 Механические и вентиляционные потери мощности_{----------------------------------------------}28

4.5 Добавочные потери мощности при номинальной нагрузке_{---------------------------------}29

4.6 Определение коэффициента полезного действия, тока холостого хода двигателя_{--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------}29

5 РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ_-------31

5.1 Исходные параметры для расчета характеристик_{----------------------------------------------------}31

5.2 Последовательность расчета необходимых параметров_{---------------------------------------}32

5.3 Расчет параметров для номинальной нагрузки на валу_{----------------------------------------}36

5.4 Расчет и построение пусковых характеристик двигателя_{-------------------------------------}37

6 ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЕТ_{-----------------------------------------------------------------------------------------}41

6.1 Выбор системы вентиляции_{-----------------------------------------------------------------------------------------------}41

6.2 определение основных параметров вентиляционной системы_{---------------------------}41

7 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ МАШИНЫ_{-------------------------------------------------------------------------------------}44

7.1 Перепад температуры по толщине изоляции обмотки статора_{--------------------------}44

7.2 Превышение температуры сердечника и обмотки статора_{----------------------------------}45

7.3 Превышение температуры сердечника и обмотки ротора_{------------------------------------}46

8 МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ КОНСТРУКЦИИ_{------------------------------------}48

8.1 Расчет вала машины на жесткость и прочность_{------------------------------------------------------}48

8.2 Расчет и выбор подшипников_{-----------------------------------------------------------------------------------------}50

8.3 Выбор муфты для соединения рабочего конца вала с приводным механизмом_{--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------}51

ВЫВОДЫ_{----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------}53

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК_{---------------------------------------------------------------------------------------------------------------}54

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНАЯ

АКАДЕМИЯ

Кафедра ЭСА

 

Краматорск 2010

Выбор внешнего и внутреннего диаметра статора, электромагнитных нагрузок, длины статора и ротора

Техническое задание определило исходные параметры для проектирования двигателя: Р_2ном=8 [кВт]; U_1фном=660 [В]; n₁=600 [мин^-1]; m₁=3; f₁=50 [Гц];

схема соединения фаз обмотки статора - звезда; горизонтальный вал; защищенное исполнение с самовентиляцией; продолжительные условия работы; климатические условия эксплуатации - У2; общепромышленное применение двигателя; класс нагревостойкости изоляции – F.

В соответствии с заданной синхронной частотой вращения магнитного поля машины находим нужное число полюсов на статоре:

p ;

2p=10.

Из [1] при заданной мощности Р_2ном и 2р=10 по кривой рис.1 находим рекомендуемую высоту оси вращения h=160 [мм]. Учитывая требования стандарта к размерам листов электротехнической стали, из табл.1: выбираем стандартную высоту оси h =160 [мм], при этой высоте рекомендован наружный диаметр статора D₁ =0,278 [м].

Внутренний диаметр статора d₁ находим из соотношения d₁=Kg* D₁; при 2р=10 рекомендован Kg=0,74-0,75 принимаем Kg=0,75; тогда d₁=0,2085[м].

Находим часть окружности статора, приходящуюся на один полюс: [м].

Определяем мощность, потребляемую двигателем из сети при номинальной механической нагрузке на валу:

Р_1ном= , где Ке=Е_1фном/U_1фном находим из кривой рис.2;

при 2р=10 и D₁=0.278 [м] находим Ке=0.95; предварительное значение коэффициента полезного действия =0.85-0.9; принимаем =0,85; тогда

P_1ном= =8,941 [кВт].

Находим рекомендованную величину линейной токовой нагрузки, приходящейся на единицу длины окружности статора из [1]: при D₁=0,278 [м], и 2р=10 по кривой, приведенной на рис.3 находим А₁ = [А/м]. Из кривой, приведенной на рис.4 при D₁=0,278 и 2р=10 находим величину магнитной индукции в воздушном зазоре; В_б=0,82 [Тл]. Главные размеры машины зависят от произведения А₁ и В_б, а характеристики двигателя зависят от соотношения между А₁ и В_б.

При выбранном соотношении А₁ и В_б расчетная длина сердечника статора определится из выражения:

l₁= ,

где коэффициент формы кривой магнитного поля К=1,1,

₁= [c^-1];

обмоточный коэффициент K₀₁=0,91;

тогда

l₁=8,941*10³/0,2085²*62,8*1,1*0,91*30*10³*0,82=0,13299 [м].

Проверяем соотношения l₁ и : =l₁/ =0.13299/0,06547=2,03, это соотношение при 2р=10 близко к единице. При отсутствии радиальных вентиляционных каналов между пакетами сердечника статора осевая длина стали статора приравнивается полученной длине l_1. Сердечник ротора тоже будет собран в один пакет, поэтому его осевая длина l₁= l₂.

Величину воздушного зазора между статором и ротором находим из выражения:

=(0,25+d₁)*10^-3=(0,25+208,5)*10^-3=208,75*10^-3;

округляем до 0,230 [мм]. Прогиб вала машины не должен превышать 10% от величины воздушного зазора.