СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
2. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ
3. РАСЧЕТ СТАТОРА
3.1 Расчет обмотки статора
3.2 Расчет паза статора
3.3 Расчет воздушного зазора статора
4. РАСЧЕТ РОТОРА
4.1 Расчет обмотки ротора
4.2 Расчет паза ротора
5. РАСЧЕТ НАМАГНИЧИВАЮЩЕГО ТОКА
6. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ РАБОЧЕГО РЕЖИМА
7. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ
8. РАСЧЕТ РАБОЧИХ И ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
9. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ
10. ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЕТ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
ПРИЛОЖЕНИЕ А - Спецификация для чертежа общего вида
ВВЕДЕНИЕ
Первый в мире асинхронный трехфазный двигатель был построен в 1891 году русским ученым М.О. Доливо-Добровольским. Это изобретение сыграло колоссальную роль в истории техники. Оно явилось революционным фактором, сразу заставившим развиваться электротехнику по новому пути - по пути применения трехфазного тока.
До изобретения трехфазного асинхронного двигателя в промышленности применяли дорогие, сложные по конструкции и малонадежные в эксплуатации вследствие плохой работы коллектора двигатели постоянного тока. Других электродвигателей практически не было. В 1891 году на электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне Доливо-Добровольским были показаны простые, дешевые и удобные в эксплуатации асинхронные двигатели. Конструкция их оказалась настолько совершенной, что и теперь, несмотря на огромный прогресс техники трехфазного тока, она по существу осталась прежней. Изменились лишь соразмерности отдельных частей, габариты и поднялся коэффициент полезного действия вследствие усовершенствования методов расчета и применения лучших материалов.
После выставки во Франкфурте-на-Майне асинхронные двигатели стали быстро вытеснять двигатели постоянного тока, вторгаясь в самые разнообразные отрасли промышленности. Ими приводились в действие прокатные станы, станки, текстильные машины и так далее [2].
Проектирование электрических машин - это искусство, соединяющее знание процессов электромеханического преобразования энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров-электромехаников.
При проектировании электрической машины рассчитываются размеры статора и ротора, выбираются типы обмоток, обмоточные провода, изоляция, материалы активных и конструктивных частей машины. Отдельные части машины должны быть сконструированы и рассчитаны, чтобы при изготовлении машины трудоемкость и расход материалов был наименьшими, а при эксплуатации машина обладала наилучшими энергетическими показателями. При этом электрическая машина должна соответствовать условиям применения ее в электроприводе.
При конструировании приходится учитывать назначение и условия эксплуатации, стоимость активных и конструктивных материалов, КПД, технологию производства, надежность в работе и патентную частоту. При этом необходимо учитывать соответствие технико-экономических показателей машин современного мирового уровня [1].
Серия 4А является массовой серией асинхронных двигателей, рассчитанных на применение в различных областях промышленности. Она охватывает диапазон от 0,06 до 400 кВт и выполнена на 17 высотах оси вращения
Серия включает основное исполнение асинхронных двигателей, ряд модификаций и специализированные исполнения.
1. АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
В данном задании требуется спроектировать асинхронный двигатель серии 4А с параметрами не хуже заданных.
В техническом задании приведено обозначение электрической машины 4AHK355S8. Расшифруем её обозначение для определения параметров проектируемого двигателя.
Цифра 4 в обозначении электрической машины означает, что серия проектируемого двигателя - четвертая.
Буква А указывает, что необходимо спроектировать асинхронный двигатель. статор воздушный двигатель пусковой
Буква Н указывает, что исполнение двигателя защищенное, IP23. Цифра 2 означает защиту от возможности проникновения внутрь оболочки предметов длиной не более 80 мм и твёрдых тел размером более 12 мм. Цифра 3 во второй позиции означает защиту от дождя, при этом капли воды, падающих под углом 60 к вертикали, не должны оказывать вредного воздействие на изделие [1].
Буква К в обозначении типа электрической машины означает, что проектируемый двигатель должен иметь фазный ротор.
Исполнение двигателя по материалу станины и щитов: в обозначении электрической машины буква отсутствует, это значит, что щиты и станина чугунные или стальные.
Высота оси вращения двигателя 355 миллиметров.
Буква S означает, что выбирается меньший установочный размер по длине станины.
Длина сердечника: в обозначении электрической машины буква отсутствует, что означает, что при данном установочном размере по длине станины выполняются сердечники только одной длины.
Цифра 8 в обозначении электрической машины означает, что выполняется двигатель с восемью полюсами.
Ввиду того, что проектируется двигатель общего назначения, то выберем климатическое исполнение для умеренного климата и категорию размещения 3.
Принимаем окончательно асинхронный двигатель четвертой серии, защищенного исполнения с фазным ротором, стальными щитами и станиной, высотой оси вращения 355 миллиметров, с меньшим установочным размером по длине станины, восьмиполюсный, климатического исполнения У (эксплуатация в районах с умеренным климатом), категории размещения 3 (двигатель рассчитан на работу в закрытых помещениях, в которых колебания температуры и влажности, а также воздействие песка и пыли на машину существенно меньше, чем на открытом воздухе).
Проектирование двигателя серии 4А производится по расчетной методике, построенной на «машинной постоянной Арнольда», приведенной в [1]. Ссылки на рисунки, таблицы, формулы произведены на [1].
2. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ
Расчет асинхронных двигателей начинают с определения главных размеров: внутреннего диаметра статора D и расчетной длины воздушного зазора l. Размеры D и l связаны с мощностью, угловой скоростью и электромагнитными нагрузками выражением «машинной постоянной» (6.1) [1]
В начальный период расчета двигателя все величины, входящие в (6-1) [1], кроме синхронной угловой скорости, неизвестны, поэтому расчет проводят, задаваясь на основании имеющихся рекомендаций значениями электромагнитных нагрузок и коэффициентов k , kоб и , и приближенно, определяют расчетную мощность P'. Остаются два неизвестных D и l , однозначное определение которых без дополнительных условий невозможно.
Высота оси вращения из технического задания h=355 мм.
Для высоты оси вращения 355 мм наружный диаметр статора Da принимают из таблицы 6.6 [1] равным 660 мм.
Внутренний диаметр статора D вычисляется по формуле (6-2) [1]
где - коэффициент, характеризующий отношение внутреннего и внешнегодиаметров сердечника статора.
По таблице 6.7 [1] для двигателя с восьмью полюсами выбираем значение равное 0,743.
Тогда получим
Принимаем внутренний диаметр статора равный 0,488м.
Полюсное деление вычисляется по формуле (6.3) [1]
где 2р - число полюсов, 2р=8
Расчетная мощность Р', Вт, вычисляется по формуле (6.4) [1]
где P2 - мощность на валу двигателя, Вт, P2=132 кВт;
KE - отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению,определяется по рисунку (6-8) [1], KE=0,972;
- коэффициент полезного действия, в процентах, =0,915;
cos() - коэффициент мощности, cos()=0,85.
Электромагнитные нагрузки А, А/м, , Тл, предварительно по рисунку 6.13, б [1] примем равными 48000 А/м и 0,84 Тл соответственно.
Предварительное значение обмоточного коэффициента kоб1 выбирают в зависимости от типа обмотки статора.
В проектируемом двигателе принимаем двухслойную обмотку статора по [1] предварительно kоб1 =0,91.
Предварительно примем значения коэффициентов полюсного перекрытия бд и формы поля kВ
kВ = р/2
Синхронная частота вращения вала двигателя Щ, рад/с рассчитывается по формуле (6.5) [1]
где n1- синхронная частота вращения, n1=580 об/мин
Из формулы (1) с учетом значения бд определяем расчетную длину воздушного зазора lд, м по формуле (6.6) [1]
Примем длину воздушного зазора l равной 218 мм.
Критерием правильности выбора главных размеров D и l служит коэффициент , равный отношению принятой длины воздушного зазора l к полюсному делению , который должен находиться в пределах, показанных на рисунке 6.14 б [1] для принятого исполнения машины
Отношение принятой длины воздушного зазора l к полюсному делению находится в рекомендуемых в [1] пределах (от 1,1 до 1,7).
3. РАСЧЕТ СТАТОРА
3.1 Расчет обмотки статора
Расчет обмотки статора включает в себя определение числа пазов статора Z1 и числа витков в фазе обмотки статора 1. При этом число витков фазы обмотки статора должно быть таким, чтобы линейная нагрузка двигателя и индукция в воздушном зазоре как можно более близко совпадали с их значениями, принятыми предварительно при выборе главных размеров, а число пазов статора обеспечивало достаточно равномерное распределение катушек обмотки.
Чтобы выполнить эти условия, выбирают предварительное значение зубцового деления t1 в зависимости от типа обмотки, номинального напряжения и полюсного деления машины. Принимая номинальное напряжение равное 380 В, выберем предельные значения t1 , мм, по таблице 6-9 [1], t1max=22 мм и t1min=17мм.
Тогда возможные числа пазов статора Z1min и Z1max соответствующие выбранному диапазону определяются по формуле (6.16) [1]
Принимаем Z1 =72, тогда число пазов на полюс и фазу q, найдем по формуле
где m - число фаз, m=3.
Зубцовое деление статора t1 , мм, окончательно определим по формуле
t1 входит в указанные выше пределы.
При определении числа эффективных проводников в пазу UП: в двухслойной обмотке желательно, чтобы оно было кратным двум.
Вначале определяем предварительное число эффективных проводников в пазу U'П при условии, что параллельные ветви в обмотке отсутствуют (а = 1) по формуле (6.17) [1]
где А - значение линейной нагрузки, А/м;
I1н - номинальный ток обмотки статора, А.
Номинальный ток обмотки статора определяется по формуле (6.18) [1]
где U1н - номинальное напряжение обмотки статора, В, U1н=380 В.
Отсюда по формуле (3.2)
При определении числа эффективных проводников в пазу руководствуются следующим: uп должно быть целым, а в двухслойной обмотке желательно, чтобы оно было кратно двум.
Примем такое число параллельных ветвей обмотки а, при котором число эффективных проводников в пазу либо будет полностью удовлетворять приведенным ранее условиям, либо потребует лишь незначительного изменения.
Принимаем а=2, тогда число эффективных проводников в пазу uп определяется по формуле (6.19) [1]
Примем число эффективных проводников в пазу uп=14.
Окончательное значение числа витков в фазе обмотки статора 1 определяется по формуле (6.20) [1]
Окончательное значение линейной нагрузки А, А/м, определяется по формуле (6.21) [1]
Значение линейной нагрузки А = 48900 А/м расходится с принятым ранее значением равным 48000 А/м менее чем на 5%.
Окончательное значение магнитного потока Ф, Вб, по формуле (6.22) [1]
где - уточнённое значение обмоточного коэффициента, для двухслойной обмотки.
Уточнённое значение обмоточного коэффициента, для двухслойной обмотки определяется по формуле (3-3) [1]
где - коэффициент укорочения, учитывающий уменьшение ЭДС витка, вызванное укорочением шага обмотки;
- коэффициент распределения, учитывающий уменьшение ЭДС распределенной по пазам обмотки по сравнению с сосредоточенной.
Коэффициент укорочения , учитывающий уменьшение ЭДС витка, вызванное укорочением шага обмотки, определяется по формуле (3.6) [1]
где - укорочение шага обмотки статора.
В двухслойных обмотках асинхронных двигателей шаг y1 выполняют в большинстве случаев с укорочением, близким к =0,8.
Шаг двухслойной обмотки y1 можно определить по формуле:
Полученное значение шага y1 округляем до целого, тогда принимаем y1 =7.
Уточним укорочение шага двухслойной обмотки по формуле:
Коэффициент распределения, учитывающий уменьшение ЭДС распределенной по пазам обмотки по сравнению с сосредоточенной, находится по формуле (3-6) [1]:
Уточнённое значение обмоточного коэффициента тогда равно:
Уточненное значение обмоточного коэффициента для двухслойной обмотки, отличается от принятого ранее предварительного значения на 1,6%, следовательно его значение можно не пересчитывать.
Окончательное значение магнитной индукции в воздушном зазоре В , Тл, определяется по формуле (6.23) [1]:
Значение магнитной индукции в воздушном зазоре 0,86 Тл расходится с принятым ранее значением равным 0,87 Тл менее чем на 5%.
Плотность тока в обмотке статора J1 , А/мм2, предварительно определяется по формуле (6.25) [1]
где AJ1 - произведение линейной нагрузки на плотность тока и определяется по
рисунку 6.16, в [1], AJ1 =232 А/мм 3.
Сечение эффективного проводника qэф, мм2, предварительно определяется по формуле (6.24) [1]
Сечение элементарного проводника qэл мм2, по формуле (6.26) [1]