Методичка: Расчёт трёхфазного асинхронного двигателя

В асинхронных машинах с напряжением фазы статора U ? 660 В и обмотками статора, выполняемыми прямоугольной проволокой, секции укладываются в полуоткрытые пазы (рис. 3, а). При этом эффективный проводник независимо от сечения уже подразделен на два элементарных (nЭЛ = 2). В случаях, когда полученное расчетное значение qЭФ > 40 мм2, необходимо увеличить число параллельных ветвей обмотки a (если это не приведет к большой погрешности в определении числа эффективных проводников в пазу) или, как крайняя мера, увеличить число элементарных проводников до nЭЛ = 4 согласно [4, с. 79-81, 355-356].

а б

Р и с. 3. Заполнение пазов статора обмоткой:

а - полуоткрытые пазы (uП = 12, nЭЛ = 2);

б - полузакрытые пазы (uП = 80, nЭЛ = 1).

В аналогичных машинах, но с обмотками статора, выполняемыми круглым изолированным проводом, секции укладываются в полузакрытые трапециевидные пазы (рис. 3, б). Эффективный проводник может быть подразделен на любое целое число элементарных проводников. Однако для удобства намотки секций число элементарных проводников стараются ограничить до nЭЛ ? 8 за счет увеличения числа параллельных ветвей обмотки a (qЭФ при этом уменьшается), но только до тех пор, пока это возможно [4, с. 354].

Окончательно сечение элементарного проводника qЭЛ и его внешние размеры принимаются в соответствии со стандартными значениями на проводниковые материалы, выпускаемые промышленностью [4, П3, с. 713-728]. После этого уточняется значение плотности тока в обмотке статора J1 и осуществляется переход к расчету зубцовой зоны статора. Если определенные параметры не будут изменяться по результатам поверочного расчета, строится развернутая схема обмотки статора согласно [4, с.114-145].

Пример 3. Определить параметры обмотки статора проектируемого асинхронного двигателя с учетом размеров, определенных в примере 2.

Предельные значения допустимого зубцового деления согласно [4, рис. 9.26]: tZ1min = 0,0065 м, tZ1max = 0,0095 м.

Допустимое к применению число пазов статора находится в пределах: Z1 = рD / tZ = 29…42. Согласно [4, табл. 9.18] для 2p = 4 можно принять два значения: Z1 = 36 или Z1 = 42.

Число пазов на полюс и фазу для этих вариантов соответственно равно q1 = 3 или q1 = 3Ѕ. Так как желательно, чтобы q1 было целым, принимаем Z1 = 36, q1 = 3.

Окончательно зубцовое деление статора tZ1 = 0,0077 м.

Согласно табл. 5 принимаем для статора однослойную концентрическую сплошную обмотку.

Значение номинального тока согласно [4, (9.18)] I1Н = 2,78 А.

Предварительное число эффективных проводников в пазу согласно [4, (9.17)] uП = 59. Так как обмотка однослойная и четное число uП не требуется, принимаем a = 1, uП = 59.

Число витков обмотки в фазе статора w1 = 354 [4, (9.20)].

По полученным данным проверяем изменение величины линейной нагрузки [4, (9.21)]: A = 21369 А/м - находится в допустимых пределах согласно [4, рис. 9.22, а].

Поскольку для однослойной обмотки в = 1: kУ1 = 1. Для q1 = 3 согласно [4, табл. 3.16] kР1 = 0,96. Окончательно kоб1 = kУ1 kР1 = 0,96.

Величина основного магнитного потока в машине согласно [4, (9.22)] Ф = 0,0028 Вб.

Проверяем изменение величины индукции в воздушном зазоре машины: Bд = 0,816 Тл - находится в допустимых пределах согласно [4, рис. 9.22, а].

Согласно [4, рис. 9.27, а] AJ ? 165·109 А2/м2.

Предварительная плотность тока в обмотке статора, с учетом уточненного значения линейной нагрузки, J1 ? 7,72·106 А/м2.

Площадь сечения эффективного проводника согласно [4, (9.24)] qЭФ = 0,36·10-6 м2 = 0,36 мм2 < 1,54 мм2. Разделение на элементарные проводники не требуется: nЭЛ = 1.

Согласно [4, П3, с. 713] принимаем qЭЛ ? qЭФ =0,353 мм2.

Уточняем значение плотности тока: J1 = 7,875·106 А/м2.

статор обмотка машина асинхронный

5. Особенности расчётов размеров зубцовой зоны статора

Сложность расчета размеров зубцовой зоны статора заключается в том, что изначально неизвестны размеры пазов, в которые будет укладываться обмотка. И если необходимую площадь паза в свету приблизительно можно определить, то соотношения ширины и высоты паза (на начальном этапе расчета) определить практически невозможно. Поэтому предварительно определяют максимально возможные размеры паза по величинам допустимой магнитной индукции в магнитопроводе статора, а затем принимают решения об их уменьшении или об изменении главных размеров проектируемой асинхронной машины.

Допустимые значения магнитной индукции в элементах магнитопровода асинхронной машины определяются согласно [4, табл. 9.12]. Следует отметить, что машинам с меньшей полюсностью обычно соответствуют большие значения магнитной индукции из приведенного в данной таблице диапазона.

В пазах статора кроме обмотки (в том числе выполненной изолированным проводом) может находиться большое количество слоев пазовой изоляции: пазовая коробочка, межслойная прокладка, прокладки под клин и на дно паза и т.д. Несмотря на то, что пазовая изоляция обычно имеет небольшую толщину, она способна занимать довольно большую часть площади сечения паза, что также необходимо учитывать.

Размещение проводников обмотки статора в пазу, выполненной изолированными проводниками круглого сечения, и размещение пазовой изоляции асинхронных машин представлены на рис. 4. Значения толщины пазовой изоляции, необходимой для надежной работы асинхронных машин, в зависимости от серии (4А или АИ) и главных размеров, сведены в табл. 7.

Обмотка из круглого провода не может занимать всю свободную площадь паза, так как при укладке образуются пустоты, которые после пропитки и запекания обмотки закрываются пропиточным лаком. Поэтому при проектировании необходимо учитывать допустимое значение коэффициента заполнения паза изолированным проводом: kЗ = 0,69…0,71 для машин с 2p = 2 и kЗ = 0,72…0,74 при 2p ? 4.

6

3 5

1

2

а б

Р и с. 4. Размещение пазовой изоляции в полузакрытых пазах статора:

а - при механизированной укладке; б - при ручной укладке;

1 - пазовая коробочка; 2 - межслойная прокладка; 3 - пазовая крышка;

4 - прокладка на дно паза; 5 - прокладка под клин; 6 - клин

Таблица 7. Пазовая изоляция статоров асинхронных машин с обмотками из круглого изолированного провода, напряжение до 660 В

* Обмоточный провод имеет класс нагревостойкости F, а пазовая изоляция - B; расчет номинального режима работы производить по классу нагревостойкости B, а тепловой расчет - по классу нагревостойкости F.

Для асинхронных машин с h ? 280 и 2p ? 8 обмотка статора выполняется из медной проволоки прямоугольного сечения .После изолировки проводников, формования и изолировки секций обмотки она укладывается в полуоткрытые пазы. При этом пустоты практически не образуются, и коэффициент заполнения паза учитывать не требуется.

6. Расчеты параметров и зубовой зоны ротора

Параметры зубцовой зоны ротора во многом зависят от принятых размеров статора. Иногда в ходе проектирования, в том числе по результатам поверочного расчета, возникает необходимость изменить величину внутреннего диаметра статора D (а соответственно и lд) при неизменных h и Da. В этом случае производится пересчет как параметров зубцовой зоны статора, так и ротора.

Внутренний диаметр статора D во многом определяет величину воздушного зазора д. При этом необходимо иметь в виду, что по технологическим условиям промышленного производства асинхронных двигателей д не может быть меньше 0,2 мм. Кроме того, по тем же причинам полученную предварительно величину воздушного зазора округляют с точностью до 0,05 мм при д < 0,5 мм и до 0,1 мм при д ? 0,5 мм.

Немаловажное значение имеет и выбираемое соотношение числа пазов статора и ротора - Z1 и Z2. При неправильном выборе этого соотношения в спроектированной машине могут наблюдаться повышенный уровень шума и вибрации, а также провалы электромагнитного момента при разгоне асинхронного двигателя. При учебном проектировании столь точные расчеты обычно не производятся, поэтому при выборе Z2 необходимо пользоваться практическими рекомендациями.

Число пазов ротора Z2 для асинхронных машин с короткозамкнутым ротором выбирается согласно [4, табл. 9.18], причем рекомендуемые значения для роторов, выполненных без скоса пазов, применимы и для роторов со скосом (но не наоборот). Для асинхронных машин с короткозамкнутым ротором, имеющим число полюсов 2p > 12, рекомендуемые числа пазов ротора приведены в табл. 8. Необходимо также отметить, что для асинхронных машин мощностью P2Н > 100 кВт обычно выбирают Z2 > Z1.

У асинхронных машин мощностью P2Н ? 400 кВт короткозамкнутые обмотки роторов выполняются заливкой пазов расплавленным алюминием. Одновременно со стержнями образуются короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки [4, рис. 3.10, б]. Роторы выполняются из листовой электротехнической стали со скосом пазов.

Таблица 8. Рекомендуемые числа пазов роторов асинхронных машинс короткозамкнутым ротором при 2p > 12

Скос пазов ротора обычно делается на ширину одного зубцового деления статора или на половину этой ширины: bСК2 = tZ1 при q1 ? 2; bСК2 = 0,5 tZ1 при 1 ? q1 < 2 - электрический угол скоса гСК не должен превышать 30° (р/6 рад):

. (12)

В большинстве асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и с высотой оси вращения h ? 250 мм применяют трапецеидальные полузакрытые и закрытые пазы роторов, сужающиеся к нижней части. В двигателях с h ? 280 мм для увеличения пускового момента применяются закрытые пазы ротора: при 2p ? 4 трапецеидальные, сужающиеся к верхней части, а при 2p = 2 лопаточные. При определении необходимого сечения стержней, а соответственно и размеров пазов, учитывают допустимую плотность тока J2. Для машин закрытого исполнения (IP44 и IP54) обычно принимают J2 = (2,5…3,5)·106 А/м, а для машин защищенного исполнения (IP23) - J2 = (2,8…4,0)·106 А/м. Большая плотность тока соответствует машинам с меньшей мощностью.

Расчетная ширина донной части трапецеидального паза ротора определяется по формуле

. (13)

Асинхронные машины с фазным ротором серий 4А и АИ выпускаются с высотой оси вращения h ? 160 мм. При этом их роторы выполняются с двухслойной волновой обмоткой без укорочения с витками, выполненными прямоугольным проводом, уложенным в открытые прямоугольные пазы (при h ? 250 мм), или прямоугольными стержнями, вставляемыми в полузакрытые прямоугольные пазы (при h ? 280 мм). Скос пазов ротора в таких машинах не выполняется. Схема заполнения паза обмоткой и изоляцией представлена на рис. 5. Толщина пазовой изоляции, независимо от класса нагревостойкости, определяется согласно [4, табл. 3.10-3.11].

Проектируемая асинхронная машина с фазным ротором, согласно заданию на проектирование, может выходить за пределы серий 4А и АИ, при этом может оказаться, что высота оси вращения h ? 132 мм или/и число полюсов машины 2p ? 10. В этом случае обмотка ротора выполняется круглым изолированным обмоточным проводом, таким же, что и обмотка статора.