Определение допустимых электромагнитных нагрузок и выбор главных размеров двигателя

Пояснительная записка

к курсовому проекту по дисциплине:

«Электрические машины»

«Проектирование судового АД с короткозамкнутым ротором»

Выполнил: ст. гр. Э-32д

Карпов В.В.

Проверил: проф. Олейников А.М.

Содержание

Введение. 3

Исходные данные. 4

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ НАГРУЗОК И ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ ДВИГАТЕЛЯ.. 5

2. РАСЧЕТ СТАТОРА.. 10

2.2. Расчет параметров обмотки статора. 10

2.3. Расчет зубцовой зоны статора. 15

2.5. Укладка обмотки в пазы.. 20

3. РАСЧЕТ РОТОРА.. 22

3.1. Выбор сердечника, формы и числа пазов ротора. 22

3.2. Расчет обмотки ротора. 24

3.3. Расчет зубцовой зоны ротора. 26

4. РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ.. 28

5. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ.. 32

5.1. Расчет параметров схемы замещения для статора. 33

5.2. Расчет параметров схемы замещения для ротора. 35

6. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ И КПД ДВИГАТЕЛЯ.. 37

7. РАСЧЕТ ТОКА ХОЛОСТОГО ХОДА.. 39

8. РАСЧЕТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ.. 39

9. РАСЧЕТ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК.. 45

10. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ. 50

11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ.. 53

Заключение. 55

Список литературы.. 56

Введение

Асинхронные двигатели – наиболее распространенный вид электрических машин, потребляющий в настоящее время около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Их Установленная мощность постоянно возрастает.

Асинхронные двигатели широко применяются в приводах металлообрабатывающих, деревообрабатывающих и других станков, кузнечно-прессовых, ткацких, швейных, грузоподъемных, землеройных машин, вентиляторов, насосов, компрессоров, центрифуг, в лифтах, в ручном электроинструменте, в бытовых приборах и т.д. Практически нет отрасли техники и быта, где не использовались бы асинхронные двигатели.

Потребности народного хозяйства удовлетворяются главным образом двигателями основного исполнения единых серий общего назначения, т.е. применяемых для привода механизмов, не предъявляющих особых требований к пусковым характеристикам, скольжению, энергетическим показателям, шуму и т.п. Вместе с тем в единых сериях предусматривают также электрические и конструктивные модификации двигателей, модификации для разных условий окружающей среды, предназначенные для удовлетворения дополнительных специфических требований отдельных видов приводов и условий их эксплуатации. Модификации создаются на базе основного исполнения серий с максимально возможным использованием узлов и деталей этого исполнения.В некоторых приводах возникают требования, которые не могут быть удовлетворены двигателями единых серий. Для таких приводов созданы специализированные двигатели, например электробуровые, краново-металлургические и др.

Исходные данные

Прототип……………………………………………………………4АН180М4

Номинальный режим работы……………………………..Продолжительный

Исполнение ротора………………………………………..Короткозамкнутый

Номинальная отдаваемая мощность Р₂, кВт…………………………… …45

Количество фаз статора m……………………………………………..…..….3

Способ соединения фаз статора………………………………………....…Δ/Y

Частота сети f, Гц…………………………………………………...……..…50

Номинальное линейное напряжение U, В………….……………....….220/380

Синхронная частота вращения n₁, об/мин………….……………..………3000

Степень защиты от внешних воздействий………………………..………IP44

Количество пар полюсов р………………….………………....……………....1

Рисунок 1 – Рекомендуемые значения высот оси вращения АД

Высота оси вращения:

1.3. Величина наружного диаметра сердечника статора:

По таблице 1 находится соответствующая величина наружного диаметра сердечника статора. Наружный диаметр статора не может быть больше величины 2h.

Таблица 1 – Стандартные высоты оси вращения и рекомендуемые наружные диаметры АД

h, мм
Da, м	0,116	0,131	0,149	0,168	0,191	0,225	0,272	0,313	0,349	0,392	0,437	0,53	0,59	0,66

При h=160 мм величина наружного диаметра сердечника статора:

1.4. Линейная нагрузка и магнитная индукция:

По кривым изображенным на рисунке 2 находятся предварительные значения А₁ и В_δ. Значения величин выбираются в зависимости от наружного диаметра сердечника статора D_a=313 мм.

Рисунок 2 – Рекомендуемые значения линейной нагрузки и магнитной индукции в воздушном зазоре АД

1.5. Коэффициент K_D:

По таблице 2 находится значение коэффициента K_D.

Таблица 2 – Рекомендуемые значения K_D при различных числах полюсов

2p				8-12
KD	0.52 – 0.57	0.64 – 0.68	0.70 – 0.72	0.74 – 0.77

При 2p=2

1.6. Приближенное значение внутреннего диаметра:

1.7. Расчетная мощность двигателя:

- заданный КПД для номинального режима .

- заданный коэффициент мощности для номинального режима .

1.8. Расчетная длина статора:

Коэффициент формы кривой магнитной индукции в зазоре:

Обмоточный коэффициент для основной гармоники магнитного поля:

1.9. Полюсное деление:

Правильность выбора главных размеров может быть оценена по величине λ, которая должна находиться в пределах, отмеченных на рисунке 3.

Рисунок 3 – Зависимости λ=f(h,2p)

1.10. Величина воздушного зазора:

Для двигателей средней и большой мощности величина воздушного зазора рассчитывается по формуле:

Рассчитанный по формуле воздушный зазор следует округлить до 0.05 мм при δ ≤ 0.5 мм и до 0.1 мм при δ > 0.5 мм.

Принимаем величину воздушного зазора равной:

1.11. Число радиальных вентиляционных каналов (для крупных машин):

В асинхронных машинах, если длина сердечника статора не превышает 150-200 мм, а диаметр D_a не больше 250 мм радиальных вентиляционных каналов на статоре и роторе не устанавливают.

1.12. Полная длина статора:

Так как число радиальных вентиляционных каналов равно нулю, то в этом случае:

1.13. Полная длина ротора:

Для двигателей, имеющих h<250 мм:

РАСЧЕТ СТАТОРА

2.1. Выбор обмотки статора

Каждая фаза трехфазной обмотки статора состоит из отдельных катушечных групп, соединенных последовательно, параллельно или последовательно-параллельно. Катушечная группа образуется совокупностью катушек расположенных в соседних пазах и соединенных последовательно. В свою очередь катушка представляет собой совокупность последовательно соединенных витков, уложенных в одну и ту же пару пазов.

В современных асинхронных двигателях находят применение самые разнообразные типы обмоток статора: однослойные (концентрические, шаблонные или цепные), двухслойные, обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу q, одно-двухслойные или двухслойные концентрические обмотки для механической укладки в пазы статора, специальные обмотки с переключением числа пар полюсов и многие другие. В курсовом проекте следует ограничиться выбором однослойной или двухслойной обмоток с целым q в зависимости от типа проектируемого двигателя.

Так как мощность двигателя до 100 кВт и U до 660 В следовательно обмотка всыпная из мягких катушек обмоточного провода круглого сечения и укладывается в полуоткрытые пазы.

Обмотка: двухслойная.

Таблица 3 – Рекомендуемые числа пазов

2p	Число пазов статора
	12, 18, 24, 36, 42, 48, 60

По таблице 3 выбрали число пазов статора равное:

2.2.2. Число пазов на полюс и фазу:

Число q выбирается обычно больше двух для полученной кривой м.д.с. статора, близкой к синусоиде. Чаще всего берут q=3-4, а для быстроходных двигателей q>4.

2.2.3. Величина зубцового деления:

Величина t₁ не должна быть меньше 6-7 мм.

2.2.4. Полюсное деление (в пазах):

2.2.5. Укорочение (для двухслойной обмотки):

Укорочение шага двухслойной обмотки рекомендуется выбирать в пределах β=0,79 - 0,83, при которых достигается существенное уменьшение пятой и седьмой гармоник м.д.с., а м.д.с. первой гармоники снижается незначительно.

2.2.6. Шаг обмотки:

2.2.7. Коэффициенты укорочения:

Для первой гармоники:

Для пятой гармоники:

Для седьмой гармоники:

2.2.8. Коэффициенты распределения:

2.2.9. Коэффициенты укорочения и распределения для первых двух зубцовых гармоник:

Рисунок 4 – Основные типы пазов статора

2.3.2. Допустимая индукция в зубце:

Таблица 4 – Допустимые значения магнитной индукции на различных участках АД

Участки магнитной цепи	Обозначение	Исполнение защищенное (IP23)
2p=2	2p=4	2p=6	2p=8	2p=10-12
Ярмо статора	Ba	1,45-1,6	1,45-1,6	1,45-1,6	1,2-1,4	1,17-1,4
Зубцы статора	Bz1	1,9-2,1	1,8-2,0	1,8-2,0	1,8-2,0	1,7-1,9
Зубцы статора в наиболее узком сечении	Bz1m	1,9-2,1	1,8-2,0	1,8-2,0	1,8-2,0	1,8-2,0
Ярмо короткозамкнутого ротора	Bj	1,55	1,35	1,25	0,95	0,95
Зубцы ротора	Bz2	1,6-1,95	1,8-1,95	1,8-1,95	1,8-1,95	1,8-1,95
Зубцы статора в наиболее узком сечении	Bz2m	__	1,6-1,8	1,55-1,7	1,55-1,7	1,55-1,7

По таблице 4 выбираем допустимую индукцию в зубце статора:

2.3.3. Допустимая индукция в ярме:

По таблице 4 выбираем допустимую индукцию в ярме статора:

2.3.4. Высота ярма:

Определяем высоту ярма, зная что коэффициент заполнения сердечника сталью:

2.3.5. Ширина зубца:

2.3.6. Высота паза:

2.3.7. Построение паза статора:

Рисунок 5 – Построение паза статора

Максимальная ширина паза:

Индукция в наиболее узком сечении зубца статора:

Наиболее узкая часть зубца:

Ширина шлица:

Высота шлица паза:

Минимальная ширина паза:

Максимальная ширина зубца:

Высота клиновой части паза:

2.3.8. Площадь паза:

Площадь паза:

2.4. Выполнение схемы обмотки

Число пазов на полюс и фазу (число катушек в катушечной группе):

Полюсное деление (в пазах):

Укороченный шаг катушки:

Так как обмотка равносекционная (по прототипу), то принято:

Укладка обмотки в пазы

2.5.1. Площадь корпусной изоляции:

Корпусная изоляция устанавливается в пазы до укладки обмотки. Прокладки на дно пазов и под клин устанавливают в отдельных случаях для защиты корпусной изоляции от механических повреждений при заклиновке паза. Дополнительные прокладки применяют для разделения катушек в двухслойных обмотках. Необходимость этих прокладок связана с тем, что в обмотках с укорочением шага в некоторых пазах располагаются катушки разных фаз и напряжение между проводниками этих катушек соизмеримо с напряжением сети.

Таблица 5 – Изоляция всыпных двухслойных обмоток корабельных асинхронных двигателей малой и средней мощности

Тип паза	Наименование изоляции	Позиция	Материал	Число слоев	Толщина одного слоя	Односторон. толщина изоляции
	Провод обмоточный медный		ПСДК, ПСДКТ	__	__	__
Пазовая изоляция		Стеклола-коткань		0,12	0,12
То же.		Стекломи-канит гибкий, Г2ФК-I		0,25	0,25
Прокладка		Лакотка-неслюдо-пласт, ГИК-ЛСК-ЛСЛ	1-2	0,55	0,55-1,1
Пазовая изоляция		Стеклола-коткань ЛСК		0,12	0,012

По таблице 5 выбираем марку изоляционного материала и соответствующие размеры. Для нашего случая выбран материал стеклолакоткань.

- стеклолакоткань;

- число слоев;

Площадь корпусной изоляции:

Площадь прокладок:

2.5.2. Площадь паза свободная от изоляции:

2.5.3. Коэффициент заполнения паза:

2.5.4. Коэффициент заполнения паза медью:

РАСЧЕТ РОТОРА

Таблица 6 – Рекомендуемые числа пазов короткозамкнутых роторов асинхронных двигателей

2p	Число пазов статора	Число пазов ротора
без скоса	со скосом пазов	оптимальное для малошумных двигателей
		10,14 15,16,17,32 26,44,46 34,50,52,54 34,38,56,58,62,64 50,52,68,70,74	18,22 16,18,20,30,33,32,35,36 24,27,28,30,32,34,45,48 33,34,38,51,53 36,38,39,40,44,57,59 48,49,51,56,64,69,71	- - - - 24,26,28,44,46,48 34,36,38,40,55,58,60,62,64 -

3.1.4. Форма пазов ротора:

Основные конфигурации пазов приведены на рисунке 6. Та или иная форма пазов определяется мощностью двигателя и требованиям к его пусковым характеристикам. В двигателях мощностью до 50-60 кВт наибольшее распространение получили овальные пазы (рисунок 6, а) с литой обмоткой из алюминия. Пазы других форм применяются в более мощных двигателях, а также в двигателях с улучшенными пусковыми характеристиками.

Рисунок 6 – Пазы ротора АД

Расчет обмотки ротора

3.2.1. Обмоточный коэффициент:

Особенностью короткозамкнутых обмоток ротора является то, что их обмоточный коэффициент:

3.2.2. Число фаз обмотки:

Число фаз равно числу пазов.

3.2.3. Число витков фазы:

3.2.4. Коэффициент К₀:

Коэффициент, учитывающий влияние тока холостого хода и сопротивление обмоток:

3.2.5. Ток стержня:

3.2.6. Плотность тока в стержне ротора:

Для двигателей защищенного исполнения:

3.2.7. Сечение стержня:

3.2.8. Коэффициент приведения тока в к.з. кольце к току в стержне:

3.2.9. Ток к.з. кольца:

3.2.10. Плотность тока в к.з. кольца:

3.2.11. Сечение и размеры к.з. кольца:

Расчет зубцовой зоны ротора

Рисунок 7 – Размеры грушевидного паза

3.3.1. Зубцовое деление ротора:

3.3.2. Допустимая индукция в зубце ротора:

По таблице 4 выбираем допустимую индукцию в зубце ротора:

3.3.3. Ширина зубца:

3.3.4. Размеры шлицов в пазах:

3.3.5. Размеры паза ротора:

3.3.6. Ширина паза ротора:

3.3.7. Высота паза ротора:

3.3.8. Площадь сечения стержня (уточненная):

3.3.9. Расчетная высота зубца:

3.3.10. Высота спинки ротора:

- диаметр вентиляционного отверстия;

3.3.11. Магнитная индукция в ярме ротора:

3.3.12. Магнитная индукция в ярме:

По таблице 4 выбираем допустимую индукцию в ярме ротора:

3.3.13. Высота спинки ротора:

Высота спинки ротора, по которой замыкается магнитный поток, равна:

3.3.14. Высота паза:

3.3.15. Зубцовое деление на глубине паза:

3.3.16. Наибольшая допустимая ширина паза:

РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

Магнитная цепь асинхронного двигателя представляет собой совокупность рассмотренных ранее элементов сердечника статора, ротора и воздушного зазора. Магнитная цепь двигателя симметрична, магнитные потоки каждой пары полюсов одинаковы, и поэтому рассчитывают магнитную цепь только одной пары полюсов. Расчет ведут для основного магнитного потока взаимоиндукции, сцепленного как с обмоткой статора так и с обмоткой ротора. Магнитные потоки рассеяния статора и ротора учитываются при определении индуктивных сопротивлений рассеяния обмоток.

Расчет магнитной цепи заключается в определении намагничивающего тока I_0μ, необходимого для создания в воздушном зазоре заданной магнитной индукции, а также коэффициента насыщения зубцов во всей магнитной цепи и в конечном итоге позволяет сделать заключение о правильности выбора геометрических размеров, о степени использования активных материалов, о КПД и cosφ.

4.1. Коэффициент Картера для статора:

4.2. Коэффициент Картера для ротора:

4.3. Общий коэффициент Картера:

4.4. Напряженность магнитного поля в зубцах:

Значения напряженностей магнитного поля в зубцах определяются в соответствии со значениями индукций по кривым намагничивания изображенным на рисунке 8.

Рисунок 8 – Кривые намагничивания для зубцов асинхронных двигателей

- статора:

- ротора:

4.5. Напряженность магнитного поля в ярмах:

Значения напряженностей магнитного поля в ярмах определяются в соответствии со значениями индукций по кривым намагничивания изображенным на рисунке 9.

Рисунок 9 – Кривые намагничивания для ярма асинхронных двигателей

- статора:

- ротора:

4.6. МДС воздушного зазора:

4.7. МДС зубцов статора:

4.8. МДС зубцов ротора:

4.9. МДС ярма статора:

- длина средней магнитной линии ярма статора;

4.10. МДС ярма ротора:

- средняя длина

магнитной линии в ярме ротора;

4.11. Суммарная МДС:

4.12. Коэффициент насыщения зубцовой зоны:

Номинальное насыщение зубцовой зоны при значениях коэффициента 1,1<K_z<1,5-1,6.

4.13. Коэффициент насыщения магнитной цепи:

Номинальное значение коэффициента насыщения обычно находится в пределах 1,1-1,7.

4.14. Намагничивающий ток холостого хода: