ДвигатЕлей

Асинхронные двигатели подразделяют на два типа: с короткозамкнутыми и фазными роторами. По конструкции они отличаются между собой только роторами и отдельными элементами корпусов. В пазах фазных роторов располагают изолированную трехфазную обмотку, жестко соединенную в звезду или в треугольник. Обмотка имеет три вывода, которые соединены токопроводами с контактными кольцами. Прилегающие к контактным кольцам щетки электрически соединяют с пусковым реостатом, который позволяет увеличивать сопротивление роторной цепи во время пуска двигателя. Контактные кольца располагают либо внутри корпуса, либо вне его на выступающем конце вала. При таком исполнении двигателей кольца и весь щеточный аппарат закрывают кожухом из листовой стали.

При пуске двигателя между кольцами включают пусковые резисторы, что увеличивает активное сопротивление цепи ротора и, следовательно, пусковой момент двигателя и ограничивает ток при пуске и разгоне. По мере разгона группы резисторов пускового реостата поочередно замыкают, причем время замыкания очередной группы выбирают таким, чтобы до достижения номинальной частоты вращения во время всего пускового периода момент и ток двигателя изменялись в определенных пределах. Включение резисторов в цепь ротора используют также для плавного регулирования частоты вращения. Однако эта возможность ограничена возникновением больших потерь в резисторах, по которым проходит фазный ток ротора. В ряде приводов, например в крановых, такой способ регулирования все же применяют, но в этом случае используют не пусковой, а регулировочный реостат, рассчитанный на длительную работу при больших токах.

Обмотки короткозамкнутых роторов не имеют изоляции. В двигателях общего назначения мощностью до 300 – 400 кВт они выполняются заливкой пазов алюминием или его сплавами, причем одновременно со стержнями обмотки отливают замыкающие кольца с вентиляционными лопатками. В ряде конструкций двигателей этой мощности и во всех двигателях большей мощности обмотку роторов изготовляют из вставных стержней, в подавляющем большинстве случаев — медных. К выступающим из пазов концам стержней припаивают или приваривают замыкающие кольца.

Технология изготовления роторов с короткозамкнутой обмоткой значительно проще, чем фазных. Кроме того, в связи с отсутствием изоляции контактных колец, скользящих контактов и пусковых реостатов уменьшаются габариты и стоимость двигателей, повышается их надежность и упрощаются техническое обслуживание и эксплуатация. Поэтому большинство современных асинхронных двигателей выполняют с короткозамкнутыми роторами. Одним из недостатков асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами является невозможность включить в цепь ротора во время пуска реостат для увеличения пускового момента и снижения тока. При проектировании двигателей с короткозамкнутыми роторами направленным выбором параметров ограничивают пусковой ток до 6 – 7–кратного по сравнению с номинальным, а для повышения пусковых моментов используют эффект вытеснения тока в стержнях обмотки ротора. Он заключается в неравномерном распределении плотности тока по поперечному сечению стержня. Под действием эффекта вытеснения плотность тока в ближайшей к дну паза части каждого стержня уменьшается, а в верхней – возрастает. Неравномерность распределения плотности тока вызывает увеличение электрических потерь в обмотке, эквивалентное увеличению ее активного сопротивления, и пусковой момент двигателя возрастает.

Действие эффекта вытеснения тока проявляется в большей степени при большей частоте тока, поэтому в двигательном режиме наибольшая неравномерность распределения плотности тока по сечению стержня наблюдается при пуске, когда скольжение s = l. При этом же скольжении будет и наибольшее эквивалентное сопротивление обмотки ротора, вызывающее увеличение пускового момента. При разгоне двигателя частота тока в роторе уменьшается и соответственно уменьшается сопротивление обмотки. В режимах, близких к номинальному, частота тока в роторе мала, эффект вытеснения тока практически не проявляется, и плотность тока одинакова по всему сечению стержней ротора. Увеличение эквивалентного сопротивления под действием эффекта вытеснения тока проявляется в большей степени в стержнях, поперечное сечение которых имеет большую высоту или уменьшенную площадь верхней части по сравнению с нижней. Поэтому в роторах двигателей, предназначенных для работы с тяжелыми условиями пуска, делают глубокие прямоугольные пазы (глубокопазные роторы) или стержни обмотки выполняют фигурными. Обмотки роторов с фигурными пазами выполняют в большинстве двигателей заливкой алюминием или его сплавами. Это позволяет выполнять конфигурацию пазов с оптимальными размерными соотношениями стержней для достижения требуемого действия эффекта вытеснения тока.

Еще больший эффект увеличения сопротивления при пуске возникает в роторах с двойной беличьей клеткой, в пазах которой друг над другом располагают стержни двух обмоток. Верхние стержни образуют одну обмотку, нижние — другую. При пуске, когда эффект вытеснения тока проявляется в наибольшей степени, практически весь ток протекает по верхней клетке. Ее называют пусковой. При работе в номинальном режиме и с малыми скольжениями действие эффекта вытеснения тока очень мало, и ток распределяется равномерно по обеим обмоткам пропорционально их активному сопротивлению. Обмотку, образованную нижними стержнями, называют рабочей.

Обмотки роторов с двойной беличьей клеткой выполняют как литыми, так и из вставных стержней. В литых обмотках обе клетки – и рабочую, и пусковую – и замыкающие кольца одновременно заливают одинаковым металлом. В роторах со вставными стержнями рабочую обмотку выполняют из медных, а пусковую – обычно из латунных стержней. В таких роторах замыкающие кольца обмоток – раздельные, из того же материала, что и стержни. Латунь применяют для пусковых клеток, так как она имеет большее удельное сопротивление, чем медь, и сопротивление обмотки ротора в пусковых режимах возрастает сильнее, чем при стержнях из одинакового материала. Кроме того, теплоемкость латуни выше, чем меди, поэтому нагрев латунных стержней за время пуска двигателя ниже, чем медных того же размера.

Двигатели с фигурными пазами или с двойной клеткой на роторе имеют более высокие пусковые характеристики, чем с грушевидными или полуовальными пазами, однако у них больше индуктивное сопротивление обмоток роторов. Это приводит к понижению максимальных моментов и ухудшению коэффициента мощности двигателей в номинальном режиме. Поэтому такие роторы выполняют лишь для двигателей, предназначенных для тяжелых условий пуска, для которых требования к пусковым характеристикам более важны, чем к другим энергетическим показателям.

Особенности конструкции двигателей серии 4А. Серия охватывает диапазон мощностей от 0,6 до 400 кВт и построена на 17 стандартных высотах оси вращения от 50 до 355 мм. Серия включает основное исполнение двигателей, ряд модификаций и специализированные исполнения. Двигатели основного исполнения предназначены для нормальных условий работы и являются двигателями общего назначения. Это трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, рассчитанные на частоту сети 50 Гц. Они имеют исполнение по степени защиты IP44 во всем диапазоне высот оси вращения и IP23 – в диапазоне высот осей вращения 160 – 355 мм. К электрическим модификациям двигателей серии 4А относятся двигатели с повышенным номинальным скольжением, с повышенным пусковым моментом, многоскоростные, с частотой питания 60 Гц и т.п., к конструктивным модификациям – двигатели с фазным ротором, со встроенным электромагнитным тормозом, малошумные, со встроенной температурной защитой и т.п.

Большинство двигателей серии 4А имеет конструкцию с горизонтальным валом, на лапах, с двумя подшипниковыми щитами. Корпус двигателей выполнен с продольными радиальными ребрами, увеличивающими поверхность охлаждения и улучшающими отвод теплоты от двигателя в окружающий воздух. На противоположном от рабочего конце вала укреплен вентилятор, прогоняющий охлаждающий воздух вдоль ребер корпуса. Вентилятор закрыт кожухом с отверстиями для прохода воздуха. В двигателях малой мощности вентилятор и кожух пластмассовые, в более мощных вентилятор литой из алюминиевого сплава, а кожух – штампованный из тонкой листовой стали.

Магнитопровод двигателей шихтованный из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, причем двигателей с h = 50 – 250 мм из стали марки 2013, а двигателей с h = 280 – 355 мм — из стали марки 2312. Листы сердечника статора в двигателях малой мощности крепят после опрессовки проваркой по наружной поверхности в нескольких местах, в двигателях большей мощности — стальными скобами, которые установлены по наружной поверхности сердечника. Сердечник статора запрессован непосредственно в корпус.

Во всех двигателях серии с h < 280 мм и в двигателях с 2р = 10 и 12 всех высот оси вращения обмотки статора выполнены из круглого провода и пазы статора полузакрытые. При h = 280 – 355 мм, кроме двигателей с
2р = 10 и 12, катушки обмотки статора подразделенные и намотаны прямоугольным проводом, пазы статора полуоткрытые.

Сердечник ротора напрессован непосредственно на вал без промежуточной втулки, в двигателях с h < 250 мм – на гладкий вал. В двигателях с большей высотой оси вращения он крепится на валу с помощью шпонки.

Обмотка короткозамкнутого ротора – и стержни, и кольца – литая из алюминия. Вентиляционные лопатки на кольцах ротора служат для перемешивания воздуха, находящегося внутри машины. Этим обеспечивается перенос теплоты, выделяющейся в обмотке ротора и лобовой части обмотки статора, к внутренним поверхностям корпуса и подшипниковых щитов, которые охлаждаются наружным воздухом с помощью внешнего вентилятора.

Подшипниковые щиты крепятся к корпусу с помощью четырех или шести болтов. Допуски на обработку поверхностей посадки щитов в станину обеспечивают необходимую точность центровки ротора относительно статора и, следовательно, точность размера воздушного зазора двигателя.

Коробка выводов расположена сверху станины, что облегчает монтажные работы при соединении двигателя с сетью.

В двигателях исполнения по степени защиты IP23 с высотой оси вращения 160–250 мм корпус гладкий, без наружных ребер. Сердечник статора крепится на внутренние продольные ребра корпуса таким образом, что между наружной поверхностью сердечника и корпусом образуются каналы для прохода охлаждающего воздуха. Охлаждение двигателей – радиальное двустороннее. Охлаждающий воздух проходит внутрь корпуса через жалюзи в подшипниковых щитах и направляется диффузорами на вентиляционные лопатки, отлитые вместе с обмоткой и замыкающими кольцами ротора. Вентиляционные лопатки отбрасывают воздух на лобовые части обмотки статора. Далее воздух омывает наружную поверхность сердечника статора и выбрасывается через жалюзи, расположенные по бокам в нижней части корпуса.

Двигатели исполнения по степени защиты IP23 с высотой оси вращения 280 — 355 мм имеют отличную от рассмотренных выше конструкцию корпуса. Сварная из стального проката станина (полустанина) охватывает только нижнюю половину сердечника статора. К ней же крепят подшипниковые щиты. Верхняя часть корпуса выполнена штампованной из листовой стали. Охлаждение двигателей – двустороннее радиальное. В связи с отказом от цельной станины существенно уменьшилась общая масса двигателя, а выполнение корпуса в виде па­раллелограмма вместо традиционной для электрических машин цилиндрической формы позволило улучшить условия охлаждения двигателей без увеличения их габаритных размеров. В короткозамкнутых роторах двигателей с h > 280 мм выполняют закрытые пазы, в двигателях с 2р > 4 – трапецеидальные, сужающиеся к верхней части, при 2р = 2 – лопаточные.

На рис. 1.1 показан внешний вид трехфазного асинхронного двигателя серии 4А закрытого исполнения (IP 44), на рис.1.2 – защищенного исполнения (IP 23).

На рис.1.3 представлены продольный и поперечный разрезы трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором со степенью защиты IP44, исполнения IM 1001.

На рис.1.4 представлены продольный и поперечный разрезы трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором со степенью защиты IP23, исполнения IM 1001.

Приведенное выше описание конструкции асинхронных двигателей серии 4А следует взять за основу при выполнении графической части курсового проекта.

Рис.1.1 Внешний вид трехфазного асинхронного двигателя серии 4А

защищенного исполнения (IP44)

Рис.1.2 Внешний вид трехфазного асинхронного двигателя серии 4А

закрытого исполнения (IP23)

а)

б)

Рис.1.3. Поперечный (а) и продольный (б) разрезы трехфазного асинхронного двигателя закрытого исполнения (IP44):

1 – вал; 2,15 – подшипники; 3,12 – подшипниковые щиты; 4 – короткозамыкающие кольца ротора; 5 – лобовые части обмотки статора; 6 – коробка выводов; 7 – корпус; 8– сердечник статора; 9 – сердечник ротора; 10 – балансировочные грузы; 11 – вентиляционные лопатки ротора; 13 – кожух вентилятора; 14 – вентилятор; 16 – втулка вентилятора; 17 – стопорные винты; 18 – скобы крепления; 19 – болты заземления

а)

б)

Рис. 1.4. Продольный (а) и поперечный (б) разрезы трехфазного асинхронного двигателя защищенного исполнения (IP23):

1– обмотка статора; 2– обмотка ротора; 3 – вводное устройство; 4–рым – болт; 5 – сердечник статора; 6 – сердечник ротора; 7 – вал; 8 – станина; 9 – щит подшипниковый; 10 – воздухонаправляющий щиток; 11 – крышка подшипниковая внутренняя; 12 – крышка подшипниковая наружная; 13 – вентилятор; 14 – кожух вентилятора;15 – шайба пружинящая; 16 – жалюзи; 17 – болт заземления

Структура и содержание курсового проекта

Курсовой проект по расчету трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором общего назначения включает в себя расчетную записку на листах формата А4 и графическую часть на листе формата А1. Расчетная записка должна содержать следующее разделы:

· задание на проектирование,

· содержание, введение,

· выбор главных размеров,

· расчет зубцовой зоны статора,

· расчет зубцовой зоны ротора,

· расчет тока намагничивания,

· расчет параметров обмоток статора и ротора,

· расчет потерь и КПД,

· расчет рабочих характеристик,

· расчет параметров и характеристик пускового режима,

· тепловой расчет.

Графическая часть представляет собой чертеж общего вида (продольный и поперечный разрезы асинхронного двигателя). На чертеже проставляются габаритные и установочные размеры. В расчетной записке в соответствующих разделах также должны быть представлены: фрагменты зубцового слоя статора и ротора в увеличенном масштабе с размерами, спецификация паза статора, развернутая схема обмотки статора с указанием всех ее параметров, продольный и поперечный разрезы активных частей статора и ротора с размерами, рабочие и пусковые характеристики.

Контрольные вопросы для защиты курсового проекта

1. Конструкция и назначение основных элементов асинхронного двигателя.

2. Принцип работы асинхронного двигателя.

3. Способы охлаждения асинхронных двигателей.

4. Выбор главных размеров, электромагнитные нагрузки (А, В_d).

5. Формирование зубцового слоя сердечника статора.

6. Выбор величины воздушного зазора, его влияние на параметры двигателя.

7. Выбор числа пазов ротора. Влияние соотношения пазов статора и ротора на рабочие свойства машины.

8. Расчет магнитной цепи двигателя. Участки, на которые разбивается магнитная цепь машины.

9. Расчет тока намагничивания и его влияние на характеристики двигателя.

10. Рабочие характеристики асинхронного двигателя. Величина скольжения в номинальном режиме.

11. Пусковые характеристики асинхронного двигателя. Пусковой и максимальный моменты. Влияние насыщения и вытеснения тока на пусковые характеристики.

12. Потери мощности в асинхронном двигателе и КПД.