ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

  Спроектировать  трехфазный асинхронный двигатель  с короткозамкнутым ротором: P_Н = 11 кВт, U₁ = 220/380 В, n₁ = 1000 об/мин, cosφ = 0,86, η = 0,86; пусковой момент m_п = 1,2 о.е., критический момент m_к = 2,0 о.е., пусковой ток i_п = 6,0 о.е., конструктивное исполнение IM1001; исполнение по способу защиты от воздействия окружающей среды IP44; категория климатического исполнения У3.

 

РЕФЕРАТ

 

  В курсовом проекте выполнен расчет асинхронного двигателя. Производятся электромагнитные, тепловые и вентиляционные расчеты. При проектировании рассчитываются размеры статора и ротора, выбираются типы обмоток, обмоточные провода, изоляция, материалы активных частей машины. Отдельные части машины сконструированы так, чтобы при изготовлении машины трудоемкость и расход материалов был наименьшим, а при эксплуатации машина обладала наилучшими показателями.

  Рис. 5. Табл. 3. Библ. 2 назв. Стр. 31.

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Техническое задание 1

Реферат 2

Содержание 3

Введение 4

1. Выбор главных размеров 5
2. Определение числа пазов, числа витков и сечения провода обмотки статора 6
3. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора 9
4. Расчет ротора 11
5. Расчет намагничивающего тока 14
6. Расчет параметров рабочего режима 16
7. Расчет потерь 18
8. Расчет рабочих характеристик 20
9. Расчет пусковых характеристик 23
10. Тепловой расчет 28

Заключение 30

Список литературы 31

 

 ВВЕДЕНИЕ

 

  Электрические машины в общем объеме производства электротехнической промышленности занимают основное место, поэтому эксплуатационные свойства новых электрических машин  имеют важное значение для экономики нашей страны.

  Асинхронные двигатели в силу ряда достоинств (относительная дешевизна, высокие  энергетические показатели, простота обслуживания) являются наиболее распространенными  среди всех электрических машин. В количественном отношении они  составляют около 90% всего парка машин в народном хозяйстве, а по установленной мощности – около 55%.

  В настоящее время редко проектируется  индивидуальная машина, а проектируются  и выпускаются серии электрических  машин. На базе серий выполняются  различные модификации машин, что накладывает определенные требования на выполнение проекта новой электрической машины.

  Асинхронные двигатели выпускаются, как правило, большими сериями, наиболее значительными  из которых являются машины общего назначения – серии 4А, АИ и серии специальных двигателей, например крановых МТ, взрывозащищенных ВР и др.

  Серия 4А является массовой серией асинхронных  двигателей, рассчитанных на применение в различных областях промышленности. Она охватывает диапазон номинальных  мощностей от 0,06 до 400 кВт и выполнена на 17 высотах оси вращения – от 50 до 355 мм.

  В настоящее время двигатели данной серии практически сняты с  производства, однако повсеместно продолжают эксплуатироваться, а взамен их выпускаются  двигатели унифицированной серии  АИ, разработанной совместно со странами Интерэлектро и отвечающей перспективному уровню развития мирового электромашиностроения.

 

1. ВЫБОР ГЛАВНЫХ  РАЗМЕРОВ

 

  1.1. Число  пар полюсов

  .

  1.2. Высота  оси вращения (предварительно) по  рис. 6-7, а

  h = 160 мм.

  Из  табл. 6-6 принимаем значение h = 160 мм и наружный диаметр статора D_a = 0,272 м.

  1.3. Внутренний  диаметр статора

D = K_DD_a = 0,72·0,272 = 0,196 м.

  [K_D = 0,72 по табл. 6-7, коэффициент характеризующий отношение внутреннего и наружного диаметра сердечника статора]

  1.4. Полюсное  деление

  τ = м.

  1.5. Расчетная  мощность 

  [k_E = 0,968 по рис. 6-8, отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению]

  1.6. Электромагнитные  нагрузки по рис. 6-11, б

А = 30,1·10³ А/м; В_δ = 0,79 Тл.

  1.7. Обмоточный  коэффициент для однослойной  обмотки (предварительно)

  k_об1 = 0,95.

  1.8. Расчетная  длина воздушного зазора 

  Синхронная  скорость 

  1.9. Отношение

  .

  Значение  λ находится в рекомендуемых  пределах (рис. 6-14, а).

 

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА  ПАЗОВ, ЧИСЛА ВИТКОВ И СЕЧЕНИЯ  ПРОВОДА ОБМОТКИ СТАТОРА

 

  2.1. Предельные  значения зубцового деления  t₁ (по рис. 6-15)

  t_1max = 0,012 м; t_1min = 0,01 м.

  2.2. Число  пазов статора

  ;

  ;

  Принимаем Z₁ = 54, тогда число пазов фазы, приходящихся на один полюс 

  Обмотка однослойная.

  2.3. Зубцовое  деление статора (окончательно)

    м.

  2.4. Число эффективных проводников  в пазу [предварительно, при условии,  что параллельные ветви в обмотке  отсутствуют]: 

  где I_1Н - номинальный ток обмотки статора

    А.

  2.5. Принимаем  a = 1, тогда 

  2.6. Окончательное число витков в  фазе обмотки 

  Окончательное значение линейной нагрузки

  ;

  Поток 

  [для  однослойной обмотки с q = 3 по табл. 3-13: k_об1 = k_Р = 0,96]

  Индукция  в воздушном зазоре

    Тл.

  Значения  A и B_δ находятся в допустимых пределах (по рис. 6-11, а). 
 
 
 
 
 

  2.7. Плотность  тока в обмотке статора (предварительно)

    А/м²

  [Значение  произведения линейной нагрузки  на плотность тока

  (AJ₁) = 195·10⁹ А²/м³ по рис. 6-16, б].

  2.8. Сечение эффективного проводника (предварительно)

    мм²;

  Принимаем число элементарных проводников  n_эл = 2, тогда сечение элементарного провода

    мм²

  Обмоточный  провод ПЭТМ (по табл. П-28): диаметр элементарного  провода d_эл = 1,5 мм; q_эл = 1,767 мм²; диаметр изолированного провода

  d_из = 1,585 мм.

  q_эф = q_элn_эл = 1,767·2 = 3,534 мм²

  2.9. Плотность  тока в обмотке статора (окончательно)

    А/мм².

 

3. РАСЧЕТ  РАЗМЕРОВ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ СТАТОРА  И ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА

 

  3.1. Принимаем предварительно по  табл. 6-10: индукция зубцов статора

  B_z1 = 1,8 Тл; ярма статора B_a = 1,45 Тл, тогда ширина зубца: 

  [по  табл. 6-11 коэффициент заполнения  сталью магнитопроводов для оксидированных  листов стали k_C = 0,97];

  Высота  ярма статора:

  мм.

  Высота  шлица паза: h_ш = 1 мм; ширина шлица паза:

  b_ш = 3,7 мм (по табл. 6-12)

  3.2. Размеры  паза в штампе принимаем:

  мм;

  мм.

  мм.

  мм.

  3.3. Размеры  паза в свету с учетом припуска  на сборку:

    мм 
 

  [припуски  на шихтовку и сборку сердечников  Δb_п = 0,2; Δh_п = 0,2 мм].

  Площадь поперечного сечения паза для  размещения проводников:

    мм².

  Площадь поперечного сечения прокладок  S_пр = 0.

  Площадь поперечного сечения корпусной  изоляции в пазу:

  S_из = b_из(2h_п + b₁ + b₂) = 0,4(2·19,6 + 8,7 + 6,7) = 21,8 мм²,

где односторонняя  толщина изоляции в пазу b_из = 0,4 мм - по табл. 3-8.

  3.4. Коэффициент  заполнения паза 

  Размеры паза в штампе показаны на рис. 2.

 

  

 

4. РАСЧЕТ РОТОРА

 

  4.1. Воздушный  зазор (по рис. 6-21) δ = 0,4 мм.

  4.2. Число  пазов ротора (по табл. 6-15) Z₂ = 44.

  4.3. Внешний  диаметр D₂ = D – 2·δ = 0,196 – 2·0,4·10^-3 = 0,1952 м.

  4.4. Длина  l₂ = l₁ = 0,143 м.

  4.5. Зубцовое  деление

    мм.

  4.6. Внутренний диаметр ротора равен  диаметру вала, так как сердечник  непосредственно насажен на вал,

  D_j = D_в = k_вD_a = 0,23·0,272 = 0,0626 м = 60 мм

  (k_в = 0,23 - по табл. 6-16).

  4.7. Ток  в стержне ротора

  I₂ = k_iI₁ν_i = 0,9·22,53·17,67 = 358,3 А

  [коэффициент,  учитывающий влияние тока намагничивания  и сопротивления обмоток k_i = 0,9 - по рис. 6-22; коэффициент приведения токов:

  ].

  4.8. Площадь  поперечного сечения стержня 

  [плотность  тока в стержне литой клетке  принимаем J₂ = 2,5·10⁶ А/м²].

  4.9. Принимаем размеры паза b_ш = 1,5 мм; h_ш = 0,7 мм; высота перемычки над пазом h_ш' = 0,3 мм.

  Допустимая  ширина зубца

    мм

  [индукция  зубцов ротора B_z2 = 1,8 Тл по табл. 6-10].

  Размеры паза:

    мм;

    мм;

    мм.

  Принимаем b₁ = 7 мм; b₂ = 4 мм; h₁ = 21,7 мм.

  Полная  высота паза

  h_п2 = h_ш' + h_ш + + h₁ + = 0,3 + 0,7 + + 21,7 + = 28,2 мм.

  Сечение стержня

q_с = (b₁² + b₂²) + (b₁ + b₂)h₁ = (7² + 4²) + (7 + 4)·21,7 = 144,86 мм². 

  4.10. Плотность  тока в стержне

    А/м².

  4.11. Короткозамыкающие кольца. Площадь поперечного сечения 

  [ток  в кольце  А,

  где Δ = 2 sin = 2 sin = 0,425;

  плотность тока в замыкающих кольцах

  J_кл = 0,85J₂ = 0,85·2,47·10⁶ = 2,1·10⁶ А/м²].

  Размеры замыкающих колец:

  b_кл = 1,25h_п2 = 1,25·28,2 = 35,25 мм;

    мм.

  Площадь поперечного сечения замыкающих колец

  q_кл = b_клa_кл = 35,25·11,4 = 401,85 мм²;

  D_к.ср = D₂ – b_кл = 195,2 – 35,25 = 159,95 мм.

 

Паз статора

(масштаб  5:1)

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

Рис. 2 

  Паз ротора

  (масштаб  2,5:1) 

    

    

    
 
 
 
 
 
 
 

  

  Рис. 3

 

5. РАСЧЕТ НАМАГНИЧИВАЮЩЕГО  ТОКА

 

  5.1. Значения индукций:

    Тл;

    Тл;

    Тл;

  индукция  в ярме ротора

    Тл

  [расчетная  высота ярма ротора

  ].

  5.2. Магнитное  напряжение воздушного зазора

  F_δ = 1,59·10⁶B_δk_δδ = 1,59·10⁶·0,792·1,279·0,4·10^-3 = 644,2 А

  [коэффициент  воздушного зазора 

  где ].

  5.3. Магнитные  напряжения зубцовых зон: статора

  F_z1 = 2h_z1H_z1 = 2·19,6·10^-3·1520 = 59,58 А;

  ротора

  F_z2 = 2h_z2H_z2 = 2·27,8·10^-3·1520 = 84,51 А

  [по  табл. П-17, напряженности поля в  зубцах для стали 2013 H_z1 = 1520 А/м при B_z1 = 1,8 Тл; H_z2 = 1520 А/м при B_z2 = 1,8 Тл; h_z1 = h_п1 = 19,6 мм,

  h_z2 = h_п2 – 0,1·b₂ = 28,2 – 0,1·4 = 27,8 мм].

  5.4. Коэффициент  насыщения зубцовой зоны

  .

  5.5. Магнитные  напряжения ярм статора и ротора:

F_a = L_aH_a = 0,133·450 = 59,85 А;

F_j = L_jH_j = 0,05·108 = 5,4 А

  [по табл. П-16 напряженность поля ярма H_а = 450 А/м при B_a = 1,45 Тл;

H_j = 108 А/м при B_j = 0,74 Тл; длина средней магнитной линии ярма статора

    м;

  длина средней магнитной линии потока в ярме ротора

    м,

  где высота спинки ротора

    мм]. 
 

  5.6. Магнитное  напряжение на пару полюсов

F_ц = F_δ + F_z1 + F_z2 + F_a + F_j = 644,2 + 59,58 + 84,51 + 59,85 + 5,4 = 853,5 А.

  5.7. Коэффициент  насыщения магнитной цепи 

  5.8. Намагничивающий ток

  7,32 А;

  относительное значение

  .

 

6. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ  РАБОЧЕГО РЕЖИМА

 

  6.1. Активное  сопротивление фазы обмотки статора

    Ом.

  Для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура

υ_расч = 115 ºС. Удельное сопротивление меди ρ₁₁₅ = 10^–6/41 Ом·м.

  Длина проводников  фазы обмотки

  L₁ = l_ср1w₁ = 0,642·135 = 86,67 м

  [средняя  длина витка обмотки l_ср1 = 2(l_п1 + l_л1) = 2(0,143 + 0,178) = 0,642 м;

  длина пазовой  части l_п1 = l₁ = 0,143 м;

  длина лобовой  части l_л1 = К_лb_кт + 2Β = 1,4·0,113 + 2·0,01 = 0,178 м,

  где длина  вылета прямолинейной части катушек из паза B = 0,01 м;

  по табл. 6-19; К_л = 1,4;

  b_кт = м

  относительное укорочение шага обмотки статора  β₁ = 1].

  Длина вылета лобовой части катушки

  l_выл = К_вылb_кт + B = 0,5·0,113 + 0,01 = 0,067 м = 67 мм.

  где по табл. 6-19 К_выл = 0,5.

  Относительное значение

  .

  6.2. Активное  сопротивление фазы обмотки ротора

  64,03·10^–6 Ом

  [сопротивление  стержня ·10^–6 Ом;

  сопротивление участка замыкающего кольца

,

  где для  литой алюминиевой обмотки ротора ρ₁₁₅ = Ом·м].

  Приводим  r₂ к числу витков обмотки статора

    Ом.

  Относительное значение

  .

  6.3. Индуктивное  сопротивление фазы обмотки статора 

2,81 Ом, 
 
 

где по табл. 6-22 коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния

  ,

  где h₃ = 17,1 мм; b = 6,7 мм; h₂ = 0; мм;

  k_β = 1; k_β' = 1; l_δ' = l_δ = 0,143 м.

  Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния

;

коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния 

[;

  для относительного скоса пазов β_ск = 0 и

  t₂/t₁ = 13,9/11 = 1,26 по рис. 6-39, д k_ск' = 1,3].

  Относительное значение

  .

  6.4. Индуктивное  сопротивление фазы обмотки ротора

  x₂ = 7,9f₁l_δ'(λ_п2 + λ_л2 + λ_д2)·10^–6 = 7,9·50·0,143(2,79 + 0,359 + 2,22)·10^–6 =

  = 303,3·10^–6 Ом,

  где по табл. 6-23 
 

  [h₁ = 28,2 – 0,3 – 0,7 – 0,1·4 – 0,5·7= 23,30 мм; b = 7 мм; b_ш = 1,5 мм;

  коэффициент демпфирования k_д = 1 (для рабочего режима)];

  l_δ' = l_δ = 0,143 м;  
 

  [;

  Δ_z = 0,03 по рис. 6-39, а];

  Σλ₂ = λ_п2 + λ_л2 + λ_д2 = 2,79 + 0,359 + 2,22 = 5,369.

  Приводим  x₂ к числу витков статора:

    Ом.

  Относительное значение

  .

 

7. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ

 

  7.1. Потери в стали основные 

  = 2,6(1,6·1,45²·15,85 + 1,8·1,8²·5,73) = 225,52 Вт

  [удельные  потери p_1,0/5,0 = 2,6 Вт/кг и β = 1,5 для стали 2013 по табл. 6-24];

  масса стали  ярма статора

m_a = π(D_a – h_a)h_al_ст1k_cγ_c = π(0,272 – 0,0184)·0,0184·0,143·0,97·7,8·10³ =

= 15,85 кг,

  масса стали  зубцов статора

  m_z1 = h_z1b_z1срZ₁l_ст1k_cγ_с = 19,6·10^–3·5·10^–3·54·0,143·0,97·7,8·10³ = 5,73 кг,

  удельная  масса стали γ_с = 7,8·10³ кг/м³.

  7.2. Поверхностные  потери в роторе

  P_пов2 = p_пов2(t₂ – b_ш2)Z₂l_ст2 = 160,1·13,9·10^–3·44·0,143 = 14,00 Вт;

  удельные  поверхностные потери 

  = 160,1 Вт/м²,

  где k₀₂ = 1,5; амплитуда пульсаций индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов

  B₀₂ = β₀₂k_δB_δ = 0,37·1,279·0,792 = 0,375;

  для по рис 6-41 β₀₂ = 0,37.

  7.3. Пульсационные  потери в зубцах ротора

    Вт

  [амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов

    Тл;

  m_z2 = Z₂h_z2b_z2срl_ст2k_cγ_c = 44·27,8·10^–3·6,31·10^–3·0,143·0,97·7800 = 8,35 кг].

  7.4. Сумма  добавочный потерь в стали

  P_ст.доб = P_пов2 + P_пул2 = 14 + 64,347 = 78,35 Вт.

  7.5. Полные потери в стали

  P_ст = P_ст,осн + P_ст,доб = 225,52 + 78,35 = 303,87 Вт.

  7.6. Механические  потери

    Вт

  [для двигателей 2p = 6 коэффициент

  K_т = 1,3(1 – D_а) = 1,3(1 – 0,272) = 0,946].

  7.7. Добавочные  потери при номинальном режиме

    Вт. 
 
 
 

  7.8. Холостой  ход двигателя:

    А,

  где А,

  P_э1х,х = 3I_μ²r₁ = 3·7,32²·0,598 = 96,13 Вт;

  .

 

8. РАСЧЕТ РАБОЧИХ  ХАРАКТЕРИСТИК

 

  Последовательно включенные сопротивления схемы  замещения

    Ом;

    Ом; 

  [используем приближенную формулу, так как |γ| < 1˚;

  59’  ];

  Активная  составляющая тока синхронного холостого  хода

    А;

  a' = c₁² = 1,033² = 1,067; a = c₁r₁ = 1,033·0,598 = 0,618; b' = 0;