Проектирование трехфазного асинхронного двигателя

 

Федеральное агентство по образованию 


Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Самарский  государственный технический университет»

филиал  в г. Сызрани

 

 

 

 

 

                                                                                                    

 

                                                                                            Кафедра ЭПА

 

 

 

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

Проектирование трехфазного  асинхронного двигателя

КПЭМ 140604.019.442М.10.02 ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                    Разработал:

                                                                                      студент гр. ЭМ-318

                                                                                      Севастьянова А.В.

                                                                           

                                                                                       Руководитель:

      ст. преподаватель

                                  Бирюков А.Н.

 

 

2010 г.

 

Содержание

 

 

1. Техническое  задание…………………………………………………...…3

2. Выбор  главных размеров…………………………………………..….….3

3. Расчет  зубцовой зоны и параметров  обмоток:

1) статора…………………………………………………………….…..3

2) ротора…………………………………………………………………5

4. Поверочный  расчет

1) расчет  магнитной цепи………………………………………………7

2) расчет  параметров рабочего режима…………………………….…9

3) расчет  индуктивного сопротивления обмоток…………………..…10

4) расчет потерь…………………………………………...………...…..11

5) расчет  рабочих характеристик……………………………………....13

      6) расчет  пусковых характеристик………………………………….....15

7) тепловой  и вентиляционный расчет…………………………….…..18

5. Конструкционный  расчет………………………………………..……….19

6. Сравнительный  анализ спроектированного двигателя……………...…23

7. Приложение

1) эскизы  пазов статора и ротора…………………..……………………24

2) схема  обмотки статора…………………………………….…………..25

 8. Библиографический список…………………………………………..…..26

 

 

1. Техническое задание.

Спроектировать  асинхронную машину типа АИР с  исполнением по защите от окружающей среды  IP54, с исполнением по монтажу IM1001, с исполнением по охлаждению IC0141. Это трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором закрытого исполнения. Число пар полюсов машины p=4. Отсюда получим синхронную частоту вращения магнитного поля: . Согласно заданию, частота питающей сети f1 = 50 Гц, тогда . Напряжение фазы статора U=380В, число фаз m=3, число выводных концов 6. Номинальная мощность двигателя P2Н=15 кВт. Климатическое исполнение и категория размещения – У3, условия окружающей среды нормальные; режим работы продолжительный – S1.

 

2. Выбор главных размеров.

2.1. Высота оси вращения (предварительно) по рис. 9.18 h=0,18 м. Из стандартного ряда берем ближайшее значение h=0,18 м. Выбираем внешний диаметр статора Da=0,295 м табл. 9.8.

2.2. Внутренний диаметр статора:

. Принимаем .

Принимаем D=0,22125 м.

2.3. Полюсное деление: 

2.4. Расчетная мощность:

(kE=0,948 по рис. 9.20, η=0,932, cosφ=0,77 по рис. 9.21,в.)

2.5. Электромагнитные нагрузки (предварительно) по рис. 9.22,в:

2.6. Обмоточный коэффициент: . Принимаем .

2.7. Расчетная длина магнитопровода  по (9.6):

 

2.8. Отношение  . Значение λ находится в допустимых пределах рис. 9.25. Т.к. lδ<250 мм разбивка на пакеты не требуется.

 

3. Расчет зубцовой зоны и параметров обмоток.

 

      3.1. Расчет параметров обмотки статора.

3.1.1. Зубцовые деления по рис. 9.26

3.1.2. Допустимое число пазов статора: 

Согласно табл. 9.18 для 2р=8 можно принять начение Z1=72. Число пазов на полюс и фазу равно . Принимаем q1=3.

 

3.1.3. Зубцовое деление статора (окончательно):

 

3.1.4. Согласно табл.5 принимаем для статора двухслойную концентрическую обмотку с укороченным шагом.

Укорочение 

при

Принимаем y = 7

Уточняем значение β: β = y / m1q1= 7/9 = 0,8 

Коэффициент укорочения: kу1=sin(π ·β/2)=sin(π ·0.8/2)=0.951

Коэффициент распределения: kр1=

Уточняем 

 

3.1.5. Значение номинального тока:

3.1.6. Предварительное число эффективных проводников в пазу:

 Принимаем а=1 и округляем uп до ближайшего целого числа uп=17.

3.1.7. Окончательные значения:

       Число витков  в фазе:

       Линейная нагрузка:

       Магнитный поток: 

       Индукция в  воздушном зазоре:

Значения А и Вδ находятся в допустимых пределах.

 

3.1.8. Плотность тока в обмотке статора (предварительно) по (9.25):

AJ1=210·109 A2/м2 рис. 9.27,б. Предварительная плотность тока в обмотке статора с учетом уточненного значения линейной нагрузки:

3.1.9. Площадь сечения эффективного проводника (предварительно) (9.24):

3.1.10. Применяем полузакрытые пазы, поэтому требуется разделение на элементарные проводники. Принимаем nэл=2, тогда . Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ dэл =1,405мм, qэл =1,368 мм2,

qэ.ср=nэл·qэл=2·1,368=2,74 мм2

Плотность тока в обмотке статора (окончательно):

 

3.2. Расчет размеров зубцовой  зоны статора.

3.2.1. Принимаем предварительно по  табл.9.12 Bz1=1,9 Тл, Ва=1,4 Тл, kc=0,97(оксидирование),

тогда

3.2.2. Размеры паза в штампе  bш =3,7мм, hш=1мм, 45˚:

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

(по табл.9.14 Δbп=0,2 мм, Δhп=0,2 мм)

3.2.4. Размеры зубцов: bZ= b'Z= b''Z

3.2.5. Площадь поперечного сечения  паза для размещения проводников  обмотки:

bиз =bиз.пр.=0,37

S пр=(0,9∙b1+0,4∙b2) bиз.пр.=(0.9∙5,63+0,4∙7,24) ∙0,37=2,96 мм

3.2.6. Коэффициент заполнения паза:

3.3. Расчет ротора.

3.3.1. Выбор воздушного зазора. По рис. 9.31 δ=0,45 мм.

3.3.2. Число пазов ротора по  табл. 9.18 Z2=58.

3.3.3. Внешний диаметр ротора:

3.3.4. Длина магнитопровода ротора:

3.3.5. Зубцовое  деление ротора:


3.3.6. Внутренний диаметр ротора  равен диаметру вала, т.к. сердечник  ротора непосредственно насаживается  на вал; по (9.102):

  (kв=0,23 по табл. 9.19)

3.3.7. Ток в обмотке ротора по (9.57)

Где по (9.58) ;

по (9.66)

 

3.3.8. Площадь поперечного сечения  стержня (предварительно) по (9.68):

(принимаем J2=2,5·106 А/м2).

3.3.9. Паз ротора закрытый трапецеидальный. 

Принимаем hш=0,7 мм, bш=1,5 мм, h'ш=0,3 мм.

 

3.3.10. Уточнение ширины зубцов  ротора по формулам табл. 9.20

Принимаем b1=6,04мм;  b2=3,9мм; h1=20,23мм

Полная высота паза:

 

hп2= h’ш+hш+b1/2+h1+b2/2=0,3+0,7+3,02+20,23+1,95=26,2 мм

 

Уточнение площадь поперечного сечения стержня:

3.3.11. Плотность тока в стержне: 

3.3.12. Короткозамыкающие кольца.

Площадь поперечного сечения по (9.72):

По (9.70) и (9.71)

; ;

Размеры короткозамыкающих колец:

 

 

4. Проверочный расчет.

 

4.1. Расчет магнитной цепи.

Магнитопровод из стали марки 2214, толщина листов 0,5 мм.

4.1.1. Магнитное напряжение воздушного  зазора по (9.103):

Где по (4.15) ;

 

4.1.2. Магнитное напряжение зубцовой  зоны статора по (9.104):

Где

Расчетная индукция в зубцах по (9.105):

Так как B’Z1>1,8Тл, учтем ответвление потока в паз и найдем действительную индукцию в зубце BZ1.

Коэффициент kпх по высоте hZx=0,5hZ

kпх=(bпхlδ)/(bZ1 lст1kс1)=(3,935*0,194)/(4,19*0,194*0,97)=0,97

bпх=(b1+b2)/2=(5,63+2,24)/2=3,935

BZ1=B’Z1-μ0HZ1kпх=1,9-1,256*10-6*4160*1,63=1,9Тл

Принимаем BZ1=1,9 Тл.

Напряженность поля в сечениях зубца по табл. П1.10:

Hz1=4000 А/м для Bz1=1,9 Тл

 

4.1.3. Магнитное  напряжение зубцовой зоны ротора  по (9.108):

При зубцах по рис. 9.40,б, из табл. 9.20

Индукция в зубцах по (9.109):

Напряженности поля в сечениях зубца  по табл. П1.10:

Hz2=2700 А/м для Bz2=1,8 Тл

 

4.1.4. Коэффициент насыщения зубцовой  зоны по (9.115):

 
4.1.5. Магнитное напряжение ярма  статора по (9.116)

По (9.119)

Где

По (9.117)

Где

Для Ва=1,5 Тл по табл. П1.9 На=656 А/м

 

4.1.6. Магнитное напряжение ярма  ротора по (9.121):

По (9.127)

Где

По (9.122)

Где

Dj>0.75(0.5*220.35-26.2)=0.063. Принимаем  Dj=0,07м.

Для Вj=0,69 Тл по табл. П1.9 Нj=202 А/м

4.1.7. Магнитное напряжение на  пару полюсов по (9.128):

4.1.8. Коэффициент насыщения магнитной  цепи по (9.129):

4.1.9. Намагничивающий ток по (9.130):

Относительное значение по (9.131):

 

4.2. Параметры рабочего режима

4.2.1. Активное сопротивление обмотки  статора по (9.132.):

(Для класса нагревостойкости  F расчетная температура 115°С, для медных проводников ρ115=10-6/41 Ом·м)

Длина проводников фазы обмотки  по (9.134.):

По (9.135)

Где ; по (9.139)

Где B=0,01 м, по (9.142)

По (9.141)

Длина вылета лобовой части катушки  по (9.140):

Относительное значение

4.2.2. Активное сопротивление фазы  алюминиевой обмотки ротора по (9.168)

По (9.169)

По (9.170)

Где для алюминиевой обмотки  ρ115=10-6/20,5 Ом·м

Приводим r2 к числу витков обмотки статора по (9.172), (9.173):

Относительное значение

 

4.2.3. Индуктивное сопротивление  фазы обмотки статора по (9.174):

Где по табл. 9.26, рис. 9.50,е:

Где по (9.156)

По (9.158)

;

По (9.159)

По (9.174а)

Где по (9.176)

Относительное значение

4.2.4. Индуктивное сопротивление  фазы обмотки ротора по (9.177):

Где по табл. 9.27 и рис. 9.52,а,ж

По рис. 9.52,а

По (9.178)

По (9.180) ,

Приводим X2 к числу витков статора по (9.172), (9.183):

Относительное значение

4.3. Расчет потерь.

4.3.1. Основные потери в стали  статора: 

( Вт/кг для стали 2214 по табл. 9.28)

По (9.188):

По (9.189)

4.3.2. Поверхностные потери в роторе  по (9.154):

По (9.192):

где k02=1,7; по (9.190)

(для  по рис. 9.53 β02=0,375)

4.3.3. Пульсационные потери в зубцах  ротора по (9.200):

Где по (9.201):

По (9.196)

4.3.4. Сумма добавочных потерь  в стали по (9.202):

Согласно §9.11 рпов1=рпул1=0.

4.3.5. Полные потери в стали  по (9.203):

4.3.6. Механические потери по (9.209):

4.3.7. Холостой ход двигателя по (9.217):

Где по (9.218)

По (9.219)

По (9.221)

 

4.4. Расчет рабочих характеристик.

4.4.1. Параметры: по (9.184)

По (9.185)

 

 

По (9.222)

 

 

 

(используем уточненный расчет, т.к. )

Активная составляющая тока синхронного  холостого хода по (9.226):

По (9.227)

Потери, не изменяющиеся при изменении  скольжения:

4.4.2. Рассчитываем рабочие характеристики  для скольжений s=0,01; 0,015; 0,02; 0,025; 0,03, принимая предварительно, что

Результаты расчета сведены в табл.1 После построения рабочих характеристик уточняем значение номинального скольжения sном=0,03. Номинальные данные спроектированного двигателя:

P2ном=15 кВт, U1ном=380 В, I1ном=18,3 А, cosφ=0,77, ηном=0,932.

Таблица 1

№

    

Скольжение s

0,005

0,001

0,015

0,02

0,025

0,03

1

Ом

302,85

151,43

100,95

75,71

60,75

25,125

2

Ом

152,08

76,7

51,58

39,02

31,48

26,46

3

Ом

5,48

5,48

5,48

5,48

5,48

5,48

4

Ом

152,18

76,89

51,87

39,4

31,95

27,02

5

A

2,5

4,94

7,33

9,64

11,89

14,06

6

-

0,999

0,997

0,994

0,99

0,985

0,979

7

-

0,036

0,071

0,106

0,139

0,172

0,202

8

A

2,9

5,4

7,7

10

12

14,2

9

A

9,13

9,39

9,82

10,38

11,09

11,88

10

A

9,58

10,83

12,4

14,4

16,31

18,4

11

A

2,65

11,13

14,65

18,06

18,73

21,35

12

кВт

3,3

6,1

8,77

11,4

13,68

16

13

кВт

0,346

0,443

0,581

0,77

1,01

1,29

14

кВт

0,015

0,055

0,122

0,211

0,32

0,448

15

кВт

0,016

0,029

0,043

0,056

0,068

0,08

16

кВт

0,451

0,504

0,575

0,687

0,809

0,948

17

кВт

2,8

5,59

8,19

10,71

12,82

15,05

18

-

0,863

0,917

0,934

0,939

0,94

0,94

19

-

0,3

0,498

0,621

0,694

0,733

0,767


 

Рабочие характеристики спроектированного  двигателя.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.5. Расчет пусковых характеристик.

Расчет токов с учетом влияния  изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учета  влияния насыщения от полей рассеяния),(таблица 2).

4.5.1. Активное сопротивление обмотки  ротора с учетом влияния эффекта  вытеснения тока [ ]

По рис.9.57 для ξ=1,6   φ=0,44

По (9.246)

По (9.253), т.к. (0,5·5,63)<16,4<(20,23+0,5·5,63),

Где

По (9.247)

По (9.257)

Приведенное сопротивление с учетом влияния эффекта вытеснения тока:

4.5.2. Индуктивное сопротивление  обмотки ротора с учетом влияния  эффекта вытеснения тока: по рис.9.58, для  , по табл.9.27, рис.9.52,г,е и по (9.262):

Где

По (9.261)

4.5.3. Пусковые параметры по (9.277) и (9.278):

4.5.4. Расчет токов с учетом  влияния эффекта вытеснения тока:

По (9.280) для s=1

По (9.281)

По (9.283)

 

Расчет токов в пусковом режиме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом влияния эффекта  вытеснения тока(таблица 3).

 

 

 

 

 

Таблица 2

№

Расчетная формула

Размерность

Скольжение s

1

0,8

0,5

0,2

0,1

0,14

1

-

1,6

1,43

1,13

0,72

0,51

0,6

2

-

0,44

0,3

0,15

0,024

0,006

0,011

3

м

0,018

0,019

0,022

0,0246

0,025

0,0249

4

-

1,13

1,24

1,1

1,01

0,996

0,999

5

-

1,11

1,19

1,08

1,01

0,996

0,999

6

Ом

0,747

0,8

0,74

0,68

0,67

0,67

7

-

0,87

0,9

0,95

0,98

0,99

0,99

8

-

2,87

2,91

3,005

3,028

3,042

3,042

9

-

0,96

0,963

0,989

0,99

0,99

0,99

10

Ом

2,62

2,63

2,69

2,7

2,7

2,7

11

Ом

2,04

2,3

2,79

4,79

8,23

6,24

12

Ом

5

5,02

5,08

5,09

5,09

5,09

13

А

70,37

68,82

65,57

54,36

39,26

47,18

14

А

72,26

71,75

68,44

56,86

41,28

49,43


 

4.6. Расчет пусковых характеристик  с учетом влияния вытеснения  тока и насыщения от полей  рассеяния.

. Следовательно коэффициент насыщения:

kНАС ≈ 1 + I1ПАЗА / 5000= 1+1230/5000=1,25

4.6.1. Индуктивное сопротивление  обмоток:

Принимаем kнас=1,3.

По (9.265)

По (9.264)

По рис.9.61 для Bфδ=2,87 находим kδ=0,76

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора  с учетом влияния насыщения:

По (9.266)

По (9.269)

 

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора  с учетом влияния насыщения по (9.274):

Индуктивное сопротивление фазы обмотки  статора с учетом влияния насыщения  по (9.275):

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора с учетом влияния насыщения:

По (9.271)

hш2= hш+ hш’=1мм

Где по (9.270)

По (9.273)

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учетом влияния насыщения по (9.274):

Приведенное индуктивное сопротивление  обмотки ротора с учетом влияния  насыщения и эффекта вытеснения тока:

По (9.276)

По (9.278)

4.6.2. Расчет токов и моментов:

По (9.280)

По (9.281)

По (9.283)

Кратность пускового тока с учетом влияния насыщения и эффекта  вытеснения тока:

Полученный в расчете коэффициент  насыщения:

Кратность пускового момента с  учетом влияния насыщения и эффекта  вытеснения тока:

 

 

Таблица 3

№

Расчетная формула

Разм.

Скольжение s

1

0,8

0,5

0,2

0,1

0,14

1

-

1,25

1,19

1,11

1,03

1

1,01

2

А

2068,4

1954,9

1739,3

1340,9

945,1

1143

3

Тл

2,87

2,72

2,42

1,86

1,31

1,59

4

-

0,76

0,76

0,82

0,88

0,95

0,91

5

мм

1,43

1,43

1,071

0,714

0,298

0,536

6

-

1,264

1,264

1,282

1,302

1,329

1,313

7

-

0,99

0,99

1,074

1,153

1,24

1,192

8

Ом

1,981

1,981

2,06

2,13

2,21

2,166

9

-

1,033

1,033

1,034

1,035

1,037

1,036

10

мм

2,49

2,49

1,872

1,248

0,52

0,936

11

-

2,454

2,497

2,635

2,725

2,87

2,786

12

-

1,284

1,289

1,386

1,487

1,606

1,538

13

Ом

2,18

2,2

2,33

2,44

2,85

2,499

14

Ом

2,032

2,293

2,79

4,78

8,208

6,218

15

Ом

4,23

4,47

4,47

4,66

4,885

4,75

16

А

80,98

74,82

72,12

56,92

39,78

48,56

17

A

83,96

77,95

75,01

59,43

41,91

50,81

18

-

1,16

1,09

1,095

1,05

1,02

1,03

19

-

4,57

4,24

4,08

3,24

2,28

2,77

20

-

1

1,05

1,56

2,43

2,37

2,53


 

Критическое скольжение определяем после  расчета всех точек пусковых характеристик (табл. 9.38) по средним значениям сопротивлений  и , соответствующим скольжениям s=0.2…0.1:по (9.286)

 

 

 

 

 

 

Пусковые характеристики

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.7. Тепловой расчет.

4.7.1. Превышение температуры внутренней  поверхности сердечника статора  над температурой воздуха внутри  двигателя по (9.315):

[ по табл.9.35 K=0,18; по (9.313) ;

по рис.9.67 ].

4.7.2. Перепад температуры в изоляции  пазовой части обмотки статора  по (9.316):

Где ;

для изоляции класса нагревостойкости F ;

по рис. 9.69 для λ'экв=1,28

4.7.3. Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри двигателя по (9.320):

4.7.4. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя по (9.321):

При перепаде температуры по толщине изоляции лобовых частей = 0.

4.7.5. Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды по (9.322):

Где по (9.323)

По (9.324)

По (9.325)

По рис.9.68 , .

4.7.6. Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды по (9.328):

4.7.7. Проверка условий охлаждения двигателя:

Требуемый для охлаждения расход воздуха  по (9.338)

Расход воздуха, который может  быть получен, по (9.339):

Вентилятор обеспечивает необходимый  расход воздуха.

 

5. Конструктивный расчет.

 

5.1. Расчет внешнего вентилятора.

 

Внешний диаметр вентилятора:

Внутренний диаметр  вентилятора:

Принимаем D2в=0,22м.

Ширина лопаток  вентилятора:

Принимаем выходную часть вала под вентилятором lвых.2=35мм.

 

5.2. Станина.

Цилиндрическая  с вертикально-горизонтальным оребрением литая из алюминиевого сплава.

Проектирование трехфазного асинхронного двигателя