Курсовая работа: Проектирование асинхронного двигателя

Федеральное агентство по образованию (Рособразование)

Архангельский государственный технический университет

Кафедра электротехники и энергетических систем

Факультет ПЭ

Курс 3

Группа 1

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине

"Электрические аппараты и машины"

На тему "Проектирование асинхронного двигателя"

Корельский Вадим Сергеевич

Руководитель проекта

Ст. преподаватель Н.Б. Баланцева

Архангельск 2010

Задание

на проект трехфазного асинхронного двигателя c короткозамкнутым ротором

Выдано студенту III курса 1 группы факультета ОСП-ПЭ

Выполнить расчет и конструктивную разработку асинхронного двигателя со следующими данными:

Мощность Р_н , кВт ……………………………………………..………… 15

Напряжение U_н , В ……………………………………………….… 220/380

Частота вращения n, мин ^-1 (об/мин) ………………………………… 1465

Кпд двигателя η …………………………………………...………… 88,5%

Коэффициент мощности cos φ ……………………………..………… 0,88

Частота тока f, Гц …………………………………………………..…… 50

Кратность пускового тока I_п /I_н ………………………………………… 7,0

Кратность пускового момента М_п /М_н ………………………………… 1,4

Кратность максимального момента М_макс /М_н ………………………… 2,3

Конструкция ……………………………………………..………… IМ1001

Режим работы ………………………………………………… длительный

Дополнительные требования ..…………………… двигатель 4А160S4У3

Задание выдано " … " ……………….. 2009 г.

Руководитель проекта…………………………

Срок сдачи " 4 " апреля 2010 г.

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

1. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ

2. РАСЧЁТ СТАТОРА

2.1 Определение , и площади поперечного сечения провода обмотки статора

2.2 Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

3. РАСЧЁТ РОТОРА

4. РАСЧЁТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

5. ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО РЕЖИМА

6. РАСЧЁТ ПОТЕРЬ

7. РАСЧЁТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ

8. РАСЧЁТ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ

8.1 Расчет токов с учетом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния

8.2 Расчёт пусковых характеристик с учётом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния

9. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

РЕФЕРАТ

Корельский В.С. Проектирование асинхронного электрического двигателя. Руководитель – старший преподаватель Баланцева Н.Б.

Курсовой проект. Пояснительная записка объёмом 49 страница содержит 7 рисунков, 3 таблицы, 2 источника, графическую часть на формате А1.

Ключевые слова: асинхронный электрический двигатель, статор, ротор.

Цель курсового проекта – приобретение практических навыков в проектировании электрических аппаратов.

На основании списка источников и технического задания выбраны главные размеры, рассчитана обмотка статора, ротор, магнитная цепь асинхронного двигателя серии 4А исполнения по степени защиты IP44, с короткозамкнутым ротором с чугунными станиной и подшипниковыми щитами, с высотой оси вращения 160 мм, с меньшим установочным размером по длине станины (S), двух полюсной (), климатического исполнения У, категории размещения 3. Также вычислены параметры рабочего режима, потери, рабочие и пусковые характеристики без учёта и с учётом насыщения. Проведён тепловой расчёт.

1. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ

1.1 Согласно таблице 9.8[1] (стр. 344) при высоте оси вращения мм. принимаем внешний диаметр статора , м

м

1.2 Принимая, что размеры пазов не зависят от числа полюсов машины, получим приближенное выражение внутреннего диаметра статора, м.

, (1)

где K _D – коэффициент, характеризующий отношение внутреннего и наружного диаметров сердечника статора асинхронной машины серии 4А. При числе полюсов p =4, по таблице 9.9 [1]; принимаем K _D = 0,68

1.3 Полюсное деление , м

(2)

м

1.4 Расчетная мощность, ВА.

, (3)

где P ₂ – мощность на валу двигателя, P ₂ =15∙10³ Вт;

k _E – отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, которое приближенно определяем по рис. 9.20 [1] Принимаем

k _E = 0,975;

1.5 Электромагнитные нагрузки предварительно определяем по рис 9.22б, (стр. 346 [1]), в зависимости от высоты оси вращения h = 160 мм и степени защиты двигателя IP44 откуда

А/м,

Тл

1.6 Обмоточный коэффициент (предварительно для однослойной обмотки при 2р =4) принимаем

1.7 Расчетная длина магнитопровода l_δ , м

, (4)

где - коэффициент формы поля (принимаем предварительно) ,;

- синхронная угловая частота двигателя, рад/с;

(5)

рад/с,

м

1.8 Значение отношения. Критерий правильности выбора главных размеров - отношение расчетной длины магнитопровода к полюсному делению

(6)

находится в допустимых пределах (рис. 9.25 а стр. 348 [1])

2. РАСЧЁТ СТАТОРА

2.1 Определение , и площади поперечного сечения провода обмотки статора

.1.1 Предельные значения зубцового деления статора , мм, определяем согласно рисунку 9.26

Здесь и далее [1] не отмечается ввиду ссылок на один источник (см. список использованной литературы).

мм; мм.

2.1.2 Число пазов статора, определяем по формулам

(7)

,

Принимаем Z₁ =48, тогда число пазов на полюс и фазу:

(8)

является целым числом. Обмотка однослойная.

2.1.3 Зубцовое деление статора (окончательно) , м, определяется из формулы :

(9)

м

2.1.4 Предварительное число эффективных проводников в пазу при условии, что параллельные ветви в обмотке отсутствуют (a=1)

, (10)

где - номинальный ток обмотки статора, А;

А – принятое ранее значение линейной нагрузки, А = 32∙10³ А/м;

(11)

А.

Тогда

.

2.1.5 Принимаем a=1, тогда

, (12)

проводника в пазу

2.1.6 Находим окончательные значения:

Число витков в фазе

, (13)

Линейная нагрузка, А/м

(14)

А/м

Магнитный поток , Вб

, (15)

где k _об1 = k _р1 = 0,958 – обмоточный коэффициент, принимаемый по табл. 3.16 для однослойной обмотки с q=4;

Вб.

Индукция в воздушном зазоре,Тл

(16)

Тл

По рисунку 9.22 б (стр. 346 [1]) определяем, что значения и лежат в допустимых пределах.

2.1.7 Предварительная плотность тока в обмотке статора, А/м²

(17)

А/м² .

Величину (AJ₁ ) определяем по рис. 9,27 б (стр. 355 [1]) , АJ₁ =180

2.1.8 Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно), a=1

(18)

мм²

Сечение эффективного проводника (окончательно):

Принимаем , тогда

(19)

мм² .

Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ (по приложению 3, стр. 713 [1]):

мм,

мм² ,

мм,

мм²

2.1.9 Плотность тока в обмотке статора (окончательно)

(20)

А/мм²

2.2 Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Паз статора определяем по рис. 9.29 a, (стр. 361[1]) с соотношением размеров, обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов.

2.2.1 По таблице 9.12 (стр. 357[1]) предварительно принимаем Тл и Тл, тогда

, (21)

где по табл. 9.13 (стр. 358[1]) для оксидированной стали марки 2013 ; - длина стали сердечника статора;

ммм

Высота ярма статора , м

(22)

ммм

2.2.2 Размеры паза в штампе ; и ,

где - ширина шлиц паза, мм;

- высота шлиц паза, мм;

Высота паза , м

, (23)

мм

2.2.3 Определение размеров b1и b2, мм

(24)

мм

, (25)

мм

(26)

мм

Рисунок 1 - Паз статора спроектированного двигателя с короткозамкнутым ротором

2.2.4 Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку

Припуски по ширине и высоте паза по табл. 9.14[1], мм

, (27)

мм.

, (28)

мм.

, (29)

мм.

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки

, (30)

где - площадь, занимаемая корпусной изоляцией в пазу, мм² ;

- площадь поперечного сечения прокладок в пазу, мм² ;

(31)

мм²

мм²

2.2.5 Коэффициент заполнения паза

(32)

Полученное значение допустимо для механизированной укладки обмотки.

3. РАСЧЁТ РОТОРА

3.1 Воздушный зазоропределяем по рис. 9.31

Принимаем мм

3.2 Число пазов ротора определяем по табл. 9.18

Принимаем

3.3 Внешний диаметр ротора, м

, (33)

м

3.4 Длина магнитопровода ротора , м

м

3.5 Зубцовое деление ротора , мм

, (34)

мм

3.6 Внутренний диаметр ротора, м, равен диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал

, (35)

где - определяем согласно табл. 9.19 (стр. 385 [1])

мм

3.7 Ток в обмотке ротора, А

(36)

где - коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания на отношение I ₁ / I ₂ ; - число фаз;

, (37)

, (38)

где - коэффициент скоса, принимаем , т.к. пазы выполняем без скоса;

А

3.8 Площадь поперечного сечения (предварительно) , мм²

, (39)

где - плотность тока в стержне литой клетки, принимаем ;

мм²

3.9 Паз ротора определяем по рис. 9.40 б. Принимаем: , и

Допустимая ширина зубца , мм

, (40)

где Тл. Принимаем по табл. 9.12, стр. 357 [1]);

м мм

Размеры паза

(41)

мм

(42)

мм

, (43)

мм

3.10 Уточняем ширину зубцов ротора

, (44)

мм

, (45)

мм;

мм.

где полная высота паза, мм;

(46)

мм

3.11 Площадь поперечного сечения стержня , мм²

(47) мм²

Плотность тока в стержне , А/м

(48)

А/м

Результирующая плотность тока получилась на 6,4% меньше предварительно заявленной в п. 3.1.8, что является допустимым отношением

Рисунок 2 – Трапецеидальный паз короткозамкнутого ротора полузакрытого типа

3.12 Площадь поперечного сечения короткозамыкающих колец , мм²

, (49)

где - ток в короткозамыкающем кольце, А;

- плотность тока в короткозамыкающем кольце, А/м² ;

, (50)

Откуда

(51)

А.

(52)

А/м²

3.13 Размеры короткозамыкающих колец

, (53)

мм

3.14 Ширина замыкающих колец ,

(54)

мм

(55)

мм²

3.15 Средний диаметр замыкающих колец , м

, (56)

мм

4. РАСЧЁТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

Магнитопровод из стали 2013, толщина листа 0,5 мм

4.1 Магнитное напряжение воздушного зазора , А

, (57)

где - коэффициент воздушного зазора,

(58)

(60)

А.

4.2 Магнитное напряжение зубцовой зоны статора , А

, (61)

где мм;

Расчетная индукция в зубцах, Тл

(62)

Тл

где >1,8 Тл., необходимо учесть ответвление потока в паз и найти действительную индукцию в зубце . Коэффициент по высоте

А.

Действительная индукция , Тл

, (63)

где - коэффициент, определяющий отношение площадей поперечных сечений паза и зубца;

(64)

, (65)

Принимаем Тл, проверяем соотношение и : ; где для Тл по табл. П1.7 А/м

4.3 Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора , А

; (66)

А.

При зубцах по рис. 9.40, б из табл. 9.20 мм; индукция в зубце

; (66)

Тл.

По табл. П.1.7 для Тл находим А/м

4.4 Коэффициент насыщения зубцовой зоны

(67)

4.5 Магнитное напряжение ярма статора

, (68)

Где

; (69)

м;

; (70)

м;

А;

; (71)

Тл.

При отсутствии радиальных вентиляционных каналов в статоре м), для Тл по табл. П1.6 находим А/м

4.6 Магнитное напряжение ярма ротора, А

, (72)

Где

; (73)

м;

; (74)

м;

А;

; (75)

Тл,

где для четырехполюсных машин при 0,75 <

; (76)

м,

где для Тл по табл. П1.6 находим А/м.

4.7 Магнитное напряжение на пару полюсов , А

, (77)

А.

4.8 Коэффициент насыщения магнитной цепи

(78),

4.9 Намагничивающий ток , А

, (79)

А

Относительное значение

; (80)

; 0,2<<0,3.

5. ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО РЕЖИМА

5.1 Активное сопротивление обмотки статора

, (81)

где для класса нагревостайкости изоляции расчетная температура С; для медных проводников Ом·м); площадь поперечного сечения эффективного проводника, м² ; L₁ – общая длина эффективных проводников фазы обмотки, м;

Ом.

Длина проводников фазы обмотки

; (82)

м;

; (83)

м;

м;

, (84)

где м; по табл. 9.23 ;

м;

; (85)

м.

Длина вылета лобовой части катушки

, (86)

где по табл. 9.23

мм.

Относительное значение

; (87)

.

5.2 Активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора

; (88)

Ом;

, (89)

где ;

где Ом·м удельное сопротивление алюминия;

Ом;

; (90)

Ом;

Приводим к числу витков обмотки статора

, (91)

где ;

Ом;

Относительное значение

; (92)

.

5.3 Индутивное сопротивление фазы обмотки статора

; (93)

Ом,

Где

, (94)

(95)

мм

мм

(96)

мм;

, так как проводники закреплены пазовой крышкой; ; ; м;

;

; (97)

;

; (98)

; (99)

;

.

Относительное значение

; (100)

.

5.4 Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора

, (101)

где

; (102)

; (103)

мм;

мм; мм; мм; мм; мм² ;

;

; (104)

;

; (105)

; (106) ; (107)

;

Ом

так как при закрытых пазах .

Приводим к числу витков статора

; (108)

Ом.

Относительное значение

(109)

.

6. РАСЧЁТ ПОТЕРЬ

6.1 Потери в стали основные.

, (110)

где [ для стали 2013 по табл. 9.28]

; (111)

кг;

; (112)

кг;

;

;

Вт.

6.2 Поверхностные потери в роторе.

, (113)

Где

; (114)

Вт/м² ;

; ; (115)

Тл;

Для

;

;

Вт.

6.3 Пульсационные потери в зубцах ротора.

, (116)

Где

; (117)

Тл;

Тл; ;

; (118)

кг;

;

;

Вт.

6.4 Сумма добавочных потерь в стали

, (119)

где ;

Вт.

6.5 Полные потери в стали

; (120)

Вт.

6.6 Механические потери

; (121)

Вт.

6.7 Холостой ход двигателя

, (122)

где ; (123)

; (124)

Вт;

А;

А;

; (125)

.

7. РАСЧЁТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ

7.1 Параметры:

Сопротивление , Ом

(126)

Ом

Сопротивление , Ом

(127)

Ом

(128)

(129)

Активная составляющая тока синхронного холостого тока , А

(130)

А

(131)

Ом

(132)

Ом

Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения, кВт

кВт

7.2 Рассчитываем рабочие характеристики для различных скольжений s = 0,005; 0,01; 0,015; 0,02; 0,025; 0,03. Результаты расчета сведены в таблицу 1.

Данные спроектированного двигателя:

Графики рабочих характеристик спроектированного двигателя с короткозамкнутым ротором изображены на рисунках 3, 4, 5, .

Таблица 1 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Рисунок 3 – Зависимость

Рисунок 4 – Зависимость

Рисунок 5 – Зависимость

8. РАСЧЕТ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ

8.1 Расчет токов с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффектавытеснения тока (без учета влияния насыщения от полей рассеяния)

Произведём подробный расчёт пусковых характеристик для . Данные расчёта остальных точек представлены в таблице 2.

Данные спроектированного двигателя:

Активное сопротивление обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока , Ом

(133)

Высота стержня в пазу , м

(134)

мм м

Приведённая высота стержня

(135)

Если находим по рис 9.57 (стр.428 )

Глубина проникновения тока , мм

(136)

мм

Коэффициент

(137)

где площадь сечения, мм²

(138)

(139)

мм

мм²

Коэффициент общего увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием эффекта вытеснения тока

, (140)

где для роторов без радиальных вентиляционных каналов с литой обмоткой Ом;

Ом

Индуктивное сопротивление обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока , Ом

, (141)

где коэффициент изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока;

Согласно тому, что , тогда , рис. 9.58 (стр. 428);

, (142)

где коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния с учётом эффекта вытеснения тока;

, (143)

Где

, (144)

Ом

Пусковые параметры.

Индуктивное сопротивление взаимной индукции , Ом

(145)

Ом

Коэффициент

(146)

Расчёт токов с учётом влияния эффекта вытеснения тока и , А

(147)

, (148)

Сопротивление , Ом

, (149)

Ом

Сопротивление , Ом

(150)

Ом

Ток в обмотке ротора , А

А

А

Таблица 2 – Расчет токов в пусковом режиме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом влияния эффекта вытеснения тока

8.2 Расчёт пусковых характеристик с учётом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния

Произведём подробный расчёт пусковых характеристик для . Данные расчёта остальных точек представлены в таблице 3.

Индуктивные сопротивления обмоток.

Фиктивная индукция потока рассеяния в воздушном зазоре , Тл

, (151)

где средняя МДС обмотки, отнесённая к одному пазу обмотки статора, А;

рассчитываемый коэффициент;

, (152)

где коэффициент насыщения, ;

ток статора, без учёта насыщения, А;

число параллельных ветвей обмотки статора;

число эффективных проводников в пазу статора;

коэффициент, учитывающий уменьшение МДС паза, ;

коэффициент укорочения шага обмотки, ;

А

(153)

Тл

При Тл, по рис. 9.61 (стр. 432 )

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора с учётом влияния насыщения для открытого паза

, (154)

где уменьшение коэффициента проводимости для полуоткрытых пазов статора;

, (155)

где значение дополнительного эквивалентного раскрытия пазов статора;

(156)

(157)

мм

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учётом влияния насыщения

(158)

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учётом влияния насыщения , Ом

(159)

Ом

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора с учётом влияния насыщения и вытеснения тока

, (160)

где уменьшение коэффициента проводимости для открытых и полуоткрытых пазов ротора;

, (161)

где высота для закрытых пазов ротора, мм;

(162)

мм

значение дополнительного эквивалентного раскрытия пазов ротора;

(163)

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учётом влияния насыщения

, (164)

Приведённое индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учётом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения , Ом

(165)

Ом

Коэффициент насыщения

, (166)

где индуктивное сопротивление взаимной индукции, Ом

(167)

Ом

Расчёт токов и моментов.

Сопротивление , Ом

(168)

Ом

Индуктивное сопротивление, Ом

(169)

Ом

Ток в обмотке ротора , А

(170) А

Ток насыщения , А

(171)

А

Коэффициент насыщения

Кратность пускового тока

, (172)

Кратность пускового момента

, (173)

Критическое скольжение

, (174)

Таблица 3 – Расчет токов в пусковом режиме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния

Графики пусковых характеристик спроектированного двигателя с короткозамкнутым ротором изображены на рисунке 6 и рисунке 7.

Рисунок 6 – Зависимость

Рисунок 7 – Зависимость

Спроектированный асинхронный двигатель удовлетворяет требованиям ГОСТ как по энергетическим показателям (КПД и ), так и по пусковым характеристикам.

9. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя , ⁰ С

, (175)

где коэффициент, учитывающий, что часть потерь в сердечнике статора и в пазовой части обмотки передаётся через станину непосредственно в окружающую среду, по табл. 9.35 (стр. 450);

коэффициент теплоотдачи с поверхности. по рис. 9.67 б (стр. 450);

- электрические потери в обмотке статора в пазовой области, Вт;

, (176)

где Вт по таблице 1;

коэффициент увеличения потерь, ;

Вт

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки, ⁰ С

, (177)

расчётный периметр поперечного сечения паза статора, равный для полузакрытых трапецеидальных пазов;

средняя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции; для класса нагревостойкости ;

среднее значение коэффициента теплопроводности внутренней изоляции, по рис. 9.69 (стр. 453 );

, (178)

, тогда по рис. 9.69 (стр. 453[1])

Перепад температуры в толщине изоляции лобовых частей, ⁰ С

, (179)

где - электрические потери в обмотке статора в пазовой области, Вт; периметр условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки, м, м; односторонняя толщина изоляции лобовой части катушки, мм, мм, по таблице гл. 3;

, (180)

Вт

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри двигателя , ⁰ С

(181)

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя , ⁰ С

(182)

Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды , ⁰ С

, (183)

где сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя, Вт;

коэффициент подогрева воздуха, Вт/м² ∙⁰ С, по рис. 9.67, б (стр. 450 ); эквивалентная поверхность охлаждения корпуса, м² ;

, (184)

, (185)

где Вт по табл. 1 для ;

Вт

Вт

, (186)

где условный периметр поперечного сечения рёбер корпуса двигателя, м, по рис 9.70 (стр. 453);

м²

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды , ⁰ С

, (187)

Проверка условий охлаждения двигателя

Требуемый для охлаждения расход воздуха , м³ /с

, (188)

где коэффициент, учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса;

, (189)

где коэффициент при мм;

м³ /с

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором , м³ /с

, (190)

м³ /с

Выполняется условие .

Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах. Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха

Вывод: спроектированный двигатель отвечает поставленным в техническом задании требованиям.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Копылов, И.П. Проектирование электрических машин [Текст]: Учеб. пособие для вузов / И.П.Копылов, Б.К.Клоков, В.П Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П.Копылова. – 3-е изд., испр. и доп. – М.:Высш. шк., 2002. – 757 с.

2. Кацман, М.М. Электрические машины [Текст]: Учеб. для студ. образоват. учреждений сред. проф. образования / М.М. Кацман. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Издательский центр "Академия", 2003. – 496 с.