Проектирование трехфазного асинхронного электродвигателя

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Пояснительная записка к курсовому проекту

по электрическим машинам













Выполнил студент группы

Принял преподаватель:









2001


Согласно заданию необходимо спроектировать трехфазный асинхронный электродвигатель мощностью 19 кВт, с частотой вращения поля 1000 об/мин, напряжением 220/380 В при частоте 50 Гц; ротор – короткозамкнутый, исполнение двигателя по степени защиты IP44. В качестве базовой модели принята конструкция асинхронного двигателя серии 4А. При проектировании использованы методика и рекомендации, содержащиеся в [1].


1 ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ ДВИГАТЕЛЯ



1.1 Число пар полюсов



 2p = 6,

где  - частота напряжения, 

 - синхронная частота вращения, об/мин.



1.2 Высота оси вращения h, значение наружного диаметра 



Принимаем для двигателя с = 19 кВт h = 180 мм, соответствующее стандартное значение наружного диаметра = 313 мм.



1.3 Внутренний диаметр статора



 принимаем D = 225 мм,

где  - отношение диаметров статора, зависящее от числа полюсов 2p: при 2p = 6 значение  лежит в пределах , выбираем значение .



1.4 Полюсное деление



 


1.5 Расчетная мощность





где - номинальная мощность, 

- отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, = 0.968;

 и cos - КПД и коэффициент мощности двигателя в номинальном режиме, для ближайшего серийного двигателя с P = 18,5 кВт принимаем = 0.88, cos  = 0.87.



1.6 Расчетная длина воздушного зазора





принимаем 

где - синхронная угловая скорость вращения двигателя;

- коэффициент формы поля, предварительно принимаем = 1.11;

- индукция в воздушном зазоре, предварительно принимаем = 0.797 Тл;

А – линейная нагрузка, предварительно принимаем А = 

- обмоточный коэффициент обмотки статора, зависящий от типа обмотки и параметров. Для статоров двигателей мощностью 15…110 кВт рекомендуется применять двухслойную всыпную петлевую обмотку из круглого провода, выполняемую распределенной по пазам, с укорочением шага. Для таких обмоток при 2р = 6 предварительно принимаем = 0.92.

При  двигатели выполняют без радиальных и аксиальных вентиляционных каналов, при этом сердечники статора и ротора представляют собой пакеты из листовой стали, для которой принимаем 



1.7 Критерий правильности выбора главных размеров D и 





Данное значение лежит в пределах допустимой зоны для двигателей со степенью защиты IP44.


2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЧИСЛА ПАЗОВ, ВИТКОВ И СЕЧЕНИЯ ПРОВОДА ОБМОТКИ СТАТОРА



2.1 Возможные числа пазов статора находятся в диапазоне



 принимаем 

где - предельные значения зубцового деления статора, которые определяются из промежутка  = 3 – число фаз статора. 

При этом число пазов на полюс и фазу 



2.2 Окончательное значение зубцового деления статора



. 



2.3 Номинальный фазный ток статора





где - номинальное фазное напряжение обмотки статора, 


2.4 Число эффективных проводников в пазу





где - число параллельных ветвей фазы. Значение а определяется из соотношения .



2.5 Окончательные значения величин:



число эффективных проводников в пазу ;

число витков фазы обмотки статора ;

линейная токовая нагрузка 

.



2.6 Шаг двухслойной обмотки статора





где - относительный шаг (предварительно принимаем его равным 5/6);

 - полюсное деление, выраженное числом пазов (зубцов) статора. Округляем  до 8.

Уточняем относительный шаг .



2.7 Коэффициенты укорочения, распределения и обмоточный



,

где , - коэффициент укорочения,

 , - коэффициент распределения.

Используя уточненные значения A и , откорректируем значение :



принимаем уточненное значение .



2.8 Магнитный поток





и окончательное значение индукции в воздушном зазоре

.

 2.9 Предварительное значение плотности тока в обмотке статора

, 

где .



2.10 Сечение эффективного проводника





Принимаем = 1, а = 2.011 мм2 . По таблице находим диаметр изолированного  и неизолированного d = 1.6 мм провода. Выбираем круглый медный провод марки ПЭТ-155.



2.11 Окончательное значение плотности тока в обмотке статора



.


3 РАСЧЕТ РАЗМЕРОВ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ СТАТОРА И ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА



3.1 Предварительные значения ширины зубца



 

и высоты ярма статора

,

где  - индукция в зубце статора, принимаем = 1.8 Тл;

- индукция в ярме статора, принимаем = 1.45 Тл;

Kc – коэффициент заполнения пакета сталью, Kc = 0.97;

.



3.2 Паз статора. Размеры паза в штампе:



,

,

,

где - высота паза, при  = 1 мм;

- ширина паза, при  = 3.7 мм.


3.3 Некоторые размеры заполненного паза:



;

;

,

где = 2.5 мм – клин пазовый; = 0.5 мм – прокладка; = 0.4 мм – коробка пазовая.

Основания трапеции, на площади которой размещаются проводники паза:







где - величина припусков по высоте и ширине паза.



3.4 Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки



,

где значение площади междуслойной прокладки ; = 0.5 мм – ширина прокладки междуслойной.


3.5 Коэффициент заполнения паза



.



3.6 Воздушный зазор между статором и ротором:



для двигателя с внутренним диаметром статора D = 225 мм принимаем = 0.45 мм.


4 РАСЧЕТ КОРОТКОЗАМКНУТОГО РОТОРА



4.1 Число пазов ротора:



в двигателях при  пазы ротора выполняют без скоса и обычно принимают ; при 2р = 6 и при = 54 принимаем = 44.



4.2 Внешний  и внутренний  диаметры сердечника ротора



, 

, принимаем = 72мм.



4.3 Длина сердечника ротора при  принимаем равной



.



4.4 Зубцовое деление ротора



.



4.5 Ток стержня ротора



,

где  - коэффициент, учитывающий влияние намагничивающего тока и сопротивление обмоток;

 - коэффициент приведения тока ротора к обмотке статора;

и площадь поперечного сечения стержня статора

,

где - плотность тока в стержне ротора при коротком замыкании, предварительно принимаем = 2.7 А/мм2.



4.6 В двигателях при h = 160…250 мм выполняют на роторе закрытые грушевидные пазы и зубцы с параллельными гранями. При 2р = 6 принимаем размеры шлица = 0.7 мм, = 1.5 мм и высоту перемычки над пазом = 0.3 мм.



4.7 Ширина зубца ротора



,

где = 1.82 Тл – допустимая индукция в зубце статора.



4.8 Основные размеры паза ротора





.

4.9 Окончательные значения сечения стержня





и окончательное значение плотности тока

.



4.10 Полная высота паза и расчетная высота зубца ротора







4.11 Ток в короткозамыкающем кольце ротора





где 



4.12 Короткозамыкающие кольца ротора имеют сечение в виде неправильной трапеции с площадью поперечного сечения





где принимаем = 0.457 А/мм2.


4.13 Средняя высота кольца



выбирается из условия: . Расчетное сечение колец литой обмотки ротора принимаем равным , не учитывая утолщения в местах примыкания вентиляционных лопаток, поэтому толщина кольца 





4.14 Средний диаметр короткозамыкающего кольца






5 РАСЧЕТ НАМАГНИЧИВАЮЩЕГО ТОКА



5.1 Окончательные значения индукций:



в зубцах статора и ротора

 

в ярмах статора и ротора





где - расчетная высота ярма статора, 

при 2р = 6 



5.2 Коэффициент воздушного зазора ,



учитывающий влияние неравномерности воздушного зазора из-за наличия пазов на статоре и роторе на магнитную проводимость зазора



где .


5.3 Магнитное напряжение воздушного зазора







5.4 Магнитное напряжение зубцовых зон статора и ротора





где  

>1.8, следовательно, необходимо учитывать ответвление части потока в паз. Рассчитаем коэффициент , показывающий соотношение площадей поперечных сечений паза и зубца,





где 

 5.5 Коэффициент насыщения зубцовой зоны



 5.6 Длина средней магнитной линии ярм статора и ротора





 5.7 Магнитное напряжение ярм статора и ротора





где  а  - напряженность магнитного поля в ярмах.

5.8 Магнитное напряжение на пару полюсов



 5.9 Коэффициент насыщения магнитной цепи

.



5.10 Намагничивающий ток



.



5.11 Относительное значение намагничивающего тока



.


6 ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО РЕЖИМА



6.1 Средняя ширина катушки





вылет лобовых частей обмотки



длина лобовой части обмотки



где В = 10 мм; - коэффициенты, зависящие от числа полюсов и способа изолирования лобовых частей обмотки. При  и 2р = 6 лобовые части катушки всыпной обмотки не изолируются; при этом 

средняя длина витка обмотки



где ,

длина проводников фазы обмотки статора





6.2 Активное сопротивление фазы обмотки статора





где  - удельное сопротивление меди при расчетной температуре 115оС для изоляции класса F.


6.3 Относительное значение активного сопротивления статора







6.4 Активное сопротивление фазы короткозамкнутого ротора





где - удельное сопротивление стержня и короткозамыкающего кольца для литой алюминиевой обмотки ротора при расчетной температуре 115оС; 







Активное сопротивление ротора, приведенное к обмотке статора





6.5 Относительное значение активного сопротивления ротора







6.6 Коэффициенты магнитной проводимости обмотки статора:



пазового рассеяния для конфигурации паза





где ;

;

лобового рассеяния



дифференциального рассеяния



где  - определяется для полураскрытых пазов и при отсутствии скоса;  = 1.192 – коэффициент, определяемый по зависимости 

 6.7 Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора



относительное значение сопротивления

.


6.8 Коэффициенты магнитной проводимости короткозамкнутой обмотки ротора:



пазового рассеяния для формы паза



где 

лобового рассеяния для литой алюминиевой обмотки



дифференциального рассеяния



где  

 - определяется в зависимости от  и .

 6.9 Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки ротора



= 3.346,

приведенное индуктивное сопротивление рассеяния ротора



относительное значение




7 РАСЧЕТ ПОТЕРЬ



7.1 Масса ярма статора и зубцов статора и ротора







где - удельная масса стали; , .



7.2 Основные потери в стали статора







где = 1.5 – для стали 2013;  - удельные потери для стали 2013 при толщине листов 0,5 мм;  и  - коэффициенты, учитывающие влияние на потери технологической обработки стали.



7.3 Удельные поверхностные потери в коронках зубцов ротора







где ; ;

  - амплитуда пульсации магнитной индукции в воздушном зазоре, 

 - определяем по зависимости 



7.4 Поверхностные потери в роторе



возникающие в поверхностном слое коронок зубцов ротора от пульсаций индукции в воздушном зазоре из-за наличия зубцов на статоре







7.5 Пульсационные потери в зубцах ротора



вызванные пульсацией индукции в зубцах ротора вследствие изменения взаимного расположения зубцов статора и ротора





где 



7.6 Полные потери в стали






7.7 Механические потери





где  при 2р = 6.



7.8 Добавочные потери в номинальном режиме







7.9 Расчет режима холостого хода:



активная составляющая тока холостого хода



где  - электрические потери в обмотке статора при холостом ходе;

полный ток холостого хода



коэффициент мощности




8 РАСЧЕТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК



8.1 Потери в стали и механические







8.2 Активная и реактивная составляющие тока синхронного холостого хода



; 





8.3 Активная и реактивная составляющие сопротивления намагничивающей ветви схемы замещения









8.4 Постоянные величины





.


8.5 Предварительно принимаем скольжение в номинальном режиме







8.6 Номинальные данные спроектированного двигателя



1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

13. 

14. 

15. 

16. 

17. 



Таблица 8.1

Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя

     

    

  

№

Расчетная формула

Ед.

изм













1



Ом

31.4

15.85

10.66

8.07

6.517

5.48

2



Ом

31.44

15.92

10.78

8.22

6.697

5.693

3



А

6.997

13.81

20.42

26.77

32.849

38.64

4



-

0.999

0.995

0.99

0.982

0.973

0.963

5



-

0.049

0.097

0.143

0.188

0.23

0.271

6



A

7.678

14.44

20.89

26.98

32.65

37.87

7



A

11.06

12.06

13.64

15.74

18.28

21.19

8



A

13.47

18.81

24.95

31.24

37.42

43.41

9



A

7.215

14.25

21.05

27.6

33.87

39.85

10



кВт

5.07

9.53

13.79

17.81

21.55

25

11



кВт

0.156

0.304

0.536

0.84

1.205

1.621

12



кВт

0.02

0.079

0.173

0.297

0.447

0.619

13



кВт

0.014

0.027

0.048

0.075

0.107

0.144

14



кВт

0.717

0.937

1.283

1.738

2.286

2.91

15



кВт

4.351

8.593

12.51

16.07

19.27

22.1

16



-

0.859

0.902

0.907

0.902

0.894

0.884

17



-

0.57

0.768

0.837

0.864 

0.873

0.873




9 РАСЧЕТ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК



9.1 Безразмерная приведенная высота стержня ротора при расчетной температуре 115оС



,

где  – высота стержня в пазу.



9.2 Глубина проникновения тока в стержень



,

где . 



9.3 Площадь сечения части стержня, ограниченной высотой 







где 



9.4 Отношение площади всего сечения стержня  к площади 





9.5 Коэффициент увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием эффекта вытеснения тока







9.6 Приведенное активное сопротивление обмотки ротора с учетом действия эффекта вытеснения тока







9.7 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора с учетом вытеснения тока







где 





9.8 Коэффициент изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока





9.9 Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом вытеснения тока







9.10 Ток ротора без учета влияния насыщения коронок зубцов полями пазового рассеяния









9.11 Предполагаемую кратность увеличения тока



обусловленную уменьшением индуктивных сопротивлений из-за насыщения зубцовых зон принимаем равной 



9.12 Предварительное значение тока фазы статора с учетом насыщения






9.13 Средняя м.д.с. обмотки статора, отнесенная к одному пазу









9.14 Фиктивная индукция магнитного поля рассеивания в воздушном зазоре





где 



9.15 Коэффициент 



 равный отношению потока рассеивания при насыщении к потоку рассеяния ненасыщенной машины

.



9.16 Дополнительное раскрытие пазов статора и ротора, учитывающее уменьшение потока пазового рассеивания из-за насыщения



 




9.17 Уменьшение коэффициента магнитной проводимости пазового рассеивания статора и ротора









9.18 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния статора и ротора при насыщении зубцов









9.19 Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния статора и ротора при насыщении зубцов









9.20 Индуктивное сопротивление обмотки статора с учётом насыщения и обмотки ротора с учётом влияния насыщения и вытеснения тока








9.21 Коэффициент связи параметров Г-образной и Т-образной схем замещения





где  – сопротивление взаимной индукции обмоток.



9.22 Расчетные активное и индуктивное сопротивления









9.23 Ток обмотки ротора, приведенный в обмотке статора







9.24 Ток обмотки статора






9.25 Расхождение полученных значений и принятых первоначально









9.26 Относительные значения тока статора и электромагнитного момента









9.27 Расчет пусковых характеристик для критического скольжения





где 





9.27.1 Безразмерная приведенная высота стержня ротора при расчетной температуре 115оС

,

где  – высота стержня в пазу.



9.27.2 Глубина проникновения тока в стержень

,

где . 



9.27.3 Площадь сечения части стержня, ограниченной высотой 

, следовательно, 



9.27.4 Отношение площади всего сечения стержня  к площади 





9.27.5 Коэффициент увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием эффекта вытеснения тока





9.27.6 Приведенное активное сопротивление обмотки ротора с учетом действия эффекта вытеснения тока






9.27.7 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора с учетом вытеснения тока





где 









9.27.8 Коэффициент изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока





9.27.9 Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом вытеснения тока






9.27.10 Ток ротора без учета влияния насыщения коронок зубцов полями пазового рассеяния







9.27.11 Предполагаемую кратность увеличения тока

обусловленную уменьшением индуктивных сопротивлений из-за насыщения зубцовых зон принимаем равной 



9.27.12 Предварительное значение тока фазы статора с учетом насыщения





9.27.13 Средняя м.д.с. обмотки статора, отнесенная к одному пазу







9.27.14 Фиктивная индукция магнитного поля рассеивания в воздушном зазоре



где 



9.27.15 Коэффициент  равный отношению потока рассеивания при насыщении к потоку рассеяния ненасыщенной машины

.



9.27.16 Дополнительное раскрытие пазов статора и ротора, учитывающее уменьшение потока пазового рассеивания из-за насыщения

 





9.27.17 Уменьшение коэффициента магнитной проводимости пазового рассеивания статора и ротора







9.27.18 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния статора и ротора при насыщении зубцов







9.27.19 Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния статора и ротора при насыщении зубцов





9.27.20 Индуктивное сопротивление обмотки статора с учётом насыщения и обмотки ротора с учётом влияния насыщения и вытеснения тока







9.27.21 Коэффициент связи параметров Г-образной и Т-образной схем замещения



где  – сопротивление взаимной индукции обмоток.

 уточняем критическое скольжение





9.27.22 Расчетные активное и индуктивное сопротивления







9.27.23 Ток обмотки ротора, приведенный в обмотке статора




9.27.24 Ток обмотки статора





9.27.25 Расхождение полученных значений и принятых первоначально







9.27.26 Относительные значения тока статора и электромагнитного момента






10 ОЦЕНКА СПРОЕКТИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ



Таблица 10 

Сравнение показателей спроектированного двигателя с требованиями ГОСТа 19523-81

n=1000 об/мин, исполнение IP44

Показатели

, кВт

	, %

,









Спроектированный двигатель

19

2.2

0.894

0.873

2.46

1.24

5.875

По стандарту

18.5

2.7

0.88

0.87

2.0

1.2

6.0




СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. / С.С. Проскуренко, В.Д. Сергеев, А.С. Чернышова. – В.: ДВПИ, 1984. – 60 с.

Проектирование электрических машин. / Под редакцией И.П. Копылова. – М.: Энергия, 1980. – 494 с.

ГОСТ 19523-81. Двигатели трехфазные асинхронные короткозамкнутые серии 4А с высотой оси вращения от 50 до 355 мм. Технические условия. – М.: Изд–во стандартов, 1983. – 54 с.