СОДЕРЖАНИЕ
АННОТАЦИЯ
ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР
1.1 Современные серииэлектрических машин
1.2 Основныетенденции в электромашиностроении
2 РАСЧЕТЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
2.1 Техническое задание
2.2 Выбор аналога двигателя
2.3 Размеры, конфигурация и материал магнитной цепи двигателя
2.4 Обмотка статора
2.5 Обмотка короткозамкнутого ротора
2.6 Расчет магнитной цепи
2.7 Активные и индуктивные сопротивления обмоток
2.8 Режим холостого хода и номинальный
2.9 Рабочие характеристики
2.10 Максимальный момент
2.11 Начальный пусковой момент и пусковые токи
2.12 Расчетмеханической характеристики двигателя и зависимости пускового тока отскольжения
2.13 Тепловой и вентиляционный расчеты
2.14 Масса двигателя и динамический момент инерции ротора
2.15 Расчет надежности обмотки статора
2.16 Механический расчет вала и подбор подшипников качения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ
АННОТАЦИЯ
Темников Ю.В. Двигатель асинхронный трехфазный, мощность 45 кВт, 6полюсов.
Страниц: 48
Иллюстраций: 7
Приложений: 4
Таблиц: 2
Представлены результаты расчета трехфазного асинхронного двигателя скороткозамкнутым ротором на мощность 45 киловатт, число полюсов равно 6, линейноенапряжение сети: при соединении в треугольник – 380В, при соединении в звезду –660В, частота питающей сети 50 Гц.
Спроектирован асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором.Высота оси вращения – 250мм, магнитопроводы статора и ротора выполнены изстальной ленты, марка стали – 2411, обмоточный провод ПЭТ-155, обмотка ротораиз алюминия марки АКМ12-4, станина литая из чугуна, класс нагревостойкостиизоляции F.
Расчеты выполнены с учетом рекомендаций, изложенных в учебных пособияхГольдберга О.Д. «Проектирование электрических машин»[1] и Гурина Я.С.«Проектирования серий электрических машин» [2].
ВВЕДЕНИЕ
Асинхронный электродвигатель — двухобмоточный электрический двигатель,одна из обмоток которого питается от сети переменного напряжения, а другаязамкнута накоротко или на сопротивление.
Асинхронные двигатели находят широкое применение в хозяйстве. По разнымданным, около 70% всей электрической энергии, преобразуемой в механическуювращательного или поступательного движения, потребляется асинхроннымиэлектродвигателями.
Широкое применение асинхронных двигателей связано с простотой ихконструкции, ее технологичностью и минимальными затратами в эксплуатации, посравнению с другими видами электрических машин, таких как двигатели постоянноготока, синхронными двигателями и т.д.
Трехфазный асинхронный электродвигатель, традиционного исполнения,выполняющего вращательное движение (конструкция такого двигателя впервые былапредложена М.О. Доливо-Добровольским в 1889 году) состоит из двух основныхчастей: неподвижного статора и вращающегося ротора.
Статор состоит из станины, в которую впрессован сердечник статора –магнитопровод статора с распределенной обмоткой. Назначение сердечника –создание вращающегося магнитного поля. Магнитопровод состоит из штампованных,изолированных друг от друга листов электротехнической изотропной (в крупныхмашинах – анизотропной) стали, толщиной (в зависимости от размеров инеобходимых параметров машины) от 0,28 до 1мм.
Сердечник ротора двигателя, аналогично сердечнику статора, набирается излистов электротехнической стали. Обмотки роторов бывают короткозамкнутые, изалюминиевого литья, и фазные, которые, аналогично обмотке статора, выполнены изизолированного медного провода, концы обмоток выводятся на контактные кольца,закрепленные на вале ротора, далее, посредством щеточного контакта, к обмоткеротора можно подключить пусковой реостат.
В данном курсовом проекте речь пойдет о трехфазном асинхронном двигателес короткозамкнутым ротором.
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙОБЗОР
1.1 Современныесерии электрических машин
В 70-е годы быларазработана и внедрена серия электродвигателей 4А, основным критерием припроектировании которой был принят минимум суммарной стоимости двигателя впроизводстве и эксплуатации. Переход на новую привязку мощностей и установочныхразмеров электродвигателей позволил получить большую экономию дефицитныхматериалов. Впоследствии серия была модернизирована, вследствие чего несколькоулучшены виброакустические и некоторые энергетические показатели электрическихдвигателей. Серия получила название 4АМ.
В связи со всевозраставшими требованиями мирового электромашиностроения к асинхроннымдвигателям на замену двум предыдущим сериям 4А и 4АМ в 80-х годах бывшейорганизацией социалистических стран ИНТЕРЭЛЕКТРО была разработанаунифицированная серия асинхронных электродвигателей АИ. Двигатели серии АИотличаются повышенными надежностью и перегрузочной способностью – расширеннымдиапазоном регулирования, улучшенными энергетическими и виброакустическимихарактеристиками.
Распад Советского Союзана суверенные государства привел к тому, что многие заводы электротехническойпромышленности, монопольно выпускавшие отдельные габариты единой серии АИ,оказались за рубежом. Поэтому в НИПТИЭМ разработана новая серия асинхронныхэлектродвигателей 5А (взаимозаменяемых с электродвигателями АИР, 4А) на заменутем габаритам, производство которых осталось за границей России.
При разработке серии 5Аучтены изменившиеся требования к асинхронным электродвигателям для повышенияконкурентоспособности их на мировом рынке. На многих типоразмерах двигателейулучшены энергетические, виброакустические показатели, а так же моментныехарактеристики.
Общая характеристикадвигателей серии АИ и5А
Привязка мощностей иустановочных размеров электрических двигателей серии АИ аналогична привязкесерий 4А, 4AМ и охватывает диапазон 0,06…400 кВт (при частоте вращения 1500оборотов в минуту). Серия состоит из 17 габаритов, характеризуемых значениямиоси вращения от 50 до 355 мм. Двигатели выпускается на частоты вращения 3000,1500, 1000, 750, 600 и 500 оборотов в минуту.
Структура сериипредусматривает следующие группы исполнений:
· основное;
· модификации по характеристикам сповышенным пусковым моментом, электрические двигатели с повышенным скольжением,многоскоростные двигатели, электрические двигатели с фазным ротором,однофазные, малошумные;
· модификации по условиям окружающей среды(для холодного, длятропического климата, электродвигатели для сельскогохозяйства, для работы в пыльных помещениях, для работы в химически активныхсредах);
· модификации электродвигателей поточности установочных размеров (сповышенной точностью, с высокой точностьюустановочных размеров);
· модификации асинхронных двигателей сдополнительнымиустройствами (со встроенной температурной защитой, со встроеннымэлектромагнитным тормозом);
· узкоспециализированные модификации(текстильные, длямоноблокнасосов, двигатели в рудничном нормальном исполнении).
В России двигатели серии 5АМ (модернизированные) производят наВладимирском Электромашиностроительном Заводе. В настоящее время заводвыпускает и двигатели серии 6А. Ведутся разработки серии 7А.
Параллельно в 1992 году на Ярославском Электромашиностроительном Заводешло создание новой серии электрических машин РА. В двигателях используютсясъемные лапы, позволяющие потребителю выбирать наиболее удобное для негорасположение машины. Кроме того, в двигателях используетсягоризонтально-вертикальноеоребрение станин, позволяющее сэкономить до 15%материала станины, улучшая при этом теплоотдачу. Освоение серии РА позволилосократить зависимость России от импорта и развить экспорт асинхронныхдвигателей.
1.1. Основные тенденциив развитии электромашиностроения.
К основным тенденциям можно отнести:
· Применениеутоньшенной корпусной изоляции и обмоточных проводов с малой толщиной изоляции.При этом повышается коэффициент заполнения обмоточного пространства медью исоответственно использование объема машины.
· Использованиеболее нагревостойкой изоляции. В настоящее время наибольшее распространениенаходит изоляция класса F. Вмашинах, работающий в более тяжелых условиях, распространена изоляция класса Н.
· Применение улучшенныхмарок электротехнической стали. Сейчас часто используют холоднокатануюэлектротехническую сталь, обладающую большей магнитной проницаемостью именьшими удельными потерями в сравнении с горячекатаной.
· Усовершенствованиеохлаждения машин, путем повышения производительности вентиляторов, уменьшенияаэродинамического сопротивления воздухопровода, увеличения поверхностиохлаждения, усиления теплопередачи путем лучшего заполнения воздушных прослоекв обмотках пропитывающими лаками и компаундами.
· Усовершенствованиеметодов расчета машин.
· Улучшениеконструкции машин, придание рациональной формы, при обеспечении снижения массыи повышения прочности.
Также сюда можно отнести стремление уменьшить динамический моментинерции, увеличение отношения длины сердечника ротора к его диаметру; повышениенадежности.
2. Расчеты и основные результаты работы
2.1 Техническоезадание
Спроектировать трехфазный асинхронный электродвигатель в соответствии соследующими данными:
номинальная мощность P2=45 кВт;
номинальное линейное напряжение, Δ/Y:380/660 В;
число пар полюсов р=3;
степень защиты: IP44;
исполнение по способу монтажа: IM1001;
исполнение по способу охлаждения: IC141.
2.2 Выбораналога двигателя
По вышеуказанным данным выбираем из каталога Владимирского ЭлектромашиностроительногоЗавода двигатель 5АМ250S6У3.
Технические характеристики двигателя:
номинальная мощность: P2=45 кВт;
номинальное линейное напряжение: 380/660В (Δ/Y);
номинальная частота вращения: nном=985об/мин;
коэффициент полезного действия: η=93%;
коэффициент мощности: cosφ=0.83;
номинальный фазный ток: I1ном= 87.5А;
номинальный момент: Мном=436 Н·м;
кратность пускового момента к номинальному: Мп/Мном=2;
кратность максимально момента к номинальному: Мm/Мном=2;
динамический момент инерции ротора: J=1.2 Н·м2;
масса двигателя: 430 кг.
2.3 Размеры, конфигурация, материалмагнитной цепи двигателя
По таблице 9-2 [1] по заданной высоте оси вращения определяем максимальнодопустимый наружный диаметр сердечника статора:
DH1max=452 мм, припуск на штамповку – Δшт = 8мм; ширина резанойленты стали марки 2411 равна 460мм.
Выбираем наружный диаметр сердечника статора: DH1=440мм.
Внутренний диаметр сердечника статоранаходим по формуле, приведенной втаблице 9-3 [1]:
/>
мм;
Расчетную мощность Р1 по коэффициенту kH=0.97 находим по формуле 1.11[1], cosφпринимаем 0.86:
/>
Для изготовления магнитопроводов статора и ротора выбираем резаную лентустали 2411, толщиной 0.5 мм.
По графикам на рисунке 9-4 [1] определим электромагнитные нагрузки:
А1=358 А/см – линейная нагрузка статора;
Вδ’=0.81 Тл – индукция в зазоре.
Частота вращения ротора при идеальном холостом ходе n=1000 об/мин.
Предварительный коэффициент обмотки статора: kоб1=0.93.
Определим приблизительную длину сердечника статора:
/>
Принимаем длину сердечника равной 175 мм. Найдем отношение длины кдиаметру сердечника и сравним с максимально допустимым:
/>
/>
Полученное отношение меньше предельного, с учетом достаточно большогочисла полюсов – длина сердечника достаточна.
Сердечник статора из стали 2411 с термостойким изоляционным покрытием.Коэффициент заполнения сталью: kc=0.93.
Число пазов на полюс и фазу q1выбираемравным 4.
Количество пазов, таким образом: z1=6·3/4=72, пазы трапецеидальные полузакрытые, обмотка всыпнаяиз круглого провода.
Сердечник ротора из стали 2411 с термостойким изоляционным покрытием.Коэффициент заполнения также 0.93.
Наружный диаметр ротора определяем по формуле, с учетом что зазор вмашине принимаем равным 0.7мм:
/>
Внутренний диаметр листов ротора:
/>
Для улучшения охлаждения машины и уменьшения динамического моментаинерции делаем nk= 10аксиальных каналов в сердечнике ротора, диаметром dk=30мм.
Длина сердечника ротора равна l, длине сердечника статора.
Число зубцов ротора, в соответствии с предложенным рядом, выбираем равнымz2=82.
2.4 Обмоткастатора
Обмотка всыпная изкруглого провода марки ПЭТ-155, класса F, двухслойная, с укороченным шагом, петлевая (схема обмоткифазы в Приложении).
Коэффициент распределенияобмотки:
/>
где α=60°/q1=15°.
Шаг обмотки (коэффициентукорочения β принимаем равным 0.833:
/>
Коэффициент укорочения:
/>
Обмоточный коэффициент(скоса пазов нет, коэффициент скоса равен единице):
/>
Предварительное значениемагнитного потока:
/>
Предварительное числовитков в обмотке фазы:
/>
Число эффективныхпроводников в пазу (число параллельных ветвей в обмотке а=1):
/>
Принимаем Nп=10, тогда число витков в фазе ω=120.
Уточним значениямагнитного потока и индукции в воздушном зазоре:
/>
/>
Предварительное значениеноминального фазного тока:
/>
Уточненная линейнаянагрузка статора:
/>
Разница с ранее принятым />.
Расчет трапецеидальногополузакрытого паза:
/>
Рис.1. Трапецеидальныйполузакрытый паз статора
Зубцовое деление повнутреннему диаметру статора:
/>
Из рекомендуемых значенийиндукции в зубце статора (таблица 9-14 [1]) принимаем индукцию в зубце: Bз1=1.7 Тл.
Определим ширину зубца:
/>
Индукцию в спинке статораопределяем по таблице 9-13 [1]: Вс1=1.45 Тл.
Высота спинки статора:
/>
Высота паза:
/>
Большая ширина паза:
/>
Высота шлица: hш1=0.5 мм; ширина шлица bш1=0.3h1/2=4.5мм.
Меньшая ширина паза:
/>
Высота паза занимаемаяобмоткой:
/>
Размеры hk, h2, h4определяем в соответствии с таблицей9-21[1].
Выполним проверкуправильности определения большей и меньшей ширины паза:
/>
Следует, что расчетгеометрии произведен верно.
Припуск на сборку: bc=0.2 и hc=0.2мм.
Площадь поперечногосечения паза в штампе:
/>
Площадь поперечногосечения паза в свете:
/>
Толщина корпуснойизоляции: bи1=0.4 мм.
Определим площадьпоперечного сечения корпусной изоляции:
/>мм2
Площадь поперечногосечения прокладок между верхней и нижней катушками в пазу на дне паза и подклином:
/>
Площадь поперечногосечения занимаемая обмоткой:
/>
Число элементарныхпроводников в эффективном с=6.
Тогда диаметрэлементарного изолированного провода, при предположении что коэффициентзаполнения паза kn=0.72:
/>
По приложению 1[1]находим ближайший стандартный провод марки ПЭТ-155:
d1=1.585 мм; сечение провода (неизолир.) S=1.767мм2.
Предварительное значениеплотности тока в обмотке:
/>
Коэффициент заполненияпаза:
/>
Определим размерыэлементов обмотки:
Среднее зубцовое делениестатора:
/>
Средняя ширина катушкиобмотки:
/>
Средняя длина однойлобовой части катушки:
/>
Средняя длина виткаобмотки:
/>
Длина вылета лобовойчасти:
/>
2.5 Обмоткакороткозамкнутого ротора
/>
Рис.2. Закрытыйгрушевидный паз
Выбираем по таблице 9-18индукцию в зубце ротора:
B32=1.8 Тл.
Выбираем глубину паза порисунку 9-12 [1]:
hn2=56мм.
Высота спинки ротора:
/>
Индукция в спинке ротора:
/>
Зубцовое деление понаружному диаметру ротора:
/>
Ширина зубца ротора:
/>
Меньший радиус паза:
/>
Высота шлица: hш2=0.7 мм; высота мостика h2=0.3 мм; ширина мостика bш2=1.5мм.
Больший радиус паза:
/>
/>
Проверка правильностиопределения r1и r2:
/>
Сечение стержня:
/>
Обмотка ротора изалюминия марки АКМ12-4. Вместе с обмоткой отливаем короткозамыкающие кольца ивентиляционные лопатки.
/>
Рис.3. Короткозамыкающеекольцо и вентиляционная лопатка ротора.
Поперечное сечениекольца:
/>
Высота кольца:
/>
Длина кольца:
/>
Средний диаметр кольца:
/>
/>
Рис.4. Вентиляционныелопатки ротора
Вылет лобовой частиобмотки ротора по рисунку 9-21 [2]:
lл= 70мм. На роторе 14 лопаток, толщиной 4мм.
2.6 Расчетмагнитной цепи.
МДС для воздушного зазора.
Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушногозазора вследствие зубчатого строения статора:
/>
Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушногозазора вследствие зубчатого строения ротора:
/>
Коэффициент воздушного зазора:
/>
МДС воздушного зазора:
/>
МДС для зубцов при трапецеидальных полузакрытых пазах статора:
B31=1.7 Тл;
Н31=16.3 А/см (для стали 2411);
L31=hп1=32.7мм – средняя длина пути магнитного потока;
/>
МДС для зубцов при грушевидных закрытых пазах ротора:
B32=1.8Тл;
Н32=31.9 А/см;
L32=hп2-0.2r2=56-0.2=55.8мм;
/>
МДС для спинки статора:
Bс1=1.45Тл;
Нс1=5.7 А/см;
/>
/>
МДС для спинки статора:
Bс2=1.03Тл;
Нс2=2.77 А/см;
/>
/>
Параметры магнитной цепи:
СуммарнаяМДС на один полюс:
/>
Коэффициент насыщения магнитной цепи:
/>
Намагничивающий ток:
/>
Намагничивающий ток в относительных единицах:
/>
ЭДС холостого хода:
/>
Главное индуктивное сопротивление:
/>
Главное индуктивное сопротивление в относительных единицах:
/>
2.7 Активные ииндуктивные сопротивления обмоток
Активное сопротивление обмотки фазы при 20°С:
/>
В относительных единицах:
/>
Проверка правильности определения:
/>
Коэффициенты, учитывающие укорочение шага обмотки (по рисунку 14-18[2]):
kβ1=0.7;
k’β1=0.77;
Коэффициент проводимости для пазового рассеяния:
/>
Коэффициент, учитывающий влияние открытия пазов статора на проводимостьдифференциального рассеяния:
/>
Коэффициент, учитывающий демпфирующую реакцию токов, наведенных вобмотке короткозамкнутого ротора высшими гармониками поля статора, по таблице9-22 [1]:
k’p1=0.74
Коэффициент дифференциального рассеяния статора:
kд1=0.0062
Коэффициент проводимости для дифференциального рассеяния:
/>
Полюсное деление:
/>
Коэффициент проводимости рассеяния лобовых частей:
/>
Коэффициент проводимости рассеяния обмотки статора:
/>
Индуктивное сопротивление обмотки фазы статора:
/>
То же в относительных единицах:
/>
Проверка правильности определения:
/>
Сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора с овальными закрытымипазами:
Активное сопротивление стержня клетки при 20°С:
/>
Где 15 См/мкм – удельная проводимость алюминия АКМ12-4.
Коэффициент приведения тока кольца к току стержня:
/>
Активное сопротивление короткозамыкающего кольца:
/>
Коэффициент приведения сопротивления обмотки ротора к обмотке статора:
/>
Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора:
/>
Активное сопротивление обмотки ротора, приведенное к обмотке статора вотносительных единицах:
/>
Ток стержня ротора для рабочего режима:
/>
Коэффициент проводимости рассеяния:
/>
Количество пазов ротора на полюс и фазу:
/>
Из рисунка 9-17 [1]:
Коэффициент дифференциального рассеяния: kд2=0.0045
/>
Коэффициент проводимости рассеяния короткозамыкающих колец:
/>
Коэффициент проводимостирассеяния:
/>
Индуктивное сопротивление обмотки ротора:
/>
Приведенное:
/>
В относительных единицах:
/>
Проверка правильности определения:
x1/x’2=0.7 (находится в рекомендуемых пределах0.7-1.0).
Сопротивления обмоток преобразованной схемы замещения двигателя (свынесенным на зажимы намагничивающим контуром):
Коэффициент рассеяния статора:
/>
Коэффициент сопротивления статора:
/>
Параметры схемы замещения:
/>
/>
/>
/>
ЭДС холостого хода:
/>
Разница с ранее рассчитанным:
/>
2.8 Режимхолостого хода и номинальный
Реактивная составляющая тока статора при синхронном вращении:
/> А
Электрические потери вобмотке статора при синхронном вращении:
/>Вт
Расчетная масса стализубцов статора при трапецеидальных пазах:
/>кг
Магнитные потери в зубцахстатора:
/>Вт
Масса стали спинкистатора:
/>кг
Магнитные потери в спинкестатора:
/>Вт
Суммарные магнитныепотери в сердечнике статора, включающие добавочные потери в стали:
/>Вт
Механические потери:
/>Вт
Активная составляющаятока холостого хода:
/>А
Ток холостого хода:
/>А
Коэффициент мощности прихолостом ходе:
/>
Расчет номинальногорежима производим в соответствии со схемой замещения, представленной на рисунке5.
/>
Рис.5. схема замещенияасинхронного двигателя.
Расчет параметров схемызамещения.
Активное сопротивлениекороткого замыкания:
/>Ом
Индуктивное сопротивлениекороткого замыкания:
/>Ом
Полное сопротивлениекороткого замыкания:
/>Ом
Добавочные потери приноминальной нагрузке:
/>Вт
Механическая мощностьдвигателя:
/>Вт
Эквивалентноесопротивление схемы замещения:
/>Ом
Полное сопротивлениесхемы замещения:
/>Ом
Проверка правильностирасчетов:
/>
/>
Номинальное скольжение:
/>
Активная составляющаятока статора при синхронном вращении:
/>А
Ток ротора:
/>А
Активная составляющаятока статора:
/>А
Реактивная составляющая:
/>А
Фазный ток статора:
/>А
Коэффициент мощности:
/>
Линейная нагрузкастатора:
/>А/см
Плотность тока в обмоткестатора:
/>А/мм2
Линейная нагрузка ротора:
/>А/см
Ток в стержнекороткозамкнутого ротора:
/>А
/>А/мм2
Плотность тока в стержнекороткозамкнутого ротора:
Ток в короткозамыкающемкольце:
/>А
Электрические потери вобмотке статора:
/>Вт
Электрические потери вобмотке ротора:
/>Вт
Суммарные потери вэлектродвигателе (Вт):
/>
Подводимая мощность:
/>Вт
Коэффициент полезногодействия
:
/>%
Проверка.
Подводимая мощность:
/>Вт
Выходная мощность:
/>Вт
При повышении точностирасчета (до 4-6 знаков после запятой) выходная мощность стремится к значению45000Вт.
2.9 Рабочиехарактеристики.
Расчет рабочих характеристик ведем аналитическим путем по формулам изпредыдущего пункта, меняя мощность Р2 в диапазоне от 0 до 58.8 кВт.Полученные графики смотрите в Приложении.
2.10 Максимальныймомент.
Переменная часть коэффициента статора при трапецеидальном полузакрытомпазе:
/>
Составляющая коэффициентапроводимости рассеяния статора, зависящая от насыщения:
/>
Переменная частькоэффициента ротора:
/>
Составляющая коэффициентапроводимости рассеяния ротора, зависящая от насыщения:
/>
Индуктивное сопротивлениерассеяния двигателя, зависящее от насыщения:
/>Ом
Независящее от насыщения(Ом):
/>
Ток ротора,соответствующий максимальному моменту, при закрытых овальных пазах:
/>
Полное сопротивлениесхемы замещения:
/>Ом
/>–
сопротивление прибесконечном скольжении.
Эквивалентноесопротивление схемы замещения при максимальном моменте:
/>Ом
Кратность максимальногомомента:
/>
Критическое скольжение:
/>
2.11 Начальный пусковой момент и пусковыетоки
Рассчитаем параметрысхемы замещения двигателя при пуске, с учетом влияния вытеснения тока инасыщения магнитной цепи.
Высота стержня клетки ротора:
/>
Приведенная высотастержня ротора:
/>
По графику на рисунке9-23 [1] определяем коэффициент />.
Расчетная глубинапроникновения тока в стержень:
/>
Ширина стержня нарасчетной глубине проникновения тока:
/>
Площадь поперечногосечения стержня при расчетной глубине проникновения тока:
/>
Коэффициент вытеснениятока:
/>
Активное сопротивление стержняклетки для пускового режима:
/>
Активное сопротивлениеобмоткиротора приведенное к обмотке статора:
/>
По графику на рисунке9-23 [1] определяем коэффициент />.
Коэффициент проводимостирассеяния паза ротора при пуске:
/>
/>
Коэффициент проводимостирассеяния обмотки ротора при пуске:
/>
Индуктивное сопротивлениерассеяния двигателя, зависящее от насыщения:
/>
Независящее:
/>
Активное сопротивлениекороткого замыкания при пуске:
/>
Рассчитаем пусковой ток имомент.
Ток ротора при пуске:
/>
Полное сопротивлениесхемы замещения при пуске (с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения путейпотоков рассеяния):
/>
Индуктивное сопротивлениесхемы замещения при пуске:
/>
Активная составляющаятока статора при пуске:
/>
/>
Реактивная составляющаятока статора при пуске:
/>
/>
Фазный ток статора припуске:
/>
Кратность начальногопускового тока:
/>
Активное сопротивлениеротора при пуске, приведенное к статору, при расчетной рабочей температуре иГ-образной схеме замещения:
/>
Кратность начальногопускового момента:
/>
2.12 Расчет механической характеристикидвигателя и зависимости пускового тока от скольжения
Расчет механической характеристики в диапазоне скольжений от 0 докритического производим по формуле Клосса. Имея значения максимального ипускового моментов и значение момента при s=0.5, можно достаточно точно построить механическуюхарактеристику в диапазоне скольжений от 0 до 1.
Для того, чтобы определить значение момента при s=0.5 построим круговую диаграмму двигателя для данногоскольжения, учитывая соответствующее уменьшение индуктивных сопротивлений (вотличии от номинального режима) и увеличения сопротивления r211. Построение диаграммы ведем пометоду, изложенному в параграфе 14-12 [2].
Масштаб по току принимаем: СТ=1.5 А/мм;
Тогда масштаб мощности:
/>
Диаметр рабочего круга:
/>
Расстояния GH, GF, GE соответственно:
200·ρ1=2.22мм
100r11/xk=23.5/1.46=16.1 мм
100rкп/xk= 0.58/1.46=39.7мм
Проводим через точкуО и Е, О и А линии механических мощностей иэлектромагнитных моментов, соответственно.
Отношение моментов будет равно отношению КК1/LL1.
Отношение токов: O1K/O1L.
/>
Рис.6. Круговая диаграмма двигателя при s=0.5
Таким образом, кратность моментов равна 1.6.
Кривую тока строим по 4 точкам:
s=0: Ixp/I1=0.36;
s=0.023: I/I1=1.0;
s=0.5: I/I1=4.7 (покруговойдиаграмме);
s=1.0:Ixp/I1=5.3;
Графики механической характеристики двигателя и зависимости тока отскольжения приведены в Приложении.
2.13 Тепловой ивентиляционный расчеты
Проектируемый двигатель имеет изоляцию класса F. Тепловой расчет проводят для наиболее неблагоприятныхусловий работы – температуру обмоток принимаем 140 градусов. Соответственнокоэффициент mT=1.48.
Потери в обмотке статора при максимальной температуре:
/>
Условная внутренняяповерхность охлаждения активной части статора:
/>
Условный периметрпоперечного сечения трапецеидального полузакрытого паза:
/>
Условная поверхностьохлаждения пазов:
/>
Условная поверхностьохлаждения лобовых частей:
/>
Число ребер на станине36, высота ребра 30мм.
Условная поверхность охлаждениядвигателя:
/>
Удельный тепловой потокот потерь в активной части обмотки и от потерь в стали, отнесенных к внутреннейповерхности охлаждения активной части статора:
/>
Удельный тепловой потокот потерь в активной части обмотки, отнесенных к внутренней поверхностиохлаждения пазов:
/>
Удельный тепловой потокот потерь в лобовых частях обмотки, отнесенных к внутренней поверхностиохлаждения пазов:
/>
Окружная скорость ротора:
/>
Превышение температурывнутренней поверхности активной части статора над температурой воздуха внутримашины:
/> (по рисунку 9-24)
Перепад температуры визоляции паза и катушек из круглых проводов:
/>
Превышение температурынаружной поверхности лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутридвигателя:
/>
Перепад температуры визоляции лобовых частей катушек из круглых проводов:
/>
Среднее превышениетемпературы обмотки над температурой воздуха внутри двигателя:
/>
Потери в обмотке ротора,при максимальной допускаемой температуре:
/>
Потери в двигателе состепенью защиты IP44, передаваемыевоздуху внутри двигателя:
/>
Среднее превышениетемпературы воздуха внутри двигателя над температурой наружного воздуха:
/>( по рисунку 9-25).
Среднее превышениетемпературы обмотки над температурой наружного воздуха:
/> .
Вентиляционный расчетдвигателя.
Наружный диаметр корпусамашины:
/>
Коэффициент, учитывающийизменение теплоотдачи по длине корпуса двигателя:
/>
Необходимый расходвоздуха:
/>м3/с
Расход воздуха, которыйможет быть обеспечен наружным вентилятором:
/>м3/с
Напор воздуха,развиваемый наружным вентилятором:
/>Па
2.14 Масса двигателяи динамический момент инерции ротора
Масса изолированных проводов обмотки статора:
/>
Масса алюминия короткозамкнутого ротора с литой клеткой (число лопаток нароторе N=14, ширина лопатки средняя bл=5мм, длина лопатки lл=70мм, высота hл=56мм):
/>
Масса стали сердечников статора и ротора:
/>
Масса изоляции статора:
/>
/>
Масса конструкционныхматериалов:
/>
/>
Масса двигателя:
/>
Динамический моментинерции:
/>
2.15 Расчет надежности обмотки статора
Пусть вероятность наличияхотя бы одного дефекта изоляции провода длиной 100мм после укладки: q1=0.2, коэффициент характеризующий качество пропитки: kпр=0.5, тогда дефектность витковойизоляции до начала эксплуатации электродвигателя:
/>
Вероятность плотногокасания соседних витков:
/>
Количество проводников,находящихся в наружном слое секции:
/>
во внутреннем слое:
/>
/>
Доля пар соседнихэлементарных витков, принадлежащих к одному эффективному:
/>
Общая длина пар соседнихвитков в обмотке:
/>
Количествопоследовательно соединенных секций в фазе:
/>
Среднее значение фазныхкоммутационных перенапряжений:
/>
Среднее квадратичноеотклонение величины коммутационных фазных перенапряжений:
/>
Номинальное фазноенапряжение, приходящееся на секцию:
/>
Вероятность отказавитковой изоляции при воздействии одного импульса перенапряжения и при условии,что на касающихся витках имеются совпадающие дефекты:
/>
Скорость ростадефектности витковой изоляции для класса F:
/>
Вероятность возникновениякороткого замыкания витковой изоляции на длине касающихся витков в течение20000 часов:
/>
Вероятность отказамежвитковой изоляции в течение 20000 часов:
/>
Вероятность безотказнойработы межвитковой изоляции в течение 20000 часов:
/>
Вероятность безотказнойработы обмотки статора за 20000 часов:
/>
ГОСТ 19523-74устанавливает минимальную вероятность безотказной работы в течении 10000 часов0.9. В нашем случае имеем 0.972 при времени работы 20000 часов.
2.16 Механическийрасчет вала и подбор подшипников качения.
/>
Рис.7. Эскиз вала ротора.
Таблица 1 — Участок вала b:d, мм
J, мм4 у, мм
у3, мм3
y3i-y3i-1, мм3
y3i-y3i-1/ J, мм-1
У2, мм2
y2i-y2i-1, мм2
Y2i-y2i-1/ J, мм-2 80
2.01х106 13 2197 2197 0.0011 169 169 0.0001 90
3.22х106 81.1 533411 531214 0.1649 6577 6308 0.002 101.2
5.15х106 250.5 15718937 15182526 2.9494 62750 56173 0.0109
Из таблицы (суммы 6ого и9ого столбцов):
Sb=3.1155
S0=0.013
Таблица 2 — Участок вала a:d, мм
J, мм4 х, мм
х3, мм3
х3i-х3i-1, мм3
х3i-х3i-1/ J, мм-1 80
2.01х106 13 2197 2197 0.0011 90
3.22х106 91.1 756058 753861 0.2341 101.2
5.15х106 260.5 17677595 16921537 3.2866
Сумма 6ого столбца таблицы2:
Sа=3.5218
Размеры участков:
/>
/>
/>
/>
Прогиб вала посерединесердечника под воздействием силы тяжести:
/>
Прогиб:
/>
Номинальный моментдвигателя:
/>
Поперечная сила передачи(муфта МУВП1-75):
/>
Прогиб вала посерединесердечника от поперечной силы передачи:
/>
Начальный расчетныйэксцентриситет:
/>
Сила одностороннего магнитногопритяжения:
/>
Дополнительный прогибвала от силы магнитного притяжения:
/>
Установившийся прогибвала от силы магнитного притяжения:
/>
Результирующий прогибвала:
/> –
составляет менее 10% отзазора.
С учетом влияния силытяжести соединительного устройства первая критическая частота вращения вала:
/> - масса муфты;
/> - сила тяжести муфты.
/>
Значительно превышаетмаксимальную рабочую частоту вращения.
Расчет вала на прочность.
При соединении муфтойрасстояние от середины втулки муфты до первой ступени вала:
/>
Момент кручения:
/>
Изгибающий момент навыходной части вала:
/>
Момент сопротивления приизгибе:
/>
При совместном действииизгиба и кручения приведенное напряжение:
/>
Полученное значение болеечем на порядок отличается от критического (материал вала сталь 45, однако можнопринять менее прочный материал, например сталь 30).
Подбор подшипниковкачения.
По рекомендациям данным впособии «Проектирование серий электрических машин» Гурина Я.С., на выходномконце вала устанавливаем роликовый подшипник, на участке а – шариковый.
Наибольшая радиальнаянагрузка на шариковый подшипник:
/>
Динамическая приведеннаянагрузка:
/>
Необходимая динамическаягрузоподъемность (принимаем расчетный срок службы подшипника 20000 часов):
/>
По приложению 14[2], сучетом повышения надежности, выбираем подшипник №216 со значением С=56000Н.
Аналогично выбираемроликовый подшипник:
Наибольшая радиальнаянагрузка на шариковый подшипник:
/>
Динамическая приведеннаянагрузка:
/>
Необходимая динамическаягрузоподъемность:
/>
По приложению 14[2], сучетом повышения надежности, выбираем подшипник №2216 со значением С=78000Н.
В подшипниковых узлахделаем устройства для замены консистентной смазки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Спроектированныйдвигатель отвечает современным требованиям к асинхронным трехфазнымэлектродвигателям общепромышленного исполнения. Сравнивая энергетическиепараметры спроектированного двигателя с аналогом (5А250S6У3) можно отметить чуть более низкий КПД по сравнению саналогом – 91.8% против 93%, но также следует отметить больший коэффициентмощности – 0.86 против 0.83, таким образом, главный энергетический показатель(произведение КПД на cosφ) спроектированного двигателя 0.79 против 0.77 в аналоге.
К плюсам полученногодвигателя можно отнести кратность пускового тока, равная 5.3, тогда как ваналоге 6.0, однако этот факт уравновешивается более низким пусковым моментом –1.4 против 2.0. Перегрузочная способность двигателя достаточно высока –кратность максимального момента 2.4.
Согласно результатамтеплового расчета, обмотка двигателя используется эффективно, превышениетемпературы обмоток над температурой окружающей среды около 62°С, что полностьюсоответствует рекомендуемому превышению для изоляции класса F.
Двигатель приблизительнона 30 кг легче аналога, имеет меньшую длину. Динамический момент инерции роторана 20% меньше чем в аналоге, что является существенным плюсом для двигателя.Более низкий момент инерции был получен путем применения аксиальных охлаждающийканалов в сердечнике ротора, таким образом улучшили и охлаждение двигателя.
Механический расчет валадвигателя показал, что прогиб вала под серединой сердечника очень мал (менее 2%от зазора).
Двигатель оснащенустройством для замены консистентной смазки подшипников, тем самым увеличиваяего надежность. Расчет надежности обмотки статора показал, что двигательполностью соответствует ГОСТу 19523-74 по вероятности безотказной работы.
Конструкция двигателябыла спроектирована в соответствии с рекомендациями Я.С. Гурина, изложенными впособии «Проектирование серий электрических машин».
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Гольдберг О.Д.Проектирование электрических машин/О.Д. Гольдберг, Я.С.Гурин, И.С. Свириденко.– М.: Высшая школа, 2001. – 430с.
2. Гурин Я.С.Проектирование серий электрических машин. – М.: Энергия, 199/>8.– 480с.
3. Иванов-СмоленскийА.В.Электрические машины. Учебник для ВУЗов. – М.: Высшая школа, 2006. – 930с.
4. Копылов И.П.Проектирование электрических машин. – М.: Высшая школа, 2002. – 757с.