Расчет трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором на мощность 45 киловатт

СОДЕРЖАНИЕ

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

    1. Современные серии электрических машин

    2. Основные тенденции 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 Расчет механической характеристики двигателя и зависимости пускового тока от скольжения

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, 6 полюсов.

Страниц: 48

Иллюстраций: 7

Приложений: 4

Таблиц: 2

Представлены результаты расчета трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором на мощность 45 киловатт, число полюсов равно 6, линейное напряжение 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 из стальной ленты, марка стали – 2411, обмоточный провод ПЭТ-155, обмотка ротора из алюминия марки АКМ12-4, станина литая из чугуна, класс нагревостойкости изоляции F.

Расчеты выполнены с учетом рекомендаций, изложенных в учебных пособиях Гольдберга 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 другая замкнута накоротко или на сопротивление.

Асинхронные двигатели находят широкое применение в хозяйстве. По разным данным, около 70% всей электрической энергии, преобразуемой в механическую вращательного или поступательного движения, потребляется асинхронными электродвигателями.

Широкое применение асинхронных двигателей связано с простотой их конструкции, ее технологичностью и минимальными затратами в эксплуатации, по сравнению с другими видами электрических машин, таких как двигатели постоянного тока, синхронными двигателями и т.д.

Трехфазный асинхронный электродвигатель, традиционного исполнения, выполняющего вращательное движение (конструкция такого двигателя впервые была предложена М.О. Доливо-Добровольским в 1889 году) состоит из двух основных частей: 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 крупных машинах – анизотропной) стали, толщиной (в зависимости от размеров и необходимых параметров машины) от 0,28 до 1мм.

Сердечник ротора двигателя, аналогично сердечнику статора, набирается из листов электротехнической стали. Обмотки роторов бывают короткозамкнутые, из алюминиевого литья, и фазные, которые, аналогично обмотке статора, выполнены из изолированного медного провода, концы обмоток выводятся на контактные кольца, закрепленные на вале ротора, далее, посредством щеточного контакта, к обмотке ротора можно подключить пусковой реостат.

В данном курсовом проекте речь пойдет о трехфазном асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором.

  1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

    1. Современные серии электрических машин

В 70-е годы была разработана и внедрена серия электродвигателей 4А, основным критерием при проектировании которой был принят минимум суммарной стоимости двигателя в производстве и эксплуатации. Переход на новую привязку мощностей и установочных размеров электродвигателей позволил получить большую экономию дефицитных материалов. Впоследствии серия была модернизирована, вследствие чего несколько улучшены виброакустические и некоторые энергетические показатели электрических двигателей. Серия получила название 4АМ.

В связи со все возраставшими требованиями мирового электромашиностроения к асинхронным двигателям на замену двум предыдущим сериям 4А и 4АМ в 80-х годах бывшей организацией социалистических стран ИНТЕРЭЛЕКТРО была разработана унифицированная серия асинхронных электродвигателей АИ. Двигатели серии АИ отличаются повышенными надежностью и перегрузочной способностью – расширенным диапазоном регулирования, улучшенными энергетическими и виброакустическими характеристиками.

Распад Советского Союза на суверенные государства привел к тому, что многие заводы электротехнической промышленности, монопольно выпускавшие отдельные габариты единой серии АИ, оказались за рубежом. Поэтому в НИПТИЭМ разработана новая серия асинхронных электродвигателей 5А (взаимозаменяемых с электродвигателями АИР, 4А) на замену тем габаритам, производство которых осталось за границей России.

При разработке серии 5А учтены изменившиеся требования к асинхронным электродвигателям для повышения конкурентоспособности их на мировом рынке. На многих типоразмерах двигателей улучшены энергетические, виброакустические показатели, а так же моментные характеристики.

Общая характеристика двигателей серии АИ и5А

Привязка мощностей и установочных размеров электрических двигателей серии АИ аналогична привязке серий 4А, 4AМ и охватывает диапазон 0,06…400 кВт (при частоте вращения 1500 оборотов в минуту). Серия состоит из 17 габаритов, характеризуемых значениями оси вращения от 50 до 355 мм. Двигатели выпускается на частоты вращения 3000, 1500, 1000, 750, 600 и 500 оборотов в минуту.

Структура серии предусматривает следующие группы исполнений:

  • основное;

  • модификации по характеристикам с повышенным 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 сельского хозяйства, для работы в пыльных помещениях, для работы в химически активных средах);

  • модификации электродвигателей по точности установочных размеров (сповышенной точностью, с высокой точностью установочных размеров);

  • модификации асинхронных двигателей с дополнительнымиустройствами (со встроенной температурной защитой, со встроенным электромагнитным тормозом);

  • узкоспециализированные модификации (текстильные, длямоноблокнасосов, двигатели в рудничном нормальном исполнении).

В России двигатели серии 5АМ (модернизированные) производят на Владимирском Электромашиностроительном Заводе. В настоящее время завод выпускает и двигатели серии 6А. Ведутся разработки серии 7А.

Параллельно в 1992 году на Ярославском Электромашиностроительном Заводе шло создание новой серии электрических машин РА. В двигателях используются съемные лапы, позволяющие потребителю выбирать наиболее удобное для него расположение машины. Кроме того, в двигателях используется горизонтально-вертикальноеоребрение станин, позволяющее сэкономить до 15% материала станины, улучшая при этом теплоотдачу. Освоение серии РА позволило сократить зависимость России от импорта и развить экспорт асинхронных двигателей.

    1. Основные тенденции в развитии электромашиностроения.

К основным тенденциям можно отнести:

  • Применение утоньшенной корпусной изоляции и обмоточных проводов с малой толщиной изоляции. При этом повышается коэффициент заполнения обмоточного пространства медью и соответственно использование объема машины.

  • Использование более нагревостойкой изоляции. В настоящее время наибольшее распространение находит изоляция класса F. В машинах, работающий в более тяжелых условиях, распространена изоляция класса Н.

  • Применение улучшенных марок электротехнической стали. Сейчас часто используют холоднокатаную электротехническую сталь, обладающую большей магнитной проницаемостью и меньшими удельными потерями в сравнении с горячекатаной.

  • Усовершенствование охлаждения машин, путем повышения производительности вентиляторов, уменьшения аэродинамического сопротивления воздухопровода, увеличения поверхности охлаждения, усиления теплопередачи путем лучшего заполнения воздушных прослоек в обмотках пропитывающими лаками и компаундами.

  • Усовершенствование методов расчета машин.

  • Улучшение конструкции машин, придание рациональной формы, при обеспечении снижения массы и повышения прочности.

Также сюда можно отнести стремление уменьшить динамический момент инерции, увеличение отношения длины сердечника ротора к его диаметру; повышение надежности.

  1. Расчеты и основные результаты работы

    1. Техническое задание

Спроектировать трехфазный асинхронный электродвигатель в соответствии со следующими данными:

номинальная мощность P>2>=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.

    1. Выбор аналога двигателя

По вышеуказанным данным выбираем из каталога Владимирского Электромашиностроительного Завода двигатель 5АМ250S6У3.

Технические характеристики двигателя:

номинальная мощность: P>2>=45 кВт;

номинальное линейное напряжение: 380/660В (Δ/Y);

номинальная частота вращения: n>ном>=985 об/мин;

коэффициент полезного действия: η=93%;

коэффициент мощности: cosφ=0.83;

номинальный фазный ток: I>1ном>= 87.5А;

номинальный момент: М>ном>=436 Н·м;

кратность пускового момента к номинальному: М>п>/М>ном>=2;

кратность максимально момента к номинальному: М>m>/М>ном>=2;

динамический момент инерции ротора: J=1.2 Н·м2;

масса двигателя: 430 кг.

    1. Размеры, конфигурация, материал магнитной цепи двигателя

По таблице 9-2 [1] по заданной высоте оси вращения определяем максимально допустимый наружный диаметр сердечника статора:

D>H>>1>>max>=452 мм, припуск на штамповку – Δ>шт> = 8мм; ширина резаной ленты стали марки 2411 равна 460мм.

Выбираем наружный диаметр сердечника статора: D>H>>1>=440мм.

Внутренний диаметр сердечника статоранаходим по формуле, приведенной в таблице 9-3 [1]:

мм;

Расчетную мощность Р1 по коэффициенту k>H>=0.97 находим по формуле 1.11[1], cosφпринимаем 0.86:

Для изготовления магнитопроводов статора и ротора выбираем резаную ленту стали 2411, толщиной 0.5 мм.

По графикам на рисунке 9-4 [1] определим электромагнитные нагрузки:

А>1>=358 А/см – линейная нагрузка статора;

В>δ>’=0.81 Тл – индукция в зазоре.

Частота вращения ротора при идеальном холостом ходе n=1000 об/мин.

Предварительный коэффициент обмотки статора: k>об1>=0.93.

Определим приблизительную длину сердечника статора:

Принимаем длину сердечника равной 175 мм. Найдем отношение длины к диаметру сердечника и сравним с максимально допустимым:

Полученное отношение меньше предельного, с учетом достаточно большого числа полюсов – длина сердечника достаточна.

Сердечник статора из стали 2411 с термостойким изоляционным покрытием. Коэффициент заполнения сталью: k>c>=0.93.

Число пазов на полюс и фазу q>1>выбираем равным 4.

Количество пазов, таким образом: z>1>=6·3/4=72, пазы трапецеидальные полузакрытые, обмотка всыпная из 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 в машине принимаем равным 0.7мм:

Внутренний диаметр листов ротора:

Для улучшения охлаждения машины и уменьшения динамического момента инерции делаем n>k>= 10 аксиальных каналов в сердечнике ротора, диаметром d>k>=30мм.

Длина сердечника ротора равна l, длине сердечника статора.

Число зубцов ротора, в соответствии с предложенным рядом, выбираем равным z>2>=82.

    1. Обмотка статора

Обмотка всыпная из круглого провода марки ПЭТ-155, класса F, двухслойная, с укороченным шагом, петлевая (схема обмотки фазы в Приложении).

Коэффициент распределения обмотки:

где α=60°/q>1>=15°.

Шаг обмотки (коэффициент укорочения β принимаем равным 0.833:

Коэффициент укорочения:

Обмоточный коэффициент (скоса пазов нет, коэффициент скоса равен единице):

Предварительное значение магнитного потока:

Предварительное число витков в обмотке фазы:

Число эффективных проводников в пазу (число параллельных ветвей в обмотке а=1):

Принимаем N>п>=10, тогда число витков в фазе ω=120.

Уточним значения магнитного потока и индукции в воздушном зазоре:

Предварительное значение номинального фазного тока:

Уточненная линейная нагрузка статора:

Разница с ранее принятым .

Расчет трапецеидального полузакрытого паза:

Рис.1. Трапецеидальный полузакрытый паз статора

Зубцовое деление по внутреннему диаметру статора:

Из рекомендуемых значений индукции в зубце статора (таблица 9-14 [1]) принимаем индукцию в зубце: B>з1>=1.7 Тл.

Определим ширину зубца:

Индукцию в спинке статора определяем по таблице 9-13 [1]: В>с1>=1.45 Тл.

Высота спинки статора:

Высота паза:

Большая ширина паза:

Высота шлица: h>ш1>=0.5 мм; ширина шлица b>ш1>=0.3h1/2=4.5мм.

Меньшая ширина паза:

Высота паза занимаемая обмоткой:

Размеры h>k>, h>2>, h>4>определяем в соответствии с таблицей 9-21[1].

Выполним проверку правильности определения большей и меньшей ширины паза:

Следует, что расчет геометрии произведен верно.

Припуск на сборку: b>c>=0.2 и h>c>=0.2мм.

Площадь поперечного сечения паза в штампе:

Площадь поперечного сечения паза в свете:

Толщина корпусной изоляции: b>и1>=0.4 мм.

Определим площадь поперечного сечения корпусной изоляции:

мм2

Площадь поперечного сечения прокладок между верхней и нижней катушками в пазу на дне паза и под клином:

Площадь поперечного сечения занимаемая обмоткой:

Число элементарных проводников в эффективном с=6.

Тогда диаметр элементарного изолированного провода, при предположении что коэффициент заполнения паза k>n>=0.72:

По приложению 1[1] находим ближайший стандартный провод марки ПЭТ-155:

d>1>=1.585 мм; сечение провода (неизолир.) S=1.767мм2.

Предварительное значение плотности тока в обмотке:

Коэффициент заполнения паза:

Определим размеры элементов обмотки:

Среднее зубцовое деление статора:

Средняя ширина катушки обмотки:

Средняя длина одной лобовой части катушки:

Средняя длина витка обмотки:

Длина вылета лобовой части:

    1. Обмотка короткозамкнутого ротора

Рис.2. Закрытый грушевидный паз

Выбираем по таблице 9-18 индукцию в зубце ротора:

B>32>=1.8 Тл.

Выбираем глубину паза по рисунку 9-12 [1]:

h>n>>2>=56мм.

Высота спинки ротора:

Индукция в спинке ротора:

Зубцовое деление по наружному диаметру ротора:

Ширина зубца ротора:

Меньший радиус паза:

Высота шлица: h>ш2>=0.7 мм; высота мостика h>2>=0.3 мм; ширина мостика b>ш2>=1.5мм.

Больший радиус паза:

Проверка правильности определения r>1>и r>2>:

Сечение стержня:

Обмотка ротора из алюминия марки АКМ12-4. Вместе с обмоткой отливаем короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки.

Рис.3. Короткозамыкающее кольцо и вентиляционная лопатка ротора.

Поперечное сечение кольца:

Высота кольца:

Длина кольца:

Средний диаметр кольца:

Рис.4. Вентиляционные лопатки ротора

Вылет лобовой части обмотки ротора по рисунку 9-21 [2]:

l>л>= 70мм. На роторе 14 лопаток, толщиной 4мм.

    1. Расчет магнитной цепи.

МДС для воздушного зазора.

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения статора:

Коэффициент, учитывающий увеличение магнитного сопротивления воздушного зазора вследствие зубчатого строения ротора:

Коэффициент воздушного зазора:

МДС воздушного зазора:

МДС для зубцов при трапецеидальных полузакрытых пазах статора:

B>31>=1.7 Тл;

Н>31>=16.3 А/см (для стали 2411);

L>31>=h>п1>=32.7мм – средняя длина пути магнитного потока;

МДС для зубцов при грушевидных закрытых пазах ротора:

B>32>=1.8Тл;

Н>32>=31.9 А/см;

L>32>=h>п2>-0.2r>2>=56-0.2=55.8мм;

МДС для спинки статора:

B>с1>=1.45Тл;

Н>с1>=5.7 А/см;

МДС для спинки статора:

B>с2>=1.03Тл;

Н>с2>=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:

    1. Активные и индуктивные 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]):

k>β>>1>=0.7;

k’>β>>1>=0.77;

Коэффициент проводимости для пазового рассеяния:

Коэффициент, учитывающий влияние открытия пазов статора на проводимость дифференциального рассеяния:

Коэффициент , учитывающий демпфирующую реакцию токов, наведенных в обмотке короткозамкнутого ротора высшими гармониками поля статора, по таблице 9-22 [1]:

k’>p>>1>=0.74

Коэффициент дифференциального рассеяния статора:

k>д1>=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 закрытыми пазами:

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 в относительных 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: k>д2>=0.0045

Коэффициент проводимости рассеяния короткозамыкающих колец:

Коэффициент проводимости рассеяния:

Индуктивное сопротивление обмотки ротора:

Приведенное:

В относительных единицах:

Проверка правильности определения:

x>1>/x’>2>=0.7 (находится в рекомендуемых пределах 0.7-1.0).

Сопротивления обмоток преобразованной схемы замещения двигателя (с вынесенным на зажимы намагничивающим контуром):

Коэффициент рассеяния статора:

Коэффициент сопротивления статора:

Параметры схемы замещения:

ЭДС холостого хода:

Разница с ранее рассчитанным:

    1. Режим холостого хода и номинальный

Реактивная составляющая тока статора при синхронном вращении:

А


Электрические потери в обмотке статора при синхронном вращении:

Вт


Расчетная масса стали зубцов статора при трапецеидальных пазах:

кг


Магнитные потери в зубцах статора:

Вт


Масса стали спинки статора:

кг


Магнитные потери в спинке статора:

Вт


Суммарные магнитные потери в сердечнике статора, включающие добавочные потери в стали:

Вт


Механические потери:

Вт


Активная составляющая тока холостого хода:

А


Ток холостого хода:

А


Коэффициент мощности при холостом ходе:


Расчет номинального режима производим в соответствии со схемой замещения, представленной на рисунке 5.

Рис.5. схема замещения асинхронного двигателя.

Расчет параметров схемы замещения.

Активное сопротивление короткого замыкания:

Ом


Индуктивное сопротивление короткого замыкания:

Ом


Полное сопротивление короткого замыкания:

Ом


Добавочные потери при номинальной нагрузке:

Вт


Механическая мощность двигателя:

Вт


Эквивалентное сопротивление схемы замещения:

Ом


Полное сопротивление схемы замещения:

Ом


Проверка правильности расчетов:


Номинальное скольжение:


Активная составляющая тока статора при синхронном вращении:

А


Ток ротора:

А


Активная составляющая тока статора:

А


Реактивная составляющая:

А


Фазный ток статора:

А


Коэффициент мощности:


Линейная нагрузка статора:

А/см


Плотность тока в обмотке статора:

А/мм2


Линейная нагрузка ротора:

А/см


Ток в стержне короткозамкнутого ротора:

А


А/мм2

Плотность тока в стержне короткозамкнутого ротора:

Ток в короткозамыкающем кольце:

А


Электрические потери в обмотке статора:

Вт


Электрические потери в обмотке ротора:

Вт


Суммарные потери в электродвигателе (Вт):


Подводимая мощность:

Вт


Коэффициент полезного действия

:

%


Проверка.

Подводимая мощность:

Вт


Выходная мощность:

Вт


При повышении точности расчета (до 4-6 знаков после запятой) выходная мощность стремится к значению 45000Вт.

    1. Рабочие характеристики.

Расчет рабочих характеристик ведем аналитическим путем по формулам из предыдущего пункта, меняя мощность Р>2> в диапазоне от 0 до 58.8 кВт. Полученные графики смотрите в Приложении.

    1. Максимальный момент.

Переменная часть коэффициента статора при трапецеидальном полузакрытом пазе:


Составляющая коэффициента проводимости рассеяния статора, зависящая от насыщения:


Переменная часть коэффициента ротора:


Составляющая коэффициента проводимости рассеяния ротора, зависящая от насыщения:


Индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, зависящее от насыщения:

Ом

Независящее от насыщения (Ом):


Ток ротора, соответствующий максимальному моменту, при закрытых овальных пазах:

Полное сопротивление схемы замещения:

Ом


–

сопротивление при бесконечном скольжении.

Эквивалентное сопротивление схемы замещения при максимальном моменте:

Ом


Кратность максимального момента:


Критическое скольжение:


    1. Начальный пусковой момент и пусковые токи

Рассчитаем параметры схемы замещения двигателя при пуске, с учетом влияния вытеснения тока и насыщения магнитной цепи.

Высота стержня клетки ротора:

Приведенная высота стержня ротора:

По графику на рисунке 9-23 [1] определяем коэффициент .

Расчетная глубина проникновения тока в стержень:

Ширина стержня на расчетной глубине проникновения тока:

Площадь поперечного сечения стержня при расчетной глубине проникновения тока:

Коэффициент вытеснения тока:

Активное сопротивление стержня клетки для пускового режима:

Активное сопротивление обмоткиротора приведенное к обмотке статора:

По графику на рисунке 9-23 [1] определяем коэффициент .

Коэффициент проводимости рассеяния паза ротора при пуске:

Коэффициент проводимости рассеяния обмотки ротора при пуске:

Индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, зависящее от насыщения:

Независящее:

Активное сопротивление короткого замыкания при пуске:

Рассчитаем пусковой ток и момент.

Ток ротора при пуске:

Полное сопротивление схемы замещения при пуске (с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения путей потоков рассеяния):

Индуктивное сопротивление схемы замещения при пуске:

Активная составляющая тока статора при пуске:

Реактивная составляющая тока статора при пуске:

Фазный ток статора при пуске:

Кратность начального пускового тока:

Активное сопротивление ротора при пуске, приведенное к статору, при расчетной рабочей температуре и Г-образной схеме замещения:

Кратность начального пускового момента:

    1. Расчет механической характеристики двигателя и зависимости пускового тока от скольжения

Расчет механической характеристики в диапазоне скольжений от 0 до критического производим по формуле Клосса. Имея значения максимального и пускового моментов и значение момента при s=0.5, можно достаточно точно построить механическую характеристику в диапазоне скольжений от 0 до 1.

Для того, чтобы определить значение момента при s=0.5 построим круговую диаграмму двигателя для данного скольжения, учитывая соответствующее уменьшение индуктивных сопротивлений (в отличии от номинального режима) и увеличения сопротивления r>211>. Построение диаграммы ведем по методу, изложенному в параграфе 14-12 [2].

Масштаб по току принимаем: С>Т>=1.5 А/мм;

Тогда масштаб мощности:

Диаметр рабочего круга:

Расстояния GH, GF, GE соответственно:

200·ρ1=2.22мм

100r>11>/x>k>=23.5/1.46=16.1 мм

100r>кп>/x>k>= 0.58/1.46=39.7мм

Проводим через точкуО и Е, О и А линии механических мощностей и электромагнитных моментов, соответственно.

Отношение моментов будет равно отношению КК>1>/LL>1>.

Отношение токов: O>1>K/O>1>L.

Рис.6. Круговая диаграмма двигателя при s=0.5

Таким образом, кратность моментов равна 1.6.

Кривую тока строим по 4 точкам:

s=0: I>xp>/I>1>=0.36;

s=0.023: I/I>1>=1.0;

s=0.5: I/I>1>=4.7 (покруговойдиаграмме);

s=1.0: I>xp>/I>1>=5.3;

Графики механической характеристики двигателя и зависимости тока от скольжения приведены в Приложении.

    1. Тепловой и вентиляционный расчеты

Проектируемый двигатель имеет изоляцию класса F. Тепловой расчет проводят для наиболее неблагоприятных условий работы – температуру обмоток принимаем 140 градусов. Соответственно коэффициент m>T>=1.48.

Потери в обмотке статора при максимальной температуре:

Условная внутренняя поверхность охлаждения активной части статора:

Условный периметр поперечного сечения трапецеидального полузакрытого паза:

Условная поверхность охлаждения пазов:

Условная поверхность охлаждения лобовых частей:

Число ребер на станине 36, высота ребра 30мм.

Условная поверхность охлаждения двигателя:

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали, отнесенных к внутренней поверхности охлаждения активной части статора:

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки, отнесенных к внутренней поверхности охлаждения пазов:

Удельный тепловой поток от потерь в лобовых частях обмотки, отнесенных к внутренней поверхности охлаждения пазов:

Окружная скорость ротора:

Превышение температуры внутренней поверхности активной части статора над температурой воздуха внутри машины:

(по рисунку 9-24)

Перепад температуры в изоляции паза и катушек из круглых проводов:

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри двигателя:

Перепад температуры в изоляции лобовых частей катушек из круглых проводов:

Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри двигателя:

Потери в обмотке ротора, при максимальной допускаемой температуре:

Потери в двигателе со степенью защиты IP44, передаваемые воздуху внутри двигателя:

Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой наружного воздуха:

( по рисунку 9-25).

Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного воздуха:

.

Вентиляционный расчет двигателя.

Наружный диаметр корпуса машины:

Коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи по длине корпуса двигателя:


Необходимый расход воздуха:

м3/с


Расход воздуха, который может быть обеспечен наружным вентилятором:

м3/с


Напор воздуха, развиваемый наружным вентилятором:

Па


    1. Масса двигателя и динамический момент инерции ротора

Масса изолированных проводов обмотки статора:

Масса алюминия короткозамкнутого ротора с литой клеткой (число лопаток на роторе N=14, ширина лопатки средняя b>л>=5мм, длина лопатки l>л>=70мм, высота h>л>=56мм):

Масса стали сердечников статора и ротора:

Масса изоляции статора:

Масса конструкционных материалов:

Масса двигателя:

Динамический момент инерции:

    1. Расчет надежности обмотки статора

Пусть вероятность наличия хотя бы одного дефекта изоляции провода длиной 100мм после укладки: q>1>=0.2, коэффициент характеризующий качество пропитки: k>пр>=0.5, тогда дефектность витковой изоляции до начала эксплуатации электродвигателя:

Вероятность плотного касания соседних витков:

Количество проводников, находящихся в наружном слое секции:

во внутреннем слое:

Доля пар соседних элементарных витков, принадлежащих к одному эффективному:

Общая длина пар соседних витков в обмотке:

Количество последовательно соединенных секций в фазе:

Среднее значение фазных коммутационных перенапряжений:

Среднее квадратичное отклонение величины коммутационных фазных перенапряжений:

Номинальное фазное напряжение, приходящееся на секцию:

Вероятность отказа витковой изоляции при воздействии одного импульса перенапряжения и при условии, что на касающихся витках имеются совпадающие дефекты:

Скорость роста дефектности витковой изоляции для класса F:

Вероятность возникновения короткого замыкания витковой изоляции на длине касающихся витков в течение 20000 часов:

Вероятность отказа межвитковой изоляции в течение 20000 часов:

Вероятность безотказной работы межвитковой изоляции в течение 20000 часов:

Вероятность безотказной работы обмотки статора за 20000 часов:

ГОСТ 19523-74 устанавливает минимальную вероятность безотказной работы в течении 10000 часов 0.9. В нашем случае имеем 0.972 при времени работы 20000 часов.

2.16 Механический расчет вала и подбор подшипников качения.

Рис.7. Эскиз вала ротора.

Таблица 1 - Участок вала b:

d, мм

J, мм4

у, мм

у3, мм3

y3>i>-y3>i-1>, мм3

y3>i>-y3>i-1>/ J, мм-1

У2, мм2

y2>i>-y2>i-1>, мм2

Y2>i>-y2>i-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 и 9ого столбцов):

S>b>=3.1155

S>0>=0.013

Таблица 2 - Участок вала a:

d, мм

J, мм4

х, мм

х3, мм3

х3>i>-х3>i-1>, мм3

х3>i>-х3>i-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 таблицы 2:

S>а>=3.5218

Размеры участков:

Прогиб вала посередине сердечника под воздействием силы тяжести:

Прогиб:

Номинальный момент двигателя:

Поперечная сила передачи (муфта МУВП1-75):

Прогиб вала посередине сердечника от поперечной силы передачи:

Начальный расчетный эксцентриситет:

Сила одностороннего магнитного притяжения:

Дополнительный прогиб вала от силы магнитного притяжения:

Установившийся прогиб вала от силы магнитного притяжения:

Результирующий прогиб вала:

–

составляет менее 10% от зазора.

С учетом влияния силы тяжести соединительного устройства первая критическая частота вращения вала:

- масса муфты;

- сила тяжести муфты.

Значительно превышает максимальную рабочую частоту вращения.

Расчет вала на прочность.

При соединении муфтой расстояние от середины втулки муфты до первой ступени вала:

Момент кручения:

Изгибающий момент на выходной части вала:

Момент сопротивления при изгибе:

При совместном действии изгиба и кручения приведенное напряжение:

Полученное значение более чем на порядок отличается от критического (материал вала сталь 45, однако можно принять менее прочный материал, например сталь 30).

Подбор подшипников качения.

По рекомендациям данным в пособии «Проектирование серий электрических машин» Гурина Я.С., на выходном конце вала устанавливаем роликовый подшипник, на участке а – шариковый.

Наибольшая радиальная нагрузка на шариковый подшипник:

Динамическая приведенная нагрузка:

Необходимая динамическая грузоподъемность (принимаем расчетный срок службы подшипника 20000 часов):

По приложению 14[2], с учетом повышения надежности, выбираем подшипник №216 со значением С=56000Н.

Аналогично выбираем роликовый подшипник:

Наибольшая радиальная нагрузка на шариковый подшипник:

Динамическая приведенная нагрузка:

Необходимая динамическая грузоподъемность:

По приложению 14[2], с учетом повышения надежности, выбираем подшипник №2216 со значением С=78000Н.

В подшипниковых узлах делаем устройства для замены консистентной смазки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спроектированный двигатель отвечает современным требованиям к асинхронным трехфазным электродвигателям общепромышленного исполнения. Сравнивая энергетические параметры спроектированного двигателя с аналогом (5А250S6У3) можно отметить чуть более низкий КПД по сравнению с аналогом – 91.8% против 93%, но также следует отметить больший коэффициент мощности – 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 полученного двигателя можно отнести кратность пускового тока, равная 5.3, тогда как в аналоге 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 результатам теплового расчета, обмотка двигателя используется эффективно, превышение температуры обмоток над температурой окружающей среды около 62°С, что полностью соответствует рекомендуемому превышению для изоляции класса F.

Двигатель приблизительно на 30 кг легче аналога, имеет меньшую длину. Динамический момент инерции ротора на 20% меньше чем в аналоге, что является существенным плюсом для двигателя. Более низкий момент инерции был получен путем применения аксиальных охлаждающий каналов в сердечнике ротора, таким образом улучшили и охлаждение двигателя.

Механический расчет вала двигателя показал, что прогиб вала под серединой сердечника очень мал (менее 2% от зазора).

Двигатель оснащен устройством для замены консистентной смазки подшипников, тем самым увеличивая его надежность. Расчет надежности обмотки статора показал, что двигатель полностью соответствует ГОСТу 19523-74 по вероятности безотказной работы.

Конструкция двигателя была спроектирована в соответствии с рекомендациями Я.С. Гурина, изложенными в пособии «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, 1998. – 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.

1