Асинхронный двигатель (работа 1)

Содержание

Введение……………………………………………………………………………………….. 4

Выполнение и содержание расчетов…………………………………………………….. 6

1.1. Выбор главных размеров…………………………………………………………….. 6

1.2. Определение параметров статора…………………………………………………… 7

1.3. Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора……………………. 9

1.4. Расчет ротора…………………………………………………………………………. 10

1.5. Расчет магнитной цепи………………………………………………………………. 12

1.6. Параметры рабочего режима………………………………………………………… 14

1.7. Расчет потерь…………………………………………………………………………. 17

1.8. Расчет рабочих характеристик………………………………………………………. 19

1.9. Расчет пусковых характеристик…………………………………………………….. 22

1.9.1. С учетом влияния эффекта вытеснения тока………………………………… 22

1.9.2. С учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения от полей

рассеяния……………………………………………………………………….. 24

1.10. Тепловой расчет…………………………………………………………………….. 29

1.11. Вывод………………………………………………………………………………… 31

Специальная часть………………………………………………………………………… 32

2.1. Проводниковые материалы, применяемые в асинхронных двигателях………….. 32

2.2. Обмоточные провода, применяемые в асинхронных двигателях…………………. 34

Список используемой литературы………………………………………………………. 36

Введение.

Электротехническая промышленность – ведущая отрасль народного хозяйства. Продукция электротехнической промышленности используется почти во всех промышленных установках, поэтому качество электротехнических изделий во многом определяет технический уровень продукции других отраслей.

Проектирование электрических машин – это искусство, соединяющее знание процессов электромеханического преобразования энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров-электромехаников, умением применять вычислительную технику и талантом инженера, создающего новую или улучшающего уже выпускаемую машину.

При создании электрической машины рассчитываются размеры статора и ротора, выбираются типы обмоток, обмоточные провода, изоляция, материалы активных и конструктивных частей машины.

При проектирование необходимо учитывать соответствие технико-экономических показателей машин современному мировому уровню при соблюдении требований государственных и отраслевых стандартов. Приходится также учитывать назначение и условия эксплуатации, стоимость активных и конструктивных материалов, КПД, технологию производства, надежность в работе и патентную чистоту. Расчет и конструирование электрических машин неотделимы от технологии их изготовления. Поэтому при проектировании необходимо учитывать возможности электротехнических заводов, стремиться к максимальному снижению трудоемкости изготовления электрических машин.

Проектирование электрической машины сводится к многократному расчету зависимостей между основными показателями, заданных в виде системы формул, эмпирических коэффициентов, графических зависимостей, которые можно рассматривать как уравнения проектирования.

Данный курсовой проект содержит проектирование трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Понятие асинхронной машины связано с тем, что ротор ее имеет частоту вращения, отличающуюся от частоты вращения магнитного поля статора.

Асинхронные двигатели являются основными преобразователями электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода большинства механизмов, используемых во всех отраслях народного хозяйства.

В основу конструкции асинхронного двигателя положено создание системы трехфазного переменного тока. Переменный ток, подаваемый в трехфазную обмотку статора двигателя, формирует в нем вращающееся магнитное поле.

Базовой моделью для проектирования является двигатель серии 4А. В серии 4А за счет применения новых электротехнических материалов и рациональной конструкции мощность двигателей при данных высотах оси вращения повышена на две-три ступени по сравнению с мощностью двигателей серии А2, что дало большую экономию дефицитных материалов. Существенно улучшились виброшумовые характеристики. При проектировании серии большое внимание было уделено повышению надежности машин. Впервые в мировой практике для асинхронных двигателей общего назначения были стандартизированы показатели надежности. Особое внимание при проектировании уделялось экономичности двигателей.

Двигатели серии 4А спроектированы оптимальными для нужд народного хозяйства. Критерием оптимизации была принята суммарная стоимость двигателя в производстве и эксплуатации, которая должна быть минимальной.

Серия охватывает диапазон мощностей от 0,6 до 400 кВт и построена на 17 стандартных высотах оси вращения от 50 до 355 мм. Серия включает основное исполнение двигателей, ряд модификаций и специализированное исполнение. Двигатели основного исполнения предназначены для нормальных условий работы и являются двигателями общего назначения. Это трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, рассчитанные на частоту сети 50 Гц. Они имеют исполнение степени защиты IP44 во всем диапазоне высот оси вращения и IP23 в диапазоне высот осей вращения 160 – 355 мм.

К электрическим модификациям двигателей серии 4А относятся двигатели с повышенным номинальным скольжением, с повышенным пусковым моментом, многоскоростные, с частотой питания 60 Гц и т.п., к конструктивным модификациям – двигатели с фазным ротором, со встроенным электромагнитным тормозом, малошумные, со встроенной температурной защитой и т.п.

Для производства двигателей серии 4А разработана и осуществлена прогрессивная технология. Механическая обработка станин, валов и роторов двигателей производится на автоматических линиях, штамповка листов магнитопровода – на прессах-автоматах. Автоматизирована сборка сердечников статора, механизирована сборка и заливка роторов. Укладка статорной обмотки производится на автоматических станках, а пропитка и сушка обмоток на автоматических струйных или вакуум-нагнетательных установках. Испытание узлов двигателей и двигателей в сборе производится на специальных стендах и автоматических испытательных станциях.

Все это обеспечило высокую производительность труда при высоком качестве изготовления.

По своим энергетическим, пусковым, механическим, виброшумовым, эксплуатационным характеристикам серия 4А удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к асинхронным двигателям, и соответствует современному уровню электромашиностроения.

Выбор главных размеров.

Высота оси вращения (предварительно) по рис. 8.17, а h = 260 мм. Принимаем ближайшее стандартное значение h = 250 мм; Dа = 0.45 м (см. табл. 8.6).

Внутренний диаметр статора D = kD·Da = 0.68 · 0.45 = 0.306 м, kD = 0,68 по табл. 8.7.

Полюсное деление τ = πD/(2p) = π0.306/4 = 0.24 м.

Расчетная мощность по (8.4)

(
kЕ – по рис. 8.20; η и cosφ – см. задание на проектирование).

Электромагнитные нагрузки (предварительно по рис. 8.22,б)

А = 38·10³ А/м; Вδ = 0.78 Тл.

Обмоточный коэффициент (предварительно для двухслойной обмотки) kоб1 = 0.92.

Расчетная длина магнитопровода по (8.6)

[
по (8.5) Ω = 2πf/p = 2π50/2 = 157 рад/с; kв = 1,11 – коэффициент формы поля].

Отношение λ = lδ/τ = 0.23/0.24 = 0.96. Значение λ = 0,96 находится в допустимых пределах (см. рис. 8.25, а).

Определение Z1, w1 и площади поперечного сечения провода обмотки статора.

Предельные значения tz1 (по рис. 8.26): tz1max = 0.018 м; tz1min = 0.015 м.

Число пазов статора по (8.16)

П
ринимаем Z1 = 60, тогда q1 = Z1/(2pm); 60/(4*3) = 5. Обмотка двухслойная.

Зубцовое деление статора (окончательно)

Ч
исло эффективных проводников в пазу (предварительно, при условии а = 1 по (8.17))

Принимаем а = 2, тогда по (8.19) Uп = аUп = 13 проводников.

Окончательные значения:

число витков в фазе по (8.20)

линейная нагрузка по (8.21)

магнитный поток по (8.22)

(для обмотки с q=5 по табл. 3.16 kоб1=kр1=0,957; для Dа=0,45 м по рис. 8.20 kЕ = 0,98);

индукция в воздушном зазоре по (8.23)

Значения А и Вδ находятся в допустимых пределах (см. рис. 8.22, б).

Плотность тока в обмотке статора (предварительно) по (8.25)

(
AJ=188*10³ по рис. 8.27, б).

Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно) по (8.24)

Сечение эффективного проводника (окончательно): принимаем nэл=7, тогда qэл=qэф/nэл=9,4/7=1,344 мм². Принимаем обмоточный провод марки ПЭТМ (см. приложение 3), dэл=1,4 мм, qэл=1,539 мм², qэ.ср=nэлqэл=10,7 мм².

Плотность тока в обмотке статора (окончательно) по (8.27)

Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора.

Паз статора определяем по рис. 8.29,а с соотношением размеров, обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов.

Принимаем предварительно по табл. 8.10 Bz1=1.9 Тл; Ва=1.6 Тл, тогда по (8.37)

(
по табл. 8.11 для оксидированной стали марки 2013 kс=0,97);

по (8.28)

Размеры паза в штампе: bш=3,7 мм; hш=1 мм; β=45˚ (см. рис. 8.29,а);

по (8.38)

п
о (8.40)

п
о (8.39)

п
о (8.42) – (8.45)

Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку:

П
лощадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки по (8.48)

[
площадь поперечного сечения прокладок Sпр=(0,9b1+0,4b2)*10ˉ³=14мм²; площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу

Sиз=bиз(2hп+b1+b2)=0,4(2*34,2+9,7+12,9)=36,4мм², где односторонняя толщина изоляции в пазу bиз=0,4мм – по табл. 3.1].

Коэффициент заполнения паза

П
олученное значение kз допустимо для механизированной укладки обмотки.

Расчет ротора.

Воздушный зазор (по рис.8.31) δ=0,8мм.

Число пазов ротора (по табл. 8.16) Z2=52.

Внешний диаметр ротора D2=D - 2 δ = 0,306 – 2*0,8*10ˉ³=0,304 м.

Длина магнитопровода l2=l1=0.23 м.

Зубцовое деление ротора

tZ2=πD2/Z2=π0.304/52=0.0184м=18,4мм.

Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал; по (8.102)

Dj=DB=kBDa=0.23·0.45=103.5 мм

(kB по табл.8,17).

Т
ок в обмотке ротора по (8.57)

где по (8.58) ki = 0.2+0.8cosφ=0.928

[по (8.66)

(
пазы ротора выполняем без скоса – kск=1)]

Площадь поперечного сечения стержня (предварительно) по (8.68)

qc = I2/J2 = 621.7/(2.5·10³) = 248.7·10ˉ³м² = 248,7мм²

(плотность тока в стержне литой клетки принимаем J2 = 2.5·10³ А/м²).

Паз ротора определяем по рис. 8.40, б. Принимаем bш=1,5 мм; hш=0,7 мм; h’ш=0,3мм.

Допустимая ширина зубца по (8.75)

(
принимаем BZ2 = 1.8 Тл по табл. 8.10).

Размеры паза (см. рис. 8.40)

по (8.76)

У
точняем ширину зубцов ротора по формулам табл. 8,18:

Принимаем b1=9,6 мм; b2=6,7 мм; h1=24 мм.

Полная высота паза

Площадь поперечного сечения стержня по (8.79)

П
лотность тока в стержне

J2 = I2/qc = 621.7/249 = 2.5·10³A/м².

Короткозамыкающие кольца (см. рис. 8,37, б). Площадь поперечного сечения кольца по (8.72)

qкл = Iкл/Jкл = 2580/2,13·10³ = 1211,3мм²

[по (8.70) и (8.71)

Iкл = I2/Δ = 621.7/0.241 = 2580 A,

где

Δ = 2sin[(π·p)/Z2] = 2sin[(π2)/52] = 0.241;

Jкл = 0,85J2 = 0.85·2.5·10³ = 2.13·10³ А/м²].

Размеры размыкающих колец:

hкл = 1.25hп2 = 1,25·33,2 = 41,5 мм;

bкл = qкл/hкл = 1211,3/41,5 = 29,2 мм;

qкл = hкл·bкл = 41,5·29,2 = 1211,8 мм²;

Dк.ср = D2 –hкл = 304 – 41,5 = 262,5 мм.

Расчет магнитной цепи.

Магнитопровод из стали 2013; толщина листов 0,5 мм.

Магнитное напряжение воздушного зазора по (8.103)

М
агнитное напряжение зубцовой зоны статора по (8.104)

Fz1 = 2hz1Hz1 = 2·34.2·10ˉ³·2070=141.6 A,

где hz1 = hп1 = 34.2 мм (см. п. 20 расчета);

расчетная индукция в зубцах по (8.105)

(bz1 = 6.7 мм по п. 19 расчета; kс1 = 0,97 по табл. 8.11). Так как B’z1 > 1,8 Тл, необходимо учесть ответвление потока в паз и найти действительную индукцию в зубце Bz1. Коэффициент kпх по высоте hzx = 0.5hz по (4.33)

п
о (4.32)

П
ринимаем Bz1 = 1,9 Тл, проверяем соотношением Bz1 и B’z1:

1.9 = 1.9 – 1.256·10ˉ³·2070·1.74 = 1.9,

где для Bz1 = 1.9 Тл по табл. П1.7 Hz1 = 2070 A/м.

Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора по (8.108)

Fz2 = 2hz2Hz2 = 2·0.0325·1520 = 98.8 A

[при зубцах по рис. 8.40, б из табл. 8.18 hz2 = hп2 – 0.1b2 = 32.5 мм;

индукция в зубце по (8.109)

п
о табл. П1.7 для Bz2 = 1.8 Тл находим Hz2 = 1520 А/м].

Коэффициент насыщения зубцовой зоны по (8.115)

Магнитное напряжение ярма статора по (8.116)

Fa = LaHa = 0.324·750 = 243 A

[по (8.119)

(
при отсутствии радиальных вентиляционных каналов в статоре h’a = ha = 0.0378 м) для Ва=1,6 Тл по табл. П1.6 находим Ha=750 А/м].

Магнитное напряжение ярма ротора по (8.121)

Fj = LjHj = 0.134·164 = 22 A

[по (8.127)

г
де по (8.124) для четырехполюсных машин при 0,75(0,5D2 – hп2) < Dj

д
ля Bj = 0.94 Тл по табл. П1.6 находим Hj = 164 А/м].

Магнитное напряжение на пару полюсов по (8.128)

Fц = Fδ + Fz1 + Fz2 + Fa + Fj = 1602.4 A.

Коэффициент насыщения магнитной цепи по (8.129)

kμ = Fц/Fδ = 1.46.

Намагничивающий ток по (8.130)

О
тносительное значение по (8.131)

Iμ* = Iμ/Iном = 20/93,3 = 0,22.

Параметры рабочего режима.

Активное сопротивление обмотки статора по (8.132)

(
для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура vрасч = 115 ˚С, для медных проводников ρ115 = 10ˉ³/41 Ом·м).

Длина проводников фазы обмотки по (8.134)

L1 = lср1w1 = 1.202·65 = 78.13 м;

по (8.135) lср1 = 2(lп1 + lл1) = 2(0,23 + 0,371) = 1,202 м; lп1 = l1 =0,23 м; по (8.136) lл1 = Кл·bкт +2В = 1,3·0,27 + 2·0,01 = 0,371 м, где В = 0,01 м; по табл. 8.21 Кл = 1,3;

по (8.138)

Д
лина вылета лобовой части катушки по (8.140)

lвыл = kвыл·bкт + В = 0,4·0,27 + 0,01 = 0,118 м,

где по табл. 8.21 Квыл = 0,4.

Относительное значение

Активное сопротивление фазы обмотки ротора по (8.168)

г
де для литой алюминиевой обмотки ротора ρ115 = 10ˉ³/20,5 Ом·м.

П
риводим r2 к числу витков обмотки статора по (8.172), (8.173):

Относительное значение

И
ндуктивное сопротивление фазы обмотки статора по (8.152)

г
де по табл. 8.24 (см. рис. 8.50, е)

г
де h2 = hп.к – 2bиз = 30,2 - 2·0,4 = 29,4 мм; b1 = 9,7 мм; hк = 0,5(b1 – bш) = 0,5(9,7 – 3,7) = 3 мм; h1 = 0 (проводники закреплены пазовой крышкой); kβ = k’β = 1; l’δ = lδ = 0.23 м по (8.154);

по (8.159)

д
ля βск = 0 и tz2/tz1 = 1.15 по рис. 8.51, д k’ск = 1,1].

Относительное значение

И
ндуктивное сопротивление фазы обмотки ротора по (8.177)

г
де по табл. 8.25 (см. рис. 8.52, а, ж)

г
де (см. рис. 8.52, а, ж)

h0 = h1 + 0.4b2 = 26.68 мм; b1 = 9.6 мм; bш = 1,5 мм; hш = 0,7 мм; h’ш = 0,3 мм; qс = 249 мм²;

по (8.178)

так как при закрытых пазах Δz ≈ 0].

Приводим x2 к числу витков статора по (8.172) и (8.183):

О
тносительное значение

Расчет потерь.

Потери в стали основные по (8.187)

[
p1.0/50 = 2.5 Вт/кг для стали 2013 по табл. 8.26;

по (8.188)

ma = π(Da – ha)halст1kс1υc = π(0.45 - 0.0378)0.0378·0.23·0.97·7.8·10³ = 85.2 кг;

по (8.189)

mz1 = hz1bz1срZ1lст1kс1υc = 0,0342·0,0067·60·0,23·0,97·7,8·10³ = 23,92 кг;

kда = 1,6; kдz = 1.8 (см. §8.10)].

Поверхностные потери в роторе по (8.194)

д
ля bш/δ = 3,7/0,8 = 4,625 по рис. 8.53 β02 = 0,27.

Пульсационные потери в зубцах ротора по (8.200)

Bz2ср = 1,8 Тл из п. 37 расчета; γ1 = 2,22 из п. 35 расчета;

по (8.201)

mz2 = Z2hz2bz2срlст2kc2γc = 52·0.0325·0.0081·0.23·0.97·7800 = 23.82 кг;

hz2 = 32,5 мм из п. 37 расчета; bz2 = 8,1 мм из п. 32 расчета.

Сумма добавочных потерь в стали по (8.202)

Рст.доб = Рпов1 + Рпул1 + Рпов2 + Рпул2 = 56,8 + 160,6 = 217,4 Вт.

Полные потери в стали по (8.203)

Рст = Рст.осн + Рст.доб = 1261 + 217,4 = 1487,4 Вт.

Механические потери по (8.210)

Рмех = Кт(n/10)²D¹a = 0.715(1500/10)²0.45¹ = 660 Вт

(для двигателей с 2р = 4 коэффициент Кт = 1,3(1 – Dа) = 0,715).

Холостой ход двигателя:

по (8.217)

Расчет рабочих характеристик.

Параметры:

по (8.184)

[
используем приближенную формулу, так как |γ| < 1˚:

Активная составляющая тока синхронного холостого хода:

по (8.226)

П
отери, не изменяющиеся при изменении скольжения,

Рст + Рмех = 1478,4 + 660 = 2138,4 Вт.

Рассчитываем рабочие характеристики для скольжений s = 0,005; 0.01; 0.015; 0.02; 0.025; 0.03; 0.035; 0.04. Результаты расчета сведены в табл. 1.

Таблица 1. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Р2ном = 90 кВт; U1 = 380/660 В; 2р = 4; Ioa = 1.2 A; Iop = Iμ = 20 A; Рст + Рмех = 2,1 кВт;

r1 = 0,089 Ом; г’2 = 0,071 Ом; с1 = 1,02; a’ = 1,04; а = 0,091 Ом; b’ = 0; b = 0,8 Ом

№	Расчетная	Размер-			Скольжение s					sном
п/п	Формула	ность	0,005	0,01	0,015	0,02	0,025	0,03	0,035	0,04	0,0135
1	a’г’2/s	Ом	14,77	7,38	4,92	3,69	2,95	2,46	2,11	1,85	5,47
2	R=a+a’г’2/s	Ом	14,86	7,47	5,01	3,78	3,04	2,55	2,2	1,94	5,56
3	X=b+b’г’2/s	Ом	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8	0,8
4	Z=(R²+X²)½	Ом	14,88	7,51	5,07	3,86	3,14	2,67	2,34	2,1	5,62
5	I’’2=U1/Z	А	25,54	50,6	74,95	98,45	121,02	142,32	162,39	180,95	64,62
6	cosφ’2=R/Z	----	0,999	0,995	0,988	0,979	0,968	0,955	0,94	0,924	0,989
7	sinφ’2=X/Z	----	0,054	0,107	0,158	0,207	0,255	0,3	0,342	0,381	0,142
8	I1a=I0a+I’’2cosφ’2	А	26,71	51,55	75,25	97,58	118,35	137,12	153,85	168,4	74,11
9	I1p=I0p+I’’2sinφ’2	А	21,38	25,41	31,84	40,38	50,86	32,7	75,54	88,94	30,19
10	I1=(I²1a+I²1p)½	А	34,21	57,47	81,71	105,6	128,82	150,78	171,39	190,44	80
11	I’2=c1I’’2	А	26,05	51,61	76,45	100,42	123,44	145,17	165,64	184,57	76,45
12	P1=3U1I1a·10ˉ³	кВт	30,45	56,77	85,79	111,24	134,92	156,32	175,39	191,98	85,79
13	Pэ1=3I1²r1·10ˉ³	кВт	0,31	0,88	1,78	2,98	4,43	6,07	7,84	9,68	1,78
14	Pэ2=3I’2²г’2·10ˉ³	кВт	0,145	0,567	1,245	2,148	3,246	4,489	5,844	7,256	1,245
15	Pдоб=0,005P1	кВт	0,152	0,284	0,429	0,556	0,675	0,782	0,877	0,96	0,429
16	ΣP=Pст+Pмех+Pэ1+Pэ2+Pдоб	кВт	2,745	3,869	5,592	7,822	10,489	13,479	16,699	20,034	5,592
17	P2=P1-ΣP	кВт	33,2	60,64	91,382	119,06	145,41	169,8	192,09	212,01	90
18	η=1-ΣP/P1	----	0,91	0,932	0,935	0,93	0,922	0,914	0,905	0,896	0,935
19	cosφ=I1a/I1	----	0,781	0,897	0,921	0,924	0,919	0,909	0,898	0,884	0,916

Рис. 1. Рабочие характеристики спроектированного двигателя с короткозамкнутым ротором

(Р2ном = 90 кВт, 2р = 4, Uном = 380/660 В, I1ном = 80 А, cos φном = 0,916, ηном = 0,935, sном = =0,0135).

Таблица 2. Сравнение рабочих характеристик.

Харак-	Начальные	Данные спроектированного	Отличие, %
теристика	данные	двигателя
sном	0,013			0,0135	3,8
cosφном	0,91			0,916	0,7
η	0,93			0,935	0,5

Расчет пусковых характеристик.

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

Расчет проводится по формулам табл. 8,30 в целях определения токов в пусковых режимах для дальнейшего учета влияния насыщения на пусковые характеристики двигателя. Подробный расчет приведен для s = 1.

Активное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока [vрасч = 115 ˚С, ρ115=10ˉ³/20,5 Ом·м, bc/bп=1, f1=50Гц].

по рис. 8.57 для ξ = 2,05 находим φ = 0,95;

по (8.246)

по (8.253), так как b1/2<hr<h1+b1/2

(
по п. 45 расчета г’c и r2). Приведенное сопротивление ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока

И
ндуктивное сопротивление обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока по рис. 8,58 для ξ=2,05 φ΄=kд=0,72; по табл. 8,25, рис. 8,52, а, ж (см. также п. 47 расчета) и по (8,262)

Пусковые параметры по (8,277) и (8,278)

Расчет токов с учетом влияния эффекта вытеснения тока:

по (8.280) для s = 1

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

Р2ном = 90 кВт, U1 = 380/660 В, 2р = 4, I1ном = 80 А, I’2ном = 76,45 А, х1 = 0,375 Ом, x’2 = =0,401 Ом, r1 = 0,089 Ом, г’2 = 0,071 Ом, х12п = 27,2 Ом, с1п = 1,014, sном = 0,0135.

№ п/п	Расчетная формула	Размер-		Скольжение			sкр
			ность	1	0,8	0,5	0,2	0,1	0,11
1	ξ=63,61hcs½		2,05	1,83	1,45	0,92	0,65	0,68
2	φ(ξ)			0,95	0,68	0,3	0,06	0,02	0,02
3	hr=hc/(1+φ)		мм	16,5	19,17	27,77	30,38	31,57	31,57
4	kr=qc/qr			1,78	1,54	1,11	1	1	1
5	KR=1+(rc/r2)·(kr-1)		1,44	1,31	1,06	1	1	1
6	г'2ξ=KR·r'2		Ом	0,102	0,093	0,075	0,071	0,071	0,071
7	kд=φ'(ξ)			0,72	0,8	0,9	0,96	0,97	0,97
8	λп2ξ=λп2-Δλп2ξ			1,92	2,02	2,14	2,22	2,23	2,23
9	Kx=Σλ2ξ/Σλ2			0,93	0,95	0,97	0,99	0,99	0,99
10	x'2ξ=Kx·x'2		Ом	0,373	0,381	0,389	0,397	0,397	0,397
11	Rп=r1+c1п·(г'2ξ/s)	Ом	0,192	0,207	0,241	0,449	0,809	0,743
12	Xп=x1+c1п·x'2ξ	Ом	0,753	0,761	0,769	0,778	0,778	0,778
13	I'2=U1/(R²п+X²п)½	А	489	481,8	471,5	423	338,6	353,2
14	I1=I'2[R²п+(Xп+x12п)²]½/	A	495,6	488,5	478,2	429,1	343,6	358,4
	/(c1пx12п)

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

Расчет проводим для точек характеристик, соответствующих s = 1; 0,8; 0,5; 0,2; 0,1, при этом используем значения токов и сопротивлений для тех же скольжений с учетом влияния вытеснения тока (см. табл. 3). Данные расчета сведены в табл. 4. Подробный расчет приведен для s = 1.

Индуктивное сопротивление обмоток. Принимаем kнас = 1,4:

по (8,263)

По рис. 8,61 для ВФδ = 5,08 Тл находим κδ = 0,47.

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

по (8.266)

п
о (8,272)

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения по (8.274)

И
ндуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учетом влияния насыщения по (8.275)

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

по (8.271) (см. п. 47 и 58 расчета)

(
для закрытых пазов ротора hш2 = h’ш + hш = 0.7 + 0.3 = 1 мм);

по (8.273)

К
оэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учетом влияния насыщения по (8.274)

П
риведенное индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом влияния насыщения и вытеснения тока по (8.276)

Расчет токов и моментов:

по (8.280)

Кратность пускового тока с учетом влияния насыщения и вытеснения тока

К
ратность пускового момента с учетом влияния насыщения и вытеснения тока по (8.284)

П
олученный в расчете коэффициент насыщения

отличается от принятого kнас = 1,4 на 3,6 %.

Для расчета других точек характеристики задаемся kнас, уменьшенным в зависимости от тока I1 (см. табл. 3);

принимаем при

s = 0.8 kнас = 1,3;

s = 0,5 kнас = 1,2;

s = 0,2 kнас = 1,1;

s = 0.1 kнас = 1.

Критическое скольжение определяем после расчета всех точек пусковых характеристик (табл. 4) по средним значениям сопротивлений х1нас и х’2ξнас, соответствующим скольжениям s = 0,2 ÷ 0,1:

по (8.286)

п
осле чего рассчитываем кратность максимального момента: М*max = 2,4 (см. табл. 4).

Таблица 4. Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния

Р2ном = 90 кВт, U1 = 380/660 В, 2р = 4, I1ном = 80 А, I’2ном = 76,45 А, х1 = 0,375 Ом, x’2 = =0,401 Ом, r1 = 0,089 Ом, г’2 = 0,071 Ом, х12п = 27,2 Ом, с1п = 1,014, sном = 0,0135, СN = =1.021.

№	Расчетная формула	Размер	Скольжение s				sкр
п/п			ность	1	0,8	0,5	0,2	0,1	0,11
1	kнас			1,4	1,3	1,2	1,1	1	1,05
2	Fп.ср=0,7(I1kнасuп/а)	A	6643	6080	5494	4519	3290	4053
	(k'+ky1kоб1Z1/Z2)
3	BФδ=Fп.ср·10ˉ³/1,6δСN	Тл	5,08	4,65	4,2	3,46	2,52	3,1
4	κδ=f(BФδ)			0,47	0,5	0,55	0,65	0,78	0,7
5	сэ1=(tZ1-bш1)(1-κδ)	мм	6,5	6,15	5,54	4,31	2,71	3,69
6	λп1нас=λп1-Δλп1нас			1,41	1,42	1,44	1,49	1,57	1,51
7	λд1нас=κδλд1			0,69	0,74	0,81	0,96	1,15	1,03
8	х1нас=х1Σλ1нас/Σλ1		Ом	0,285	0,289	0,296	0,311	0,332	0,318
9	с1п.нас=1+х1нас/х12п			1,01	1,011	1,011	1,011	1,012	1,012
10	сэ2=(tZ2-bш2)(1-κδ)		мм	8,96	8,45	7,61	5,92	3,72	5,07
11	λп2ξнас=λп2ξ-Δλп2нас			1,35	1,45	1,58	1,69	1,75	1,72
12	λд2нас=κδλд2			0,81	0,86	0,95	1,12	1,34	1,2
13	х’2ξнас=х’2Σλ2ξнас/Σλ2		Ом	0,252	0,265	0,282	0,305	0,328	0,314
14	Rп.нас=r1+c1п.насr’2ξ/s		Ом	0,192	0,207	0,241	0,448	0,808	0,742
15	Xп.нас=х1нас+с1п.насх’2ξнас		Ом	0,54	0,56	0,58	0,62	0,66	0,636
16	I’2нас=U1/(R²п.нас+Х²п.нас)½		А	663	636	605	497	364	389
17	I1нас=I’2нас[R²п.нас+(Хп.нас+x12п)²]½/ /(c1п.насх12п)		А	669,5	642	611,2	502,9	368,6	393,3
18	k’нас=I1нас/I1			1,35	1,31	1,28	1,17	1,07	1,1
19	I1*=I1нас/I1ном			7,2	6,9	6,6	5,4	4	4,2
20	М*=(I’2нас/I’2ном)²КR·sном/s			1,3	1,52	1,75	2,05	2,28	2,4

Рис. 2. Пусковые характеристики спроектированного двигателя с короткозамкнутым ротором

(Р2ном = 90 кВт, Uном = 380/660 В, 2р = 4, Мп*=1,3, Iп*=7,2, Мmax=2,4)

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

Таблица 5. Сравнение пусковых характеристик.

Характе-	Исходные	Данные спроектиро-	Отличие,
ристика	данные	ванного двигателя	%
М*п	1,2		1,3	8,3
М*max	2,3		2,4	4,3

Тепловой расчет.

П
ревышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя по (8.330)

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора по (8.331)

[по (8.332) ПП1=2hпк+b1+b2=83 мм=0,083 м; для изоляции класса нагревостойкости F λэкв=0,16 Вт/м², по рис. 8.72 для d/dиз = 1,4/1,485 = 0,94 находим λ’экв = 1,3 Вт/(м²ºС)].

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей по (8.335)

Превышение температуры н
аружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри двигателя по (8.336)

С
реднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя по (8.337)

Превышение температуры в
оздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды по (8.338)

ΣР
=5592 Вт из табл. 1 для s=sном; по (8.343) sкор=(πDa+8Пр)(l1+2lвыл1)=2,34 м², где по рис. 8.73 Пр=0,45 м для h=250 мм; по рис. 8.70, б αв=28 Вт/м²°С для Da=0,45 м].

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды (8/344)

Δν1=Δν’1+Δνв=67,78˚С.

Проверка условий охлаждения.

Требуемый для охлаждения расход воздуха по (8.336)

Р
асход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором, по (8.358)

Н
агрев частей двигателя находится в допустимых пределах.

Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.

Вывод.

Спроектированный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором на базе двигателя серии 4А (4А250М4У3) удовлетворяет требованиям ГОСТ как по энергетическим показателям, так и по пусковым характеристикам, а также отвечает поставленным в техническом задании требованиям.

Специальная часть.

Проводниковые материалы и обмоточные провода, применяемые в асинхронных двигателях.

Проводниковые материалы.

К проводниковым материалам, применяемым в электромашиностроении, относятся медь и алюминий. Серебро, имеющее удельное сопротивление, на 4% меньшее по сравнению с медью, относится к дефицитным материалам и почти не применяется при изготовлении электрических машин.

Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалам для проводов. На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем CuO, препятствующим дальнейшему окислению меди.

Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси, даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди, делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяются лишь две ее марки (М0 и М1) по ГОСТ 859-66.

Бескислородная медь марки М00 (99,99% Cu), свободная от содержания кислорода и окислов меди, отличающаяся от меди марок М0 и М1 меньшим количеством примесей и существенно более высокой пластичностью, позволяющей ее волочение в тончайшие проволоки. Проводимость ее не отличается от М0 и М1.

Почти все изделия из проводниковой меди изготовляются путем проката, прессования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.

Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ). При холодной обработке давлением прочность меди в результате наклепа увеличивается, а удлинение уменьшается, однако длительные рабочие температуры наклепанной меди ограничены и лежат в пределах до 160 – 200 ˚С. Чем выше степень обжатия (наклепа), тем ниже допустимые рабочие температуры твердой меди.

При температуре термообработки выше 900 ˚С вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются.

Для электротехнических целей из меди изготовляют проволоку, ленту, шины как в мягком (отожженном) состоянии, так и в твердом.

В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07 – 0,15%, а также магнием, кадмием, хромом, цирконием и др. Медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большей мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.

Латунь – сплав меди с цинком, обладает наибольшей пластичностью, из нее изготовляют детали горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку.

Марки Л68 и Л63 вследствие высокой пластичности хорошо штампуются и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоев. Широко применяется для различных токоведущих частей.

Марки ЛС59-1 и ЛМц58-2 применяются для изготовления роторных (беличьих) клеток электродвигателей и для токоведущих деталей.

ЛК80-3Л и ЛС59-1Л широко применяются для литых токоведущих деталей, для щеткодержателей и для заливки роторов асинхронных двигателей.

Еще один сплав меди – бронза, также находит широкое применение. Кадмиевая бронза обладает наивысшей электрической проводимостью, применяется для изготовления коллекторных пластин. Бериллиевая бронза обладает высокими упругими свойствами (до 250 ˚С), из нее изготовляют различные пружинные детали, скользящие контакты. Фосфористая бронза обладает высокой прочностью и хорошими пружинными свойствами.

Литые токоведущие детали изготовляются из различных марок литьевых бронз с проводимостью в пределах 8 – 15 % проводимости чистой меди. Обладают малой усадкой по сравнению с чугуном и сталью и высокие литейные свойства, применяются для отливки токоведущих деталей сложной конфигурации.

Характерными свойствами чистого алюминия является его малый удельный вес, низкая температура плавления, высокая тепловая и электрическая проводимость, высокая пластичность, очень высокая скрытая теплота плавления и прочная, хотя и очень тонкая пленка окиси, защищающая от проникновения кислорода внутрь.

Большая пластичность позволяет применять к алюминию все виды обработки давлением и получать из него листы, прутки, проволоку, трубы, тончайшую фольгу, штампованные детали и др.

Так как плотность алюминия в 3,3 раза ниже, чем у меди, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, то алюминий, на единицу массы имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь.

Для литых роторных обмоток электродвигателей применяется чистый алюминий с электрической проводимостью 32 МОм/м при 20˚С. Алюминиевая провода изготовляются из алюминия марки АЕ. Из литейных сплавов наиболее употребительны АЛ2 и АЛ9.

Для асинхронных двигателей с увеличенным скольжением, с повышенным пусковым моментом, многоскоростных для заливки короткозамкнутых роторов применяют алюминиевые литейные сплавы с повышенным удельным сопротивлением.

Алюминиевые сплавы для заливки роторов асинхронных двигателей.

Марка	Удельная	Средняя	Характеристика литейно-
Сплава	проводи-	линейная	технологических свойств
	мость	усадка, %
	при 20˚С,
	МОм/м
Алюминий	32	1,8	Ограниченные литейные
Чистый			свойства и жидкотекучесть
АК3	25	1,8
АКМ2-1	25	1,8	Чувствительны к образованию
АКМ4-4	19	1,8	горячих трещин. Рекоменду-
			ются для заливки роторов с
			тонкими стержнями
АК10	19	1,3	Высокие литейные свойства и
АКМц0-2	15	1,3	жидкотекучесть до 800˚С.
			Пригодны для любых роторов,
			особенно с тонкими стержнями
АКМ12-4	15	1,3	Равноценен АК10. Из-за
			концентрированной усадки
			нежелательно применять для
			роторов с толстыми стержнями
АМ-7	19	1,3	Невысокие литейные свойства,
			подвержен окислению при
			заливке. Применяется для
			специальных роторов
АКЦ11-12	12	1,3	Высокие литейные свойства.
			Пригоден для заливки любых
			роторов
АКМг1-9	12	1,3	Невысокие литейные свойства,
			в специальных случаях

В целях экономии меди контактные кольца асинхронных машин с фазным ротором выполняются из стали и чугуна. Из стали выполняются и роторы специальных асинхронных двигателей, но двигатели с массивными роторами применяются редко. В этом случае имеет место совмещение магнитных и проводниковых функций материалов.

В последнее время обосновано применение стальных проводов вместо медных в пусковых обмотках однофазных двигателей.

Обмоточные провода.

Медные и алюминиевые обмоточные провода выпускают круглых и прямоугольных сечений. Изоляция проводов определяет принадлежность проводов к тому или иному классу нагревостойкости (температурному индексу – ТИ).

Свойства изоляции проводов определяются электроизоляционными лаками. Эмали и лаки могут иметь синтетическую или масляно-смоляную основу. Более 95% всех эмалированных проводов изготовляется с применением синтетических лаков, так как лаки на масляно-смоляной основе требуют при изготовлении растительные масла.

Для проводов класса нагревостойкости А (ТИ 105) применяются покрытия на основе поливинилацеталевых лаков. Полиуретановые лаки применяются для класса нагревостойкости Е (ТИ 120). Для производства эмалированных проводов классов нагревостойкости B, F и H (ТИ 130, 155 и 180) используются лаки на полиэфирной, полиэфироимидной, полиэфирциануратимидной и полиэфирамидной основах. Эта группа лаков является основной при производстве проводов.

Круглые медные эмалированные провода широко применяют в электромашиностроении. Они имеют небольшую толщину изоляции в 1,5 – 2,5 раза меньшую, чем провода, покрытые эмалью и хлопчатобумажной или шелковой тканью. Это повышает теплопроводность и улучшает коэффициент заполнения паза.

Основными типами высокопрочных эмалированных проводов, применяемых для изготовления обмоток различных электрических машин и аппаратов, являются ПЭВ – 1 и ПЭВ – 2 и провода повышенной нагревостойкости ПЭТВ – 943 и ПЭТВ – 939 на полиэфирных лаках. В несколько меньшем количестве изготовляются эмаль-провода ПЭМ – 1 и ПЭМ – 2 на другом поливинилацеталевом лаке под названием металвин. По электрической и механической прочности, по нагревостойкости и эластичности изоляции эмаль-провода ПЭМ – 1 и ПЭМ – 2 практически равноценны эмаль-проводам ПЭВ – 1 и ПЭВ – 2; по бензолостойкости и водостойкости провода ПЭМ обладают некоторым преимуществом. Провода ПЭЛР – 1 и ПЭЛР – 2 обладают резким снижением сопротивления изоляции в условиях повышенной влажности и температуры. Поэтому эти провода применяются преимущественно для общего электромашиностроения.

Эмалированные провода на полиуретановых лаках ПЭВТЛ – 1 и ПЭВТЛ – 2, которые могут длительно эксплуатироваться при температурах до 120 ˚С, обладают ценной способностью покрываться (лудиться) слоем олова или его сплавов без предварительной зачистки эмали и применения флюсов. Широко применяются в технике слабых токов. Вместе с тем эти провода благодаря термопластичности изоляции весьма чувствительны к перегревам выше 200 ˚С, поэтому их применение в машинах повышенной и средней мощности, где также перегревы возможны, нецелесообразно.

Наиболее нагревостойкими из эмалированных проводов массового производства являются провода ПЭТВ – 943 и ПЭТВ – 939. По свойствам эти провода практически равноценны, причем в соответствии с действующей документацией они в течении 20000 ч могут эксплуатироваться при температуре 130 ˚С.

В ограниченном количестве изготовляются провода ПЭВТЛК с двойной эмалевой изоляцией на основе полиуретановых и полиамидных смол. Эти провода обладают повышенной нагревостойкостью (класс Е) и электрической прочностью.

Медные провода прямоугольного сечения ПЭТВП выпускаются с сечениями 1,4 – 24,3 мм².

Для механизированной намотки электродвигателей единых серий применяются провода марки ПЭТВМ, которые имеют большую толщину изоляции и лучшие механические свойства. Провода ПЭТВМ выпускаются в диапазоне диметров 0,25 – 1,40 мм.

К проводам класса нагревостойкости F (ТИ 155) относятся провода марок ПЭТ – 155, ПЭТП – 155, ПЭТМ.

Для эксплуатации в среде хладона применяются провода ПЭФ – 155, имеющие изоляцию, которая удовлетворяет специальным требованиям работы в двигателях холодильников.

Класс нагревостойкости С (ТИ 180 и выше) имеют медные круглые провода ПЭТ – 200 и медные прямоугольные провода ПЭТП – 200. Прямоугольные провода выпускаются в диапазоне сечений от 1,6 до 11,2 мм². Эти провода имеют высокую механическую прочность, выдерживают тепловые удары при 280 ˚С.

Для длительных рабочих температур 220 – 240 ˚С изготовляются медные провода ПЭТ-имид и медные никелированные марки ПИЭТ-имид, которые имеют диаметры 0,1 – 2,5 мм.

Для специальных применений изготовляются провода эмалированные с двойной изоляцией, провода с гибкой керамической и стеклоэмалевой изоляцией, провода с волокнистой и эмалево-волокнистой изоляцией, провода со стекловолокнистой дельта-асбестовой и стеклянной изоляцией, а также провода с пленочной и пластмассовой изоляцией.

Эмалированные провода с двойной изоляцией ПЭВД и ПЭВДД имеют класс нагревостойкости А (ТИ 105) и выпускаются диаметром 0,06 – 0,45 мм. При нагревании дополнительный слой изоляции расплавляется и склеивает витки катушек без пропитывающих лаков.

Провода ПЭВТР имеют дополнительный термореактивный слой, повышающий допустимые температуры. Провод ПЭВТЛК имеет дополнительное покрытие, повышающее механическую прочность.

Провода с гибкой керамической изоляцией ПЭЖБ допускают длительную работу при 400˚С и в течение 2000 ч при 500˚С.

Для изготовления обмоток с внутренним охлаждением применяются провода ПСДП (полный проводник прямоугольного и квадратного сечений). Класс нагревостойкости F.

Обмоточные провода марки ПЭВВП предназначены для изготовления обмоток, укладываемых в закрытые пазы протяжкой, и применяются для двигателей напряжением 380 В при рабочей температуре до +70˚С.

От правильного выбора обмоточных проводов во многом зависит срок службы электрической машины. Даже если превышение температур при различных сортах провода близки друг к другу, срок службы может отличаться в несколько раз.

Список используемой литературы.

«Проектирование электрических машин». Кн. 1, 2. Под редакцией И. П. Копылова, - М., Энергоатомиздат, 1993 г.

«Электрические машины». И. П. Копылов, - М., Логос, 2000 г.

«Общая электротехника с основами электроники». И. А. Данилов, П. М. Иванов, - М., Высшая школа, 2000 г.

Электротехнический справочник. Т. 1. Под редакцией П. Г. Грудинского и др., - М., Энергия, 1974.

Методические указания к курсовому проекту. М. В. Хиврин, - М., МГГУ, 2002 г.

Асинхронные двигатели серии 4А. Справочник. А. Э. Кравчик, М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболенская, - М., Энергоиздат, 1982 г.