2. Расчёт геометрических размеров сердечника статора, ротора и расчет постоянных
3. Расчёт обмоток статора и ротора
4. Расчёт магнитной цепи
5. Активные и индуктивные сопротивления обмоток статора и ротора
6. Потери в стали, механические и добавочные потери
7. Расчет рабочих характеристик
8. Расчет пускового тока и момента
Список литературы
Введение
Электрические машины в основном объёме любого производства занимают первое место. Они являются самыми массовыми приёмниками электрической энергии и одним из основных источников механической и электрической энергий. Поэтому очень важная роль отведена электрическим машинам в экономике и производстве.
Сделать электрические машины менее энергоёмкими, более дешёвыми с лучшими электрическими и механическими свойствами. Это задача, решаемая постоянно при проектировании машин новых серий. Проектирование электрических машин процесс творческий требующий знания ряда предметов общетехнического цикла, новинок производства в области создания новых конструкционных, изоляционных материалов, требований спроса рынка, условий применения в электроприводе. В настоящее время практикуется создание не индивидуальных машин, а серий электрических машин, на базе которых выполняются различные модификации.
Целью расчета является определение мощности и технических характеристик асинхронного двигателя, рассчитанного на базе вышедшего из строя асинхронного двигателя.
1. Техническое задание для курсовой работы
Спроектировать трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором серии 4А климатического исполнения “У3”. Напряжение обмотки статора U=220/380 В.
Исходные данные для электромагнитного расчета асинхронного двигателя являются:
1. Номинальное фазное напряжение - U1н= 220 B.
2. Схема соединение концов обмотки статора -
3. Частота питающей сети - ѓ1= 50 Гц.
4. Синхронная частота вращения поля статора - n1= 3000об/мин.
5. Степень защиты.
6. Геометрические размеры сердечника.
6.1 Наружный диаметр сердечника статора - Da = 0,52м.
6.2 Внутренний диаметр сердечника статора - D = 0,335м.
6.3 Длина сердечника статора - l1=0,05 + 0,3D.
6.4 Воздушный зазор - д = 0,001м.
6.5 Размеры пазов статора (рис. 1.1) - b11 = 0,0081м.
b12 = 0,011м.
h11 = 0,04м.
bш1 = 0,0045м.
hш1 = 0,001м.
6.6 Размеры пазов ротора (рис. 1.2) - b21 = 0,006м.
b22 = 0,0033м.
h21 = 0,04м.
bш2 = 0,0015м.
hш2 = 0,001м.
7. Число пазов статора - Z1 = 72.
8. Число пазов ротора - Z2 =82.
9. Скос пазов ротора - bск = 0м.
10. Ширина короткозамыкающего кольца - aкл = 0,037м.
11. Высота короткозамыкающего кольца -bкл = 0,042м.
12. Высота оси вращения - h = 280мм.
2.Расчет геометрических размеров сердечников статора, ротора, расчет постоянных
Число пазов на полюс и фазу: q = Z1/ 2p · m1 = 72/ 2 · 2 · 3 = 6, где m1 = 3 - число фаз обмотки статора.
3.Расчет обмоток статора и ротора
Выбор типа обмотки статора:
Однослойные обмотки применяются в асинхронных машинах - малой мощности, двухслойные - в машинах средней и большой мощности - как более технологичные для таких мощностей и обеспечивающие оптимальное укорочение шага. Всвязи с этим в машинах с h > 132мм (где h - высота оси вращения) рекомендуется однослойная обмотка, при 280мм > 132мм - двухслойная.
Коэффициент укорочения шага: в = г/ф , где г - шаг обмотки
Для двухслойной обмотки в = 0,75 ч 0,83.
Отсюда шаг обмотки: г = в · Z1/2p = 0,75 · 72/ 2 · 2 = 14
Обмоточный коэффициент. kоб = kг1 · kp1 = 0,924 · 0,956 = 0,882, где kг1 = sin(в90?) - коэффициент укорочения, kг1 = sin(в · 90?) = sin(0,75 · 90?) = 0,924, kp1 - коэффициент распределения, является функцией q - числа пазов на полюс и фазу и определяется по таблице 1, откуда kp1 = 0,956
Выбор диаметра и сечения элементарного проводника.
Диаметр голого элементарного проводника d должен удовлетворять двум условиям:
d = (0,5 ч 1,0) · h / 100 = 0,64 · 280/ 100 = 1,79мм
где h высота оси вращения, h = 280мм, а d < 1,8мм => 1,79 < 1,8мм
Руководствуясь этими условиями, выбираем диаметр голого провода d по приложению Б, округляя его до ближайшего стандартного значения. По той же таблице находим сечение элементарного проводника qэл и диаметр изолированного провода dиз.
qэл = 2,54мм2; dиз = 1,895мм.
Значение диаметра изолированного провода должно удовлетворять условию: dиз + 1,5 bш1, 1,895 + 1,5 4,5мм.
Число параллельных элементарных проводников в фазе.
nф = qф/ qэл = 22,86/ 2,54 = 9
По таблице 2.2 выбираем число параллельных ветвей обмотки - а. а = 3
Число элементарных проводников в одном эффективном, т.е. число проводников в одной параллельной ветви обмотки. nэл = nф /а = 9/ 3 = 3, при этом должны выполняться условия: nэл < 4, а nэл ; 3 < 4, 3 3
Уточняем значение плотности потока: J1 = I1н/ qф = 91,44/ 22,86 = 4А/мм2, где qф = qэл · nэл · а = 2,54 · 3 · 3 = 22,86мм2
Расчет магнитного поля и индукции.
Основной магнитный поток и линейная нагрузка:
Ф = Вд · D · lд/ p = 0,6 · 0,335 · 0,151/ 2 = 0,015Вб
Плотность тока в кольце.Jкл = Iкл / qкл = 2499,35/ 1554 = 1,61А/мм2
Плотность тока в кольце должна быть в пределах Jкл = (1 ч 4,5) А/мм2
4. Расчет магнитной цепи
Расчет магнитной цепи проводится для определения МДС и намагничивающего тока статора, необходимого для создания в двигателе требуемого магнитного потока. На рисунке 4 представлена расчетная часть магнитной цепи четырехполюсной машины, которая состоит из пяти последовательно соединенных участков: воздушного зазора, зубцовых слоев статора и ротора, спинки статора и ротора. МДС на магнитную цепь, на пару полюсов Fц определяется как сумма магнитных напряжений всех перечисленных участков магнитной цепи.
Рис. 4 - Магнитная цепь асинхронного двигателя.
Fц = Fд + Fz1 + Fz2 + Fa + FJ
Магнитное напряжение воздушного зазора на пару полюсов.
где kд - коэффициент воздушного зазора, учитывающий зубчатость статора и ротора.
kд = kд1 · kд2 = 1,22 · 1,07 = 1,31
Магнитное напряжение зубцового слоя статора.
Fz1 = Hz1 · Lz1 = 584 · 0,082 = 47,89А,
где Hz1 - напряженность магнитного поля в зубцах статора, при трапецеидальных пазах определяется по приложению В для выбранной марки стали и для индукции рассчитанной в п. 3.2.7.
Hz1 = 584А/м
Lz1 = 2 · hz1 = 2 · 0,041 = 0,082м
Магнитное напряжение зубцового слоя ротора.
Fz2 = Hz2 · Lz2 = 360 · 0,082 = 29,52А,
где Hz2 - напряженность магнитного поля в зубцах ротора, определяется по приложению В для выбранной марки стали и для индукции рассчитанной в п. 3.2.7.
Hz2 = 360А/м
Lz2 = 2 · hz2 = 2 · 0,041 = 0,082м
Магнитное напряжение ярма статора.
Fa = Ha · La = 206 · 0,37 = 76,22А,
где Ha - определяется по приложению В для выбранной марки стали и для индукции рассчитанной в п. 3.2.8.
Активное сопротивление обмотки статора, приведенное к рабочей температуре 115єС (для класса изоляции F).
с115,
где с115 = 1/41 (Ом/мм2) - удельное сопротивление меди при 115?.
То же в относительных единицах.
r1* = r1 · I1н/U1н = 0,11 · 91,44/ 220 = 0,05,
где I1н и U1н - номинальные значения фазного тока и напряжения.
Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора зависит от проводимостей: пазового рассеяния, дифференциального рассеяния и рассеяния лобовых частей. Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния при трапецеидальном пазе .
где kв1, k'в1 - коэффициенты, учитывающие укорочение шага обмотки в, определяется по таблице 3.
Индуктивное сопротивление рассеяния фазы обмотки статора.
То же в относительных единицах.
x1* = x1 · I1н/U1н = 0,28 · 91,44/220 = 0,12
Индуктивное сопротивление взаимной индукции основного магнитного потока.
x12 = U1н/Iµ = 220/16.65 = 13,2Ом
Сопротивление обмотки ротора.
Активное сопротивление стержня.
rc = с115 · l2/qc =,
где с115 = 1/20,5(Ом/мм2) удельное сопротивление литой алюминиевой обмотки ротора при 115?. Сопротивление участка кольца между двумя соседними стержнями.
где Dкл.ср - средний диаметр кольца.
Dкл.ср = D2 - bкл = 0,333 - 0,042 = 0,291
Коэффициент приведения тока кольца к току стержня.
? = 2Sin (рp/Z2) = 2Sin (3,14 · 2/82) = 0,153
Сопротивление кольца, приведенное к стержню. rкл.пр = rкл /?2 = 0,00000035/0,1532 = 1,5 · 10-5 Ом
Активное сопротивление обмотки ротора (стержня и двух колец).
Индуктивное приведенное сопротивление обмотки ротора.
То же в относительных единицах.
x'2* = x'2 · I1н/U1н = 0,17 · 91,44/220 = 0,07
6.Потери в стали. Механические и добавочные потери
Потери в стали (магнитные потери) и механические не зависят от нагрузки, поэтому они называются постоянными потерями и могут быть определены до расчета рабочих характеристик. Расчетная масса стали зубцов статора при трапецеидальных пазах.
Магнитные потери в ярме статора. Pa1 = 4,4 · B2a · Ga1 = 4,4 · 0,992 · 89,5 = 385,96Вт
Суммарные магнитные потери в сердечнике статора, включающие добавочные потери встали.
Механические потери.
Вт
Дополнительные потери при номинальной нагрузке определяются по эмпирической формуле.
Pдоп.н = 0,004 · P' = 0,04 · 58539,9 = 2341,6Вт
7.Расчет рабочих характеристик
Под рабочими характеристиками асинхронного двигателя понимаются зависимости:
P1, I1, I'2, cos ц', з, M, n = ѓ(P2),
Где Р1, Р2 - потребляемая и полезная мощности двигателя.
В основу рабочих характеристик положена система уравнений токов и напряжений, полученных из Г- образной схемы замещения асинхронного двигателя с вынесенными на выходные зажимы намагничивающим контуром. Рис. 5.
Рисунок 5 - Г- образная схема замещения и векторная диаграмма.
Коэффициент приведения параметров двигателя к Г- образной схеме замещения.
С1 = 1 + (x1/x12) = 1 + (0,28/13,2) = 1,021
Активное сопротивление обмотки статора, приведенное к Г- образной схеме замещения.
r'1 = C1 · r1 = 1,021 · 0.11 = 0,112Ом
Индуктивное сопротивление короткого замыкания, приведенное к Г- образной схеме замещения.
При пуске в роторе АД имеют место два физических явления, оказывающих большое влияние на активное и индуктивное сопротивления, а следовательно, на пусковой ток и момент:
1) Эффект вытеснения тока в верхнюю часть паза, за счет которого расчетная высота паза и индуктивное сопротивление уменьшается, активное сопротивление увеличивается;
2) Эффект насыщения коронок зубцов потоками рассеяния, обусловленными большими пусковыми токами, за счет этого явления магнитные проводимости и индуктивные сопротивления уменьшаются.
Расчет активных и индуктивных сопротивлений обмотки ротора с учетом эффекта вытеснения тока.
Приведенная высота стержня для литой алюминиевой обмотки ротора при температуре 115?С (класс изоляции F).
о = 63,61 · h21 = 63,61 · 0,040 = 2,54м
где h21 - высота стержня в пазу. Расчетный коэффициент увеличения активного сопротивления стержня ц в функции о. ц = 1,4. Глубина проникновения тока - расчетная высота стержня.
hr = h21 /(1 + ц) = 0,040/(1 + 1,4) = 0,017
Относительное увеличение активного сопротивления стержня.
kr = qc/qr = 96/81,33 = 1,18
где qr - площадь сечения стержня, ограниченная высотой hr.
qc - площадь сечения всего стержня.
Коэффициент общего увеличения активного сопротивления фазы ротора за счет вытеснения тока.
Приведенное активное сопротивление ротора с учетом вытеснения тока.
Расчетный коэффициент уменьшения индуктивного сопротивления стержня ц' в функции о. ц' = 0,6. Расчетный коэффициент уменьшения индуктивного сопротивления фазы ротора за счет вытеснения тока.
kx = лn2о /л2 = 4,14/4,96 = 0,83
где л2о - коэффициент магнитной проводимости рассеяния ротора с учетом вытеснения тока.
л2о = лn2о + лл2 + лg2 = 1,23 + 2,1 + 0,81 = 4,14
л2о = лn2 · ц' = 2,05 · 0,6 = 1,23
Приведенное индуктивное сопротивление ротора с учетом вытеснения тока.
x'2о =kx · x'2 = 0,83 · 0,17 = 0,14Ом
Расчет индуктивного сопротивления обмотки ротора с учетом влияния насыщения магнитопровода полями рассеяния.
Ток ротора, рассчитанный по Г-образной схеме замещения, без учета насыщения при S = 1.
То же с учетом насыщения. I'2нас ? I1нас = I1 · kнас = 458,33 · 1,3 = 595,83А, где kнас - коэффициент насыщения, предварительно выбирается в пределах: kнас = 1,25 ч 1,4. Средняя МДС обмотки, отнесенная к одному пазу статора.
Фиктивная индукция потока рассеяния в воздушном зазоре.
Коэффициент гд, учитывающий отношение потока рассеяния при учете насыщения к потоку рассеяния ненасыщенной машины, по рис.8.