Курсовая работа: Расчет трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором на мощность 45 киловатт

Курсовая работа: Расчет трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором на мощность 45 киловатт

СОДЕРЖАНИЕ

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1.1  Современные серии электрических машин

1.2  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

1.1  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.

1.1.  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.

2.  Расчеты и основные результаты работы

2.1  Техническое задание

Спроектировать трехфазный асинхронный электродвигатель в соответствии со следующими 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  Выбор аналога двигателя

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

Технические характеристики двигателя:

номинальная мощность: P2=45 кВт;

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

номинальная частота вращения: nном=985 об/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, материал магнитной цепи двигателя

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

DH1max=452 мм, припуск на штамповку – Δшт = 8мм; ширина резаной ленты стали марки 2411 равна 460мм.

Выбираем наружный диаметр сердечника статора: DH1=440мм.

Внутренний диаметр сердечника статоранаходим по формуле, приведенной в таблице 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 ленту стали 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 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: kc=0.93.

Число пазов на полюс и фазу q1выбираем равным 4.

Количество пазов, таким образом: z1=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 nk= 10 аксиальных каналов в сердечнике ротора, диаметром dk=30мм.

Длина сердечника ротора равна l, длине сердечника статора.

Число зубцов ротора, в соответствии с предложенным рядом, выбираем равным z2=82.

2.4  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°/q1=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 Nп=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: Bз1=1.7 Тл.

Определим ширину зубца:

Индукцию в спинке статора определяем 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 занимаемая обмоткой:

Размеры hk, h2, h4определяем 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: bc=0.2 и hc=0.2мм.

Площадь поперечного сечения паза в штампе:

Площадь поперечного сечения паза в свете:

Толщина корпусной изоляции: bи1=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 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 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:

2.5  Обмотка короткозамкнутого ротора

Рис.2. Закрытый грушевидный паз

Выбираем по таблице 9-18 индукцию в зубце ротора:

B32=1.8 Тл.

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

hn2=56мм.

Высота спинки ротора:

Индукция в спинке ротора:

Зубцовое деление по наружному 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 правильности определения r1и r2:

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]:

lл= 70мм. На роторе 14 лопаток, толщиной 4мм.

2.6  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:

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 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]):

kβ1=0.7;

k’β1=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]:

Страницы: 1, 2, 3