Проектирование трехфазного асинхронного двигателя

Аннотация

В пояснительной записке к курсовому проекту по дисциплине «Электромеханика» представлен электромагнитный, тепловой и вентиляционный расчет шестиполюсного трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором полезной мощности 45 кВт на напряжение сети 380/660 В.

Расчет асинхронного двигателя выполнялся вручную. В результате проектирования двигателя получен вариант проекта, удовлетворяющий требованиям технического задания.

Для спроектированного асинхронного двигателя выполнен механический расчет вала и выбраны подшипники. Определены размеры элементов конструкции двигателя.

Пояснительная записка содержит 75 листа машинописного текста, в том числе 11 рисунков, 5 таблиц и список использованных источников из 3 наименований.

1. Электромагнитный расчет

1.1 Выбор главных размеров

1.2 Определение числа пазов, числа витков в фазе обмотки статора и сечения провода обмотки статора

1.3 Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

1.4 Расчет ротора

1.5 Расчет магнитной цепи

1.6 Параметры рабочего режима

1.7 Расчет потерь

1.8 Расчет рабочих характеристик

1.9 Расчет пусковых характеристик

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

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

2. Тепловой расчет

3. Механический расчет вала

4. Конструирование двигателя Заключение Список использованных источников

Асинхронные двигатели являются основными двигателями в электроприводах практически всех промышленных предприятий. В СССР выпуск асинхронных двигателей превышал 10 млн. штук в год. Наиболее распространены двигатели на номинальное напряжение до 660 В, суммарная установленная мощность которых составляет около 200 млн. кВт.

Двигатели серии 4А выпускались в 80-х годах XX века в массовом количестве и в настоящее время эксплуатируются, практически на всех промышленных предприятиях России. 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 специализированные исполнения. 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 по степени защиты IP44 во всем диапазоне высот оси вращения и IP23 в диапазоне высот осей вращения 160…355 мм.

Модификации и специализированные исполнения двигателей построены на базе основного исполнения и имеют те же принципиальные конструктивные решения основных элементов. Такие двигатели выпускаются отдельными отрезками серии на определенные высоты оси вращения и предназначены для применения в качестве приводов механизмов, предъявляющих специфические требования к двигателю или работающих в условиях, отличных от нормальных по температуре или чистоте окружающей среды.

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

По условиям окружающей среды различают модификации двигателей тропического исполнения, влагоморозостойкого, химостойкого, пылезащищенные и сельскохозяйственные.

Специализированное исполнение имеют лифтовые двигатели, частотно-управляемые, высокоточные.

Большинство двигателей серии 4А имеют степень защиты IP44 и выпущено в конструктивном исполнении, относящемся к группе IM1, т. е. с горизонтальным валом, на лапах, с двумя подшипниковыми щитами. Корпус двигателей выполнен с продольными радиальными ребрами, увеличивающими поверхность охлаждения и улучшающими отвод тепла от двигателя в окружающий воздух. На противоположном от рабочего конце вала укреплен вентилятор, прогоняющий охлаждающий воздух вдоль ребер корпуса. Вентилятор закрыт кожухом с отверстиями для прохода воздуха.

Магнитопровод двигателей — шихтованный из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, причем двигателей с h = 50…250 мм из стали марки 2013, а двигателей с h = 280…355 мм — из стали марки 2312.

Во всех двигателях серии с h < 280 мм и в двигателях с 2p = 10 и 12 всех высот оси вращения обмотка статора выполнена из круглого провода и пазы статора полузакрытые. При h = 280…355 мм, кроме двигателей с 2p = 10 и 12, катушки обмотки статора намотаны прямоугольным проводом, подразделенные и пазы статора полуоткрытые.

Обмотка короткозамкнутого ротора лопатки и кольца — литые из алюминия. Вентиляционные лопатки на кольцах ротора служат для перемещения воздуха, находящегося внутри машины.

Подшипниковые щиты крепят к корпусу с помощью четырех или шести болтов. Коробка выводов расположена сверху станины, что облегчает монтажные работы при соединении двигателя с сетью.

1. Электромагнитный расчет

1.1 Выбор главных размеров

Высота оси вращения двигателя по таблице 9.1 /1/ для 2p = 6 и P = 45 кВт .

Внешний диаметр статора по таблице 9.8 /1/ .

Принимаем = 0,72 по таблице 9.9 /1/ для 2p = 6.

Внутренний диаметр статора D, м:

(1)

где — отношение внутреннего и внешнего диаметра сердечника статора.

Полюсное деление, м:

(2)

где p — число пар полюсов.

Принимаем = 0.975 по рисунку 9.20 /1/, = 0.91 по рисунку 9.21, б /1/ для = 45 кВт, = 0.89 по рисунку 9.21, б /1/ для = 45 кВт.

Расчетная мощность, Вт:

(3)

где — мощность на валу двигателя, Вт;

— отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению;

— коэффициент полезного действия двигателя;

— коэффициент мощности.

Электромагнитные нагрузки предварительно по рисунку 9.22, б /1/ принимаем .

Обмоточный коэффициент предварительно для двухслойной обмотки .

Синхронная угловая частота двигателя, рад/с:

(4)

где — частота питающей сети, Гц.

Коэффициент формы поля :

(5)

Расчетная длина магнитопровода, м:

(6)

где, А — линейная токовая нагрузка, А/м;

— магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл.

Отношение лежит в допустимых пределах согласно рисунку 9.25 /1/.

1.2 Определение числа пазов, числа витков в фазе обмотки статора и сечения провода обмотки статора

По рисунку 9.26 /1/ принимаем .

Число пазов статора:

(7)

где — минимальное значение зубцового деления статора, м;

— максимальное значение зубцового деления статора, м.

Из полученного диапазона значений выбираем число пазов статора .

Число пазов на полюс и фазу q:

(8)

где m — количество фаз.

Зубцовое деление статора окончательно, м:

(9)

Номинальный ток обмотки статора, А:

(10)

где — номинальное напряжение двигателя, В.

Принимаем число параллельных ветвей, а = 3, тогда .

Число эффективных проводников в пазу :

(11)

Число витков в фазе :

(12)

Коэффициент распределения :

(13)

Шаг обмотки статора y:

(14)

Укорочение шага обмотки статора :

(15)

где — укороченный шаг обмотки статора.

Коэффициент укорочения :

(16)

Уточненный обмоточный коэффициент :

(17)

Уточненная линейная нагрузка А, А/м:

(18)

Магнитный поток Ф, Вб:

(19)

Уточненная магнитная индукция в воздушном зазоре, Тл:

(20)

Предварительно по рисунку 9.27, б /1/ для принимаем = = .

Плотность тока в обмотке статора, :

(21)

где — произведение линейной нагрузки на плотность тока, .

Площадь поперечного сечения эффективного проводника предварительно, :

(22)

Принимаем число элементарных проводников .

Площадь поперечного сечения неизолированного провода предварительно :

(23)

Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ: ,

Площадь поперечного сечения эффективного проводника окончательно, :

(24)

Плотность тока в обмотке статора окончательно, :

(25)

Рисунок 1 — Схема соединения обмотки статора

1.3 Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Для статора выбираем трапецеидальные пазы (рисунок 2).

Рисунок 2 — Паз статора спроектированного двигателя

Таблица 1 — Изоляция паза статора

Принимаем предварительно по таблице 9.

12 /1/ для 2p = 6 и .

По таблице 9.13 /1/ для оксидированной стали марки 2013 принимаем. Допустимая ширина зубца статора, м:

(26)

где — длина сердечника статора, м;

— коэффициент заполнения пакета сталью;

— допустимое значение магнитной индукции в зубцах статора, Тл.

Высота ярма статора, м:

(27)

где — допустимое значение магнитной индукции в ярме статора, Тл.

Размеры паза в штампе принимаем .

Высота паза, м:

(28)

Размеры паза статора:

(29)

где — высота шлица, м;

- ширина шлица, м;

(30)

(31)

Уточняем размеры паза:

(32)

(33)

(34)

Принимаем .

По таблице 9.14 /1/ для h = 250 мм принимаем = 0,2 мм и = 0,2 мм.

Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку:

(35)

где — припуск по ширине паза, м.

(36)

где — припуск по высоте, м.

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции, :

(37)

где — толщина изоляции (см. рисунок 2), м.

Площадь поперечного сечения прокладок, :

(38)

Площадь поперечного сечения паза, :

(39)

Коэффициент заполнения паза:

(40)

где — среднее значение диаметра изолированного провода, м.

Полученное значение коэффициента заполнения допустимо для механизированной укладки обмотки.

Воздушный зазор, мм:

асинхронный двигатель ротор вал подшипник

(41)

1.4 Расчет ротора

По таблице 9.18 /1/ для 2p = 6 и выбираем число пазов ротора .

Внешний диаметр ротора, м:

(42)

Зубцовое деление ротора, м:

(43)

По таблице 9.19 /1/ для 2p = 6 и h = 250 мм принимаем .

Внутренний диаметр ротора, м:

(44)

Коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания на отношение :

(45)

Принимаем, так как скос пазов выполняется в двигателях с высотой оси вращения .

Коэффициент приведения токов :

(46)

где — коэффициент скоса.

Ток в обмотке ротора, А:

(47)

Принимаем .

Площадь поперечного сечения стержня предварительно, :

(48)

Для ротора выбираем трапецеидальные закрытые пазы (рисунок 3).

Размеры паза в штампе:

Рисунок 3 — Паз ротора спроектированного двигателя По таблице 9.12 /1/ для 2p = 6 .

Допустимая ширина зубца ротора, м:

(49)

где — допустимое значение магнитной индукции в зубце ротора, Тл; - длина сердечника ротора, м.

Размеры паза:

(50)

где — высота шлица, м;

— высота перемычки над пазом, м.

(51)

(52)

Высота паза, м:

(53)

Уточняем ширину зубцов ротора:

(54)

(55)

Принимаем .

Площадь поперечного сечения стержня, :

(56)

Плотность тока в стержне, :

(57)

Плотность тока в короткозамыкающих кольцах :

(58)

Ток в короткозамыкающих кольцах :

(59)

Площадь поперечного сечения короткозамыкающего кольца :

(60)

Высота короткозамыкающего кольца :

(61)

Ширина короткозамыкающего кольца :

(62)

Площадь поперечного сечения короткозамыкающего кольца :

(63)

Средний диаметр короткозамыкающих колец :

(64)

1.5 Расчет магнитной цепи

Коэффициент воздушного зазора :

(65)

(66)

Магнитное напряжение воздушного зазора :

(67)

где .

Расчетная индукция в зубцах статора :

(68)

По таблице П 1.7 /1/ для 1,75 Тл принимаем .

Магнитное напряжение зубцовой зоны статора :

(69)

где = = (см. пункт 1.3 расчета);

— напряженность поля в зубце статора, А/м.

Расчетная индукция в зубцах ротора :

(70)

По таблице П 1.7 /1/ для 1,87 Тл принимаем .

Расчетная высота зубца :

(71)

Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора :

(72)

Коэффициент насыщения зубцовой зоны :

(73)

Полученное значение коэффициента насыщения зубцовой зоны находится в допустимых пределах.

Индукция в ярме статора :

(74)

По таблице П 1.6 /1/ для = 1,4 Тл принимаем .

Длина средней магнитной силовой линии в ярме статора :

(75)

Магнитное напряжение ярма статора :

(76)

где — напряженность поля в ярме статора, А/м.

Расчетная высота ярма ротора :

(77)

Индукция в ярме ротора :

(78)

По таблице П 1.6 /1/ для = 0,58 Тл принимаем .

Длина средней магнитной силовой линии в ярме ротора :

(79)

Магнитное напряжение ярма ротора :

(80)

где — напряженность поля в ярме ротора, А/м.

Магнитное напряжение на пару полюсов, А:

(81)

Коэффициент насыщения магнитной цепи :

(82)

Намагничивающий ток :

(83)

Относительное значение намагничивающего тока :

(84)

Полученное относительное значение намагничивающего тока находится в допустимых пределах:

1.6 Параметры рабочего режима

Средняя ширина катушки всыпной обмотки статора :

(85)

где — укорочение шага обмотки статора.

Для всыпной обмотки, укладываемой в пазы до запрессовки сердечника в корпус, принимаем B = 0,01 м.

По таблице 9.23 /1/ для 2p = 6 принимаем

Длина лобовой части обмотки статора :

(86)

где — длина вылета прямолинейной части катушки из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части, м.

Вылет лобовой части обмотки статора :

(87)

Средняя длина витка обмотки статора :

(88)

где .

Общая длина проводников фазы обмотки :

(89)

В проводниках обмотки статора эффект вытеснения тока проявляется незначительно из-за малых размеров элементарных проводников. Поэтому принимаем .

По таблице 7.1 /2/ для обмотки статора, выполненной из медных проводников, и расчетной температуры принимаем .

Активное сопротивление обмотки статора :

(90)

где — коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки от действия эффекта вытеснения тока;

— удельное сопротивление материала обмотки при расчетной температуре, ;

— площадь поперечного сечения эффективного проводника, .

Относительное значение активного сопротивления обмотки статора :

(91)

По таблице 7.1 /2/ для короткозамкнутого ротора, выполненного из алюминия, и расчетной температуры принимаем .

Сопротивление участка замыкающего кольца, заключенного между двумя соседними стержнями :

(92)

Сопротивление стержня :

(93)

Активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора :

(94)

Активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора, приведенное к числу витков обмотки статора :

(95)

Относительное значение активного сопротивления фазы алюминиевой обмотки ротора :

(96)

При обмотке с укорочением :

(97)

(98)

Так как пазы статора выполнены без скоса, то .

По рисунку 9.51, д /1/ для и принимаем .

Для выбранной конфигурации пазов статора:

(99)

где — скос пазов, выраженный в долях зубцового деления ротора.

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния :

(100)

Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния :

(101)

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмоток статора :

(102)

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора :

(103)

Относительное значение индуктивного сопротивления фазы обмотки статора :

(104)

При большом числе пазов ротора, приходящихся на пару полюсов, можно принять .

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки короткозамкнутого ротора :

(105)

Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния :

(106)

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния короткозамкнутого ротора :

(107)

Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора :

(108)

Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора, приведенное к числу витков статора :

(109)

Относительное значение индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора :

(110)

1.7 Расчет потерь

Масса стали зубцов статора :

(111)

где — удельная масса стали, .

Масса стали ярма статора :

(112)

По таблице 9.28 /1/ для стали 2013 принимаем .

Для машин мощностью меньше 250 кВт принимают .

Основные потери в стали статора :

(113)

где — удельные потери в стали, Вт/кг.

По рисунку 9.53, б /1/ для принимаем .

Амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре над коронками зубцов ротора :

(114)

Частота вращения двигателя n, об/мин:

(115)

Для двигателей мощностью до 160 кВт принимают .

Удельные поверхностные потери в роторе :

(116)

где — коэффициент, учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов ротора на удельные потери.

Поверхностные потери в роторе :

(117)

Масса стали зубцов ротора :

(118)

Амплитуда пульсаций индукции в среднем сечении зубцов ротора :

(119)

Пульсационные потери в зубцах ротора :

(120)

Сумма добавочных потерь в стали :

(121)

Полные потери встали :

(122)

Для двигателей с :

(123)

Механические потери :

(124)

где — коэффициент трения.

Электрические потери в статоре при холостом ходе :

(125)

Активная составляющая тока холостого хода двигателя :

(126)

Ток холостого хода двигателя :

(127)

Коэффициент мощности при холостом ходе :

(128)

1.8 Расчет рабочих характеристик

Параметры :

(129)

(130)

Комплексный коэффициент :

(131)

Активная составляющая тока синхронного холостого хода :

(132)

Расчетные величины:

(133)

Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения:

Рассчитываем рабочие характеристики для скольжения 0,005; 0,01; 0,015; 0,02. Результаты расчета сведены в таблицу 2.

Таблица 2 — Рабочие характеристики двигателя

1 — полный ток статора; 2 — коэффициент мощности ;

3 — коэффициент полезного действия; 4 — скольжение s.

Рисунок 4 — Рабочие характеристики спроектированного двигателя В соответствии с рисунком 4 номинальное скольжение двигателя .

Произведем расчет рабочих характеристик двигателя при номинальном скольжении.

Активная составляющая комплексного сопротивления правой ветви схемы замещения :

(134)

Индуктивная составляющая комплексного сопротивления правой ветви схемы замещения :

(135)

Полное комплексное сопротивление правой ветви схемы замещения :

(136)

Далее находим:

(137)

(138)

(139)

Активная составляющая тока статора :

(140)

Реактивная составляющая тока статора :

(141)

Полный ток статора :

(142)

Приведенный ток ротора :

(143)

Потребляемая мощность, кВт:

(144)

Электрические потери в обмотке статора, кВт:

(145)

Электрические потери в обмотке ротора, кВт:

(146)

Добавочные потери, кВт:

(147)

Суммарные потери мощности в двигателе:

(148)

Мощность на валу двигателя, кВт:

(149)

Коэффициент полезного действия двигателя :

(150)

Коэффициент мощности двигателя :

(151)

1.9 Расчет пусковых характеристик

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

Высота стержня в пазу ротора :

(152)

Приведенная высота стержня :

(153)

По рисунку 9.57 /1/ для принимаем .

Глубина проникновения тока в стержень :

(154)

Ширина паза ротора на расчетной глубине проникновения тока в стержень :

(155)

Площадь поперечного сечения стержня на расчетной глубине проникновения тока :

(156)

Коэффициент увеличения сопротивления стержня :

(157)

Коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки ротора в результате эффекта вытеснения тока :

(158)

Приведенное сопротивление ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока, Ом:

(159)

Рисунок 5 — Зависимость коэффициента кратности тока от скольжения

По рисунку 5 для s = 1 принимаем .

По рисунку 9.58 /1/ для принимаем .

Уменьшение коэффициента магнитной проводимости пазового рассеяния :

(160)

где — коэффициент демпфирования;

— приведенный ток ротора при номинальном скольжении, А.

Коэффициент изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока :

(161)

Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом вытеснения тока :

(162)

Индуктивное сопротивление взаимной индукции в момент пуска :

(163)

Комплексный коэффициент при пуске :

(164)

Активное сопротивление правой ветви Г — образной схемы замещения в пусковом режиме :

(165)

Индуктивное сопротивление правой ветви Г — образной схемы замещения в пусковом режиме :

(166)

Ток в обмотке ротора :

(167)

Ток в обмотке статора :

(168)

Результаты расчета для скольжения s = 0,8; 0,5; 0,2; 0,1 сводим в таблицу 3.

Таблица 3 — Расчет токов в пусковом режиме двигателя с учетом влияния эффекта вытеснения тока

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

Рисунок 6 — Зависимость коэффициента насыщения от скольжения По рисунку 6 для s = 1 принимаем .

Средняя МДС обмотки, отнесенная к одному пазу обмотки статора:

(169)

где — ток в обмотке статора при пуске для скольжения s = 1, А.

Коэффициент :

(170)

Фиктивная индукция потока рассеяния в воздушном зазоре :

(171)

По рисунку 9.61 /1/ для принимаем .

Дополнительное эквивалентное раскрытие пазов статора :

(172)

Уменьшение коэффициента магнитной проводимости рассеяния под влиянием насыщения :

(173)

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

(174)

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

(175)

где — коэффициент, характеризующий отношение потока рассеяния при насыщении к потоку рассеяния ненасыщенной машины.

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учетом влияния насыщения:

(176)

Уменьшение коэффициента магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора под влиянием насыщения :

(177)

где — приведенный ток ротора, А.

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

(178)

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки ротора с учетом влияния насыщения :

(179)

Приведенное индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения :

(180)

Комплексный коэффициент с учетом насыщения :

(181)

Активное сопротивление правой ветви Г — образной схемы замещения с учетом насыщения :

(182)

Индуктивное сопротивление правой ветви Г — образной схемы замещения с учетом насыщения :

(183)

Ток в обмотке ротора с учетом насыщения :

(184)

Ток в обмотке статора с учетом насыщения :

(185)

Кратность пускового тока с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения :

(186)

где — ток статора при номинальном скольжении, А.

Кратность пускового момента с учетом влияния эффекта вытеснения тока и насыщения :

(187)

где — приведенный ток ротора при номинальном скольжении, А.

Полученный в расчете коэффициент насыщения :

(188)

Полученный коэффициент насыщения отличается от принятого менее чем на 1%.

Для расчета других точек характеристики задаемся по рисунку 6 коэффициентом насыщения, уменьшенным в зависимости от скольжения s.

Данные расчета сведены в таблицу 4, а пусковые характеристики представлены на рисунке 7.

Критическое скольжение определяем по средним значениям величин, соответствующим скольжениям s = 0,2…0,1:

(189)

Таблица 4 — Расчет пусковых характеристик спроектированного двигателя с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния.

1 — кратность пускового момента; 2 — кратность пускового тока .

Рисунок 7 — Пусковые характеристики спроектированного двигателя Спроектированный асинхронный двигатель удовлетворяет требованиям ГОСТ как по энергетическим показателям (КПД и), так и по пусковым характеристикам.

2 Тепловой расчет

Для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости F принимаем .

Электрические потери в пазовой части обмотки статора :

(190)

где — коэффициент увеличения потерь;

— электрические потери в обмотке статора при номинальном скольжении, Вт.

По таблице 9.35 /1/ для 2p = 6 принимаем К = 0,19. По рисунку 9.67, б /1/ для принимаем .

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя :

(191)

где — коэффициент, учитывающий, что часть потерь в сердечнике статора и в пазовой части обмотки передается через станину непосредственно в окружающую среду;

— коэффициент теплоотдачи с поверхности, .

Расчетный периметр поперечного сечения паза статора, м:

(192)

Для изоляции класса нагревостойкости F принимаем. По рисунку 9.69 /1/ для принимаем .

Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора :

(193)

где — средняя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции, ;

— среднее значение коэффициента теплопроводности внутренней изоляции катушки всыпной обмотки из эмалированных проводников с учетом неплотности прилегания проводников друг к другу, .

Электрические потери в лобовых частях катушек обмотки статора :

(194)

Периметр условной поверхности охлаждения лобовой части одной катушки принимается. По таблице 3.9 /1/ для класса нагревостойкости изоляции F принимаем .

Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей :

(195)

где — односторонняя толщина изоляции лобовой части одной катушки, м.

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

(196)

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя :

(197)

По рисунку 9.70 /1/ для h = 250 мм принимаем. По рисунку 9.67, б /1/ для принимаем .

Эквивалентная поверхность охлаждения корпуса, :

(198)

где — условный периметр поперечного сечения ребер корпуса двигателя, м.

Сумма потерь в двигателе :

(199)

Сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя, Вт:

(200)

Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды, :

(201)

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды :

(202)

Для двигателей с и принимается .

Коэффициент, учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса, обдуваемого наружным вентилятором :

(203)

Требуемый для охлаждения расход воздуха :

(204)

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором :

(205)

Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах. Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха.

3. Механический расчет вала

Масса ротора :

(206)

Сила тяжести ротора :

(207)

Номинальная частота вращения двигателя :

(208)

Номинальный вращающий момент :

(209)

При передаче упругой муфтой принимается .

Поперечная сила :

(210)

где — радиус по центрам пальцев муфты, м.

Рисунок 8 — Эскиз вала спроектированного двигателя Со стороны выступающего конца вала устанавливаем роликоподшипник средней серии № 2316:

С другой стороны устанавливаем шарикоподшипник средней серии № 316: .

Для соединения электрической машины с исполнительным механизмом выбираем муфту МУВП1 — 65: D₁ = = 170 мм.

Размеры вала:

(211)

(212)

Таблица 5 — Параметры участков вала По данным таблицы 5 находим:

(213)

(214)

Прогиб вала посередине магнитопровода :

(215)

где — модуль упругости, Па.

Прогиб вала от поперечной силы муфты :

(216)

Первоначальное смещение ротора :

(217)

Начальная сила одностороннего магнитного притяжения :

(218)

Прогиб от силы :

(219)

Установившийся прогиб вала от одностороннего магнитного притяжения :

(220)

Результирующий прогиб вала :

(221)

Критическая частота вращения :

(222)

Коэффициент перегрузки принимаем .

Изгибающий момент в сечении, А :

(223)

Момент сопротивления при изгибе в сечении, А :

(224)

Для нереверсивных машин .

Предельное напряжение в сечении, А :

(225)

Изгибающий момент в сечении Б :

(226)

Момент сопротивления при изгибе в сечении Б :

(227)

Предельное напряжение в сечении Б :

(228)

Изгибающий момент в сечении В :

(229)

Момент сопротивления при изгибе в сечении В :

(230)

Предельное напряжение в сечении В :

(231)

Из сопоставления полученных данных следует, что наиболее нагруженным является сечение А, для которого:

Таким образом, вал удовлетворяет всем требованиям механических расчетов.

4. Конструирование двигателя

Магнитопровод статора выполняется из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. С целью снижения распущения зубцов вблизи торцов крайние листы пакета статора выполняют из более толстой стали, или попарно соединяют точечной сваркой. Сердечники статора скрепляют П-образными стальными скобами. Скобы укладывают в специальные канавки, выполненные по внешней поверхности магнитопровода, концы скоб загибают. Канавки имеют форму ласточкиного хвоста. После укладки в пазы и пропитки обмотки лаком магнитопровод запрессовывают в станину и закрепляют стопорными винтами.

Листы короткозамкнутых роторов набирают на оправку. Набранный на оправку и опрессованный магнитопровод ротора поступает на заливку алюминием. Магнитопровод с короткозамкнутой обмоткой снимают с оправки и напрессовывают на вал. Короткозамкнутые обмотку ротора выполняют заливкой спрессованного сердечника алюминием марки А5. Одновременно со стержнями и замыкающими кольцами отливаются вентиляционные лопатки (Рисунок 9). Число лопаток .

Рисунок 9 — Короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки ротора

Для балансировки ротора на короткозамыкающих кольцах между вентиляционными лопатками выполняют штыри диаметром 5−10 мм, на которые навешиваются балансировочные грузики в виде стальных шайб. Концы штырей расклёпывают.

Станина выполняется из чугуна с радиальными ребрами (рисунок 10). Сверху станины предусматривается площадка для коробки выводов.

Высота ребра :

(232)

Число ребер на четверть поверхности статора :

(233)

Рисунок 10 — Ребро станины Выводное устройство машины состоит из закрытой коробки выводов с расположенной в ней изоляционной доской зажимов. Коробка выводов снабжена приспособлением для крепления подводимых проводов (кабеля). Ввод кабеля может осуществляться через один или через два штуцера. Коробку выводов размещают сверху станины. Если коробка выводов не отлита вместе со станиной, то допускается ее поворот с фиксацией положения через каждые 180°.

В верхней части станины делают приливы, в которых высверливают отверстия и нарезают резьбу для рым-болтов (рисунок 11).

В нижней части станины предусматривают лапы, с помощью которых двигатель крепится к фундаменту. Расположение лап и их размеры должны быть такими, чтобы болты крепления свободно вставлялись в отверстия в лапах. Станины должны иметь зажимы для заземления.

Рисунок 11 — Рым-болт М10

К торцам станины с помощью болтов привёртывают торцевые щиты, которые прикрывают лобовые части обмоток двигателя. Щиты имеют внутреннее оребрение, что способствует улучшению отвода тепла от лобовых частей обмотки статора. В щитах выполняют отверстия, в которых размещают подшипники.

Для сопряжения подшипниковых щитов со станиной и для обеспечения соосного расположения ротора внутри статора на торцевой поверхности подшипниковых щитов и станины выполняют специальные заточки (кольцевые буртики). Если буртик подшипникового щита входит в расточку станины, то такое сопряжение образует внутренний замок.

Со стороны выступающего конца вала установлены роликоподшипники, а с противоположной — шариковые. Подшипниковые узлы выполнены с лабиринтными уплотнениями и имеют устройство для пополнения и замены смазки без разборки.

Для наружного обдува корпуса используют радиальный центробежный вентилятор (с прямыми лопатками), расположенный на конце вала со стороны, противоположной приводу. Вентилятор закрывают кожухом. Кожух с торца снабжён решёткой для входа воздуха. Вентилятор выполняется из алюминиевого сплава, а кожух из стального проката. Посадка вентилятора осуществляется на шпонку.

По рисунку 12.15 /2/ для h = 250 мм принимаем среднюю толщину станины .

Диаметр корпуса двигателя :

(234)

Наружный диаметр вентилятора, м:

(235)

Ширина лопаток вентилятора :

(236)

Число лопаток вентилятора :

(237)

Заключение

В результате произведенного в данном курсовом проекте электромагнитного расчета был спроектирован асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором удовлетворяющий требованиям ГОСТ как по энергетическим показателям (КПД и), так и по пусковым характеристикам.

Тепловой расчет показал, что нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах и наружный вентилятор обеспечивает необходимый для нормального охлаждения расход воздуха.

Вал спроектированного двигателя удовлетворяет всем требованиям механических расчетов.

Технические данные спроектированного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором: мощность, номинальное напряжение 380/660 В, число полюсов 2p = 6, синхронная частота вращения, коэффициент полезного действия, коэффициент мощности, кратность пускового тока, кратность пускового момента .

Список использованных источников

1 Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов / И. П. Копылов, Б. К. Клоков, В. П. Морозкин, Б. Ф. Токарев; Под ред. И. П. Копылова. — 3-е изд., испр. И доп. — М.: Высш. Шк., 2002. — 757с.: ил.

2 Кутарев А. М. Проектирование асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором: Учебное пособие. — Оренбург: ОГУ, 2003. — 128 с.

3 СТП 101−00. Общие требования и правила оформления выпускных квалификационных работ, курсовых проектов (работ), отчетов по РГР, по УИРС, по производственной практике и рефератов. — Оренбург. ОГУ, 2000. 62 с.