Проектирование асинхронного двигателя мощностью 45 кВт

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ и НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Смоленске

Кафедра Электромеханические системы

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ТЕМА: Проектирование асинхронного двигателя мощностью 45 кВт

Смоленск2012 год

1. Аннотация

2. Введение

3. Выбор аналога

4. Электромагнитный расчет

4.1 Выбор главных размеров

4.2 Расчет статора

4.3 Расчет ротора

4.4 Расчет магнитной цепи

4.5 Расчет параметров рабочего режима

4.6 Расчет потерь

4.7 Расчет рабочих характеристик

4.8 Расчет пусковых характеристик

5. Тепловой и вентиляционный расчет

6. Механический расчет

6.1 Расчет вала на жесткость

6.2 Расчет вала на прочность

6.3 Расчет подшипников

7.

Заключение

Список используемой литературы

1. АННОТАЦИЯ асинхронный двигатель ротор статор В данном курсовом проекте произведена работа по проектированию асинхронного двигателя общепромышленного назначения мощностью P2=45 кВт, синхронной частотой вращения n=1000 об/мин (2p=6), степенью защиты IP 23, способу монтажа IM 1001, способу охлаждения IC 01.

Курсовой проект содержит подробную пояснительную записку, в которой произведены расчеты магнитной и электрической цепи, рабочих и пусковых характеристик, а так же чертежи двигателя, листов статора и ротора, рабочих и пусковых характеристик.

2.

ВВЕДЕНИЕ

Электрические машины применяют во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве и в быту. Их выпускают большими сериями и в индивидуальном исполнении. Во многих случаях электрические машины определяют технический уровень изделий, в которых они используются в качестве генераторов и двигателей.

Проектирование электрической машины — сложная многовариантная задача. При ее решении приходится учитывать большое количество факторов. Естественным стремлением всех, кто проектирует машину, является получение, по возможности наиболее быстрым путем, более близкого к заданию расчетного варианта. Поэтому методики, подход к расчету и проектированию электрических машин на всех этапах развития включали все новейшие достижения в теории и практике электромашиностроения.

Электрическая машина как объект производства должна иметь минимальную трудоемкость и минимальные капитальные вложения в производство. Для этого необходимы технологичная конструкция и максимальное использование.

Асинхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которой только одна обмотка получает питание от электрической сети с постоянной частотой щ1, а вторая — замыкается накоротко или на электрические сопротивления.

Простота конструкции, надежность, высокое значение коэффициента полезного действия асинхронных двигателей (АД) мощностью от 0,025 до 350 кВт объясняют широкое их применение в электроприводах. Известно, в частности, что приводы с использованием АД потребляют до 60% мирового объема производства электроэнергии.

Выпускаемые заводами асинхронные двигатели предназначаются для работы в определённых условиях с определёнными техническими данными, называемыми номинальными. К числу их относятся:

1. Механическая мощность, развиваемая двигателем, Pн = P2н ;

2. Частота сети f1 ;

3. Линейное напряжение статора U1л;

4. Линейный ток статора I1л;

5. Частота вращения ротора nн;

6. Коэффициент мощности cos ц1н;

7. Коэффициент полезного действия зн.

Номинальные данные асинхронных двигателей варьируются в очень широких пределах. Номинальная мощность — от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частота вращения от 3000 до 500 об/мин и менее в особых случаях; при повышенных частотах — до 100 000 об/мин и более. Номинальный КПД асинхронных двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения .

3. ВЫБОР АНАЛОГА В качестве аналога возьмем 3-х фазных двигатель с короткозамкнутым ротором производства ОАО «ELDIN»: 4A250S6 2p=6.

Таблица 1.1. Параметры двигателя 4A250S6

4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ РАСЧЕТ

4.1 Выбор главных размеров:

Примем предварительно высоту оси вращения ротора h=250 мм внешний диаметр статора Da=0.445 м.

Рассчитаем внутренний диаметр статора

м, где KD=0,71

Рассчитаем полюсное деление

м Рассчитаем расчетную мощность АД:

ВА, где kE=0.97

Примем предварительно электромагнитные нагрузки

А/м, Тл Примем предварительно обмоточный коэффициент (для двухслойной обмотки)

Расчетная длину магнитопровода:

м, где ,

рад/с — синхронная угловая частота;

входит в допустимые пределы

4.2 Расчет статора:

Определим предельные зубцовые деления статора

м Определим число пазов статора:

Примем Z1=72, тогда Найдем зубцовое деление статора: м Найдем число эффективных проводников в пазу (при условии а=3)

где

А

Принимаем a=3, тогда; возьмем проводников Окончательные значения:

— число витков в фазе

A/м — линейная нагрузка;

Вб

Тл Рассчитаем (предварительно) плотность тока в обмотке статора:

А/м2, где

Рассчитаем (предварительно) площадь поперечного сечения эффективного проводника:

мм2

Сечение эффективного проводника (окончательно):

Примем nэл=3, тогда мм2. Возьмем обмоточный провод марки ПЭТВ (П3.1): qэл=1.539 мм2, dэл=1,4 мм, dиз=1,485 мм, 4,617 мм²

Найдем плотность тока в обмотке статора (окончательно):

А/мм2

Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора:

Принимаем предварительно Bz1=1.75 Тл — индукция зубца статора, Bа=1.4 Тл — индукция ярма статора.

;

где kc=0.97 для оксидированной стали марки 2013,

м;

м Размеры паза:

примем: bш=3,3 мм, hш=1 мм — размеры паза в штампе:

Найдем высоту паза:

м;

Найдем ширину паза:

м м

м

Размеры паза с учетом припуска на сборку Примем м, м

м

м

м Рис. 4.1 Поперечное сечение паза статора с проводниками Рассчитаем коэффициент заполнения паза

м2 — площадь поперечного сечение прокладок;

мм — односторонняя толщина изоляции

м2 — площадь поперечного сечения изоляции;

м2 — площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки

— коэффициент заполнения паза.

Коэффициент заполнения входит в допустимые пределы — (0.72−0.74)

4.3 Расчет ротора Примем воздушный зазор д=0.7 мм Число пазов ротора Z2=62

Рассчитаем внешний диаметр ротора:

м Длина магнитопровода l2=l1=0.14 м Зубцовое деление ротора: м Примем внутренний диаметр ротора равным диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал.

;

м — диаметр вала Рассчитаем ток в обмотке ротора

— коэффициент учитывающий влияния тока намагничивания;

— коэффициент приведения тока (kск=1, т.к. пазы выполняем без скоса);

А — ток в обмотке ротора;

Рассчитаем площадь поперечного сечения стержня (предварительно):

Примем плотность тока в клетке ротора J2=2,5•106 A/м2

м2 — площадь поперечного сечения стержня.

Принимаем bш=1,5 мм, hш=0,7 мм, h`ш=0,3 мм; BZ2=1.8 Тл

— допустимая ширина зуба;

Размеры паза:

м

м

м

м — полная высота паза Уточняем ширину зубцов ротора:

мм

мм Рассчитаем площадь поперечного сечения стержня:

м2

А/м2 — плотность тока в стержне ротора;

Рассчитаем короткозамыкающие кольца:

А — величина тока в кольце, где

А/м2 — плотность тока в кольце;

м2 — площадь поперечного сечения кольца;

Рассчитаем размеры колец:

мм

мм

мм2

мм Рис. 4.2. Поперечное сечение Рис. 3.3. Замыкающее кольцо с литой паза ротора обмоткой

4.4 Расчет магнитной цепи:

Магнитопровод будем выполнять из стали 2013, толщина листов 0.5 мм Рассчитаем магнитное напряжение воздушного зазора:

А, где

;

Рассчитаем магнитное напряжение зубцовой зоны статора:

А, где м, HZ1=1330 А/м

Тл — расчетная индукция в зубцах статора;

Так как B’z1<1.8 Тл, то Bz1= B’z1=1,75 Тл — индукция в зубцах статора;

HZ1=1330 А/м;

Рассчитаем магнитное напряжение зубцовой зоны ротора:

А, где

м

Тл — индукция в зубцах ротора;

HZ2=1520 А/м — напряженность в зубцах ротора;

Рассчитаем коэффициент насыщения зубцовой зоны:

Рассчитаем магнитное напряжение ярма статора:

Тл — индукция ярма статора;

Ha=161 А/м — напряженность поля ярма статора

мрасчетная длина силовой линии;

А — магнитное напряжение ярма статора;

Рассчитаем магнитное напряжение ярма ротора:

м — высота ярма ротора

м — длина силовой линии;

Тл — индукция ярма ротора;

Hj=111 А/м — напряженность поля ярма ротора;

А — магнитное напряжение ярма ротора;

Рассчитаем магнитное напряжение на пару полюсов:

А Рассчитаем коэффициент насыщения магнитной цепи:

;

Рассчитаем намагничивающий ток

А — намагничивающий ток.

— намагничивающий ток в относительных единицах;

— намагничивающий ток входит в требуемый диапазон;

4.5 Расчет параметров рабочего режима Рассчитаем активное сопротивление обмотки статора:

м — длина пазовой части обмотки;

м — средняя ширина катушки;

м — длина лобовой части обмотки (где B=0.01 м, kл=1.4);

м — длина вылета лобовой части катушки (по таблице kвыл=0.5);

м — средняя длина витка;

м — длина проводников фазы обмотки;

Ом — активное сопротивление обмоки статора;

— относительное значение r1;

Рассчитаем активное сопротивление алюминиевой обмотки ротора:

Ом — сопротивление литых стержней ротора;

Ом — сопротивление короткозамыкающих колец;

Ом — сопротивление обмотки ротора;

Ом — сопротивление обмотки ротора приведенной к числу витков обмотки статора;

Ом — относительное сопротивление обмотки ротора приведенной к числу витков обмотки статора;

Рассчитаем индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

— магнитная проводимость пазового рассеяния обмоток статора, где (т.к. укорочения нет)

м

м

— магнитная проводимость лобового рассеяния обмоток статора;

— добавочная проводимость, где

()

Ом — индуктивное сопротивление обмотки статора;

— индуктивное сопротивление обмотки статора в относительных единицах;

Рассчитаем индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора:

— магнитная проводимость пазового рассеяния обмоток ротора, где

м

— магнитная проводимость лобового рассеяния обмоток ротора.

— добавочная магнитная проводимость, где

(, т.к. пазы закрытые);

Ом — индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора;

Ом — индуктивное сопротивление приведенной фазы ротора;

— индуктивное сопротивление приведенной фазы ротора к фазе статора в относительных единицах;

4.6 Расчет потерь Рассчитаем основные потери в стали:

Вт — основные потери в стали, где:

кг — масса ярма статора;

кг — масса зубцовой зоны статора;

Вт/кг по таблице 9,28 для стали 2013;

кг/м3 — удельная масса стали;

kда=1.6, kдz=1.8;

Рассчитаем поверхностные потери:

Вт — поверхностные потери в статоре, где

Вт/м2 — удельные поверхностные потери;

Вт — поверхностные потери в роторе, где

Вт/м2 — удельные поверхностные потери;

Тл

;

Рассчитаем пульсационные потери в зубцах:

Вт — пульсационные потери в зубцах статора, где:

Тл

Вт — пульсационные потери в зубцах ротора, где:

Тл

кг — масса зубцовой зоны ротора;

Рассчитаем сумму добавочных потерь в стали:

Вт Рассчитаем полные потери в стали:

Вт — полные потери в стали;

Рассчитаем механические потери:

Вт — механические потери, где

;

Холостой ход двигателя:

Вт — электрические потери холостого хода в обмотке статора;

А — активная составляющая тока холостого хода;

А — ток холостого хода;

— косинус холостого хода;

4.7 Расчет рабочих характеристик:

Рассчитаем параметры схемы замещения:

Ом

Ом

— использована приближенная формула, т.к. г<10

А — активная составляющая тока холостого хода;

;

Ом

Ом Рассчитаем рабочие характеристики для скольжений s=0.003; 0,006; 0,009; 0,0012; 0,015; 0,018; Результаты расчета сведем в таблицу.

Таблица 3.2. Номинальные данные спроектированного двигателя.

Таблица 3.3. Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя.

4.8 Расчет пусковых характеристик Рассчитаем токи с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учета влияния насыщения полей от рассеяния). Все расчеты сведем в таблицу.

Таблица 3.4. Расчет токов с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учета влияния насыщения полей от рассеяния).

Рассчитаем пусковые характеристики с учетом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния. Расчеты сведем в таблицу:

Таблица 3.5. Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения полей от рассеяния.

;

;

5. ТЕПЛОВОЙ И ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЕТ Рассчитаем превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя над температурой воздуха внутри двигателя.

превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя, где K=0.78,; Вт.

Рассчитаем перепад температуры в изоляции пазовой части обмоток статора:

0С — перепад температуры в изоляции пазовой части обмоток статора, где м, ,

Рассчитаем перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей:

0С — перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей, где

Вт, м рассчитаем превышение температуры наружной поверхности лобовых частей:

0С — превышение температуры наружной поверхности лобовых частей;

Рассчитаем среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя:

0С Рассчитаем превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой воздуха:

0C — превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой воздуха, где Вт/м2 0С;

Вт — мощность потерь отводимых в воздух внутри двигателя;

Вт — мощность всех потерь в номинальном режиме;

м2 — поверхность ребер станины;

Рассчитаем среднее превышение обмотки статора над температурой окружающей среды:

0С — среднее превышение обмотки статора над температурой окружающей среды;

Проверим условия охлаждения двигателя:

м3/с — Требуемый для охлаждения расход воздуха, где Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах.

6. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

6.1 Расчет вала на жесткость Примем d1=75 мм, d2=90 мм, d3==110 мм, a=201.5 мм b=209 мм, c=116 мм, l=370 мм, y1=24 мм, y2=b=209 мм, х1=16.5 мм, х2=а=201.5 мм.

Рис. 5.2. Вал асинхронного двигателя Выберем предварительно подшипники на обоих концах вала:

318: d=75 мм, D=190 мм, B=43 мм

32 615: d=90 мм, D=160 мм, B=55 мм Принимая, что ротор асинхронного двигателя представляет собой сплошной цилиндр с плотностью 8300 кг/м3, его массу можно определить как:

кг — масса ротора

Н — сила тяжести действующая на ротор;

Найдем моменты инерции участков вала:

м4

м4

м-1

м-1

м — прогиб под действием силы тяжести, где Па.

Н м — номинальный момент на валу двигателя;

кH — Поперечная сила приложения к концу вала, где, так как передача плоскоременная.

м — дополнительный прогиб вала вызванный поперечной силой приложенной к концу вала;

м — первоначальное смещение ротора;

Н — сила одностороннего магнитного притяжения ;

м — дополнительный прогиб вала.

м — прогиб вала под действием электромагнитной силы;

м — суммарный прогиб вала;

Прогиб вала лежит в допустимых пределах 3% от величины воздушного зазора, что соответствует требованиям.

Рассчитаем критическую частоту вращения вала.

об/мин — критическая частота вращения двигателя.

— выбранный вал соответствует необходимым условиям.

6.2 Расчет вала на прочность Примем б=0.6, k=2.5 — коэффициент перегрузки;

Рассчитаем момент сопротивления для всех ступеней вала:

м3

м3

м3

Рассчитаем вал на прочность в сечении А:

Н — изгибающий момент в сечении

Па Рассчитаем вал на прочность в сечении Б:

Низгибающий момент в сечении

Па Рассчитаем вал на прочность в сечении В:

Н

Н — изгибающий момент в сечении

Па Рассчитаем вал на прочность в сечении Г:

Н — изгибающий момент в сечении

Па Рассчитаем вал на прочность в сечении Д:

Н — изгибающий момент в сечении

Па Рассчитаем вал на прочность в сечении Е:

Н — изгибающий момент в сечении

Па Наибольшее напряжении в сечении А

6.3 Расчет подшипников Рис. 5.2. К определению радиальных реакций подшипников Определим радиальную нагрузку на подшипниках:

Н

Н Примем ч

Н — динамическая нагрузка на подшипник;

Н — Динамическая грузоподъемность подшипников;

Подшипник Ашариковый радиальный однорядный.

По ГОСТ 8338–75 для опоры, А выбираю подшипник средней серии 319 (С=117 кН) Подшипник Вроликовый радиальный однорядный.

По ГОСТ 8328–75 для опоры В выбираю подшипник 32 617 (С=254 кН)

7.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения курсового проекта был спроектирован асинхронный двигатель мощностью 45 кВт, напряжением питания 220/380 В. Номинальная частота вращения двигателя составляет 973 об/мин. Во время проектирования были изучены приемы проектирования асинхронных двигателей, особенности конструкций двигателей различных исполнений.

Спроектированный двигатель предназначен для использования в приводах общепромышленного назначения и удовлетворяет всем необходимым требованиям и ГОСТам.

Спроектированный асинхронный двигатель по своим показателям находится на уровне выбранного ранее аналога, а по некоторым показателем даже превосходит его.

Таблица 6.1. Сравнение двигателя с аналогом

1. Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов / И. П. Копылов, Б. К. Клюков, В. П. Морозкин, Б. Ф. Токарев; Под ред. И. П. Копылова. — 3-е издание, испр. и доп. — Москва. Высшая школа 2002. — 757с.:ил.

2. Асинхронные двигателя серии 4A: Справочник / А. Э. Кравчик, М. М. Шлаф, В. И. Афонин, Е. А. Соболевская. — М.: Энергоиздат, 1982. — 504с., ил.

3. Вольдек А. И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учеб. заведений. — 3-е изд., перераб. — Л.: Энергия, 1978 — 832 с., ил.