Расчет асинхронного тороидального двигателя

Дипломная работа

Расчет асинхронного тороидального двигателя

1. Введение

2. Расчет двигателя

2.1 Главные размеры

2.1.1 Внешний диаметр сердечника статора

2.1.2 Внутренний диаметр сердечника статора

2.1.3 Полюсное деление

2.1.4 Расчетная мощность

2.1.5 Расчетная длина сердечника статора

2.1.6 Расчетная длина сердечника статора

2.1.7 Определяем отношение

2.2 Сердечник статора

2.2.1 Максимальное число пазов

2.2.2 Количество пазов сердечника статора

2.2.3 Количество пазов на полюс и фазу

2.2.4 Зубцовое деление по внутреннему диаметру статора

3. Обмотка статора

3.1 Расчет обмотки статора

3.1.1 Номинальный фазный ток

3.1.2 Количество эффективных проводников в пазу

3.1.3 Количество витков в обмотке

3.1.4 Магнитный поток

3.1.5 Уточненная индукция в воздушном зазоре

3.1.6 Уточненная линейная нагрузка статора

3.1.7 Предварительная плотность тока в обмотке статора

3.1.8 Предварительная площадь поперечного сечения эффективного проводника

3.1.9 Предварительное сечение элементарного проводника

3.1.10 Выбор провода

3.1.11 Площадь поперечного сечения эффективного проводника

3.1.12 Предварительная плотность тока в обмотке статора

3.2 Расчет размеров зубцовой зоны статора

3.2.1 Ширина зубцов

3.2.2 Высота спинки статора

3.2.3 Высота паза

3.2.4 Большая ширина паза

3.2.5 Меньшая сторона паза

3.2.6 Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку

3.2.7 Площадь поперечного сечения корпусной изоляции

3.2.8 Площадь поперечного сечения паза для размещения обмотки

3.2.9 Коэффициент заполнения паза

4. Расчет короткозамкнутого ротора

4.1 Сердечник ротора

4.1.1 Коэффициент заполнения сталью

4.1.2 Воздушный зазор между статором и ротором

4.1.3 Внешний диаметр ротора

4.1.4 Внутренний диаметр ротора

4.1.5 Длина магнитопровода ротора

4.1.7 Число пазов ротора

4.1.8 Зубцовое деление ротора

4.1.9 Ток в обмотке ротора

4.1.10 Предварительная площадь поперечного сечения стержня

4.2 Размеры трапецеидальных закрытых пазов

4.2.1 Размеры шлица

4.2.2 Допустимая ширина зубца

4.2.3 Больший радиус паза

4.2.4 Меньший радиус паза

4.2.5 Расстояние между центрами радиусов

4.2.6 Уточненная ширина зубцов ротора

4.2.7 Полная высота паза

4.2.8 Площадь поперечного сечения стержня

4.2.9 Плотность тока в стержне

4.3 Размеры короткозамыкающего кольца

4.3.1 Ток в кольце

4.3.2 Плотность тока в замыкающих кольцах

4.3.3 Площадь поперечного сечения кольца

5. Расчет магнитной цепи

5.1 МДС для воздушного зазора

5.2 МДС зубцовой зоны статора

5.3МДС зубцовой зоны ротора

5.4 Коэффициент насыщения зубцовой зоны

5.5 МДС ярма статора

5.4 МДС ярма ротора

5.7 Параметры магнитной цепи

6. Параметры рабочего режима

6.1 Активное сопротивление фазы обмотки статора

6.2 Активное сопротивление фазы обмотки ротора

6.3 Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора

6.4 Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора

7. Расчет потерь

7.1 Основные потери в стали статора

7.2 Добавочные потери в стали

7.3 Полные потери в стали

7.4 Механические потери

7.5 Холостой ход двигателя

8. Рабочие характеристики

8.1 Параметры рабочего режима

9. Расчет пусковых характеристик

9.1 Расчет токов с учетом влияния изменения параметров под

9.2 Расчет пусковых характеристик с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния Рис. 4 Рабочие характеристики спроектированного двигателя с короткозамкнутым ротором

10. Тепловой расчет

10.1 Электрические потери в обмотке статора в пазовой части

11. Механический расчет вала

11.1 Расчет вала на жесткость

11.2 Определение критической частоты вращения

11.3 Расчет вала на прочность

12. Расчет подшипников

12.1 Наибольшая радиальная нагрузка на подшипник А

3. Технологическая часть

3.1 Асинхронные машины

3.1.2 Устройства трехфазной асинхронной машины

3.2 Режимы работы трехфазной асинхронной машины

3.2.1 Режим двигателя

3.2.2 Режим генератора

3.3 Процессы происходящие в асиннхроной машине

3.3.1 Цепь статора

3.3.2 Цепь ротора

3.3.3 Ток статора

3.4 Электромагнитный момент асинхронной машины

3.4.2 Механическая характеристика торцевого асинхронного двигателя

3.5 Совместная работа торцевого асинхронного двигателя с нагрузкой на валу

3.6. Пуск в ход торцевого асинхронного двигателя

3.6.1 Прямое включение в сеть

3.6.2 Пуск при пониженном напряжении

3.6.3 Реостатный пуск двигателей

3.7 Использование двигателей с улучшенными пусковыми свойствами

3.7.1 Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей

3.7.1.1 Изменение скольжения

3.7.1.2 Изменение числа пар полюсов

3.7.1.3 Изменение частоты источника питания

3.8 Способы изготовления магнитопровода статора торцевого асинхронного двигателя

4. Анализ кинетического привода

4.1 Структурная схема системы адаптивно-векторного управления торцевым асинхронным электроприводом

4.2 Наблюдатель состояния

4.3 Анализ чувствительности электропривода к изменению параметров электродвигателя и задержкам переключения инвертора

4.4 Описание стенда для проведения испытаний

5. Экономическая часть

5.1 Расчет цеха

5.1.1 Определение количества оборудования

5.2 Определение количества станочников

5.3 Определение площади цеха

5.4 Общие расходы

5.4.1 Расчет затрат на вспомогательное технологическое оборудование.

5.4.2 Расчет затрат на инструмент, оснастку и устройства, которые дорого стоят, Кон

5.4.3 Расчет затрат на здание цеха, Кз

5.4.4 Расчет затрат на сооружения и передающие устройства Кс. 129

5.4.5 Расчет затрат на производственный инвентарь и принадлежность Кпі

5.4.6 Расчет затрат на хозяйственный инвентарь

5.5 Расчет себестоимости годового объема продукции цеха, С

5.5.1 Расчет затрат на основные материалы и полуфабрикаты, См

5.5.2 Расчет затрат на энергоносителе для технологических целей, Сээ

5.5.3 Расчет фонда заработной платы основных рабочих

5.5.4 Общепроизводственные затраты

5.5.5 Расчет общехозяйственных затрат

5.5.6 Расчет непроизводственных (коммерческих) затрат

5.6 Расчет годового экономического эффекта Эр, и срока окупаемости капитальных вложений Ток

5.7 Технико-экономические показатели цеха

6. Безопасность

6.1 Анализ производственных опасностей и вредностей. Разработка мероприятий по их снижению

6.1.1 Метеоусловия

6.1.2 Освещенность

6.1.3 Снижение шума и вибраций оборудования

6.1.4 Электробезопасность

6.1.5 Обеспечение безопасности при работе на прессовом оборудовании

6.1.6 Пожарная безопасность Заключение Список использованной литературы

1. Введение

Производство и потребление энергии во всем мире растет быстрыми темпами, определяя прогресс во всех областях жизнедеятельности человека. Одновременно усложняются процессы преобразования энергии, расширяется многообразие энергетических установок и агрегатов, обеспечивающих наиболее рациональные режимы энергопитания разнородных потребителей. Наряду с ростом количественных показателей энерго-обеспеченности промышленности, промышленности, транспорта, сельского хозяйства, быта и т. п. все большую роль начинают играть показатели качества использования энергии, что связано с рациональным согласованием параметров энергии на различных стадиях её преобразования. Значительное место в решении возникающих при этом проблем отводится накопителям энергии, являющимся важным промежуточным звеном между системами генерирования и системами распределения и потребления энергии.

Существует множество видов накопителей энергии (НЭ), таких как: накопители со статической активной зоной (электрохимические, индуктивные, емкостные), и накопители с динамической активной зоной, предполагающие накопление и использование кинетической энергии с помощью подвижных элементов.

Пружинный маятник в часах (динамический накопитель) Спусковой механизм часов: 1 — балансир; 2 — анкерная вилка; 3 — спусковое колесо.

В колебательных накопителях кинетическая энергия накапливается в возвратно-поступательном (линейном или вращательном) движении груза за счёт резонанса. При этом энергия должна как подаваться, так и расходоваться порциями, попадая «в такт» с движением груза. Это сразу усложняет механизм и делает его достаточно капризным в настройке. Впрочем, такие узлы уже много веков используются во всех механических часах с балансирным или гравитационным маятником. Очень часто такие часы для начала работы надо слегка встряхнуть или толкнуть маятник рукой — в целях экономии завода пружины за один такт подаётся на маятник лишь столько энергии, чтобы её хватило для компенсации потерь во время работы, но не для запуска «с нуля», из неподвижного состояния.

Как правило, основная цель подобных устройств — не собственно накопление энергии, а стабилизация во времени работы каких-либо приборов, поскольку абсолютные значения запасаемой энергии обычно весьма малы и годятся только для «внутреннего потребления» при работе самого устройства.

Однако для разработки данного проекта этот вид накопителя не подходит, поскольку возникающее возвратно-поступательное ускорение, учитывая большую массу маховика, создает серьезные перегрузки.

В данном дипломном проекте будет рассмотрена модель именно кинетического накопителя энергии (КНЭ), в котором энергия запасается во вращающемся роторе, которая равна W=J?²/2.

Инерционные МН в настоящее время используются в различных отраслях техники. Примерами транспортных накопительных устройств служат: гироскопы систем навигации и ориентации; маховичные двигатели для малоразмерных вертолетов, грузовых средств транспорта во взрывоопасных помещениях (пороховых складах, шахтах и т. п.), а также для пассажирского транспорта; электроинерционные стартеры самолетных двигателей; стартовые катапультирующие установки на авианосцах для разгона самолетов при взлете [4.1 ] и др. Широко распространены маховичные МН в различных электрофизических установках. Рассматривается крупномасштабное применение инерционных МН совместно с электрическими машинами в электроэнергетических системах.

Рассмотрим инерционные кинетические МН.

Кинетическую энергию в принципе можно запасать при любом движении массы. Для равномерного поступательного движения тела массой m со скоростью V кинетическая энергия W=mV²/2. Удельная энергия W_yд=W/m=V²/2 зависит (квадратично) только от линейной скорости тела. Тело, движущееся с первой космической скоростью V₁?8 км/с, имеет удельную энергию W_уд?32 МДж/кг.

Для разнообразных энергетических и транспортных применений рациональны МН вращательного движения — инерционные МН (маховики). Запасенная кинетическая энергия W=J² ? /2 определяется квадратом угловой скорости ? = 2рп (п— частота вращения) и моментом инерции J маховика относительно оси вращения. Если дисковый маховик имеет радиус r и массу m=гV (V—объем, г—плотность материала), то J=mr² /2 = гVr²/2 и W=р²mr²n²= гр²Vr²n². Соответствующая удельная энергия (на единицу m или V) составляет W_уд=W/m = r²р²n², Дж/кг и W_0уд=W/V=р²гr²n², Дж/м³. Значения ? и п При заданном размере r ограничиваются линейной окружной скоростью V = ?r = 2рnr, связанной с допустимым разрывающим напряжением материала у_р. Известно, что напряжение у в дисковом или цилиндрическом роторе МН зависит от v ². В зависимости от геометрической формы металлических маховиков для них характерны допустимые предельные скорости на периферии приблизительно от 200 до 500 м/с.

Для повышения кинетической энергии маховика нужно увеличивать его массу и число оборотов вращения. Но с ростом числа оборотов увеличивается центробежная сила, что может привести к разрыву маховика. Поэтому для маховиков используются самые прочные материалы. Например, сталь и стеклопластик. Уже изготовлены маховики, масса которых измеряется многими десятками килограммов, а частота вращения достигает 200 000 об/мин.

Потери энергии при вращении маховика вызываются трением между поверхностью маховика и воздухом и трением в подшипниках. Для уменьшения потерь маховик помещают в кожух, из которого откачивается воздух, т. е. внутри кожуха создается вакуум. Применяются самые совершенные конструкции подшипников. В этих условиях годовая потеря энергии маховиком может быть менее 20%.

К недостаткам КНЭ можно отнести то, что запасённая маховиком энергия прямо зависит от его скорости вращения, поэтому по мере накопления или отдачи энергии скорость вращения всё время меняется и может достигать десятков тысяч об/мин. В то же время в нагрузке очень часто требуется стабильная скорость вращения, обычно не превышающая нескольких тысяч об/мин. По этой причине чисто механические системы передачи энергии на маховик и обратно могут оказаться слишком сложными.

Особенно перспективны так называемые супермаховики, состоящие из витков стальной ленты, проволоки или высокопрочного синтетического волокна. Навивка может быть плотной, а может иметь специально оставленное пустое пространство. В последнем случае по мере раскручивания маховика витки ленты перемещаются от его центра к периферии вращения, изменяя момент инерции маховика, а если лента пружинная, то и запасая часть энергии в энергии упругой деформации пружины. В результате в таких маховиках скорость вращения не так прямо связана с накопленной энергией и гораздо стабильнее, чем в простейших цельнотелых конструкциях, а их энергоёмкость заметно больше. Помимо большей энергоёмкости, они более безопасны в случае различных аварий, так как в отличии от осколков монолитного маховика, по своей энергии и разрушительной силе сравнимых с пушечными ядрами, обломки пружины обладают гораздо меньшей «поражающей способностью» и обычно достаточно эффективно тормозят лопнувший маховик за счёт трения о стенки корпуса. По этой же причине и современные цельнотелые маховики, рассчитанные на работу в режимах, близких к переделу прочности материала, часто изготавливаются не монолитными, а сплетёнными из тросов или волокон, пропитанных связующим веществом.

Современные конструкции маховиков с вакуумной камерой вращения и магнитным подвесом супермаховика из кевларового волокна обеспечивают плотность запасённой энергии до 5 МДж/кг и более, причём могут сохранять кинетическую энергию неделями и месяцами. Однако пока они существуют лишь в виде экспериментальных экземпляров или опытных партий. Использование для навивки сверхпрочного «суперкарбонового» волокна позволит увеличить скорость вращения и удельную плотность запасаемой энергии ещё во много раз — до 2−3 ГДж/кг (одной раскрутки такого маховика весом 100−150 кг хватит для пробега в миллион километров и более, т. е. на фактически на всё время жизни автомобиля («Нурбей Владимирович Гулиа. Удивительная механика. В поисках «энергетической капсулы»)). Однако стоимость такого волокна пока также во много раз превышает стоимость золота.

Рассмотрим маховичные накопители, исключая упругую энергию. Последняя под влиянием инерционных сил, действующих на упругие вращающиеся элементы, может быть запасена наряду с кинетической энергией в специальных комбинированных устройствах.

Уравнение движения маховика, справедливое в режимах заряда и разряда НЭ, имеет вид

M_вн=Jd?/dt-M_T.(1)

В (1) внешний момент M_{вн является активным (движущим) моментом при заряде или реактивным (тормозящим) моментом при разряде МН. Динамический момент Mдин =Jd?/dt имеет знак, определяемый угловым ускорением E=d?/dt. Момент трения MТ = MТа + MТп равен сумме моментов аэродинамического трения (Мт>а) и трения в подшипниковых опорах и уплотнениях (Мт>п). Умножая (1) на ?dt и интегрируя, получаем уравнение баланса энергии}

(2)

где ?_{1, ?2—начальная и конечная угловые скорости маховика; t1 и t2' соответствующие значения времени.}

Из (2) видно, что, например, в режиме разряда кинетическая энергия W_r = 0,5J (?₁² -?₂²) расходуется на отводимую от МН энергию и энергию потерь трения Для увеличения эффективности инерционных МН необходимо обеспечить наибольший возможный уровень начальной кинетической энергии М_к1=J?₁², 2 и свести к минимуму потери W_T при помощи соответствующих конструктивных решении.

Металлические маховики. На рисунке изображены маховичные накопительные элементы различной формы. Для базовой модели в виде тонкого ободкового МН допустима предельная окружная скорость V = ?у_P/г, следовательно, наибольшая запасенная энергия W=0,5mV² = 0,5m у_P/г. Удельная энергия W_уд = W/m=0,5у_р/г.

Для диска постоянной толщины или цилиндра радиусом R значение W_yд=J?²/2M=(?R)²/4-=0,25V² определяется также квадратом окружной скорости на периферии V²=(?R)²~у_р/г.

Коэффициенты формы ч для различных маховиков дискового, ободкового и стержневого типов

ч =0.3 ч=0.5 0, 3< ч <0,5

ч =0,6 ч=0.8 ч >1

ч =0.8 ч=0.5

a - Диск постоянной толщины с малым отверстием в центральной зоне

б- Тонкий обод

вДиск с ободом

г- Диск постоянной толщины без центрального отверстия

д, ж- Конический и гиперболический диски без отверстия

е- Диск равной прочности з — Стержень равной прочности Для диска постоянной толщины или цилиндра радиусом R значение W_yд=J²/2m=(?R)²/4-=0,25V² определяется также квадратом окружной скорости на периферии V²=(?R)²~у_р/г.

В общем случае для различных МН показатель W_уд = чу_р/г при одинаковых параметрах материала у_ри г пропорционален коэффициенту формы ч

Коэффициенты формы ч для различных маховиков дискового, ободкового и стержневого типов

Предельное значение запасаемой энергии единичного металлического маховика определяется конструктивно-технологическими ограничениями по массе и габаритам. Наиболее крупные стальные поковки (до 250 т), удовлетворяющие заданным требованиям металлургического качества, изготавливаются из слитков массой 500 т. Поковки подвергаются термообработке и ультразвуковому контролю дефектов. В случае выполнения маховиков без центрального отверстия возможна их работа с частотой вращения 3000 об/мин при диаметре до 2 м. Реально достигнутый уровень запасенной энергии в МН с горизонтальным расположением вала составляет 3,6— 36 МДж.

Если необходимо накопить энергию в диапазоне 10 — 10⁴ МДж и более, целесообразны вертикальные конструкции МН с составными (сборными) маховиками.

Наряду с дисками для маховиков используют иногда стержни равной прочности, симметричные относительно своей продольной оси (рисунок з) Многослойные маховики. Исследования по увеличению удельной энергии привели к созданию различных конструкций супермаховиков на основе металлических проволок и лент, а также композитных волокнистых неметаллических материалов. Известно, что стальная проволока или лента (вследствие своей внутренней структуры, образованной волочением или холодной прокаткой) допускает у_р, в несколько раз превосходящие предельные напряжения массивных изделий из того же металла. Следовательно, в навитом из проклеенных слоев непрерывной ленты маховике можно получить сответственно более высокие значения W_yд, чем в сплошных дисках. Ленточные маховики оказываются безопасными при разрыве на сверхугонных скоростях: потерявшие прочность наиболее напряженные периферийные витки выполняют роль предохранительного элемента, тормозя маховик трением о защитный кожух.

Уровень удельной энергии определяется параметрами композитов для продольного направления, которое в ободковых маховиках — окружное, а в стержневых — радиальное. Созданные ободковые маховики из органопластиковых или графитопластиковых композитов имеют показатель W_yд = 510 к Дж/кг, а из стеклокомпозитов—до W_yд =4000 кДж/кг.

В легких композитных маховиках, несмотря на большую удельную энергию W_{yд=W/m, затруднительно достижение высокого абсолютного уровня запасенной энергии. Предельный диаметр этих маховиков ограничен значением порядка 3—4 м по условиям работы современного технологического оборудования для намотки ленты. Однако известны проекты крупных МН, предназначенных для использования в электроэнергетических системах, со стеклопластиковыми маховиками диаметром до 18 м и толщиной 3—6 м. Четыре таких маховика рассчитаны на накопление суммарной энергии W=36 10⁴ МДж .При преобразовании в электроэнергию с КПД порядка 0,8 этот запас кинетической энергии может обеспечить работу потребителей мощностью 1000 кВт в течение 80 ч.}

В данном проекте необходимо создать внешний момент, согласно уравнению движения: M_{вн=Jd?/dt-MT, который может быть реализован разными способами. Наиболее простой-создание электромагнитного момента, с помощью электродвигателей., использование, которых предпочтительно, т.к. электрическая машина может работать в генераторном режиме и вырабатывать энергию в режиме отдачи энергии потребителю.}

Руководствуясь исходными данными, целесообразно использование асинхронных двигателей (АД), преимуществами которых являются простота конструкции и отсутствие коллекторного узла (по сравнению с машинами постоянного тока).Также причиной выбора АД является то, что крайне нежелательно размещать неподвижные проводящие материалы вблизи магнитов, так как это приводит к наведению вихревых токов и потерям энергии. Недостатками использования АД являются необходимость иметь реактивную мощность в генераторном режиме (исходя из условия самовозбуждения), Высокий ток намагничивания из-за увеличения магнитного зазора. Если рассматривать ток статора, то в двигательном режиме образуется большой ток намагничивания.

Одним из критериев выбора электродвигателя является его конструктивная и параметрическая совместимость с приводным механизмом. Рассмотрим некоторые аспекты конструктивной пластичности торцевых двигателей, используемых в различных областях техники.

На рис. 1.1 показаны конструктивные варианты устройств, причем штриховой линией отмечены схемы с использованием двигателей обычного цилиндрического исполнения, сплошной линией—схемы с торцевым двигателем.

В ряде случаев за счет оптимальной компоновки возможно получение новых качеств электропривода в целом. Конструктивные схемы электродвигателей представлены на рис. 1.2. Каждой конструкции двигателей присущи свои достоинства и недостатки. Так, например, с точки зрения простоты изготовления предпочтительной является однопакетная схема. При этом наличие сил одностороннего магнитного тяжения усложняет работу подшипникового узла.

Рис 1.1 Применение торцевых асинхронных двигателей в электробытовых устройствах: а—магнитофоне: б- вентиляторе; в— «стиральной машине; г — электропроигрывающем устройстве В двухпакетной схеме возможно выполнение тороидальной обмотки статора с резким сокращением длины лобовых частей. Таким образом, проблема выбора конструктивной схемы — задача многоплановая и должна увязываться с общими требованиями к технологии производства и технико-экономическими показателями электропривода в целом.

Существуют конструкции торцевых двигателей в совокупности с приводными механизмами.

На рис. 1.3 показана схема центробежного вентилятора с торцевым асинхронным электродвигателем.

Рис 1.2 Конструктивные схемы активной часги торцевых электродвигателей: а—однопакстная; б—двухпакетная; в — дисковая; .г — многопакетная Рабочее колесо вентилятора крепится непосредственно к ротору. При работе вентилятора возникает разность давлений между объемом, ограниченным внутренним диаметром лопаток, и объемом за наружным диаметром лопаток рабочего колеса. В результате воздух, прокачиваемый вентилятором, из зоны высокого давления через окна и кольцевой канал попадает в рабочий зазор двигателя и через центральное отверстие в зону низкого давления. Тем самым осуществляется принудительная циркуляция наружного воздуха внутри двигателя без специальных охладительных устройств.

Рис. 1.3. Цснтробсжный вентилятор: /-статор: 2 -корпус: 3— ротор; 4 ступица: 5- подшипник; 6- окно: 7 — кольцевой канал; 8 -кожух; 9- рабочее кольцо; 10-центральное отверстие На рис. 1.4 приведена схема центробежного прямоточного электровентилятора со встроенным торцевым асинхронным двигателем.

Рис. 1.4. Центробежный прямоточный тдектровен тилятор: / — двигатель: 2 рабочее колесо; 3—лопатки спрямляющею аппарата; 4 — направляющий кожух: 5— корпус вентилятора На рис. 1.7 изображена конструкция герметичного компрессора со встроенным торцевым асинхронным двигателем. Ряд технических мер позволяет обеспечить эффективное охлаждение элементов компрессора без дополнительных вспенивающих разбрызгивающих и охладительных устройств, применяемых при использовании цилиндрических двигателей. Кроме того, обеспечивается дегазация масла, повышается его диэлектрическая прочность, а торцевой ротор, выполняющий функцию маховика, сглаживает пульсации нагрузки.

Рис. 1.7. Герметичный компрессор со встроенным асинхронным двига-телем: 1 — маслосборник; 2— кожух; 3- блок цилиндров: 4—статор; 5 —ротор; 6 — лопатка охлаждения на наружном ко-роткозамыкающем кольце На рис. 1.8 показана схема исполнительного двигателя AG фирмы OYAKO, состоящего из низкоскоростного (мощностью 0,1—0,4 кВт) и высокоскоростного (мощностью 0,4— 1,5 кВт) торцевых асинхронных самотормозящихся двигателей и редуктора. Ротор каждого двигателя установлен на валу с возможностью осевого перемещения и подпружинен. При включении в сеть под действием электромагнитного притяжения ротор притягивается к статору, сжимая осевую пружину, и отходит от тормозной колодки, закрепленной в низкоскоростном двигателе на торце корпуса, а в высокоскоростном двигателе —на диске сцепления. При отключении питания пружина прижимает ротор к тормозной колодке. Исполнительный двигатель отличается пониженной массой и компактностью, большим передаточным числом скоростей, большим крутящим моментом на низкой скорости, простотой конструкции и ухода, возможностью небольших перемещений суппорта станка частыми включениями. Двигатели применяются для электропривода станков, подъемно-транспортных и конвейерных устройств.

Торцевые асинхронные двигатели являются предпочтительными для применения в качестве экранированных двигателей герметичных электроприводов, так как плоская форма тонкостенного экрана создает преимущества при применении и более технологична в изготовлении по сравнению с цилиндрической. Как известно, в экранированных двигателях ухудшены энергетические характеристики за счет увеличенного суммарного электромагнитного зазора и вихревых токов в сплошных металлических экранах.

В процессе развития электромашиностроения решение задач снижения материалоемкости основывалось на улучшении свойств, применяемых в производстве материалов и совершенствовании конструкции электрических машин.

Потребляемая мощность P₁, активная длина L и внешний диаметр сердечника D_вш асинхронного двигателя цилиндрической конструкции связаны между собой количественным критерием использования к :

к = P₁/LдDвш^2+г,

где г- показатель степени, характеризующий изменение линейной нагрузки статора и максимальной индукции в рабочем зазоре при изменении диаметра.

Улучшение свойств материалов учитывается введением коэф-фициента к':

k'=kk₁k₂k₃

где k₁ учитывает повышение заполнения паза медью; k₂-переход на изоляцию с повышенным допустимым превышением температуры; k₃— переход на лучший материал магнитопровода.

Эффективным средством является повышение k₁. Изменение его на 1% приводит к изменению заготовительной массы электротехнической стали на 0,25—0,4% и изменению k на 0,3—0,5%.Дальнейшему повышению k₁ для двигателей классической конструкции малой мощности препятствуют традиционная механизированная укладка обмотки в полузакрытые пазы, являющаяся основной причиной межвитковых замыканий, а также круглая форма сечения обмоточного провода.

Дальнейшее повышение нагревостойкости изоляции до класса Н хотя и дает повышение использования еще на 14%, но требует решения ряда вопросов, связанных с теплоотводом и с необходимостью применения специальных подшипников. Переход от горячекатаной стали к холоднокатаной легиро-ванной стали позволил получить k₃ = 1,1.

Повысить технический уровень обмоточно-изолировочных работ позволяет применение открытых пазов статора. При этом характеристики двигателей с открытыми пазами улучшаются при использовании магнитных клиньев.

К недостаткам беспазового статора можно отнести сложность сборки и закрепления активного распределительного слоя (АРС) на ярме, наличие крепежного технологического зазора, дополнительные потери от поперечного потока рассеяния, пропорциональные значению высоты АРС в третьей степени. Наиболее эффективно применение АРС в аксиальном варианте асинхронной машины.

Другой разновидностью беспазовой машины является машина с гофрированной конструкцией магнитопровода. Важными преимуществами конструкции являются высокая малоотходность (коэффициент использования стали составляет 0,95). возможность применения в зубцах и ярме холоднокатаной стали, закрытие пазов мостиками насыщения, а также упрощение укладки обмотки по сравнению с классической конструкцией.

Недостатками конструкции по сравнению с двигателями с АРС являются сложность технологии навивки стальной ленты на ребро и некоторое усложнение обмоточных работ вследствие нарушения технологической автономности катушечных групп. Недостатком также является необходимость увеличения длины вылета или отгиба лобовых частей после намотки и сборки статора, а также возможность пропитки активного слоя лишь в полном сборе статора. Кроме того, недостатком являются добавочные потери на цилиндрических поверхностях гофрированного слоя в шлицевых зонах.

Рис. 1.12. Магнитопровод с витым ярмом и гофрированным зубцовым слоем: а—с симметричным профилем зубцов; 6 — с периодическим профилем зубцов: в —ротор с гофрированным зубцовым слоем и массивным ярмом Широкому внедрению конструкции с гофрированным активным слоем препятствуют следующие его недостатки:

низкие энергетические показатели при наличии двух воздушных зазоров и при трудностях обеспечения равномерности рабочего зазора, сниженном заполнении паза и большом количестве пазов и корпусной изоляции и др.; сложность механизации технологии в серийном производстве (при создании гофрированного слоя, укладке обмоток, креплении активного слоя, заливке ротора и др.), особенно с учетом разнотолщинности. коробоватости и других дефектов стали.

Торцевые асинхронные двигатели по сравнению с цилиндри-ческими обладают рядом известных преимуществ. Аналогом штампованного цилиндрического сердечника асинхронной ма-шины является торцевой витой (по спирали) сердечник с проштампованными пазами, при изготовлении которого ис-пользование электротехнической стали доводится до 80%, тогда как в цилиндрическом двигателе около 60%. При этом исключается операция шихтовки. При изготовлении сердечников цилиндрических машин штамповкой пластины статора и ротора могут выполняться как одним ударом, так и последовательными операциями штампов совмещенного действия, причем штампы последовательного действия более производительны. Двухроторные торцевые асинхронные двигатели мощностью 0,375 — 6 кВт на 25—30% экономичней в производстве и имеют себестоимость на 35 40% меньше, чем традиционная конструкция. При интегральном изготовлении торцевых двигателей кон-струкция имеет следующие особенности: плоское (торцевое) исполнение с различными вариантами построения подшипникового узла; плоскую зубцовую зону с прямоугольными пазами; плоскую беспазовую зону; короткозамкнутую обмотку ротора, являющуюся частью корпуса ротора; радиально-унорные подшипники качения; блочно-модулыюе построение; обмотку статора, выполненную методами фотолитографии или штамповкой из медного или алюминиевого листа толщиной 0.2 -0.5 мм по заданной конфигурации проводника обмотки; возможно и обычное исполнение для всыпной обмотки; обмотку ротора, выполненную методом заливки алюминия совместно с корпусом ротора в случае выполнения обмотки статора из алюминия: заливка алюминия в ротор осуществляется за счет отходов обмотки статора.

Применение того или иного конструктивно-технологического варианта ограничивается мощностями электродвигателей. Граничные значения в шкале мощностей определяются в основном возможностями технологического процесса.

При интегральной технологии для изготовления печатных обмоток статора могут быть применены методы фотолитогра-фии, позволяющие выполнять обмотки с достаточно тонкими проводниками и малыми межпроводниковыми расстояниями.

Устройство двигателя, работающего от сети с частотой 400 Гц, показано на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Двигатель переменного тока с печатной обмоткой: 1—статор; 2—ротор: 3 — печатая обмотка Статор изготовлен из тонкой ленты магнитной листовой стали, намотанной в виде спирали, которая зафиксирована наружным бандажным кольцом. Толщина магнитопровода 5 мм; внутренний и внешний диаметры — соответственно 30 и 90 мм.

Печатная обмотка выполнена на изоляционной пленке толщиной 0.03 мм и наклеена на статор. Волновая 16-полюсная обмотка имеет две идентичные фазы, отпечатанные на лицевой и обратной сторонах изоляционной пленки и сдвинутые в пространстве одна относительно другой на электрический угол 90°. Проводники обмотки имеют постоянное поперечное сечение; ширина каждого проводника 1 мм. толщина 0.05 мм. Проводники отделены друг от друга изолирующим промежутком, ширина которого в среднем равна 0.15 мм. Ротор двигателя-массивный стальной.

Низкая индуктивность обмоток дает возможность использовать машины с печатными обмотками в комбинации с полупроводниковыми устройствами, так как в переходных режимах электромагнитные процессы в обмотках не вызывают перенапряжений на полупроводниках.

Небольшой момент инерции ротора в некоторых конструкциях позволяет получить высокое быстродействие двигателя. Чувствительность машины к сигналу может быть значительно повышена введением внутреннею демпфирования, осуществляемого соединением печатной обмотки с тонким алюминиевым диском-демпфером. Беспазовые электрические машины с печатными обмотками имеют следующие основные достоинства:

простоту и надежность конструкции:

возможность работы с большими превышениями температур;

низкий момент инерции ротора;

малую собственную индуктивность и электрическую постоянную времени обмоток;возможность использования в схемах управления на транзисторах: возможность внутреннего демпфирования колебаний ротора;возможность изготовления обмоток в условиях поточного автоматизированного производства без применения ручного труда.

Недостатками существующих конструкций электродвигателей с печатными обмотками являются:

необходимость в питающей сети малого напряжения;

некоторое увеличение габаритов электродвигателей, обусловленное увеличением воздушного зазора;

принятие специальных мер для снижения потерь на вихревые токи в проводниках.

Но поскольку, двигатели с печатной обмоткой статора рассчитаны на малые мощности (до 0.18 кВт), то для реализации нашей задачи они не подходят.

накопитель энергия расчет стенд асинхронный двигатель

2. Расчет двигателя

1. Исходные данные Номинальный режим работы повторно-кратковременный Номинальная отдаваемая мощность Р₂, кВт 1,5

Частота сети f, Гц 200

зазор д? 8 мм Номинальное линейное напряжение U, В 220/380

Синхронная частота вращения n₁, об/мин 1000

Wзап 14 кДж Внешний диаметр активной зоны:? 0.5м

2. Размеры, конфигурация, материал

2.1 Главные размеры

2.1.1 Внешний диаметр сердечника статора

D_А=278 мм.

2.1.2 Внутренний диаметр сердечника статора

D= k_D?D_А =0,52?278 ?145 мм, где k_D=0,52.

2.1.3 Полюсное деление

мм.

2.1.4 Расчетная мощность

Р'=Вт, где к_Е=0,98 — коэффициент;

'=87% - среднее значение КПД;

cos'=0,87 — среднее значение cosц.

2.1.5 Расчетная длина сердечника статора

2.1.6 Расчетная длина сердечника статора

?₁= мм, где к_об1=0,96 — предварительный обмоточный коэффициент для однослойной обмотки; к_В=1,11 -коэффициент формы поля;

А'₁=36 000 А/м — предварительная электромагнитная нагрузка;

В'_б=0,74 Тл — предварительная индукция.

2.1.7 Определяем отношение

=?₁/ф=130/227,77=0,57. Что меньше предельно допустимого значения _max=0,9.

2.2 Сердечник статора

Сердечник собирают из отдельных отштампованных листов электротехнической стали марки 2013, толщиной 0,5 мм, с изолированием листов оксидированием. Коэффициент заполнения сталью k_С=0,97. Принимаем форму паза трапецеидальную полузакрытую. Обмотка однослойная всыпная концентрическая

2.2.1 Максимальное число пазов

где =17,5 — максимальная величина зубцового деления статора;

=14,4 — минимальная величина зубцового деления.

2.2.2 Количество пазов сердечника статора

Z₁=30.

2.2.3 Количество пазов на полюс и фазу

.

2.2.4 Зубцовое деление по внутреннему диаметру статора

мм.

3. Обмотка статора

3.1 Расчет обмотки статора

Принимаем однослойную всыпную концентрическую обмотку из проводов марки ПЭТВ, укладываемую в трапецеидальные полузакрытые пазы

3.1.1 Номинальный фазный ток

I_1НОМ = А.

3.1.2 Количество эффективных проводников в пазу

u_П=.

где а=1 — количество параллельных ветвей обмотки статора.

3.1.3 Количество витков в обмотке

w₁=

3.1.4 Магнитный поток

Ф=,

где k_ОБ1=k_Р1Мk_У1=0,958?0,95=0,911 — уточненный обмоточный коэффициент.

k_Р1=0,958 — коэффициент распределения обмотки

k_У1=0,95 — коэффициент укорочения.

3.1.5 Уточненная индукция в воздушном зазоре

В_б= Тл.

3.1.6 Уточненная линейная нагрузка статора

А= А/м.

3.1.7 Предварительная плотность тока в обмотке статора

J₁= А/мм²,

где AJ — плотность тока в стержне =3,05?10¹¹.

3.1.8 Предварительная площадь поперечного сечения эффективного проводника

мм².

3.1.9 Предварительное сечение элементарного проводника

мм²,

где n_ЭЛ=7 — количество элементарных проводов в эффективном.

3.1.10 Выбор провода

По приложению 3 находим ближайший стандартный провод

d/d'=1,32/1,4 мм;S=1,368 мм².

3.1.11 Площадь поперечного сечения эффективного проводника

мм².

3.1.12 Предварительная плотность тока в обмотке статора

J₁= А/мм²,

3.2 Расчет размеров зубцовой зоны статора

3.2.1 Ширина зубцов

b_Z1= мм, где В_З1=1,8 Тл — среднее значение магнитной индукции в зубцах статора.

3.2.2 Высота спинки статора

h_А= мм, где В_А=1,6 Тл — среднее значение магнитной индукции в спинке статора.

3.2.3 Высота паза

h_П= мм.

3.2.4 Большая ширина паза

b₂= мм.

3.2.5 Меньшая сторона паза

b₁= мм, где b_Ш=3,7 мм — ширина шлица.

3.2.6 Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку

b₁=b₁ — Дb_П=9,4 — 0,2=9,2 мм;

b₂=b₂ — Дb_П=15,1 — 0,2=14,9 мм;

h₁=h₁ — Дh_П=27,5 — 0,2=27,3 мм, где Дb_П= Дh_П=0,2 — припуски на штамповку.

3.2.7 Площадь поперечного сечения корпусной изоляции

S_ИЗ=b_ИЗ(2h_П+b₁+b₂)=0,4(2?31,3+9,4+15,1)=34,84 мм²,

где b_ИЗ=0,4 мм — односторонняя толщина корпусной изоляции.

3.2.8 Площадь поперечного сечения паза для размещения обмотки

S'_П= мм²,

где ;

S_ПР=14,5 — площадь поперечного сечения прокладок.

3.2.9 Коэффициент заполнения паза

k_З =

4. Расчет короткозамкнутого ротора

4.1 Сердечник ротора

Сердечник ротора собирают из отдельных отштампованных листов электротехнической стали марки 2013 толщиной 0,5 мм.

4.1.1 Коэффициент заполнения сталью

к_с=0,97.

4.1.2 Воздушный зазор между статором и ротором

=0,8 мм.

4.1.3 Внешний диаметр ротора

D₂=D₁-2? =145−2· 0,8=143,8 мм.

4.1.4 Внутренний диаметр ротора

D_j=D_В0,23D_A=0,23?278=60 мм.

4.1.5 Длина магнитопровода ротора

?₂=?₁=130 мм.

4.1.7 Число пазов ротора

Z₂=38.

4.1.8 Зубцовое деление ротора

t₂=D₂/Z₂=3,14· 143,8/38=11,92.

Рис. 1 Конструкции роторов торцевых тороидальных двигателей

4.1.9 Ток в обмотке ротора

где k_i=0,2+0,8cos=0,2+0,8· 0,87=0,896 — коэффициент, учитывающий влияние тока намагничивания на отношение I₁/I₂;

— коэффициент приведения токов.

4.1.10 Предварительная площадь поперечного сечения стержня

q_c=I₂/J₂=352,21/2,9=121,45.

4.2 Размеры трапецеидальных закрытых пазов

4.2.1 Размеры шлица принимаем

b_ш=1,5 мм; h_ш=0,7 мм; h'_ш=0,3 мм.

4.2.2 Допустимая ширина зубца

b_з2доп= мм.

4.2.3 Больший радиус паза

b₁= мм.

4.2.4 Меньший радиус паза

b₂= мм.

4.2.5 Расстояние между центрами радиусов

h₁=(b₁-b₂)?z₂/(2?)=(6,1−1,5)?38/(2?3,14)=27,8 мм.

4.2.6 Уточненная ширина зубцов ротора

b'_z2= мм;

b''_z2= мм

4.2.7 Полная высота паза

h_п2=h'_ш+h_ш+b₁/2+h₁+b₂/2=0,3+0,7+6,½+27,8+1,5/2=32,6 мм.

4.2.8 Площадь поперечного сечения стержня

q_c=р/8(b²₁+b²₂)+0,5(b₁+b₂)h₁=3,14/8^.(6,1²+1,5²)+0,5^.(6,1+1,5)· 27,8=121,1 мм².

4.2.9 Плотность тока в стержне

J₂=I₂/q_c=352,21/121,1=2,91 А/мм².

4.3 Размеры короткозамыкающего кольца

4.3.1 Ток в кольце

I_кл=I₂/=352,21/0,17=2132,54 А,

где =2^.sin(^.p/z₂)=2^.sin(3,14•2/(2•38))=0,17.

4.3.2 Плотность тока в замыкающих кольцах

J_кл=0,85^.J₂=0,85^.2,91=2,47 А/мм².

4.3.3 Площадь поперечного сечения кольца

q_кл= I_кл/ J_кл=2132,54/2,47=865,13 мм².

4.3.4 Высота кольца литой клетки

h_кл=1,25h_п2=1,25· 32,6=41 мм².

4.3.5 Длина кольца

b_кл=q_кл/h_кл=865,13/41=21 мм².

4.3.6 Средний диаметр кольца

D_кл.ср=D₂-h_кл=144,2−41=103,2 мм.

5. Расчет магнитной цепи

5.1 МДС для воздушного зазора

5.1.1 Коэффициент воздушного зазора:

k=,

где .

5.1.2 МДС воздушного зазора

А.

5.2 МДС зубцовой зоны статора

5.2.1 Расчетная индукция в зубцах

Тл.

5.2.2 Напряженность магнитного поля

Н_Z1=1342 А/м.

5.2.3 МДС зубцовой зоны статора

F_z1=2h_z1H_z1=2^.31,3^.10^-3.1342=83,99 А, где h_z1=h_п1=31,3 мм.

5.3 МДС зубцовой зоны ротора

5.3.1 Расчетная индукция в зубцах

Тл

5.3.2 Напряженность магнитного поля

Н_z2=1386 А/м.

5.3.3 МДС зубцовой зоны ротора

F_z2=2h_z2H_z2=2· 32,45·10^-3·1386=89,94 А, где h_z2=h_п2-0,1b₂=32,6−0,1· 1,5=32,45 мм.

5.4 Коэффициент насыщения зубцовой зоны

.

5.5 МДС ярма статора

5.5.1 Высота ярма статора

h_а=(D_а-D)/2-h_п1=(278−145)/2−31,3=35,2 мм.

Длина средней силовой линии в ярме статора

L_а=(D_а-h_а)/(2p)=3,14· (278−35,2)/2=381,39 мм.

Индукция в ярме статора

Тл,

где h_а=h_а=35,2 мм — при отсутствии радиальных вентиляционных каналов.

5.5.4 Напряженность магнитного поля

Н_а=1692 А/м.

5.5.5 МДС ярма статора

F_а= L_аН_а=381,39· 10^-3·1692=645,43 А.

5.4 МДС ярма ротора

Высота ярма ротора

h_j=(D₂-D_j)/2-h_п2=(144,2−60)/2−32,6=9,5 мм.

Длина средней силовой линии в ярме ротора