Проектируемого двигателя переменного тока

Наружный диаметр статора D_а принимают в зависимости от выбранной высоты оси вращения.

Приведенные в справочных таблицах наруж­ные диаметры статоров для каждой из h нормализированы и соответст­вуют, например, данным серии асинхронных машин 4А. В процессе проектирова­ния новых машин они могут быть изменены, однако при выбранном значении h изменение D_a в мень­шую сторону нецелесообразно, так как при этом возрастут электромаг­нитные нагрузки. Увеличение D_a при той же h требует тщательной конструкторской и технологической проработки, доказывающей воз­можность такого изменения.

Внутренний диаметр статора D в общем случае может быть опреде­лен по наружному диаметру, высо­там ярма и зубцов статора:

,

где h_z – расчетная высота зубца паза, мм.

На данном этапе расчета разме­ры h_a и h_z неизвестны. Поэтому для определения D используют эмпири­ческие зависимости, основанные на следующем.

При одном и том же уровне ин­дукции на участках магнитопровода в машинах с одинаковым D высо­та ярма статора будет пропорцио­нальна потоку, а следовательно, об­ратно пропорциональна числу полюсов машины (прямо пропорциональна полюсному делению), что дает возможность для моделирования этих параметров.

Сечение эффективных проводни­ков – q_эф1, определяют, исходя из тока одной параллельной ветви и допус­тимой плотности тока в обмотке:

, мм²,

где I_1н – ток одной параллельной ветви, А;

J₁ – допустимая плотность тока в обмотке, А/мм²;

а – число параллельных ветвей эффективных проводни­ков.

С точки зрения повышения ис­пользования активных материалов плотность тока J₁ должна быть вы­брана как можно большей, но при этом возрастают потери в меди об­мотки. Увеличение потерь сказыва­ется, во-первых, на повышении температуры обмотки и, во-вторых, на КПД двигателя. В асинхронных двигателях общего назначения при принятой в них системе косвенного охлаждения влияние плотности то­ка на нагрев обмотки более сущест­венно, чем на КПД. На этом осно­вании определены качественные за­висимости допустимой плотности то­ка в обмотках различных машин. Она повышается с уменьшением га­баритов машины, с увеличением допустимого нагрева обмотки при переходе на другой, более высокий класс нагревостойкости изоляции и с повышением интенсивности охлаж­дения (например, в машинах защи­щенного исполнения по сравнению с закрытыми обдуваемыми двигате­лями).

Нагрев пазовой части обмотки зависит от произведения линейной нагрузки на плотность тока (AJ). Поэтому выбор допустимой плотно­сти тока производят с учетом линей­ной нагрузки двигателя:

.

Правильный выбор воздушного зазора δ также во многом определяет энергетические показатели асин­хронного двигателя. Чем меньше воздушный зазор, тем меньше его магнитное сопротивление и магнит­ное напряжение, составляющее ос­новную часть суммарной магнитодвижущей силы (МДС) маг­нитной цепи всей машины. Поэтому уменьшение зазора приводит к со­ответственному уменьшению МДС магнитной цепи и намагничивающе­го тока двигателя, благодаря чему возрастает его cosφ и уменьшаются потери в меди обмотки статора. Но чрезмерное уменьшение δ приводит к возрастанию амплитуд пульсаций индукции в воздушном зазоре и, как следствие этого, к увеличению по­верхностных и пульсационных по­терь. Поэтому КПД двигателей с очень малыми зазорами не улучша­ется, а часто даже становится меньше.

В современных асинхронных двигателях зазор выбирают, исходя из минимума суммарных потерь. Так как при увеличении зазора по­тери в меди возрастают, а поверх­ностные и пульсационные уменьша­ются, то существует оптимальное со­отношение между параметрами, при котором сумма потерь будет наи­меньшей. Такие расчеты проводят на ЭВМ по оптимизационным про­граммам. При учебном проектиро­вании величину воздушного зазора следует выбирать, руководствуясь данными выпускаемых двигателей либо следующими приближенными формулами.

Зависимость воздушного зазора от внутреннего диаметра статора у двигателей серии 4А приведена на рис.4.14.

Поверхностные и пульсационные потери в двигателях зависят не только от амплитуд, но и от часто­ты пульсаций индукции в воздуш­ном зазоре. В быстроходных двига­телях частота пульсаций больше, чем в тихоходных, так как она про­порциональна частоте вращения. Для уменьшения этого вида потерь δ в быстроходных двигателях вы­полняют большим, что уменьшает амплитуду пульсаций. В крупных высоковольтных дви­гателях воздушный зазор также вы­полняют большим, обычно 1, 5 – 2, 0 мм. В высоковольтных машинах применяют только открытые пазы на статоре и при малых зазорах это может привести к большим пульса­циям индукции.

Воздушный зазор, полученный по эмпирическим формулам или из графиков, следует округлять до 0, 05 мм при δ < 0, 5 мм и до 0, 1 мм при δ > 0, 5 мм. Например, зазор вы­бирают равным 0, 35; 0, 4; 0, 45; 0, 5; 0, 6 мм и т.д.

 

Рис. 4.14. К моделированию воздушного зазора

Выбранный по приведенным ре­комендациям воздушный зазор, как правило, превышает минимально до­пустимый по механическим услови­ям. Однако все же необходимо про­вести механический расчет вала проектируемого двигателя. Прогиб вала не должен быть больше 10% воздушного зазора.

При любой конфигурации паза уменьшение ширины верхней части стержней и увеличение их высоты приводят к увеличению пу­скового момента, но одновременно увеличивается коэффициент магнит­ной проводимости паза и растет ин­дуктивное сопротивление обмотки ротора. Это в некоторых случаях может играть положительную роль – как фактор, ограничивающий пусковые токи, но в то же время увеличение индуктивного сопротив­ления ротора приводит к ухудшению коэффициента мощности при номинальном режиме работы и к сниже­нию величины максимального момента М_max.

То же характерно для двигателей с двухклеточными роторами, имею­щими большие пусковые моменты, но низкие коэффициенты мощности при номинальном режиме, так как поток пазового рассеяния в пере­мычке между стержнями рабочей и пусковой клеток достигает больших значений. Поэтому для обеспечения высоких энергетических показате­лей номинального режима следует прежде всего ориентироваться на пазы ротора с широкой верхней ча­стью – грушевидные. Пазы других форм (прямоугольные, фигурные) или двойную клетку при­меняют только в тех случаях, когда пусковые характеристики двигателя с ротором, имеющим грушевидные пазы, не удовлетворяют требовани­ям, поставленным в техническом за­дании.

Для расчета размеров трапецеи­дальных сужающихся в верхней части пазов целесообразно исполь­зовать графоаналитический метод, который был использован при разработки программы.

В большинстве двигателей с вы­сотой оси вращения h ≥ 250 мм вы­полняют аксиальные каналы с целью некоторого улучшения условий ох­лаждения ротора и снижения его массы и момента инерции. В двига­телях серии 4А при h = 250 мм акси­альные каналы располагают в од­ном ряду, их число m_к2 =10, а диаметр d_к2 = 15 ÷ 30 мм. В двигателях с высотой оси враще­ния h = 280 ÷ 355 мм в одном ряду располагают 12 каналов диаметром d_к2 = 20 ÷ 30 мм. В двигателях с h > 355 мм число каналов уменьша­ют до 9, а диаметр увеличивают до 55 – 100 мм. Во всех перечисленных примерах большие значения d_к2 от­носятся к двигателям с большим числом 2р. Аксиальные каналы мо­гут быть расположены в одном ряду или при больших диаметрах ротора в двух рядах.

Радиальные каналы в сердечни­ке ротора, так же как и в статоре, выполняются лишь при длине сер­дечника, превышающей 0, 25 – 0, 3 м. В таких роторах необходимо преду­сматривать выполнение также и ак­сиальных каналов, которые служат для прохода охлаждающего воздуха к радиальным каналам. Наличие каналов, их диаметр и расположение оказывают влияние на магнитное напряжение ярма ро­тора и должны быть учтены при расчете магнитной цепи.

При расчете магнитной цепи проектируемого двигателе необходимо особое внимание уделить правильному определению величины намагничивающего тока. Он определяется по следующей зависимости:

, А,

где F_ц – суммарное магнитное напряжение магнитной цепи машины (на пару полюсов), А;

w₁ – число витков в фазе обмотки;

m₁ – число фаз (задается в задании на проектирование);

k_об1 – величина обмоточного коэффициента.

Намагничивающий ток выражается также в процен­тах или долях номинального тока:

где I_1н – номинальный ток обмотки статора, А.

Относительное значение  слу­жит определенным критерием пра­вильности произведенного выбора и расчета размеров и обмотки дви­гателя (рис. 4.15). Так, если при проектирова­нии четырехполюсного двигателя средней мощности расчет показал, что  < 0, 20 ÷ 0, 18, то это свиде­тельствует о том, что размеры ма­шины выбраны завышенными и ак­тивные материалы недоиспользова­ны.

Такой двигатель может иметь высокие КПД и cosφ, но плохие показатели расхода материалов на единицу мощности, большую массу и габариты.

Если же в аналогичном двигате­ле  > 0, 30 ÷ 0, 35, то это означает, что либо его габариты взяты мень­шими, чем следовало, либо непра­вильно выбраны размерные соотно­шения участков магнитопровода. Двигатель будет иметь низкие КПД и cosφ. В разрабатываемой программе предусмотрена проверка правильности определения величины намагничивающего тока и существует возможность варьирования этой величиной с целью получения более оптимальных параметров (рис. 4.15).

В небольших двигателях мощ­ностью менее 2 – 3 кВт, может достигать значения 0, 5 – 0, 6, несмо­тря на правильно выбранные раз­меры и малое насыщение магнито­провода. Это объясняется относи­тельно большим значением магнит­ного напряжения воздушного зазора, характерным для двигателей малой мощности.

При расчете параметров асинхронной машины для номинального режима работы следует учитывать, что с увеличением нагрузки увеличива­ется поток рассеяния и в связи с этим из-за возрастания насыщения отдельных участков магнитопровода полями рассеяния уменьшаются индуктивные сопротивления x₁ и х₂. Параметрами асинхронной ма­шины называют активные и индук­тивные сопротивления обмоток ста­тора x₁, r₁, ротора х₂, r₂, сопротив­ление взаимной индуктивности x₁₂ и расчетное сопротивление r₁₂ (или r_2μ ), введением которого учитывают влияние потерь в стали статора на характеристики двигателя.

В программе проектирования электрической машины в этом блоке предусмотрен ряд проверок исключающих появление указанных ошибок и позволяющих правильно скорректировать рассчитываемые параметры с точки зрения их оптимизации (рис. 4.16).

Увеличение скольжения в двига­телях с короткозамкнутым ротором приводит к возрастанию действия эффекта вытеснения тока, что вы­зывает изменение сопротивлений обмотки ротора г₂ и х₂. При расчете рабочих режимов машины в преде­лах изменения скольжения от холо­стого хода до номинального эти из­менения незначительны и ими обыч­но пренебрегают.

Рис. 4.15. Расчет магнитной цепи и выбор величины

Намагничивающего тока

Рис. 4.16. Заключительный этап блока расчета

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: