Выбор внешнего и внутреннего диаметра статора, электромагнитных нагрузок, длины статора и ротора

Выбор внешнего и внутреннего диаметра статора, электромагнитных нагрузок, длины статора и ротора

Техническое задание определило исходные параметры для проектирования двигателя: Р_2ном=18 [кВт]; U_1фном=220 [В]; n₁=750 [мин^-1]; m₁=3; f₁=50 [Гц];

схема соединения фаз обмотки статора - звезда; горизонтальный вал; защищенное исполнение с самовентиляцией; продолжительные условия работы; климатические условия эксплуатации - У2; общепромышленное применение двигателя; класс нагревостойкости изоляции – F.

В соответствии с заданной синхронной частотой вращения магнитного поля машины находим нужное число полюсов на статоре:

p ;

2p=8.

Из [1] при заданной мощности Р_2номи 2р=8 по кривой рис.1 находим рекомендуемую высоту оси вращения h=180 [мм]. Учитывая требования стандарта к размерам листов электротехнической стали, из табл.1: выбираем стандартную высоту оси h=200 [мм], при этой высоте рекомендован наружный диаметр статора D₁ =0.349 [м].

Внутренний диаметр статора d₁ находим из соотношения d₁=Kg* D₁; при 2р=8 рекомендован Kg=0.64-0.68 принимаем Kg=0.66; тогда d₁=0.23[м].

Находим часть окружности статора, приходящуюся на один полюс: [м].

Определяем мощность, потребляемую двигателем из сети при номинальной механической нагрузке на валу:

Р_1ном= , где Ке=Е_1фном/U_1фном находим из кривой рис.2;

при 2р=8 и D₁=0.349 [м] находим Ке=0.96; предварительное значение коэффициента полезного действия =0.85-0.9; принимаем =0.85; тогда

P_1ном= =20.33 [кВт].

Находим рекомендованную величину линейной токовой нагрузки, приходящейся на единицу длины окружности статора из [1]: при D₁=0.349 [м], и 2р=8 по кривой, приведенной на рис.3 находим А₁ = [А/м]. Из кривой, приведенной на рис.4 при D₁=0.349 и 2р=8 находим величину магнитной индукции в воздушном зазоре; В_б=0.86 [Тл]. Главные размеры машины зависят от произведения А₁ и В_б, а характеристики двигателя зависят от соотношения между А₁ и В_б.

При выбранном соотношении А₁ и В_б расчетная длина сердечника статора определится из выражения:

l₁= ,

где коэффициент формы кривой магнитного поля К=1.1,

₁= [c^-1];

обмоточный коэффициент K₀₁=0.91;

тогда

l₁=20.33*10³/0.23²*78.5*1.1*0.91*35*10³*0.86=0.16248 [м].

Проверяем соотношения l₁и : =l₁/ =0.16248/0.0905=1.6, это соотношение при 2р=8 близко к единице. При отсутствии радиальных вентиляционных каналов между пакетами сердечника статора осевая длина стали статора приравнивается полученной длине l_1.Сердечник ротора тоже будет собран в один пакет, поэтому его осевая длина l₁= l₂.

Величину воздушного зазора между статором и ротором находим из выражения:

=(0.25+d₁)*10^-3=(0.25+230)*10^-3=230.25*10^-3;

округляем до 0.230 [мм]. Прогиб вала машины не должен превышать 10% от величины воздушного зазора.

Расчет конструктивных параметров обмотки статора

Для заданной мощности машины принимаем всыпную обмотку статора из круглых изолированных проводников. Чтобы найти число пазов в сердечнике статора, предварительно задаем длину зубцового деления t₁. Рекомендуемое t₁ для всыпных обмоток находим из кривой, приведенной на рис.5. При известной величине =0.0905 [м] находим t₁=10 [м]. Отсюда число пазов в сердечнике статора определим по формуле:

Z₁=p*d₁/t₁=3.14*230/10=72.

Из возможных вариантов Z₁выбираем такое число, при котором число пазов, принадлежащих одной фазе и расположенных под одним полюсом, было целым числом: q₁=Z₁/2p*m₁=3 - целое число. Тогда Z₁=2p*m₁*q_1,рекомендуемое q₁=2-5; чаще всего q=3-4, принимаем q₁=3; Z₁=72. Проверяем:

t₁=p*d₁/Z₁=3.14*230/72=10.03 [мм];

отношение рекомендуемого t₁ и полученного 0.03, разница не превышает 0.4 %.

Число эффективных проводников в одном пазу должно быть целым числом: u_n1=целое число;

u_n1=p*d₁*A₁/I₁_фном_*Z₁;

I₁_фном= [A].

Предварительное значение cos находим из кривой рис.6 по [1]: при заданной P_2ном и 2р=8 получаем cos _1ном=0.83. Тогда: u_n1=3.14*0.23*35*10³/37.11*72=9.46; округляем до u_n1=10.

Уточнение ранее принятых параметров статора

Число витков в фазах обмотки статора:

m₁*W₁=3W₁= u_n1*Z₁/2=10*72/2=360;

это должно быть целое число. Число витков в одной фазе обмотки статора: W₁=m₁*W1/m1-целое число; W1=120;

Число витков, включенных в одной фазе последовательно: Wa=u_n1*Z₁/2*m₁=120; W_a=W₁=целое число. Проверяем линейную токовую нагрузку по длине окружности ротора: А₁= 2*I_1фном* W₁* m₁/ p*d₁=2*37.11*120*3/3.14*0.23=36 [А/м]; сравнение с ранее принятой 35 показывает, что разница не превышает 3 %.

Магнитный поток на пару полюсов:

Ф=Е₁/4, 44*W₁*K₀₁*f₁;

K_e=E₁_фном/U₁_фном=0.96; K₀₁=0.91;

E₁_фном=U₁_фном*K_e=220*0.96=211.2[В];

Ф=211.2/4.44*120*0.91*50=0.0087 [Вб];

К₀₁=К_р1*К_у1.

Магнитная индукция в воздушном зазоре:

В_б=Ф/а_б*т*l₁; а_б=0.64-0.7;

принимаем а_б=0.67;

В_б=0.0087/0.67*0.0905*0.16248=0.88[Тл], что близко к ранее принятой индукции.

Исходные параметры для расчета характеристик

Расчет рабочих характеристик проведем с использованием Г-образной схемы замещения фазы машины, представленной на рис. 17. Расчет параметров проводим для практического диапазона работы двигателя: от S=0 до 1.4 S_ном. Расчет процесса пуска от S=1 до S_ном требует учета изменения некоторых параметров схемы замещения и проводится отдельно в конце раздела.

Исходные данные, необходимые для проведения расчета рабочих характеристик: Р_2ном=18 [Вт]; U_1фном=220 [В]; 2р=8; I_1фном=37.11 [А];

(DР_с1+DР_мех+DР_сg)=948.7+40.8+1191.92=2181.42 [Вт]; С₁=1+X₁/X₁₂=1+0.015/22=1; DР_gном =101.65 [Вт]; I_оа=4.6 [А]; I_ор=10 [А]= I_m; R₁=0.19 [Ом]; R¹₂=0.12 [Ом];

а=С₁*R₁=1*0.19=0.19 [Ом]; а¹=С₁²=1;

в=С₁*(X₁+С₁*X¹₂)=1*(0.015+1*0.87)=0.885 [Ом]; в¹=0. Предварительно принимаем S_ном=R¹_2*=0.02. Для проведения расчета в заданном диапазоне задаем конкретную величину скольжения S=0.005, 0.01, 0.015, 0.022, 0.025, 0.03. После проведения расчетов уточним величину S_ном, соответствующую P_2ном по кривой S=f(P₂).

Выбор системы вентиляции

Для проектируемого двигателя принимаем искусственную вентиляцию, самовентиляцию. При этом охлаждение активных и конструктивных деталей машины производится потоком охлаждающего воздуха, всасываемым вентилятором, размещенным на роторе. Вытяжная система вентиляции обладает преимуществом перед нагнетательной системой в том, что в машину попадает холодный воздух; нет подогрева воздуха при прохождении его через вентилятор. Воздух поступает в машину через патрубок, движется вдоль оси машины, охлаждая поверхность статора и ротора. В двигателе с литой алюминиевой беличьей клеткой вентиляционные лопатки составляют одно целое с коротко замыкающими кольцами клеток.

Вентиляционный расчет определяет количество воздуха, которое необходимо прогонять через машину для поддерживания необходимой температуры деталей, и давление этого воздуха (его напор), обеспечивающее прохождение требуемого количества воздуха через воздуховоды. Подаваемый воздух должен отводить все потери мощности, выделяющиеся при работе двигателя и греющие детали конструкции.

Расчет и выбор подшипников

По данным 1 выбираем подшипники. Принимаем шарикоподшипники радиальные однорядные легкой серии. Шарикоподшипник показан на рис. 22. Его параметры: марка 211, диаметр под вал - 75 [мм], внешний диаметр - 130 [мм], ширина – 25 [мм], динамическая грузоподъемность - С=56000 [Н], статическая грузоподъемность - С₀=44500 [Н], максимальная частота вращения - 4000 [мин^-1], левый и правый подшипники одинаковые. На рис. 22 приведена схема для определения радиальных реакций в подшипниках.

Из уравнений равновесия сил относительно опор А и В находим радиальные реакции в подшипниках: R_a(a+в)-G_p*в=0; R_в(a+в)-G_p*в=0; a=в=126.24 [мм];

G_p=553.53 [H];

R_a=G_p*в/(a+в); R_в=G_p*в/(a+в); R_а= [H]; R_в= [H]. Приведенную динамическую нагрузку принимаем Q= к*R [H], где для машины общепромышленного назначения к=2. Тогда Q=553.53 [H].

8.3 Выбор муфты для соединения рабочего конца вала с приводным механизмом

Для соединения рабочего конца вала двигателя (с диаметром d=80 [мм]) с валом приводного механизма по 1 выбираем из табл.11 упругую муфту типа МУВП7. Муфта показана на рис.24. Основные данные выбранной муфты: максимальный вращательный момент - 1324 [Hм]; минимальный диаметр под вал - 40 [мм]; максимальный диаметр под вал – 50 [мм];

наружный диаметр муфты – 225 [мм]; диаметр, проходящий через оси соединительных пальцев - 160 [мм]; диаметр пальца – 24 [мм]; число пальцев - 8; осевая длина одной из составляющих муфты (всего две части муфты) - 112 [мм].

Поперечную силу F_n, отражающую воздействие соединительной муфты на вал двигателя и приложенную к рабочему концу вала, найдем из выражения:

F_n=К_п*М_ном/R[H], где М_ном- номинальный вращающийся момент на валу двигателя, [Hм]; степень воздействия упругой муфты- К_п=; радиус осей соединительных пальцев – R= [мм]; F_n= [H]. Эта сила создает дополнительный прогиб вала посреди участка с магнитопроводом. Первоначальное смещение ротора происходит из-за неточности обработки деталей, износа подшипников в процессе эксплуатации, прогиба вала от действия силы веса ротора вместе с валом. При расчете реакций опор в подшипниках R_в и R_а следует учитывать влияние силы F_n на величину радиальных усилий. Расчет этих усилий с учетом F_n показал, что нагрузка подшипников не превышает допустимой.

ВЫВОДЫ

1. Разработана конструкция, рассчитаны линейные размеры деталей, определены электрические, магнитные и механические нагрузки материала деталей асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Сводные расчетные параметры спроектированного двигателя: U_1фном=220 В; Cos _1ном=; Р_2ном=18

кВт; I_1фном= А; n_ном= мин^-1; _ном= %; осевая длина двигателя с рабочим концом вала- l₃₀= мм; наружный диаметр станины- d₃₀= мм; длина рабочего конца вала – l₁= мм; высота оси вращения от фундамента- h= мм. Спроектированный двигатель по своим параметрам не уступает серийно выпускаемому той же мощности и соответствует всем отраслевым стандартам.

2. При разработке конструкции применены современные проводниковые, магнитные, электроизоляционные и конструктивные материалы, что позволило сохранить габаритные и установочно – присоединительные размеры спроектированного двигателя в пределах серийного выпускаемого.

3. Результаты электромагнитного, вентиляционного, теплового и механического расходов двигателя подтверждают работоспособность, долговечность и эксплутационную надежность спроектированного двигателя.

4. Рабочие и пусковые характеристики спроектированного двигателя соответствуют типовым характеристикам и удовлетворяют требованиям к предельным значениям вращающего момента и пускового тока, а также параметрам двигателя при номинальной механической нагрузке на валу.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Проектирование электрических машин: Учеб. Пособие для вузов /

И. П. Копылов, Ф.А. Горямнов, Б.К. Клоков и др.; Под ред. И.П. Копылова- М.: Энергия. – 1980. – 496 с.

2. Проектирование электрических машин: Учеб. Пособие для вузов /

И. П. Копылов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев;

Под ред. И.П. Копылова- 3-е изд. испр. и допл.-М.: Высшая школа./- 2002. – 757 с.

3. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник/ А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболецкая. – М.: Энергоиздат.-1982.-504 с.

4. Справочник по электрическим машинам/ Под ред. И.П. Копылова; Б.К. Клокова.- М.: Энергоатомиздат.-1988.- 456 с.

5. Калинкин В.С. и Карельская Н.Т. Курсовое проектирование по технологии электромашиностроения: Учеб. Пособие для техникумов.-М.: Высшая школа.-1989.- 360 с.

6. Кацман М.М. Расчет и конструирование электрических машин: Обмоточные данные. Ремонт.Модеонизация: Справочник.-М.: Энергоатомиздат.-1984.-360 с.

7. Петриков Л.В. Корначенко Г.Н. Асинхронные электродвигатели: Обмоточные данные. Ремонт.Модеонизация: Справочник.-М.: Энергоатомиздат.-1988.-496с.

8. Автоматизированное проектирование электрических машин: Учеб. Пособие для вузов / Под. Ред. Ю.Б. Бородулина.-М.: Высшая школа.-1989.-309с.

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка к курсовому проекту по дисциплине «Электрические машины»: с., разделов 8, рис. 9, табл. 1, перечень ссылок из 8 наименований.

Объектом курсового проекта явился асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором, предназначенный для применения во всех отраслях промышленности Украины.

Предметом проекта явились расчетные параметры асинхронного двигателя, характеризующие основные размеры его деталей и конструктивное устройство, электрические, магнитные и механические нагрузки деталей, позволяющие изготовить работающую и надежную электрическую машину.

Целью курсового проекта явилась разработка конструкции двигателя, соответствующую исходным данным, учитывающей состояние современного отечественного и зарубежного электромашиностроения, требования к конструктивному исполнению и технологии промышленного изготовления машин, обеспечивающей высокую степень использования активных и конструктивных материалов, минимальную стоимость двигателя при заданной долговечности.

В курсовом проекте разработано: конструктивное исполнение деталей, их линейные размеры при заданных или рассчитанных нагрузках; выбраны материалы для отдельных деталей; просчитаны электрические, магнитные и механические нагрузки материала всех деталей, которые сопоставлены с предельно допустимыми; сделан вентиляционный и тепловой расчеты машины; проверена степень использования электрической энергии при ее преобразовании в механическую энергию.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ, ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК, АСИНХРОННЫЙ КОРОТКОЗАМКНУТЫЙ РОТОР, КОНСТРУКЦИЯ, РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ.

СОДЕРЖАНИЕ с:

ВВЕДЕНИЕ_{------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------}2

1 ВЫБОР ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ И ЭЛЕКТРОМАГИТНЫХНАГРУЗОК_-----------3

1.1 Выбор внешнего и внутреннего диаметра статора, электромагнитных нагрузок, длины статора и ротора_-_{--------------------------------------------------------------------------------------}

1.2 Расчет конструктивных параметров обмотки статора_{------------------------------------------}

1.3 Уточнение ранее принятых параметров статора_{-----------------------------------------------------}

1.4Форма и размеры паза статора, заполнение паза_{------------------------------------------------------}

1.5Расчет конструктивных параметров ротора_{----------------------------------------------------------------}

1.6 Форма и размеры паза ротора, заполнение паза_{-------------------------------------------------------}

1.7 Уточнение ранее принятых параметров ротора_{-------------------------------------------------------}

1.8 Расчет размеров короткозамыкающего кольца_{---------------------------------------------------------}

2 РАСЧЕТ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ МАШИНЫ_{---------------------------------------------------------------------------}

2.1Эскиз магнитной цепи, линейные размеры участков_{----------------------------------------------}

2.2Расчет магнитных напряжений на участках магнитной цепи_{------------------------------}

2.3 Определение намагничивающего тока_{-------------------------------------------------------------------------}

3 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ФАЗЫ МАШИНЫ_{----------------------}

3.1Расчет активного сопротивления фазы обмотки статора_{---------------------------------------}

3.2 Расчет активного сопротивления фазы короткозамкнутого ротора_{------------------}

3.3 Расчет индуктивного сопротивления фазы обмотки статора_{------------------------------}

3.4 Расчет индуктивного сопротивления обмотки ротора_{-------------------------------------------}

3.5 Определение индуктивного сопротивления взаимной индукции_{---------------------}

3.6 Относительные значения найденных параметров_{---------------------------------------------------}

4 РАСЧЕТ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ_{-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------}

4.1 Электрические потери мощности в обмотках статора и ротора_{-------------------------}

4.2Основные потери мощности в стали сердечника статора_{--------------------------------------}

4.3Расчет добавочных потерь мощности в стали машины_{------------------------------------------}

4.4Механические и вентиляционные потери мощности_{----------------------------------------------}

4.5Добавочные потери мощности при номинальной нагрузке_{----------------------------------}

4.6Определение коэффициента полезного действия, тока холостого хода двигателя_{----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------}

5 РАСЧЕТ И ПОСТРОЕНИЕ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ_{-----------------}

5.1 Исходные параметры для расчета характеристик_{----------------------------------------------------}

5.2 Последовательность расчета необходимых параметров_{---------------------------------------}

5.3 Расчет параметров для номинальной нагрузки на валу_{-----------------------------------------}

5.4 Расчет и построение пусковых характеристик двигателя_{-------------------------------------}

6 ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЕТ_{---------------------------------------------------------------------------------------------------}

6.1 Выбор системы вентиляции_{---------------------------------------------------------------------------------------------}

6.2 определение основных параметров вентиляционной системы_{---------------------------}

7 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ МАШИНЫ_{------------------------------------------------------------------------------------------------}

7.1 Перепад температуры по толщине изоляции обмотки статора_{--------------------------}

7.2 Превышение температуры сердечника и обмотки статора_{----------------------------------}

7.3 Превышение температуры сердечника и обмотки ротора_{------------------------------------}

8 МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ КОНСТРУКЦИИ_{-----------------------------------------------}

8.1 Расчет вала машины на жесткость и прочность_{------------------------------------------------------}

8.2 Расчет и выбор подшипников_{-----------------------------------------------------------------------------------------}

8.3 Выбор муфты для соединения рабочего конца вала с приводным механизмом ____________________________________________________________

ВЫВОДЫ_-_{-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------}

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК_{---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------}

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине « Электрические машины»

Тема проекта:

«АСИНХРОННЫЙ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ»

Руководитель проекта:

ассистент кафедры «Электротехника и электрооборудование», кандидат технических наук И. П. Кутковой

« __» 2006

Разработчик проекта:

студент группы ЭСА-03-2

Шамшура С.С.