Асинхронный двигатель

 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Электрические машины применяются  во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве и в быту. Они выпускаются 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 электрических машин требует глубоких знаний и высокого профессионального мастерства.

В данном курсовом проекте необходимо разработать асинхронный двигатель  с фазным ротором со следующими параметрами:

1. Полезная мощность: P₂ = 2.2 кВт;
2. Число полюсов: 2p = 4;
3. Номинальное напряжение: ;
4. Частота сети: f = 50 Гц;
5. Степень защиты: IP23;
6. Исполнение по монтажу: IM3001;
7. Марка стали: 2412.

Выбрать оптимальный вариант можно, сопоставив многие варианты расчета. Поэтому  без применения ЭВМ не обходится  ни один серьезный расчет электрических машин.

В данном курсовом проекте  все расчета ведутся на ЭВМ, включая  все расчеты и построение рабочих  и пусковых характеристик.

В данном курсовом проекте  по существующей методике расчета электрических  машин составлена программа расчета асинхронного двигателя с фазным ротором. 

 

 

1 Выбор конструкции асинхронного  двигателя

 

При проектировании асинхронного двигателя с фазным ротором с  заданными техническими характеристиками в качестве базовой модели выбираем конструкцию двигателя АИР.

Проектируемый двигатель представляет собой машину без лап, с фланцем, вал горизонтальный с цилиндрическим концом. Корпус двигателя выполнен из алюминия. Степень защиты IP23 – это защита от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями машины пальцев человека и твёрдых тел диаметром более 12 мм. Исполнение IP23 предусматривает защиту от проникновения внутрь машины капель, падающих под углом 60⁰.

Магнитопровод статора выполняют  шихтованным, из целых листов электротехнической стали 2412 толщиной 0.5 мм. По внутренней поверхности магнитопровода для размещения обмотки статора штампуют пазы трапециидальной формы. Для изоляции листов друг от друга их после снятия заусенцев лакируют. Для предотвращения деформации (распушения) относительно тонких листов торцевые листы выполняют более толстыми. Собранный таким образом магнитопровод прессуют и скрепляют по внешнему диаметру П – образными скобами

Штамповка листов ротора собирают из высечки листов статора. Сердечник ротора насаживают на гладкий  вал без шпонки. Изготовленный сердечник ротора с валом протачивают по наружному диаметру для обеспечения необходимого воздушного зазора между сердечниками ротора и статора. В роторе использованы трапециидальные полузакрытые пазы.

В двигатели применены металлографитные щётки марки МГ, т.к. они применяются в низковольтных генераторах и контактных кольцах.

В машине выполнена однослойная  шаблонная обмотка статора и  ротора. Шаблонные обмотки имеют катушки одинаковой ширины и формы, которые наматываются на одном и том же шаблоне, откуда и произошло название этих обмоток. Шаблонные обмотки находят применение в асинхронных двигателях малой мощности, когда катушки наматываются из круглого провода диаметром до 2.2—2.5 мм. Катушки при этом легко деформируемы и называются мягкими. Лобовым частям таких катушек при их укладке в пазы можно легко придать необходимую форму. Катушки изготавливают из круглых проводов ПЭТ – 155 класса изоляции F (с толщиной изоляции b_из = 0.3 мм).

  

 

2 Выбор главных размеров

2.1 Выбор главных размеров электродвигателя

По рисунку 8.17,б[1, стр.274] принимаем ось вращения h = 100мм. По таблице 8.6 [1, стр.275] находим для данной оси вращения внешний диаметр статора D_a = 0.17 м. По таблице 8.7 [1, стр.276] для 2p = 4 находим K_D – характеризующего отношение внутреннего и внешнего диаметров сердечников статора асинхронных двигателей при различных числах полюсов K_D = 0.64.

Определим внутренний диаметр D, проектируемой машины по формуле 8.2 [1, стр.275]:

                        ,                      (1)

 м

Находим полюсное деление  ,м по формуле 8.3 [1, стр.276]:

                        ,                       (2)

 м

Определим расчётную мощность P^’, ВА по формуле 8.4 [1,стр.276]:

                     

,                  (3)

где

P₂ – мощность на валу двигателя, кВт;

K_E – отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению;

η – КПД двигателя;

Cosφ – косинус угла.

Cosφ и η определяем по рисунку 8.21,а [1, стр.277]. Cosφ = 0.82 и η = 0.84. K_E определяем по рисунку 8.20 [1, стр. 276]. K_E = 0.965.

 

 кВА

Найдём расчётную длину  магнитопровода ℓ_δ, м по формуле 8.6 [1,стр.279]:

              

,                (4)

 

где

Ω – синхронная угловая скорость двигателя;

K_B - коэффициент формы поля;

K_ОБ1 – обмоточный коэффициент;

A – электромагнитная нагрузка асинхронного двигателя, А/м;

B_δ – индукция, Тл.

                         ,                      (5)

 рад/с

K_B и K_ОБ1 принимаем предварительно: K_B = 1,1 и K_ОБ1 = 0.95.

A и Bδ принимаем по рисунку 9.4 [3, стр.120]: A = 18.5*10³ А/м, Bδ = 0.87 Тл.

Тогда м.

Определим правильность выбора главных размеров, использую отношение:

                               

,                         (6)

Значение λ = 1.137 находится в допустимых пределах по рисунку 8.25,б [1, стр.280].

Окончательно принимаем:

D_a = 0.17 м – внешний диаметр статора.

D = 0.109 м – внутренний диаметр статора.

h = 0.1 м – высота оси вращения

ℓ_δ = 0.097 м – расчётная длина магнитопровода.

2.2 Расчёт зубцовой зоны и  обмотки статора

Рассчитаем минимальное  и максимальное количество пазов статора. Так как обмотка из круглого провода, то диапазон возможных значений t_Z1 выбираем по рисунку 8.26 [1, стр.282].

t_Zmin = 0.009 м и t_Zmax = 0.013 м.

Тогда возможность числа  пазов статора, соответствующий  выбранному диапазону t_Z1 по формуле 8.16 [1,стр.283]:

 

                   Z_1min ÷ Z_1max =

,              (7)

 

Z_1min ÷ Z_1max =

Окончательное количество пазов статора  Z₁ = 36.

 

                        

,                       (8)

 

 

Зубцовое деление статора (окончательно):

 

                        

,                        (9)

 

 м

Определим номинальный  ток обмотки статора, А по формуле 8.18 [1, стр.284]:

 

                     

,                  (10)

 

 А

Определим предварительное число  эффективных проводников в пазу по формуле 8.17 [1, стр.284]:

 

                         

,                     (11)

 

Полученное значение пересчитаем при a = 2 – число параллельных ветвей по формуле 8.19 [1,стр.284]:

 

                                        

,                                  (12)

 

Окончательное число  витков в фазе обмотки по формуле 8.20 [1,стр.284]:

                         

,                    (13)

 

Окончательное значение линейной нагрузки по формуле 8.21 [1,стр.284]:

 

                        

,                  (14)

 

 А/м

Уточняем значение потока Ф по формуле 8.22 [1,стр.285]:

 

                      

,               (15)

 

 Вб

Определим индукцию в воздушном зазоре по формуле 8.23 [1,стр.285]:

                         

,                      (16)

 Тл

По рисунку 8.27,а[1, стр.286] выберем (AJ) = 154·10⁹ А²/м³.

Рассчитаем плотность  тока в обмотке статора (предварительно) по формуле 8.25 [1,стр.286]:

 

                         

,                         (17)

 

 А/м²

Принимаем J = 5.8·10⁶ А/м².

Сечение эффективного проводника (предварительно) по формуле 8.24 [1,стр.285]:

                        

,                         (18)

 м²

Для дальнейших расчётов необходимо принять n_эл – число элементарных проводников в пазу.

n_эл = 1

Тогда сечение элементарного проводника по формуле 8.26 [1,стр.287]:

                       

,                         (19)

 

 м²

Выбираем обмоточный провод ПЭТ  – 155, для которого по таблице П3.1 [2, стр.343]:

d_эл1 = 0.56·10^-3 м – диаметр неизолированного провода;

d_из1 = 0.615·10^-3 м – диаметр изолированного провода;

q_эф1 = 0.246·10^-6 м² – сечение элементарного проводника.

Плотность тока в обмотке статора (окончательно) по формуле 8.27 [1, стр.288]:

                      

,                        (20)

 

 А/м²

Для заданного двигателя  выбираем трапециидальные пазы на рисунке 8.29,а [1, стр.294].

По таблице 8.10 [1, стр.289] принимаем значение индукций:

B_Z1 = 1.8 Тл – значение индукции в зубцах статора;

B_a = 1.5 Тл – значение индукции в ярме статора.

По таблице 8.11 [1, стр.290], выбираем коэффициент заполнения оксидированной сталью 2412: K_c = 0.97.

Ширина зубца статора по формуле 8.29 [1, стр.288]:

 

                   

,                  (21)

 

 м

Определим высоту ярма статора по формуле 8.28 [1, стр.288]:

 

                    

,                      (22)

 

 м

 

Рисунок 1 – Паз статора

 

Размеры шлица паза статора:

b_ш = 3·10^-3 м – ширина шлица;

h_ш = 0.5·10^-3 м – высота шлица;

Находим размеры паза в  штампе.

Определим высоту паза по формуле 8.31 [1, стр.290]:

                   ,                          (23)

 м

Нижняя ширина паза:

                ,                       (24)

 м

Верхняя ширина паза:

               ,                   (25)

 м

Высота клиновой части  паза:

                      ,                           (26)

 м

                   ,                         (27)

 м

Выберем припуски:

Δb_п = 0.1·10^-3 м;

Δh_п = 0.1·10^-3 м.

Рассчитаем размеры  паза на свету с учётом припуска на сборку:

 

                          

,                          (28)

 

Толщина изоляции в пазу берём из таблицы 3.1 [1,стр.74]       b_из = 0.3·10^-3м.

Площадь корпусной изоляции по формуле 8.46 [1, стр.297]:

 

                         

,                   (29)

 

 м²

 

Площадь прокладок в  пазу S_пр = 0 м².

Площадь поперечного сечения в пазу для размещения проводников по формуле 8.48 [1, стр.298]:

 

                 

,                 (30)

 

 м²

Рассчитаем коэффициент заполнения паза:

                     

,                      (31)

 

 

Коэффициент заполнения паза входит в указанные рамки           (0.72 <K_з< 0.74).

Уточняем размеры зубцов статора.

 

                   

,                 (32)

 

 м

                      

,                   (33)

 м

Т.к. м, то ширину зубца принимаем равную  0.0047 м.

 

3 Электромагнитный расчёт

3.1 Расчет размеров зубцовой  зоны ротора и воздушного зазора

Величину воздушного зазора выбираем по рисунку 8.31[1,стр.300]: δ = 0.25·10^-3.

Рассчитаем внешний  диаметр ротора:

 

                        

,                       (34)

 

 м

Рассчитаем зубцовое деление ротора.

Число пазов на полюс и фазу задаём равным q₂=q₁-1, тогда q₂=2. Тогда число пазов в роторе:

 

                        

,                        (35)

                        

,                         (36)

 

Напряжение на контактных кольцах  ротора U_КК = 150÷250 В, выбираем U_КК = 230 В.

Рассчитаем U_2ном:

                        

,                        (37)

 В

Число витков в фазе (предварительно) по формуле 8.52 [1,стр.302]:

 

                       

,                       (38)

 

Число эффективных проводников  в пазу по формуле 8.53 [1,стр.302]: