Асинхронный двигатель 4А200L4У3 с короткозамкнутым ротором

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

Реферат

Условные обозначения

Введение

1. Выбор главных размеров

2. Расчёт обмоток статора

3. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

4. Расчёт ротора

5. Расчёт намагничивающего тока

6. Параметры рабочего режима

7. Расчёт потерь

8. Расчёт рабочих характеристик

9. Расчёт пусковых характеристик

10. Тепловой расчёт

11. Вентиляционный расчёт

12. Масса активных материалов и показатели их использования

Выводы

Список использованных источников

РЕФЕРАТ

Объектом расчёта и конструирования является асинхронный двигатель 4А200L4У3 с короткозамкнутым ротором. Исходными данными к расчёту являются: номинальная мощность Р_н=55 кВт, номинальное напряжение U_н=220/380 В, cos_н=0.9, синхронная частота вращения n₁=1500 об/мин, частота напряжения сети f=50 Гц, _н=0.92 .

Цель работы: сконструировать и рассчитать асинхронный двигатель 4А200L4У3 с короткозамкнутым ротором по заданным исходным характеристикам, установленным в соответствии с требованиями государственных и отраслевых стандартов.

В качестве базовой модели принимается асинхронный двигатель серии 4А с короткозамкнутым ротором. Конструктивное исполнение по способу монтажа IM1001. Исполнение по степени защиты - IP44, категория климатического исполнения - У3, изоляция класса нагревостойкости F, режим работы - продолжительный.

Для данного двигателя применяется сталь марки 2013 в соответствии с ГОСТ 21427.3-83. Сердечники статора и ротора собраны из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0.5 мм. Обмотка короткозамкнутого ротора и закорачивающие кольца выполняются алюминиевыми, обмотка статора - медной.

При проектировании были выбраны главные размеры (высота оси вращения h=200 мм, наружный диаметр статора D_а=0.349 м, внутренний диаметр статора D=0.237 м, расчётная длина воздушного зазора L=0.213 м), электромагнитные нагрузки (А=37*10³ А/м, В=0.747 Тл),

Ключевые слова: СТАТОР, РОТОР, ОБМОТКА, ПАЗ, СТЕРЖЕНЬ, КОЛЬЦО, ВИТОК, ЗУБЕЦ, ВОЗДУШНЫЙ ЗАЗОР, НАМАГНИЧИВАЮЩИЙ ТОК, ИНДУКЦИЯ, ПОТЕРИ.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

р - число пар полюсов;

D - внутренний диаметр статора;

Da - наружный диаметр статора;

Р' - расчётная мощность;

m - число фаз;

n1 - синхронная частота вращения;

f - частота питания;

Z1,2 - число пазов статора, ротора;

щ - синхронная угловая скорость;

д - воздушный зазор;

- полюсное деление;

lд - расчётная длина воздушного зазора;

t1,2 - значение зубцового деления;

I1н - ток статора при номинальной нагрузке;

А1 - значение линейной нагрузки;

Вд - индукция в воздушном зазоре;

j1 - плотность тока в обмотке статора;

qэф - сечение эффективного проводника;

hа - высота ярма статора;

Kз - коэффициент заполнения;

D2 - внешний диаметр ротора;

qc - площадь поперечного сечения стержня;

j2 - плотность тока в стержнях ротора;

qкл - площадь поперечного сечения замыкающих колец;

Fz1,2 - магнитные напряжения зубцовых зон статора , ротора;

Kz - коэффициент насыщения зубцовых зон;

Lа - длина средней магнитной линии статора;

K - коэффициент насыщения магнитной цепи;

R1 - активное сопротивление фазы обмотки статора;

Кr - коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки статора от действия эффекта вытеснения тока;

а - число параллельных ветвей обмотки;

lср - средняя длина витка обмотки;

Rкл - сопротивление короткозамыкающего кольца;

Х1 - индуктивное сопротивление обмотки статора;

Х2 - индуктивное сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора;

Рэ1,2 - электрические потери в обмотке статора, ротора;

Рст - общие потери в стали статора;

з - коэффициент полезного действия;

Iо - ток холостого хода двигателя;

Qв - требуемый для охлаждения расход воздуха;

Дх1 - среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды.

ВВЕДЕНИЕ

Асинхронные двигатели получили наиболее широкое применение в современных электрических установках и являются самым распространенным видом бесколлекторных электрических двигателей переменного тока. Объясняется это простотой конструкции, надежностью в работе и удовлетворительными рабочими характеристиками. Области применения асинхронных двигателей, составляющих основу современного электропривода, весьма широкие - от привода устройства автоматики и бытовых электроприборов до привода крупного горного оборудования. В соответствии с этим мощность асинхронных двигателей, выпускаемых электромашиностроительной промышленностью, составляет диапазон от долей ватт до тысячи киловатт при напряжении питающей сети от десятков вольт до 10 киловольт. Наибольшее применение имеют трёхфазные асинхронные двигатели серии 4А, рассчитанные на работу от сети промышленной частоты.

Серия 4А была спроектирована в 1969 - 1971 гг. и через несколько лет была внедрена в производство. В основу построения серии положены высоты оси вращения ротора (для машин с горизонтальной осью вращения) до установочной поверхности.

Серия 4А охватывает диапазон мощностей от 0.06 до 400 кВт и выполнена на 17 стандартных высотах оси вращения, причем шкала мощностей содержит 33 ступени. Основными исполнениями являются закрытое обдуваемое (4А) и защищённое (4АН). Применение изоляции класса нагревостойкости F и новых сортов электротехнической стали дало возможность повысить электромагнитные нагрузки. Это позволило увеличить мощность двигателей при тех же высотах оси вращения, что и в прежних сериях, улучшить их технико-экономические показатели.

Двигатели выполняются на следующие номинальные напряжения: 220/380 В - при мощностях от 0.06 до 0.37 кВт, 220/380 и 380/660 В - при мощностях от 0.55 до 110 кВт, 380/660 В - при мощностях более 132 кВт.

Спроектированный двигатель может быть применён для привода механизмов с неизменной частотой вращения: привода вентиляторов, насосов, транспортеров и обрабатывающих станков или других устройств, не требующих регулирования частоты вращения приводного двигателя.

1. ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ

Число пар полюсов:

Высота оси вращения:

Тогда принимаем наружный диаметр статора:

/1, стр.164, табл. 6,6/

Внутренний диаметр статора:

где К_d=0.68 /1, стр. 165, табл. 6.1/

Полюсное деление:

Расчётная мощность:

где К_е - отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, К_е=0.98

/1, стр. 169, табл. 6.8/

cos, - по /1, стр.169, рис 6.9/

Электромагнитная нагрузка по /1, стр. 166, рис 6.1/ принимаем:

линейную нагрузку: А=36*10³ А/м

индукция в воздушном зазоре: В=0.77 Тл

Обмоточный коэффициент для двухслойной обмотки (предварительно):

К_об1=0.92

Расчётная длина воздушного зазора:

где - коэффициент формы кривой поля,

- угловая скорость вала,

Отношение

Сравнив полученное значение с рекомендуемым /1, стр. 168, рис 6.14/ видим, что находится в рекомендуемых пределах.

2. РАСЧЁТ ОБМОТОК СТАТОРА

Предельное значение t₁ - зубцовое деление /1, стр. 175, рис. 6-15/:

t_1max=15,2 мм

t_1min=13.1 мм

Число пазов статора:



так как число пазов q - целое число то принимаем: Z₁=48.

где m - число паз статорной обмотки. Обмотка двухслойная.

Зубцовое деление статора (окончательное):

Число эффективных проводников в пазу (предварительно при условии, что параллельные ветви в обмотке отсутствуют, то есть а=1):

где I_1н - ток в обмотке статора:

Принимаем а=2, тогда число эффективных проводников в пазу:

Тогда окончательное значение:

число витков в фазе обмотки:

значение линейной нагрузки:

магнитный поток:

где

/ 1, стр. 69 рис. 3.11 /

/ 1. стр. 71, табл. 3.13 /

Значение А и В находится в допустимых пределах / 1. Стр. 166, рис. 6-11 /

Плотность тока в обмотке статора (предварительно):

где / 1. стр. 173, рис. 6-16 /

Сечение эффективного проводника (предварительно):



Принимаем число элементарных проводников n=5, тогда сечение:

Тогда обмоточный провод / 1. стр. 470, П-28 / принимаем ПЭТМ:

Плотность тока в обмотке статора (окончательно):

3. РАСЧЁТ РАЗМЕРОВЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ СТАТОРА И ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА

Предварительно принимаем В_z=1.9Тл и В_а=1,6Тл /1. cтр.164. табл. 6-10/.

Ширина зубца:

где К_с - коэффициент / 1. стр. 176, табл. 6-11 /.

Высота ярма статора:



Размеры паза в штампе принимаем по / 1. стр. 176 /:

b_ш=3,7мм

h_ш=1мм

Глубина паза:

Ширина зубца:

Размеры паза в свету с учётом припусков на сборку:

где припуски по ширине паза b_P и по высоте h_P принимаем 0,2мм / 1. стр. 177/.

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников:



где S_пр - площадь поперечного сечения прокладок

S_из - площадь поперечного сечения корпусной изоляции

где b_из - односторонняя толщина изоляции, b_из=0,4 /1, стр. 61, табл. 3.8/

Коэффициент заполнения паза:

К_з находится в допустимых пределах по /1, стр. 66, табл. 3-12/

4. РАСЧЁТ РОТОРА

Воздушный зазор:

=0,7мм /1, стр. 181, рис. 6-11/

Число пазов ротора:

Z₂=38

Внешний диаметр:

Длина L₂=L₁=0.213мм

Зубцовое деление:

Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник непосредственно насажен на вал:

Ток в стержне ротора:

где К_I - коэффициент, учитывающий влияния тока намагничивания и сопротивления обмоток, К_I=0,93 /1, стр. 183, рис. 6.22/

_I - коэффициент приведения токов:

Площадь поперечного сечения стержня:

где J₂ - плотность тока, J₂=2.5*10⁶А/м² /1, стр. 186/

Паз ротора. Для закрытого грушевидного паза короткозамкнутого ротора /1, стр. 188, рис. 6.27(б)/:

b_Ш=1.5мм

h_Ш=0.7мм

Допустимая ширина зубца:



где В_Z2 - индукция в зубцах, В_Z2=1.7Тл /1, стр. 174, табл. 6-10/

Размер паза:

где h_P2 - полная высота паза, h_Р2=42мм /2, рис. 11/

Примем /1, стр. 243, рис 6.63(б)/:

Окончательное значение сечения стержня:

Плотность тока в стержне:

Короткозамыкающие кольца. Площадь поперечного сечения:

где I_КЛ - ток в кольце

J_КЛ - плотность тока в замыкающих кольцах

Определяем размеры замыкающих колец:

Окончательно принимаем расчётное сечение замыкающих колец литой обмотки, не учитывая утолщения в местах примыкания вентиляционных лопаток /1, стр. 187/:

5. РАСЧЁТ НАМАГНИЧИВАЮЧЕГО ТОКА

Значение индукции:

- в зубцах статора:

- в зубцах статора:



- в ярме статора:

- в ярме ротора:

где - расчётная высота ярма ротора,

где d_кл и m_кл - диаметр и число рядов аксиальных вентиляционных каналов в роторе - в данном случае они равны нулю, так как каналы отсутствуют при h=225мм.

Магнитное напряжение воздушного зазора:

где К - коэффициент воздушного зазора:



Магнитное напряжение зубцовых зон:

статора:

где H_Z1=2070A/м при В_Z1=1.9Тл для стали 2013 по основной кривой намагничивания /1, стр. 460, П-15/

h_Z1=h_P=27.49мм.

ротора:

где H_Z2=6600A/м при В_Z2=1.7Тл /1, стр. 460, П-15/

Коэффициент насыщения зубцовой зоны:

Коэффициент насыщения лежит в допустимых пределах /1, стр. 194/.

Магнитные напряжения:

ярма статора:



где H_a=750A/м /1, стр. 460, П-16/

L_a - длина средней магнитной линии ярма статора:

ярма ротора:

где HJ=308A/м /1, стр. 460, табл. П-16/

Высота стенки ротора:

Суммарное магнитное напряжение на

Коэффициент насыщения магнитной цепи:

Намагничивающий ток:

относительное значение:

6. ПАРАМЕТРЫ РАБОЧЕГО РЕЖИМА

асинхронный двигатель ротор ток

Активное сопротивление фазы обмотки статора:

где К_r - коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки от действия эффекта вытеснения тока, К_r=1

S_V - удельное сопротивление материала обмотки при расчётной температуре, V_расч.=115⁰С, для меди S₁₁₅=10^-6/41 Oм*м

L₁ - длина проводника фазы обмотки:

где L_ср1 - средняя длина витка обмотки:

L_п1 - длина стержня ротора, L_п1=0,213м

L_л1 - длина лобовой части секции

где b - длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части, принимаем b=0,01м

b_кт - средняя ширина катушки, определяется по дуге окружности проходящей по серединам высоты пазов:

где - относительное укорочение шага, ₁=0,86-0,97 /1,стр.197/

Длина вылета лобовой части катушки:

где К_выл=0,4 /1, стр.197, табл. 6-19/

Относительное значение:

Активное сопротивление фазы ротора обмотки ротора:

где сопротивление стержня:



где _с - удельное сопротивление материала стержня и алюминиевых короткозамыкающих колец при t⁰=115⁰С , ₁₁₅=10^-6/20,5 Ом*м

Сопротивление короткозамыкающих колец:

Приводим r₂ к числу витков обмотки статора:

Относительное значение:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора:

где коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния для обмоток статора по /1, стр. 200, табл. 6.22 /:



К - по /1, стр. 200, табл. 6.22/:

коэффициент магнитной проводимости пазового лобового рассеяния:

коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеивания:

Относительное значение:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора:



Приведём ₂ к числу витков статора:

Относительное значение:

7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ

Электрические потери в обмотках статора:

Электрические потери в обмотках ротора:

Основные потери в стали:

где Р_1,0/5,0 - удельные потери в стали, Р_1,0/5,0=2,5 Вт/кг /1, стр.206, табл. 6-24/ m_А - масса стали ярма:

высота ярма статора:

_с - удельная масса стали, _с=7,8*10³ кг/м³ /1, стр. 266/ масса зубцов статора:

Поверхностные потери в роторе и статоре:

где р_ПОВ2 и р_ПОВ1- потери приходящиеся на 1м² поверхности головок зубцов ротора и статора:

где К_О2 - коэффициент для необработанных поверхностей головок зубцов, К_О2=1,4

Амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре над кромками зубцов ротора и статора:

где _О2=0,125 /1, стр. 207, рис. 6-41/

_О1=0,3 /1, стр. 207, рис. 6-41/

Пульсационные потери в зубцах ротора и статора:

где В_пул2 - амплитуда пульсации индукции в среднем сечении зубцов ротора



В_пул1 - амплитуда пульсации индукции в среднем сечении зубцов статора:

m_Z2 - масса стали зубцов ротора:

Сумма добавочных потерь в стали:

Полные потери в стали:

Механические потери:

Добавочные потери при номинальном режиме:



Холостой ход двигателя:

где I_хх,а - активная составляющая тока

где Р_Э1хх - электрические потери в статоре при хх:

8. РАСЧЁТ РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК

Для расчета рабочих характеристик воспользуемся Г - образной схемой замещения.

Активная составляющая тока синхронного холостого хода:

/так как <1/

Потери не меняющиеся при изменении скольжения:

Приведём расчёт для S=S_н.

Примем:

тогда:

Активная составляющая тока:



Реактивная составляющая тока:

Приведённый ток ротора:

Электрические потери в статоре:

Электрические потери в роторе:

Добавочные потери:

Суммарные потери:

Номинальная мощность:

Коэффициент полезного действия:

После построения рабочих характеристик уточняем значение номинального скольжения:

S_Н=1,4%

9. РАСЧЁТ ПУСКОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Расчёт характеристик приведён в табл.2 Подробный расчёт приведён для скольжения S=1. Пусковые характеристики спроектированного двигателя представлены на рис. 9.2.

Параметры с учётом вытеснения тока (_расч=115⁰С):

где h_c - высота стержня в пазу:

=1,55 /1, стр. 216, рис. 6-46/

К_g='=0.56 /1, стр. 217, рис. 6-47/

Тогда коэффициенты учитывающие влияние эффекта вытеснения тока на сопротивления стержней:

Коэффициент общего увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием эффекта вытеснения тока:

Приведённое активное сопротивление ротора с учётом действия эффекта вытеснения тока:

Индуктивное сопротивление обмотки ротора:

Коэффициент изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока:



Ток ротора приближенно без учёта влияния насыщения, принимая с_1п=1:

Учёт влияния насыщения на параметры.

Принимаем для S=1 коэффициенты насыщения К_ныс=1,35 /1, стр. 219/, принимаем

Средняя МДС обмотки, отнесённая к одному пазу обмотки статора:

Реактивная индукция потока рассеяния в воздушном зазоре:

Коэффициент характеризующий отношение потока рассеяния при насыщении к потоку рассеяния ненасыщенной машины:

/1, стр. 219, рис. 6-50/

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора с учётом влияния насыщения:

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учётом влияния насыщения:

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учётом влияния насыщения:

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора с учётом влияния насыщения и вытеснения тока:

Проводимость пазового рассеяния ротора:

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учётом влияния насыщения:

Приведённое индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учётом влияния вытеснения и насыщения тока:

Сопротивление взаимной индукции обмотки в пусковом режиме:

Расчёт токов и моментов:

Рассчитанной точке соответствует:

Кратность пускового и максимального моментов и пускового тока спроектированного двигателя удовлетворяют требованиям ГОСТ.

10. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя:

Где К - коэффициент учитывающий передачу части энергии непосредственно в окружающую среду, К=0,2 /1, стр. 237, табл. 6-30/

- электрические потери в обмотках статора в пазовой части:



- коэффициент увеличения потерь для обмоток с классом нагревостойкости F,

- коэффициент теплоотдачи с поверхности,

10.2 Перепад температуры в изоляции пазовой части обмоток статора:

гдеП_п1 - расчётный периметр поперечного сечения паза статора

- коэффициент теплопроводности внутренней изоляции катушки всыпной обмотки из эмалированных проводников, /1, стр. 237, рис. 6-62/

- средняя эквивалентная теплопроводность пазовой изоляции,

Перепад температуры по толщине изоляции лобовой части:

где - электрические потери в обмотках статора в лобовой части катушек:

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри машины:

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины:

Превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды:

где - сумма потерь отводимых в воздух внутри двигателя

S_кор - эквивалентная поверхность охлаждения корпуса:



- условный периметр поперечного сечения рёбер станины, П_р=0,36м² /1, стр. 239, рис. 6-63/

- коэффициент подогрева воздуха,

Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды:

Таким образом, допускаемое превышение температуры соответствует принятому классу нагревостойкости F.

11. ВЕНТИЛЯЦИОННЫЙ РАСЧЁТ

Требуемый для охлаждения расход воздуха:

Где К_м - коэффициент учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса, отдаваемого наружным вентилятором

Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором:

Что обеспечивает нормальную работу машины.

12. МАССА АКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКАЗАТЕЛИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Рассчитаем предварительные значения массы, необходимые для оценки экономической эффективности спроектированного варианта двигателя.

Масса изолированных проводов обмотки статора круглого поперечного сечения:

Масса алюминиевого короткозамкнутого ротора с литой клеткой:

Где N_л - число лопаток вентилятора, N_л=19

- размеры лопаток

Масса стали сердечников статора и ротора:

Масса изоляции статора с трапецеидальными полузакрытыми пазами:

Для предварительной оценки массы конструкционных материалов используем с достаточным приближением следующие зависимости.

Двигатель со степенью защиты IP44 для h=200мм с чугунной станиной и щитке:

Масса двигателя:

Удельная материалоёмкость машины:

ВЫВОД

В процессе выполнения данного курсового проекта был рассчитан и сконструирован асинхронный двигатель 4А200S4У3 с короткозамкнутым ротором.

Были получены следующие параметры: номинальная мощность Рн = 45 кВт, номинальное напряжение Uн = 220 В, cosцн = 0,93, синхронная частота вращения n1 = 1500 об/мин, частота напряжения сети f = 50 Гц, зн = 88,2 %.

В качестве базовой модели принимается асинхронный двигатель серии 4А с короткозамкнутым ротором. Конструктивное исполнение по способу монтажа IM1001. Исполнение по степени защиты - IP23, категория климатического исполнения - У3, изоляция класса нагревостойкости F, режим работы - продолжительный.

Данная работа была выполнена в офисном приложении «Ms Office - 97» (русская версия). Который позволил быстро выполнять нужные расчёты, и выбрать более удачный вариант задаваемых данных для получения оптимальных параметров. «Ms Office - 97» позволил быстро и чётко построить графики пусковых и рабочих характеристик.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

И.П Копылов Проектирование электрических машин. - М.:Энергия, 1980. -496с.

Электротехнический справочник. Под ред. П.Г. Грудинского, Г.Н Петрова и др. Изд.5-е. Т. 1 - М.:Энергия, 1974. - 775с.

А.И Вольдек Электрические машины. - Л.: Энергия, 1978. - 832с.

Размещено на Allbest.ru