Проверил: Аюрзанайн С.А

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

ФГБОУ ВПО БУРЯТСКАЯ ГСХА им. В.Р. Филиппова

Инженерный факультет

Кафедра: «Электрификация и автоматизация сельского хозяйства»

Курсовая работа

По дисциплине: «Электрические машины»

Тема: «Расчет асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором»

Выполнил: Андриянов Д.А

Проверил: Аюрзанайн С.А

ВВЕДЕНИЕ

Проектирование электрических машин — это искусство, соединяющее знание процессов электромеханического преобразования энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров-электромехаников, умение применять вычислительную технику и талантом инженера, создающего новую или улучшающего уже выпускаемую машину.

При создании электрической машины рассчитывают размеры статора и ротора, выбирают типы обмоток, обмоточные провода, изоляция, материалы активных и конструктивных частей машины. Отдельные части машины должны быть так сконструированы и рассчитаны, чтобы при ее изготовлении трудоемкость и расход материалов были наименьшими, а при эксплуатации машина обладала высокой надежностью и наилучшими энергетическими показателями, при этом электрическая машина должна соответствовать условиям применения ее в электроприводе.

При проектирование электрических машин необходимо учитывать соответствие их технико-экономических показателей современному уровню при соблюдении требований государственных и отраслевых стандартов, а также назначение и условие эксплуатации, стоимость активных и конструктивных материалов, КПД, технологию производства, надежность в работе и патентную чистоту. Расчет и конструирование электрических машин неотделимы от технологии их изготовления. Поэтому при проектировании необходимо учитывать возможности электротехнических заводов, стремиться к максимальному снижению трудоемкости изготовления электрических машин.

Критерий оптимизации электрических машин определяется, как правило, минимумом суммарных затрат, т.е. минимумом стоимости материалов, затрат

на изготовление и эксплуатацию. Стоимость эксплуатации зависит от КПД, коэффициента мощности, качества машины, ремонтоспособности и ряда других факторов.

При проектировании индивидуальной машины или небольшой серии критерий оптимизации согласовывается с заказчиком.

Выбрать вариант производства электрической машины можно, сопоставив многие варианты расчета, поэтому без вычислительных машин не обходится ни

одной серьезный расчет электрических машин. В настоящее время ЭВМ применяют для выполнения полного оптимизационного расчета электрической машины, ведутся работы по созданию системы автоматизированного проектирования электрических машин, которая должна не только выполнять расчет машины, но и выдавать рабочие чертежи. Предполагается, что в будущем автоматизированные системы проектирования будут выполнять работу от приема заказа на проектирование до испытания без ее изготовления (прогнозирование геометрии, надежности и характеристик).

Техническое задание.

Спроектировать асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым ротором: Р₂=18,5кВт, U=220/380 В, 2р=4; конструктивное исполнение IM 1001; исполнение по способу защиты IP44; способ охлаждения IC0 141; климатическое исполнение и категория размещения УЗ, класс нагревостойкости изоляции F.

Выбор главных размеров

1. Высота оси вращения (предварительно) по рис. 9.18, a h = 0,16 м. Принимаем ближайшее стандартное значение h = 160 мм; D_a = 0,280 м (см. табл. 9.8).

2. Внутренний диаметр статора D = k_DD_a = 0,68 * 0,280 = 0,190 м, k_D = по табл. 9.9.

3. Полюсное деление τ = π D/(2p) = π * 0,190/4 = 0,149м.

4. Расчетная мощность по (9.4)

(k_E — по рис. 9.20; η и cos φ— по рис. 9.21, а).

5. Электромагнитные нагрузки (предварительно по рис. 9.22, б)

А = 33 * 10³ А/м; В_δ = 0,76 Тл

6. Обмоточный коэффициент (предварительно для однослойной обмотки) k_об1 = 0,95.

7. Расчетная длина магнитопровода по (9.6)

[по (9.5) Ω = 2 π f / p = 2 π * 50/2 = 157 рад/с].

8. Отношение λ = l_δ /τ = 0,15/0,149 = 1,01. Значение λ = 1,01 находится в допустимых пределах (см. рис. 9.25).

Определение Z₁, w₁ и площади поперечного сечения провода обмотки статора

9. Предельные значения t_z1 (по рис. 9.26): t_z1max = 15 мм; t_z1min = 12 мм.

10. Число пазов статора по (9.16)

Принимаем Z₁ = 48, тогда q₁ = Z₁/(2pm) = 48/(4 • 3) = 4. Обмотка однослойная.

11. Зубцовое деление статора (окончательно)

12. Число эффективных проводников в пазу [предварительно, при условии а =1 по (9.17)]

(по 9.18)

13. Принимаем а = 1, тогда по (9.19) проводников.

14. Окончательные значения:

число витков в фазе по (9.20)

линейная нагрузка по (9.21)

магнитный поток по (9.22)

(для однослойной обмотки с q = 4 по табл. 3.16 k_об1 = k_p1 = 0,958; для D_a = 0,280 м по рис. 9.20 k_E = 0,975);

индукция в воздушном зазоре по (9.23)

Значения А и В_δ находятся в допустимых пределах (см. рис. 9.22, б).

15. Плотность тока в обмотке статора (предварительно) по (9.25). А по п. 14 33,4 *10³ А/м

(AJ₁ = 180 *10⁹ по рис. 9.27, б).

16. Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно) по (9.24), а = 1.

17. Сечение эффективного проводника (окончательно): принимаем n_эл = 3, тогда q_эл = q_эф/n_эф = 6,41/3 = 2,14 мм². Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ (см. приложение 3), d_эл = 1,7 мм, q_эл = 2,27 мм², q_э.ср = n_элq_эл = 3 * 2,27= 6,81 мм², d_из =1,785

18. Плотность тока в обмотке статора (окончательно) по (9.27)

Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Паз статора определяем по рис. 9.29, а с соотношением размеров, обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов.

19. Принимаем предварительно по табл. 9.12 В_z1 = 1,9 Тл; В_а = 1,6 Тл, тогда по (9.37)

(по табл. 9.13 для оксидированной стали марки 2013 kc = 0,97);

по (9.28)

20. Размеры паза в штампе: b_ш = 3,7 мм; h_ш = 1 мм; 45° (см. рис. 9.29, а);

по (9.38)

по (9.40)

по (9.39)

по (9.42)—(9.45)

Паз статора показан на рис. 9.73, а.

21. Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку:

b'₁ = b₁ – Δ b_п = 7,7 – 0,2 = 7,5 мм;

b'₂ = b₂ – Δ b_п = 10,45 – 0,2 = 10,25 мм;

h'_п.к = h_п.к – Δh = 19,3 – 0,2 = 19,1 мм.

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки по (9.48)

[площадь поперечного сечения прокладок Sпр = 0; площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу

S_из = b_из(2h_п + b₁ + b₂) = 0,4(2 * 22,3 + 7,7 + 10,45) = 25,02 мм²,

гдe односторонняя толщина изоляции в пазу b_из = 0,4 мм — по табл. 3.1].

22. Коэффициент заполнения паза по (3.2)

Полученное значение k_з допустимо для механизированной укладки обмотки.

Расчет ротора

23. Воздушный зазор (по рис. 9.31) δ = 0,5 мм.

24. Число пазов ротора (по табл. 9.18) Z₂ = 38.

25. Внешний диаметр ротора D₂ = D - 2δ = 0,190 - 2 * 0,5 * 10^-3 = 0,189 м.

26. Длина магнитопровода ротора l₂ = l₁ = 0,15 м.

27. Зубцовое деление ротора

t_z2 = πD₂/Z₂ =3,14• 0,189/38 = 0,0156 м = 15,6 мм.

28. Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал; по (9.102)

D_j = D_B = k_BD_a = 0,23 * 0,280 = 0,0644 м ≈ 60 мм

(k_B, — по табл. 9.19).

29. Ток в обмотке ротора по (9.57)

I₂ = k_iI₁v_i = 0,92 * 34,6 * 14,52 = 462,2 А,

где по (9.58) k_i = 0,2 + 0,8 cos φ = 0,2 + 0,8 • 0,9 = 0,92;

по (9.66)

(пазы ротора выполняем без скоса — k_ск = 1)

30. Площадь поперечного сечения стержня (предварительно) по (9.68)

q_п = I₂/J₂ = 462,2/(2,5 * 10⁶) = 184,88 * 10^-6 м² = 184,88 мм²

(плотность тока в стержне литой клетки принимаем J₂ = 2,5 * 10⁶ А/м2).

31. Паз ротора определяем по рис. 9.40, б. Принимаем b_ш = 1,5 мм; h_ш = 0,7 мм; h'_ш = 0,3 мм.

Допустимая ширина зубца по (9.75)

(принимаем В_Z2 = 1,8 Тл по табл. 9.12).

Размеры паза (см. рис. 9.40):

по (9.76)

по (9.77)

по (9.78)

32. Уточняем ширину зубцов ротора по формулам табл. 9.20:

Принимаем (см. рис. 9.73, б) b₁= 7,9; b₂ = 4,2 мм; h₁ = 22,4 мм.

Полная высота паза

33. Площадь поперечного сечения стержня по (9.79)

Плотность тока в стержне

J₂ = I₂/q_с = 462/194 * 10^-6 = 2,38 * 10⁶ А/м.

34. Короткозамыкающие кольца (см рис. 9.37, б). Площадь поперечного сечения кольца по (9.72)

По (9.70) и (9.71)

Где

J_кл = 0,85 J₂ = 0,85*2,38•10⁶ = 2,023 * 10⁶ А/м²

Размеры короткозамыкающих колец:

h_кл = 1,25 h_п2 = 1,25 * 35,41 = 44,26 ≈ 44 мм;

b_кл = q_кл / h_кл = 694/44 = 15,77 ≈ 16 мм;

q_кл = h_кл / b_кл = 44 * 16 = 704 мм²;

D_к.ср = D₂ – h_кл = 189 – 44 = 145 мм.

Расчет магнитной цепи

Магнитопровод из стали 2013; толщина листов 0,5 мм.

35. Магнитное напряжение воздушного зазора по (9.103)

По (4.15)

где

36. Магнитное напряжение зубцовой зоны статора по (9.104)

F_Z1 = 2h_z1H_z1 = 2 * 22,3 * 10^-3 * 2070 = 92,3 А,

где h_Z1 = H_п1 = 22,3 мм (см п. 20 расчета);

расчетная индукция в зубцах по (9.105)

(b_z1 = 4,9 мм по п. 19 расчета; k_c1, = 0,97 по табл. 9.13). Так как B'_z1 > 1,8 Тл, необходимо учесть ответвление потока в паз и найти действительную индукцию в зубце В_Z1.

Коэффициент k_ПХ по высоте h_zх = 0,5h_z по (4.33)

где

по (4.32)

B_Z1 = B'_z1 – μ₀ H_Z1 k_пх

Принимаем B_z1 = 1,9 Тл, проверяем соотношение B_Z1 и B'_z1:

1,9 = 1,904 - 1,256 * 10^-6 * 2070 * 1,86 = 1,9,

где для B_z1 = 1,9 Тл по табл. П1.7 H_Z1 = 2070 А/м.

37. Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора по (9.108)

F_Z2 = 2h_z2 H_z2 = 2 * 0,035 * 1480 = 103,6 А

при зубцах по рис. 9.40, б из табл. 9.20 h_z2 = h_п2 - 0,1b₂ = 35,41 - 0,1 * 3,34 = 35,08 мм;

индукция в зубце по (9.109)

по табл. П1.7 для В_Z2 = 1,81 Тл находим Н_Z2 = 1480 А/м

38. Коэффициент насыщения зубцовой зоны по (9.115)

39. Магнитное напряжение ярма статора по (9.116)

F = L_а*Н_a = 0,2 * 750 = 150 А,

по (9.119)

Где

пo (9.117)

(при отсутствии радиальных вентиляционных каналов в статоре h'_a = h_а = 22,7 * 10^-3 м), для В_а = 1,6 Тл по табл. П1.6 находим Н_а = 750 А/м.

40. Магнитное напряжение ярма ротора по (9.121)

F_j = L_j H_j = 69,94 * 10^-3 * 177 = 12,4 А.

По (9. 127)

Где

по (9.122)

где по (9.124) для четырехполюсных машин при 0,75 (0,5 D₂ - h_п2) < D_j

где для m_К2 = 0,99 Тл по табл. П1.6 находим H_j = 177 А/м.

41. Магнитное напряжение на пару полюсов (по 9.128)

F_ц = F_δ + F_Z1 + F_Z2 + F_a + F_j = 720,6 + 92,3 + 130,8 + 150 + 12,4 = 1079,1 А.

42. Коэффициент насыщения магнитной цепи по (9.129)

k_μ = F_ц/ F_δ = 1079,1/720,6 = 1,5.

43. Намагничивающий ток по (9.130)

Относительное значение по (9.131)

I_μ^* = I_μ /I_1НОМ = 8,69/34,6 = 0,25.

0,2 < I_μ^* < 0,3.

Параметры рабочего режима

44. Активное сопротивление обмотки статора по (9.132)

(для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура v_расч = 115° С; для медных проводников ρ₁₁₅ = 10^-6/41 Ом м).

Длина проводников фазы обмотки по (9.134)

L₁ = l_cp1 * w₁ = 0,774 * 96 = 74,3 м;

по (9.135) l_ср1 = 2(l_п1 + l_л1) = 2(0,15 + 0,237) = 0,774 м; l_п1 = l₁ = 0,15 м; по (9.136) l_л1 = К_лb_кт + 2В = 1,3 * 0,167 + 2 * 0,01 = 0,237 м, где В = 0,01 м; по табл. 9.23 К_л = 1,3;

по (9.138)

Длина вылета лобовой части катушки по (9.140)

l_выл = k_вылb_кт + В = 0,4 * 0,167 + 0,01 = 0,0768 м = 76,8 мм, где по табл. 9.23 К_выл = 0,4.

Относительное значение r₁

45. Активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора по (9.168)

по (9.169)

здесь k_r = 1;

по (9.170)

где для литой алюминиевой обмотки ротора

Приводим r₂ к числу витков обмотки статора по (9.172), (9.173):

46. Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора по (9.152)

где по табл. 9.26 (см. рис. 9.50, е) и по рис. 9.73

где (см. рис. 9.50, е и 9.73)

h₂ = h_п.к – 2 b_из =19,1-2*0,4=18,3 мм; b₁ = 7,7 мм; h_к= 0,5 (b₁-b_ш) =0,5(7,7-3,7)=2 мм; h₁ = 0 (проводники закреплены пазовой крышкой); k_β = 1; k'_β = 1; l'_δ = l_δ = 0,15 м по (9.154);

по (9.159)

по (9.174)

по (9.176)

для β_cк = 0 и t_z2/t_z1 = 15,6/12,4 = 1,26 по рис. 9.51, д k'_ск = 1,25. Относительное значение

47. Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора по (9.177)

где по табл. 9.27 (см. рис. 9.52, а, ж)

где (см. рис. 9.52, а, ж и рис. 9.73)

h₀ = h₁ + 0,4b₂ = 28,7 + 0,4 * 3,34 = 30,04 мм; b₁ = 8,08 мм; b_ш = 3,7 мм;

h_ш = 0,7 мм; h'_ш = 0,3 мм; q_c = 194 мм²;

по (9.178)

по (9. 180)

по (9.181)

так как при закрытых пазах Δ_z ≈ 0.

Приводим x₂ к числу витков статора по (9.172) и (9.183):

Относительное значение

Расчет потерь

48. Потери в стали основные по (9.187)

[p_1,0/5,0 = 2,5 Вт/кг для стали 2013 по табл. 9.28];

по (9.188)

по (9.189)

k_ДА = 1,6; k_дZ= 1,8 (см. § 9.11)].

49. Поверхностные потери в роторе по (9.194)

Р_пов2 =p_{пов2 *} (t_z2 - b_ш2) * Z₂ * l_cт2 = 250,1 * (15,6 - 1,5) * 38 * 0,15=20,1 Вт;

по (9.192)

где k₀₂ = 1,5;

по (9.190)

B₀₂ = β₀₂ * k_δ * B_δ = 0,37 * 1,22 * 0,743 = 0,335 Тл;

где b_ш/δ = 3,7/0,5 = 7,4 по рис. 9.53 β₀₂ = 0,37.

50. Пульсационные потери в зубцах ротора по (9.200)

по (9.196)

B_z2ср = 1,79 Тл из п. 37 расчета; γ₁ = 4,42 из п. 35 расчета;

по (9.201)

h_z2 = 35,08 мм из п. 37 расчета; b_z2 = 6,7 мм из п. 32 расчета.

51. Сумма добавочных потерь в стали по (9.202)

(Р_пов1 и Р_пул1 ≈ 0, см. § 9.11).

52. Полные потери в стали по (9.203)

53. Механические потери по (9.210)

[для двигателей с 2р = 4 коэффициент К_Т = 1,3(1 - D_a) = 1,3(1 - 0,280) = 0,94].

54. Холостой ход двигателя:

по (9.217)

[по (9.128)

где по (9.219)

по (9.221)

Расчет рабочих характеристик

55. Параметры по (9.184)

по (9.185)

по (9.223)

используем приближенную формулу, так как |γ | < 1°:

Активная составляющая тока синхронного холостого хода:

по (9.226)

по (9.227)

Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения,

56. Рассчитываем рабочие характеристики для скольжений s = 0,005; 0,01; 0,015; 0,02; 0,025; 0,03, принимая предварительно, что sном ≈ = 0,025. Результаты расчета сведены в табл. 9.36. После построения рабочих характеристик (рис. 9.74) уточняем значение номинального скольжения: sном = 0,024.

Расчет рабочих характеристик см. § 9.12.

Номинальные данные спроектированного двигателя: Р_2ном = 15 кВт, U1ном = 220/380 В, I_1ном = 28,4 А, соs _φном = 0,894, η_ном = 0,892.

Таблица 9.36. Рабочие характеристики асинхронного двигателя (см. табл. 9.30)

Р_ном = 18,5 кВт; 2р = 4; U_1ном = 220/380 В; I_0a =0,5 А; I_0р ≈ I_μ = 8,69 А; Р_ст + Р_тр.щ. + Р_мех = 0,55 кВт; r₁ = 0,266 Ом; r^’₂ = 0,140 Ом; с₁ = 1,025; a’ = 1,051; a = 0,273 Ом; b’ = 0 Ом; b = 1,43 Ом

№п/п	Расчетная формула	Размерность	Скольжение s
0,005	0,01	0,015	0,02	0,025	0,03	Sном = =0,022
		Ом	29,43	14,71	9,81	7,36	5,89	4,9	6,69
		Ом	29,7	14,99	10,08	7,63	6,16	5,18	6,96
		Ом	1,43	1,43	1,43	1,43	1,43	1,43	1,43
		Ом	29,73	15,06	10,18	7,76	6,32	5,37	7,11
		А	7,4	14,61	21,61	28,35	34,81	40,97	30,94
		-	0,998	0,995	0,990	0,983	0,974	0,964	0,979
		-	0,048	0,095	0,140	0,184	0,226	0,266	0,201
		А	7,89	15,04	21,89	28,37	34,40	39,99	30,79
		А	9,05	10,08	11,72	13,91	16,56	19,59	14,91
		А	12,01	18,11	24,83	31,6	38,18	44,53	34,18
		А	7,59	14,98	22,15	29,06	35,68	41,99	31,71
		кВт	5,21	9,93	14,45	18,72	22,7	26,39	20,3
		кВт	0,12	0,26	0,49	0,8	1,16	1,58	0,93
		кВт	0,024	0,094	0,206	0,354	0,534	0,74	0,42
		кВт	0,026	0,05	0,072	0,094	0,114	0,132	0,102
		кВт	0,72	0,954	1,318	1,798	2,358	3,002	2,002
		кВт	4,5	8,98	13,1	16,9	20,3	23,4	18,3
		-	0,861	0,903	0,908	0,903	0,896	0,886	0,901
		-	0,657	0,83	0,881	0,898	0,901	0,898	0,900

Вывод: спроектированный двигатель отвечает поставленным в техническом задании требованиям.