1.Выбор электродвигателя.
Большинство современных технологических машин проектируют и создают по схеме: энергетическая машина, передаточный механизм, исполнительный орган машины, система управления.
Двигатель является одним из основных элементов привода. От типа двигателя, его мощности, частоты вращения зависят конструктивные и эксплуатационные характеристики рабочей машины и ее привода. Выбор электродвигателя предусматривает определение его мощности, типа, частоты вращения вала и основных размеров.
Тип двигателя выбирается с учетом ряда факторов, и в том числе:
- назначения механизма или машины, для которой проектируется данный привод;
- наличия того или иного источника энергии;
- величины потребляемой мощности;
- ограничений по массе, габаритным размерам и условиям работы привода;
- режима работы привода и обеспечения соответствующей механической характеристики.
Назначение машины обусловливает основные требования к приводу, специфику его работы и характеристики. При этом учитываются мобильность, внешняя среда, температурные условия, географические особенности и т.п.
|
|
Наличие электроэнергии предопределяет выбор электропривода как наиболее простого и надежного.
Угловые скорости двигателя ωдв и исполнительного органа машины ωном, как правило, не равны. Электротехническая промышленность для общемашиностроительного применения выпускает электродвигатели с синхронной частотой вращения пс = 3000 мин-1, пс = 1500 мин-1, пс = 1000 мин-1 и пс = 750 мин-1
1.1. Выбор электродвигателя привода
В зависимости от потребляемой мощности, а также от ограничений по массе и размерам выбирается тот или иной тип электродвигателя.
Выбранный электродвигатель должен удовлетворять следующим условиям:
- обеспечивать момент, достаточный для разгона механизма с заданным ускорением, а при торможении двигателем - замедление механизма;
- при работе в заданном режиме не должен испытывать длительных перегрузок, ведущих к перегреву электродвигателя.
При выборе двигателя следует придерживаться следующих рекомендаций:
1. Электрические и механические параметры приводов (Рном, Uном, nном, относительная продолжительность рабочего периода, Тпуск, Тmin, Tmax, пределы регулирования числа оборотов и т.п.) должны соответствовать параметрам приводимых ими механизмов во всех режимах их работы в данной установке.
2. Для механизмов, сохраняющих технологическую непрерывность в работе, должен быть обеспечен самозапуск их электродвигателей после кратковременных перерывов (не более 2,5 с), связанных с перерывом питания или понижением напряжения из-за короткого замыкания, при этом применять двигатель большей мощности, чем для непрерывной нормальной работы, не требуется.
|
|
3. Для привода механизмов, не требующих регулирования числа оборотов, независимо от их мощности, рекомендуется применять синхронные или асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором.
4. Для привода механизмов, имеющих тяжелые условия пуска или работы, либо требующих изменения числа оборотов, следует применять двигатели с наиболее простыми и экономичными методами пуска или регулирования чисел оборотов, возможными в данной установке.
5. Синхронные двигатели, как правило, должны иметь устройства форсировки возбуждения или компаундирования. Синхронные двигатели в случаях, когда они по своей мощности могут обеспечить регулирование напряжения или режима реактивной мощности в данном узле нагрузки, должны иметь автоматический режим включения.
6. Электродвигатели постоянного тока допускается применять только в тех случаях, когда электродвигатели переменного тока не обеспечивают требуемых характеристик или неэкономичны.
7. Пуск асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором и синхронных двигателей должен производиться, как правило, непосредственным включением в сеть (прямой пуск). При невозможности прямого пуска следует применять пуск через трансформатор или автотрансформатор. В особых случаях допускается пуск с подъемом частоты от нуля.
Мощность электродвигателя всегда относят к определенному режиму работы. При проектировании привода внешние сопротивления и режим работы являются заданными.
Различают три номинальных режима работы двигателей:
- продолжительный,
- кратковременный,
- повторно-кратковременный.
При продолжительном режиме работы двигатель нагревается до установившейся температуры в отличие от кратковременного, при котором этого не происходит.
При повторно-кратковременном режиме происходит пуск и остановка двигателя, при этом нагрев электродвигателя и возможность реализации заданной мощности определяются продолжительностью включения (ПВ) по относительному времени за цикл, равный 10 мин.
По величине ПВ различают четыре основных повторно-кратковременных режима работы.
Режим работы является продолжительным (ПВ 100%), если время одного цикла работы превышает 10 мин.
При расчете мощности двигателя в повторно-кратковременном режиме работы возможны три случая.
1. Фактический режим работы двигателя соответствует одному из стандартных режимов; нагрузка постоянная.
В этом случае по каталогу выбирается двигатель, мощность которого при заданном ПВ равна требуемой.
2. Фактическая продолжительность включения ПВф не совпадает с номинальными значениями ПВн; нагрузка постоянная.
В этом случае двигатель выбирается по номинальной мощности
где Рф - фактическая мощность,
ПВн - ближайшее стандартное значение ПВ.
3. Значения мощности Р переменны в течение цикла.
В этом случае расчет проводится в такой последовательности.
Строится график изменения мощности двигателя во времени за цикл и определяется ПВф.
Определяется средняя статическая мощность за цикл
где K - коэффициент перегрузок при пуске и торможении; K=1,1-1,3;
Рi - различные значения статической мощности за соответствующие промежутки ti времени в течение цикла продолжительностью tц.
Полученная мощность пересчитывается по вышеприведенному выражению для определения Рн, и по величине Рн выбирается двигатель соответствующей мощности.
Строятся нагрузочные диаграммы механизма с выбранным двигателем по моменту Т=Т(t) и по силе тока двигателя I=I(t), после чего определяется средняя квадратичная сила тока
где I1, I2,…, In – сила тока двигателя (принимается по его характеристике за промежутки времени t1, t2,…, tn в пределах цикла продолжительностью tц.
|
|
Для двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением и для асинхронных электродвигателей вместо IЭ можно определять средний квадратический момент
Значения IЭ или ТЭ, сравниваются с номинальными значениями силы тока Iн или момента Тн предварительно выбранного двигателя с учетом отличия ПВф от ПВн:
В случае несоблюдения последних неравенств двигатель непригоден по нагреву и его следует заменить ближайшим двигателем большей мощности.
Таблица 1.1. Формулы для определения расчетной мощности приводного двигателя
Расположение передач в механизме | Заданные параметры на рабочем органе | Мощность, кВт | |
Последовательное: | Рр | ||
Тр, nр | |||
Рр, Vр | |||
Параллельное: | от одного двигателя приводится в движение несколько рабочих органов | Рр1, Рр2, … Ррn | |
Тр1, Тр2, …Трn; nр1, nр2, …nрn | |||
Fр1, Fр2,…Fрn; Vр1, Vр2,…Vрn | |||
от нескольких двигателей приводится в движение один рабочий орган | Рр | ||
Тр, nр | |||
Рр, Vр | |||
Обозначения | |||
ηм | коэффициент полезного действия (КПД) привода ηм=η1∙η2∙….∙ηk | ||
η1, η2,…., ηk | КПД отдельных последовательно соединенных передач привода (табл.1.2); | ||
Рр1, Рр2,…, Ррn | мощность на рабочих органах, кВт; | ||
Тр1, Тр2,…, Трn | моменты на рабочих органах, Нм; | ||
Рдв1, Рдв2,…, Рдвn | расчетные мощности двигателей, кВт; | ||
nр1, nр2,…, nрn | частота вращения рабочих органов, об/мин; | ||
Vр1, Vр2,…, Vрn | линейные скорости рабочих органов, м/с; | ||
Fр1, Fр2,…, Fрn | силовая нагрузка на рабочие органы, Н |
Значения КПД различных передач приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2. Средние значения КПД механических передач (без учета потерь)
Тип передачи | Закрытая | Открытая |
Зубчатая: | ||
цилиндрическая | 0,96 … 0,97 | 0,93 … 0,95 |
коническая | 0,95 … 0,97 | 0,92 … 0,94 |
Цепная | 0,95 … 0,97 | 0,90 … 0,93 |
Ременная: | ||
плоским ремнем | - | 0,96 … 0,98 |
клиновыми (поликлиновыми) ремнями | - | 0,95 … 0,97 |
червячная при числе заходов червяка: Z1= 1 Z1= 2 Z1= 4 | 0,70…0,75 0,80…0,85 0,80…0,95 | |
муфта соединительная | 0,98 | |
подшипники качения | 0,99 |
Примечания: 1. Ориентировочные значения КПД закрытых передач в масляной ванне приведены для колес, выполненных по 8-й степени точности, а для открытых – по 9-й; при более точном выполнении колес КПД может быть повышен на 1 … 1,5%; при меньшей точности – соответственно понижен. 2. Для червячной передачи предварительное значение КПД принимают ηчп=0,75 … 0,85. После установления основных параметров передачи значение КПД следует уточнить. 3. Потери в подшипниках на трение оцениваются следующими коэффициентами: для одной пары подшипников качения ηnk =0,99 … 0,995; для одной пары подшипников скольжения ηпс= 0,98 … 0,99. 4. Потери в муфте принимаются ηмуф = 0,98. 5. В приводах с параллельными передачами, например, с раздвоенными колёсами, значения КПД из таблицы 1.2 учитывают только один раз.
|
|
Рис.1.1
Рассмотрим в качестве примера, приведенный на рис.1.1 график нагрузки привода.
Его следует понимать так:
- в течение суток привод работает 50% времени, т.е. продолжительность его включения ПВ = 50%.
- в течение года привод работает 65% времени и значит общее время работы привода за один год составит 365 дней ∙ 24 часа ∙ 0,65 ∙ 0,5=2847 часов.
За это время в пусковом режиме двигатель работает 0,003% на моменте, который составляет 1,3 от номинала, т.е. требуется мощность, превышающая расчётную в 1,3 раза. На расчётном моменте (на номинальной мощности двигателя) привод работает 20% времени; на моменте 0,7 от номинала 30% времени и на моменте 0,5 от номинала 50% времени. Анализ графика показывает, если выбрать двигатель по номинальной мощности, то он явно будет недогружен более чем на 50% времени работы, но одновременно он будет и перегружен во время пусков в работу. Это учтено в конструкции серийно выпускаемых асинхронных электродвигателей и в каталоге даётся соотношение пускового момента к номинальному, которое в нашем случае должно быть не менее 1,3. Что касается номинальной мощности, то её на первом этапе следует подсчитать по формуле через эквивалентный момент с учётом графика нагрузки.
Для нашего конкретного случая
и требуемая эквивалентная мощность
Номинальная требуемая мощность
Подсчитав то и другое значение можно приступать к выбору мощности электродвигателя.
Пусть, например, нам требуется выбрать мощность двигателя ленточного транспортёра со следующими параметрами: скорость транспортёра - 0,5м/с, усилие на ленте транспортёра - 4000Н, общее КПД привода - 0,81, график нагрузки приведен выше.
Номинальная мощность N=4000∙0,5/0,81=2470 Вт=2,47 кВт.
Эквивалентная мощность Nэкв=N∙0,875=2,47∙0,875=2,16 кВт.
По каталогу выпускаемых электродвигателей исходя из номинальной мощности необходимо выбрать двигатель мощностью 3 квт. Исходя из эквивалентной мощности можно выбрать двигатель мощностью 2,2 квт.
Пусть нам требуется электродвигатель с частотой вращения 1500 мин –1 (самая оптимальная частота вращения с точки зрения экономичности и рекомендуемая в курсовом проектировании). Для данных двигателей по каталогу отношение пускового момента к номинальному Тп / Тн = 2.
Требуемая пусковая мощность по графику нагрузки NП=1,3∙2,47=3,21 кВт.
Серийный электродвигатель мощностью 2,2 кВт обеспечит на пуске мощность 2,2∙2=4 кВт. Таким образом, мы имеем право выбрать двигатель мощностью 2,2 кВт, но он будет перегружен на (2,47/2,2) - 11,2% по номинальной мощности. Продолжительность включения нашего двигателя по заданию ПВ = 50% и значит допустима перегрузка по номинальной мощности в пределах, указанных в таблице 1.3.
Таблица 1.3
Продолжительность включения электродвигателя, ПВ % | Допустимая перегрузка по номинальной мощности для асинхронных двигателей серии АИР |
100% | 0% |
80% | 5% |
60% | 10% |
40% | 20% |
С учётом таблицы 1.3 мы окончательно имеем право выбрать электродвигатель мощностью 2,2 кВт, хотя по расчёту требуется мощность 2,47 кВт.
И далее в расчётах зубчатых или червячных передач в качестве расчётного можно принимать не номинальный вращающий момент, а эквивалентный.
1.2. Определение частоты вращения вала электродвигателя
Требуемая частота вращения вала электродвигателя определяется по формуле
nэд = n2 ∙ i,
где i − передаточное отношение привода.
В дальнейших расчетах вместо передаточного отношения i = nэд / n2 применяют общее передаточное число привода uобщ
Общее передаточное число привода
где nдв – асинхронная частота вращения двигателя, мин-1;
nB – частота вращения приводного вала рабочего органа, мин-1;
u1, u2 – передаточные числа элементов привода.
Частота вращения приводного вала составляет, например,
для ленточного транспортера:
для цепной передачи (звездочки):
где D – диаметр барабана или звездочки, м;
z – число зубьев звездочки;
p – шаг тяговой цепи, мм.
Применение u вместо i связано только с принятой формой расчетных зависимостей для контактных напряжений, значения которых не зависят от того, какое из зубчатых колес является ведущим.
Руководствуясь рекомендациями по выбору значений передаточных чисел в соответствии с заданным типом передачи в редукторе (см. табл. 1.4), определяют возможный диапазон частот вращения вала электродвигателя
nэд = n2 ∙ (umin…umax).
По рассчитанной мощности Р и диапазону nэд из табл. 1.6 выбирают электродвигатель таким образом, чтобы его номинальная мощность Pном≥P, а номинальная частота nном вращения вала была самой близкой (из возможных вариантов) к большему значению диапазона nэд. В этом случае размеры и стоимость электродвигателя будут наименьшими. При этом следует иметь в виду, что большая частота вращения вала электродвигателя при одинаковой мощности вызывает увеличение передаточного числа редуктора, а, следовательно, увеличение его длины и высоты. Меньшая частота вращения вызывает увеличение размеров электродвигателя и увеличение ширины зубчатых колес, а следовательно, уменьшение размеров редуктора.
Если скоростной диапазон достаточно большой, т.е. по скоростной характеристике можно выбрать несколько двигателей, окончательное решение принимается с учетом следующих соображений. Быстроходные двигатели легче и дешевле тихоходных, поэтому предпочтительнее. Однако выбор быстроходного двигателя приводит к увеличению общего передаточного отношения редуктора и, как правило, к увеличению его габаритов, массы и стоимости. Если позволяет скоростной диапазон, рекомендуется выбирать два двигателя с различной скоростной характеристикой и последующий расчет вести параллельно. В конце расчета производится анализ вариантов по кинематическим, технико-экономическим и другим признакам и выбирается окончательный вариант.
Одновременно необходимо учитывать рекомендуемые значения передаточных чисел различных типов передач (табл. 1.4). Значения передаточных чисел редуктора не должны выходить за пределы допускаемых отклонений, предусмотренных ГОСТ 12289-76.
По выбранному электродвигателю определяют расчетное передаточное число зубчатой передачи редуктора
Таблица 1.4. Ориентировочные знания основных параметров одноступенчатых механических передач
Передачи | Передаточное отношение umax | КПД, η | Передаваемая мощность Р, кВт | Относительные габаритные размеры | Относительная масса | Относительная стоимость | |
Зубчатые: | |||||||
цилиндрические | До 6,3 | 0,97.... | Не ограничена | ||||
конические | До 6,3 | 0,95–97 | 1,2–1 | 1,7... | 2,2 | ||
планетарные | 3–9 | 0,95–0,97 | 0,7–1 | 0,93–0,73 | 1,5 … | 1,25 | |
планетарные | 7–16 | 0,94–0,96 | 0,8–1,1 | 0,95–0,8 | 1,6... | …1,3 | |
волновые | 80–315 | 0,7–0,9 | 0,5–0,6 | 0,05–0,15 | 1,7 … | …1,5 | |
Червячная при числе заходов червяка: | |||||||
Z1 = 4 | 8–14 | 0,8–0,9 | |||||
Z1 = 2 | 14–30 | 0,75–0,85 0,85 | 1–1,6 | 1,04 | 1,55 | …1,4 | |
Z1=1 | 30–80 | 0,7–0,8 | |||||
Цепные | До 10 | 0,92–0,95 | 1–1,6 | 0,25 | 0,35 | …0,2 | |
Ременные (трением) | До 8 | 0,94–0,96 0,96 | 5–4 | 0,4–0,5 | 0,3 | …0,2 | |
Зубчато-ременные | До 12 | 0,96–0,98 | 2,5–3 | 0,3 | 0,8 | …0,2 | |
Фрикционные | До 7 | 0,85–0,95 | 1,5–2 | 1,5 | |||
Муфта соединительная | 0,98 | ||||||
Подшипники качения (одна пара) | 0,99 | ||||||
Примечания: 1. Относительные габаритные размеры, масса и стоимость определяются по отношению к одноступенчатой зубчатой передаче. 2. Передаточные отношения и редукторов надо выбирать из единого ряда (допускаемое отклонение от номинального значения и ±4%): 1, 1,12; 1,25, 1,4; 1,6, 1,8; 2; 2,24; 2,5, 2,8; 3,15, 3,55; 4, 4,5; 5; 5,6, 6,3; 7,1; 8; 9; 10; 11,2; 12,5; 14; 16; 18, 20; 22,4; 25; 28; 31,5; 35,5; 40; 45; 50; 56, 63; 71, 80; 90; 100, 112, 125; 140, 160; 180; 200; 224; 250; 280; 315, 355; |
При окружных скоростях более 6 м/с целесообразно применять колеса косозубые и шевронные.
Номинальные значения передаточных чисел в зубчатых редукторах общего назначения, выполненных в виде самостоятельных агрегатов по:
1-й ряд: 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,15; 4,0; 5,0; 6,3; 8; 10; 12,5;
2-й ряд: 1,12; 1,4; 1,8; 2,24; 2,8; 3,55; 4,5; 5,6; 7,1; 9,0;11,2.
Примечание. 1-й ряд следует предпочесть второму ряду.
Угловая скорость вала электродвигателя
Далее можно определить угловые скорости других валов привода
Крутящие моменты на валах определяются с учетом потерь на трение
Крутящий момент ведомого вала
1.3. Типы электродвигателей и их параметры
К основным типам современных электродвигателей переменного тока относятся следующие.
Электродвигателя единой серии
Электродвигатели трехфазного тока единой серии 4А мощностью 0,06-400 кВт с высотой оси вращения (50-355) мм предназначаются для привода механизмов, не предъявляющих особых требований к пусковым характеристикам, скольжению и другим качествам при температуре окружающего воздуха от -40 °С до +40 °С.
По степени защиты они изготавливаются:
- закрытыми обдуваемыми (IP44),
- защищенными (IP23).
Электродвигатели со степенью защиты IP44 выпускаются в трех исполнениях:
- на лапах М100 (основное исполнение),
- с лапами и фланцевым щитом М200,
- с фланцевым щитом М300.
Двигатели со степенью защиты IP23 выпускаются только в основном исполнении.
Многоскоростные электродвигатели имеют синхронные частоты вращения: 1500/3000, 750/1500, 750/1000, 500/1000, 1000/1500/3000, 750/1500/3000, 750/1000/1500, 500/750/1000/1500 об/мин.
Выпускают электродвигатели для работы от сети частотой 50 и 60 Гц.
В числе модификаций производятся:
- малошумные двигатели для работы в приводах с повышенными требованиями к уровню шума для машин третьего класса;
- встраиваемые электродвигатели, электродвигатели со встроенной температурной защитой для привода механизмов;
- электродвигатели тропического, влаго-, морозостойкого и химически стойкого исполнений.
Пример условного обозначения электродвигателя: 4АНХ315МВ4У3,
где 4 - номер серии;
А - асинхронный;
Н - защищенный (способ защиты от окружающей среды), при отсутствии этой буквы - закрытый обдуваемый;
Х -сочетание чугуна и алюминия в качестве материалов станины и щитов (А - станина и щиты алюминиевые), при отсутствии букв Х и А - станины и щиты - чугунные или стальные;
315 - высота оси вала, мм;
М - установочный размер по длине станины (либо S и L);
В - длина сердечника статора (или А) при условии сохранения установочного размера, отсутствие букв А и В означает наличие только одной длины сердечника;
4 - число полюсов;
У3 - климатическое исполнение и категория размещения.
Электродвигатели крановые и металлургические
Асинхронные электродвигатели трехфазного тока крановые и металлургические с короткозамкнутым ротором серии MTKF и МТKН и с фазным ротором серий MTF и МТН (в обозначении: М - металлургические и крановые, Т - трехфазного тока, F и Н - классы нагревостойкости) предназначены для привода крановых механизмов общепромышленного назначения, а также других механизмов с кратковременным и повторно-кратковременными режимами работы с большими кратностями перегрузок.
Для приводов, работающих в условиях повышенных температур окружающей среды (металлургическое производство и т.п.), рекомендуются электродвигатели серий МТН и МТKН.
Крановые и металлургические электродвигатели обладают повышенной нагрузочной способностью, большими пусковыми моментами, малым временем разгона. Отношение пускового (максимального) крутящего момента к номинальному колеблется в пределах 2,3-3,2. Диапазон рабочей температуры окружающего воздуха для крановых электродвигателей от -45 оС до +40 оС, металлургических от -45 оС до +50 оС.
Электродвигатели имеют синхронные частоты вращения n:
1000, 750 и 600 об/мин - при работе от сети с частотой 50 Гц;
1200, 900 и 720 об/мин - при работе от сети с частотой 60 Гц.
Пример условного обозначения электродвигателя: МТКН311-8Т2,
где первая цифра трехзначного числа после буквенного обозначения - условная величина внешнего диаметра пакета статора;
вторая цифра трехзначного числа после буквенного обозначения - порядковый номер серии;
третья цифра трехзначного числа после буквенного обозначения -условная длина пакета статора;
цифра, стоящая после тире - число полюсов электродвигателя.
Для работы в условиях тропиков вводится обозначение Т2, в условиях холодного климата - ХЛ2.
Электродвигатели всех габаритов изготавливают в закрытом обдуваемом исполнении, а с фазовым ротором 5-7 габаритов, кроме того, - в защищенном исполнении с независимой вентиляцией.
1.4. Основные характеристики асинхронных электродвигателей общего применения
В машиностроении применяют асинхронные электродвигатели трехфазного тока с короткозамкнутым ротором, которые непосредственно включаются в сеть. Их преимущества: простота конструкции, сравнительно низкая стоимость, простота обслуживания и надежность. Недостатки: меньшие КПД и cosφ относительно синхронных электродвигателей; ограниченная возможность регулирования по сравнению с электродвигателями постоянного тока и асинхронными электродвигателями с фазовым ротором, имеющих контакты для включения реостата в цепь ротора.
К основным типам асинхронных электродвигателей трёхфазного тока, предназначенных для приводов общего применения, относят двигатели единой серии марок:
4АН – электродвигатели, защищенные от попадания капель и твёрдых частиц и от прикосновения к вращающимся и токоведущим частям;
4А − электродвигатели закрытые обдуваемые по ГОСТ 19523-74 (рис. 1.3). Формы исполнения: М100 − электродвигатели горизонтальные, станина на лапах (см. рис.1.3, а); М200 − то же и дополнительно с фланцем на щите (см. рис 1.3, б);
АО2 − электродвигатели закрытые обдуваемые по ГОСТ 13859-68 и их модификации.
Технические данные электродвигателей содержатся в каталогах, в табл. 1.6, 1.7 приведены краткие выдержки из них.
Кроме того, форма исполнения и способ установки электродвигателя единой серии (общего назначения) обозначаются следующим образом:
IM1081 – электродвигатели со станиной на лапах;
IM2081 – горизонтальные на лапах и с фланцем на щите;
IM3081 – со станиной без лап и с фланцем на щите.
Пример условного обозначения трехфазного асинхронного короткозамкнутого закрытого обдуваемого двигателя единой серии горизонтального с чугунной станиной на лапах, с высотой оси вращения 90 мм, с установочным размером по длине станины L, четырех полюсного, климатического исполнения Y, категории размещения 3 по ГОСТ 15150-69.
Двигатель исполнения IM10814АF90L4Y3 ГОСТ 19523-81.
а)
б)
Рис. 1.3
Синхронная частота вращения соответствует холостому ходу. Под нагрузкой частота вращения электродвигателя уменьшается.
Номинальному (паспортному) режиму эксплуатации электродвигателя соответствует номинальная частота nНОМ и номинальная мощность РНОМ. В этом режиме электродвигатель работает длительное время без перегрева и КПД близок к максимальному. Момент, соответствующий PНОМ, является номинальным – ТНОМ.
В каталоге указывается также отношение ТМАХ /ТНОМ, ТПУСК/TНОМ. При пуске (n = 0) двигатель развивает момент TПУСК. В процессе разгона электродвигателя вращающий момент первоначально возрастает до TMAX (при nKP), а затем снижается до момента TНОМ (при nНОМ). Участок характеристики от Т = 0 (холостой ход) до TМАХ близок к прямолинейному, т.е. момент в указанных пределах пропорционален скольжению, однако благодаря «жесткости» механической характеристики значительное изменение нагрузки вызывает несущественное изменение частоты вращения.
В каталоге указывается номинальная частота вращения nНОМ, мин-1, принимаемая за расчетную, например, при определении общего передаточного отношения механизма. Если электродвигатель работает при установившемся режиме (nНОМ и TНОМ), а затем подвергается перегрузке, его частота вращения падает. При этом должно быть обеспечено даже для кратковременного момента перегрузки TПУСК ≤TМАХ. Поэтому частота вращения, соответствующая TМАХ , является критической пКР. Следовательно, при выборе электродвигателя необходимо согласовать его характеристику с режимом нагрузки механизма. Например, для конвейеров указывается характер нагрузки и отношение (ТПУСК / ТНОМ)≤ (TМАХ/TНОМ).
Если это условие не соблюдается для данного типа электродвигателя, необходимо выбрать другой тип или предусмотреть в системе привода устройство, позволяющее разгонять электродвигатель вхолостую, а затем плавно включать нагрузку, например, с помощью фрикционной управляемой муфты.
Длительный режим работы характеризуется его продолжительностью, достаточной для того, чтобы температура нагрева двигателя достигала установившегося значения.
При выборе электродвигателя учитывают ряд требований, обусловленных условиями и режимом работы привода: частотой вращения выходного вала, состоянием окружающей среды; типом передаточного механизма и т.д. Критериями оценки оптимальности выбора электродвигателей служат надежность и экономичность электромеханической системы, КПД, габариты и масса двигателя, его динамические характеристики.
В рамках учебного курсового проектирования эта задача решается ограниченно и заключается в подборе типоразмера по каталогу с учетом его механической характеристики.
Для определения мощности электродвигателя РЭД и частоты вращения его ротора nЭД в техническом задании должны быть указаны мощность на выходе РВЫХ и частота вращения выходного (тихоходного) вала привода nВЫХ. В зависимости от сложности учебной задачи указывают синхронную частоту вращения вала электродвигателя nЭДС или проектировщик (студент), исходя из кинематических возможностей привода, сам выбирает требуемую реальную частоту вращения ротора электродвигателя nЭДР .
Основные параметры асинхронных короткозамкнутых электродвигателей трехфазной серии А4 приведены в табл.1.6.
При выборе электродвигателя следует учитывать следующие положения.
Чем ниже частота вращения вала электродвигателя, тем больше его размеры, масса и стоимость. Высокооборотные двигатели, напротив, имеют меньшие размеры, массу, стоимость, чем тихоходные той же мощности. Поэтому применение тихоходного двигателя с пс = 750 мин-1 возможно при достаточном обосновании.
Следует также учитывать, что допустимая перегрузка не должна превышать 8% при постоянной и 12% при переменной нагрузке; допустимая недогрузка - 20%.
На рис. 1.2 представлена характеристика асинхронного электродвигателя, выражающая зависимость частоты вращения двигателя от величин вращающего момента.
Рис. 1.2
Здесь Тном − номинальный вращающий момент;
Тнач (или Тпуск) − момент, развиваемый при пуске двигателя;
Тmax − максимальный момент (кратковременный);
nном − номинальная частота вращения двигателя;
nкр − критическая частота вращения двигателя;
nс − синхронная частота вращения двигателя (при отсутствии нагрузки), то есть частота вращения магнитного поля, она зависит от частоты тока f и числа пар полюсов р:
Асинхронная угловая скорость, рад/сек:
При стандартной частоте f = 50 1/c и числе пар полюсов р от 1 до 4 синхронная частота вращения двигателя nс = 3000, 1500, 1000, 750 об/мин.
Частота вращения nном, указываемая в каталогах электродвигателей, относится к номинальному режиму, её и принимают во внимание при определении общего передаточного отношения привода.
Под действием нагрузки частота вращения вала электродвигателя nэд уменьшается по сравнению с nс, возникает скольжение s, определяемое по формуле s = (nс – nэд) / nс. Следовательно, nэд = nс ∙ (1 – s).
Большинство технологических машин, следовательно, и их приводы работают в условиях переменных режимов нагружения, которые определяются циклограммой, т.е. графиком изменения вращающего момента во времени.
Исследованием установлено, что при всем многообразии циклограмм моментов их можно приближенно свести к шести стандартным типовым режимам нагружения.
0 — постоянный режим нагружения, характерен для машин, которые работают с отклонениями от номинального режима до 20%. Он является наиболее тяжелым.
1-й — тяжёлый режим нагружения, характерен для машин, которые работают большую часть времени с нагрузками, близкими к номинальным, например, для горных машин.
11 — средний равновероятный режим нагружения, характерен для машин, которые работают одинаковое время со всеми значениями нагрузки, например, для транспортных машин.
111 — средний нормальный режим нагружения, характерен для машин, которые работают большую часть времени со средними нагрузками, например, для достаточно интенсивно эксплуатируемых машин.
1V — лёгкий режим нагружения, характерен для машин, которые работают большую часть времени с нагрузками ниже средних, например, для широко универсальных станков.
V — особо лёгкий режим нагружения, характерен для машин, которые большую часть времени работают с малыми нагрузками, например, для металлорежущих станков.
Сведения о режимах наружения используют при проектировании зубчатых передач на выносливость согласно табл. 1.5.
Таблица 1.5. Коэффициенты для вычисления эквивалентного числа циклов
Номер режима | KHE | KFE* |
0,500 0,250 0,180 0,125 0,063 | 0,300/0,200 0,143/0,100 0,065/0,036 0,038/0,016 0,013/0,004 | |
*Числитель для зубчатых колес с однородной структурой, включая ТВЧ со сквозной закалкой, и для шлифованной переходной поверхности независимо от твёрдости. Знаменатель для зубчатых колёс азотированных, цементированных и нитроцементированных с нешлифованной переходной поверхностью. |
Таблица 1.6. Двигатели асинхронные короткозамкнутые трёхфазные серии 4А общепромышленного применения;
закрытые обдуваемые. Технические данные
Номинальная мощность Рэ, кВт | Синхронная частота вращения, мин-1 | |||||||
Тип двигателя, 4А | nэ (d)э | Тип двигателя, 4А | nэ (d)э | Тип двигателя, 4А | nэ (d)э | Тип двигателя, 4А | nэ (d)э | |
0,25 0,37 0,55 0,75 1,1 1,5 2,2 3,0 4,0 5,5 7,5 11,0 15,0 | АМ56В2У3 АМ63А2У3 АМ63В2У3 М71А2У3 М71В2У3 М80А2У3 М80В2У3 М90L2У3 М100S2У3 М100L2У3 М112M2У3 М132M2У3 М160S2У3 | 2760(11) 2740(14) 2710(14) 2840(19) 2810(19) 2850(22) 2850(22) 2840(24) 2880(28) 2880(28) 2900(32) 2930(36) 2930(42) | АМ63А4У3 АМ63В4У3 М471А4У3 М71В4У3 М80А4У3 М80В4У3 М90L4У3 М100S4У3 М100L4У3 М112М4У3 М132S4У3 М1М2М4У3 М160S4У3 | 1370(14) 1365(14) 1390(19) 1390(19) 1420(19) 1415(22) 1425(22) 1435(24) 1430(28) 1445(28) 1455(32) 1450(36) 1460(42) | АМ63В6У3 М71А6У3 М71В6У3 М80А6У3 М80В6У3 М90L6У3 М100L6У3 М112MА6У3 М112MB6У3 М132S6У3 М132M6У3 М160S6У3 М160M6У3 | 890(14) 910(19) 900(19) 915(22) 920(22) 935(24) 950(28) 955(32) 950(32) 965(36) 970(36) 970(42) 970(42) | M71B8У3 М80А8У3 М80В8У3 М90LA8У3 М90LВ8У3 М100L8У3 М112МА8У3 М112МВ8У3 М132S8У3 М132М8У3 М160S8У3 М160М8У3 М180М8У3 | 680(19) 675(22) 700(22) 700(24) 700(24) 700(28) 700(32) 700(32) 720(36) 720(36) 730(42) 730(42) 730(42) |
Примечание: Структура обозначения типоразмера двигателя (расшифровывается слева направо): 4 − порядковый номер серии; А − вид двигателя − асинхронный; А − станина и щиты двигателя алюминиевые (отсутствие знака означает, что станина и щиты чугунные или стальные); М − модернизированный; двух- или трёхзначное число − высота оси вращения ротора; А, В − длина сердечника статора; K, L, M, S − установочный размер по длине станины; 2, 4, 6, 8 − число полюсов; У3 − климатическое исполнение и категория размещения (для работы в зонах с умеренным климатом) по ГОСТ 15150-69. |
Таблица 1.7. Двигатели. Основные размеры, мм
Тип двигателя | Число полюсов | Исполнение | ||||||||||||||||||
IM1081 | IM1081, IM2081, IM3081 | IM1081, IM2081 | IM2081, IM3081 | |||||||||||||||||
d30 | l1 | l30 | d1 | b1 | h1 | l30 | l31 | d10 | b10 | h | h10 | h31 | l20 | l21 | d20 | d22 | d24 | d25 | ||
71А, В | 2, 4, 6, 8 | 3,5 | ||||||||||||||||||
80А | ||||||||||||||||||||
80В | ||||||||||||||||||||
90L | ||||||||||||||||||||
100S | ||||||||||||||||||||
100L | ||||||||||||||||||||
112М | ||||||||||||||||||||
132S | ||||||||||||||||||||
132М | ||||||||||||||||||||
160S | ||||||||||||||||||||
4, 6, 8 | ||||||||||||||||||||
160М | ||||||||||||||||||||
4, 6, 8 | ||||||||||||||||||||
180S | ||||||||||||||||||||
4, 6, 8 | ||||||||||||||||||||
180М | ||||||||||||||||||||
4, 6, 8 |
Таблица 1.8. Мощности и скорости вращения двигателей А2, АО2, и АОЛ2
Тип электродвигателя | Номинальная мощность, кВт | Частота вращения, мин-1 | Тип электродвигателя | Номинальная мощность, кВт | Частота вращения, мин-1 | Тип электродвигателя | Номинальная мощность, кВт | Частота вращения, мин-1 |
АОЛ2-11-12 | 0,8 | АО2-51-2 | АО2-72-4 | |||||
АОЛ1-12-2 | 1,3 | АО2-52-2 | АО2-71-6 | |||||
АОЛ2-11-4 | 1,6 | АО2-51-4 | 7,5 | АО2-72-6 | ||||
АОЛ2-12-4 | 0,8 | АО2-52-4 | АО2-71-8 | |||||
АОЛ2-11-6 | 0,4 | АО2-51-6 | 5,5 | АО2-72-8 | ||||
АОЛ2-12-6 | 0,6 | АО2-52-6 | 7,5 | АО2-81-2 | ||||
АОЛ2-21-2 | 1,5 | АО2-51-8 | 4,0 | АО2-82-2 | ||||
АОЛ2-22-2 | 2,2 | АО2-52-8 | 5,5 | АО2-81-4 | ||||
АОЛ2-21-4 | 1,1 | АО2-62-2 | АО2-82-4 | |||||
АОЛ2-22-4 | 1,5 | АО2-61-4 | АО2-84-6 | |||||
АОЛ2-21-6 | 0,8 | АО2-62-4 | АО2-82-6 | |||||
АОЛ2-22-6 | 1,1 | АО2-61-6 | АО2-81-8 | |||||
АОЛ2-31-2 | 3,0 | АО2-62-6 | АО2-82-8 | |||||
АОЛ2-32-2 | 4,0 | АО2-61-8 | 7,5 | АО2-81-10 | ||||
АОЛ2-31-4 | 2,2 | АО2-62-8 | АО2-82-10 | |||||
АОЛ2-32-4 | 3,0 | А2-71-2 | АО2-91-2 | |||||
АОЛ2-31-6 | 1,5 | А2-72-2 | АО2-92-2 | |||||
АОЛ2-32-6 | 2,2 | А2-71-4 | АО2-91-4 | |||||
АО2-41-2 | 5,5 | А2-72-4 | АО2-92-4 | |||||
АО2-42-2 | 7,5 | А2-71-6 | АО2-91-6 | |||||
АО2-41-4 | 4,0 | А2-72-6 | АО2-92-6 | |||||
АО2-42-4 | 5,5 | А2-71-8 | АО2-91-8 | |||||
АО2-41-6 | 3,0 | А2-72-8 | АО2-92-8 | |||||
АО2-42-6 | 4,0 | АО2-71-2 | АО2-91-10 | |||||
АО2-41-8 | 2,2 | АО2-72-2 | АО2-92-10 | |||||
АО2-42-8 | 3,0 | АО2-71-4 | ||||||
Примечание: Число после первого тире обозначает типоразмер, в котором первая цифра – порядковый номер наружного диаметра сердечника статора, вторая цифра – порядковый номер длины двигателя; цифра после второго тире – число полюсов. |
Таблица 1.9. Основные стандарты по электродвигателям
Стандарт | Наименование |
ГОСТ 9630-80 Е | Двигатели трехфазные асинхронные напряжением свыше 1000 В. Общие технические условия |
ГОСТ 12049-75 | Двигатели постоянного тока для машин напольного безрельсового электрифицированного транспорта. Общие технические условия |
ГОСТ 14191-88 Е | Машины электрические вращающиеся малой мощности. Двигатели для звукозаписывающей аппаратуры и электропроигрывающих устройств назначения |
ГОСТ 16264.0-85Е | Машины электрические малой мощности. Двигатели. Общие технические условия |
ГОСТ 16264.1-85 | Двигатели асинхронные. Общие технические условия |
ГОСТ 16264.2-85 | Двигатели синхронные. Общие технические условия |
ГОСТ 16264.3-85 | Двигатели коллекторные. Общие технические условия |
ГОСТ 16264.4-85 | Двигатели постоянного тока бесконтактные. Общие технические условия |
ГОСТ 16264.5-85 | Двигатели шаговые. Общие технические условия |
ГОСТ 18058-80 | Двигатели трехфазные асинхронные короткозамкнутые погружные серии ПЭД. Технические условия |
ГОСТ 18200-90 Е | Машины электрические вращающиеся крупице свыше 200 кВт. Двигатели синхронные. Общие технические условия |
ГОСТ 24915-81 | Двигатели трехфазные асинхронные напряжением 6000 В, мощностью от 200 до 1000 кВт. Ряды мощностей и установочных размеров |
ГОСТ 26771-85 | Микроэлектродвигатели для игрушек. Общие технические условия |