Выбор электродвигателя

В качестве двигателей (рисунок 1) в механических приводах наибольшее распространение нашли электродвигатели, которые в большом количестве выпускаются промышленностью. Электродвигатель – один из основных элементов привода, от типа, мощности и частоты вращения которого зависят конструктивные и эксплуатационные характеристики машинного агрегата. Более подробно о разновидностях электродвигателей сообщено в работе [1].

В курсовой работе рекомендуется выбирать трехфазные асинхронные двигатели серии 4А, которые нашли широкое распространение во многих отраслях машиностроения за счет простоты конструкции, относительно небольшой стоимости, высокой эксплуатационной надежности. Эти двигатели наиболее универсальны, закрытое и обдуваемое исполнение позволяет применять их для работы, как в закрытых помещениях, так и на открытых площадках в загрязненных условиях. Каждой мощности соответствует четыре типа двигателей с синхронными частотами вращения валов: 3000 мин^-1, 1500 мин^-1, 1000 мин^-1, 750 мин^-1. Под действием номинальной нагрузки двигатели имеют номинальную частоту вращения (асинхронную) ниже синхронной за счет потерь на скольжение. В таблице 2 приведены значения номинальных частот вращения для двигателей разных типоразмеров в интервале мощностей 2,2...22 кВт.

Значение номинальной мощности электродвигателя Р_ном выбирается из таблицы 2, как ближайшее большее к расчетной мощности Р_дв.тр по формуле (3). В отдельных случаях может быть выбран электродвигатель меньшей мощности Р_ном к расчетной Р_дв.тр, если перегрузка его не превысит 8% [5, с. 7].

Выбранный по мощности электродвигатель имеет четыре типоразмера по частоте вращения, среди которых в дальнейшем необходимо выбрать один. Для этого необходимо определить общее передаточное число привода, которое равно произведению передаточных чисел механических передач, входящих в кинематическую схему привода

U_общ= u₁×u₂ ×... × u_n, (5)

где u₁, u₂,..., u_n – передаточные числа механических передач в передаточном механизме, рекомендуемый интервал которых приведен в таблице 3.

Таблица 2 – Двигатели асинхронные короткозамкнутые трехфазные серии 4А общепромышленного применения; закрытые, обдуваемые. Технические данные по ГОСТ 19523 – 81

2,2	4А80В2У3	2870	4А90L4У3	1425	4А100L6У3	950	4А112МА8У3	705
3,0	4А90L2У3	2870	4А100S4У3	1435	4А112МА6У3	955	4А112МВ8У3	705
4,0	4А100S2У3	2900	4А100L4У3	1430	4А112МВ6У3	950	4А132S8У3	720
5,5	4А100L2У3	2900	4А112М4У3	1445	4А132S6У3	970	4А132М8У3	720
7,5	4А112М2У3	2925	4А132S4У3	1455	4А132М6У3	970	4А160S8У3	730
11,0	4А132М2У3	2930	4А132М4У3	1460	4А160S6У3	975	4А160М8У3	730
15,0	4А160S2У3	2940	4А160S4У3	1465	4А160М6У3	975	4А180М8У3	730
18,5	4А160М2У3	2940	4А160М4У3	1470	4А180М6У3	975	4А200М8У3	730
22	4А180S2У3	2940	4А180S4У3	1470	4А200М6У3	975	4А200L8У3	730

Таблица 3 – Рекомендуемые значения передаточных чисел u механических передач [3, с. 45]

Вид передачи	Твердость зубьев	Рекомендуемый интервал u	u_мах
Зубчатая цилиндрическая одноступенчатого редуктора	Любая	2,0....6,3	8,0
Цепная	–	2,0....4,0	–
Ременная	–	2,0....3,0	–

Рекомендуемый интервал передаточных чисел механического привода равен

U_общ= U_общ.min.... U_общ.max, (6)

где U_общ.min– произведение минимальных рекомендуемых значений передаточных чисел механических передач привода;

U_общ.max – произведение их максимальных рекомендуемых значений.

Затем для четырех выбранных по мощности двигателей рассчитывается U_общ, как отношение номинальной частоты вращения вала электродвигателя n_ном (таблица 2) к заданной в исходных данных частоте вращения вала рабочей машины n_вых= n₄

. (7)

Из дальнейшего рассмотрения исключаются двигатели, для которых U_общ., найденное по формуле (7), не попадает в рекомендуемый интервал, определенный по формуле (6). Оставшиеся двигатели из четырех рассматриваемых могут быть применены в заданной кинематической схеме привода, т.е. задача решается неоднозначно.

Однако при окончательном выборе электродвигателя нужно учесть, что двигатели с большой частотой вращения (синхронной 3000 мин^-1) имеют низкий рабочий ресурс, а двигатели с низкими частотами (синхронными 750 мин^-1) имеют повышенные габариты и массу, поэтому их нежелательно применять без особой необходимости в приводах общего назначения.

Пример расчета

В таблице 2 выбираем электродвигатели, имеющие ближайшую большую номинальную мощность Р_ном = 5,5 кВт по отношению к требуемой мощности Р_дв.тр = 5,03 кВт, рассчитанной по формуле (3). Параметры электродвигателей приведем в таблице 4.

Таблица 4 – Выбор электродвигателя (к примеру)

Тип двигателя	Номинальная мощность Р_ном, кВт	Номинальная частота вращения, N_ном, мин^-1	Общее передаточное число привода U_общ= n_ном / n₄
4А100L2У3 4А112М4У3 4А132S6У3 4А132М8У3	5,5	2900 1445 970 720	32,22 16,06 10,78 8,00

Общее передаточное число привода определяется по формуле

U_общ = u_зп × u_цп, (8)

где u_зп – передаточное число зубчатой передачи;

u_цп – передаточное число цепной передачи.

Из таблицы 3 выбираем рекомендуемый интервал передаточных чисел механических передач, входящих в рассматриваемую кинематическую схему привода, и рассчитываем рекомендуемый интервал U_общ

Из таблицы 4 видим, что для 2-го, 3-го и 4-го двигателей общее передаточное число привода попадает в рекомендуемый интервал. Поэтому можно взять любой из этих двигателей для дальнейших расчетов. Однако четвертый двигатель (низкоскоростной) имеет повышенные массу и габариты. Остановимся на втором двигателе 4А112М4У3 с номинальной мощностью Р_ном= 5,5 кВт, частотой вращения вала двигателя n_ном= 1445 мин^-1. В этом случае U_общ = 16,06.

6 Определение кинематических и силовых параметров валов привода

Этот расчет необходимо начать с разбивки общего передаточного числа привода U_общ между его ступенями.

В рассматриваемых в курсовой работе схемах привода (приложение А) есть открытая передача (ременная или цепная), а также одноступенчатый зубчатый цилиндрический редуктор. Для разбивки U_общ необходимо задаться стандартным значением передаточного числа зубчатой передачи редуктора (u_зп = u_ред) в соответствии с рекомендуемым интервалом (таблица 3) из ряда [3, с. 45]: 2,00; 2,24; 2,50; 2,80; 3,15; 3,55; 4,00; 4,50; 5,00; 5,60; 6,30; 7,10; 8,00. Жирным шрифтом выделены предпочтительные значения. Тогда передаточное число открытой передачи u_откр определится

. (9)

Значение u_откр не округляется до стандартного значения из вышеприведенного ряда, но должно попадать в рекомендуемый интервал для соответствующего типа открытой передачи (таблица 3) и обозначаться или u_цп или u_рп. Причем, в целях снижения габаритов привода без особой необходимости не нужно стремиться к максимальным значениям рекомендуемых интервалов передаточных чисел открытых передач, а придерживаться некоторых средних значений.

К кинематическим параметрам валов привода относятся частота вращения вала и его угловая скорость, а к силовым параметрам – мощность и вращающий момент.

На валу выбранного электродвигателя имеют место следующие значения кинематических и силовых параметров:

– частота вращения вала электродвигателя n₁, мин^-1

n₁ = n_ном, (10)

где n_ном– номинальная частота вращения вала электродвигателя,

мин^–1 (из таблицы 2);

– угловая скорость вращения вала электродвигателя w₁, с^-1

w₁ = pn_ном / 30; (11)

– мощность на валу электродвигателя Р₁, кВт

Р₁ = Р_дв.тр, (12)

где Р_дв.тр. – требуемая мощность электродвигателя, кВт; формула (3);

– вращающий момент на валу электродвигателя Т₁, Н×м

Т₁ = 1000 ×Р₁ / w₁. (13)

Все последующие валы в кинематической схеме механического привода последовательно нумеруются и на каждом из них определяются вышеуказанные параметры.

Возможны два случая.

Рассмотрим случай 1. Передача силового потока с (i – 1) - го на i - й вал осуществляется через соединительную муфту. Кинематические параметры не изменяются, т.е.

n_i = n_{i -1} и w_i = w_{i -1}, (14)

а силовые параметры рассчитываются по зависимостям

P_i = P_{i -1} ×h_м ×h_п.п., (15)

T_i = T_{i -1} ×h_м ×h_п.п, (16)

где h_м – КПД муфты (таблица 1);

h_п.п – КПД пары подшипников i - го вала (таблица 1);

n_i, P_i, T_i, w_i - соответственно частота вращения, мощность, вращающий момент и угловая скорость i-го вала;

n_{i -1}, P_{i -1},T_{i -1}, w_{i -1} - аналогичные параметры предыдущего в кинематической схеме (i –1) - го вала.

Рассмотрим случай 2. Передача силового потока с (i –1) -го вала на i - й вал осуществляется через какую-либо механическую передачу. Кинематические и силовые параметры i - го вала равны

n_i = n_{i -1} / u_пер, (17) w_i = w_{i -1} / u_пер, (18) P_i = P_{i -1} ×h_пер ×h_п.п, (19) T_i = T_{i -1} ×u_пер ×h_пер ×h_п.п, (20)

где u_пер, h_пер – соответственно передаточное число и КПД механической передачи, через которую проходит силовой поток с (i –1) - го на i - й вал.

Пример расчета

Произведем разбивку U_общ = 16,06, полученное в пункте 5.1, между ступенями привода: зубчатой и цепной передачами. Зададимся стандартным значением u_зп = 5,0 из рекомендуемого интервала (таблица 3). Тогда передаточное число цепной передачи будет равно по формуле (9)

u_цп = U_общ / u_зп = 16,06 / 5,0 = 3,212.

Полученное значение u_цп попадает в рекомендуемый интервал (таблица 3). Если не попадает, то выбирают другое значение передаточного числа зубчатой передачи u_зп. Окончательно имеем u_зп = 5,0; u_цп = 3,212.

Рассчитаем номинальные частоты вращения валов привода (в соответствии с формулами 14 и 17):

– вал электродвигателя

n₁ = n_ном = 1445 мин^-1;

– входной вал редуктора (ведущий вал зубчатой передачи)

n₂ = n₁ = 1445 мин^-1;

– выходной вал редуктора (ведомый вал зубчатой передачи, ведущий вал цепной передачи)

n₃ = n₂ / u_зп = 1445 / 5,0 = 289 мин^-1;

– приводной вал рабочей машины

n₄ = n₃ / u_цп = 289 / 3,212 = 90 мин^-1.

Рассчитаем номинальные вращающие моменты на валах привода (в соответствии с формулами 16 и 20):

– вал электродвигателя