Асинхронный двигатель

Содержание
Техническое задание на разработку асинхронного двигателя
Основные требования к проектируемому двигателю
Введение
1. Выбор главных размеров асинхронного двигателя
2. Выбор типа обмотки статора. Расчет, составление расчетной схемы , таблицы укладки обмотки в пазы и чертежа схемы обмотки
3. Расчет размеров зубцовой зоны статора
4. Выбор воздушного зазора. Расчет короткозамкнутого ротора
5. Расчет магнитной цепи асинхронно двигателя
6. Расчет параметров асинхронного двигателя для номинального режима
7. Расчет потерь и КПД асинхронного двигателя
8. Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя
9. Физическая суть явлений вытеснений тока и насыщения в асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором и использование этих явлений для улучшений пусковых свойств двигателя. Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя
10. Тепловой и вентиляционный расчеты асинхронного двигателя
11. Составление таблицы сравнения основных размеров, параметров, рабочих и пусковых характеристик расчётного двигателя с основными размерами, параметрами, рабочими и пусковыми характеристиками однотипного серийного двигателя. Выводы по таблице сравнения.
12. Обоснование и описание конструкции расчетного асинхронного двигателя: установочно-присоединительные размеры, сердечник и обмотка статора, сердечник и обмотка ротора, вентилятор, станина, подшипниковые щиты и подшипники, выводное устройство
Заключение
Список литературы

Расчет производим для точек характеристик, соответствующих ; ; ; ; при этом используем значения токов и сопротивлений для тех же скольжений с учетом влияния вытеснения тока (таблица 8).
Данные расчета сведены в таблицу 9.
В качестве примера приведен расчет для .
Ориентировочно для расчета пускового режима принимаем по рекомендациям [1].
Определяем среднюю магнитодвижущую силу, отнесенную к одному пазу обмотки статора:
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
;
.
Полученный в расчете коэффициент насыщения отличается от принятого приблизительно до 3%, что вполне допустимо.
Рисунок 8 – Пусковые характеристики асинхронного двигателя с
короткозамкнутым ротором
Таблица 9
Пусковые характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым
ротором с учетом вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния
№ п/п Расчетные формулы Размерность Скольжение s 1 0,8 0,5 0,2 0,1 0,148=sкр 1 – 1,35 1,3 1,25 1,1 1,05 1,07 2 А 6910 6581 6111 4778 3618 3905 3 Тл 4,697 4,471 4,151 3,246 2,458 2,650 4 – 0,48 0,52 0,55 0,69 0,75 0,72 5 мм 6,76 6,24 5,85 4,03 3,25 3,64 6 – 1,14 1,182 1,199 1,26 1,297 1,278 7 – 0,773 0,837 0,866 1,111 1,208 1,159 8 Ом 0,59 0,597 0,693 0,629 0,641 0,635 9 – 1,007 1,007 1,008 1,008 1,008 1,008 10 мм 10,4 9,6 9 6,2 5 5,6 11 – 1,878 1,957 2,172 2,355 2,437 2,387 12 – 1,291 1,399 1,470 1,856 2,618 1,957 13 Ом 0,739 0,769 0,817 0,906 0,945 0,925 14 Ом 0,564 0,6 0,714 1,229 2,122 1,906 15 Ом 1,335 1,372 1,425 1,542 1,594 1,567 16 А 262,275 253,766 238,34 192,647 143,19 157,84 17 А 264,701 256,213 240,783 194,851 144,931 159,761 18 – 1,317 1,289 1,254 1,142 1,071 1,08 19 – 6,606 6,394 6,009 4,883 3,751 3,984 20 – 1,414 1,475 1,783 2,58 2,778 2,979
Определяем критическое скольжение:
, после чего рассчитываем точку характеристики, соответствующую : .
Кратности пускового и максимального моментов и пускового тока спроектированного двигателя удовлетворяют требованиям ГОСТ.
10. Тепловой и вентиляционный расчеты асинхронного двигателя
Превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя, °С:
. По таблице 6-30 [1] принимаем .
Электрические потери в обмотке статора делятся на потери в пазовой части и потери в лобовых частях катушек :
, , где – коэффициент увеличения потерь, для обмоток с изоляцией класса нагревостойкости F .
Тогда
.
По рисунку 6-59,б [1] принимаем среднее значение коэффициента теплоотдачи с поверхности .
Имеем
.
Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора, °С:
, где – расчетный периметр поперечного сечения паза статора, равный для полузакрытых трапецеидальных пазов:
, где , и – размеры паза в штампе (рассчитаны ранее).
Для изоляции класса нагревостойкости F , по рисунку 6-62 [1] для находим .
Тогда
;
.
Перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей:
. Тогда
;
;
.
Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри двигателя:
. Имеем
.
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри двигателя:
. Получим
.
Превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой окружающей среды:
, где для ;
– сумма потерь, отводимых в воздух внутри двигателя, Вт:
, Где
, где – сумма всех потерь в двигателе при номинальном режиме и расчетной температуре.
Эквивалентная поверхность охлаждения корпуса с учетом поверхности ребер станины:
, где – условный периметр поперечного сечения ребер корпуса двигателя; значение которого принимаем равным для .
Окончательно
;
;
;
.
Среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды:
. Тогда
.
Проверка условий охлаждения двигателя.
Требуемый для двигателей со степенью защиты IP44 охлаждения расход воздуха:
. где – коэффициент, учитывающий изменение условий охлаждения по длине поверхности корпуса, обдуваемого наружным вентилятором:
. Коэффициент принимаем по рекомендациям [1] .
Тогда
;
;
Расход воздуха, обеспечиваемый наружным вентилятором, может быть определен по формуле:
. Тогда
.
Нагрев частей двигателя находится в допустимых пределах1 [1].
Вентилятор обеспечивает необходимый расход воздуха, так как .
Вывод: спроектированный двигатель отвечает поставленным в техническом задании требованиям.
11. Составление таблицы сравнения основных размеров, параметров, рабочих и пусковых характеристик расчётного двигателя с основными размерами, параметрами, рабочими и пусковыми характеристиками однотипного серийного двигателя. Выводы по таблице сравнения.
Таблица 10
Сравнение параметров расчетного двигателя с однотипным серийным
Параметр Проектируемый АД Аналог 0,313 0,313 0,232 0,230 0,155 0,160 48 48 2 2 317,9 292 0,797 0,74 2 2 0,95 1,0 1,015 1,05 6,546 6,5 6,059 6,2 8,482 8,5 17,359 16,5 0,45 0,5 36 36 16,486 17,5 8,086 7,3 5,21 6,2 0,052 0,062 0,056 0,045 0,142 0,1 0,135 0,16
12. Обоснование и описание конструкции расчетного асинхронного двигателя: установочно-присоединительные размеры, сердечник и обмотка статора, сердечник и обмотка ротора, вентилятор, станина, подшипниковые щиты и подшипники, выводное устройство
Электрические машины общего назначения в большинстве случаев выполняют с горизонтальным расположением вала. В этом случае вал несет на себе всю массу вращающихся частей, через него передается вращающий момент машины. При сочленении машины с исполнительным механизмом (для двигателя) или с приводным двигателем (для генератора) через ременную или зубчатую передачу, а также и через муфту на вал действуют дополнительные изгибающие силы. Кроме того, на вал могут действовать силы одностороннего магнитного притяжения, вызванные магнитной несимметрией, усилия, появляющиеся из-за наличия небаланса вращающихся частей, а также усилия, возникающие при появлении крутильных колебаний. Правильно сконструированный вал должен быть достаточно прочным, чтобы выдержать все действующие на него нагрузки без появления остаточных деформаций. Вал должен также иметь достаточную жесткость, чтобы при работе машины ротор не задевал о статор. Критическая частота вращения вала должна быть значительно больше рабочих частот вращения машины. При критической частоте вращения вынуждающая сила небаланса имеет частоту, равную частоте собственных поперечных колебаний вала (т.е. наступает явление резонанса), при которой резко увеличиваются прогиб вала и вибрация машины.
Валы изготовляют из углеродистых сталей, преимущественно из стали марки 45. Для повышения механических свойств сталей их подвергают термической обработке.
Размеры вала определяют при разработке конструкции. Валы имеют ступенчатую форму с большим диаметром в месте посадки магнитопровода ротора. Число ступеней вала зависит от количества узлов машины, размещаемых на нем (магнитопровод, коллектор, подшипники, вентилятор, контактные кольца и т.д.). При переходе с одного диаметра вала на другой для предупреждения недопустимой концентрации напряжений в местах переходов должны быть предусмотрены закругления (галтели) максимально возможного радиуса. Отношение радиуса галтели к диаметру вала должно быть больше 0,05. По этой же причине не следует применять отношение диаметров соседних ступеней вала более 1,3. Иногда для фиксации положения пакета магнитопровода ротора на валу предусматривается упорный буртик. Диаметр вала, см, в той его части, где размещается магнитопровод, предварительно можно выбрать по формуле:
, где – номинальная мощность, кВт;
– номинальная частота вращения ротора, об/мин;
– коэффициент, значение которого принимаем по рекомендациям [2] равным .
Тогда
.
По рекомендациям [3] принимаем основные размеры: a=53,5 мм; d3=80 мм; d2=65 мм; L1=458 мм; L2=229 мм; а1=53,5 мм.
Размеры свободного конца вала выбираем в соответствии с ГОСТ 18709-73 и ГОСТ 20839-75 по таблице 11-1 ([1, с.233]): , .
Принимая, что ротор асинхронного двигателя представляет собой сплошной цилиндр с плотностью 8300 кг/м3, его массу можно определить по формуле:
. Имеем
.
Прогиб определяем по формуле:
. Тогда
.
Электрическая машина сочленяется с исполнительным механизмом одним из указанных способов: через ременную передачу, зубчатую передачу или через упругую муфту. При работе машины возникают поперечные силы , приложенные к выступающему концу вала и соответственно вызванные натяжением ремня, давлением на зубец шестерни или же неточностью сопряжения валов и изготовлением деталей муфты.
Эту силу можно определить по формуле:
, где – номинальный вращающий момент, :
; – коэффициент, принимаем равным , при условии передачи упругой муфтой;
– радиус делительной окружности шестерни или радиус по центрам пальцев муфты или окружности шкива, м.
Получим:
;
.
Вал разбиваем на три участка: a, b и с:
;
;
.
Прогиб вала, м, под действием силы на участке, соответствующем середине магнитопровода, равна:
, где – модуль упругости;
Тогда
.
Сила вызывает дополнительный прогиб вала под серединой магнитопровода:
. .
Первоначальное смещение ротора:
.
Силу одностороннего магнитного притяжения определяем по формуле:
.
Сила вызывает дополнительный прогиб вала, который пропорционален прогибу от силы тяжести:
. .
Установившийся прогиб под действием силы магнитного притяжения:
. .
Результирующий прогиб вала определяется для наихудшего случая:
. ,
эта величина составляет 0,266 % от (, что является допустимым.
Критическую частоту вращения находим по приближённой формуле:
. .
В расчёте на прочность принимаем коэффициент перегрузки [2].
Напряжение на свободном конце вала в сечении А:
, где – изгибающий момент;
; – момент сопротивления при изгибе;
Окончательно:
;
;
.
Напряжение на свободном конце вала в сечении B:
, где – изгибающий момент;
; – момент сопротивления при изгибе;
. Окончательно:
;
;
.
Напряжение на свободном конце вала в сечении C:
, ; – момент сопротивления при изгибе;
. Окончательно:
;
;
.
Напряжение на свободном конце вала в сечении D:
, где – изгибающий момент;
; – момент сопротивления при изгибе;
. ;
;
.
Напряжения во всех сечениях не превышают предела текучести для стали марки 45.
Выбор подшипников
Для определения радиальной нагрузки на подшипники и будем исходить из наихудшего случая.
.
Приведённая динамическая нагрузка равна:
, где – коэффициент учитывающий характер нагрузки двигателя.
;
.
Динамическая грузоподъёмность:
, где – требуемый срок службы.
;
.
Выбираем шарикоподшипники радиальные однорядные по ГОСТ 8339-75.
ОПОРА A:
Тип 213 65 120 23 44000 5000
ОПОРА В:
Тип 313 65 140 35 71300 4000
Заключение
При выполнении курсового проекта был решен ряд задач, спроектированный двигатель по условиям задания удовлетворяет условиям пуска; в результате теплового расчёта было установлено, что вентилятор двигателя обеспечивает достаточное его охлаждение и защиту от перегрева.
В ходе расчета каждого раздела курсового проекта осуществлялось сравнения с аналогом проектируемого двигателя.
Анализируя расхождения данных, приведенных в аналоговом двигателе и полученных в результате расчетов, необходимо отметить, что эти расхождения, хотя и минимальны, имеют место в результате приближенного определения электромагнитных нагрузок, выбора значений по кривым намагничивания и т.п., поэтому это наложило свой отпечаток на рассчитанные данные.
Элементы механической части были выбраны в соответствии с условиями прочности и износостойкости в продолжительном режиме работы.
В результате моделирования спроектированного двигателя были определены характеристики двигателя с параметрами номинального и пускового режима.
Спроектированный двигатель в целом удовлетворяет техническому заданию и требованиям, предъявляемым при разработке новых двигателей.
Список литературы
Копылов И.П. Проектирование электрических машин. – М.: Энергия, 1980 – 488 с.
Полузадов В. Н. Электрические машины: Конспект лекций. - Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2004.
Приложение
Спецификация основных частей асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
№ п/п Наименование 1 корпус двигателя 2 сердечник статора 3 подшипниковый щит 4 обмотка статора 5 короткозамкнутый ротор 6 вал ротора 7 вентилятор
70