Проектирование электрического двигателя

Содержание
Содержание
Иллюстрации
Исходные данные
Размеры, конфигурация и материал
Главные размеры
Сердечник статора
Обмотка статора
Размеры элементов обмотки
Конструкция изоляции обмотки статора
Обмотка короткозамкнутого ротора
Сердечник ротора
Расчет размеров овальных закрытых пазов
Короткозамыкающее кольцо ротора
Расчет магнитной цепи
МДС для воздушного зазора
МДС для зубцов при трапецеидальных полузакрытых пазах статора
МДС для зубцов при овальных закрытых пазах ротора
МДС для спинки статора
МДС для спинки ротора
Параметры магнитной цепи
Активные и индуктивные сопротивления обмоток
Сопротивление обмотки статора
Сопротивление обмотки короткозамкнутого ротора с овальными закрытыми пазами
Сопротивление обмоток преобразованной схемы замещения двигателя (с вынесенным на зажимы намагничивающим контуром)
Режимы холостого хода
Расчет режима холостого хода
Расчет параметров номинального режима работы
Круговая диаграмма и рабочие характеристики
Расчет и построение круговой диаграммы
Максимальный момент
Начальный пусковой ток и начальный пусковой момент
Расчет активных и индуктивных сопротивлений, соответствующих пусковому режиму, при овальных закрытых пазах ротора
Тепловой и вентиляционный расчеты
Тепловой расчет обмотки статора асинхронного двигателя
Вентиляционный расчет асинхронного двигателя с радиальной вентиляцией
Масса двигателя и динамический момент инерции ротора
Расчет надежности обмотки статора
Расчет надежности всыпных обмоток статора асинхронного двигателя
Механический расчет вала
Расчет вала на жесткость
Определение критической частоты вращения
Расчет вала на прочность
Расчет подшипников
Заключение
Литература
Приложения

Условная внутренняя поверхность охлаждения активной части статора:
Условный периметр поперечного сечения трапецеидального полузакрытого паза:
.
Условная поверхность охлаждения пазов:
.
Условная поверхность охлаждения лобовых частей обмотки:
.
Высота продольных ребер по наружной поверхности станины:
.
Число продольных ребер по наружной поверхности станины:
.
Условная поверхность охлаждения двигателей с охлаждающими ребрами на станине:
.
Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали, отнесенных к внутренней поверхности охлаждения активной части статора:
.
Удельный тепловой поток от потерь активной части обмотки, отнесенных к поверхности охлаждения пазов:
.
Удельный тепловой поток от потерь в лобовых частях обмотки, отнесенных к поверхности охлаждения лобовых частей обмотки:
/
Окружная скорость ротора:
Коэффициент теплоотдачи поверхности статора определяем по рис. 20.:
Рисунок 20. График зависимости коэффициента теплоотдачи поверхности статора от окружной скорости
Превышение температуры внутренней поверхности активной части статора над температурой воздуха внутри машины:
Эквивалентный коэффициент теплопроводности внутренней изоляции катушки, зависящий от отношения диаметров изолированного и неизолированного провода:
по рис.21.:
Рисунок 21. График зависимости эквивалентного коэффициента теплопроводности внутренней изоляции от отношения диаметров
Перепад температуры в изоляции паза и катушек из круглых проводов:
.
Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри двигателя:
.
Перепад температуры в изоляции лобовых частей катушек из круглых проводов:
.
Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри двигателя:
.
Потери в обмотке ротора при максимально допускаемой температуре:
.
Потери в двигателе со степенью защиты IP44 передаваемые по воздуху внутри двигателя:
Коэффициент подогрева воздуха находим из рис.22.:
Рисунок 22. График зависимости коэффициента подогрева воздуха от окружной скорости ротора
Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой наружного воздуха без охлаждающих ребер на станине или с ребрами:
.
Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного воздуха:
Вентиляционный расчет асинхронного двигателя с радиальной вентиляцией
Наружный диаметр корпуса:
.
Коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи по длине корпуса двигателя:
.
Необходимый расход воздуха:
.
Расход воздуха, который может быть обеспечен наружным вентилятором:
.
– обеспечивается достаточный поток охлаждающего воздуха.
Напор воздуха, развиваемый наружным вентилятором:
.
Масса двигателя и динамический момент инерции ротора
Приближенное значение динамического момента инерции короткозамкнутого ротора:
.
Масса изолированных проводов обмотки статора при круглом поперечном сечении:
Количество вентиляционных лопаток принимаем равным:
.
Тогда толщина лопатки:
.
Длина лопатки:
.
Высота лопатки:
.
Масса алюминия короткозамкнутого ротора с литой клеткой:
Масса стали сердечника статора и ротора:
Масса изоляции статора при трапецеидальных полузакрытых пазах:
Масса конструкционных материалов двигателя со степенью защиты IP44, станина и щиты из стали или чугуна, ротор короткозамкнутый:
.
Масса двигателя с короткозамкнутым ротором:
Расчет надежности обмотки статора
Расчет надежности всыпных обмоток статора асинхронного двигателя
Дефектность витковой изоляции до начала эксплуатации электродвигателя:
.
Вероятность плотного касания соседних витков:
.
Периметр свободной площади слоя обмотки:
.
Количество проводников, находящихся в наружном слое секции (по периметру секции):
.
Количество элементарных витков в секции:
.
Количество проводников, находящихся во внутреннем слое секции:
.
Доля пар соседних элементарных проводников, принадлежащих одному эффективному:
.
Общая длина пар соседних витков в обмотке:
.
Количество последовательно соединенных секций в фазе:
.
Среднее значение и среднее квадратичное отклонение величин фазных коммутационных перенапряжений на секции:
Номинальное фазное напряжение, приходящееся на секцию:
.
Среднее значение напряжения перекрытия по поверхности изоляции промежутка толщиной, равной двусторонней толщине изоляции и среднее квадратичное отклонение его:
Методом экстраполяции находим, что:
.
Двусторонняя толщина провода:
.
Тогда вероятность отказа витковой изоляции при воздействии одного импульса перенапряжения и при условии, что на касающихся витках имеются совпадающие дефекты:
Коэффициенты уравнения, определяющие скорость роста дефектности витковой изоляции:
Частота включений электродвигателя:
.
Скорость роста дефектности витковой изоляции:
.
Вероятность возникновения КЗ витковой изоляции на длине касающихся витков в течение времени τ:
Вероятность отказа межвитковой изоляции в течение времени τ:
.
Вероятность безотказной работы межвитковой изоляции в течение времени τ:
.
Вероятность безотказной работы обмотки статора в течение времени τ:
.
Механический расчет вала
Расчет вала на жесткость
Сила тяжести сердечника ротора с обмоткой и участком вала по длине сердечника:
.
Рисунок 23. Эскиз вала к механическому расчету
Номинальный момент вращения:
.
Валы двигателей с высотами оси вращения выполняют с минимальным числом ступеней – 3. Согласно таблице 1-3 [1] определяем по величие наибольшего допускаемого момента длину выступающего конца вала, размеры призматической шпонки и шпоночного паза, связанные с диаметром выступающего цилиндрического конца вала:
Рисунок 24. Эскиз выступающего конца цилиндрического вала
Диаметр вала под подшипник и диаметр вала за подшипником принимаем по таб. 3-1 [1]:
Согласно таблице 4.1 [2]
Определим экваториальный момент инерции вала для места посадки сердечника:
Найдем вспомогательные коэффициенты:
Под воздействием силы тяжести прогиб вала посередине сердечника:
.
Соединение с приводимым механизмом осуществляется через упругую муфту МУВП 1-55, которая имеет следующие характеристики:
Поперечная сила, вызываемая передачей через упругую муфту:
.
Прогиб вала посередине сердечника вследствие действия поперечной силы:
Начальный расчетный эксцентриситет сердечника ротора, возникающий вследствие неравномерности воздушного зазора под действие сил тяжести и поперечных равен:
.
Сила одностороннего магнитного притяжения при смещении сердечника на величину расчетного эксцентриситета:
.
Дополнительный прогиб от силы :
.
Установившийся прогиб вала:
.
Результирующий прогиб вала:
.
Проверка правильности расчетов:
– условие правильности расчетов истинно.
Определение критической частоты вращения
Сила тяжести муфты:
.
Прогиб от силы тяжести упругой полумуфты:
.
Первая критическая частота вращения с учетом силы тяжести соединительного устройства:
.
Значение критической частоты вращения больше максимальной рабочей частоты более, чем в 9 раз.
Расчет вала на прочность
Расчет ведется для участка с см. рис. 23 в плоскости силы F, которая перпендикулярна оси вала.
Расчетный отрезок для изгибающего момента:
.
Изгибающий момент:
.
Момент кручения:
.
Момент сопротивления при изгибе вала:
.
Приведенное напряжение при совместном действии изгиба и кручения:
.
Проведем сравнение с пределом текучести на растяжение качественной стали 45, из которой будет изготовляться вал:
Расчет подшипников
По ранее рассчитанным данным и высоте оси вращения выберем для предварительных расчетов шариковые однорядные радиальные подшипники легкой серии 212:
Наибольшая радиальная нагрузка на подшипник А:
.
Динамическая приведенная нагрузка для подшипника А:
.
Необходимая динамическая грузоподъемность шарикоподшипника:
.
Наибольшая радиальная нагрузка на подшипник B:
.
Динамическая приведенная нагрузка для подшипника B:
.
Необходимая динамическая грузоподъемность шарикоподшипника:
.
Наше предположение верно, выбираем шариковые однорядные радиальные подшипники легкой серии 212.
Заключение
Данные, параметры и характеристики рассчитанного двигателя несколько отличны от величин, которые приводятся для двигателя 4AН200L6У3 в справочниках, но, тем не менее, входят в параметры пределов допущений и предельных условий. В целом, расчет можно считать успешным, хотя сложности были при расчете вала двигателя, поскольку в литературе трактовался лишь общий подход, а в справочниках информация конкретно по размерам вала была приведена далеко не полностью. Поэтому в этой части автором работы было сделано наибольшее количество приближений. Например, принцип и сама условная разбивка вала на расчетные зоны была произведена благодаря данным источников [2]-[4] по конструкции серийных асинхронных двигателей и данным по геометрическим размерам упругой муфты и подшипников качения.
В процессе расчета легко прослеживается возможность его автоматизации и, таким образом, возможность из множества вариантов выбрать наиболее оптимальный с точки зрения простоты изготовления, оптимальных рабочих характеристик и параметров, экономичности как при изготовлении так и при эксплуатации.
Литература
Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С.Проектирование электрических машин: Учебник для втузов. – М.: Высшая школа, 1984. – 430 с., ил.
Приложения
Рисунок 25. Основная геометрия пазов ротора (сверху)
61
Листов
Лит.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Утверд.
Н. Контр.
Реценз.
Провер.
Разраб.
2
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
61
Листов
Лит.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Утверд.
Н. Контр.
Реценз.
Провер.
Разраб.
4
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
5
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
6
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
7
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
8
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
9
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
10
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
11
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
13
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
15
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
16
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
18
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
20
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
21
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
22
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
23
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
25
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
26
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
28
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
29
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
31
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
32
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
34
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
35
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
36
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
38
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
39
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
40
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
42
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
43
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
44
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
46
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
48
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
49
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
50
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
51
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
53
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
54
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
56
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
57
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
59
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
61
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
62
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
63
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
61
Листов
Лит.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
Утверд.
Н. Контр.
Реценз.
Провер.
Разраб.
3
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
60
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
17
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
14
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
12
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
Изм.
19
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
24
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
27
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
30
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
33
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
37
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
41
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
47
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
45
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
52
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
55
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.
58
Лист
Дата
Подпись
№ докум.
Лист
Изм.