Расчет электродвигателя

курсовой прект по электромеханике.docx

В данной работе произведен расчет параметров асинхронного двигателя проверочный расчет магнитной цепи также произведено построение естественных и искусственных характеристик двигателя с помощью программы «КОМПАС».
Пояснительная записка содержит 25 страниц формата А4 4 таблицы а также список используемой литературы состоящей из 7 источников. Графическая часть выполнена на одном листе формата А1 и содержит общий вид магнитной системы двигателя а также графики характеристик.
Главные размеры асинхронной машины и их соотношения . .. .. 5
Расчет параметров статора ..8
1 Число пазов статора ..8
2 Число проводников в пазу 8
3 Размеры паза зубца и пазовая изоляция 10
Расчет фазного ротора 12
1 Число пазов на полюс и фазу ротора .12
2 Число проводников в пазу ..14
3 Размеры паза зубца .15
Параметры двигателя .17
Проверочный расчет магнитной цепи ..19
Схема обмоток .. .23
Построение характеристик асинхронного двигателя 24
1 Естественная характеристика 24
2 Искусственные характеристики двигателя 26
Список использованных источников 31
Асинхронный двигатель трехфазного тока представляет собой электрическую машину служащую для преобразования электрической энергии трехфазного тока в механическую. Благодаря простоте устройства высокой надежности и эксплуатации и меньшей стоимостью по сравнению с другими двигателями асинхронные двигатели трехфазного тока нашли широкое применение в промышленности и сельском хозяйстве. С их помощью приводятся в движение металлорежущие и деревообрабатывающие станки подъемные краны лебедки лифты эскалаторы насосы вентиляторы и другие механизмы.
Двигатель имеет две основные части: неподвижную – статор и вращающуюся – ротор. Статор состоит из корпуса представляющего собой основание всего двигателя. Он должен обладать достаточной механической прочностью и выполняется из стали чугуна и алюминия. С помощью лап двигатель крепится непосредственно к станине производственного механизма. В корпус вмонтирован сердечник статора представляющий собой полый цилиндр на внутренней поверхности которого имеются пазы с обмоткой статора. Часть обмотки находящейся вне пазов называется лобовой; она отогнута к торцам сердечника статора. Обмотка статора выполняется в основном из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения реже – из алюминиевого провода. В качестве изоляции проводов друг от друга используют бумагу и хлопчатобумажную ткань пропитанные различными лаками слюда стекловолокно и различные эмали. Для изоляции проводов обмотки от сердечника статора служат электроизоляционный картон слюда асбест стекловолокно.
Целью данной работы являлся расчет асинхронного двигателя с фазным ротором.
Главные размеры асинхронной машины и их соотношения
К главным размерам асинхронной машины относятся:
внутренний диаметр статора D;
расчетная длина воздушного зазора Lб.
Эти размеры связаны с другими параметрами так называемой машинной постоянной:
где 1 – синхронная угловая частота вращения магнитного поля статора
S1 – расчетная мощность кВт;
αб – расчетный коэффициент полюсного перекрытия равный отношению полюсной дуги n к полюсному делению ;
Kв – коэффициент зависящий от формы кривой магнитного поля в воздушном зазоре;
Kоб – обмоточный коэффициент;
А – линейная нагрузка Ам;
Вб – магнитная индукция в зазоре Тл.
1Определение главных размеров машины
Определим предварительно число пар полюсов статора по формуле
где f1- частота напряжения сети Гц;
n1- синхронная частота вращения магнитного поля статора обмин.
Определим расчетную мощность из выражения
где КЕ-коэффициент показывающий какую часть от номинального напряжения составляет ЭДС в обмотке статора КЕ =0.97 [1 с.17 рис.4];
Рн- мощность на валу двигателя кВт ; РН = 2.4 кВт (по заданию);
н- коэффициент полезного действия% Н =0.83 [1 с.17 рис.5];
cosφн- коэффициент мощности cos φН =0.86[1 с.18 рис.6].
Определяем высоту оси вращения двигателя h по рис.7[1 с.18 ] h=56мм. Из ряда значений высоты оси вращения выбирается ближайшее к предварительно найденному меньшее стандартное значение высоты h=56мм.
Наружный диаметр статора Dа принимается в соответствии с выбранной высотой оси вращения h по таблице 1 [1с18] Dа=0089м.
Определим приближенно внутренний диаметр D по выражению
где KD- коэффициент для числа пар полюсов берем из таблицы 2. KD=065 [1 с. 18].
Полюсное деление статора определим из выражения
Далее определим расчетную длину статора из (1.1)
где αб- коэффициент полюсного перекрытия αб =064;
КВ – коэффициент формы поля ;
Коб1 - коэффициент для двухслойной обмотки предварительно принимаем Коб1=095;
А- линейная нагрузка определяем по рис.8[1 с.19] А=Ам;
Вб- магнитная индукция определяем по рис.8[1 с.] Вб=081Тл .
Подставив полученные данные в формулу (1.1) получаем значение машинной постоянной
Расчет параметров статора
1 Число пазов статора
Рассчитаем возможные числа пазов статора
Выбираем число пазов исходя из 20.1≤z1≤22.6. Принимаем z1=21.
Окончательно число пазов статора z1 принимается из полученных пределов с учетом что число пазов q1 приходящееся на фазу и полюс должно быть целым
Окончательно зубцовый шаг статора определяем по формуле
2 Число проводников в пазу
Определяем количество эффективных проводников un1
где а1- число параллельных ветвей в обмотке а1 = 1;
I1н- номинальный ток обмотки статора А
Подставляем полученное значение в (2.4)
Округляем полученное значение до целого un1=58.
Число витков в фазе обмотки
Определим окончательное значение линейной нагрузки
Окончательное значение незначительно отличается от принятого ранее.
Выберем количество элементарных проводников в одном эффективном по выражению (2.8)
где nэл1- число элементарных проводников в одном эффективном принимаем nэл1=1;
jдоп- допустимая плотность тока выбирается в пределах jдоп=5÷65 Амм2;
Выбираем по приложению 2 [1с.44] ближайшее большее сечение Sc1=0.5мм2. В таблице 1 приведены основные размеры выбранного провода.
Номинальный диаметр неизолированного провода мм d
Среднее значение диаметра изолированного провода мм dиз
Площадь поперечного сечения неизолированного проводника мм2 Sиз
Уточняем плотность тока
3 Размеры паза зубца и пазовая изоляция
Определим общее число проводников в пазу
Определим площадь занимаемую проводниками
Определим свободную площадь паза
где Кз- коэффициент заполнения свободной площади паза изолированными проводниками Кз=0.72
Определяем высоту паза :
Выбираем трапецеидальную форму паза т.к в этом случае активная зона машины оказывается использованной наилучшим образом.
bz1- ширина зубца bz1=6мм;
hn1- глубина паза равная высоте зубца hn1=7.56мм ;
hz1- высота зубца h=7.56мм;
b1- верхнее основание паза b1=8мм;
b - нижнее основание паза b=7мм;
Определим высоту ярма статора
Определяем воздушный зазор для двухполюсных двигателей (2р=4) мощностью до 20кВт по формуле:
Размер воздушного зазора АД округляют до 0.05 мм если
Расчет фазного ротора
1 Число пазов на полюс и фазу ротора
Для нормальной работы асинхронного двигателя необходимо чтобы фазная обмотка ротора имела столько же фаз и полюсов сколько и обмотка статора т.е. m2 = m1 и p2 = p1.
Число пазов на полюс и фазу ротора q2 определим по формуле
Число пазов ротора z2 определим по формуле
Определим число витков
где U1н- номинальное напряжение питания В;
Е2- ЭДС фазы ротора при соединении в звезду
где U2k- напряжение на контактных кольцах U2k=200В.
Подставим полученное значение Е2 в (3.3)
Определим число эффективных проводников в пазу
Полученное значение округляем до четного un2=4 уточним число витков в фазе
Выполним проверку по формуле
Полученное значение U2k удовлетворяет неравенству
следовательно параметры выбраны верно.
Определим ток обмотки ротора
Кпр- коэффициент для приведения параметров неподвижного ротора к параметрам статора определяется по
где Коб2 – обмоточный коэффициент ротора выбирается по таблице 3[1с.24] Коб2=0955.
Подставим значение Коб2 в формулу (3.10)
Подставим получившееся значение в формулу (3.9)
Определим внешний диаметр ротора
определим зубцовое деление ротора
Определим количество эффективных проводников в пазу
Округляем полученное значение до целого un2=4.
где nэл2- число элементарных проводников в одном эффективном принимаем nэл2=2;
jдоп- допустимая плотность тока выбирается в пределах jдоп=5÷65 Амм2.
Выбираем по приложению 2 [1с.44] ближайшее большее сечение Sc2=0.57мм2. В таблице 2 приведены основные размеры выбранного провода.
Номинальный диаметр неизолированного провода мм d2
Среднее значение диаметра изолированного провода мм dиз2
Площадь поперечного сечения неизолированного проводника мм2 Sиз2
3 Размеры паза зубца
где Кз2- коэффициент заполнения свободной площади паза изолированными проводниками Кз=072
bz2- ширина зубца bz2=710-3м;
hn2- глубина паза hn2=9.2510-3м ;
hz2- высота зубца hz1=9.2510-3м;
b12- верхнее основание паза b12=1210-3м;
b2 - нижнее основание паза b2=710-3м;
Параметрами асинхронного двигателя называют активное и индуктивное сопротивление обмоток статора R1 X1 ротора R2 X2 сопротивление взаимной индуктивности X12 и расчетное сопротивление R12 (R) введением которого учитывают потери мощности в стали статора.
Для расчета активного сопротивления необходимо определить среднюю длину витка обмотки состоящую из суммы прямолинейных пазов и изогнутых лобовых частей катушки
lл- длина лобовой части обмоток м определяется по
где Кл- коэффициент принимается по таблице 4[1с.25] Кл=155;
bкт- средняя ширина катушки м
В- длина вылета прямолинейной части катушек из паза от торца сердечника до начала отгиба лобовой части принимается В=0015м;
- относительное укорочение шага обмотки =1.
Подставим полученные значения в формулу(4.2)
Подставим полученное значение в формулу (4.1)
Определим общую длину проводников фазы обмотки статора
Определим активное сопротивление фазы обмотки
где ρ- удельное сопротивление медного материала обмотки при температуре 115ºС с изоляцией класса F ρ=2;
Вычислим по формулам (4.1) (4.2) (4.5) (4.6) те же параметры ротора
Определим среднюю длину витка обмотки ротора
Определим общую длину проводников фазы обмотки ротора
Определим активное сопротивление фазы обмотки ротора
Приведенное сопротивление ротора определим по формуле
Проверочный расчет магнитной цепи
Определим магнитный поток в воздушном зазоре
Определим магнитную индукцию в воздушном зазоре она должна незначительно отличаться от ранее принятой
Определим магнитную индукцию в зубце статора при постоянном сечении
где Кс- коэффициент заполнения стали Кс=097.
Определим индукцию в ярме статора
Намагничивающий ток определяется после расчета магнитной цепи т.е. после определения суммы магнитных напряжений на каждом участке прохождения магнитного потока.
Cуммарное магнитное напряжение на пару полюсов находится по формуле
где F – магнитное напряжение воздушного зазора;
Fz1 – магнитное напряжение зубцовой зоны статора;
Fz2 – магнитное напряжение зубцовой зоны ротора;
Fc1 – магнитное напряжение ярма статора;
Fc2 – магнитное напряжение ярма ротора;
Магнитное напряжение воздушного зазора определяется по формуле
К – коэффициент воздушного зазора
где bш1 – ширина паза ротора;
Магнитное напряжение зубцовой зоны статора определяется по формуле
где Hz1 – напряженность поля в зубце статора по кривой намагничивания при индукции Bz1 определяется из таблицы для электротехнической стали [приложение Д] Hz1 = 370 Ам
Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора определяется по формуле
где Hz2 – напряженность поля в зубце ротора по кривой намагничивания при индукции Bz2 [приложение Д] Hz2 = 70 Ам;
Определим магнитную индукцию в зубце ротора по формуле
где Lст2 = Lст1 – длина магнитопровода
Определим напряженность магнитного поля ярма статора из выражения
где Lc1 – длина средней магнитной линии ярма статора
Нс1 = 370 – напряженность поля в ярме статора при индукции Bc1 находится по кривой намагничивания [2 с.88]
Вычислим напряженность магнитного поля в ярме ротора по формуле
где Lc2 – длина средней магнитной линии ярма ротора определяется по формуле
Hс2 – напряженность поля при индукции Вс2 [2 с.88]
Определим длину средней магнитной линии ярма ротора
где hc2 – высота ярма ротора которая определяется по формуле [2 с.194]
Вычислим магнитную индукцию в ярме ротора по формуле
Напряженность поля в ярме ротора будет равна Hc2 = 70 Ам; [2 с.88];
Найдем суммарное магнитное напряжение по формуле
Определим намагничивающий ток в А
Обмотки машин переменного тока разделяются на всыпные из мягких катушек полужесткие и жесткие. Рассматриваемые обмотки состоящие из катушек также называют секциями так как они имеют два вывода. В крупных машинах используют стержневые обмотки статоров и роторов.
Всыпная обмотка укладывается в полузакрытые пазы имеющие узкий шлиц через который поочередно каждый из проводников катушки опускают (“всыпают”) в пазы. Наибольший диаметр провода применяемого для всыпных обмоток не превышает 18 мм так как провода большого диаметра имеют слишком большую жесткость и плохо уплотняются в пазах во время укладки. Если в пазу помещается только одна катушечная сторона то получается однослойная обмотка если две катушечных стороны то – двуслойная. Двухслойные обмотки применяются практически во всех машинах переменного тока начиная с машин мощностью 15–16 кВт и выше.
Ввиду большой трудоемкости в данной работе построение схемы обмоток статора не производится.
Построение характеристик асинхронного двигателя
1 Естественная характеристика
Определим характеристики М=f(S) и механической характеристики
при помощи формулы Клосса для номинального режима работы двигателя
где М- развиваемый двигательный момент Н·м;
Sкр- критическое скольжение;
Sн- скольжение в номинальном режиме определяется по формуле
где n1- номинальная синхронная частота вращенияn1=1500 обмин;
nн- номинальная частота вращения nн=1430 обмин.
где λ = МмахМн = 1.8 – характеризует перегрузочный момент на валу двигателя (по заданию)
Используя известные параметры получим
где Рн- номинальная мощность Вт;
н- номинальная угловая частота вращения Гц определяется по
Подставим значения Рн и н в формулу (7.3)
Определим Мmax из соотношения
Определим критическое скольжение Sкр учитывая что
Вычислим значения момента М от различных значений скольжения S лежащих в пределах от 0 до 1 по формуле Клосса и построим график зависимости M = f (S);
Вычислим значения угловой частоты вращения ротора w при найденных выше значениях момента по формуле а так же построим механическую характеристику двигателя w = f (M)
2 Искусственные характеристики двигателя
Регулирование частоты вращения с изменением скольжения осуществляется при введении добавочного сопротивления в цепь фазного ротора. С изменением сопротивления меняются характеристики АД.
При полном введении сопротивления АД работает на характеристике кривой I разгоняясь до первой установившейся частоты вращения nуст1.
В дальнейшем из цепи ротора выводится часть сопротивления. Двигатель переводится на работу по характеристике II разгоняясь до второй установившейся частоты вращения nуст2.
В третьем положении реостата регулировочные сопротивления полностью выводятся из фаз обмотки ротора и двигатель работает на естественной характеристике III разгоняясь до третьей установившейся частоты вращения nуст3.
Зависимость скольжения от изменения полного сопротивления ротора определяется согласно формуле (7.7) при неизменной нагрузке
где Se – скольжение на естественной характеристике Se = Sн ;
Su – скольжение на искусственной характеристике;
Rd – добавочное сопротивление;
Примем добавочные сопротивления равными Rd1 = 10 Ом и Rd2 5 Ом и определим скольжение Su1 для первой номинальной частоты вращения nуст1.
Определим nуст1 и wуст1 по формулам
Вычислим номинальный момент Mn1 и критическое скольжение Skp1 для данной частоты вращения nуст1
Вычислим значения момента М от различных значений скольжения S лежащих в пределах от 0 до 1
Определим скольжение Su2 для второй номинальной частоты вращения nуст2.
Определим nуст2 и wуст2 по формулам
Вычислим номинальный момент Mn1 максимальный момент и критическое скольжение Skp1 для данной частоты вращения nуст1
На основании полученных данных построим графики зависимости частоты вращения от изменяющегося момента nуст1 = f (M’1) nуст2 = f (M’2) nn = f (M) рисунок 5 а также графики зависимости момента от скольжения
M = f (S) M’1 = f (S) M’2 = f (S)
- расчетная мощность 3261 (кВт)
- номинальное напряжение 380 (В)
- коэффициент мощности 086
- машинная постоянная 0621
Основные расчетные данные:
- внутренний диаметр статора 00578 (м)
- расчетная длина воздушного зазора =00130 (м)
- линейная нагрузка 1884744 (Ам)
- число пазов статора 22
- коэффициент приведения 2533
- магнитные потоки в воздушном зазоре 0008 (Вб)
в зубце статора 1107 (Вб)
в ярме статора 17 (Вб)
- намагничивающий ток =058 (А)
Число эффективных поводников в пазу
Число реальных проводников
Активное сопротивление
В данном курсовом проекте мы используя основы теории устройства элементов и принцип действия асинхронных машин номинальные параметры и каталожные данные был произведен выбор и расчет основных размеров и параметров асинхронного двигателя с фазным ротором расчет и построение естественных и искусственных механических характеристик.
Посредством курсового проекта был закреплен комплекс теоретических знаний по проектированию наиболее распространенного асинхронного двигателя.
Список использованных источников
Асинхронные двигатели общего назначения Е. П. Бойко Ю. В. Гаинцев Ю.М. Ковалёв и др.; Под ред. В. М. Петрова и А. Э. Кравчика. - М.: Энергия 1980.-488с.
Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник А. Э. Кравчик М. М. Шлоф В. И. Афонин Е. А. Соболевская. - М.: Энергоиздат 1982. - 504с.
Гольдберг О. Д. Турин Я. С. Свириденко И. С. Проектирование электрических машин: Учебник для вузов Под ред. О. Д. Гольдберга. - М.: Высшая школа 1984. – 434с.
Турин Я. С. Кузнецов Б. И. Проектирование серий электрических машин. - М.: Энергия 1978. - 480с.
Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов.-В 2-х кн.: кн.
И. П. Копылов Б.К. Клоков В.П. Морозкин Б.Ф. Токарев; Под ред. И. П. Копылова.- 2-е изд. перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат 1993.- 464с.
Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов.-В 2-х кн.: кн.
И. П. Копылов Б.К. Клоков В.П Морозкин Б.Ф. Токарев; Под ред. И. П. Копылова.- 2-е изд. перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат 1993.- 384с.

чертеж в курсовой проект по электромеханике.cdw

КФ ОГУ 140211.65.41 11.10.
Рисунок 2 - Механическая характеристика асинхронного двигателя
Рисунок 3 - Механическая пусковая характеристика асинхронного двигателя
Рисунок 4 - Искусственные характеристики двигателя
Рисунок 1 - Магнитная цепь асинхронного двигателя