Курсовая работа по электрическим машинам

kursovaya_rabota_em.doc

Асинхронные двигатели являются основными преобразователями электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода большинства механизмов. Серия 4А охватывает диапазон номинальных мощностей от 006 до 400 кВт и имеет 17 высот оси вращения от 50 до 355 мм.
В данном курсовом проекте рассматривается следующий двигатель:
- исполнение по степени защиты:
- способ охлаждения: IС0141.
Конструктивное исполнение по способу монтажа: IM1081 – по первой цифре – двигатель на лапах с подшипниковыми щитами; по второй и третьей цифрам – с горизонтальным расположением вала и нижним расположением лап; по четвертой цифре – с одним цилиндрическим концом вала.
Климатические условия работы: У3 – по букве – для умеренного климата; по цифре – для размещения в закрытых помещениях с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий где колебания температуры и влажности воздуха воздействия песка и пыли солнечной радиации существенно меньше чем на открытом воздухе каменные бетонные деревянные и другие не отапливаемые помещения.
Выбор главных размеров
1 Определим число пар полюсов:
Тогда число полюсов .
2 Определим высоту оси вращения графически: при ; в соответствии с определим соответствующий оси вращения наружный диаметр .
3 Внутренний диаметр статора вычислим по формуле:
где – коэффициент определяемый
При лежит в промежутке: .
Выберем значение тогда
4 Определим полюсное деление :
5 Определим расчётную мощность Вт:
где – мощность на валу двигателя Вт;
– отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению которое может быть приближенно определено. При и .
Приближенные значения и возьмём по кривым построенным по данным двигателей серии 4А. При кВт и а
6 Электромагнитные нагрузки А и Вd определим графически по кривым. При кВт и Тл.
7 Предварительное значение обмоточного коэффициента выбирают в зависимости от типа обмотки статора. Для однослойных обмоток . Для двухслойных и одно-двухслойных обмоток при 2р=2 следует принимать и при большей полюсности .
8 Определим синхронную угловую скорость вала двигателя W:
где – синхронная частота вращения.
9 Рассчитаем длину воздушного зазора :
где – коэффициент формы поля. .
Принимаем длину рабочего зазора
10 Критерием правильности выбора главных размеров D и служит отношение которое должно находиться в допустимых пределах; - полюсное деление.
. Значение l лежит в рекомендуемых пределах значит главные размеры определены верно.
Определение числа пазов статора витков в фазе обмотки и сечения провода обмотки статора
-----по графику и таблице
1 Определим предельные значения: t1max и t1min . При и .
2 Число пазов статора:
Окончательно число пазов должно быть кратным значению числа пазов на полюс и фазу: q. Примем тогда
3 Окончательно определяем зубцовое деление статора:
Принимаем зубцовое деление tz=0.02
4 Предварительный ток обмотки статора
5 Число эффективных проводников в пазу ( при условии ):
6 Принимаем число параллельных ветвей тогда
7 Окончательное число витков в фазе обмотки и магнитный поток :
Принимаем поток Ф=0028
8 Определим значения электрических и магнитных нагрузок:
Значения электрической и магнитных нагрузок незначительно отличаются от выбранных графически (меньше 3%).
9 Выбор допустимой плотности тока производится с учётом линейной нагрузки двигателя:
где - нагрев пазовой части обмотки статора определим графически. При .
10 Рассчитаем площадь сечения эффективных проводников:
Принимаем тогда по таблице:
11 Окончательно определим плотность тока в обмотке статора:
Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора
1 Предварительно выберем электромагнитные индукции в зубцах статора BZ1 и в ярме статора Ba. При а .
2 Коэффициент заполнения сталью магнитопроводов статора и ротора примем равной:.
3 По выбранным индукциям определим высоту ярма статора и минимальную ширину зубца
4 Подберём высоту шлица и ширину шлица полуоткрытого паза. Для двигателей с высотой оси м. Ширину шлица выберем При и .
5 Определим размеры паза:
размеры паза в штампе и :
высоту клиновой части паза :
6 Определим размеры паза в свету с учётом припусков на шихтовку и сборку сердечников: и
Определим площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу:
где - односторонняя толщина изоляции в пазу .
Расчитаем площадь поперечного сечения прокладок к пазу:
Определим площадь поперечного сечения паза для размещения проводников:
7 Критерием правильности выбранных размеров служит коэффициент заполнения паза который приближённо равен .
Таким образом выбранные значения верны.
1 Выберем высоту воздушного зазора d графически. При и .
2 Внешний диаметр короткозамкнутого ротора:
3 Длина ротора равна длине воздушного зазора: .
4 Число пазов выберем из таблицы .
5 Определяем величину зубцового деления ротора:
6 Значение коэффициента kB для расчёта диаметра вала определим При и .
Внутренний диаметр ротора равен:
7 Определим ток в стержне ротора:
- коэффициент приведения токов определим по формуле:
Тогда искомый ток в стержне ротора:
8 Определим площадь поперечного сечения стержня:
где - допустимая плотность тока; в нашем случае .
9 Паз ротора определяем по рисунку. Принимаем .
Магнитную индукцию в зубце ротора выберем из промежутка таблица. Примем .
Определим допустимую ширину зубца:
Расчитаем размеры паза:
Рассчитаем полную высоту паза ротора hП2:
Уточним площадь сечения стержня :
10 Определим плотность тока в стержне J2:
11 Рассчитаем площадь сечения короткозамыкающих колец qкл:
где - ток в кольце определим по формуле:
12 Рассчитаем рамеры замыкающих колец и средний диаметр кольца:
Уточним площадь сечения кольца:
Расчёт намагничивающего тока
1 Значение индукций в зубцах ротора и статора:
2 Расчитаем индукцию в ярме статора Ba:
3 Определим индукцию в ярме ротора Bj:
где h'j — расчетная высота ярма ротора м.
Для двигателей с 2р≥4 с посадкой сердечника ротора на втулку или на оребренный вал h'j определяют по формуле:
4 Магнитное напряжение воздушного зазора Fd :
где kб - коэффициент воздушного зазора определим по формуле:
Магнитное напряжение воздушного зазора:
5 Магнитное напряжение зубцовых зон статора Fz1:
где 2hz1 — расчетная высота зубца статора м.
Hz1 определяем по таблице: при .
6 Магнитное напряжение зубцовых зон ротора Fz2:
Hz2 определяем по таблице: при .
7 Рассчитаем коэффициент насыщения зубцовой зоны kz:
8 Найдём длину средней магнитной линии ярма статора La:
9 Определим напряженность поля Ha при индукции Вa по кривой намагничивания для ярма принятой марки стали 2013. При .
10 Найдём магнитное напряжение ярма статора Fa:
11 Определим длину средней магнитной линии потока в ярме ротора Lj:
где hj - высота спинки ротора находится по формуле:
12 Напряжённость поля Hj при индукции определим по кривой намагничивания ярма для принятой марки стали. При .
Определим магнитное напряжение ярма ротора Fj:
13 Рассчитаем суммарное магнитное напряжение магнитной цепи машины (на пару полюсов) Fц:
14 Коэффициент насыщения магнитной цепи :
15 Намагничивающий ток :
Относительное значение намагничивающего тока :
Параметры рабочего режима
Параметрами асинхронной машины называют активные и индуктивные сопротивления обмоток статора х1 r1 ротора r2 x2 сопротивление взаимной индуктивности х12 (или xм) и расчетное сопротивление r12 (или rм) введением которого учитывают влияние потерь в стали статора на характеристики двигателя.
Схемы замещения фазы асинхронной машины основанные на приведении процессов во вращающейся машине к неподвижной приведены на рисунке 6.1. Физические процессы в асинхронной машине более наглядно отражает схема изображенная на рисунке 6.1. Но для расчета удобнее преобразовать ее в схему показанную на рисунке 6.2.
Рисунок 6.1. Схема замещения фазы обмотки приведенной асинхронной машины
Рисунок 6.2. Преобразованная схема замещения фазы обмотки приведенной асинхронной машины
1 Активное сопротивление фазы обмотки статора расчитаем по формуле:
где L1 - общая длина эффективных проводников фазы обмотки м;
а - число параллельных ветвей обмотки;
с115 - удельное сопротивление материала обмотки (меди для статора) при расчетной температуре. Для меди ;
kr - коэффициент увеличения активного сопротивления фазы обмотки от действия эффекта вытеснения тока.
В проводниках обмотки статора асинхронных машин эффект вытеснения тока проявляется незначительно из-за малых размеров элементарных проводников. Поэтому в расчетах нормальных машин как правило принимают kr =1.
2 Общую длину проводников фазы обмотки L1 расcчитаем по формуле:
где lср - средняя длина витка обмотки м.
3 Среднюю длину витка lср находят как сумму прямолинейных - пазовых и изогнутых лобовых частей катушки:
lл - длина лобовой части.
4 Длина лобовой части катушки всыпной обмотки статора определяется по формуле:
где Кл - коэффициент значение которого зависит от числа пар полюсов для ;
bКТ - средняя ширина катушки м определяемая по дуге окружности проходящей по серединам высоты пазов:
где b1 - относительное укорочение шага обмотки статора. Обычно принимают .
Коэффициент для всыпной обмотки укладываемой в пазы до запрессовки сердечника в корпус.
Общая длина эффективных проводников фазы обмотки:
Активное сопротивление фазы обмотки статора:
5 Определим длину вылета по лобовой части:
где Квыл - коэффициент определяемый. при .
6 Определим относительное значение сопротивления фазы обмотки статора :
7 Определим активное сопротивление фазы обмотки ротора r2:
где rс - сопротивление стержня;
rкл - сопротивление кольца.
8 Сопротивление стержня рассчитаем по формуле:
9 Рассчитаем сопротивление кольца:
Тогда активное сопротивление ротора:
10 Приведём r2 к числу витков обмотки статора определим :
11 Относительное значение сопротивления фазы обмотки ротора.
12 Индуктивное сопротивление фаз обмотки ротора:
где lп – коэффициент магнитной проводимости пазового ротора.
Исходя из рисунка 9.50 e lп определим по формуле:
(проводники закреплены пазовой крышкой).
Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния:
Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния определим по формуле:
где определяется графически при .
По формуле (6.13) рассчитаем индуктивное сопротивление обмотки статора:
13 Определим относительное значение индуктивного сопротивления обмотки статора :
14 Произведём расчёт индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора по формуле:
lд2 – коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора.
Коэффициент магнитной проводимости паза ротора рассчитаем по формуле:
15 Коэффициент магнитной проводимости лобовой части ротора определим по формуле:
16 Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора определим по формуле:
17 Найдём значение индуктивного сопротивления по формуле (6.19):
Приведём x2 к числу витков статора:
Относительное значение :
1 Рассчитаем основные потери в стали статора асинхронной машины по формуле:
где – удельные потери ;
b – показатель степени для марки стали 2013 ;
kда и kдz – коэффициенты учитывающие влияние на потери в стали для стали марки 2013 ;
ma – масса ярма считается по формуле:
где – удельная масса стали.
Масса зубцов статора:
2 Рассчитаем полные поверхностные потери в роторе:
где pпов2 – удельные поверхностные потери определим по формуле:
где – коэффициент учитывающий влияние обработки поверхности головок зубцов ротора на удельные потери;
В02 – амплитуда пульсации индукции в воздушном зазоре определим по формуле:
3 Рассчитаем удельные поверхностные потери по формуле (7.5):
4 Рассчитаем пульсационные потери в зубцах ротора:
где mz2 – масса стали зубцов ротора;
Впул2 – амплитуда магнитной пульсации в роторе.
5 Определим сумму добавочных потерь в стали:
6 Полные потери в стали:
7 Определим механические потери:
8 Рассчитаем добавочные потери при номинальном режиме:
9 Ток холостого хода двигателя:
где Iх.х.а. – активная составляющая тока холостого хода её определим по формуле:
где Рэ.1 х.х. – электрические потери в статоре при холостом ходе:
10 Определим коэффициент мощности при холостом ходе:
Расчёт рабочих характеристик
1 Определим действительную часть сопротивления:
2 Мнимая часть сопротивления:
3 Постоянная электродвигателя:
4 Определим активную составляющую тока:
5 Определим величины:
6 Потери не меняющиеся при изменении скольжения:
Принимаем и рассчитаем рабочие характеристики при скольжении равном: 0005; 001; 0012. Результаты расчёта запишем в таблицу 8.1.
Р2н=132кВт; U1н=220380 В; 2p=4 I0a=227 A; I0p=Im=3513 A;
Pcт + Pмех=1266015 Вт; r1=0015 Oм; r2=0011 Oм; с1=1021;
а=10424; а=00153 Ом; b=0; b=019 Ом
Рабочие характеристики асинхронного двигателя
Расчет пусковых характеристик.
1 Безразмерная приведенная высота стержня ротора при расчетной температуре 115оС
где – высота стержня в пазу.
2 Глубина проникновения тока в стержень
3 Площадь сечения части стержня ограниченной высотой
4 Отношение площади всего сечения стержня к площади
5 Коэффициент увеличения сопротивления фазы ротора под влиянием эффекта вытеснения тока
6 Приведенное активное сопротивление обмотки ротора с учетом действия эффекта вытеснения тока
7 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора с учетом вытеснения тока
8 Коэффициент изменения индуктивного сопротивления фазы обмотки ротора от действия эффекта вытеснения тока
9 Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом вытеснения тока
10 Ток ротора без учета влияния насыщения коронок зубцов полями пазового рассеяния
11 Предполагаемую кратность увеличения тока
обусловленную уменьшением индуктивных сопротивлений из-за насыщения зубцовых зон принимаем равной
12 Предварительное значение тока фазы статора с учетом насыщения
13 Средняя м.д.с. обмотки статора отнесенная к одному пазу
14 Фиктивная индукция магнитного поля рассеивания в воздушном зазоре
равный отношению потока рассеивания при насыщении к потоку рассеяния ненасыщенной машины
16 Дополнительное раскрытие пазов статора и ротора учитывающее уменьшение потока пазового рассеивания из-за насыщения
17 Уменьшение коэффициента магнитной проводимости пазового рассеивания статора и ротора
18 Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния статора и ротора при насыщении зубцов
19 Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния статора и ротора при насыщении зубцов
20 Индуктивное сопротивление обмотки статора с учётом насыщения и обмотки ротора с учётом влияния насыщения и вытеснения тока
21 Коэффициент связи параметров Г-образной и Т-образной схем замещения
где – сопротивление взаимной индукции обмоток.
22 Расчетные активное и индуктивное сопротивления
23 Ток обмотки ротора приведенный в обмотке статора
24 Ток обмотки статора
25 Расхождение полученных значений и принятых первоначально
26 Относительные значения тока статора и электромагнитного момента
27 Расчет пусковых характеристик для критического скольжения
1 Определим превышение температуры внутренней поверхности сердечника статора над температурой воздуха внутри двигателя:
где при и степени защиты
a1 – коэффициент теплоотдачи с поверхности определим графически .
где – коэффициент увеличения потерь для класса нагревостойкости F .
2 Перепад температуры в изоляции пазовой части обмотки статора:
где Пп1 – периметр поперечного сечения паза статора определим по формуле:
– среднее значение коэффициента теплопроводимости внутренней изоляции. определим графически при .
3 Определим перепад температуры по толщине изоляции лобовых частей: (9.6)
Лобовые части обмотки статора не изолированы поэтому .
4 Рассчитаем превышение температуры наружной поверхности лобовых частей над температурой воздуха внутри машины:
5 Определим среднее превышение температуры обмотки статора над температурой воздуха внутри машины:
6 Рассчитаем среднее превышение температуры воздуха внутри машины над температурой окружающей среды:
где aв – определим графически ;
– сумма потерь отводимых в воздух внутри двигателя:
где – суммарные потери в двигателе при номинальном режиме;
Рэ1 – электрические потери в обмотке статора при номинальном режиме;
Рэ2 – электрические потери в обмотке ротора при номинальном режиме.
где Sкор. – площадь поверхности станины.
Пр определяем графически. При
7 Определим среднее превышение температуры обмотки статора над температурой окружающей среды:
8 Определим расход воздуха требуемый для вентиляции:
9 Расход воздуха обеспечиваемый наружным вентилятором при конструктивном исполнении и размерах принятых в серии 4А может быть приближённо определён по формуле:
где и - число и ширина м радиальных вентиляционных каналов
n- частота вращения двигателя обмин;
- коэффициент для двигателей с .
т.е. расход воздуха обеспечиваемый наружным вентилятором больше расхода воздуха требуемого для вентиляции электродвигателя.
Механический расчет вала и выбор подшипников
Диаметр вала смотрим в той его частигде размещается магнитопровод предварительно можно выбрать по формуле:
где Рном -номинальная мощность двигателя
Nном- номинальная частота вращения ротора
Кв- коэффицентзначение которого берем по таблицеКв=25
Рис.7. Эскиз вала ротора.
По рекомендации выбираем размеры: а=45 мм d3=72 ммd2=60ммL1=425ммL2=L3=2125 мм
Размеры свободного конца вала выбираем соответственно с ГОСТом:
Принимаячто ротор асинхронного двигателя представляет собой сплошной цилиндр с плотностью 8300 кгм^3 его массу можно определить по формуле:
Расчет прогиба проводится из приведенной силы тяжести:
Номинальный вращающий момент двигателя:
Электрическая машина соединяется с исполнительным механизмом одним из указанных способов .При работе машины возникают поперечные силы приложенные к валу.
Кп- принимаем 03 для упругой муфты.
R- радиус делительной окружности.
Составим таблицы для определения S1S2S3.
Прогиб вала под действием силы на участке соответствующем середине магнитопровода равна:
Где Е=206*10^11 Па-модуль упругости;
Сила вызывает доп. Прогиб вала под серединой магнитопровода:
Начальная сила одностороннего магнитного напряжения:
Установившийся прогиб вала:
Определяем радикальную нагрузку.
Найдем приведенную цилиндрическую нагрузку:
k-учитывающий характер нагрузки и равен 175
Динамическая грузоподъемность:
Срок службы равен 15000ч
В данном курсовом проекте был спроектирован асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. В результате расчета были получены основные показатели для двигателя заданной мощности з и cosj которые удовлетворяют предельно допустимым значением ГОСТа для серии двигателей 4А. Был произведен расчет и построение рабочих характеристик проектируемой машины.
Таким образом по данным расчета данному двигателю можно дать следующее условное обозначение:
– порядковый номер серии;
А – род двигателя – асинхронный;
0 – высота оси вращения;
М – условная длина станины по МЭК;
У – климатическое исполнение для умеренного климата;
– категория размещения.
Номинальные данные спроектированного двигателя:
Р2н=3 кВт U1н=220380 В I1н=245 А cosjн=088 hн=093.
Проектирование электрических машин: Учеб. для вузов П79
И.П. Копылов Б.К. Клоков В.П. Морозкин Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копылова. – 4-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк. 2005. – 767 с.: ил.
Вольдек А.И. Попов В.В. Электрические машины. Машины переменного тока: Учебник для вузов. – СПб: – Питер 2007. –350 с.
Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам: Учебное пособие для студентов образоват. учреждений сред. проф. образования Марк Михайлович Кацман. – М.: Издательский центр «Академия» 2005. – 480 с.