Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

Министерство высшего образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Кафедра микропроцессорных средств автоматизации

 

 

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине Электрические машины __________________________________________________________ Тема: __Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором __________________________________________________________ __________________________________________________________   Вариант 15

Выполнил студент гр. ЭС-17-1Б   (Фамилия И.О.) 17-ЭТФ (номер зачетной книжки) ________________________ (дата, подпись)   Проверил доцент каф.МСА (должность) Даденков Д.А. (Фамилия И.О) ___________________________ (оценка) _________________________________ (дата, подпись)

Пермь 2019 г.

Аннотация

Курсовой проект посвящён расчёту четырехполюсного трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором полезной мощности 55 кВт на напряжение сети 380 В.

Рассмотрены вопросы выбора главных размеров, расчёта параметров статора, ротора, магнитной цепи, рабочего режима, расчёта потерь, расчёта рабочих и пусковых характеристик, расчёта тепловых потерь.

 

Содержание

 

Индивидуальное задание....................................................................... 4

Введение................................................................................................. 5

Основная часть....................................................................................... 6

1. Выбор главных размеров.................................................................. 6

2. Расчёт параметров статора................................................................ 7

3. Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора...... 10

4. Расчёт ротора..................................................................................... 13

5. Расчёт магнитной цепи....................................................................... 17

6. Параметры рабочего режима............................................................ 19

7. Расчёт потерь..................................................................................... 24

8. Расчёт рабочих характеристик.......................................................... 26

9. Расчёт пусковых характеристик........................................................ 31

10. Тепловой расчёт............................................................................... 37

Заключение............................................................................................. 42

Список использованных источников.................................................... 43

 

Индивидуальное задание

Исходные данные задания к курсовому проекту представлены в табл.1. Дополнительно определен способ охлаждения IC 0141, климатическое исполнение и категория размещения У3, класс нагревостойкости изоляции F, режим работы – длительный, серия двигателя – 4А.

 

Таблица 1- Исходные данные

№ п/п	Тип двигателя	Номинальная мощность, кВт	Синхронная скорость, об/мин	Кратность моментов Мкр/Мн	Линейное напряжение, В
3	АДКЗР	55	750	2,4	380

Введение

Электрические машины являются основными элементами энергетических установок, различных машин, механизмов, технологического оборудования, современных средств транспорта.

Целью курсового проекта является – проектирование асинхронного двигателя, соответствующего требуемым параметрам, а также получение навыков использования полученных теоретических знаний при решении конкретных задач инженерной практики.

Курсовой проект охватывает комплекс вопросов программы курса «Электрические машины».

 

Основная часть

Выбор главных размеров

1) Число пар полюсов:

=4 тогда 2р=8

2) Внутренний и внешний диаметр статора:

По рис. 1б: высота оси вращения h=250 мм, тогда по табл.1 внешний диаметр статора D_а=0,44 м.

K_D=0,74– 0,77 при 2p=8 по методическим указаниям к курсовому проекту. Выберем K_D=0,76, тогда внутренний диаметр статора D:

 

Полюсное деление τ:

3) Расчётная мощность P’:

;

По рис. 2 отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению k_E=0,96 (для 2p=8 и D_a=0,44 м).

По рис. 3.в предварительные значения η и сosϕ: η=91%, сosϕ=0,83.

Тогда расчётная мощность P’:

4) Электромагнитные нагрузки (предварительно):

По рис.4.б: А=41•10³ А/м, B_δ=0,87 Тл.

5) Расчётная длина магнитопровода l_δ :

Коэффициент полюсного перекрытия a_δ=0,64, коэффициент формы поля k_B=1,11 (выбраны по методическим указаниям).

Предварительное значение обмоточного коэффициента k_об1=0,91 (для 2p=8).

Синхронная угловая частота двигателя Ω:

Тогда расчётная длина магнитопровода:

6) Проверка правильности выбора главных размеров

- удовлетворяет пределам (1,1-2,2) на рис. 5.б.

Расчёт параметров статора

7) Число пазов статора Z₁:

По рис. 6 зубцовые деления статора с обмоткой из круглого провода:

t_z1min= 0,0109 м, t_z1max= 0,0135 м

 

Число пазов статора Z₁ выберем так, чтобы q₁ (число пазов статора на полюс и фазу) было целым.

 

Z₁=96, q₁=4

8) Зубцовое деление статора t_z1 (окончательно):

9) Число эффективных проводников в пазу u_п’ при числе параллельных ветвей a=1(предварительно); Тип обмотки-двухслойная (так как h>160мм):

Номинальный ток статора I_1н:

Тогда:

Принимаем, а=4 тогда:

 

u_п=4• u_п’=4•4,0666=16,2663 = 16 (округлим до целого чётного, так как обмотка двухслойная)

 

10) Окончательные значения:

– окончательное число витков в фазе

11) Линейная нагрузка  

12) Магнитный поток Ф:

 

-Полюсное деление в пазах ;

-Предварительный шаг обмотки y_пред=0,8• τ_п, если 2р>2: y_пред=0,8•12 = 9,6 паз.

-Предварительный шаг обмотки округленный до ближайшего целого числа y=10.

-Относительный шаг обмотки β: .

-Коэффициент укорочения шага обмотки k_у1= sin(β•90°) = (0,833•90°) = 0,966.

-Коэффициент распределения обмотки k_р1=0,958 (взят по табл.2,стр.14 в методических указаниях).

-Окончательно обмоточный коэффициент k_об1= k_у1•k_р1=0,966•0,958 = 0,92503

-Коэффициент формы поля k_B=1,11(см.п.5).

-Отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению k_E. По рис. 2 k_E=0,96 (см.п.3).

Тогда магнитный поток Ф:

13) Индукция в воздушном зазоре B_δ (окончательно):

14) Плотность тока в обмотке статора:

Линейная нагрузка на плотность тока AJ по рис. 7.г: AJ=258•10⁹ А²/м³.

Плотность тока в обмотке статора предварительно (А задано в п.12): ;

15) Площадь поперечного сечения эффективного проводника q_эф (предварительно):

16) Сечение эффективного проводника (окончательно):

 ;

Обмотка выполнена из круглых медных эмалированных проводов марки ПЭТ-155

-Площадь поперечного сечения неизолированного стандартного провода q_эл:

при n_эл=2;

Из табл. П1 методических указаний выберем ближайшее значение q_эл=2,156 мм² , тогда d_из  - диаметр стандартного изолированного провода d_из=1,685 мм , d- номинальный диаметр неизолированного провода d=1,6 мм.

Тогда сечение эффективного проводника (окончательно)

q_эф =2•2,156 = 4,068 мм²

17) Плотность тока в обмотке статора (окончательно):

 

Расчёт размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора

18) Паз статора и зубец определяем по рис. 8.а с соотношением размеров, обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов.

Обмотка статора двухслойная петлевая (так как h≥160 мм), всыпная, полузакрытые трапецеидальные пазы. Угол наклона граней клиновой части b=45°.

Примем предварительно по табл. 3 методических указаний значение индукции в ярме статора B_a= 1,37 Тл, значение индукции в зубцах статора B_z1= 1,85 Тл (2p=8, IP23);

 

19) Размеры ширины зубца статора b_z1:

 

20) Высота ярма статора h_a:

21)  Размеры паза статора в штампе:

Определим высоту шлица h_ш=1 мм (для h=250мм, Раздел 2.17), среднее значения ширины шлица полузакрытых пазов статора b_ш=3,7 мм (табл. 2.2, раздел 2.11).

;

Высота клиновой части паза статора h_k:

;

Высота части паза статора под укладку проводов h_п.к.:

Размеры паза «в свету» с учётом припусков на шихтовку и сборку:

b₁’=b₁-Δb_п;

b₂’=b₂-Δb_п;

h_п.к’=h_п.к-Δh_п;

Определим припуски Δb и Δh_п  из табл.П15,б методических указаний. Для двигателя с h=250 мм: Δb =0,2 мм, Δh_п =0,2 мм.

b₁’=6-0,2= 5,8 мм;

b₂’=7,6-0,2 = 7,4 мм;

h_п.к’=24,3-0,2=24,1 мм;

22) Размеры зубца статора (Раздел 2.17):

-Ширина зубца статора в нижней части b_z’:

-Ширина зубца статора в верхней части b_z’’:

-Ширина зубца статора b_z (окончательная):

 

На рис.1 приведен паз и зубец статора проектируемого двигателя.

Рисунок 1- Паз и зубец статора проектируемого двигателя

23) Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки S’_п:

;

Площадь поперечного сечения прокладок для двухслойной обмотки S_пр:

S_пр =0,4•b₂’+0,9•b₁’=0,4•7,4+0,9•5,8= 8,18 мм² (по Разделу 2.17);

Площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу S_из:

S_из=b_из•(2h_п+b₁+b₂);

Определим одностороннюю толщину изоляции в пазу b_из по табл.П15,а методических указаний (для двухслойной обмотки): b_из= 0,4 мм.

Тогда:

S_из=0,4•(2•26,5+5,8+7,4) = 26,64 мм²;

24) Коэффициент заполнения паза k_з:

;

k_з входит в допустимый предел (0,72-0,74 для 2p≥4).

25) Выбор воздушного зазора 𝛿:

;

𝛿=0,8 мм.

Расчёт ротора

26) Число пазов ротора Z₂:

Выберем Z₂ =78 (в соответствии с табл.4 методических указаний для 2p=8, Z₁=96)

27) Внешний диаметр ротора D₂:

D₂=D-2δ=237-2•0,8 = 332,8 мм

28) Длина магнитопровода ротора l₂ равна длине l_𝛿:

l₂ = 0,2209м

29) Зубцовое деление ротора t_z2:

30) Внутренний диаметр ротора D_в равен диаметру вала:

 

k_в определим из табл.5 методических указаний: k_в = 0,23 (для h=250мм).

Тогда:

31) Ток в обмотке ротора I₂:

k_i = 0,2+0,8•cosφ = 0,2+0,8•0,83 = 0,864;

;

Так как пазы ротора выполняем без скоса, то k_ск=1.

Тогда ток в обмотке ротора I₂:

_;

32) Площадь поперечного сечения стержня q_c (предварительно):

;

Плотность тока в стержне литой клетке принимаем J₂=3,2•10⁶ А/м²

Тогда q_c:

33) Паз ротора определяем по рис.10.б (закрытые трапецеидальные, так как h≥160мм (Раздел 3.6)) методических указаний. Принимаем b_ш=1,5 мм, h_ш=0,7 мм , h’_ш=0,3 мм.

-Допустимая ширина зубца b_z2доп:

;

Принимаем B_z2=1,8 Тл по табл.3 методических указаний.

;

34) Размеры паза

;

;

;

Полная высота паза h_п:

 

На рис.2 представлен паз ротора проектируемого двигателя.

Рисунок 2- Паз ротора проектируемого двигателя

 

35) Площадь поперечного сечения стержня q_c (окончательно):

 

36) Плотность тока в стержне J₂ (окончательно):

 

37) Выберем короткозамыкающие кольца с литой обмоткой (рис.11.б методических указаний).

38) Основные размеры кольца:

-Площадь поперечного сечения кольца q_кл:

;

;

;

;

Тогда .

Тогда площадь поперечного сечения кольца q_кл:

;

-Размеры короткозамыкающих колец:

;

;

Размеры короткозамыкающих колец приведены на рис.3.

Рисунок 3- Короткозамыкающие кольца проектируемого двигателя

 

Расчёт магнитной цепи

39) Магнитопровод из электротехнической стали. Марка стали - 2014. Толщина листов 0,5 мм.

40) Магнитное напряжение воздушного зазора F_𝛿:

где коэффициент воздушного зазора ,  где ;

;  ;

Тогда магнитное напряжение воздушного зазора F_𝛿 :

;

41) Выбор марки электротехнической стали

По табл.7 методических указаний выберем сталь марки 2014

42) Магнитное напряжение зубцовой зоны статора F_z1:

,

где h_z1 = h_п1.

-Расчётная индукция в зубцах B_z1’:

;

Так как B_z1’ больше 1,8, то действительное значение индукции в зубце

BZ(1)=B'Z(1)-μ0·kп(1)·HZ(1)=1,8468

Для Bz1=1,85 Тл определим значение напряженности магнитного поля из табл.П7: H_z1=4800 А/м.

Тогда магнитное напряжение зубцовой зоны статора F_z1:

;

43) Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора F_z2 :

где h_z2 = h_п2-0,1•b₂ = 25,5-0,1•7,3 = 24,99 мм.

;

Для B_z2=1,79 Тл определим значение напряженности магнитного поля из табл.П7: H_z2= 3050 А/м.

Тогда магнитное напряжение зубцовой зоны ротора F_z2:

;

44) Коэффициент насыщения зубцовой зоны k_z:

45) Магнитное напряжение ярма статора F_a:

,

где

;

 

-Индукция в ярме статора B_a:

;

Для B_a=1,43 Тл определим значение H_a табл.П6: H_a= 717 А/м.

Тогда определим магнитное напряжение ярма статора F_a:

 

46) Магнитное напряжение ярма ротора F_j:

, где

;

Тогда L_j:

Индукция в ярме:

,

где для четырехполюсных и других машин при <

;

где .

, тогда h_j’:

Тогда B_j:

.

По табл. П6 методических указаний найдём H_j для B_j = 0,84 Тл:

H_j = 135 А/м.

Тогда магнитное напряжение ярма ротора F_j:

47) Магнитное напряжение цепи на два полюса F_ц:

48) Коэффициент насыщения магнитной цепи двигателя

Коэффициент лежит в допустимых пределах(1,3-1,5).

49) Намагничивающий ток I_μ:

Относительное значение:

Относительное значение входит в допустимые пределы (0,2-0,3).

Параметры рабочего режима

50) Активное сопротивление обмотки статора r₁:

где для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура С; (для медных проводников  Ом·м);  площадь поперечного сечения эффективного проводника, м²; L₁ – общая длина эффективных проводников фазы обмотки, м; k_R=1.

Длина проводников фазы обмотки L₁:

,

где

, где

l_п1=l₁=0,2187м;

,

где  м; ;

По табл. 9 методических указаний выберем K_л=1,55; K_выл=0,5.

Тогда длина лобовых частей катушки l_л1:

Тогда средняя длина витка катушки l_ср1:

Тогда длина проводников фазы обмотки L₁:

Тогда активное сопротивление обмотки статора r₁:

Длина вылета лобовой части катушки:

Относительное значение r₁:

51) Активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора r₂:

где сопротивление стержня ,

сопротивление участка замыкающего кольца, между двумя соседними стержнями ,

 Ом·м для литой алюминиевой обмотки ротора.

Тогда сопротивление стержня:

Тогда активное сопротивление фазы алюминиевой обмотки ротора r₂:

Приведём r₂ к числу витков обмотки статора:

 где ;

Относительное значение:

52) Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора X₁:

,

где

.

Высота трапеции статора, заполненная обмоточным проводом h₂:

;

b₁=9,6 мм;

;

, так как проводники закреплены пазовой крышкой; ; ; ;

Тогда коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния статора λ_п1:

-Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки статора λ_л1:

-Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора λ_д1:

,

где

;

Для β_ск=0 и  по рис.13 методических указаний определим k’_ск: k’_ск=1,5.

Тогда коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора λ_д1:

Тогда индуктивное сопротивление фазы обмотки статора X₁:

Относительное значение x₁^*:

 

53) Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора x₂:

,

где

;

b₁=9,6 мм; b_ш=3,7 мм; h_ш=0,7 мм; h_ш’=0,3 мм; q_с =147,52 мм²;

Тогда коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния ротора λ_п2:

-Коэффициент магнитной проводимости лобового рассеяния обмотки ротора λ_л2:

-Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки ротора λ_д2:

где

Δ_z≈0.

Тогда коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки ротора λ_д2:

Тогда индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора x₂:

 

Приводим x₂ к числу витков статора

Относительное значение:

 

Расчёт потерь

 

54) Потери в стали основные P_ст.осн :

где удельные потери в стали p_1,0/50=2,5 Вт/кг для стали марки 2013; β=1,3-1,5; ; .

-Масса стали ярма m_a:

-Масса стали зубцов статора m_z1:

Тогда потери в стали основные P_ст.осн :

55) Поверхностные потери в роторе P_пов2:

где

где

; ;

Определим по рис.15 методических указаний β_0,2 для :

β_0,2 =0,31.

Тогда удельные поверхностные потери:

,

Тогда поверхностные потери в роторе P_пов2

;

56) Пульсационные потери в зубцах ротора P_пул2:

,

где

;

-Масса стали зубцов ротора m_z2:

Тогда пульсационные потери в зубцах ротора P_пул2:

57) Сумма добавочных потерь в стали P_ст.доб:

,

где ;

58) Полные потери в стали P_ст:

59) Механические потери P_мех:

,

где .

60) Холостой ход двигателя

где ;

;

Тогда:

 

Расчёт рабочих характеристик

 

61) Параметры:

 

- Сопротивление r₁₂:

 

- Сопротивление x₁₂:

- Модуль комплексного коэффициента c₁:

- Аргумент комплексного коэффициента γ:

- Активная составляющая тока синхронного холостого тока I_0a:

 

-Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения :

 

62) Рассчитываем рабочие характеристики для различных скольжений s = 0,005; 0,01; 0,015; 0,02; 0,025; 0,03.

Предварительно принимаем s_ном≈ r_2*’= 0,023.

Данные спроектированного двигателя:

cosφ_х.х.=0,092

Рассчитаем рабочие характеристики для различных скольжений в соответствии с формулами из табл.13 методических указаний к курсовому проекту. Результаты расчета сведены в табл. 8.1. По таблице 8.1. построены графики рабочих характеристик спроектированного двигателя (рис.8.1,8.2.).

Таблица 8.1.- Рабочие характеристики проектируемого двигателя

 

№	Расчётная формула	Скольжение S						Sном
		0,005	0,01	0,015	0,02	0,025	0,03	0,021
1	a’r2’/s, Ом	11,03	5,52	3,68	2,76	2,21	1,84	2,63
2	R= , Ом	11,12	5,61	3,77	2,85	2,30	1,93	2,72
3	X= , Ом	0,60	0,60	0,60	0,60	0,60	0,60	0,60
4	Z= , Ом	11,14	5,64	3,81	2,91	2,37	2,02	2,78
5	I2” = , А	19,75	39,02	57,67	75,59	92,70	108,93	79,08
6	cosф2’=	1,00	0,99	0,99	0,98	0,97	0,95	0,98
7	sinф2’=	0,05	0,11	0,16	0,21	0,25	0,30	0,22
8	I1a = I0a+ I2” •cosф2’, А	21,07	40,15	58,30	75,31	91,02	105,33	78,56
9	I1p= I0р+ I2” •sinф2’, А	24,17	27,27	32,20	38,74	46,61	55,57	40,21
10	I1= , А	32,06	48,53	66,60	84,69	102,26	119,09	88,25
11	I2'=с1•I2”, А	20,34	40,19	59,40	77,86	95,48	112,20	81,45
12	, кВт	13,91	26,50	38,48	49,70	60,07	69,52	51,85
13	, кВт	0,27	0,61	1,16	1,87	2,73	3,70	2,03
14	, кВт	0,06	0,25	0,55	0,95	1,42	1,96	1,04
15	, кВт	0,07	0,13	0,19	0,25	0,30	0,35	0,26
16	, кВт	1,67	2,26	3,17	4,33	5,72	7,28	4,59
17	, кВт	12,24	24,23	35,31	45,37	54,35	62,24	47,26
18		0,88	0,91	0,92	0,91	0,90	0,90	0,91
19		0,66	0,83	0,88	0,89	0,89	0,88	0,89

 

Рисунок 8.1. - Рабочие характеристики проектируемого двигателя с короткозамкнутым ротором

 

 

Рисунок 8.2. - Рабочие характеристики s=f (P₂) проектируемого двигателя с короткозамкнутым ротором

 

Уточним значение номинального скольжения по рабочим характеристикам: s_ном= 0,0195. Добавим расчёты для данного скольжения в табл.8.2.

 

Таблица 8.2.- Рабочие характеристики проектируемого двигателя для s_ном = 0,0195

 

---

Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 159; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!