Проектирование электрических машин

Содержание

Аннотация…………………………………………………………………. 3     

Введение ………………………………………………………….……..… 4 

Задание на расчет. Выбор  аналогов……………………………………… 6

Выбор главных размеров ……………………………………….………. ..7

Расчет статора ………………………………………………....……..…… 9

Расчет размеров зубцовой зоны статора.…………………………..……..11

Расчет ротора ……………………………………………...………….……13

Расчет магнитной цепи ……………………………………………………16

Параметры рабочего режима ………………………………………….…. 19

Расчет потерь …………………………………...……………….………… 23

Расчет рабочих характеристик  …………………………………………… 25

Расчет пусковых характеристик  ……………………………...…….…….. 28

Тепловой расчет ………………………………………………….….…….. 31

Вентиляционный расчет……………………………..……….…………….34

Механический расчет ……………….…………………………………….. 35

Расчет подшипников ………………...……………………………………. 39

Заключение …………………..………………………………….………… 42

Список используемой литературы ………………………...…….………. 43

 

 

Аннотация

В данном курсовом проекте  проводится проектирование асинхронного двигателя общепромышленного назначения мощностью P₂=15 кВт, синхронной частотой вращения n=1500 об/мин (2p=4), степенью защиты IP 54, способу монтажа IM 1001.

Курсовой проект содержит подробную пояснительную записку, в которой произведены расчеты  магнитной и электрической цепи, рабочих и пусковых характеристик, а так же чертежи двигателя, листов статора и ротора, рабочих и  пусковых характеристик.

 

 

Введение

Электрические машины в общем  объеме производства электротехнической промышленности занимают основное место, поэтому их технико- экономические  показатели и эксплуатационные свойства имеют важное значение для экономики  нашей страны.

Проектирование электрических  машин- это искусство, соединяющее  знание процессов электромеханического преобразования энергии с опытом, накопленным поколениями инженеров- электромехаников, умение применять  вычислительную технику и талантом инженера, создающего новую или улучшающего  уже выпускаемую машину.

При создании электрической  машины рассчитываются размеры статора  и ротора, выбираются типы обмоток, обмоточные провода, изоляция, материалы  активных и конструктивных частей машины. Отдельные части машины должны быть так сконструированы и рассчитаны, чтобы при её изготовлении трудоемкость и расход материалов были наименьшими, а при эксплуатации машина обладала высокой надежностью и наилучшими энергетическими показателями, при  этом электрическая машина должна соответствовать  условиям применения её в электроприводе.

При проектировании электрических  машин необходимо учитывать соответствие их технико– экономических показателей современному уровню при соблюдении требований государственных и отраслевых стандартов, а также назначения и условия эксплуатации, стоимость активных и конструктивных материалов, КПД, технологию производства. Надежность в работе и патентную чистоту. Расчет и конструирование электрических машин неотделимы от технологии их изготовления. Поэтому при проектировании необходимо учитывать возможности электротехнических заводов, стремиться в максимальному снижению трудоемкости изготовления электрических машин.

Асинхронной машиной называется двухобмоточная электрическая машина переменного тока, у которой только одна обмотка получает питание от электрической сети с постоянной частотой ω₁, а вторая – замыкается накоротко или на электрические сопротивления.

Простота конструкции, надежность, высокое значение коэффициента полезного  действия асинхронных двигателей (АД) мощностью от 0,025 до 350 кВт объясняют широкое их применение в электроприводах. Известно, в частности, что приводы с использованием АД потребляют до 60% мирового объема производства электроэнергии.

Выпускаемые заводами асинхронные  двигатели предназначаются для  работы в  определённых условиях с  определёнными техническими данными, называемыми номинальными. К числу  их относятся:

1. Механическая мощность, развиваемая двигателем, P_н = P_2н ;
2. Частота сети f₁ ;
3. Линейное напряжение статора U_1л;
4. Линейный ток статора I_1л;
5. Частота вращения ротора n_н;
6. Коэффициент мощности cos φ_1н;
7. Коэффициент полезного действия η_н.

Номинальные данные асинхронных  двигателей варьируются в очень  широких пределах. Номинальная мощность – от долей ватта до десятков тысяч киловатт. Номинальная синхронная частота вращения от 3000 до 500 об/мин  и менее в особых случаях; при  повышенных частотах – до 100000 об/мин  и более. Номинальный КПД асинхронных  двигателей возрастает с ростом их мощности и частоты вращения .

 

Задание на расчет:

P₂=15 кВт

2р=4

Номинальное напряжение: 380/660 В

Степень защиты: IP54

Класс нагревостойкости: F

Климатическое исполнение: У3

1) Выбор аналогов.

1.Тип двигателя: 7AVER160S4ie2

Номинальная мощность: P₂=15 кВт

Номинальная частота вращения:  n=1450 об/мин

Коэффициент полезного действия: η=91,8%

Коэффициент мощности: cosφ₂=0,82

Высота оси вращения: 160 мм

Номинальный ток при 380В: I_н=30,3 А

Номинальный момент: М_н=99 Нм

Индекс механической характеристики: 1

   ;  ;  ;

Динамический момент инерции  ротора: М_дин=0,087

Масса IM1001: 120 кг

Сервис фактор: 1,15

Степень защиты: IP54

Класс нагревостойкости изоляции: F

2p=4

2.Тип двигателя: АИР160S4

Номинальная мощность: P₂=15 кВт

Номинальная частота вращения:  n=1460 об/мин

Коэффициент полезного действия: η=91,8%

Коэффициент мощности: cosφ₂=0,87

Номинальный ток при 380В: I_н=29 А

   ;   ;   ;

Динамический момент инерции  ротора: М_дин=0,06

Масса: Al: 98 кг

             Iron: 120 кг

Степень защиты: IP54

Класс нагревостойкости изоляции: F

2p=4

2) Выбор главных размеров.

Предварительно определим  высоту оси вращения (по рис.9.18[1]): h=160 мм

По рис.9.18[1] выберем величину h_1min. Принимаем литую станину:        h_1min=19 мм.

По табл. 9.8[1] выберем внешний  диаметр статора в зависимости  от высоты оси вращения: D_a=0,28 м.

По табл. 9.9[1] выберем отношение  при 2p=4: .

Определим по 9.2[1] внутренний диаметр статора:

м

Определим по 9.3[1] полюсное деление τ:

м

По табл. 9.4[1] определим  расчетную мощность:

 

По рис.9.20[1] выберем отношение  ЭДС обмоток статора к номинальному напряжению :

По рис.9.21[1] определим  η и cosφ:

η=89%; cosφ=0,88

 

 

Определим :

 

По рис.9.22[1] произведем выбор  электромагнитных нагрузок А и В_δ:

В_δ=0,76 Тл; А=

Принимаем значения коэффициентов  полюсного перекрытия a_δ и k_в равными:

;

Предварительно примем значение обмоточного коэффициента k_об1 (для двухслойной обмотки при 2р=4) равным 0,92:

По (9.5)[1] рассчитаем синхронную угловую частоту двигателя:

 

По (9.6)[1] расчетная длина  магнитопровода равна :

 

Определим  λ: 

 

По рис.9.25[1] получаем, что  λ входит в допустимые пределы. Следовательно, главные размеры выбраны правильно.

В результате проделанных  вычислений получены следующие значения:

h=160 мм        D_a=0,28 м     τ=0,143 м

D=0,182 м       l_δ=0,138 м

 

 

 

 

 

3) Расчет статора.

По рис.9.26[1] выберем диапазон значений зубцовых делений статора:

,  м

Тогда возможное число  пазов статора, соответствующее  выбранному диапазону 

 

 

Примем Z₁=48. Тогда

 

Окончательное значение

 

Определим (по 9.17[1]) число эффективных проводников в пазу

При а=1 (параллельные ветви  в обмотке отсутствуют):

 

 

Тогда:

 

Примем а=2, тогда 

Окончательное число витков  фазе обмотки (по 9.20[1]):

 

Окончательное значение линейной нагрузки (по 9.21[1]):

 

 

Примем β=0,85, тогда обмоточный коэффициент (по 3.4[1]):

 

Уточним значение потока Ф (по 9.22[1]):

 

Индукция в воздушном  зазоре (по 9.23[1]):

 

Значения  и находятся в допустимых пределах (по рис.9.22 б[1]).

По рис.9.22 б[1] определим (AJ): AJ=

Плотность тока в обмотке  статора (по 9.25[1]):

 

Площадь поперечного сечения  эффективного проводника по 9.24[1]:

 

Принимаем обмоточный провод марки ПЭТВ , d_эл=1,40 мм²; q_эл=1,539 мм²;

q_э.ср.=1,539 мм².

Плотность тока в обмотке  статора (окончательно) по (9.27)[1]:

 

 

 

 

 

 

 

 

4) Расчет размеров зубцовой зоны статора.

Паз статора определяем по рис.9.29,а[1] с соотношением размеров, обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов (трапециедальный паз).

Угол наклона грани  клиновой части:

β=45º

Принимаем предварительно по табл. 9.12[1]:

B_z1=1,7 Тл;  B_а=1,4 Тл; тогда по 9.37[1]:

 

(по табл. 9.13[1] для оксидированной стали марки 2013 k_c=0,97)

Высота ярма статора по 9.28[1]:

 

 Размеры паза в штампе: h_ш=1 мм, β=45º ,b_ш=3,7 мм (по табл. 9.16[1]).

Высота паза:

 

По (9.40)[1]:

 

По (9.39)[1]:

 

По (9.42)-( 9.45)[1]: 

 

Размеры паза в свету с  учетом припуска на сборку:

 мм

 мм (по (9.14)[1])

 мм

  мм

Площадь поперечного сечения  паза для размещения проводников  обмотки по (9.48)[1]:

 

 В данной формуле:

 – площадь,  занимаемая прокладками в пазу;

 – площадь,  занимаемая корпусной изоляцией  в пазу (по (9.46)[1]):

 

 – односторонняя  толщина изоляции в пазу  (по  табл. (3.1)[1]).

Коэффициент заполнения паза по (3.2)[1]:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5) Расчет ротора.

Воздушный зазор (по рис.(9.31)[1]): δ=0,35 мм

Число пазов ротора (по табл. (9.18)[1]): Z₂=38

Внешний диаметр ротора:

Длина магнитопровода ротора:

Зубцовое деление ротора:

 

Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, т.к. сердечник  ротора непосредственно насаживается на вал;

По (9.102)[1]:

 

 (по табл. 9.19[1]).

Ток в обмотке ротора по (9.57)[1]:

, где по (9.58)[1]:

, по (9.66)[1]:

 

(пазы ротора выполняем  без скоса - )

Площадь поперечного сечения  стержня (предварительно) по (9.68)[1]:

 

(Плотность тока в стержне литой клетки принимаем )

Паз ротора определяем по рис.(9.40,б)[1]. Принимаем:

b_ш=1,5 мм; h_ш=0,7 мм; h`_ш=0,3 мм.

(Трапециедальный закрытый паз, т.к. высота оси вращения лежит в пределах 160…250 мм)

Допустимая ширина зубца  по (9.75)[1]:

 

(Принимаем  Тл по табл. (9.12)[1]).

Размеры паза:

по (9.76)[1]:

 

по (9.77)[1]:

 

по (9.78)[1]:

 

Уточняем ширину зубцов ротора по формулам табл. (9.20)[1]:

 

 

 

 

Принимаем ; ; . Тогда полная высота паза:

 

Площадь поперечного сечения  стержня (по (9.79)[1]):

 

Плотность тока в стержне:

 

Площадь поперечного короткозамыкающего кольца по (9.72)[1]:

 

 

 

 

Размеры короткозамыкающих  колец:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6) Расчет  магнитной цепи.

Магнитопровод из стали 2213; толщина 0,35 мм.

Магнитное напряжение воздушного зазора по (9.103)[1]:

 

В данной формуле:

;

 

 

Магнитное напряжение зубцовой зоны статора по (9.104)[1]:

 

 

Расчетная индукция в зубцах по (9.105)[1]:

 

Для по табл. П1.7[1]:

 

Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора по (9.108)[1]:

 

Из табл. (9.20)[1]:

 

Индукция в зубце по (9.109)[1]:

 

Для по табл. П1.7[1]:

 

 

Коэффициент насыщения зубцовой зоны по (9.115)[1]:

 

Магнитное напряжение ярма статора по (9.116)[1]:

 

длина средней магнитной  силовой линии в ярме статора по (9.119)[1]:

 

где высота ярма статора по (9.120)[1]:

 

По (9.117)[1] индукция в ярме статора:

 

(при отсутствии радиальных  вентиляционных каналов в статоре ), для по табл.П1.6[1] находим .

Магнитное напряжение ярма ротора по (9.121)[1]:

 

Длина средней магнитной силовой  линии в ярме ротора для всех двигателей, кроме двухполюсных, с непосредственной посадкой сердечника ротора на вал по (9.127)[1]:

 

В данной формуле:

 

По (9.122)[1] индукция в ярме ротора:

 

где по (9.124)[1] для четырехполюсных машин при :

 

где для  по табл.П.1.6[1] находим:

Магнитное напряжение на пару полюсов (по (9.128)[1]):

 

Коэффициент насыщения магнитной  цепи по (9.129)[1]:

 

Намагничивающий ток по (9.130)[1]:

 

Относительное значение по (9.131)[1]:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7) Параметры  рабочего режима.

Активное сопротивление  обмотки статора по (9.132)[1]:

 

Длина проводников фазы обмотки  по (9.134)[1]:

 

по (9.135)[1]:

 

по (9.136)[1]:

 

В данной формуле: В=0,01 м

По табл.(9.23)[1]:

по (9.138)[1]:

 

(Для класса нагревостойкости  изоляции F расчетная температура )

К_R=1, т.к. в проводниках обмотки статора эффект вытеснения тока проявляется незначительно из-за малых размеров элементарных проводников.

Длина вылета лобовой части  катушки по (9.140)[1]:

, где по табл.(9.23)[1]: