МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Вологодский государственный технический университет» (ВоГТУ)

Кафедра: «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений»

Курсовой проект по дисциплине: «Электрические машины»

На тему: «Проектирование асинхронного двигателя с фазным ротором»

Выполнил: Ершов М.Ю.

Группа: ЗЭО-24у

Проверил: Дилигенская Н.М

Оценка:_________________

Череповец

2013г

Содержание.

1. Общая часть.

   1. Перспектива совершенствования технологии проектирования электрических машин.

2. Расчетная часть.

   1. Выбор главных размеров.

   2. Расчёт зубцовой зоны и обмотки статора.

   3. Расчет магнитной цепи.

   4. Расчет параметров рабочих режимов.

   5. Расчет потерь.

   6. Расчёт рабочих характеристик.

3. Конструктивная часть.

4. Заключение.

5. Список литературы.

6. Графическая часть.

1. Общая часть.

   1. Перспектива совершенствования технологии проектирования электрических машин.

Существуют две тенденции в применении электронных вычислительных машин при проектировании электрических машин: в большинстве работ вычислительная техника применяется для расчетов отдельных частей или всей электрической машины по существующим методикам. Вторая связана с созданием нового подхода к расчету, когда в основе расчета лежат дифференциальные уравнения, описывающие процессы электромеханического преобразования энергии.

Первый путь дает ускорение вычислений, обеспечивает перебор многих вариантов. Однако полуэмпирические формулы, положенные в основе расчета, снижают эффективность применения вычислительных машин.

Второй путь позволяет строго подойти к оптимизации, решать более сложные задачи, но он еще не достаточно разработан. Необходимо развивать оба направления, стремиться к оптимизации электрической машины, работающей в электромеханической системе при изменении напряжений, частоты, окружающих условий, с учетом работы элементов системы и динамических процессов.

В настоящее время при проектировании электрических машин применяются как вычислительные ЭВМ, так и аналоговые вычислительные машины АВМ. При решении задач динамики предпочтительно применять АВМ, они просты в обслуживании и имеют простые выводные устройства. Недостатками АВМ являются ограниченный оббьем решаемой задачи и малая универсальность. Цифровые ЭВМ универсальны, оббьем решаемой задачи может быть значительно большим, на АВМ точность определяется принятым расчётным способом. Вследствие технологической сложности и универсальности ЭВМ сосредотачиваются на вычислительных центрах. Чтобы избежать трудоёмкого программирования и связанной с этим длительной отладки программы необходимо стремиться к созданию универсальных машин. Цифровые ЭВМ автоматизации инженерных расчетов к существенному повышению технико-экономических показателей электрических машин, обеспечивая качественный сдвиг в решении задач оптимального проектирования.

Анализ приведенных затрат применительно к асинхронным двигателям единой серии до 10 кВт показал, что примерно 70% затрат составляют текущие расходы на их эксплуатацию, на долю капиталовложений

приходится 15 -20 % всех затрат. Следовательно, повышение эффективности машин, прежде всего, связано со снижением эксплуатационных расходов. Первоочередное здесь имеют повышение надежности в работе машин и улучшение их энергетических показателей. При этом повышение КПД экономически более выгодно, чем повышение .

Повышение надежности и улучшение КПД должны достигать без заветного увеличения затрат на изготовление электрической машины. Сокращение расходов на электротехническую сталь и обмоточные провода может дать существенное уменьшение себестоимости электрической машины.

Хотя основная заработная плата 5 -8 % себестоимости, снижение трудоёмкости механических и обмоточно – изолировочных работ имеет важное значение. В связи с увеличением выпуска электрических машин и недостаткам рабочей силы снижение трудоёмкости настолько важно, что серии ЧА пошли на некоторое снижение энергетических показателей, увеличивая размеры числа пазов для возможности машинной намотки обмотки.

Проектирование электрической машины сводится к многократному расчету зависимостей между основными показателями , заданных в виде систем и формул, эмпирических коэффициентов, графических зависимостей, которые можно рассматривать как уравнение проектирования.

Оптимальное проектирование электрических машин может представляться как поиск оптимальных параметров путём решений этой системы уравнений.

Сложность алгоритма расчета затрудняет задачу оптимизации.

Несмотря на широкое применение вычислительных машин оптимальные варианты машины иногда выбирается на основании опыта и интуиции проектировщика.

Выбор критерия оптимальности зависит от назначения электрической машины и предъявляемых к ней требовании. Этот критерий широко применялся в СССР и за рубежом. Приведенные затраты на электрическую машину в процессе производства и эксплуатации являются обобщающим экономическим показателем, включающим основные экономические эквиваленты основных экономических характеристик.

2. Расчётная часть.

   1. Расчёт главных размеров.

Основные технологические данные, необходимые для расчёта, приведенные в задании:

Мощность двигателя Р₂ = 80 кВт

Номинальное напряжение статора U = 220/380 В

Число пар полюсов 2р = 4

Конструктивное исполнение IP44

Климатическое исполнение УЗ

Способ охлаждения IC 0141

Класс нагрева изоляции F

Высоту оси вращения, требуемую для расчетов, предварительно определяем по рис. 9.18б для заданных Р₂ 2р, находим приблизительное значение n = 330.Из ряда высот осей вращения, таблица 9.8 принимаем ближайшее к предельно найденному меньшему стандартному значению n = 315 мм.

Внешний диаметр сердечника статора двигателя в зависимости от высоты оси вращения определяется по таблице 9.8 D_а =0.59 м.

Внутренний диаметр статора D находиться по эмпирической зависимости:

D = K_D * D_a

Где: K_D – коэффициент характеризующий отношение внутренних и внешних диаметров сердечников статора при различных числах полюсов, находиться по таблице 9.9 и равен 0,72

D = 0, 72 * 0, 59 = 0,425

Далее находим полюсное давление:

=ПD / 2P

Где: - полюсное давление, м

=(3,14 *0,425)/6 =0,222

Расчётную мощность:

P^’ = P₂ *K_E / ( *cos )

Где: P^’ – расчётная мощность, ВА

К_Е – отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, определяется по рисунку 9.20, равна 0,98 , - КПД, определяется по рисунку 9,21, равен 0,9.

P^’ = 95,5

Предварительный выбор электромагнитных нагрузок проводится особенно тщательно, так как они определяют расчётную длину сердечника и характеристики машины. Находятся по рисунку 9.23, А = 51 10³ А/ м, В_б=0,84Тл

Коэффициент полюсного перекрещения а_б и коэффициент формы поля К_в определяются степенью упрощения кривой поля в зазоре, возникающей при насыщении зубцов статора и ротора. Предварительно принимаем равными:

а_{б = = 0,64 ,}

К_В= = 1,11 ,

Предварительное значение обмоточного коэффициента выбираем в зависимости от типа обмотки статора, К_Об.1 = 0,92.

Синхронная угловая частота двигателя рассчитывается по формуле:

= 2 ¹

Где; - синхронная угловая частота, рад/с.

1- частота питающей сети, Гц.

Р – число полюсов.

= 2 = 78,5

Рассчитываем длину магнитопровода, м.

Где: _б - длина магнитопровода, м.

_б = = 135,5

Критерием правильности выбора главных размеров D и _{б является отношение:}

,

Где; - критерий правильности выбора главных размеров.

входит в промежуток, заданный на рисунке 9.25б, значит размеры выбраны, правильно. Окончательно устанавливаем: Da =0.59 , D =0.425 , = _б =135.5

2.2 Расчет зубцовой зоны и обмотки статора.

Число витков фазы обмотки статора должно быть таким, чтобы линейная нагрузка двигателя и индукция в воздушном зазоре как можно более близко совпадали с их значениями, принятыми предварительно при выборе главных размеров, а число пазов статора обеспечивало достаточно равномерное распределение катушек обмотки. Чтобы выполнить эти условия в начале выбирают предварительно зубцовое деление t_z1, в зависимости от типа обмотки, номинального напряжения и полюсного деления машины, по таблице 9.11, выбираем промежуток 0,017 – 0,022.

Возможное число пазов статора: Z_1min ÷ Z_1max =

Где: Z_1min - минимальное число зубцов статора.

Z_1max - максимальное число зубцов статора.

D – внутренний диаметр статора.

t_z1min – минимальное деление статора.

t_z1max – максимальное деление статора.

Z_1min ÷ Z_1max =

Окончательное число пазов статора Z₁ следует выбирать в полученных пределах с учётом условий, налагаемых требованиями симметрии обмотки, и желательно для проектируемой машины, числа пазов на полюс и фазу q₁. Принимаю Z₁ = 72, тогда:

q₁ =

Где: q₁ – число полюсов на фазу.

2p – число пар полюсов.

m – число фаз.

q₁ =

Окончательное значение t_z1 определяется по формуле:

t_z1 =

Где: t_z1 – зубцовое деление.

Находим номинальный ток обмотки статора:

_1ном =

Где: _1ном - номинальный ток обмотки статора.

m – число фаз.

- номинальное напряжение обмотки статора.

– КПД, определяется по рисунку 9.21, равен 0,92.

– коэффициент мощности определяется по рисунку 9,21, равен 0,9.

_1ном = 137,85

Число эффективных проводников в пазу должно быть целым числом, поэтому приходится округлить до ближайшего целого или четного числа:

U^І₁ =

Где: U^І₁ – число проводников в пазу.

А – линейная нагрузка. А/м

U^І₁ = = 68,77

Тогда:

U_n =

Где: n – окончательное число проводников в пазу.

а – число параллельных ветвей обмотки.

U_n =

С учетом условий, изложенных выше, принимаем следующие значения: а =4, U_n = 220.

Окончательное число витков в фазе обмотки:

Где: – окончательное число витков в фазе.

m – число фаз.

Окончательное значение линейной нагрузки:

А =

Где: А – значение линейной нагрузки.

А =

Полученное число линейной нагрузки входит в промежуток заданный на рисунке 9.19.

Схему обмотки статора выбирают в зависимости от мощности машины, ориентируясь на конструкцию и предполагаемую технологию укладки обмотки в пазы.

Затем рассчитывается обмоточный коэффициент, для нахождения которого по таблице 3 -13 определяем К_р = 0,958 и по рисунку 3 – 11 значение К_ц, предварительно вычислив расчетное укорочение обмоток по формуле:

В =

Где: В – коэффициент укорочения обмоток.

В =

По графику К_ц = 0,966

К_об = К_р К_ц

Где: К_об – обмоточный коэффициент.

К_об = 0,958 0,966 = 0,925

Уточняем значение потока:

Где: Ф – магнитный поток.

– отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, определяется по рисунку 9.20, равно 0,98.

- номинальное напряжение обмотки статора.

– коэффициент формы поля.

₁ – частота питающей сети.

Определяем индукцию в воздушном зазоре:

В_б =

Где: В_б – индукция в воздушном зазоре.

Р – число полюсов.

D – внутренний диаметр статора.

– длина магнитопровода.

В_б =

Проверили, что бы полученное значение В_б входило в значение на рисунке 9.23.

Переходим к расчету сечения эффективного проводника и обмоточного провода. Сечение проводника определяют исходя из тока одной параллельной ветви и допустимой плотности тока в обмотке:

q_эф1 =

Где: q_эф1 – сечение эффективных проводников.

_{1ном –} номинальный ток обмотки статора.

а – число параллельных ветвей обмотки.

– плотность тока.

С точки зрения повышения использования активных материалов плотность тока должна быть как можно, но при этом возрастают потери в меди обмотки. Рассчитывается по формуле: =

Где: А - произведение линейной нагрузки на плотность тока, находится по формуле, рисунок 9,27d и равно 255 10⁶.

А – значение линейной нагрузки.

= =5,4 10⁶

Находим значение эффективного сечения проводника:

q_эф1 =

Значит q_эф1 = .Обмотку выполняем из подразделенных катушек, провод прямоугольный п_эл = 2 , предварительно:

q_эл1 =

Где: q_эл1 – предварительное сечение одного проводника, мм.

q_эл1 =

Проводники располагаются на одном уровне по высоте паза.

Уточняем значение плотности тока:

Где: - плотность тока, А/м.

По одной и той же площади поперечного сечения прямоугольных проводников их линейные размеры могут быть различны, поэтому окончательный выбор обмоточного провода производят одновременно с расчетом размеров зубцовой зоны.

Минимальная ширина зубца:

B_z1min =

Где: B_z1min - минимальная ширина зубца, м.

- индукция в воздушном зазоре, Тл.

- зубцовое деление.

- длина магнитопровода, м.

– допустимое значение индукции в зубцовой зоне статора при открытых пазах, находится по таблице 9.12 и равна 1,9 Тл.

– длина статора, м.

- коэффициент заполнения сталью магнитопроводов статора и ротора, равен 0,95, находится по таблице 9,13.

B_z1min = = 0,010591

Размеры паза вначале определяют без учета размеров и числа проводников обмотки, исходя только из допустимых значений индукции в зубцах статора , предварительно:

b_n = t_z1 – b_z1min

Где: b_n – ширина паза, м.

b_n = 0,01853 – 0,010591 = 0,00794

Эффективный проводник обмотки состоит из двух элементарных проводников, поэтому ширина каждого из них будет равна:

b^І_эл = 0,5 (b_n – 2 b_из - b_n)

Где: b^І_эл – ширина проводника, м.

b_из – толщина изоляции провода, равна 1,1 мм, по 3,9м.

b_n – толщина изоляции поза, равна 0,3 мм, по 9,14 м.

b^І_эл = 0,5 (0,00794 - 2 0,0011 – 0,0003) = 0,004532

По таблице П – 29 выбираем провод с параметрами: номинальный размер проволоки по большей стороне b = 3,75 мм, расчетное сечение проволоки q_эл= 7,13 мм², номинальный размер проволоки по меньшей стороне а = 2 мм.

Выбираем марку провода ПЭТ -155 с параметрами:

Максимальная толщина изоляции 0,11 мм.

q_эф1 = q_эл п_эл

q_эф1 =7,13 2 = 14,26 мм²

Составляем следующую таблицу:

Таблица 1. – Заполнение паза статора.

Наименование.	Размер, мм.
	По ширине паза.	По высоте паза.
Обмоточный провод изолированный 1,8 3,55	3,75 2 = 7,5	2 20 = 40
Пазовая изоляция и допуск на укладку.	2,4	4,61
Всего на паз без клина.	9,9	44,61

Рассчитываем паз, полуоткрытый трапецеидальный.

Рисунок 2.2.1 – паз статора.

.

Принимаем: h_ш = 0,8 мм

h_к = 3,2 мм.

Рассчитываем высоту паза:

h_a =

Где: h_a – высота ярма статора, м.

Ф – магнитный поток, Вб.

– индукция в зубцах статора, по таблице 9,12 равна 1,8 Тл.

–длина статора, м.

- коэффициент заполнения сердечника статора, по таблице 9,13 равен 0,95.

h_a =

Паз: h_п =

Где: h_a – высота паза, м.

– внешний диаметр статора, м.

– внутренний диаметр статора, м.

h_п = 0,02= 0,062

Предварительная высота паза 62 мм уточняем по таблице заполнения паза и высоте клина: 62 + 3,2 + 0,8 = 66, окончательная высота паза.

Рассчитываем расстояние между пазами:

b_zmin =

Где: b_zmin – расстояние верхней части, мм.

Z – число пазов.

b_zmin = 3,14 0,018

Расстояние внизу:

b_zmах =

Где: b_zmах – расстояние в нижней части, м.

b_zmах =3,14* = 0,074

Ширина шлица паза:

b_ш1 = 0,5 b_n + 1,3

Где: b_ш1 – ширина шлица паза, м.

b_ш1 = 0,5 0,00794+1,3+0,0013= 0,00527

Уточняем значение плотности тока.

J₁ =

где: J₁ - плотность тока, А/m

a - число параллельных ветвей обмотки

J₁ = = 3,82

Воздушный зазор определяется по рис.9.31 и равен δ= мм

Расчёт ротора

Для нормальной работы асинхронного двигателя необходимо, чтобы средняя обмотка ротора имела столько же фаз и столько же полюсов, сколько их имеет обмотка статора: m₂=m₁, p₂=p₁

Число пазов ротора должно отличаться от числа пазов статора. При расчёте задают число пазов на полюс и фазу ротора:

q₂ = q₁ К

где: q₂ - число пазов на полюс

К - коэффициент равный 1 или ½

q₂ =3 + 1=4

Тогда число пазов:

Z₂ =

Где: Z₂ - число пазов ротора

Z₁ - число пазов статора

Z₂ =

Диаметр ротора:

D₂= D - 2 δ

Где: D₂ - диаметр ротора, м

D₂ = 0,425 – 2 0,0009 = 0,0023

Зубцовое деление:

t_z2 =

Где: t_z2 - зубцовое деление ротора

t_z2 = 0,025

Ротор выполняется с двухслойной стержневой обмоткой.

W₂ = 2p₂ q₂

Где: W₂ - число витков в обмотке ротора

W₂ = 4 4 =16

Напряжение в контактных кольцах ротора при соединении обмотки ротора в звезду:

U_K.K. = U_ном

Где: U_k.k.- напряжение на контактных пальцах ротора, В

U_нам - номинальное напряжение, В

W₁ - число обмотки витков статора

U_K.K. = 380

Обмоточный коэффициент ротора:

К_об.2 =

Где: К_об2 - обмоточный коэффициент обмотки ротора

N - числитель неправильной дроби, равен b при q=5

m₂ - число фаз обмотки ротора

К_об.2 = = 0,964

Находим коэффициент привидения токов:

V₁ =

Где: V₁ - коэффициент привидения токов для двигателей с фазным ротором

m₁-число фаз обмотки статора

К_об1- обмоточный коэффициент обмотки статора

V₁ =

Предварительное значение тока:

₂ = K₁ V₁

Где: ₂ - ток обмотки ротора, А

К₁-коэффициент влияния тока намагничивания на отношение

₁/ ₂ равен 0.724

₂ =0,904 202,15

Предварительно принимаем плотность тока ротора из промежутка (5…6,5) 10⁶ А/м²,

J₂=5,7 10⁶ А/м²

Сечение эффективных проводников обмотки ротора:

q_эф2 =

где: q_эф2 - сечение эффективных проводников ,м²

q_эф2 = 37,43 10^-6

Принимаем прямоугольные полузакрытые пазы с узким шлицем. Ширину паза выбирают исходя из соотношений:

b_n2 = 0,35 t_z2

где: b_n2 - ширина паза ротора, м

b_n2 = 0,35 0,025 =0,008

Ширина проводника:

b_эл2 = b_n2 - 2b_из -

где: b_эл2 - ширина проводника ротора, м

b_из - толщина изоляции провода, равна 1,7мм по 3,11м

b_n -толщина изоляции паза, равна 0,3мм по 9,14м

b_эл2 = 0,008 - 2 0,0017 – 0,0003 =0,0043

По таблице n-29 выбираем провод по толщине и сечению проводников: неизолированный провод b=3,28мм: а=16,8 мм: q_эф=58,08мм³

составляем следующую таблицу:

Таблица 2. Заполнение паза ротора.

Наименование	Размер, мм.
	По ширине паза	По высоте паза
Стержни обмотки - неизолированная медь	3,28	16,8 2 = 33,6
Пазовая изоляция и допуск на укладку	1,7	4
Всего на поз без клина	4,98	37,6

Уточняем плотность паза в обмотке ротора:

J₂ =

Где: J₂ - плотность тока, А/м²

J₂ = = 4,7 10⁶

Высоту клиновой части паза при расчете расположения не рассчитывают.

Принимаем: h_k=2,5мм, h_ш=1мм.

Высота паза:

h_n2 = h_к + h_ш + h_об

Где: h_n2 - высота паза ротора, мм

h_об - высота обмотки, из таб.2.2.2 мм

h_n2 = 2,5 + 1 + 37,6 = 41,1

Рисунок 2.2.2-паз ротора.

После предварительных расчетов необходимо уточнить размер зубца ротора в наиболее узком и наиболее широком сечении:

b_zmin =

где: b_zmin – размер зубца в наиболее узком месте, м

D₂ - диаметр ротора, м

Z₂ - число пазов ротора.

b_zmin =

Наибольшее расстояние:

b_zmax = -

где: b_zmax - размер зубца в наиболее широком месте, м

b_zmax = – 0,008 =0,007

Сердечник ротора выполняем с непосредственной посадкой на вал. Для улучшения охлаждения ротора и снижения его массы и момента инерции выполняют 12 аксиальных каналов в один ряд диаметром 30мм.

Диаметр вала:

D_B = K_B D_a

Где:

D_B-диаметр вала, м

К_В-коэффициент, находится по таблице 9.19 и равен 0.13

D_a- внешний диаметр сердечника статора, м

D_B = 0,23 0,59 = 0,132

Рисунок 2.2.3.-ротор двигателя в разрезе: