1 Введение

Электротехническая промышленность – ведущая отрасль народного хозяйства России. Продукция электротехнической промышленности используется почти во всех промышленных установках.

Электрические машины в общем объеме производства электротехнической промышленности занимает основное место, поэтому эксплуатационные свойства новых электрических машин имеют важное значение для экономики нашей страны [1].

При проектировании 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 изготовлении машины трудоемкость и расход материалов были наименьшими, а при эксплуатации машина обладала наилучшими энергетическими показателями. При этом электрическая машина должна соответствовать условиям применения ее в электроприводе.

Проектирование электрических машин производится с учетом требований государственных и отраслевых стандартов. При проектировании электрических машин приходится учитывать назначение и условия эксплуатации, КПД. При проектировании необходимо учитывать возможности электротехнических заводов, стремиться к максимальному снижению трудоемкости.

2 Техническое задание

2.1 Номинальные данные проектируемой машины

Тип двигателя 4АН250Н6;

мощность 75 кВт;

частота вращения 985 об/мин;

КПД 93 %;

коэффициент мощности cosφ₁ = 0,87;

перегрузочная способность k_м = ;

кратность пускового момента k_п = ;

кратность пускового тока k_I = ;

напряжение U_1л = ;

2.2 Расшифровка обозначения двигателя

Тип двигателя 4АН250М6

4 – порядковый номер серии;

А – род двигателя (асинхронный);

исполнение двигателя по степени защиты: Н – исполнение IP23;

исполнение ротора двигателя: отсутствие буквы – ротор короткозамкнутый;

исполнение по материалу станины и щитов: отсутствие буквы – станина и щиты чугунные или стальные;

250 – высота оси вращения, мм;

М – установочный размер по длине станины – средний;

Длина сердечника: отсутствие буквы означает, что при установочном размере М выполняется только одна длина сердечника;

6 – число полюсов двигателя.

2.3 Степень защиты от воздействия окружающей среды

Существуют исполнения по степени защиты от попадания внутрь машины посторонних предметов и от возможного соприкосновения обслуживающего персонала с токоведущими и вращающимися частями, находящимися внутри машины. Этот вид исполнения называют исполнением по степени защиты. Буквенно-цифровое обозначение исполнение сострит из двух букв IP и двух цифр, первая из которых (от 0 до 6) характеризует степень защиты персонала от соприкосновения с токоведущими или вращающимися частями, находящихся внутри машины. Вторая цифра (от 0 до 8) характеризует степень защиты самой машины от проникновения в нее влаги.

По типу двигателя исполнение IP23.

Исполнение IP23 соответствует защите от соприкосновения с токоведущими и вращающимися частями машины пальцев человека и твердых тел диаметром более 12 мм, а также защите от попадания капель воды под углом, не превышающим 60˚ к вертикали. Машины исполнения IP23 называют каплезащищенными.

2.4 Система охлаждения

Исполнение по способу охлаждения электрических машин определяет ту или иную систему вентиляции, расположение вентилятора и систему забора охлаждающего воздуха. Машины исполнения IP23 обычно выполняют с самовентиляцией и продувом воздуха через машину, при этом вентилятор располагается на валу машины, а воздух проходит внутри корпуса, охлаждает обмотки и сердечники.

2.5 Требования к курсовому проекту

В курсовом проекте необходимо получить электрическую асинхронную машину с параметрами не хуже заданных.

Расчет курсового проекта ведется по [1].

3 Электромагнитный расчет

3.1 Выбор главных размеров и расчет обмотки статора

Наружный диаметр статора D_a берут из второй строки таблицы (6-6) в зависимости от выбора высоты оси вращения

D_a = 0,437 (м).

Внутренний диаметр статора D находим по формуле (6-2)

D = K_D·D_a,

где K_D – коэффициент, характеризующий отношение внутреннего и наружного диаметров сердечника статора асинхронных двигателей серии 4А при различных числах полюсов.

Выбираем K_D по таблице (6-7) (для шести полюсов)

K_D = 0,72.

Отсюда

D = 0,72·0,437 = 0,3146 ≈ 0,315 (м).

Находим полюсное деление τ по формуле (6-3)

τ = π·D/2p,

где 2р – число полюсов.

Отсюда

τ = π·0,315/6 = 0,165 (м).

Расчетную мощность Р`, Вт определяем по формуле (6-4)

,

где Р₂ – мощность на валу двигателя, Вт;

k_E – отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению;

η – КПД.

Определяем k_E по рисунку (6-8)

k_E = 0,9745.

Отсюда

Предварительно выбираем электромагнитные нагрузки А и В_δ по рисунку (6-12а)

А = 43,5·10³ А/м, В_δ = 0,87 Тл.

Предварительно примем значения коэффициентов полюсного перекрытия α_δ и формы поля k_В

α_δ = 2/π ≈0,64, k_В = π/2

Выбираем предварительное значение обмоточного коэффициента k_об1, его выбирают в зависимости от типа обмотки статора. Выбираем двухслойную обмотку статора.

k_об1 = 0,91

Принимаем k_об1 = 0,92.

Синхронная частота вращения вала двигателя Ω, рад/с рассчитывается по формуле (6-5)

Ω = 2π· ,

где f₁ – частота питания, Гц.

Ω = 2π·

Из формулы (8-1)

с учетом значения α_δ определяем расчетную длину воздушного зазора l_δ, м по формуле (6-6)

Критерием правильности выбора главных размеров D и l_δ служит отношение , которое должно находиться в пределах, показанных на рисунке (6-14) .

Для принятого исполнения машины

Отношение находится в заданных пределах, следовательно, выбор главных размеров сделан верно.

Предельные значения зубцового деления статора t₁ определяем по рисунку (6-15)

t_1max = 0,0143 (м), t_1min = 0,0123 (м).

В процессе расчета целесообразно не ограничиваться выбором какого-либо одного конкретного зубцового деления, а рассмотреть диапазон возможных значений t₁ в пределах указанных значений зубцовых делений t_1min-t_1max. Тогда возможные числа пазов статора, соответствующие выбранному диапазону t₁ по формуле (6-16)

Окончательное число пазов статора Z₁ следует выбирать в полученных пределах с учетом условий, налагаемых требованиями симметрии обмотки, и желательно для проектируемой машины значения числа пазов на полюс и фазу q.

Число пазов статора в любой обмотке асинхронных машин должно быть кратно числу фаз, а число q в большинстве асинхронных машин должно быть целым.

Принимаем Z₁ = 72.

Находим число q

q =Z₁/2p·m,

где – m = 3, т.к. двигатель трехфазный

q = 72/(6·3) = 4.

Окончательное значение зубцового деления статора

t₁ =

t₁ =

t₁ не выходит за указанные выше пределы.

При определении числа эффективных проводников в пазу U_П: в двухслойной обмотке желательно, чтобы оно было кратным двум.

В начале определяем предварительное число эффективных проводников в пазу U`_П при условии, что параллельные ветви в обмотке отсутствуют (а = 1) по формуле (6-17)

где А – значение линейной нагрузки, А/м;

I_1н – номинальный ток обмотки статора, А.

Номинальный ток обмотки статора определяется по формуле (6-18)

Отсюда

Полученное по (6-17) значение U`_П не округляют до целого, а находят такое число параллельных ветвей обмотки а, при котором число эффективных проводников в пазу либо будет полностью удовлетворять отмеченным условиям (т.е. чтобы было кратным двум), либо потребует лишь не значительные изменения.

Число а при этом может быть взято из ряда возможных чисел параллельных ветвей для обмотки данного типа и заданного числа полюсов.

Принимаем, а = 3.

Число эффективных проводников в пазу U_П находим по формуле (6-19)

U_П = а·U`_П,

U_П = 3·7,344 = 22,032.

Число эффективных проводников в пазу округляем до целого числа

U_П = 22.

Принятое число параллельных ветвей а, при выборе размеров и числа элементарных проводников может быть изменено. В этом случае пропорционально меняется и U_П.

Для 6-полюсного двигателя, а можно взять равным от 1 до 6, по рисунку (3-29).

Полученное из (6-19) число U_П округляют до ближайшего целого или четного в зависимости от типа обмотки.

Окончательное число витков в фазе обмотки находим по формуле (6-20)

Окончательное значение линейной нагрузки определяем по формуле

(6-21)

Так как расчётное значение линейной нагрузки А отличается от предварительно принятого на 0,14%, то прогноз был верен, а значит продолжаем расчёт.

Обмоточный коэффициент k_об = k_p·k_у рассчитывается в зависимости от принятого укорочения шага обмотки β и числа q. Значение k_p находят по таблице (3-13) для первой гармоники. Значения k_у находят по формуле (3-5) или по кривой на рисунке (3-12).

В двухслойных обмотках асинхронных двигателей шаг выполняют в большинстве случаев с укорочением, близким к β = 0,8.

По формуле (3-3),

k_об = k_p·k_у,

где k_p – коэффициент распределения, учитывающий уменьшение ЭДС распределенной по пазам обмотки по сравнению с сосредоточенной;

k_у – коэффициент укорочения, учитывающий уменьшение ЭДС витка, вызванное укорочением шага обмотки.

k_p находим по таблице (3-13)

q = 4, ν = 1, k_p = 0,958.

Находим k_у по формуле (3-5)

k_у =

где β – укорочение шага, принимаем равным 0,84 по рисунку (3-11).

k_у =

Отсюда

k_об1 = 0,958·0,969 = 0,928.

После расчета k_об уточняют значение потока Ф, по формуле (6-22)

где U_1н =380 (В);

k_B = 1,11;

k_Е = 0,974 по рисунку (6-8);

f₁ = 50 Гц;

ω₁ = 88 – число витков в фазе обмотки.

Определяем индукцию в воздушном зазоре B_δ по формуле (6-23)

Так как расчётное значение индукции в воздушном зазоре В_δ отличается от предварительно принятого на 0,8%, то прогноз был верен, а это позволяет продолжить расчёт.

Плотность тока в обмотке статора определяется по формуле (6-25)

где (Аy₁) = 275·10⁹ (А²/м³) по рисунку (6-16,г).

Обмотка статора выполняется из круглого обмоточного провода и укладывается в полузакрытые пазы, имеющие узкий шлиц.

Площадь поперечного сечения эффективного проводника предварительно определяется по формуле (6-24)

Расчетное значение сечения эффективного проводника q_эф выше значения, соответствующего указанного диаметра d_из, а именно не более 1,7мм, поэтому подразделяем эффективный проводник на 4 элементарных, тогда n_эл=4. Сечение элементарного проводника q_эл определяется по формуле (6-26)

;

(м ²).

Выбираем обмоточный провод марки ПЭТВ (класс F) по таблице П-28. Площадь поперечного сечения неизолированного провода q_эл=0,985мм²; номинальный диаметр неизолированного провода d_эл=1,12мм; средний диаметр изолированного провода d_из=1,2мм.

Тогда сечение эффективного проводника q_эф определим по формуле

,

(м ²).

Уточненная плотность тока в обмотке статора J₁ определяется по формуле (6-27)

,

(А/м ²).

Контроль правильности: плотность тока в обмотке статора отличается от заданной на 7,98%.