Курсовая работа: Расчет трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором на мощность 45 киловатт

Составляющая коэффициента проводимости рассеяния статора, зависящая от насыщения:

Переменная часть коэффициента ротора:

Составляющая коэффициента проводимости рассеяния ротора, зависящая от насыщения:

Индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, зависящее от насыщения:

Ом

Независящее от насыщения (Ом):

Ток ротора, соответствующий максимальному моменту, при закрытых овальных пазах:

Полное сопротивление схемы замещения:

Ом

–

сопротивление при бесконечном скольжении.

Эквивалентное сопротивление схемы замещения при максимальном моменте:

Ом

Кратность максимального момента:

Критическое скольжение:

2.11  Начальный пусковой момент и пусковые токи

Рассчитаем параметры схемы замещения двигателя при пуске, с учетом влияния вытеснения тока и насыщения магнитной цепи.

Высота стержня клетки ротора:

Приведенная высота стержня ротора:

По графику на рисунке 9-23 [1] определяем коэффициент .

Расчетная глубина проникновения тока в стержень:

Ширина стержня на расчетной глубине проникновения тока:

Площадь поперечного сечения стержня при расчетной глубине проникновения тока:

Коэффициент вытеснения тока:

Активное сопротивление стержня клетки для пускового режима:

Активное сопротивление обмоткиротора приведенное к обмотке статора:

По графику на рисунке 9-23 [1] определяем коэффициент .

Коэффициент проводимости рассеяния паза ротора при пуске:

Коэффициент проводимости рассеяния обмотки ротора при пуске:

Индуктивное сопротивление рассеяния двигателя, зависящее от насыщения:

Независящее:

Активное сопротивление короткого замыкания при пуске:

Рассчитаем пусковой ток и момент.

Ток ротора при пуске:

Полное сопротивление схемы замещения при пуске (с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения путей потоков рассеяния):

Индуктивное сопротивление схемы замещения при пуске:

Активная составляющая тока статора при пуске:

Реактивная составляющая тока статора при пуске:

Фазный ток статора при пуске:

Кратность начального пускового тока:

Активное сопротивление ротора при пуске, приведенное к статору, при расчетной рабочей температуре и Г-образной схеме замещения:

Кратность начального пускового момента:

2.12  Расчет механической характеристики двигателя и зависимости пускового тока от скольжения

Расчет механической характеристики в диапазоне скольжений от 0 до критического производим по формуле Клосса. Имея значения максимального и пускового моментов и значение момента при s=0.5, можно достаточно точно построить механическую характеристику в диапазоне скольжений от 0 до 1.

Для того, чтобы определить значение момента при s=0.5 построим круговую диаграмму двигателя для данного скольжения, учитывая соответствующее уменьшение индуктивных сопротивлений (в отличии от номинального режима) и увеличения сопротивления r211. Построение диаграммы ведем по методу, изложенному в параграфе 14-12 [2].

Масштаб по току принимаем: СТ=1.5 А/мм;

Тогда масштаб мощности:

Диаметр рабочего круга:

Расстояния GH, GF, GE соответственно:

200·ρ1=2.22мм

100r11/xk=23.5/1.46=16.1 мм

100rкп/xk= 0.58/1.46=39.7мм

Проводим через точкуО и Е, О и А линии механических мощностей и электромагнитных моментов, соответственно.

Отношение моментов будет равно отношению КК1/LL1.

Отношение токов: O1K/O1L.

Рис.6. Круговая диаграмма двигателя при s=0.5

Таким образом, кратность моментов равна 1.6.

Кривую тока строим по 4 точкам:

s=0: Ixp/I1=0.36;

s=0.023: I/I1=1.0;

s=0.5: I/I1=4.7 (покруговойдиаграмме);

s=1.0: Ixp/I1=5.3;

Графики механической характеристики двигателя и зависимости тока от скольжения приведены в Приложении.

2.13  Тепловой и вентиляционный расчеты

Проектируемый двигатель имеет изоляцию класса F. Тепловой расчет проводят для наиболее неблагоприятных условий работы – температуру обмоток принимаем 140 градусов. Соответственно коэффициент mT=1.48.

Потери в обмотке статора при максимальной температуре:

Условная внутренняя поверхность охлаждения активной части статора:

Условный периметр поперечного сечения трапецеидального полузакрытого паза:

Условная поверхность охлаждения пазов:

Условная поверхность охлаждения лобовых частей:

Число ребер на станине 36, высота ребра 30мм.

Условная поверхность охлаждения двигателя:

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали, отнесенных к внутренней поверхности охлаждения активной части статора:

Удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки, отнесенных к внутренней поверхности охлаждения пазов:

Удельный тепловой поток от потерь в лобовых частях обмотки, отнесенных к внутренней поверхности охлаждения пазов:

Окружная скорость ротора:

Превышение температуры внутренней поверхности активной части статора над температурой воздуха внутри машины:

 (по рисунку 9-24)

Перепад температуры в изоляции паза и катушек из круглых проводов:

Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри двигателя:

Перепад температуры в изоляции лобовых частей катушек из круглых проводов:

Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри двигателя:

Потери в обмотке ротора, при максимальной допускаемой температуре:

Потери в двигателе со степенью защиты IP44, передаваемые воздуху внутри двигателя:

Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой наружного воздуха:

( по рисунку 9-25).

Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного воздуха:

 .

Вентиляционный расчет двигателя.

Наружный диаметр корпуса машины:

Коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи по длине корпуса двигателя:

Необходимый расход воздуха:

м3/с

Расход воздуха, который может быть обеспечен наружным вентилятором:

м3/с

Напор воздуха, развиваемый наружным вентилятором:

Па

2.14  Масса двигателя и динамический момент инерции ротора

Масса изолированных проводов обмотки статора:

Масса алюминия короткозамкнутого ротора с литой клеткой (число лопаток на роторе N=14, ширина лопатки средняя bл=5мм, длина лопатки lл=70мм, высота hл=56мм):

Масса стали сердечников статора и ротора:

Масса изоляции статора:

Масса конструкционных материалов:

Масса двигателя:

Динамический момент инерции:

2.15  Расчет надежности обмотки статора

Пусть вероятность наличия хотя бы одного дефекта изоляции провода длиной 100мм после укладки: q1=0.2, коэффициент характеризующий качество пропитки: kпр=0.5, тогда дефектность витковой изоляции до начала эксплуатации электродвигателя:

Вероятность плотного касания соседних витков:

Количество проводников, находящихся в наружном слое секции:

во внутреннем слое:

Доля пар соседних элементарных витков, принадлежащих к одному эффективному:

Общая длина пар соседних витков в обмотке:

Количество последовательно соединенных секций в фазе:

Среднее значение фазных коммутационных перенапряжений:

Среднее квадратичное отклонение величины коммутационных фазных перенапряжений:

Номинальное фазное напряжение, приходящееся на секцию:

Вероятность отказа витковой изоляции при воздействии одного импульса перенапряжения и при условии, что на касающихся витках имеются совпадающие дефекты:

Скорость роста дефектности витковой изоляции для класса F:

Вероятность возникновения короткого замыкания витковой изоляции на длине касающихся витков в течение 20000 часов:

Вероятность отказа межвитковой изоляции в течение 20000 часов:

Вероятность безотказной работы межвитковой изоляции в течение 20000 часов:

Вероятность безотказной работы обмотки статора за 20000 часов:

ГОСТ 19523-74 устанавливает минимальную вероятность безотказной работы в течении 10000 часов 0.9. В нашем случае имеем 0.972 при времени работы 20000 часов.

2.16 Механический расчет вала и подбор подшипников качения.

Рис.7. Эскиз вала ротора.

Таблица 1 - Участок вала b:

d, мм	J, мм4	у, мм	у3, мм3	y3i-y3i-1, мм3	y3i-y3i-1/ J, мм-1	У2, мм2	y2i-y2i-1, мм2	Y2i-y2i-1/ J, мм-2
80	2.01х106	13	2197	2197	0.0011	169	169	0.0001
90	3.22х106	81.1	533411	531214	0.1649	6577	6308	0.002
101.2	5.15х106	250.5	15718937	15182526	2.9494	62750	56173	0.0109

Из таблицы (суммы 6ого и 9ого столбцов):

Sb=3.1155

S0=0.013

Таблица 2 - Участок вала a:

d, мм	J, мм4	х, мм	х3, мм3	х3i-х3i-1, мм3	х3i-х3i-1/ J, мм-1
80	2.01х106	13	2197	2197	0.0011
90	3.22х106	91.1	756058	753861	0.2341
101.2	5.15х106	260.5	17677595	16921537	3.2866

Сумма 6ого столбца таблицы 2:

Sа=3.5218

Размеры участков:

Прогиб вала посередине сердечника под воздействием силы тяжести:

Прогиб:

Номинальный момент двигателя:

Поперечная сила передачи (муфта МУВП1-75):

Прогиб вала посередине сердечника от поперечной силы передачи:

Начальный расчетный эксцентриситет:

Сила одностороннего магнитного притяжения:

Дополнительный прогиб вала от силы магнитного притяжения:

Установившийся прогиб вала от силы магнитного притяжения:

Результирующий прогиб вала:

 –

составляет менее 10% от зазора.

С учетом влияния силы тяжести соединительного устройства первая критическая частота вращения вала:

 - масса муфты;

 - сила тяжести муфты.

Значительно превышает максимальную рабочую частоту вращения.

Расчет вала на прочность.

При соединении муфтой расстояние от середины втулки муфты до первой ступени вала:

Момент кручения:

Изгибающий момент на выходной части вала:

Момент сопротивления при изгибе:

При совместном действии изгиба и кручения приведенное напряжение:

Полученное значение более чем на порядок отличается от критического (материал вала сталь 45, однако можно принять менее прочный материал, например сталь 30).

Подбор подшипников качения.

По рекомендациям данным в пособии «Проектирование серий электрических машин» Гурина Я.С., на выходном конце вала устанавливаем роликовый подшипник, на участке а – шариковый.

Наибольшая радиальная нагрузка на шариковый подшипник:

Динамическая приведенная нагрузка:

Необходимая динамическая грузоподъемность (принимаем расчетный срок службы подшипника 20000 часов):

По приложению 14[2], с учетом повышения надежности, выбираем подшипник №216 со значением С=56000Н.

Аналогично выбираем роликовый подшипник:

Наибольшая радиальная нагрузка на шариковый подшипник:

Динамическая приведенная нагрузка:

Необходимая динамическая грузоподъемность:

По приложению 14[2], с учетом повышения надежности, выбираем подшипник №2216 со значением С=78000Н.

В подшипниковых узлах делаем устройства для замены консистентной смазки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Спроектированный двигатель отвечает современным требованиям к асинхронным трехфазным электродвигателям общепромышленного исполнения. Сравнивая энергетические параметры спроектированного двигателя с аналогом (5А250S6У3) можно отметить чуть более низкий КПД по сравнению с аналогом – 91.8% против 93%, но также следует отметить больший коэффициент мощности – 0.86 против 0.83, таким образом,главный энергетический показатель (произведение КПД на cosφ) спроектированного двигателя 0.79 против 0.77 в аналоге.

К плюсам полученного двигателя можно отнести кратность пускового тока, равная 5.3, тогда как в аналоге 6.0, однако этот факт уравновешивается более низким пусковым моментом – 1.4 против 2.0. Перегрузочная способность двигателя достаточно высока – кратность максимального момента 2.4.

Согласно результатам теплового расчета, обмотка двигателя используется эффективно, превышение температуры обмоток над температурой окружающей среды около 62°С, что полностью соответствует рекомендуемому превышению для изоляции класса F.

Двигатель приблизительно на 30 кг легче аналога, имеет меньшую длину. Динамический момент инерции ротора на 20% меньше чем в аналоге, что является существенным плюсом для двигателя. Более низкий момент инерции был получен путем применения аксиальных охлаждающий каналов в сердечнике ротора, таким образом улучшили и охлаждение двигателя.

Механический расчет вала двигателя показал, что прогиб вала под серединой сердечника очень мал (менее 2% от зазора).

Двигатель оснащен устройством для замены консистентной смазки подшипников, тем самым увеличивая его надежность. Расчет надежности обмотки статора показал, что двигатель полностью соответствует ГОСТу 19523-74 по вероятности безотказной работы.

Конструкция двигателя была спроектирована в соответствии с рекомендациями Я.С. Гурина, изложенными в пособии «Проектирование серий электрических машин».

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.  Гольдберг О.Д. Проектирование электрических машин/О.Д. Гольдберг, Я.С.Гурин, И.С. Свириденко. – М.: Высшая школа, 2001. – 430с.

2.  Гурин Я.С. Проектирование серий электрических машин. – М.: Энергия, 1998. – 480с.

3.  Иванов-СмоленскийА.В. Электрические машины. Учебник для ВУЗов. – М.: Высшая школа, 2006. – 930с.

4.  Копылов И.П. Проектирование электрических машин. – М.: Высшая школа, 2002. – 757с.