Выбор главных размеров.

Высота оси вращения (предварительно) по рис. 8.17, а h = 260 мм. Принимаем ближайшее стандартное значение h = 250 мм; Dа = 0.45 м (см. табл. 8.6).

Внутренний диаметр статора D = kD·Da = 0.68 · 0.45 = 0.306 м, kD = 0,68 по табл. 8.7.

Полюсное деление ф = рD/(2p) = р0.306/4 = 0.24 м.

Расчетная мощность по (8.4)

(kЕ - по рис. 8.20; з и cosц - см. задание на проектирование).

Электромагнитные нагрузки (предварительно по рис. 8.22,б)

А = 38·10і А/м; Вд = 0.78 Тл.

Обмоточный коэффициент (предварительно для двухслойной обмотки) kоб1 = 0.92.

Расчетная длина магнитопровода по (8.6)

[по (8.5) Щ = 2рf/p = 2р50/2 = 157 рад/с; kв = 1,11 - коэффициент формы поля].

Отношение л = lд/ф = 0.23/0.24 = 0.96. Значение л = 0,96 находится в допустимых пределах (см. рис. 8.25, а).

Определение Z1, w1 и площади поперечного сечения провода обмотки статора.

Предельные значения tz1 (по рис. 8.26): tz1max = 0.018 м; tz1min = 0.015 м.

Число пазов статора по (8.16)

Принимаем Z1 = 60, тогда q1 = Z1/(2pm); 60/(4*3) = 5. Обмотка двухслойная.

Зубцовое деление статора (окончательно)

Число эффективных проводников в пазу (предварительно, при условии а = 1 по (8.17))

Принимаем а = 2, тогда по (8.19) Uп = аUп = 13 проводников.

Окончательные значения:

число витков в фазе по (8.20)

линейная нагрузка по (8.21)

магнитный поток по (8.22)

(для обмотки с q=5 по табл. 3.16 kоб1=kр1=0,957; для Dа=0,45 м по рис. 8.20 kЕ = 0,98);

индукция в воздушном зазоре по (8.23)

Значения А и Вд находятся в допустимых пределах (см. рис. 8.22, б).

Плотность тока в обмотке статора (предварительно) по (8.25)

(AJ=188*10і по рис. 8.27, б).

Площадь поперечного сечения эффективного проводника (предварительно) по (8.24)

Сечение эффективного проводника (окончательно): принимаем nэл=7, тогда qэл=qэф/nэл=9,4/7=1,344 ммІ. Принимаем обмоточный провод марки ПЭТМ (см. приложение 3), dэл=1,4 мм, qэл=1,539 ммІ, qэ.ср=nэлqэл=10,7 ммІ.

Плотность тока в обмотке статора (окончательно) по (8.27)

Расчет размеров зубцовой зоны статора и воздушного зазора.

Паз статора определяем по рис. 8.29,а с соотношением размеров, обеспечивающих параллельность боковых граней зубцов.

Принимаем предварительно по табл. 8.10 Bz1=1.9 Тл; Ва=1.6 Тл, тогда по (8.37)

(по табл. 8.11 для оксидированной стали марки 2013 kс=0,97);

по (8.28)

Размеры паза в штампе: bш=3,7 мм; hш=1 мм; в=45? (см. рис. 8.29,а);

по (8.38)

по (8.40)

по (8.39)

по (8.42) - (8.45)

Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку:

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников обмотки по (8.48)

[площадь поперечного сечения прокладок Sпр=(0,9b1+0,4b2)*10Їі=14ммІ; площадь поперечного сечения корпусной изоляции в пазу

Sиз=bиз(2hп+b1+b2)=0,4(2*34,2+9,7+12,9)=36,4ммІ, где односторонняя толщина изоляции в пазу bиз=0,4мм - по табл. 3.1].

Коэффициент заполнения паза

Полученное значение kз допустимо для механизированной укладки обмотки.

Расчет ротора.

Воздушный зазор (по рис.8.31) д=0,8мм.

Число пазов ротора (по табл. 8.16) Z2=52.

Внешний диаметр ротора D2=D - 2 д = 0,306 - 2*0,8*10Їі=0,304 м.

Длина магнитопровода l2=l1=0.23 м.

Зубцовое деление ротора

tZ2=рD2/Z2=р0.304/52=0.0184м=18,4мм.

Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник ротора непосредственно насаживается на вал; по (8.102)

Dj=DB=kBDa=0.23?0.45=103.5 мм

(kB по табл.8,17).

Ток в обмотке ротора по (8.57)

где по (8.58) ki = 0.2+0.8cosц=0.928

[по (8.66)

(пазы ротора выполняем без скоса - kск=1)]

Площадь поперечного сечения стержня (предварительно) по (8.68)

qc = I2/J2 = 621.7/(2.5?10і) = 248.7·10ЇімІ = 248,7ммІ

(плотность тока в стержне литой клетки принимаем J2 = 2.5·10і А/мІ).

Паз ротора определяем по рис. 8.40, б. Принимаем bш=1,5 мм; hш=0,7 мм; h'ш=0,3мм.

Допустимая ширина зубца по (8.75)

(принимаем BZ2 = 1.8 Тл по табл. 8.10).

Размеры паза (см. рис. 8.40)

по (8.76)

Уточняем ширину зубцов ротора по формулам табл. 8,18:

Принимаем b1=9,6 мм; b2=6,7 мм; h1=24 мм.

Полная высота паза

Площадь поперечного сечения стержня по (8.79)

Плотность тока в стержне

J2 = I2/qc = 621.7/249 = 2.5·10іA/мІ.

Короткозамыкающие кольца (см. рис. 8,37, б). Площадь поперечного сечения кольца по (8.72)

qкл = Iкл/Jкл = 2580/2,13·10і = 1211,3ммІ

[по (8.70) и (8.71)

Iкл = I2/Д = 621.7/0.241 = 2580 A,

где

Д = 2sin[(р?p)/Z2] = 2sin[(р2)/52] = 0.241;

Jкл = 0,85J2 = 0.85?2.5?10і = 2.13·10і А/мІ].

Размеры размыкающих колец:

hкл = 1.25hп2 = 1,25·33,2 = 41,5 мм;

bкл = qкл/hкл = 1211,3/41,5 = 29,2 мм;

qкл = hкл·bкл = 41,5·29,2 = 1211,8 ммІ;

Dк.ср = D2 -hкл = 304 - 41,5 = 262,5 мм.

Расчет магнитной цепи.

Магнитопровод из стали 2013; толщина листов 0,5 мм.

Магнитное напряжение воздушного зазора по (8.103)

Магнитное напряжение зубцовой зоны статора по (8.104)

Fz1 = 2hz1Hz1 = 2·34.2·10Їі·2070=141.6 A,

где hz1 = hп1 = 34.2 мм (см. п. 20 расчета);

расчетная индукция в зубцах по (8.105)

(bz1 = 6.7 мм по п. 19 расчета; kс1 = 0,97 по табл. 8.11). Так как B'z1 > 1,8 Тл, необходимо учесть ответвление потока в паз и найти действительную индукцию в зубце Bz1. Коэффициент kпх по высоте hzx = 0.5hz по (4.33)

по (4.32)

Принимаем Bz1 = 1,9 Тл, проверяем соотношением Bz1 и B'z1:

1.9 = 1.9 - 1.256·10Їі·2070·1.74 = 1.9,

где для Bz1 = 1.9 Тл по табл. П1.7 Hz1 = 2070 A/м.

Магнитное напряжение зубцовой зоны ротора по (8.108)

Fz2 = 2hz2Hz2 = 2·0.0325·1520 = 98.8 A

[при зубцах по рис. 8.40, б из табл. 8.18 hz2 = hп2 - 0.1b2 = 32.5 мм;

индукция в зубце по (8.109)

по табл. П1.7 для Bz2 = 1.8 Тл находим Hz2 = 1520 А/м].

Коэффициент насыщения зубцовой зоны по (8.115)

Магнитное напряжение ярма статора по (8.116)

Fa = LaHa = 0.324·750 = 243 A

[по (8.119)

(при отсутствии радиальных вентиляционных каналов в статоре h'a = ha = 0.0378 м) для Ва=1,6 Тл по табл. П1.6 находим Ha=750 А/м].

Магнитное напряжение ярма ротора по (8.121)

Fj = LjHj = 0.134·164 = 22 A

[по (8.127)

где по (8.124) для четырехполюсных машин при 0,75(0,5D2 - hп2) < Dj

для Bj = 0.94 Тл по табл. П1.6 находим Hj = 164 А/м].

Магнитное напряжение на пару полюсов по (8.128)

Fц = Fд + Fz1 + Fz2 + Fa + Fj = 1602.4 A.

Коэффициент насыщения магнитной цепи по (8.129)

kм = Fц/Fд = 1.46.

Намагничивающий ток по (8.130)

Относительное значение по (8.131)

Iм* = Iм/Iном = 20/93,3 = 0,22.

Параметры рабочего режима.

Активное сопротивление обмотки статора по (8.132)

(для класса нагревостойкости изоляции F расчетная температура vрасч = 115 ?С, для медных проводников с115 = 10?і/41 Ом·м).

Длина проводников фазы обмотки по (8.134)

L1 = lср1w1 = 1.202·65 = 78.13 м;

по (8.135) lср1 = 2(lп1 + lл1) = 2(0,23 + 0,371) = 1,202 м; lп1 = l1 =0,23 м; по (8.136) lл1 = Кл·bкт +2В = 1,3·0,27 + 2·0,01 = 0,371 м, где В = 0,01 м; по табл. 8.21 Кл = 1,3;

по (8.138)

Длина вылета лобовой части катушки по (8.140)

lвыл = kвыл·bкт + В = 0,4·0,27 + 0,01 = 0,118 м,

где по табл. 8.21 Квыл = 0,4.

Относительное значение

Активное сопротивление фазы обмотки ротора по (8.168)

где для литой алюминиевой обмотки ротора с115 = 10?і/20,5 Ом·м.

Приводим r2 к числу витков обмотки статора по (8.172), (8.173):

Относительное значение

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора по (8.152)

где по табл. 8.24 (см. рис. 8.50, е)

где h2 = hп.к - 2bиз = 30,2 - 2·0,4 = 29,4 мм; b1 = 9,7 мм; hк = 0,5(b1 - bш) = 0,5(9,7 - 3,7) = 3 мм; h1 = 0 (проводники закреплены пазовой крышкой); kв = k'в = 1; l'д = lд = 0.23 м по (8.154);

по (8.159)

для вск = 0 и tz2/tz1 = 1.15 по рис. 8.51, д k'ск = 1,1].

Относительное значение

Индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора по (8.177)

где по табл. 8.25 (см. рис. 8.52, а, ж)

где (см. рис. 8.52, а, ж)

h0 = h1 + 0.4b2 = 26.68 мм; b1 = 9.6 мм; bш = 1,5 мм; hш = 0,7 мм; h'ш = 0,3 мм; qс = 249 ммІ;

по (8.178)

так как при закрытых пазах Дz ? 0].

Приводим x2 к числу витков статора по (8.172) и (8.183):

Относительное значение

Расчет потерь.

Потери в стали основные по (8.187)

[p1.0/50 = 2.5 Вт/кг для стали 2013 по табл. 8.26;

по (8.188)

ma = р(Da - ha)halст1kс1хc = р(0.45 - 0.0378)0.0378?0.23?0.97?7.8?10і = 85.2 кг;

по (8.189)

mz1 = hz1bz1срZ1lст1kс1хc = 0,0342·0,0067·60·0,23·0,97·7,8·10і = 23,92 кг;

kда = 1,6; kдz = 1.8 (см. §8.10)].

Поверхностные потери в роторе по (8.194)

для bш/д = 3,7/0,8 = 4,625 по рис. 8.53 в02 = 0,27.

Пульсационные потери в зубцах ротора по (8.200)

Bz2ср = 1,8 Тл из п. 37 расчета; г1 = 2,22 из п. 35 расчета;

по (8.201)

mz2 = Z2hz2bz2срlст2kc2гc = 52?0.0325?0.0081?0.23?0.97?7800 = 23.82 кг;

hz2 = 32,5 мм из п. 37 расчета; bz2 = 8,1 мм из п. 32 расчета.

Сумма добавочных потерь в стали по (8.202)

Рст.доб = Рпов1 + Рпул1 + Рпов2 + Рпул2 = 56,8 + 160,6 = 217,4 Вт.

Полные потери в стали по (8.203)

Рст = Рст.осн + Рст.доб = 1261 + 217,4 = 1487,4 Вт.

Механические потери по (8.210)

Рмех = Кт(n/10)ІD№a = 0.715(1500/10)І0.45№ = 660 Вт

(для двигателей с 2р = 4 коэффициент Кт = 1,3(1 - Dа) = 0,715).

Холостой ход двигателя:

по (8.217)

Расчет рабочих характеристик.

Параметры:

по (8.184)

[используем приближенную формулу, так как |г| < 1°:

Активная составляющая тока синхронного холостого хода:

по (8.226)

Потери, не изменяющиеся при изменении скольжения,

Рст + Рмех = 1478,4 + 660 = 2138,4 Вт.

Рассчитываем рабочие характеристики для скольжений s = 0,005; 0.01; 0.015; 0.02; 0.025; 0.03; 0.035; 0.04. Результаты расчета сведены в табл. 1.

Таблица 1. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Р2ном = 90 кВт; U1 = 380/660 В; 2р = 4; Ioa = 1.2 A; Iop = Iм = 20 A; Рст + Рмех = 2,1 кВт;

r1 = 0,089 Ом; г'2 = 0,071 Ом; с1 = 1,02; a' = 1,04; а = 0,091 Ом; b' = 0; b = 0,8 Ом

Рис. 1. Рабочие характеристики спроектированного двигателя с короткозамкнутым ротором

(Р2ном = 90 кВт, 2р = 4, Uном = 380/660 В, I1ном = 80 А, cos цном = 0,916, зном = 0,935, sном = =0,0135).

Таблица 2. Сравнение рабочих характеристик.

Расчет пусковых характеристик.

Расчет токов с учетом влияния изменения параметров под влиянием эффекта вытеснения тока (без учета влияния насыщения от полей рассеяния)

Расчет пусковых характеристик с учетом влияния вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния.

Расчет проводим для точек характеристик, соответствующих s = 1; 0,8; 0,5; 0,2; 0,1, при этом используем значения токов и сопротивлений для тех же скольжений с учетом влияния вытеснения тока (см. табл. 3). Данные расчета сведены в табл. 4. Подробный расчет приведен для s = 1.

Индуктивное сопротивление обмоток. Принимаем kнас = 1,4:

по (8,263)

По рис. 8,61 для ВФд = 5,08 Тл находим кд = 0,47.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения:

по (8.266)

по (8,272)

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния обмотки статора с учетом влияния насыщения по (8.274)

Индуктивное сопротивление фазы обмотки статора с учетом влияния насыщения по (8.275)

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния обмотки ротора с учетом влияния насыщения и вытеснения тока:

по (8.271) (см. п. 47 и 58 расчета)

(для закрытых пазов ротора hш2 = h'ш + hш = 0.7 + 0.3 = 1 мм);

по (8.273)

Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния ротора с учетом влияния насыщения по (8.274)

Приведенное индуктивное сопротивление фазы обмотки ротора с учетом влияния насыщения и вытеснения тока по (8.276)

Расчет токов и моментов:

по (8.280)

Кратность пускового тока с учетом влияния насыщения и вытеснения тока

Кратность пускового момента с учетом влияния насыщения и вытеснения тока по (8.284)

Полученный в расчете коэффициент насыщения

отличается от принятого kнас = 1,4 на 3,6 %.

Для расчета других точек характеристики задаемся kнас, уменьшенным в зависимости от тока I1 (см. табл. 3);

принимаем при

s = 0.8 kнас = 1,3;

s = 0,5 kнас = 1,2;

s = 0,2 kнас = 1,1;

s = 0.1 kнас = 1.

Критическое скольжение определяем после расчета всех точек пусковых характеристик (табл. 4) по средним значениям сопротивлений х1нас и х'2онас, соответствующим скольжениям s = 0,2 ч 0,1:

по (8.286)

после чего рассчитываем кратность максимального момента: М*max = 2,4 (см. табл. 4).

Таблица 4. Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с учетом эффекта вытеснения тока и насыщения от полей рассеяния

Р2ном = 90 кВт, U1 = 380/660 В, 2р = 4, I1ном = 80 А, I'2ном = 76,45 А, х1 = 0,375 Ом, x'2 = =0,401 Ом, r1 = 0,089 Ом, г'2 = 0,071 Ом, х12п = 27,2 Ом, с1п = 1,014, sном = 0,0135, СN = =1.021.

К проводниковым материалам, применяемым в электромашиностроении, относятся медь и алюминий. Серебро, имеющее удельное сопротивление, на 4% меньшее по сравнению с медью, относится к дефицитным материалам и почти не применяется при изготовлении электрических машин.

Высокая проводимость и стойкость к атмосферной коррозии в сочетании с высокой пластичностью делают медь основным материалам для проводов. На воздухе медные провода окисляются медленно, покрываясь тонким слоем CuO, препятствующим дальнейшему окислению меди.

Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической очистки ее в электролитических ваннах. Примеси, даже в ничтожных количествах, резко снижают электропроводность меди, делая ее малопригодной для проводников тока, поэтому в качестве электротехнической меди применяются лишь две ее марки (М0 и М1) по ГОСТ 859-66.

Бескислородная медь марки М00 (99,99% Cu), свободная от содержания кислорода и окислов меди, отличающаяся от меди марок М0 и М1 меньшим количеством примесей и существенно более высокой пластичностью, позволяющей ее волочение в тончайшие проволоки. Проводимость ее не отличается от М0 и М1.

Почти все изделия из проводниковой меди изготовляются путем проката, прессования и волочения. Так, волочением могут быть изготовлены провода диаметром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и медная фольга толщиной до 0,008 мм.

Проводниковая медь применяется как в отожженном после холодной обработки виде (мягкая медь марки ММ), так и без отжига (твердая медь марки МТ). При холодной обработке давлением прочность меди в результате наклепа увеличивается, а удлинение уменьшается, однако длительные рабочие температуры наклепанной меди ограничены и лежат в пределах до 160 - 200 ?С. Чем выше степень обжатия (наклепа), тем ниже допустимые рабочие температуры твердой меди.

При температуре термообработки выше 900 ?С вследствие интенсивного роста зерна механические свойства меди резко ухудшаются.

Для электротехнических целей из меди изготовляют проволоку, ленту, шины как в мягком (отожженном) состоянии, так и в твердом.

В целях повышения предела ползучести и термической устойчивости медь легируют серебром в пределах 0,07 - 0,15%, а также магнием, кадмием, хромом, цирконием и др. Медь с присадкой серебра применяется для обмоток быстроходных и нагревостойких машин большей мощности, а медь, легированная различными элементами, используется в коллекторах и контактных кольцах сильно нагруженных машин.

Латунь - сплав меди с цинком, обладает наибольшей пластичностью, из нее изготовляют детали горячей или холодной прокаткой и волочением: листы, ленты, проволоку.

Марки Л68 и Л63 вследствие высокой пластичности хорошо штампуются и допускают гибку, легко паяются всеми видами припоев. Широко применяется для различных токоведущих частей.

Марки ЛС59-1 и ЛМц58-2 применяются для изготовления роторных (беличьих) клеток электродвигателей и для токоведущих деталей.

ЛК80-3Л и ЛС59-1Л широко применяются для литых токоведущих деталей, для щеткодержателей и для заливки роторов асинхронных двигателей.

Еще один сплав меди - бронза, также находит широкое применение. Кадмиевая бронза обладает наивысшей электрической проводимостью, применяется для изготовления коллекторных пластин. Бериллиевая бронза обладает высокими упругими свойствами (до 250 ?С), из нее изготовляют различные пружинные детали, скользящие контакты. Фосфористая бронза обладает высокой прочностью и хорошими пружинными свойствами.

Литые токоведущие детали изготовляются из различных марок литьевых бронз с проводимостью в пределах 8 - 15 % проводимости чистой меди. Обладают малой усадкой по сравнению с чугуном и сталью и высокие литейные свойства, применяются для отливки токоведущих деталей сложной конфигурации.

Характерными свойствами чистого алюминия является его малый удельный вес, низкая температура плавления, высокая тепловая и электрическая проводимость, высокая пластичность, очень высокая скрытая теплота плавления и прочная, хотя и очень тонкая пленка окиси, защищающая от проникновения кислорода внутрь.

Большая пластичность позволяет применять к алюминию все виды обработки давлением и получать из него листы, прутки, проволоку, трубы, тончайшую фольгу, штампованные детали и др.

Так как плотность алюминия в 3,3 раза ниже, чем у меди, а удельное сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем у меди, то алюминий, на единицу массы имеет вдвое более высокую проводимость, чем медь.

Для литых роторных обмоток электродвигателей применяется чистый алюминий с электрической проводимостью 32 МОм/м при 20?С. Алюминиевая провода изготовляются из алюминия марки АЕ. Из литейных сплавов наиболее употребительны АЛ2 и АЛ9.

Для асинхронных двигателей с увеличенным скольжением, с повышенным пусковым моментом, многоскоростных для заливки короткозамкнутых роторов применяют алюминиевые литейные сплавы с повышенным удельным сопротивлением.

Алюминиевые сплавы для заливки роторов асинхронных двигателей.

В целях экономии меди контактные кольца асинхронных машин с фазным ротором выполняются из стали и чугуна. Из стали выполняются и роторы специальных асинхронных двигателей, но двигатели с массивными роторами применяются редко. В этом случае имеет место совмещение магнитных и проводниковых функций материалов.

В последнее время обосновано применение стальных проводов вместо медных в пусковых обмотках однофазных двигателей.

Обмоточные провода.