РАЗМЕРЫ АКТИВНОЙ ЧАСТИ ДВИГАТЕЛЯ

2.1. При проектировании асинхронных двигателей общего назначе­ния на напряжение до 1000 В воздушный зазор целесообразно принимать по данным двигателей единой серии 4А (рис. 2.1). Основ­ные размеры активной части асинхронного двигателя показаны на рис. 2.2.

Воздушный зазор (см рис 2.1) при h =100 мм принимаем δ=0.25 мм.

2.2. Наружный диаметр сердечника ротора

(2.1)

2.3. Внутренний диаметр сердечника ротора

(2.2)

Принимаем D_2вн= 23 мм

2.4. Конструктивная длина сердечника статора при отсутствии ра­диальных вентиляционных каналов равна его расчетной длине (l₁=l_i ).

Конструктивная длина сердечника статора

l₁ = l_i =40 мм

2.5 Число пазов на статоре и роторе (табл. 2.2)

На внутренней поверхности сердечника статора и наружной по­верхности сердечника ротора имеются пазы, в которых располага­ют обмотки. Правильный выбор соотношения числа пазов и их раз­меров в значительной степени определяет свойства проектируемой машины и трудоемкость ее изготовления. С увеличением числа па­зов в сердечнике форма кривой МДС в зазоре приближается к си­нусоиде, что способствует ослаблению высших гармоник ЭДС. Это ведет к улучшению энергетических показателей машины. Однако чрезмерно большое число пазов ухудшает заполнение пазов медью, усложняет изготовление штампов и снижает их стойкость, увеличи­вает трудоемкость операций, связанных с изолировкой пазов и укладкой обмотки. Одновременно уменьшается сечение зубцов, раз­деляющих пазы.

Известно, что в воздушном зазоре машины происходит взаимо­действие магнитных полей основной и высших гармоник. При этом поля высших гармоник создают дополнительные синхронные и асинхронные моменты, которые, накладываясь на основной элек­тромагнитный момент, ухуд­шают рабочие и пусковые свойства двигателя. Значе­ние этих моментов зависит от соотношения чисел пазов статора Z₁и ротора Z₂, проведенной из одного конца паза в другой (рис. 2.3). Однако скос пазов увеличивает трудоемкость изготовления двигателя. По­этому в двигателях с высотой оси вращения более 160 мм скоса пазов не делают. Это целесообразно еще и потому, что, как пока­зывает опыт, скос пазов в этих двигателях не дает значительного эффекта в улучшении пусковых характеристик

Z₁ = 24; Z₂ =18

На роторе применяем скос пазов на одно зубцовое деление статора.

2.6. Форма пазов на статоре (см. табл. 1.7): трапецеидальные полузакрытые (см. рис. 2.4,а).

Пазы статора. Практическое применение в машинах перемен­ного тока получили следующие формы пазов сердечника статора: трапецеидальные полузакрытые и прямоугольные полуоткрытые или открытые (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Пазы статора машин переменного тока:

а - полузакрытый трапецеидальный; б - полуоткрытый прямоугольный; в -открытый прямоугольный

Трапецеидальные полузакрытые пазы (рис. 2.4,а). Размеры трапецеидального паза выбирают такими, чтобы зубец имел па­раллельные стенки. Ширина зубца, мм, определяется по допустимо­му значению магнитной индукции в зубце статора B_z1max (см. табл. 1.7):

(2.4)

где t₁ — зубцовое деление статора, т. е. расстояние между осями двух соседних зубцов, измеренное по внутреннему диаметру стато­ра, мм:

(2.5)

Высота зубца, мм,

(2.6)

где h_с1 — высота спинки статора, мм.

Значение h_с1 определяется допустимыми величинами магнитной индукции в спинке статора В_c1(табл. 1.7):

(2.7)

где

Наименьшая ширина трапецеидального полузакрытого паза в штампе, мм,

(2.8)

где

(2.9)

Наибольшая ширина паза в штампе, мм

(2.10)

где (2.11)

Ширина шлица паза статора b_ш1должна быть такова, чтобы при принятой толщине пазовой изоляции через шлицы можно было уложить в пазы катушки (секции) по одному проводу. Обычно диаметр изолированного провода не превышает d_ИЗ=1,76 мм, а b_ш1≤4,0 мм.

Высота шлица h_Ш1≈0,8÷1,2 мм. Угол β = 45° в двигателях с высотой оси вращения h≤250 мм и β=30° в двигателях с h≥280 мм. Тогда высота клиновой части паза h_K1мм:

при β=45°

(2.12)

при β = 30°

(2.13)

Площадь поперечного сечения трапецеидального паза в штам­пе, мм²,

S_п1 = 0,5 (b_nl + b'_nl) h_nl + 0,5 (Ь'_п1 + Ь_ш1) h_Kl+ b_шl h_ш1 (2.14)

S_п1 = 0,5 (b_nl + b'_nl) h_nl + 0,5 (Ь'_п1 + Ь_ш1) h_Kl+ b_шl h_ш1 =0,5(0.07+5.07)+0,5(8.07+3)+3х1=79.8мм

где h_n1= h_z1 – h_k1 – h_ш1

h_n1= h_z1 – h_k1 – h_ш1 =12.85-1=10.85мм

Прямоугольные полуоткрытые пазы (рис. 2.4 б). Ширина зуб­ца в узком месте, мм,

(2.15)

Максимальное значение магнитной индукции в зубце статора может быть предварительно принято по табл. 1.7. Ширина полуоткрытого паза в штампе, мм,

(2.16)

где

(2.17)

Для полуоткрытых пазов отношение b_nl / t'₁ ≈0,46÷0,56, причем большие значения относятся к меньшим диаметрам D_1.

Высота шлица h_ш1 = 0,8÷1,2 мм; высоту клиновой части паза принимают при 2р=2 h_К1 = 3,5 мм, при 2р=4, 6 и 8 h_К1 = 3,0 мм.

Ширину шлица полуоткрытого паза, мм, принимают

b_ш1=(0,58-0,6)b_n1

Высота паза (зубца) определяется по (2.6).

Высота части паза, занимаемой обмоткой, мм

h_n1=h_z1-h_ш1-h_k1 (2.18)

2.7 Форма пазов на роторе (см. табл. 2.4): овальные полузакрытые (см. рис. 2.5. а)

Пазы ротора. Выбор формы пазов короткозамкнутого ротора (рис. 2.5) зависит от мощности двигателя, числа полюсов 2ри тре­буемых пусковых характеристик.

В двигателях небольшой мощности обычно применяют пазы овальной формы (рис. 2.5, а и б). С ростом мощности для двухпо­люсных двигателей используют пазы бутылочной формы или оваль­ные пазы с уменьшенным сечением в верхней части (рис. 2.5,в,г), в которых явление вытеснения тока в стержнях ротора проявляет­ся более эффективно. Это способствует улучшению пусковых свойств короткозамкнутых двигателей (уменьшению начального пускового тока и увеличению начального пускового момента). Для двигателей с 2р≥4 применяют пазы по рис. 2.5, а, б.

Таблица 2.4, составленная по данным асинхронных двигателей серии 4А основного исполнения, содержит рекомендации по выбо­ру формы пазов короткозамкнутого ротора.

Ширина зубца ротора b_Z2, мм, определяется значением магнит­ной индукции в расчетном сечении зубца B_Z2max(табл. 2.4):

(2.19)

где t₂ — зубцовое деление по наружному диаметру ротора D₂, мм:

(2.20)

k _c2 — коэффициент заполнения сердечника ротора сталью.

Высота зубца (паза) ротора, мм,

(2.21)

Рис 2.5 Пазы короткозамкнутого ротора асинхронных двигателей:

а- полузакрытый овальный; б и в- закрытый овальный; г- закрытый бутылочный

Высота спинки сердечника ротора h_С2 , мм, определяется допус­тимым значением магнитной индукции в спинке ротора B_c2 (см. табл. 2.4):

(2.22)

В некоторых случаях при проектировании двигателей неболь­шой мощности высоту спинки ротора h_С2 принимают исходя из со­ображения механической прочности сердечника. При этом значе­ние магнитной индукции В_с2оказывается намного ниже рекомен­дуемых в табл. 2.4.

Размеры овальных пазов, выполненных по рис. 2.5, а и б, рас­считывают таким образом, чтобы зубцы ротора имели параллельные стенки.

Для этого диаметры пазов определяют по формулам:

Диаметр в верхней части паза, мм,

(2.23)

Диаметр в нижней части паза, мм

(2.24)

Диаметр в нижней части паза d_П2 должен быть не менее 2 мм у двигателей с h≤ 132 мм и не менее 3,5 мм у двигателей с h≥ 160 мм. Расстояние между центрами окружностей овального па­за, мм,

(2.25)

В случае овального закрытого паза в (2.23) и (2.25) вместо вы­соты шлица h_ш2следует подставить высоту мостика h_М2=0,5÷1,0 мм. Для овальных полузакрытых пазов (рис. 2.5, а)

h_ш2 = =0,50÷0,70 мм, b_ш2= 1,04÷1,5 мм.

При овальном закрытом пазе, выполненном по рис. 2.5, в, боль­ший диаметр d_П2определяется по (2.24), но вместо b _z2 нужно под­ставить ширину зубца в расчетном сечении b_Z2min по (2.19)

Меньший диаметр этого паза принимают равным, мм, d_n ^/₂≈(0.6÷0.8) d_{n 2} (2.26)

Площадь поперечного сечения овального паза в штампе, мм²,

(2.27)

Для бутылочного паза (рис. 2.5, г) размеры нижней части вы­бирают из условия получения зубца с параллельными стенками. Ширину b_z2minопределяют по (2.19) с учетом принятой по табл. 2.4 магнитной индукции B_z2max.

Больший диаметр нижней части паза, мм,

(2.28)

где h_M2=(0,2÷0,5) мм; h'₂ = 15мм.

Высоту зубца h_z2определяют по (2.21) с учетом принятой маг­нитной индукции в спинке сердечника ротора B_с2.

Меньший диаметр нижней части паза, мм,

(2.29)

Значение d_n2должно быть не менее 4 мм.

Расстояние между центрами диаметров нижней части буты­лочного паза, мм,

(2.30)

Площадь поперечного сечения нижней части паза в штампе,

(2.31)

Ширину верхней части паза принимают равной

b_n2=(0.5÷0.6)d_n2 (2.32)

Площадь поперечного сечения верхней части паза в штампе,мм²,

(2.33)

Площадь бутылочного паза, мм²,

S_n2= S_n2н+ S_n2В (2.34)

ОБМОТКА СТАТОРА

Элементом обмотки статора является катушка (секция). Каж­дый виток этой катушки состоит из двух пазовых частей, распола­гаемых в пазах сердечника статора, и лобовых частей. Расстояние между пазовыми частями одной катушки, измеренное в пазах, на­зывают шагом обмотки. Шаг обмотки у₁ может быть полным (диа­метральным), если он равен полюсному делению (y₁=τ=Z_I/2p), или укороченным, если он меньше полюсного деления {у_I <τ).Уко­рочение шага обмотки способствует улучшению формы кривой распределения магнитной индукции в воздушном зазоре машины, приближая ее к синусоиде. Это позволяет снизить добавочные по­тери и уменьшить провалы в механической характеристике асинх­ронного двигателя.

Катушки одной фазы обмотки, расположенные в соседних пазах и соединенные последовательно, образуют катушечную группу. Катушечные группы, входящие в обмотку фазы,, могут быть соеди­нены между собой последовательно, параллельно или последова­тельно-параллельно. Три фазные обмотки, соединенные в звезду или треугольник, образуют трехфазную обмотку статора.

Катушечные группы обмотки, соединенные между собой, обра­зуют параллельные ветви. Число параллельных ветвей в обмотке одной фазы зависит от способа соединения катушечных групп: при последовательном соединении их число минимально (a₁ = l), при параллельном соединении их число равно числу полюсов 2р, при смешанном соединении (последовательно-параллельном) можно получить 1<а₁<2р.

3.1 Тип обмотки статора (табл. 1.7) – однослойная всыпная, число параллельных ветвей а₁ =2.

3.2 Число пазов на полюс и фазу

q₁ = Z₁ /2pm₁

(3.1)

q₁ = Z₁ /2pm₁ =24/4*3=2

Следует иметь в виду, что оценка технологичности обмотки ста­тора, с точки зрения возможности механизации процессов ее изго­товления, имеет значение лишь при проектировании двигателей для серийного изготовления.

Следующим важным этапом проектирования обмотки статора является выбор класса нагревостойкости и конструкции системы изоляции. При этом можно руководствоваться данными серии 4А: в двигателях с высотами оси вращения h = 50÷132 мм применяют систему изоляции класса нагревостойкости В, а в двигателях с h= 160÷355 мм — класса нагревостойкости F.

В табл. 3.4-3.7 приведены конструкции изоляции обмоток статора, применяемые в двигателях серии 4А.

3.3 Одним из важных параметров обмотки статора является обмо­точный коэффициент. Для основной гармоники ЭДС обмотки ста­тора обмоточный коэффициент равен

k_об1=k_y1k_p1 (3.3)

где k_y1 — коэффициент укорочения, учитывающий уменьшение ЭДС, обусловленное укорочением шага обмотки:

k_y1=sin(β∙90⁰) (3.4)

здесь β — относительный шаг обмотки:

β=y₁ / τ (3.5)

при 2р=2 β=0,5÷0,63; при 2р=4 β =0,80÷0,89; k_р1— коэффи­циент распределения, учитывающий уменьшение ЭДС основной гармоники, обусловленное распределением обмотки в пазах (q₁>1)

(3.6)

Анализ выражения (3.6) показывает, что трехфазные обмотки шестизонные (α=60°) при одинаковом значении q1имеют большее значение k_p1, а следовательно, и более высокий обмоточный коэф­фициент k_об1 чем трехзонные обмотки (α = 120°).

В табл. 3.9 приведены значения коэффициентов k_P1,k_ylи k_об1 для трехфазных обмоток статора двигателей серии 4А основного исполнения.

Обмоточный коэффициент (3.3) (см.табл.3.9)

k_об1 =k₂ =0.902

3.4. Шаг по пазам

y = 9…11 пазов

3.5 Ток в статоре в номинальном режиме работы двигателя

(3.7)

3.6. Число эффективных проводников в пазу ротора

(3.8)

Принимаем u_n =148 проводника

3.7. Число последовательных витков в обмотке фазы статора. Полученное по (3.8) значение u_n округляют до целого числа. Число последовательных витков в обмотке фазы статора

(3.9)

3.8. Плотность тока в обмотке статора принимаем по рис. 3.4.

Здесь ∆₁— плотность тока в обмотке статора, А/мм². При выбо­ре ∆₁ следует помнить, что с увеличением ∆₁ уменьшается расход обмоточной меди, но одновременно растет активное сопротивление обмотки статора, что ведет к росту электрических потерь, темпера­туры обмотки, снижению КПД.

∆₁=6,6A/мм²

При расчете всыпной обмотки статора следует иметь в виду, что диаметр обмоточного изолированного провода не должен пре­вышать d_ИЗ ≤ 1,76 мм при ручной укладке и d_ИЗ ≤ l,4 мм при ма­шинной укладке катушек в пазы статора. Если же по результатам расчета диаметр эффективного проводника оказался больше ука­занных значений, то для облегчения процесса укладки мягких ка­тушек в пазы статора и повышения надежности обмотки статора эффективный проводник выполняют из нескольких элементар­ных проводников. Суммарная площадь поперечного сечения эле­ментарных проводников должна быть не меньше расчетного сече­ния эффективного проводника. Площадь поперечного сечения эле­ментарного проводника, мм²,

(3.10)

где n_ЭЛ— количество элементарных проводов в одном эффектив­ном.

3.9. Сечение эффективного проводника обмотки статора

(3.11)

По табл. 3.11 принимаем провод с сечением q_1эл=0.0353 мм², диаметром q_1эф =0,212 мм. В соответствии с классом нагревостойкости изоляции F выбираем обмоточный провод марки ПЭТ-155, q_из =0.242 мм.

3.10. Толщина изоляции для полузакрытого паза при однослойной обмотке и классе нагревостойкости F (см. табл. 3.4.): по высоте h_из =0,4 мм; по ширине b_из =0,8 мм

3.11. Площадь изоляции в пазу (см. табл. 3.4.)

(3.12)

3.12. Площадь паза в свету, занимаемая обмоткой

(3.13)

Значение площадей, занимаемых пазовой изоляцией S_п,из и межкатушечной прокладкой S _ИЗ,ПР определяют, пользуясь табл. 3.4, 3.5.

Значение k₃₁должно быть равно 0,70—0,75 при ручной укладке обмотки статора и 0,70—0,72— при машинной.

Если паз статора имеет прямоугольную форму (см. рис. 2.4, б и в), то необходимо уточнить требуемые значения ширины b'_n1 и высоты h'_n1 паза в штампе:

(3.14)

(3.15)

где α_из, b_из — размеры изолированного обмоточного провода, мм; b_ПР, h_ПР-припуски на штамповку, мм; С _b1, С_h1— толщина изоля­ции в пазу по ширине и высоте, мм (см. табл. 3.5).

Полученные значения b'_П1 и h'_П1 должны мало отличаться от значений b_П1 и h_П1 рассчитанных по (2.16) и (2.17)

3.13. Коэффициент заполнения паза статора изолированными проводниками (3.16)

При расчете площади трапецеидального полузакрытого паза, занимаемой обмоткой статора, необходимо руководствоваться ко­эффициентом заполнения паза, равным

(3.16)

где u_п — число проводников в пазу; d_`из`- диаметр изолированного проводника, мм; S_n ^/-площадь поперечного сечения паза, мм², занимаемая непосредственно обмоткой.

3.14. После окончательного выбора размеров обмоточного провода q_1ЭЛ и числа элементарных проводников n_ЭЛ необходимо уточнить плотность тока в обмотке статора, А/мм²,

(3.17)

которая не должна превышать допустимых значений (см. рис. 3.4).

3.15 Затем следует уточнить значения электромагнитных нагру­зок:

(3.18)

(3.19)

где Ф-основной магнитный поток, Вб:

(3.20)

здесь k_o61 определяется (3.3); ω₁—(3.9).

Уточненные значения А₁ и В_δ должны мало отличаться от пред­варительных значений этих величин, принятых по рис. 1.2.

3.16 Размеры мягких катушек статора определяются следующим образом: среднее зубцовое деление статора, т. е. зубцовое деление, измеренное на окружности, проходящей по середине высоты зуб­цов статора, мм,

3.17 Размеры мягких катушек статора определяются следующим образом:

Среднее зубцовое деление статора, т.е. зубцовое деление, измеренное на окружности, проходящей по середине высоты зубцов статора,мм

(3.21)

3.18 Средняя ширина катушки

(3.22)

где y_1СР — среднее значение шага концентрической обмотки

3.19. Средняя длина лобовой части катушки

(3.23)

3.20. Средняя длина витка обмотки статора

(3.24)

3.21 Если обмотка статора выполнена из жестких катушек (полукатушек), то длина одной лобовой части, мм,

(3.25)

Длину витка жесткой катушки определяют по (3.24).

3.22 Длина вылета лобовой части обмотки, мм,

(3.26)

3.23. Длина вылета лобовой части обмотки, мм:

при h ≤ 132 мм

(3.27)

при h ≥160 мм

(3.28)

3.24. Активное сопротивление одной фазы обмотки статора, приведенное к рабочей температуре

(3.29)

где р_Cu - удельное электрическое сопротивление меди при рас­четной рабочей температуре (см. табл. 3.13).

В качестве проводниковых материалов в электромашинострое­нии широко применяется электролитическая медь и реже рафини­рованный алюминий. Необходимо иметь в виду, что основной пара­метр меди — электрическая проводимость — в значительной степе­ни зависит от наличия даже небольшого количества примесей. Поэтому медь, предназначенная для электрических проводов, не должна содержать более 0,1 % примесей. При холодной протяжке медь подвергается наклепу, становится более твердой и ее удель­ное электрическое сопротивление возрастает. Отжиг возвращает меди первоначальные свойства.

Для заливки короткозамкнутых роторов асинхронных двигате­лей применяют алюминий. В результате заливки в стержнях и короткозамыкающих кольцах появляются воздушные включения, а при заливке под давлением алюминий приобретает волокнистую структуру. Все это ведет к некоторому увеличению электрического сопротивления клетки.

Известно, что с ростом температуры удельное электрическое со­противление меди и алюминия увеличивается. В соответствии с ГОСТ 183-74 расчетная рабочая температура принимается равной 75 °С для обмоток с изоляцией классов нагревостойкости А, Е и В, 115°С для обмоток с изоляцией классов нагревостойкости F и Н.

В табл. 3.13 для некоторых проводниковых материалов приведены значения удельного электрического сопротивления р при раз­личных температурах.

3.20. Активное сопротивление обмотки фазы статора в относитель­ных единицах

(3.30)

где I_1ном и U_1нoм — номинальные значения фазных тока и напря­жения.

3.21 Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора обус­ловлено магнитным полем рассеяния, которое состоит из трех частей: пазового рассеяния, дифференциального рассеяния и рассея­ния лобовых частей.

Пазовое рассеяние обусловлено магнитным потоком рассеяния, направленным поперек паза и сцепленным с расположенными в этом пазу проводниками. Если обмотка выполнена с укороченным шагом (y1<τ), то потокосцепление этой обмотки с потоком пазово­го рассеяния ослаблено.

Коэффициент магнитной проводимости пазового рассеяния:

при трапецеидальном полузакрытом пазе (рис. 3.5, а)

(3.31)

где k_β =1 и k ^/_β =1, так как обмотка с диаметральным шагом; значение h₁ определяем по рис 3.5., а с помощью табл. 3.4:

h₁= h_z1 - h_ш1 - h_к1 - h’₁ - h_из = 15,74-1-0,86-0,5-0,4=12,98

3.22. Коэффициент воздушного зазора k_δучитывает влияние зубча­тости статора и ротора на магнитное сопротивление воздушного зазора:

(3.34)

Значения коэффициентов k_δ1 и k_δ2 при полузакрытых и полуот­крытых пазах статора и полузакрытых пазах ротора

(3.35)

(3.36)

При открытых пазах статора и ротора вместо b_Ш1 и b_Ш2 под­ставляют соответственно b_п1и b_п2.

3.22 Коэффициент магнитной проводимости дифференциального рассеяния.

Дифференциальное рассеяние — это рассеяние, созда­ваемое высшими гармоническими магнитного поля в воздушном за­зоре.0

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния об­мотки статора

(3.37) где при Z₁/р=14по табл. 3.14 k_р,т1 =0,93 по табл. 3.15 при q₁=3 для однослойной обмотки k_д1=0,0111 кооффициент k_ш1(3.38)

(3.38)

где k_Р,Т1— коэффициент, учитываю­щий демпфирующую реакцию то­ков, наведенных в обмотке коротко-замкнутого ротора высшими гармо­никами поля статора (табл. 3.14); для двигателей с фазным ротором k _р,т1 = 1; k_ш1—коэффициент, учиты­вающий дополнительно к k_bвлияние открытия пазов статора на проводимость дифференциального рассеяния: k_Д1— коэффициент дифференциаль­ного рассеяния обмотки статора (табл. 3.15).

3.23. Коэффициент магнитной проводимости рассеяния лобовых час­тей обмотки статора

(3.39)

3.24. Коэффициент магнитной проводимости рассеяния обмотки статора

(3.40)

3.25. Индуктивное сопротивление рассеяния магнитной обмотки статора

(3.41)

Поиск по сайту: