Расчет элекрического двигателя

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

=2,14,
где -округленное значение расчетной длины сердечника статора;
- потери в обмотке статора при максимальной допускаемой температуре;
- средняя длина витка обмотки;
- условная поверхность охлаждения активной части статора;
- суммарные магнитные потери в сердечники статора.
Удельный тепловой поток от потерь активной части обмотки, отнесенных к поверхности охлаждения пазов:
14,57,
где -округленное значение расчетной длины сердечника статора;
- потери в обмотке статора при максимальной допускаемой температуре;
- средняя длина витка обмотки;
- Условная поверхность охлаждения пазов.
Удельный тепловой поток от потерь в лобовых частях обмотки, отнесенных к поверхности охлаждения лобовых частей обмотки:
5,37,
где - потери в обмотке статора при максимальной допускаемой температуре;
- средняя длина витка обмотки;
- длина одной лобовой части катушки;
- Условная поверхность охлаждения лобовых частей обмотки.
Окружная скорость ротора:
20,83 м/с,
где - наружный диаметр сердечника ротора;
об/мин – синхронная частота вращения.
Коэффициент теплоотдачи поверхности статора определяем по рис. 9-24а [1]: 16
Превышение температуры внутренней поверхности активной части статора над температурой воздуха внутри машины:
13,4°C,
где 2,14 - удельный тепловой поток от потерь в активной части обмотки и от потерь в стали;
16 - коэффициент теплоотдачи поверхности статора.
Эквивалентный коэффициент теплопроводности внутренней изоляции катушки, зависящий от отношения диаметров изолированного и неизолированного провода:
по рис. 9-26 [1]: 110.
Перепад температуры в изоляции паза и катушек из круглых проводов:

=4,56°C,
где - большая ширина паза;
- меньшая ширина паза;
14,57 - потери в активной части обмотки;
- среднее значение односторонней толщины корпусной изоляции;
110 - эквивалентный коэффициент теплопроводности изоляции в пазу.
Превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри двигателя:
33,56°C,
где 5,37 - потери в лобовых частях обмотки;
16 - коэффициент теплоотдачи поверхности статора.
Перепад температуры в изоляции лобовых частей катушек из круглых проводов:

=15,58°C,
где 110 - эквивалентный коэффициент теплопроводности изоляции в пазу;
5,37 - потери в лобовых частях обмотки;
- высота паза.
Среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри двигателя:

40,22°C,
где - средняя длина витка обмотки;
- длина одной лобовой части катушки;
- превышение температуры наружной поверхности лобовых частей обмотки над температурой воздуха внутри двигателя;
- перепад температуры в изоляции лобовых частей катушек из круглых проводов;
- перепад температуры в изоляции паза и катушек из круглых проводов;
- превышение температуры внутренней поверхности активной части статора над температурой воздуха внутри машины.
Потери в обмотке ротора при максимально допускаемой температуре:
3*10,86*1,48*0,77=403,21 Вт,
где - ток ротора;
- сопротивление обмотки;
- класс нагревостойкости изоляции.
Потери в двигателе со степенью защиты IP44 передаваемые по воздуху внутри двигателя:


+0,1*234,79+61,8=1319,21 Вт,
где - округленное значение расчетной длины сердечника статора;
- потери в обмотке статора при максимальной допускаемой температуре;
- средняя длина витка обмотки;
- суммарные магнитные потери в сердечники статора;
- добавочные потери при номинальной нагрузке;
- механические потери при степени защиты и радиальной системе вентиляции;
- длина одной лобовой части катушки.
Коэффициент подогрева воздуха находим из
рис 9-25а [1]: 2,25.
Среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой наружного воздуха без охлаждающих ребер на станине или с ребрами:
67,5°C,
где - потери в двигатели со степенью защиты IP44, передаваемые воздуху внутри двигателя;
- условная поверхность охлаждения двигателей с охлаждающими ребрами на станине;
2,25 - коэффициент подогрева воздуха.
Среднее превышение температуры обмотки над температурой наружного воздуха:
40,22+67,5=107,72°C,
где - среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой наружного воздуха без охлаждающих ребер на станине или с ребрами;
- среднее превышение температуры обмотки над температурой воздуха внутри двигателя.



Вентиляционный расчет

Наружный диаметр корпуса:
2*(132-12,47)=239,06 мм,
где h=132 мм – высота оси вращения;
- расстояние между центрами радиусов.
Коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи по длине корпуса двигателя:
11,989,
где - наружный диаметр корпуса;
об/мин – синхронная частота вращения.
Необходимый расход воздуха:
0,213 ,
где - коэффициент, учитывающий изменение теплоотдачи по длине корпуса машины в зависимости от его диаметра и частоты вращения;
- потери в двигателе со степенью защиты IP44, передаваемые воздуху внутри двигателя;
- среднее превышение температуры воздуха внутри двигателя над температурой наружного воздуха без охлаждающих ребер на станине или с ребрами.
Расход воздуха, который может быть обеспечен наружным вентилятором:

=0,246 ,
где - наружный диаметр корпуса;
об/мин – синхронная частота вращения.
Обеспечивается достаточный поток охлаждающего воздуха, т.к. .
Напор воздуха, развиваемый наружным вентилятором:
632,65 Па,
где - наружный диаметр корпуса;
об/мин – синхронная частота вращения.







Масса двигателя и динамический момент инерции ротора

Приближенное значение динамического момента инерции короткозамкнутого ротора:
0,6*132,66*130*24,16,
где - наружный диаметр сердечника ротора;
мм – длина ротора.
Масса изолированных проводов обмотки статора при круглом поперечном сечении:

6,8 кг,
где d=1,12 мм – диаметр неизолированного провода;
d’=1,2 мм – диаметр изолированного провода;
- количество пазов сердечника статора;
S=0,985 - площадь поперечного сечения неизолированного провода;
c=2 - количество элементарных проводов в эффективном;
- количество эффективных проводников в пазу;
- средняя длина витка обмотки.
Количество вентиляционных лопаток принимаем равным: .
Толщина лопатки:
3,45 мм,
где h=132 мм – высота оси вращения.
Длина лопатки:
40,9 мм,
где h=132 мм – высота оси вращения.
Высота лопатки:
21,52 мм,
где h=132 мм – высота оси вращения.
Масса алюминия короткозамкнутого ротора с литой клеткой:

=2,7*(19*173,33*130+2*3,14*107,36*658,65+1,1*12*
*(40,9-26,03)*21,52*3,45)*2,39 кг,
где - число пазов ротора;
мм – длина ротора;
- площадь поперечного сечения стержня;
- средний диаметр кольца;
658,65 - поперечное сечение кольца;
- количество вентиляционных лопаток;
40,9 мм – длина лопатки;
26,03 мм – длина кольца;
21,52 мм – высота лопатки;
3,45 мм – толщина лопатки.
Масса стали сердечника статора и ротора:

=7,8*130*0,97*(0,785*(226-51,98)-24*177,2-19*
*173,33-0)*29,93 кг,
где - округленное значение расчетной длины сердечника статора;
мм – наружный диаметр пакета статора;
51,98 мм – внутренний диаметр листов ротора;
- число пазов статора;
- число пазов ротора;
- площадь поперечного сечения статора;
- площадь поперечного сечения ротора.
Масса изоляции статора при трапецеидальных полузакрытых пазах:

=1,35*(130+20)(2*17,68+3*(0,5*(15,47+12,11)))*0,25*24*
=0,15 кг,
где - округленное значение расчетной длины сердечника статора;
- число пазов статора;
17,68 мм – высота паза статора.
Масса конструкционных материалов двигателя со степенью защиты IP44, станина и щиты чугунные, ротор короткозамкнутый:
(0,65*226*130+2,8*226)*
=31,67 кг,
где - округленное значение расчетной длины
сердечника статора;
мм – наружный диаметр пакета статора.
Масса двигателя с короткозамкнутым ротором:
6,8+2,39+29,93+0,15+31,67=
=70,94 кг,
где 6,8 кг – масса изолированных проводов обмотки статора;
2,39 кг – масса алюминия короткозамкнутого ротора литой клектки;
29,93 кг – масса стали сердечника статора и ротора;
31,67 кг - масса конструкционных материалов двигателя со степенью защиты IP44, станина и щиты чугунные, ротор короткозамкнутый.



1.5. Механический расчет

Расчет вала на жесткость

Сила тяжести сердечника ротора с обмоткой и участком вала по длине сердечника:
64*132,66*130*146,4 Н,
где - наружный диаметр сердечника ротора;
мм - полная длина сердечника ротора и якоря.



Рисунок 7. Эскиз вала к механическому расчету.

Номинальный момент вращения:
35 Н*м,
где Вт – номинальная мощность;
об/мин – синхронная частота вращения.
Валы двигателей с высотами оси вращения выполняют с минимальным числом ступеней – 3. Согласно таблице 1-3 [1] определяем по величие наибольшего допускаемого момента длину выступающего конца вала, размеры призматической шпонки и шпоночного паза, связанные с диаметром выступающего цилиндрического конца вала: 32 мм; 80 мм; 10 мм; 8 мм; t=5 мм;
М=50 Н*м.



Рисунок 8. Эскиз выступающего конца цилиндрического вала.

Диаметр вала под подшипник и диаметр вала за подшипником принимаем по таб. 3-1 [1]: 35 мм;
44 мм.
Выберем предварительно для вала подшипник
радиальный однорядный лёгкой серии 207, который имеет следующие параметры: d=35 мм; D=72 мм; В=17 мм;
С=19700 Н; 13600 Н.
Из предварительной компоновки вала имеем:
l=360 мм; а=180 мм; b=180 мм; x=y=8,5 мм; с=130 мм.
Определим экваториальный момент инерции вала для места посадки сердечника:
183891 .
Найдем вспомогательные коэффициенты:
31,7 ;
31,7 ;
0,176 ;
Под воздействием силы тяжести прогиб вала посередине сердечника:

=3,75 мм,
где - модуль упругости стали;
a=180 мм – расстояние из рисунка 7 вала;
b=180 мм – расстояние из рисунка 7 вала;
l=360 мм – расстояние из рисунка 7 вала;
31,7 - вспомогательный коэффициент;
31,7 - вспомогательный коэффициент;
- сила тяжести сердечника ротора с обмоткой и участком вала по длине сердечника асинхронного двигателя.
Соединение выходного конца вала двигателя с приводимым механизмом осуществляется через упругую муфту МУВП 1-14, которая имеет следующие характеристики:
d=32 мм; D=140 мм; L=165 мм; 100 мм; М=235 Н*м;
m=7,33 кг.












Рисунок 9. Муфта упругая втулочно-пальцевая
Поперечная сила, вызываемая передачей через упругую муфту:
210 Н,
где - номинальный момент вращения;
- при передаче через упругую муфту;
- диаметр окружности расположения пальцев упругой муфты.
Прогиб вала посередине сердечника вследствие действия поперечной силы:


=5,83 мм,
где - поперечная сила;
- модуль упругости стали;
a=180 мм – расстояние из рисунка 7 вала;
b=180 мм – расстояние из рисунка 7 вала;
l=360 мм – расстояние из рисунка 7 вала;
31,7 - вспомогательный коэффициент;
31,7 - вспомогательный коэффициент;
0,176 - вспомогательный коэффициент.
Начальный расчетный эксцентриситет сердечника ротора, возникающий вследствие неравномерности воздушного зазора под действие сил тяжести и поперечных равен:
0,15*0,6+3,75+5,83=99,6 мм,
где мм - среднее значение воздушного зазора;
- смещение;
3,75 мм - прогиб вала посередине сердечника;
5,83 мм - прогиб вала посередине сердечника.
Сила одностороннего магнитного притяжения при смещении сердечника на величину расчетного эксцентриситета:
429,4 Н,
где - наружный диаметр сердечника ротора;
мм - полная длина сердечника ротора и якоря;
мм - среднее значение воздушного зазора;
99,6 мм - начальный расчетный эксцентриситет сердечника ротора или якоря.
Дополнительный прогиб от силы :
11 мм,
где 3,75 мм - прогиб вала посередине сердечника;
- сила тяжести сердечника ротора с обмоткой и участком вала по длине сердечника асинхронного двигателя;
- сила одностороннего магнитного притяжения.
Установившийся прогиб вала:
12,37 мм,
где 11 мм - дополнительный прогиб от силы ;
99,6 мм - начальный расчетный эксцентриситет сердечника ротора или якоря.
Результирующий прогиб вала:
3,75+5,83+12,37=21,95 мм,
где 3,75 мм - прогиб вала посередине сердечника;
5,83 мм - прогиб вала посередине сердечника;
12,37 мм - установившийся прогиб вала.
Проверка:
3,66% < 10%.
Таким образом, проверку на жёсткость вал проходит.


Определение критической частоты вращения

Сила тяжести муфты:
36 Н,
где m=7,33 кг – масса муфты.
Прогиб от силы тяжести упругой полумуфты:
0,5 мм,
где 5,83 мм - прогиб вала посередине сердечника;
36 Н – сила тяжести от муфты;
- поперечная сила от муфты.
Первая критическая частота вращения с учетом силы тяжести соединительного устройства:
13234 об/мин,
где 11 мм - дополнительный прогиб от силы ;
3,75 мм - прогиб вала посередине сердечника;
0,5 мм - прогиб от силы тяжести упругой полумуфты.
Значение критической частоты вращения больше максимальной рабочей частоты в 4,58 раза.



Расчет вала на прочность

Расчет ведется для участка с (рис. 5) в плоскости действия силы F, которая перпендикулярна оси вала.
Расчетный отрезок для изгибающего момента:
98,5 мм.
Изгибающий момент:
48,46 Н*м,
где k=2 – коэффициент перегрузки;
36 Н – сила тяжести от муфты;
- поперечная сила от муфты;
98,5 мм - расчетный отрезок для изгибающего момента.
Момент кручения:
2*35=70 Н*м,
где k=2 – коэффициент перегрузки;
- номинальный момент вращения.
Момент сопротивления при изгибе вала:
3276,8 мм,
где - диаметр рассматриваемого участка вала;
Приведенное напряжение при совместном действии изгиба и кручения:
26 Па,
- изгибающий момент;
- крутящий момент;
- Момент сопротивления при изгибе.
Проведем сравнение с пределом текучести на растяжение конструкционной стали Ст.45, из которой будет изготовляться вал:
245 Па > 26 Па.
Расчёт на прочность вал проходит.



Расчет подшипников

Ранее были предварительно выбраны подшипники
радиальные однорядные лёгкой серии 202.
Наибольшая радиальная нагрузка на подшипник А:
363,7 Н,
где - сила тяжести сердечника ротора с обмоткой и участком вала по длине сердечника асинхронного двигателя;
- сила одностороннего магнитного притяжения;
- поперечная сила от муфты;
с=130 мм – расстояние из рисунка 7 вала;
b=180 мм – расстояние из рисунка 7 вала;
l=360 мм – расстояние из рисунка 7 вала.
Динамическая приведенная нагрузка для подшипника А:
1,5*363,7=545,6 Н,
где - коэффициент, учитывающий характер нагрузки машины;
363,7 Н – наибольшая радиальная нагрузка на подшипник.
Необходимая динамическая грузоподъемность шарикоподшипника:
7037 Н < C=19700 Н,
где 545,6 Н – динамическая приведённая нагрузка для подшипника А;
L=12000 ч – расчётный срок службы подшипника;
n=3000 об/мин – наибольшая рабочая частота вращения машины.
Наибольшая радиальная нагрузка на подшипник B:

=573,7 Н,
где - сила тяжести сердечника ротора с обмоткой и участком вала по длине сердечника асинхронного двигателя;
- сила одностороннего магнитного притяжения;
- поперечная сила от муфты;
с=130 мм – расстояние из рисунка 7 вала;
а=180 мм – расстояние из рисунка 7 вала;
l=360 мм – расстояние из рисунка 7 вала.
Динамическая приведенная нагрузка для подшипника B:
1,5*573,7=860,55 Н,
где - коэффициент, учитывающий характер нагрузки машины;
573,7 Н – наибольшая радиальная нагрузка на подшипник.
Необходимая динамическая грузоподъемность шарикоподшипника:
11100 Н < C=19700 Н,
где 860,55 Н – динамическая приведённая нагрузка для подшипника А;
L=12000 ч – расчётный срок службы подшипника;
n=3000 об/мин – наибольшая рабочая частота вращения машины.
Таким образом окончательно выбираем шариковые однорядные радиальные подшипники легкой серии 207.








1.6. Описание конструкции машины

Электродвигатель состоит из статора 2 (лист 1
графической части проекта) жёстко установленного в корпусе двигателя 5. В пазы статора уложена обмотка 4 со стеклотканевой изоляцией. В отверстие статора устанавливается ротор 1 в сборе с опорным валом и заливной обмоткой. Вал ротора вращается в подшипниках качения 16, установленных в переднем 6 и заднем 7 подшипниковых щитах. Подшипниковый узел состоит из внутренней 8 и наружной 9 крышки подшипника. Для соединения выводов обмотки статора, а также подключения электродвигателя предусмотрена коробка выводов 3. Для охлаждения двигателя предусмотрен вентилятор 10 установленный при помощи шпоночного соединения на конце вала ротора 1. Для защиты вентилятора от механических повреждений, а также в целях безопасности изолируем вентилятор при помощи кожуха 11. Для транспортировки двигателя предусмотрен рым-болт 17. Электрическая защита предусмотрена установкой заземляющего болта 14.
























Литература

1. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С.Проектирование электрических машин: Учебник для втузов. – М.: Высшая школа, 1984. – 430 с., ил.
2. Асинхронные двигатели серии 4A:Справочник/ А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. – М.: Энергоиздат, 1982. – 504 с.: ил.
3. Кацман М.М.
Расчет и конструирование электрических машин: Учебное пособие для техникумов. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 360 с.: ил.
4. Справочник по электрическим машинам:В 2 т./ Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 1. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 456 с.: ил.



















70

Листов

Лит.

Асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором
Пояснительная записка



Утверд.



Н. Контр.



Реценз.

Гришаков Ю.М.

Провер.



Разраб.



2

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




3

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




4

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




5

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




6

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




7

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




8

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




9

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




11

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




13

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




15

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




16

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




17

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




19

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




20

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




21

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




23

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




24

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




26

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




27

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




29

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




31

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




33

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




35

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




37

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




39

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




41

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




42

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




44

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




45

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




47

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.












49

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




50

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




55

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




57

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




58

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




61

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




62

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




64

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




65

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




67

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




68

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




70

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




72

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




10

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




12

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




71

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




46

Лист

Дата

Подпись

№ докум.






14

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




69

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




43

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




18

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




22

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.







Лист

Изм.




25

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




28

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




30

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




32

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




34

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.












36

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




53

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




38

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




















40

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.












54

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




48

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




52

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




















51

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.












56

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.












59

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




60

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.












63

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.




66

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.












73

Лист

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм.