Расчет двигателя 4а250м4у3

1. Выбор общепромышленного двигателя серии 4А

и его поверочный расчёт.

 

 

Выбран двигатель 4А250М4У3

Исходные технические данные для проектирования:

Номинальная мощность	P2n = 90000 Вт
К.П.Д.	h = 0,93
Коэффициент мощности	cos j = 0,91
Напряжение	U = 220/380 В
Частота вращения	n1 = 1500 об/мин
Схема соединения обмоток	D/Y
Число фаз	m = 3
Частота сети	f = 50 Гц
Число пар полюсов	p = 2

Конструктивное исполнение IM1081

Исполнение по способу защиты от окружающей среды IP44

 

 

1. ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЁТ ВЫБРАННОГО ОДНОСКОРОСТНОГО ДВИГАТЕЛЯ 4А250М4У3.

 

По справочнику находим  необходимые технические данные и  определяем  основные размеры и обмоточные данные двигателя, необходимые для пересчёта:   

2.1.1.   Число пар полюсов                

p = 60f/ n1   = 60 х 50 / 1500 = 2

Выбор главных размеров

2.1.2.   Высота оси вращения

h = 250 мм = 0, 25 м

2.1.3.  Наружный диаметр статора

Da 452 мм = 0, 452 м

2.1.4.   Внутренний диаметр статора

D = 0.61х Da - 4 = 272 мм = 0, 272 м      (2.1)

 

2.1.5.   Полюсное деление  t = pD/2р = 3,14х0, 272/2x2 = 0, 21352 м   (2.2)

Принимаем округлённое значение  t = 214х10-3 м

2.1.6.   Расчетная мощность, при kE =0, 98 (Отношение ЭДС фазы статора к номинальному фазному напряжению)

P` = P2n kE / h cos j = 90х103x0, 98/0, 93x0, 91=104,218х103 Вт  (2.3)

2.1.7.   Электромагнитные нагрузки (предварительно, по справочнику)

А = 32,5x103 A/м            

Bd = 0, 85 Тл  

                      

2.1.8.   Обмоточный коэффициент для двухслойной обмотки (по справочнику)

Kоб1 = 0, 925

2.1.9.   Расчётная длина воздушного зазора

kB = 1, 11

W = 2p n1 /60 = 2х3, 14х1500/60 = 157 рад/c     (2.4)

ld = P`/kBD2W Kоб1A Bd =104,218 х 103 / 1, 11 х 0,2642 x 157 x 0,925 x 37,2 x 103 x 0,85 =0, 199 м = 200 х 10-3 м       (2.5)

 

2.1.10.   Проверяем отношение l = ld / t = 200х10-3 / 207х10-3 = 0,966

Полученное значение  l находится в  допустимых пределах (т.6-14,а “Проектирование электрических машин”под ред. И.П.Копылова,Б.К. Клокова  “Высшая школа”, 2005г.).

Продолжаем расчёт.

2.1.11.   Число пазов статора Z1 =48 (по справочнику)

Находим q =Z1/2pm =48/2x2x3 =4

Обмотка двухслойная петлевая равносекционная (по справочнику)

2.1.12.   Зубцовое деление статора

t1=pD/2pmq = 3,14 x 0, 264 / 2 x 2 x 3 x 4 =17, 27 x 10-3 м   (2.6)

2.1.13.   Число эффективных проводников пазу (предварительно, при условии, а =1)

При I1н = P2n/mU1нh cos j = 55 х 103 / 3 х 220 х 0, 925 х 0, 9 = 55 х 103 / 549,45 = 100,1 А          (2.7)

u`п =p D А/ I1н Z1 = 3,14 х 0, 264 х 37,2 x 103 / 100,1 х 48 = 30,837 х 103 /  4804,8 = 6,42          (2.8)

2.1.14.   Принимаем а = 4 (по справочнику), тогда u п = а u`п = 4x6,42 = 25,68

Так принимаем приближённое  значение u п = 26

2.1.15.   Принимаем окончательные значения.  Число витков в фазе обмотки

w1 = u п Z1/2аm = 26 х 48 / 2 х 4 х 3 = 52

А = 2 I1нw1m/p D = 2 х 100,1 х 52 х 3 / 3,14 х 0, 264 =31231,2/0,82896 = 37675,159 =37,675х103 A/м        (2.9)

F = kEU1н/4 kBw1 Kоб1 f = 0, 98 x 220 / 4 x 1,11 x 52 x 0,925 x 50 = 215,6 /10678,2 = 0,0202 = 20,2x10-3 Вб       (2.10)

Bd = pF/ D ld = 2 x 20,2 x 10-3 / 0,264 x 200 х 10-3 =40,4 /52,8 = 0,765 Тл

Значения А и Bd находятся в допустимых пределах

2.1.16.   Плотность тока в обмотке статора (предварительно, по справочнику)

  при (A J1) = 190 х 109 A2/м3

J1 = (A J1) / A =190 х 109 / 37,675 х 103 = 5,043 x 106 A/м2   (2.11)

 

 

2.1.17.   Сечение эффективного проводника (предварительно)

qэф = I1н/ а J1=100,1/4x5,043x106 = 4,962х10-6 м2= 4,962 мм2  (2.12)

принимаем (по справочнику) nэл =3, тогда qэл = 0,3х qэф = 0,3х4,962  = 1,488 мм2

обмоточный провод ПЭТМ: dэл = 1,32 мм; qэл = 1,368 мм2; qэф = 3x1,368 = 4,104 мм2;

dиз = 1,405 мм.

2.1.18.   Найдём длину проводников фазы обмотки.

L1 = lсрw1 = 0,97x52 = 50,44 м        (2.13)

1.1.19.   Найдем активное сопротивление фазы обмотки статора.

Для меди r115 = 10-6/41 Ом/м, при расчетной q = 115о для класса нагревостойкости изоляции F.

qэф = 3 x 1,368 = 4,104 мм2

r1 = r115(L1/ qэф а) = 0,075 Ом

1.1.20.   Плотность тока в обмотке статора

J1 = I1н/ а qэл nэл = 100,1 / 4 х 1,368 х 10-6 х 3 = 100,1 / 16,416  х 10-6 = 6,1 х 106 A/м2 = 6,1 A/мм2        (2.14)

Произведём расчёт зубцовой зоны статора и воздушного зазора

2.1.21.   Принимаем (предварительно, по справочнику)

Индукция в зубце

      Bz1 = 1,758 Тл

Индукция в ярме

      Ba = 1,446 Тл

kc =  0,97 (для оксидированных листов стали)

В асинхронных двигателях, длина сердечников которых не превышает 300 мм, сердечники шихтуются в один пакет. Для такой конструкции: l1 = lст1 = ld,тогда

b z1 = Bd t1 ld/ Bz1 lст1kc =0,78 х 17, 27 x 10-3 х 200 х 10-3/1,758 х 200 х 10-3 х 0,97 =  13,4706 x 10-3/1,7053 = 7,899 x 10-3 м = 7,9 мм   (2.15)

ha = F/2 Ba lст1 kc = 20,2x10-3 / 2 x 1,446 x 200 х 10-3 х 0,97 = 20,6 / 572,3 =

= 0,036 м = 36 мм         (2.16)

2.1.22.   Размеры паза в штампе принимаем

bш = 3,7 мм

hш = 1,0 мм

hп = (Da – D)/2 – ha = (0,392-0,264) / 2- 0,036  = 0,028 м = 28 мм (2.17)

b1 = (p(D + 2 hп) )/ Z1  - b z1  = (3,14 x (0,264 + 2 x 0,028) )/48 – 7,9 x 10-3 = 0,013 м = 13 мм         (2.18)

b2 = (p(D + 2 hш - bш) - Z1 b z1) / Z1 - p = (3,14 x (0,264+2 x 0,001- 0,0037) – 48 x 7,9 x10-3)/48 – 3,14 = 0,0099 м = 9,9 мм    (2.19)

h1 = hп – (hш + (b2 – bш) /2) = 0,028 – (0,001 + (0,0099– 0,0037) /2) = 0,0239 м = 23,9 мм

1.1.23.   Размеры паза в свету с учетом припуска на сборку при Dbп = 0,2 мм; Dhп = 0,2 мм;

b`1 = b1 –Dbп = 13 – 0,2 = 12,8 мм

b`2 = b2 –Dbп = 9,9 – 0,2 = 9,7 мм

h`1 = h1 –Dhп = 23,9 – 0,2 = 23,7 мм

Площадь поперечного сечения паза для размещения проводников

bиз = 0,4 мм

Sиз = bиз(2hп + b1 + b2) = 0,4 х (2 х 28 +13 + 9,9) = 31,56 мм2 = 31,56 х 10-6 м2

Sпр = 0,4 b1 + 0,9b2 = 0,4 x 13 + 0,9 x 9,9 = 5,2 + 8,91 = 14,11 мм2 =14,11 х 10-6 м2

S`п =((b`1 + b`2) /2 ) h`1 – Sиз – Sпр = ((12,8  + 9,7) /2 ) 23,7– 31,56  – 14,11 = 220,955 мм2 = 221  х 10-6 м2

2.1.24.   Коэффициент заполнения паза

dиз = 1,405 мм

u п = 26

nэл = 3

S`п = 221 мм2

kз = (dиз)2 u п nэл/ S`п = (1,405)2 x 26 x 3 / 221 = 0,7   (2.20)

Коэффициент заполнения находится в заданных пределах, для механической укладки.

 

2.2.  РАСЧЁТ  РОТОРА

 

Так как в процессе модернизации короткозамкнутый ротор остается без изменений, уточняем его конструктивные размеры. 

2.2.1.   Воздушный зазор.

d = 0, 85 мм = 0,85 х 10-3 м

1.2.2.   Число пазов ротора.

Z2 = 38

2.2.3   Диаметр.

D 2 = D - 2d = 0, 264 - 0,0017 = 0,2623 м     (2.21)

1.2.4.   Длина l2 = ld = 0,2 м

1.2.5.   Зубцовое деление.

t2 = p D 2 / Z2 = 0,0217 м

 

2.2.6. Внутренний диаметр ротора равен диаметру вала, так как сердечник непосредственно насажен на вал

Dj = Dв = kв Da = 0,205 x 0,392 =  0,08 м = 80 мм

2.2.7.   *Ток в стержне ротора (предварительно)

nI = 2m1w1kоб1/Z2 = 7,59        (2.22)

I2 = ki I1 nI = 0,93 х 100,1x 7,59 = 706,57 А

2.2.8.   Площадь поперечного сечения стержня (предварительно).

Принимаем плотность тока в стержне литой клетки:

J2 = 4,25 х 106 А/м2

qc = I2 / J2 = 706,57/4,25 х 106 = 166,25 х 10-6 м2

2.2.9.   Паз ротора принимаем – закрытым (по справочнику)

bш = 1,5 мм; hш = 0,7 мм; h`ш = 0,3 10-3 мм

2.1.10.   Паз ротора (по справочнику)

b1 = 9,8 мм

b2 = 3,4 мм

h1 = 38,7 мм

hn2 = 53,2 мм

2.1.11.   Сечение стержня

qc = p/8((b1)2 +( b2 ) 2) + 0,5(b1 + b2) h1 = 159,9984 = 160 мм2 = 160 х 10-6 м2 

2.1.12.   Плотность тока в стержне

J2 = I2 / qc = 706,57/160 х 10-6 = 4,416 х 106 А/м2    (2.25)

2.1.13.   Короткозамыкающие кольца

Площадь поперечного сечения

D = 2 sin (p 2/Z2) = 0,329       (2.26)

Iкл = I2 / D = 706,57/0,329 = 2147,63 А     (2.27)

Jкл = 0,8 J2 = 0,8 х 4,416 х 106 = 3,5328 х 106 А/м2   (2.28)

qкл = Iкл / Jкл = 2147,63/3,5328 х 106 = 607,91 х 10-6 м2   (2.29)

размеры замыкающих колец

bкл = 1,25 hn = 1,25 x 53,2 = 66,5 мм      (2.30)

акл = qкл / bкл = 607,91/66,5 = 9,14 мм     (2.31)

qкл = bкл акл  = 66,5 х 9,14 = 608 мм2      (2.32)

Dк,ср = D2 - bкл = 0,2623 – 0,0665 = 0,1958 м    (2.33)

Поверочный расчёт завершён.

 

 

 

 

3. РАЗРАБОТКА  ОБМОТКИ СТАТОРА. ТЕХНОЛОГИЯ 

ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБМОТКИ СТАТОРА

 

3.1.   РАЗРАБОТКА ОБМОТКИ СТАТОРА. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

 

Элементом или секцией обмотки является катушка, которая состоит из последовательно соединённых витков. Активная сторона катушки расположена в одном пазу. При двухслойной обмотке число катушек, называемых чаще секциями, ровно числу пазов статора, так как сторона катушки занимает только половину площади паза.

Катушечной группой называется ряд последовательно соединенных между собой катушек, расположенных в соседних пазах и принадлежащих одной фазе.

Отдельные катушки или секции статорной обмотки смещены в пространстве друг относительно друга, поэтому результирующая электродвижущая сила, индуктированная в одной фазе, будет меньше алгебраической суммы всех электродвижущих сил, наведенных в катушках.

В нашем случае, рассматриваемая обмотка двигателя с переключением полюсов в отношении  1 : 2, представляет собой обычную двухслойную обмотку, расположенную при низшей скорости вращения на 2/3 t. Число секционных групп данной обмотки

А = p`m1 = 4x3 = 12

Где p`= 4, что определяет общее число секционных групп обмотки, при большем числе полюсов на которые она должна быть переключена.

Пронумеруем секционные группы в порядке следования по окружности статора:

 Фаза  A -  1; 4; 7; 10;

 Фаза  B -  2; 5; 8; 11;

 Фаза  С -  3; 6; 9; 12;

Порядок соединения отдельных секционных групп обмотки односкоростного двигателя значения не имеет так, как переделка односкоростного двигателя производится во время капитального ремонта с заменой обмоток статора. Для того чтобы в двухскоростном двигателе с переключением чисел полюсов в отношении 1:2 переключать на две различные скорости, необходимо выдержать определённую закономерность в соединении секционных групп в фазе обмотки. Переключение полюсов в отношении 1:2 осуществляется путем изменения направления тока в половине секций обмотки. Для этой цели обмотку каждой фазы разбиваем на две части, в одну из которых входят все четные секционные группы, а в другую все нечётные. Изменяя направление тока водной из частей обмотки каждой фазы, получаем вдвое меньшее число полюсов обмотки.

Для переключения полюсов применяем схему D/YY

Строим схему обмоток статора полюсно - переключаемого двухскоростного двигателя, при y = 7;  q = 4; (см. лист 5 графических материалов)

 

             

                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.1 Схема обмоток статора полюсно - переключаемого

двухскоростного двигателя

3.2. ТЕХНОЛОГИЯ  ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБМОТКИ СТАТОРА

 

3.2.1   Основные технологические операции

                 Фактически технологический процесс  изготовления обмотки статора сводится к следующим основным операциям:

1. Пазоизолировка.

2. Намотка или укладка  в пазы катушечных групп.

3. Заклинивание обмотки в пазы.

4. Бандажирование лобовых  частей.

5. Пропитка.

6. Сушка.

7. Испытание.

Ниже эти операции описаны подробно.

Кроме перечисленных основных имеются заготовительные процессы. К ним принадлежат: порезка рулонов изоляционного материала на ролики для последующего изготовления из них пазовых коробов, крышек и других деталей; изготовление междуфазных прокладок; порезка трубчатых изоляционных материалов; изготовление выводов обмотки из монтажных проводов.

При ручной укладке обмотки к заготовительным процессам относят также намотку катушек.

В серии 4А весь комплекс статорообмоточных операций для двигателей мощностью до 100 кВт механизирован. Первая операция – изолирование пазов статора осуществляется на станках полуавтоматах моделей ИПС-3-4; ИПС-5М; ИПС-8; ИПС-4 отечественного производства . В станке материал формируется по форме паза и подается в паз статора. Усилие подачи коробочки в паз контролируется предохранительной муфтой. Станки легко перестраиваются на разные части пазов и на различные исполнения статоров.

Наиболее часто применяемая конструкция пазовой изоляции, разработанная с учетом требований машинных процессов, показана на рис. 3.2, а. Так как пазовый короб 3 открытый, т. е. боковые кромки его разомкнуты, внутрь короба поверх катушки 2 устанавливают пазовую крышку 1 таким образом, чтобы боковые стороны короба и крышки взаимно перекрывались. Значение этого перекрытия выбирают из условий обеспечения требуемой электрической прочности изоляционной конструкции. Если в одном пазу находятся стороны двух катушек, их разделяют межслойной прокладкой 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.2 Конструкция пазовой изоляции с основными размерами.

 

                 В рассматриваемой конструкции изоляции пазовая крышка одновременно с функциями изоляционной детали выполняет роль клина, крепящего катушку в пазу, поэтому ее называют крышкой-клином, а процесс установки — заклиниванием обмотки. Пазовый короб имеет манжеты 5 (рис 2,б), фиксирующие его в пазу в продольном направлении. Чаще других применяют простую конструкцию с одинарными манжетами. На рис. 2 б, в указаны основные размеры короба, а на рис. 2 г – крышки.

Следующая операция- укладка обмотки в пазы статора. Станки для укладки обмотки работают по двум различным схемам: 1) непосредственная укладка проводников в паз; 2) раздельная намотка секции и пересыпка их в пазы статора. На станках непосредственной укладки провод протягивается через ролики в фильеру проводоводителя. На нем установлены специальные кольца, при помощи которых провод протаскивается в паз и забрасывается на пластины и крючья, образующие лобовые части. Проводоводитель совершает сложные возвратно-поступательные движения вдоль оси (провод проводится через паз) и вращательные вокруг оси статора (образуется лобовая часть). Пример такого станка серии WST-600 («Электромат» Германия).

Более эффективными являются станки раздельной намотки. Комплекс этого станка состоит из двух агрегатов. На первом наматываются на шаблоны секции, которые на специальной оправке переносятся на второй агрегат с установленным на нем сердечником статора. Здесь секции втягиваются в паз на один ход, после чего производится заклиновка рулонным синтетическим материалом. Примером такого оборудования служит комплекс станков НК-7 и ОСР-3. Далее производится намотка катушечных групп электродвигателя. Шаблон размещается на планшайбе шпинделя станка. С помощью раскладчика осуществляется однородная намотка. Все операции (намотка, обрезка, пересыпание на съемник и т.д.) производятся автоматически от гидросистемы. Катушки укладывают на оправку, куда устанавливается статор, закрепленный на подвижной каретке. Происходит одновременное всыпание и заклинивание в пазах. Подвижная каретка переходит на формовочную позицию, где происходит отжим лобовых частей. Для всыпания второго яруса катушек цикл повторяется.