0. Расчет и конструирование асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели – наиболее распространенный вид электрических машин из-за простоты, надежности, меньшего в сравнении с другими машинами веса, габарита, стоимости и иных достоинств. Они потребляют около 40% всей вырабатываемой электроэнергии. Практически нет отрасли техники и быта, где бы использовались асинхронные двигатели.

Потребности народного хозяйства удовлетворяются двигателями основного исполнения единых серий общего назначения. Вместе с тем, требования, предъявляемые к асинхронным двигателям различны, следовательно, в единых сериях предусмотрены различные модификации (электрические, конструктивные, для различных условий окружающей среды и т.д.).

В последнее время в России освоен выпуск новых серий асинхронных двигателей серий RA(0,37-100кВт), 5А(0,37-400кВт) и 6А. Разработка 4А, АИ, RA, 5А и 6А базировалась, кроме отечественных стандартов, на рекомендациях МЭК (Международной электротехнической комиссии). В серии 4А 17 габаритов, число ступеней мощности 33, высоты осей вращения 50-355 мм.

Асинхронные двигатели разделяются по степени защиты (например: IP 23, IP 44), способу охлаждения (IC 01, IC 0141), способу монтажа (IM 1001). Машины подразделяются по климатическим условиям эксплуатации. /Алиев,128/ , /Гольдберг,112/.

Для всех вариантов: 1) номинальный режим работы – продолжительный (S1); 2) частота сети – 50 Гц; 3) исполнение по способу монтажа -IM1001; 4) форма выступающего конца вала – цилиндрическая; 5) способ соединения с приводным механизмом – упругая муфта; 6) климатическое исполнение – У3.

В таблицах № приведены данные для расчета асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Таблица№ - данные двигателей серии 4А исполненные по степени защиты IP 44, способ охлаждения IC 0141.

Параметры	Предпоследняя цифра шифра
	0, 2, 4, 6, 8
	Последняя цифра шифра
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Номинальная отдаваемая мощностьР2, кВт	55	90	45	15	37	11	22	18,5	4,0	2,20
Количество фаз статора	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3
Синхронная частота вращения, об/мин	3000	1500	1000	1500	1500	1000	3000	1000	1500	1000
Номинальное линейное напряжение, В	220/380	220/ 380	220/ 380	220/ 380	220/ 380	220 /380	220/ 380	220/ 380	220/ 380	220 380
Схема соединений обмотки статора	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y

Таблица№ - данные двигателей серии 4А исполненные по степени защиты IP 23, способ охлаждения IC 01.

Параметры	Предпоследняя цифра шифра
	1, 3, 5, 7, 9
	Последняя цифра шифра
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Номинальная отдаваемая мощностьР2, кВт	55	37,0	30,0	22,0	110	160	90	45	132	75
Количество фаз статора	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3
Синхронная частота вращения, об/мин	3000	1000	1500	750	1500	1500	1000	750	1000	1500
Номинальное линейное напряжение, В	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660	380/ 660
Схема соединений обмотки статора	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y

В таблице № приведены данные для расчета асинхронных двигателей с фазным ротором исполнения IP 23, способ охлаждения IC 01.

Параметры	Последняя цифра шифра
	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Номинальная отдаваемая мощностьР2, кВт	55	30	22	110	160	75	55	90	37	22
Количество фаз статора	3	3	3	3	3	3	3	3	3	3
Синхронная частота вращения, об/мин	1500	1000	750	1500	1000	750	600	500	1500	1000
Напряжение ротора, В	200	140	140	250	291	190	185	222	160	330
Схема соединений обмотки статора	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y	Δ /Y

Расчетная записка должна содержать следующие разделы:

1. Выбор главных размеров двигателя.

2. Электромагнитный расчет.

3. Построение круговой диаграммы.

4. Расчет рабочих характеристик.

5. Расчет пусковых характеристик с учетом вытеснения тока и насыщения зубцов ротора (для короткозамкнутых двигателей).

6. Расчет потерь и КПД.

7. Тепловой и вентиляционный расчет.

8. Механический расчет вала и выбор подшипников.

9. Определение удельных весов и сравнение энергетических и весовых показателей с показателями серийных машин.

Расчет асинхронного двигателя начинается с выбора главных размеров: диаметра расточки статора D и расчетной длины пакета статора L_δ. При расчете и выборе главных размеров, необходимо руководствоваться следующими соображениями. Одним из основных стандартизированных МЭК и СЭВ параметров асинхронных двигателей, наряду с номинальной мощностью, является высота оси вращения. Поэтому главные размеры должны быть выбраны так, чтобы можно было обеспечить высоту оси вращения, /Гольд,115/.

Далее производится выбор обмотки, размеров и числа пазов на статор. При этом следует обратить внимание на правильный выбор числа пазов на полюс и фазу q; от величины q во многом зависят параметры и характеристики двигателя. Необходимо также иметь в виду, что двигатели мощностью свыше 5 кВт, как правило, выполняются с двухслойной обмоткой, применение которой позволяет получить лучшую форму кривой МДС и уменьшить расход обмоточного материала. Коэффициент заполнения паза должен выбираться в пределах от 0,65 до 0,75.

Обмотку статора электродвигателей с высотами оси вращения до 225 мм выполняют всыпной, а с высотой оси вращения 250 мм и выше – с жесткими секциями из прямоугольного эмальпровода.

По технологическим соображениям для статора с трапецеидальными полузакрытыми пазами выбирают круглый обмоточный провод диаметром не более 1,71 мм (с изоляцией) при ручной укладке и 1,33 мм при машинной. Для статора с прямоугольными полуоткрытыми пазами выбирают провод прямоугольного сечения площадью не более 10 мм², шириной не более 4,7 мм, а для статора с прямоугольными открытыми пазами выбирают провод прямоугольного сечения площадью не более 18 мм², шириной не более 7,4 мм. При этом высота эффективного проводника а_эф ограничена (для низковольтных машин - не более 2,12 мм, для высоковольтных машин – не более 2,5мм). Следует отметить, что один эффективный проводник может состоять из нескольких элементарных.

Для повышения использования электродвигателей, т.е. снижения удельного расхода материалов на единицу мощности (кг/кВт) при проектировании электродвигателей с высотой оси вращения до 160 мм применяют изоляцию класса В, а электродвигателей с большей высотой оси вращения - изоляцию класса F.

При выборе числа пазов короткозамкнутого ротора следует учитывать рекомендованные соотношения чисел пазов статора и ротора при прямых и скошенных пазах.

Расчет магнитной цепи производят в следующем порядке: определяются размеры и сечения магнитной цепи, средние длины магнитных силовых линий, индукции в расчетных сечениях на каждом участке, намагничивающие силы на отдельных участках и суммарную намагничивающую силу (МДС). Магнитная цепь асинхронной машины включает в себя следующие участки – воздушный зазор, зубцы статора, зубцы ротора, спинку статора, спинку ротора. Для асинхронных двигателей не требуется строить характеристику Ф=f(F_m), так как он при U= const работает при практически постоянном магнитном потоке, соответствующем постоянной намагничивающей силе холостого хода.

Затем рассчитывают параметры двигателя для рабочего режима (активные и индуктивные сопротивления) и по ним рассчитывают и строят круговую диаграмму. По круговой диаграмме следует определить и построить рабочие характеристики I₁, Cosφ, η, s=f (P₂) и определить величину максимального момента. Допускается аналитический расчет рабочих характеристик. Должны быть рассчитаны все составляющие потерь.

Получаемые в результате расчета значения кратности максимального момента должны быть не менее 2,2 (для электродвигателей с высотой оси вращения более 160 мм допускается М_м/М_н ≥ 1,9). Величина кратности начального пускового момента для электродвигателей мощностью до 7,5 кВт должна быть не менее 2,0; от 11 до 110 кВт не менее 1,2 и свыше 110 кВт не менее 0,9. номинальные значения кратности пускового тока должны быть не более 7,5.

Тепловой расчет следует проводить в соответствии с указаниями пособия для продолжительного номинального режима работы.

Заданием предусмотрены два конструктивных исполнения электродвигателей по способу защиты от воздействия окружающей среды: защищенное (IP23) и закрытое (IP44).

Валы и подшипники рассчитывают в соответствии с рекомендациями литературы /гольд/. Выводное устройство электродвигателей должно быть в виде коробки выводов закрытого исполнения. Коробка выводов электродвигателей с высотами оси вращения до 250 мм располагается сверху, а с высотами оси вращения 280-355 – с правой стороны свободного конца вала. Коробка выводов должна иметь доску зажимов, быть поворотной с фиксацией через каждые 90⁰. в коробке выводов предусматривается болт для присоединения заземляющей жилы, второй болт должен быть в станине двигателя.

Конструкция асинхронных двигателей должна соответствовать в основном конструкции машин серии RA, 4A, 5A, 6A, АИ /Алиев/.