Đồ án Thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

lời nói đầu Cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội, đời sống sinh hoạt của nhân dân ngày càng được nâng cao, do đó cần thiết phát triển những loại máy điện mới. Tốc độ phát triển của các ngành công nông nghiệp, ngày càng đòi hỏi sự phát triển tương xứng ngành công nghiệp điện lực và ngành chế tạo máy điện cần đáp ứng những yêu cầu cao hơn. Đồng thời nhu cầu sử dụng điện năng ngày càng phát triển trong mọi lĩnh vực, đời sống sinh hoạt của con người. Do đó ngày càng cần thiết phát triển nhiều loại máy điện mới có các tính năng kỹ thuật cũng như công suất cao hơn. Đặc biệt động cơ điện được sử dụng ngày càng nhiều trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, thủ công nghiệp, trong các thiết bị tự động, các loại truyền động và trong các thiết bị gia dụng. Như vậy động cơ điện dùng làm nguồn động lực cho các loại thiết bị điện công suất nhỏ và lớn. Trong tất cả các loại động cơ điện thì động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc là một trong những loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhất vì công nghệ chế tạo đơn giản, giá thành hạ, dễ sử dụng, vận hành đơn giản, dễ bảo dưỡng sửa chữa. Hiện nay, phương pháp thiết kế tối ưu trong các loại động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc đều được thực hiện bằng máy tính. Đây là phương pháp toán học đã được dùng rộng rãi trong khoa học kỹ thuật. Nhưng để thực hiện được thiết kế tự động cũng cần hiểu rõ phương pháp thiết kế tính toán thông thường. ở đây, để tính toán thiết kế cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc ba pha. Trong quá trình tập tính toán thiết kế, vì thời gian, tài liệu và trình độ có hạn nên không tránh khỏi những sai sót xin được các thầy, cô lượng thứ và góp ý để tập thiết kế này được hoàn chỉnh hơn. Trong thời gian tập tính toán thiết kế, nhờ sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy Vũ Gia Hanh và các thầy cô trong bộ môn TBĐ-TĐ em đã hoàn thành tập thiết kế này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Hà nội ngày 24 tháng 4 năm 2003. Sinh viên : Nguyễn Hữu Thái Giới Thiệu Về Động Cơ Không Đồng Bộ Rôto Lồng Sóc Kết cấu động cơ điện rôto Máy điện không đồng bộ là loại máy điện xoay chiều chủ yếu dùng làm động cơ điện. Do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, hiệu suất cao, giá thành hạ nên động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc là loại máy được dùng rộng rãi nhất trong nghành kinh tế quốc dân với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kilôoat. Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, động lực cho các máy công cụ ở nhà máy công nghiệp nhẹ v...v..trong hầm mỏ dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng làm máy bơm máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh, v.v... Tóm lại, theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa, tự động hóa và sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi lồng sóc đơn giản, làm việc chắc chắn, có đặc tính làm việc tốt nhưng đặc tính mở máy của nó không được như của động cơ điện rôto dây quấn. Dòng điện mở máy thường lớn mà mômen mở máy lại không lớn lắm. Để cải thiện đặc tính mở máy của động cơ điện rôto lồng sóc, người ta đã chế tạo ra nhiều kiểu đặc biệt trong đó hiện nay dùng nhiều nhất là động cơ điện rôto rãnh sâu và rôto hai lòng sóc hay lồng sóc kép. Động cơ điện rôto rãnh sâu lợi dụng hiện tượng từ thông tản trong rãnh rôto gây nên hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện để cải thiện đặc tính mở máy. Để tăng hiệu ứng mặt ngoài rãnh rôto có hình dáng vừa hẹp, vừa sâu, thường tỷ lệ giữa chiều cao và chiều rộng rãnh vào khoảng 10 đến 12. Thanh dẫn đặt trong dãnh có thể coi như gồm nhiều thanh nhỏ đặt xếp lên nhau theo chiều cao và hai đầu được nối ngắn mạch lại bởi hai vành ngắn mạch, vì vậy điện áp hai đầu các mạch song song đó bằng nhau, do đó sự phân phối dòng điện trong các mạch phụ thuộc vào điện kháng tản của chúng. Khi mở máy lúc đầu dòng điện dây quấn rôto có tần số lớn nhất bằng tần số lưới f1 từ thông tản cũng biến thiên theo tần số đó. Kết quả việc dòng điện tập trung lên trên, tiết diện tác dụng của dây dẫn coi như bị nhỏ đi điện trở rôto tăng lên và như vậy làm cho mômen mở máy tăng lên. Mặt khác dòng điện tập chung lên trên cũng làm giảm tổng từ thông móc vòng đi một ít, nghĩa là x2 sẽ nhỏ đi. Hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện phụ thuộc vào tần số và hình dáng của rãnh, vì vậy khi mở máy tần số cao, hiệu ứng mặt ngoài mạnh. Khi tốc độ máy tăng lên, tần số dòng điện rôto giảm xuống nên hiệu ứng mặt ngoài giảm đi, dòng điện dần dần phân bố lại đều đặn vì vậy dòng điện trở rôto r2 coi như nhỏ trở lại, điện kháng tản quy đổicủa rôto do tần số lưới x2 tăng lên, đến khi máy làm việc bình thường thì do tần số dòng điện rôto thấp khoảng 2 đến 3 Hz hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài hầu như không có, do đó động cơ điện rãnh sâu trên thực tế có đặc tính làm việc như các máy loại thường. Trong quá trình mở máy động cơ điện, mômen mở máy là đặc tính chủ yếu nhất trong những đặc tính mở máy của động cơ điện. Muốn cho máy quay được thì mômen mở máy của động cơ điện phải lớn hơn mômen tải tĩnh. Theo yêu cầu của nhà sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúc làm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần. Tùy theo tính chất của tải và tình hình của lưói điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơ điện cũng khác nhau. Có khi yêu cầu mở máy lớn, có khi cần hạn chế dòng điện mở máy và có khi cần cả hai. Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điện phải có tính năng mở máy thích ứng. Trong nhiều trường hợp, do phương pháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính năng mở máy không thích đáng nên thường hỏng máy. Nói chung khi mở máy một động cơ cần xét đến những yêu cầu cơ bản sau: + Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải. + Dòng điện mở máy càng nhỏ càng tốt. + Phương pháp mở máy và thiết bị cần dùng đơn giản, rẻ tiền, chắc chắn. + Tổn hao công suất trong quá trình mở máy càng thấp càng tốt. Tính Toán Thiết Kế Động Cơ Không Đồng Bộ Ba Pha rôto Lồng Sóc Pđm= 40 kW Uđm= 220/380 V p = 2 f = 50 Hz
% = 91,5 cos
= 0,91
7
1,1 Kiểu kín , cách điện cấp E, làm việc liên tục. A. Kích thước chủ yếu : 1.Tốc độ đồng bộ: nđb (v/ph) Ta có : số đôi cực p = 2
2p = 4 Từ công thức: p =


n1 =
= 1500 (v/ph ) Trong đó: f1 = 50 HZ 2. Đường kính ngoài stato: Theo giáo trình thiết kế máy điện PGS_ Trần Khánh Hà và PTS_Nguyễn Hồng Thanh , động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc có: Với P = 40 kW , 2p = 4 ta chọn h = 200 mm = 20 cm ( theo hình 10-1). Theo ( bảng 10.3 trang 230 TKMĐ ) với h = 20 cm có đường kính ngoài stato tiêu chuẩn : Dn= 34,9 cm 3. Đường kính trong stato : Theo( bảng 10.2 trang 230 TKMĐ) có kD = 0,64
0,68 D = kD. Dn = ( 0,64
0,68 ) 34,9 = 22,34
23,73 cm Lấy: D = 23,5 cm 4. Công suất tính toán: P’ =
= 47 kVA Trong đó: kE = 0,98 lấy theo ( hình 10-2 trang 231 TKMĐ ) Pđm = 40 kV
= 0,915 cos
= 0,91 5. Chiều dài tính toán của lõi sắt stato : Sơ bộ chọn : kd = 0,92 ( hệ số dây quấn ) Lấy
0,64 ( hệ số xung cực từ ) ks =
= 1,11 ( hệ số sóng hình sin ) kz = 1,2 ( hệ số bão hòa răng ) Theo ( hình 10-3a trang 233 TKMĐ ) ta chọn : A = 365 (A/cm) B
= 0,77 T
Trong đó: P’ = 47 kVA
0,64 ( hệ số cung cực từ ) kd = 0,92 ( hệ số dây quấn ) A = 365 A/cm ( tải đường ) B
= 0,77 T ( mật độ từ thông khe hở không khí ) D = 23,5 cm ( đường kính trong stato) n1 = 1500 v/ph
18,48 cm Lấy :
18,8 cm Do lõi sắt ngắn nên làm thành một khối Chiều dài lõi sắt stato, rôto bằng: l1 = l2=
18,8 cm 6. Bước cực :
18,5 cm Trong đó : D = 23,5 cm p = 2 7. Lập phương án so sánh: Hệ số:
1,016 Trong dãy động cơ không đồng bộ K công suất 40 kW, 2p = 4 có cùng đường kính ngoài ( nghĩa là cùng chiều cao tâm trục h ) với máy công suất 47 kW, 2p = 4 . Hệ số tăng công suất của máy này là

1,175 do đó
của máy 47 kW bằng :
47 =
.
40 = 1,175 . 1,016 = 1,193 Vậy :
40 = 1,016
47 = 1,193 Theo( hình 10-3b trang 235 TKMĐ ) hai hệ số
40 và
47 đều nằm trong phạm vi kinh tế do đó việc chọn phương án trên là hơp lý . 8. Dòng điện pha định mức : I1 =
= 72,7 A Trong đó : U1 = 220 V P = 40 KW
= 0,915 cos
= 0,91 B. Dây quấn , rãnh stato và khe hở không khí : 9. Số rãnh stato: Lấy q1 = 4 Z1 = 2m. p. q1 = 2. 3. 2. 4 = 48 rãnh Trong đó : m = 3 pha p = 2 q1 = 4 10. Bước rãnh stato : t1
1,538 cm Trong đó: D = 23,5 cm Z1 = 48 rãnh 11. Số thanh dẫn tác dụng của một rãnh: Chọn số mạch nhánh song song: a1 = 4 Ur1 =
30,88 Trong đó : A = 365 A/cm t1 = 1,538 cm a1 = 4 I1 = 72,7 A Lấy : Ur1 = 30 thanh 12. Số vòng dây nối tiếp của một pha : W1 = p. q1
vòng W1 = 60 vòng Trong đó : p = 2 q1 = 4 Ur1 = 30 thanh 13. Tiết diện và đường kính dây dẫn: Theo( hình 10-4 trang 237 TKMĐ ) chọn tích số AJ = 1880 A
/cm.mm
Mật độ dòng điện: J’1 =
= 5,15
A/ mm
Tiết diện dây(sơ bộ) : S’1 =
= 1,764 mm
Trong đó : I1đm = 72,7 A a1 = 4 ở đây lấy: n1 = 2 sợi J’1 = 5,15 A/ mm2 Theo phục lục VI, bảng VI.1 ( trang 646 TKMĐ ) chọn dây đồng tráng men PETV có đường kính :
s = 1,767 mm
14. Kiểu dây quấn : Chọn dây quấn hai lớp bước ngắn với y = 10
0,833 15. Hệ số dây quấn : Hệ số bước ngắn: ky = sin
= sin
0,966 Hệ số bước dải: kr =
0,958 Trong đó :
= 150 Hệ số dây quấn : kd = ky. kr = 0,966. 0,958 = 0,925 Trong đó : ky = 0,966 kr = 0,958 16. Từ thông khe hở không khí :
0,0174 Wb Trong đó : kE = 0,98 U1 = 220 V ks = 1,11 kd = 0,925 f = 50 Hz W = 60 vòng 17. Mật độ từ thông khe hở không khí :
0,78 T Trong đó :
0,0174 Wb
0,64
18,5 cm l1 = 18,8 cm 18. Sơ bộ đinh chiều rộng của răng stato: b’Z1 =
0,737 cm Trong đó:
T l1 = 18,8 cm t1 = 1,538 cm ở đây lấy BZ1 = 1,75 T( theo bảng 10.5b trang 241TKMĐ) và hệ số ép chặt lõi sắt: kc = 0,93 ( có phủ sơn ) 19. Sơ bộ định chiều cao gông stato: h’g1 =
3,2 cm Trong đó:
0,0174 Wb kc = 0,93 l1 = 18,8 cm ở đây lấy Bg1= 1,55 T (theo bảng 10.5 kiểu máy IP44 trang 240 TKMĐ ) 20. Kích thước rãnh và cách điện: b41 = dcđ + 1,5 = 1,585 + 1,5 = 3,085 mm Lấy : b41 = 3 mm h41 = ( 0,4
0,8) mm Lấy : h41 = 0,5 mm - Tính d1:


d1 = 10,5 mm = 1,05 cm Trong đó: Dn = 34,9 cm h’g1= 3,2 cm Z1 = 48 rãnh - Tính d2 :


d2 = 8,6 mm = 0,86 cm Theo ( bảng VIII.1 trang 629 TKMĐ ) chiều dầy cách điện rãnh l c = 0,4 mm c’ = 0,5 mm Vậy ta có kích thước rãnh stato: hr1 = 28,5 mm h12 = 22 mm h41 = 0,5 mm d1 = 10,5 mm d2 = 8,6 mm b41= 3 mm c = 0,4 mm c’ = 0,5 mm - Diện tích rãnh trừ nêm: S’r =
Trong đó : d1 = 10,5 mm d2 = 8,6 mm h12 = 22 mm S’r =
S’r = 241 mm2 - Diện tích cách điện rãnh: Chiều rộng của miếng cactông nêml à (
d2/2 ) của tấm cách điện giữa hai lớp là ( d1+d2 )
Scđ
Trong đó : c = 0,4 mm c’ = 0,5 mm Scđ
Scđ = 39 mm2 - Diện tích có ích của rãnh stato : Sr1 = S/r - Scđ = 241- 39 = 202 mm2 - Hệ số lấp đầy rãnh: kd =
= 0,746 Trong đó: ur = 30 thanh dcđ = 1,585 cm Sr = 202 mm2 n1 = 2 21. Bề rộng răng stato : b’’Z1
b’’Z1
= 0,74 cm b’’’Z1
b’’’Z1
= 0,781 cm Trong đó : D = 23,5 cm h41 = 0,05 cm h12 = 2,2 cm d1 = 1,05 cm d2 = 0,86 cm Z1 = 48 rãnh bZ1

= 0,76 cm bZ1 = 0,76 cm 22. Chiều cao gông stato : hg1
Trong đó : Dn = 34,9 cm D = 23,5 cm hr1 = 2,85 cm d1 = 1,05 cm hg1
= 3,1 cm 23. Khe hở không khí:
= 0,644 mm Theo những máy đã chế tạo ( bảng 10.8 trang 253 TKMĐ ) ta lấy:
= 0,7 mm = 0,07 cm C. Dây quấn , rãnh và gông rôto: 24. Số rãnh rôto: Chọn theo ( bảng 10.6 trang 246 TKMĐ): Z2 =38 rãnh 25. Đường kính ngoài rôto: D’ = D – 2
= 23,5 – 2. 0,07 = 23,36 cm 26. Bước răng rôto : t2
= 1,930 cm Trong đó: D’ = 23,36 cm Z2 = 38 rãnh 27. Sơ bộ định chiều rộng răng rôto: b’Z2 =
= 0,9249 cm Trong đó:
= 0,78 T t2 = 1,930 cm kc = 0,93 ở đây lấy BZ2 = 1,75 T ( theo bảng 10.5b kiểu máy IP44 trang 241 TKMĐ) 28. Đường trục rôto: Dt = 0,3.D = 0,3.23,5 = 7,05 cm Lấy : Dt = 7 cm 29. D òng điện trong thanh dẫn rôto : Itd = I2 = k1. I1
Itd = I2 = 0,95. 72,7
= 605 A Trong đó: kI = 0,95 lấy theo hình 10-5 trang 244 TKMĐ I1 = 72,7 A W1 = 60 vòng kd1 = 0,925 Z2 = 38 rãnh Vậy : Itd = I2 = 605 A 30. Dòng điện trong vành ngắn mạch: Iv = Itd
= 1838 A Trong đó: Itd = 605 A Z2 = 38 rãnh p = 2 31. Tiết diện thanh dẫn bằng nhôm: S’td
= 201,7 mm2 Trong đó: Chọn :J2 = 3 (A/ mm2) Itd = 605 A 32. Sơ bộ chọn mật độ dòng điện trong vành ngắn mạch: Jv = 2,5 A/ mm2 Iv = 1838 A Tiết diện vành ngắn mạch : Sv
= 735 mm2 33. Kích thước rãnh rôto và vành ngắn mạch: Khi chiều cao tâm trục h = 200 mm . Ta chọn vành tôto có cạnh song song hình ôvan đường kính : d1 = d2 = 7 mm = 0,7 cm
h22 =
= 20 mm Trong đó: Std = 201,7 mm2
hr2= h22 + h42 + d = 20 + 0,5 + 7 = 27,5 mm = 2,75 cm Chọn:b42 = 1,5 mm h42 = 0,5 mm Vậy ta có kích thước rãnh rôto: hr2 = 27,5 mm h22 = 20 mm h42 = 0,5 mm b42 = 1,5 mm d1 = d2 = 7 mm a. b = 40.19 Dv = D – ( a + 1) = 235 – ( 40 + 1) = 194 mm = 19,4 cm Trong đó: D = 235 mm
 34. Diện tích rãnh rôto: Sr2 =
d2 + h22 .d =
72 + 20 . 7 = 178,5 mm2 Sr2 = 178,5 mm2 Trong đó: d = 7 mm h22 = 20 mm 35. Diện tích vành ngắn mạch: a . b = 40 . 19 = 760 mm2 36. Bề rộng răng rôto ở 1/3 chiều cao răng:

= 0,9245 cm Trong đó : D’ = 23,36 cm h42 = 0,05 cm h22 = 2 cm d = 0,7 cm Z2 = 38 rãnh 37. Chiều cao gông rôto:
Trong đó: D’ = 23,36 cm Dt = 7 cm hr2 =2,7 cm d2 = 0,7 cm hg2 =
= 5,5 cm 38. Làm nghiêng rãnh ở rôto: Độ nghiêng bằng một bước rãnh stato bn
t1 = 1,538 cm
bn= 1,54 cm D. Tính toán mạch từ: 39. Hệ số khe hở không khí :
= 1,099 Trong đó: t1 = 1,538 cm
= 0,7 mm = 0,07 cm b41 = 3 mm
= 1,978
= 1,023 Trong đó: t2 = 1,930 cm
= 0,7 mm = 0,07 cm b42 = 1,5 mm = 0,15 cm
= 0,643 Vậy :
= 1,099 . 1,023 = 1,124 40. Dùng thép kỹ thuật điệncán nguội loại 2212 : 41. Sức từ động khe hở không khí:
Trong đó:
= 0,78 T
= 1,124
= 0,07 cm Vậy :
= 1,6. 0,78. 1,124. 0,07. 104 = 982 A
= 982 A 42. Mật độ từ thông ở răng stato: BZ1 =
= 1,704 T Trong đó:
= 0,78 T t1 = 1,538 cm l1 = 18,8 cm bZ1 = 0,76 cm kc = 0,93 43. Cường độ từ trường trên răng stato : Theo ( phụ lục V- Bảng V.6 trang 608 TKMĐ ) có: HZ1 = 19,2 ( A/cm ) 44. Sức từ động trên răng stato: FZ1 = 2h’Z1. HZ1 = 2. 2,5. 19,2 = 96 A Trong đó: HZ1 = 19,2 A/cm hr1 = 28,5 mm d1 = 10,5 mm h’Z1
= 25 mm =2,5 cm 45. Mật độ từ thông ở răng rôto: BZ2 =
= 1,724 T Trong đó:
= 0,78 T t2 = 1,930 cm l2 = 18,8 cm bZ2 = 0,9245 cm kc = 0,93 46. Cường độ từ trường trên răng rôto: Theo ( phụ lục V- Bảng V.6 trang 608 TKMĐ ) có: HZ2 = 20,3 (A/cm) 47. Sức từ động trên răng rôto: FZ2 =2h’Z2. HZ2 = 2. 2,516. 20,3 = 102 A Trong đó: HZ2 = 20,3 A/cm hr2 = 27,5 mm d1 = 10,5 mm h’Z2
= 25,16 mm = 2,516 cm 48. Hệ số bão hoà răng: kZ =
= 1,206 Trong đó:
= 982 A FZ1 = 96 A FZ2 = 102 A Như vậy trị số này gần đúng với trị số giả thiết ban đầu kZ =1,2nên ta không cần tính lại.
49. Mật độ từ thông trên gông stato: Bg1
= 1,571 T Trong đó :
= 0,0174 Wb hg1= 3,1 cm l1 = 18,8 cm kc = 0,95 50. Cường độ từ trường ở gông stato: Theo bảng V.9 trang 611 ở phụ lục V TKMĐ có: Hg1 = 13,7 A/cm 51. Chiều dài mạch từ ở gông stato: Lg1
= 25 cm Trong đó: Dn = 34,9 cm hg1 = 3,1 cm p = 2 52. Sức từ động ở gông stato: Fg1 = Lg1. Hg1 = 25. 13,7 = 342 A Trong đó: Lg1 = 25 cm Hg1 = 13,7 cm 53. Mật độ từ thông trên gông rôto: Bg2
= 0,904 T Trong đó:
= 0,0174 Wb hg2= 5,5 cm l2 = 18,8 cm kc = 0,93 54. Cường độ từ trường ở gông rôto: Theo bảng V.9 trang 611 ở phụ lục V TKMĐ có: Hg2 = 2,31 A/cm 55. Chiều dài mạch từ ở gông rôto: Lg2
= 9,8 cm Trong đó: Dt = 7 cm hg2 = 5,5 cm p = 2 56. Sức từ động trên gông rôto: Fg2 = Lg2. Hg2 = 9,8. 2,31 = 22 A Trong đó: Lg2 = 9,8 cm Hg2 = 2,31 cm 57. Tổng sức từ động của mạch từ: F =
+ FZ1 + FZ2 + Fg1 + Fg2 Trong đó:
= 982 A FZ1 = 96 A FZ2 = 102 A Fg1 = 342 A Fg2 = 22 A F = 982 + 96 + 102 + 342 + 22 = 1544 A F = 1544 A 58. Hệ số bão hoà toàn mạch:
= 1,57 59. Dòng điện từ hoá:
= 20,6 A Trong đó: p = 2 F = 1544 A W1 = 60 vòng kd1 = 0,925 - Dòng điện từ hoá %:
28,3 % Trong đó:
= 20,6 A Iđm = 72,7 A E. Tham số của động cơ điện ở chế độ định mức : 60. Chiều dài phần đầu nối của dây quấn stato : lđ1 = Kđ1.
+ 2B = 1,3 + 17,2 +2. 1 = 24,4 cm Trong đó:
= 17,2 cm Kđ1 = 1,30 ( theo bảng 3.4 trang 49 TKMĐ )