Đồ án tính toán thiết kế tối ưu cho các loại động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc

LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay đông cơ điện được dùng phổ biến trong nhiều lĩnh vực sản xuất và đời sống .Trong tất cả các loại động cơ hiện nay, thì động cơ không đồng bộ công xuất nhỏ là một loại sản phẩm công nghiệp được phát triển mạnh mẽ trong gần nữa thế kỷ. Người ta giới hạn công suất của động cơ công suất nhỏ trong khoảng vài phần oát đến 750W, nhưng cũng có khi chế tạo đến 1,5KW. Căn cứ vào cách sử dụng và làm việc hoặc có thể chia động cơ này thành nhiều loại, trong có hai loại chính: loại công dụng và loại đặc biệt . Động cơ công suất nhỏ loại thông dụng chủ yếu được dùng trong công nghiệp nhẹ, cộng nghiệp thực phẩm, xí nghiệp y tế, nông nghiệp, các ngành tiểu thủ công nghiệp và sử dụng rộng rải trong đời sống hàng ngày.Cũng có khi dùng trong các loại trang bị tự động làm động cơ kéo phụ. Loại sau dùng trong trang bị tự động, hàng không, tàu thủy và cơ cấu khống chế khá. Động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc công suất nhỏ ba pha và một pha là loại phổ biến nhất trong các loại động cơ xoay chiều công suất nhỏ. Có thể dùng các động cơ này để kéo các máy tiện nhỏ, máy ly tâm, máy nén, máy bơm nước, máy xoay xát nhỏ, quạt gió, máy ghi âm … Trong thực tế người ta thường gặp trường hợp có động cơ điện ba pha nhưng chỉ có lưới điện cung cấp một pha. Gặp trường hợp này, trước đây ta phải quấn lại động cơ điện nhưng hiện nay vấn đề đó được giải quyết. Để hạ giá thành công nghệ đơn giản và sử dụng thuận lợi, người ta còn chế tạo một loại động cơ điện có kết cấu dây quấn và dây quấn chung cho tất cả các loại động cơ điện công suất nhỏ tức là thông dụng cho cả ba pha và một pha (với các loại phần tử khởi động khác nhau) gọi tắt là động cơ điện không đồng bộ công suất nhỏ vạn năng. Hiện nay phương pháp tính toán thiết kế tối ưu cho các loại động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc đều được thực hiện bằng máy tính. Nhưng để thực hiện được việc thiết kế tự động cũng phải nắm vững cách thiết kế bằng phương pháp thông thường. Trong đồ án thiết kế này động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc vạn năng (làm việc với nguồn ba pha và một pha) được thiết kế với các bước sau : Xác định kích thước cơ bản . Xác định các thông số dây quấn đối với nguồn ba pha và thông số dây quấn chính đối nguồn một pha. Xác định kích thước răng rãnh stata. Xác định kích thước răng rãnh rôto. Xác định các thông số dây quấn pha phụ. Tính toán kiển tra. Trong thời gian làm đồ án thiết kế này em được sự chỉ bảo tận tình của cô giáo Nguyễn Hồng Thanh. Nên đã hoàn thành được nội dung các phần tính toán thiết kế. Nhưng do thời gian và trình độ có hạn nên trong quá trình tính toán thiết kế không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong thầy cô gốp ý thêm cho em để hoàn thành đồ án tốt hơn . Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo bộ môn Thiết Bị Điện_Điện Tử đã tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp, đặc biệt là cô Nguyễn Hồng Thanh. Hà Nội: ngày 19 tháng 05 năm 2005 Sinh viên thiết kế PHẦN I TÌM HIỂU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VẠN NĂNG Thực chất của việc thiết động cơ không đồng bộ vạn năng là thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha và một pha. Do đó ta đi tìm hiểu động cơ không đồng bộ vạn năng như sau: Trong thực tế khi không có động cơ một pha ta sử dụng động cơ ba pha để làm việc với lưới điện một pha. Trong trường hợp này cuộn dây ba pha được nối với phần tử lệch pha theo một sơ đồ nhất định để tạo ra từ trường quay, thông thường là từ trường quay không đối xứng. Trên hình 3.20 vẽ các sơ đồ mạch điện khác nhau thường gặp của động cơ không đồng bộ ba pha khi làm việc với lưới điện một pha. Các sơ đồ hình 3.20a, b, c sử dụng khi các pha của cuộn dây stato nối cứng hình sao, các sơ đồ hình 3.20 d, d’, e được sử dụng khi cuộn dây stato nối cứng theo hình tam giác. Các sơ đồ c, e được coi là tốt nhất trong các sơ đồ trên vì có thể cho đặc tính khởi động và làm việc tương đối tốt nếu chọn đúng điện dung của tụ. Các sơ đồ 3.20 g, h được sử dụng trong trường hợp động cơ có sáu đầu ra. Khi mắc mạch dây quấn theo các sơ đồ trên động cơ gần như không khác so với động cơ hai pha thông thường: hai pha mắc nối tiếp tạo ra cuộn dây chính(cuộn dây làm việc), cuộn còn lại là cuộn phụ (cuộn khởi động) lệch pha 900 điện so với cuộn chính. Động cơ không đồng bộ vạn năng là động cơ có thể làm việc với lưới điện ba pha cũng như lưới điện một pha xoay chiều. Những động cơ này được chế tạo như những động cơ ba pha nhưng được tính toán sao cho với sơ đồ mắc mạch nhất định có thể cho ra những đặc tính chấp nhận được khi làm việc với lưới điện một pha. Thông thường khi nuôi bằng nguồn điện một pha động cơ có đặc tính làm việc và khởi động kém hơn và công suất chỉ bằng 70% đến 85% công suất của động cơ khi dùng nguồn ba pha. Cần chú ý rằng không phải bất cứ động cơ không đồng bộ ba pha nào cũng đều có thể chuyển sang làm việc với lưới điện một pha. Tỉ số răng rãnh giữa stato và gông rôto phải thích hợp không chỉ cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc ba pha mà cả một pha. Hình 3.20 Sơ đồ mắc mạch điện của động cơ ba pha để làm việc với nguồn một pha. Sự khác biệt giữa thiết kế ba pha và một pha của động cơ không đồng bộ vạn năng: Khi nghiên cứu thiết kế động cơ không đồng bộ vạn năng là ta đi tìm hiểu phương pháp thiết kế riêng từng phần cho từng loại riêng biệt (ba pha, một pha). Sau khi ta thiết kế xong cho ba pha xong ta tiến hành vẽ đặc tính làm việc cho ba pha và xem tất các yêu cầu mà nhà thiết kế đưa ra. Trước khi đi vào thiết kế cho một pha ta phải tìm hiểu thêm về thiết kế động cơ không đồng bộ một pha rôto lồng sóc. Mà bài toán nói về thiết kế cho một pha nó liên quan đến ba pha mà ta đã thiết kế vừa xong. Do đó ta phải thiết kế nhiều lần mới thoải mãn mà yêu cầu mà nhà thiết kế đưa ra về tốc độ, công suất, bội số mômen khởi động, bội số mômen max … Do đó muốn tìm hiểu rõ hơn chúng ta sẽ đi vào trình tự thiết kế cho ba pha và một pha của động cơ không đồng bộ vạn năng. Sau đây ta sẽ tiến hành đi thiết kế cho động cơ cho ba pha của động cơ vạn năng. PHẦN II CHƯƠNG I XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU 1.Công suất điện mức của động cơ điện ba pha đẳng trị :
Với
: Hệ số qui đổi tra theo sách động cơ không đồng bộ ba pha và một pha công suất nhỏ của thầy Trần Khánh Hà (tài liệu 1) trang 19 với động cơ ba pha. 2.Công suất tính toán của động cơ điện ba pha :
Trong đó :
Chọn

Chọn
3.Xét đến yêu cầu tiếng ồn ít, dùng thép cán nguội ký hiệu 2013: Chọn mật độ từ thông khe hở không khí
theo tài liệu 1 trang 23. 4.Chọn tải đường : Tải đường A=90 ( 180 (A/cm) Chọn tải đường A=157,517 (A/cm) theo tài liệu 1 trang 23 5.Đường kính ngoài stato : Theo tài liệu 1 trang 24 ta chọn như sau : Tỷ lệ giữa chiều dài lõi thép với đường kính trong và đường kính trong lõi sắt
Tỷ lệ giữa đường kính trong và ngoài : Mà KD=(0,485( 0,615) Ta chọn
Sơ bộ đường kính ngoài :

Trong đó :
(vòng/phút) Theo tài liệu 1 trang 26 căn cứ vào đường kính ngoài tiêu chuẩn của dãy 4A theo chiều cao tâm trục ta chọn như sau :

6.Đường kính trong stato :
7.Bước cực stato :
8.Chiều dài tính toán stato :
9.Chọn khe hở không khí : Khe hở không khí động cơ điện công suất nhỏ thường chọn trong khoảng sau : Với 2p=2 và Hn=9 (cm) tra được
theo sách thiết kế máy điện của thầy Trần Khánh Hà và cô Nguyễn Hồng Thanh trang 253. CHƯƠNG II DÂY QUẤN , RÃNH VÀ GÔNG STATO Việc chọn số rãnh của động cơ điện công suất nhỏ ở stato ZS và số rãnh rôto ZR có quan hệ mật thiết với nhau. Khi xét đến quan hệ đó phải chú ý đến các yếu tố sau đây : Đặc tính mômen M=f(n) không có chổ lõm nhiều do những mômen ký sinh đồng bộ và không đồng bộ sinh ra. Động cơ khi làm việc tiếng ồn do lực hướng tâm sinh ra nhỏ nhất. Tổn hao do phần răng sinh ra nhỏ nhất . Ngoài ra khi cho đường kính ngoài stato việc chọn số rãnh ZS còn phụ thuộc vào chiều rộng răng nhỏ nhất mà công nghệ cho phép. Chọn ZS=24 rãnh ZR=17 rãnh 10.Chọn kiểu dây quấn : Chọn dây quấn đồng khuôn bước ngắn. Khi sử dụng động cơ điện ba pha làm động cơ điện một pha ta nên dùng dây quấn bước ngắn
để giảm sóng không gian bậc 3 của từ thông làm ảnh hưởng đến đặc tính khởi động của động cơ điện một pha. Với ZS=24 rãnh 2p=2 m=3 Số rãnh của một pha dưới một cực :
Hệ số bước ngắn :
Bước dây quấn :
Góc điện giữa hai rãnh liên tiếp :
11.Hệ số dây quấn :

Trong đó :
:bậc một của sức từ động 12.Từ thông khe hở không khí : Sơ bộ chọn Hệ số bão hòa răng :
Hệ số cung cực từ :
Hệ số dạng sóng : kS=1,11
13.Số vòng nối tiếp của một pha :
(vòng) Trong đó : KE=0.7 ( 0,9 trang 44 sách tài liệu 1 ta chọn KE=0,9 14.Số thanh dẫn trong một rãnh :
(thanh dẫn) Trong đó : a=1 : số nhánh song song 15.Dòng điện pha định mức của động cơ :
Trong đó : m=3: số pha 16.Chọn mật độ dòng điện trong dây quấn động cơ: Thường chọn trong khoảng J=6 ( 8 (A/mm2) . Đối với vật liệu là đồng ta chọn J=6,12(A/mm2). 17.Tiết diện dây quấn sợ bộ :
Trong đó : Chọn n=1 :số sợi ghép song song 18.Chọn tiết diện dây quấn qui chuẩn : d=0,71(mm) dcđ=0,77(mm) SS=0,396 (mm2) 19.Rãnh và gông và stato : Căn cứ vào tiết diện dây dẫn trong rãnh này chiều rộng răng sẽ điều suốt chiều cao rãnh hơn nữa rãnh nữa quả lê sẽ có tiết diện lớn hơn dạng rãnh quả lê . 20.Sơ bộ định chiều rộng của răng : Lõi sắt của động cơ này dùng thép kỹ thuật điện cán nguội ký hiệu 2013. Hệ số ép chặt KC=0,96 bề mặt lá tôn phủ sơn cách điện . Đối với động cơ ít tiếng ồn thì mật độ từ thông trong răng vàgông stato không nên chọn quá lớn. Do đó ta chọn BZS=1,65(T) Bước răng stato :

, (mục 3) Chiều rộng răng stato :
21.Chiều cao gông stato :
22.Chọn kích thước rãnh : Chiều cao miệng rãnh h4S=0,5(mm) Chiều rộng miệng rãnh : b4S= dcd + (1,1 ( 1,5)= 0,77+ (1,1 ( 1,5) =(1,87 ( 2,27)(mm) Chọn b4S=2(mm) 23.Các kích thước rãnh khác :





(mm) 24.Chiều cao rãnh stato :
25.Chiều cao phần rãnh của răng : h12=hrS-0,5.(d1+2.h4S)=12,1-0,5(9+2.0,5) =6,92(mm) 26.Diện tích rãnh :

27.Diện tích cách điện rãnh : Cách điện rãnh của dãy động cơ công suất nhỏ 4A là một lớp bìa dán màn tổng hợp có chiều dày C= 0,2(mm). Dây quấn hai lớp nên dùng tấm lót giữa hai lớp là giấy cách điện có chiều dày là 0,2(mm). 1:Cách điện rãnh 2:Cách điện lớp 3:Dây quấn 4:Nêm Bảng kết cấu cách điện cách B Tên  Vật liệu  Kíchthước (mm)  Số lớp   Dây dẫn Cách điện lớp Nêm  Giấy cách điện Giấy cách điện Dùng một lớp cách điện úp lên  d/dcd=0,71/0,77 0,2 0,2 2  1 1 1  


28.Diện tích có ích của rãnh :
29.Hệ số lấp đầy rãnh :
Như vậy hệ số lấp đầy kd=0,72 < 0,75 thoả mãn yêu cầu. 30.Chiều cao gông stato thực sự :

31.Bề rộng răng stato :







CHƯƠNG III DÂY QUẤN RÃNH VÀ GÔNG RÔTO Căn cứ vào tiết diện dây dẫn trong rãnh để chọn dạng rãnh và kích thước rãnh. Chọn rãnh quả lê vì rãnh này chiều rộng răng sẽ điều suốt cả chiều cao rãnh. Hơn nữa tiết diện thanh dẫn rôto sẽ thoả mãn được yêu cầu .
Theo tài liệu 1 trang 66 ta chọn : Miệng rãnh rôto : b4R=1,5(mm) Chiều cao miệng rãnh rôto : h4R=0,5(mm) Để cho nhôm lấp đầy đáy rãnh khi đúc ta nên chọn đường kính đáy không được nhỏ hơn 2,5(mm). Do đó ta chọn d2R=2,5(mm). 32.Đường kính ngoài rôto :
Trong đó: D=89,4(mm) , (mục 6)
: khe hở không khí ( mục 9) 33.Bước răng rôto :
34.Sơ bộ định chiều rộng răng :
Trong đó : Chọn BZR=1,65(T)
,(mục 3) 35.Đường kính rãnh rôto :


Trong đó : ZR=17(rãnh) D=89,4(mm) , (mục 6)
, (mục 9) 36.Chiều cao phần thẳng của rãnh rôto :


Trong đó :
, (mục 35)
: Chiều rộng miệng rãnh rôto
: (mục 34)
: đường kính đáy nhỏ rôto. 37.Chiều cao rãnh :


38.Diện tích rãnh rôto :


39.Đường kính trong lõi sắt rôto :
Trong đó : D=89,4(mm), (mục 6) 40.Chiều cao gông rôto :
Trong đó : D’=88,6(mm), (mục 32) 41.Bề rộng răng rôto :







CHƯƠNG IV TRỞ KHÁNG CỦA DÂY QUẤN STATO VÀ RÔTO 42.Chiều dài phần bình quân phần đầu nối stato :
Trong đó : kI , B: hệ số kinh nghiệm l=6,44(cm) , (mục 8) Theo tài liệu 1 trang 71 ta có 2p=2 chọn: kI=1,2 , B=1(cm)
43.Chiều dài bình quân nữa vòng dây :
Trong đó : l=6,44(cm) , (mục 8) 44.Tổng chiều dài dây dẫn của dây quấn một pha :
Trong đó : WS=372(vòng) 45.Điện trở tác dụng của dây quấn stato :
Vì đây là cách điện cấp B nên chọn
tra theo tài liệu 1 trang 72 bảng 4.1 với vật liệu là đồng ở nhiệt độ
. SS=0,396(mm2) , (mục 18) 46.Tính theo đơn vi tương đối :
47.Hệ số từ tản rãnh stato : Dây quấn hai lớp hình nữa quả lê Theo bảng 4.2 trang74 tài liệu 1 tra hệ số
và
với dây quấn hai lớp ba pha ta có: Dây quân hai lớp ba pha
ta chọn :

Chiều cao :
Chiều cao h2:


Vì h2 có giá trị âm nên mép dưới của dây quấn ở phía dưới tâm của phần nữa vòng tròn đường kính d1 .


48.Hệ số từ tản tạp stato :
Theo công thức trong bảng 4.3 trang 80 tài liệu 1 thì hệ số :
Theo đường cong trong hình (4_3) đến hình (4_6) tài liệu 1 ta tra được các hệ số : F, G, F1, G1.

Do đó ta tra được : F=2,2 F1=0,28 G1=0,44 G=1 (vì
) Các hệ số :

Từ đường cong trong hình (4_7) tài liệu 1 tra được hệ số :
Hệ số


Vậy


Hệ số khe hở không khí :
Trong đó :

Khi đó :
Vậy :


Trong đó :
, (mục 7)
, (mục 42) 50.Tổng hệ số từ dẫn stato :


Trong đó :
, (mục 47)
, (mục 48)
, (mục 49) 51.Điện kháng tản dây quấn stato :


Trong đó : f=50(hz): tần số WS=372(vòng): (mục 13) q=4:số rãnh của một pha dưới một cực (mục 10) lS=6,44(cm) , (mục 8) 52.Tính theo đơn vị tương đối :
53.Điện trở thanh dẫn rôto : Rôto của động cơ điện được đúc bằng nhôm do đó :

Trong đó :
: Tra theo bảng 4.1 trang 72 tài liệu 1 với nhôm đúc rôto ở nhiệt độ 750C .
, (mục 8)
: tiết diện thanh dẫn cũng là diện tích rãnh rôto (mục 38). 54.Dòng điện trong thanh dẫn rôto :


Trong đó : kI=0,77 : hệ số này phụ thuộc chủ yếu vào
của máy trong tài liệu 2 sách thiết kế máy điện do thầy Trần Khánh Hà và cô Nguyễn Hồng Thanh .
(vòng), (mục 13) Iđm=2,162(A), (mục 15) kdS=0,8295, (mục 11) 55.Dòng điện trong vòng ngắn mạch :
56.Tiết diện vành ngắn mạch : Chọn mật độ trong vòng ngắn mạch J1=(3 ( 5)(A/mm2) trang 66 tài liệu 1 chọn mật độ Jv=(0,6 ( 0,8).J1=(0,6 ( 0,8).(3 ( 5) (A/mm2). Chọn Jv=2,1(A/mm2). Chọn bv= 3,2.h12R= 3,2.18,6 = 59,6(mm)


Vậy

57.Điện trở vành ngắn mạch của rôto :
58.Điện trở của phần tử rôto lồng sóc :

Trong đó :
:(mục 53)
:(mục 57) 59.Hệ số qui đổi điện trở rôto sang stato :
Trong đó : WS=372(vòng), (mục 13) ZR=17(rãnh)
, (mục 11)
: hệ số dây quấn rôto Để giảm mômen ký sinh ở động cơ công suất nhỏ thường làm rãnh nghiêng ở rôto,bước nghiêng quãng một bước rãnh stato. Do đó:
. Độ nghiêng rãnh :
Góc nghiêng rãnh :
(rad) Hệ số rãnh nghiêng đồng thời là hệ số dây quấn của rôto :
Vậy
60.Điện trở rôto đã qui đổi sang stato :
61.Tính theo đơn vị tương đối :
62.Hệ số từ tản rãnh rôto :



: hệ số cản. Đối với động cơ công suất nhỏ ta lấy
=1

63.Hệ số từ tản tạp rôto :
Trong đó :

Theo hình (4_7) trang 79 tài liệu 1 tra được hệ số
Vì

Trong đó :
, (mục 48)
, (mục 33) 64.Hệ số từ tản đầu nối rôto :


Trong đó : Dv=29(mm), (mục 56) av=4(mm), (mục 56) bv=59,6(mm), (mục 56) 65.Hệ số từ tản rôto :

Trong đó :
,(mục 62)
,(mục 63)
, (mục 64) 66.Tổng từ dẫn tản của rôto :

Trong đó :
, (mục 11)
, (mục 59) 67.Điện kháng tản dây quấn rôto qui đổi sang stato :
Trong đó :
:điện kháng dây quấn (mục 51)
: tổng hệ số từ dẫn (mục 50) 68.Tính theo đơn vị tương đối :
CHƯƠNG V TÍNH TOÁN MẠCH TỪ Tính toán mạch từ bao gồm tính dòng từ hoá
, thành phần kháng của dòng diện không tải và điện kháng tương ứng với khe hở không khí
. Lõi sắt của động cơ này dùng thép kỹ thuật điện cán nguội ký hiệu 2013. Hệ số ép chặt lấy
bề mặt lá tôn phủ sơn cách điện . 69.Sức từ động khe hở không khí :
(A) Trong đó :
: mật độ từ thông khe hở không khí (mục 3)
: hệ số khe hở không khí (mục 48)
(cm) :khe hở không khí (mục 9) 70.Mật độ từ thông trong răng stato :
(T) Trong đó :
, (mục 3)
, (mục 31)
, (mục 20) 71.Cường độ từ trường trên răng stato : Theo tài liệu 2 bảng V.5 trang 607 BZS=1,66(T) HZS=10,2(A/cm) 72.Sức từ động trên răng stato :
Trong đó : hZS=1,21(cm), (mục 24) 73.Mật độ từ thông trong răng stato :
Trong đó : tR=1,636(cm), (mục 33)
, (mục 41) 74.Cường độ từ trường trong răng : Theo tài liệu 2 (sách thiết kế máy điện do thầy Trần Khánh Hà và cô Nguyễn Hồng Thanh) trang 607 bảng V.5 ta tra được :

75.Sức từ động trên răng rôto :
Trong đó : hrR=15,1(mm), (mục 37)

, (mục 35) 76.Mật độ từ thông trên gông rôto :
Trong đó :
, (mục 30)
,(mục 12)
, (mục 8) 77.Cường độ từ trường trên răng stato : Theo tài liệu 2 bảng V.8 trang 610 tra được :

78.Sức từ động ở gông stato :
Trong đó :
, (mục 30) Dn=149(mm), (mục 5) 79.Mật độ từ thông trên gông rôto :
Trong đó :
, (mục 40) 80.Cường độ từ trường trên gông rôto : Theo tài liệu 2 sách thiết kế máy điện do thầy Trần Khánh Hà và cô Nguyễn Hồng Thanh trang 610 ta tra được :

81.Sức từ động trên gông rôto :
Trong đó :
, (mục 40) Các phần mạch từ  Mật độ từ thông (T)  Sức từ động (A)   Khe hở không khí 

  Rãnh stato 

  Rãnh rôto 

  Gông stato 

  Gông rôto 

  82.Sức từ động của mạch từ :


83.Hệ số bão hoà : Hệ số bão hoà mạch từ
Hệ số bão hoà răng :
Như vậy hệ số bão hoà răng
là thoả mãn điều kiện. 84.Dòng điện từ hoá :
85.Điện kháng ứng với từ trường khe hở không khí :
86.Tính theo đơn vị tương đối :
CHƯƠNG VI TÍNH TOÁN TỔN HAO Ta biết tổn hao sinh ra trong quá trình làm việc của máy điện về bản chất gắn liền với quá trình điện từ trong máy và chuyển động cơ của rôto. Tổn hao trong máy càng nhiều thì hiệu suất của máy càng thấp. Mặt khác tổn hao thoát ra dưới dạng nhiệt làm cho máy bị nóng sẽ làm giảm tuổi thọ và độ tin cậy cách điện của máy điện.