THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KĐB XOAY CHIỀU 3 PHA ROTO LỒNG SÓC Pđm = 5,5 kW

Đề tài: Tính toán, thiết kế động cơ KĐB xoay chiều ba pha rôto lồng sóc có Pđm = 5,5 kW; Uđm=220/380-Δ/Y; f=50 hz; 2p=4; η=0,85.

GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ

Cấu tạo

Động cơ không đồng bộ về cấu tạo được chia thành hai loại chính: động cơ có rôto lồng sóc và động cơ có rôto dây quấn Stator của hai loại là như nhau Trong đồ án này, chúng ta chỉ nghiên cứu rôto lồng sóc.

Hình 1 1: Lõi thép stator a Stato (phần tĩnh)

Stato bao gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn

Vỏ máy là bộ phận cố định lõi sắt và dây quấn, đồng thời là nơi ghép nối nắp hoặc gối đỡ trục và bảo vệ các thành phần bên trong Vỏ máy có thể làm bằng gang, nhôm hoặc thép, được chế tạo bằng đúc, hàn hoặc rèn Có hai kiểu vỏ máy: kín và bảo vệ Vỏ kín đòi hỏi diện tích tản nhiệt lớn nên được thiết kế với nhiều gân tản nhiệt trên bề mặt; còn vỏ bảo vệ có bề mặt ngoài nhẵn và gió làm mát thổi trực tiếp trên bề mặt ngoài lõi thép và bên trong vỏ máy.

Hộp cực là nơi tiếp điện từ lưới vào động cơ Đối với động cơ kiểu kín, hộp cực phải được kín, giữa thân hộp cực và vỏ máy với nắp hộp cực phải có gioăng cao su Trên vỏ máy còn có bulông vòng để cẩu máy khi nâng hạ và vận chuyển, đồng thời có bulông tiếp mát để liên kết hệ làm mát.

Lõi sắt là phần dẫn từ của máy điện, vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay, nên để giảm tổn hao lõi sắt được chế tạo từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5 mm; bề mặt từng lá thép được phủ một lớp sơn cách điện mỏng nhằm giảm tổn hao do dòng điện xoáy gây ra.

11 nên, các lá thép được ép lại thành khối Yêu cầu lõi sắt là phải dẫn từ tốt, tổn hao sắt nhỏ và chắc chắn

Dây quấn stato được đặt vào rãnh của lõi sắt và có lớp cách điện tốt so với lõi sắt Dây quấn đóng vai trò then chốt trong máy điện vì nó trực tiếp tham gia vào quá trình biến đổi năng lượng từ điện năng thành cơ năng và ngược lại; đồng thời, về mặt kinh tế, giá thành của dây quấn chiếm một phần khá lớn trong tổng chi phí của máy Phần quay (Rôto) sẽ là phần còn lại của máy điện được trình bày ở phần sau.

Rôto của động cơ không đồng bộ gồm lõi sắt, dây quấn và trục (đối với động cơ rôto dây quấn còn có vành trượt)

Hình 1 2 Lồng sóc và rôto của động cơ không đồng bộ

Lõi sắt của rôto được làm từ các lá thép kỹ thuật điện như của stato, nhưng khác ở chỗ không cần sơn cách điện giữa các lá thép vì tần số làm việc trong rôto rất thấp, chỉ vài Hz nên tổn hao do dòng phu (dòng xoáy) trong rôto rất thấp Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên giá rôto của máy, và phía ngoài của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn rôto.

- Dây quấn rôto lồng sóc

Kết cấu của loại dây quấn rotor rất khác so với dây quấn stato Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor, các thanh dẫn bằng đồng hoặc nhôm được đặt thò ra khỏi lõi và được nối tắt lại ở hai đầu bằng các vòng ngắn mạch bằng đồng hoặc nhôm Nếu rotor là rôto đúc nhôm, trên vành ngắn mạch còn có các cánh quạt gió để tăng khả năng làm mát.

Rôto thanh đồng được chế tạo từ đồng hợp kim có điện trở suất cao nhằm mục đích nâng cao mô men mở máy và giảm tổn hao

Để cải thiện tính năng khởi động ở động cơ có công suất lớn, người ta thiết kế rãnh rotor sâu hoặc dùng lồng sóc kép; đối với máy điện có công suất nhỏ, rãnh rotor được làm chéo góc so với tâm trục nhằm tối ưu hóa khả năng khởi động và hiệu quả vận hành.

Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt

Trục máy điện mang rôto quay trong lòng stator nên là một chi tiết rất quan trọng trong cấu trúc máy Trục của máy điện có thể được chế tạo từ thép cacbon tùy thuộc vào kích thước và yêu cầu cơ lý, với hàm lượng carbon từ 0,5% đến 4,5% Trên trục của rôto có lõi thép, dây quấn và quạt gió để tản nhiệt và đảm bảo vận hành ổn định.

Khe hở

Vì rôto là một khối tròn nên khe hở giữa stato và rôto được phân bố đều và rất nhỏ, dao động khoảng 0,2–1 mm ở các máy cỡ nhỏ và vừa, nhằm hạn chế dòng từ hóa và từ đó tăng hệ số công suất của máy điện không đồng bộ.

Phân loại

- Theo kết cấu vỏ, máy điện không đồng bộ có thể chia làm các kiểu chính sau: Kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ

- Theo kết cấu của rôto, máy điện không đồng bộ được chia làm hai loại: rôto kiểu lồng sóc và rôto kiểu dây quấn

- Theo số pha trên dây quấn stato có thể chia làm các loại: một pha, 2 pha và ba pha

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MOTOR RÔTO LỒNG SÓC

Trong máy cảm ứng 3 pha, dòng điện xoay chiều cấp cho cuộn dây stator tạo năng lượng và sinh ra từ thông quay Từ thông quay sinh ra một trường từ ở khe hở giữa stator và rotor, nơi không khí lọt vào, cảm ứng điện áp và gây ra dòng điện cảm ứng chạy qua các thanh rotor.

Khi hệ thống được kích hoạt, mạch và dòng điện bên trong dây dẫn rotor được kích hoạt đồng thời Sự tương tác giữa từ thông quay và dòng điện tạo ra một lực—mô men xoắn—đóng vai trò then chốt để khởi động và bắt đầu quá trình vận hành của động cơ.

Rotor máy phát điện được cấu thành từ một cuộn dây quấn quanh lõi sắt Thành phần từ tính của rotor được chế tạo từ các lớp thép nhằm hỗ trợ dập các khe dẫn, từ đó tạo nên hình dạng và kích thước cụ thể cho rotor Khi dòng điện chạy qua cuộn dây, một từ trường được hình thành quanh lõi.

Điện áp và cường độ dòng điện một chiều (DC) quyết định mức năng lượng của từ trường và từ trường quay được điều khiển theo một hướng nhờ dòng DC đi qua cuộn dây và bộ chổi Giống như nam châm bất kỳ, từ trường tạo ra có hai cực – cực Bắc và cực Nam Động cơ được thiết kế để rotor quay theo chiều kim đồng hồ và nhận năng lượng từ nguồn DC, nhờ sự tương tác của nam châm và từ trường được tích hợp trong rotor Nhờ cách điều khiển này, động cơ có thể hoạt động bằng cách điều chỉnh nam châm và từ trường bên trong rotor, cho phép động cơ quay ngược lại so với chiều kim đồng hồ tùy thuộc vào cấu hình.

CÔNG DỤNG

Máy điện không đồng bộ là động cơ điện phổ biến nhờ cấu tạo đơn giản, vận hành bền bỉ, hiệu quả cao, giá thành rẻ và dễ bảo dưỡng Với những ưu điểm này, động cơ không đồng bộ được sử dụng rộng rãi từ công suất vài chục W đến hàng chục kW làm nguồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ, cho các máy công cụ ở ngành công nghiệp nhẹ và các thiết bị máy móc khác Trong khai thác mỏ, nó được dùng làm máy tưới và quạt gió; trong nông nghiệp, làm máy bơm và máy gia công nông sản Trong đời sống hàng ngày, máy điện không đồng bộ đóng vai trò quan trọng với các ứng dụng như quạt gió, động cơ tủ lạnh, máy giặt và máy bơm nước, đặc biệt ở loại rotor lồng sóc Tóm lại, sự phát triển của nền sản xuất điện khí hóa, tự động hóa và sinh hoạt hằng ngày làm phạm vi ứng dụng của máy điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi.

Máy điện không đồng bộ có thể dùng làm máy phát điện, nhưng đặc tính và hiệu suất của nó không bằng máy điện đồng bộ Vì vậy, nó thường chỉ được sử dụng trong một số trường hợp đặc thù, như trong quá trình điện khí hóa nông thôn hoặc khi cần nguồn điện phụ hay tạm thời Trong những hoàn cảnh này, máy phát điện không đồng bộ vẫn có ý nghĩa rất quan trọng, giúp cung cấp nguồn điện dự phòng và hỗ trợ vận hành hệ thống điện khi nguồn chính chưa sẵn sàng.

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KĐB 3 PHA RÔTO LỒNG SÓC

XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU

Các kích thước chủ yếu của động cơ điện không đồng bộ là đường kính trong stator D và chiều dài lõi sắt l Việc chọn các kích thước này nhằm chế tạo ra một máy kinh tế hợp lý, có tính năng phù hợp với tiêu chuẩn nhà nước Tính kinh tế của máy không chỉ dựa trên vật liệu dùng để chế tạo mà còn xét đến quá trình chế tạo trong nhà máy, như sự thông dụng của các khuôn dập, vật đúc, cũng như các kích thước và chi tiết tiêu chuẩn hóa.

2.1.1 Tốc độ đồng bộ: nđb v ph( / )

Ta có: Số đôi cực: 2p=4 => p=2

2.1.2 Đường kính ngoài stato Đường kính ngoài D n có liên quan mật thiết với kết cấu động cơ, cấp cách điện và chiều cao tâm trục h đã được tiêu chuẩn hóa Vì vậy thường chọn Dn theo h Ở nước ta hay dùng quan hệ giữa đường kính ngoài và chiều cao tâm trục h của các động cơ điện không đồng bộ Hungary dãy VZ cách điện cấp E và của Nga dãy 4A cách điện cấp F

Theo giáo trình thiết kế máy điện PGS_Trần Khánh Hà và PTS_Nguyễn Hồng Thanh, động cơ điện KĐB roto lồng sóc có:

Với P đm =5,5kW; 2p=4 ta chọn h2mm,2cm (theo hình 10-1[1])

Theo (bảng 10.3 trang 230 [1]) với h,2cm có đường kính ngoài stato tiêu chuẩn

Theo bảng 10.2 trang 230 [1] phụ thuộc vào số đôi cực, với 2p=4 ta tra được có kD=0,640,68

P   k P    (2.3) Trong đó: kE: là hệ số công suất định mức Chọn k E =0,968 theo hình 10-2[1] cos : hệ số công suất Chọn cos =0,86 theo bảng 10.1[1]

2.1.5 Chiều dài tính toán của lõi sắt stato ( l 1 )

Chiều dài lõi sắt stato được xác định:

Trong đó: kd: hệ số dây dẫn

: hệ số dạng xung cực từ k s: hệ số dạng sóng hình sin

B  : Mật độ từ thông khe hở không khí

 Chọn sơ bộ: kd=0,96: hệ số dây quấn một lớp, theo trang 231[1]

Việc lựa chọn tham số A và B ảnh hưởng rất lớn đến kích thước chủ yếu của đường kính trong và chiều dài lõi sắt stato Đứng về mặt tiết kiệm vật liệu, nên chọn giá trị của A và B sao cho tối ưu hóa cân bằng giữa hiệu suất và chi phí vật liệu, giảm thiểu thể tích lõi mà vẫn đảm bảo độ bền và khả năng làm việc của động cơ.

Việc chọn tham số A và Bδ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và tuổi thọ của động cơ không đồng bộ Khi A và Bδ quá lớn, tổn hao đồng và sắt tăng lên, làm máy nóng và giảm tuổi thọ vận hành Vì vậy cần xét đến vật liệu sử dụng để quyết định giá trị của A và Bδ Nếu dùng vật liệu sắt từ tốt có tổn hao thấp và độ từ thẩm cao, có thể chọn Bδ lớn Ngược lại, nếu dùng dây đồng có cấp cách điện cao, có thể chọn A lớn Bên cạnh đó, tỷ số giữa A và Bδ cũng ảnh hưởng đến đặc tính làm việc và khởi động của động cơ, vì A đại diện cho mạch điện và Bδ đại diện cho mạch từ.

Thay các giá trị vào biểu thức:

Do lõi sắt ngắn nên làm thành một khối Chiều dài lõi sắt stato, roto là:

- Lập phương án so sánh:

Trong thiết kế máy điện, đường kính stato và chiều dài lõi sắt stato phải nằm trong phạm vi kinh tế để tối ưu chi phí và hiệu suất vận hành Quan hệ này được biểu thị qua mối liên hệ giữa chiều dài lõi sắt stato và bước cực, được định hình bởi hệ số λ Việc lựa chọn giá trị λ phù hợp giúp cân bằng kích thước lõi và bước cực, từ đó tối ưu hóa chi phí vật liệu, tiêu thụ năng lượng và hiệu quả làm việc của máy.

Theo hình 10-3b trang 235 [1] thì λ =1,23 nằm trong đường kinh tế h ≤ 250(mm) và 2p=4 do đó phương án chọn trên là hợp lý

2.1.7 Dòng điện pha định mức

P: Công suất định mức (kW)

U1: điện áp định mức η: hiệu suất cos : hệ số công suất

THIẾT KẾ STATO

Trong thiết kế lõi sắt, khi đường kính ngoài của lõi sắt nhỏ hơn 1 m thì người ta dùng tấm nguyên để chế tạo lõi sắt Lõi sắt sau khi ép vào vỏ sẽ được cố định bằng một chốt với vỏ nhằm ngăn lõi quay dưới tác động của mô-men điện từ.

Khi đường kính ngoài của lõi sắt lớn hơn 1 m, người ta sử dụng các tấm hình rẽ quạt ghép lại với nhau để ghép lõi Để ghép lõi sắt trong trường hợp này, thường dùng hai tấm thép dày ép hai đầu Để tránh lực hướng tâm và lực hút tác động lên các tấm ghép, người ta thường chế tạo các cánh đuôi nhạn hình rẽ quạt trên các tấm để ghép vào các gân trên vỏ máy, từ đó cố định và liên kết các tấm một cách chắc chắn.

2.2.1 Mã hiệu thép và bề dày lá thép

Chúng tôi lựa chọn thép kỹ thuật điện cán nguội đẳng hướng để làm lõi thép Stato, loại thép có mã hiệu 2211, với bề dày lá thép 0,5 mm và hệ số ghép chặt kc = 0,95.

Trong thiết kế dây quấn stato, việc xác định số rãnh của một pha dưới mỗi cực (q1) là yếu tố quan trọng để tối ưu hiệu suất và đặc tính làm việc của máy Với máy có công suất nhỏ, q1 thường bằng 2; đối với máy tốc độ cao và công suất lớn có thể chọn q1 bằng 6, và giá trị phổ biến ở nhiều trường hợp là q1 = 3–4.

Việc tăng q1 dẫn tới tăng Z1, làm diện tích rãnh tăng và làm giảm hệ số lợi dụng rãnh Khi hệ số lợi dụng rãnh giảm, răng sẽ yếu vì mảnh, đồng thời quá trình làm lõi stato sẽ tốn kém hơn.

Khi q1 tăng lên, Z1 tăng theo và dẫn đến tăng diện tích rãnh, làm giảm hệ số lợi dụng rãnh; răng sẽ yếu vì mảnh và quá trình sản xuất lõi stato tốn chi phí hơn.

Trị số q 1 nguyên có thể cải thiện được đặc tính làm việc và giảm tiếng ồn của máy

Trong đó: q1: Số rãnh của một pha dưới mỗi cực Lấy q 1 = 3 p: Số đôi cực từ, p=2 m là số pha

2.2.4 Số thanh dẫn tác dụng của một rãnh u rl

Trong đó: a1: Là số mạch nhánh song song, chọn a 1 2

I1:Dòng điện định mức, tính ở 2.1.7

2.2.5 Số vòng dây nối tiếp của một pha

2.2.6 Tiết diện và đường kính dây dẫn

Muốn chọn kích thước dây trước hết phải chọn mật độ dòng điện J của dây dẫn Căn cứ vào dòng điện định mức để tính ra tiết diện cần thiết Việc chọn mật độ dòng điện ảnh hưởng đến hiệu suất và sự phát nóng của máy, sự phát nóng này chủ yếu phụ thuộc vào tích số AJ Tích số này tỷ lệ với suất tải nhiệt của máy; do đó theo kinh nghiệm thiết kế chế tạo, người ta căn cứ vào cấp cách điện để xác định AJ.

- Theo hình 10-4 [1] chọn tích số:

Trong đó: 𝑛 là số sợi chập, chọn n 1 = 2 sợi

Theo Phụ lục VI, bảng VI.1 [1] chọn dây đồng tráng men PETV có đường kính đ d / dC = 0,77/0,835 mm, s = 0,466mm 2

Với: d: đường kính dây không kể cách điện đ dC : đường kính dây kể cả cách điện

Dây quấn stato được đặt vào các rãnh của lõi thép stato và cách điện với lõi thép để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành Nó có nhiệm vụ cảm ứng sức điện động, sinh ra từ trường cần thiết cho quá trình biến đổi năng lượng điện trong máy Nhờ từ trường do dây quấn tạo ra, máy phát hoặc động cơ có thể hoạt động hiệu quả, biến đổi điện năng thành cơ năng hoặc ngược lại.

- Các yêu cầu của dây quấn:

+ Đối với dây quấn ba pha điện trở và điện kháng của các pha bằng nhau và của mạch nhánh song song cũng bằng nhau

+ Dây quấn được thực hiện sao cho có thể đấu thành mạch nhánh song một cách dễ dàng

Dây quấn được thiết kế và chế tạo tối ưu nhằm tiết kiệm lượng đồng, dễ sản xuất và sửa chữa, đồng thời có kết cấu vững chắc, chịu được ứng lực khi máy bị ngắn mạch đột ngột.

- Việc chọn dây quấn stato phải thỏa mãn tính kinh tế và kỹ thuật:

Trong thiết kế và sản xuất, hai yếu tố then chốt là tính kinh tế và tính kỹ thuật Tính kinh tế nhấn mạnh việc tiết kiệm vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện, đồng thời tối ưu thời gian lồng dây để giảm chi phí sản xuất và nâng cao hiệu quả vận hành Về tính kỹ thuật, giải pháp được tối ưu để dễ thi công, hạn chế những ảnh hưởng xấu đến đặc tính điện của động cơ, từ đó tăng độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống.

- Việc chọn kiểu dây quấn có thể theo cách sau: Với điện ≤ 660 V, chiều cao tâm trục h ≤ 160 mm có thể chọn dây quấn 1 lớp đồng tâm đặt vào rãnh 1

20 h= 170-250 mm dùng dây quấn 2 lớp đặt vào rãnh 1

2 kín Với h ≥ 280 mm, dùng dây quấn 2 lớp phần tử cứng đặt vào rãnh 1

- Hệ số bước ngắn k y : y k sin sin 1

- Hệ số bước rải k r : r q 3.20 sin sin

Hệ số dây quấn kd được xác định bằng kd = k · k = 1,0 × 0,96 = 0,96 (công thức (2.23)) Chọn dây quấn đồng khuôn, quấn 1 lớp với bước đủ và có y = 9 (với y là bước rãnh) Để mô phỏng và kiểm tra, ta dùng phần mềm ANSYS MOTOR-CAD và từ đó thu được sơ đồ quấn dây như sau.

Hình 2.1: Sơ đồ trải động cơ không đồng bộ 3 pha,Z6,2p=4

Hình 2.2: Sơ đồ trải pha A

Hình 2.3: Sơ đồ trải pha B

Hình 2.4: Sơ đồ trải pha C

Hình 2.5: Sơ đồ quấn dây động cơ không đồng bộ 3 pha,Z6,2p=4

2.2.9 Từ thông khe hở không khí Ф

(2.24) w 14: Số vòng dây nối tiếp 1 pha, được xác định ở mục 2.2.5

2.2.10 Mật độ từ thông khe hở không khí B 

 : hệ số cung cực từ, chọn ở 2.1.5

Những phân tích cho thấy sai số mật độ từ thông qua khe hở không khí nhỏ hơn giá trị Bδ được chọn ban đầu, và tải đường tương đương vẫn giữ ở giá trị ban đầu, nên ta không cần phải chọn lại hay điều chỉnh tham số Điều này cho thấy tham số ban đầu vẫn phù hợp và đảm bảo hiệu suất ổn định cho hệ thống.

2.2.11 Sơ bộ định chiều rộng của răng bz 1 z1 1 1 c z1 1

- b z1 : Mật độ từ thông ở răng stato, theo bảng 10.5b [3] chọn b z1 =1,8(T)

- k c : Hệ số ép chặt lõi sắt, kc = 0,95

- t 1 : Bước rãnh stato tính ở mục 3.3, t 1 = 1,1(cm)

2.2.12 Sơ bộ chiều cao của gông statoh g1

- B gl : mật độ từ thông ở gông stato, theo bảng 10.5a [1] chọn B gl =1,5

-  : từ thông khe hở không khí, tính ở 2.2.9

2.2.13 Kích thước rãnh và cách điện

Chọn kích thước miệng rãnh như sau:

Chiều cao miệng rãnh h 41 = 0,4 ÷ 0,8 mm

Chiều cao của rãnh stato: n r1 gl

Chiều cao thực của rãnh Stato: hZ 1=h r 1 -h 41 =1,71 - 0,05 = 1,66(cm) (2.29)

Chọn bề rộng miệng rãnh Stato là:

Chiều rộng miệng rãnh: b 41 =d cd +1,5mm

Trong đó: d cd = 0,835mm - là đường kính dây dẫn kể cả cách điện của dây quấn stator

- Đường kính d1 được tính theo công thức:

- Đường kính d2 được tính theo công thức: r1 z1 1

Kích thước rãnh như hình vẽ: hr1=1,71(cm) h12,5(mm) b41= 3(mm) d1=6(mm) d2=8,3(mm) h41=0,5(mm)

Theo bảng VIII.1 Trang 629 [1] ta có chiều dày cách điện rãnh là:

+ Chiều dày cách điện rãnh: C = 0,25 (mm)

+ Chiều dày cách điện của tấm lót: C ' = 0,35 (mm)

2.2.14 Diện tích rãnh trừ nêm s ' r

- Diện tích lớp cách điện rãnh:

Trong thiết kế, bề dày cách điện của rãnh được chọn là c = 0,25 mm và bề dày cách điện của miệng rãnh là c' = 0,35 mm, được lấy từ bảng VIII-1 trong phụ lục VIII dành cho kiểu dây quấn một lớp Đối với cách điện cấp B, vật liệu cách điện được sử dụng là màng mỏng thủy tinh.

- Diện tích có ích của rãnh:

- Hệ số lấp đầy rãnh: r đ đ 1

Ta thấy hệ số lấp đầy rãnh =0,71 nằm trong phạm vi cho phép (0,7÷0,75) lồng dây được vào rãnh stato nên không cần tính lại Vậy chọn k l đ =0,71

Theo những máy đã chế tạo ở bảng 10-8 trang 253 [1] khe hở không khí  dãy động cơ 4A, h2(mm) và 2p=4 ta chọn  =0,3 mm.

TÍNH TOÁN ROTO

Điểm khác biệt chính giữa các kiểu máy không đồng bộ nằm ở thiết kế và cấu hình rôto, vì tính năng vận hành, hiệu suất và ứng dụng của máy bị ảnh hưởng trực tiếp bởi mô hình rôto Để đáp ứng nhu cầu đa dạng của người dùng, người ta có thể chế tạo các loại rôto như rôto dây quấn, rôto lồng sóc đơn, rôto lồng sóc sâu và rôto lồng sóc kép, mỗi loại có ưu nhược điểm riêng về đặc tính vận hành, độ tin cậy và hiệu suất quá trình.

Rôto dây quấn không có yêu cầu khởi động mà chỉ thỏa mãn tiêu chuẩn nhà nước về hiệu suất, cosφ và bội số mômen cực đại ở điều kiện làm việc định mức; đối với loại rôto lồng sóc, tính năng của máy còn phải thỏa mãn thêm các tiêu chuẩn an toàn, độ tin cậy và hiệu suất do cơ quan chức năng quy định.

28 về khởi động là bội số mômen khởi động và bội số dòng khởi động Khi ấy rôto chọn 1/2 kín hình ô van hay quả lê với miệng rãnh b =(1,5-2)mm 42

Ta chọn rãnh rôto hình quả lê với miệng rãnh b =(1,5-2)mm 42

Việc chọn số rãnh rôto lồng sóc Z của máy là vấn đề quan trọng vì khe hở không khí của máy ở mức nhỏ khiến các thành phần từ thông sóng bậc cao sinh ra momen xoắn phụ, ảnh hưởng đến quá trình khởi động và đặc tính làm việc Khi khởi động, momen xoắn phụ do các thành phần từ thông bậc cao gây tác động lên rotor, làm thay đổi tốc độ và khởi động không ổn định Những hiện tượng này ảnh hưởng đến khả năng khởi động và hiệu suất vận hành của máy Vì vậy, tối ưu hóa số rãnh Z giúp giảm tác động của từ thông bậc cao và cải thiện momen khởi động cùng đặc tính làm việc Do đó, quá trình thiết kế cần cân nhắc kỹ lưỡng giữa khe hở không khí và số rãnh để đảm bảo khởi động ổn định và vận hành hiệu quả.

- Để loại trừ momen phụ đồng bộ khi mở máy, cần chọn:

-Để tránh momen đồng bộ khi quay, ta chọn :

Dựa vào các điều kiện trên và bảng 10-6 trang 246 [1]

- D: đường kính trong stato, tính ở 2.1.3

- δ: khe hở không khí, tính ở 2.2.17

2.3.4 Sơ bộ định chiều rộng của răng rôto b' z 2

- B Z2 : mật độ từ thông ở răng rôto, theo bảng 10.5b [1] chọn B Z2 = 1,75T

- K : hệ số ép chặt lõi sắt, c K = 0,95 c

- B δ : mật độ từ thông khe hở không khí, tính ở 2.2.10

- l 2 : chiều dài lõi sắt rôto

D 0,3.D 0,3.12,6 3,78 cm  (2.45) Dòng điện trong thanh dẫn rôto I td

- Hệ số k I lấy theo hình 10-5 [1]: k I = 0,89

- k d : hệ số dây quấn stato, tính ở 2.2.8

2.3.6 Dòng điện trong vòng ngắn mạch I v v td

2.3.7 Tiết diện thanh vòng dẫn nhôm S' td Đối với động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, tiết diện rãnh rôto đồng thời là tiết diện thanh dẫn rôto, vì vậy phải làm sao cho mật độ dòng điện trong thanh dẫn rôto thích hợp td td 2

Trong đó:J là mật độ dòng điện thanh dẫn rôto nằm trong khoảng 0,25 ÷0,35, lấy 2

2.3.8 Tiết diện vành ngắn mạch

- Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong vành ngắn mạch theo J td v 2

Tiết diện vòng ngắn mạch S v : v 2 v v

2.3.9 Sơ bộ chiều cao gông rôto (h g2 ): g2 g2 2 c

- B : mật độ từ thông ở gông rôto, theo bảng 10.5a [1] chọn g2 B = 1,65 g2

- : từ thông khe hở không khí, tính ở 2.2.9

2.3.10 Kích thước rãnh rôto và vòng ngắn mạch

- Lấy chiều cao miệng rãnh chọn h 42 = 0,5  1 (mm),ta chọn h 42 = 1mm b42= 1÷1,5 (mm)  lấy b 42 = 1(mm);

2 hr 20(mm) chọn: h r 2 (mm); a b = 3423 (mm)

( d d 1 / 2 ) = (6,5 7,5  4 6  ) (mm), ta chọn d 1 = 7 (mm), d 2 = 5 (mm)

- Chiều cao vành ngắn mạch h v

(Chiều cao vành ngắn mạch thường lấy cao hơn chiều cao rãnh Rotor)

- Đường kính trung bình vành ngắn mạch D v

- Bề rộng vành ngắn mạch b v : 286,96 13, 04( )

2.3.12 Diện tích vành ngắn mạch

2.3.13 Bề rộng răng rôto ở 1/3 chiều cao răng

2.3.15 Làm nghiên rãnh ở rôto b n Độ nghiên bằng một bước rãnh stator

TÍNH TOÁN MẠCH TỪ

2.4.1 Hệ số khe hở không khí

- Do bề mặt phần ứng có rãnh dẫn đến từ dẫn trên khe hở của bề mặt phần ứng có rãnh khác nhau

Trên răng, từ trở ở rãnh được cho là nhỏ hơn do tác động của khe hở không khí trong phần ứng Phần ứng có răng rãnh có khe hở không khí lớn hơn so với phần ứng có bề mặt nhẵn, khiến từ trở chịu sự ảnh hưởng khác nhau giữa hai cấu hình này Do đó, sự phân bố từ trường và hiệu suất từ động bị ảnh hưởng bởi sự khác biệt giữa răng – rãnh và bề mặt nhẵn.

Trong thiết kế, cần sử dụng khe hở không khí tính toán để mô phỏng trường từ và các đặc tính làm việc của máy điện Vì vậy, việc tính toán hệ số khe hở không khí là cần thiết, bởi hệ số này thể hiện mức ảnh hưởng của răng stato và rôto đến khe hở không khí Việc ước lượng chính xác hệ số khe hở không khí giúp tối ưu hóa kích thước, khoảng cách và hiệu suất của máy, từ đó nâng cao độ tin cậy và hiệu quả vận hành của hệ thống.

Sau khi vượt qua khe hở không khí, từ thông chính phân nhánh thành hai mạch song song đi vào răng và rãnh của phần ứng Tuy nhiên, do độ dẫn từ của thép lớn hơn nhiều so với không khí, đại bộ phận từ thông sẽ chảy vào răng, trong khi phần còn lại đi vào rãnh Vì vậy, phân bổ từ thông ưu tiên cho vùng răng, tăng cường hiệu quả từ hóa của phần ứng.

2.4.2 Sức từ động khe hở không khí F 

2.4.3 Mật độ từ thông ở răng stator B Z 1 d 1 1 z`1 z1 1 c

B =b l k =0,46.12,23.0,95= 1,75(T) (2.64) 2.4.4 Cường độ từ trường trên răng stato

Theo bảng V-6 (Phụ lục V, trang 608_TKMĐ) Đường cong từ hóa trên răng động cơ KĐB thép 2211, ta chọn:

2.4.5 Sức từ động trên răng stato

2.4.6 Mật độ từ thông ở răng rotorB Z 2 d 2 2 z2 z2 2 c

2.4.7 Cường độ từ trường trên răng rotor

- Theo bảng V-6 (Phụ lục V, trang 608 TKMĐ), ta có:

2.4.8 sức từ động trên răng rotorF z 2

2.4.9 Hệ số bão hòa răng k Z

Theo TKMĐ trang 114, hệ số kz nằm trong khoảng thiết kế hợp lý, kz thuộc khoảng 1,2–1,5 Nếu kz quá lớn thì gây bão hòa quá mức trong vùng răng Do đó việc điều chỉnh kz ở mức phù hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu quả và độ ổn định của thiết kế.

< 1,2 thì vùng được sữ dụng quá ít hoặc khe hở không khí lấy quá lớn

2.4.10 Mật độ từ thông trên gông stator B g 1

2.h l k 2.1,54.12,23.0,95 (2.70) 2.4.11 Cường độ từ trường ở gông stator H g 1

Theo bảng V-9 (Phụ lục V, trang 611 TKMĐ), ta chọn

2.4.12 Chiều dài mạch từ ở gông stator L g 1 n g1 2. g1 p(D - h ) (19,1-1,54)

2.4.13 Sức từ động ở gông stator F g 1 g1 g1 g1

F = L H = 13,78.9,05 = 124,71 (2.72) 2.4.14 Mật độ từ thông trên gông rôto B g 2

2.h l k 2.1,4.12,23.0,95 (2.73) 2.4.15 Cường độ từ trường ở gông rôto H g 2 theo Bảng V-9 (Phụ lục V, trang 608 TKMĐ), ta chọn

2.4.16 Chiều dài mạch từ ở gông rôto L g 2 t g2 g2 p(D +h ) p(3,78+1,4)

2.4.17 Sức từ động ở gông rôto F g 2 g2 g2 g2

F = L H = 4,1.17,2 = 70,52(A) (2.75) 2.4.18 Tổng sức từ động của mạch từ F d z1 z2 g1 g2

2.4.19 Hệ số bão hòa toàn mạch k  m d

0,9.m w k 0,9.3.144.0,89 (2.78) Dòng điện từ hóa phần trăm: m m% đm

TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ ĐỘNG CƠ Ở CHẾ ĐỘ ĐỊNH MỨC

Tra bảng 3.4 (trang 69_TKMĐ) các hệ số K d 1 1,3 và K f 1 0,4

2.5.2 Chiều dài trung bình nửa vòng của dây quấn stator I tb đ tb l1 1 12,23 11,24 23,47 c( ) l  l    m (2.82)

2.5.3 Chiều dài dây quấn một pha của stator L 1

L 2.l w 10  2.23,47.144.10  67,6( cm ) (2.83) 2.5.4 Điện trở tác dụng của dây quấn stator r 1

 46  : Điện trở suất của dây quấn ở 75  C

Tính toán theo đơn vị tương đối:

2.5.5 Điện trở tác dụng của dây quấn rôto r td

  23  là điện trở của dây quấn ở nhiệt độ 75  C 2.5.6 Điện trở vòng ngắn mạch r v

2.5.9 Điện trở rôto đã quy đổi r' 2  r 2 8190.4,59.10  5 0,376(  ) (2.91) Tính theo đơn vị tương đối:

2.5.10 Hệ số từ dẫn tản rãnh stator

2.5.11 Hệ số từ dẫn tản tạp stator

t1: Xác định theo bảng 5.3 trang 137 sách TKMĐ của tác giả Trần Khánh Hà và Nguyễn Hồng Thanh

1 tính theo bảng 5.2a trang 134_TKMĐ

 (2.104) 2.5.12 Hệ số từ tản phần đầu nối  đ 1 đ 1 q 1 đ 1

2.5.13 Hệ số từ dẫn tản của stator

2.5.14 Điện kháng dây quấn stator x 1

Tính theo đơn vị tương đối:

   (2.108) 2.5.15 Hệ số từ dẫn tản rãnh rôto λ r2

2.5.16 Hệ số từ dẫn tản tạp rôto

2.5.17 Hệ số từ dẫn tản phần đầu mối v v d2 2

2.5.18 hệ số từ tản do rãnh nghiêng

1,1 1,8775 1,1 λ =0,5.λ (b ) 0,5.3,755.( ) t   (2.112) 2.5.19 Hệ số tản rôto r2 t2 rn λ2 d2

(2.113) 2.5.20 Điện kháng tản dây quấn rôto

2.5.21 Điện kháng rôto đã quy đổi

Tính theo đơn vị tương đối: 2 2 1

Tính theo đơn vị tương đối:

Trị số này không sai khác so với giả thiết ban đầu k = 0,975 nên không cần tính E lại

TÍNH TOÁN TỔN THẤT TRONG ĐỘNG CƠ

Động cơ điện khi làm việc sinh ra tổn hao khiến hiệu suất của máy giảm đi Tổn hao là hiện tượng tự nhiên, vì vậy các nhà thiết kế và người vận hành luôn tìm cách giảm tối đa tổn hao nhằm nâng cao hiệu suất và tăng công suất ra ở đầu trục Việc tối ưu hóa tổn hao không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn cải thiện hiệu quả vận hành và kéo dài tuổi thọ hệ thống.

* Tổn hao trong động cơ điện gồm có:

Tổn hao sắt là tổn hao phát sinh trong lõi thép của stato và rôto Nó phụ thuộc vào vật liệu dẫn từ (mã hiệu thép) và chiều dài cách điện cũng như mật độ từ cảm trong lõi Trong quá trình tính toán, người ta thường xem tổn hao sắt trên rôto là không đáng kể vì khi máy vận hành, tốc độ quay của rôto gần bằng tốc độ quay của từ trường.

- Tổn hao đồng: Tổn hao này sinh ra trong dây quấn stato và rôto do hiệu ứng JunLenz

- Tổn hao cơ: Do ma sát tại các ổ đở, quạt gió

Tổn hao bề mặt xảy ra trên bề mặt stato và rôto được gia công không nhẵn, làm khe hở không đều và sinh ra tổn hao bề mặt Mức độ tổn hao này phụ thuộc vào chất lượng gia công và quá trình hoàn thiện bề mặt, vì vậy việc gia công nhẵn và kiểm soát chất lượng bề mặt là yếu tố then chốt để giảm tổn hao và nâng cao hiệu suất máy.

- Tổn hao đập mạch: nó được sinh ra do hiện tượng đập mạch từ thông từ răng sang

42 phần rãnh và ngược lại, nó phụ thuộc vào kích thước miệng rãnh, bước răng khe hở không khí v v…

- Tổn hao phụ: là tổn hao sinh ra trong vỏ máy và các chi tiết khác, tổn hao đập mạch phần đầu nối v v…

Tổn hao lớn làm máy mất công suất đồng thời cũng làm tăng nhiệt của động cơ

2.6.1 Trọng lượng răng stato và răng rôto

Trong đó: - γ =7,8 kg/ Fe dm tỷ trọng của sắt 3

- b = 0,53 (cm) chiều rộng răng stato Z1

- l ,23 cm chiều dài lõi thép stato 1

2.6.2 Trọng lượng gông từ stato

2.6.3 Tổn hao sắt trong lõi sắt stato

Trong đó: kgc= 1,8 đối với máy điện không đồng bộ (hệ số gia công sắt)

PFeZ1= 2,5 (w/kg) suất tổn hao thép ở tần số từ hóa f = 50(Hz) (tra theo bảng V.14 trang 618 sách TKMĐ của tác giả Trần Khánh Hà và Nguyễn HồngThanh.) Trong gông:

43 kgcg=1,6 đối với máy không đồng bộ (hệ số gia công gông)

-Trong cả lõi sắt stato:

2.6.4 Tổn hao bề mặt trên răng rôto

Khi máy điện quay và đối diện với răng rôto của máy không đồng bộ, mật độ từ thông có sự dao động theo chu kỳ Độ lớn của dao động từ thông càng lớn thì khe hở không khí càng thu hẹp và miệng rãnh càng mở rộng Tần số dao động phụ thuộc vào số răng rotor và vận tốc quay của máy.

Vì tần số dao động cao, các dòng điện xoáy cảm ứng trong thép điếu tập trung lên lớp mỏng trên bề mặt lõi thép, gây ra tổn hao bề mặt Ở máy điện không đồng bộ, tổn hao bề mặt lớn vì khe hở không khí nhỏ Tổn hao này chủ yếu tập trung trên bề mặt rôto và ít hơn trên bề mặt stato do miệng rãnh rôto bé.

Với k = 2 là hệ số kinh nghiệm: - Đối với stato ( 0 k =1,4 1,8) 0

2.6.5 Tổn hao đập mạch trên răng rôto

Fe Fe bm dm= 0,44 +0,013+0,0026 = 0,4556 kW 

Khi không có rãnh thông gió hướng kính

Trong đó,K được tính theo đường kính ngoài phần ứng co D n như sau:

250 4 7 Nhưng đối với động cơ không đồng bộ kiểu kín IP44 thì:K co =1 khi 2p  4

TÍNH TOÁN ĐẶC TÍNH KHỞI ĐỘNG

2.7.1 Tham số của động cơ điện khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s

- Tính hệ số quy đổi chiều cao rãnh rôto khi mở máy (s = 1):

- Điện trở rôto khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s=1:

- Điện trở rôto đã quy đổi:

- Hệ số từ dẫn rãnh rôto khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s=1:

- Tổng hệ số từ dẫn rôto khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài với s=1:

- Điện kháng rôto khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài:

- Tổng trở ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài:

- Dòng điện ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài:

2.7.1 Tham số của động cơ điện khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa của mạch từ tản khi s=1:

Sơ bộ chọn hệ số bão hòa k = 1,44 bh

- Dòng điện ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài nbhx bh nx

- Sức từ động trung bình của một rãnh stator nbhx r 1 zbh b y d

Trong đó: u = 33 Số thanh dẫn tác dụng trong rãnh stator r a = 2 Số mạch nhánh song song 1 k =0,85 Hệ số tính đến sức từ động nhỏ bước ngắn lấy theo hình 10-14trang β

259_TKMĐ ky=0,94 hệ số bước ngắn của dây quấn k =0,9024 Hệ số dây quấn d bh 1 2 d 0,05

- Hệ số từ tản rãnh khi xét đến bảo hòa mạch từ tản: r1bh= r1- 1bh= 1,4 -0,54 = 0,86

- Hệ số từ tản tạp stator khi xét đến bảo hòa mạchtừ tản: t1 t1bh=  = 5,17.0,64 = 3,3088

- Tổng hệ số từ tản stator khi xét đến bão hòa mach từ tản:

- Điện kháng stator khi xét đến bão hòa mach từ tản:

- Hệ số từ tản rôto khi xét đến bão hòa mạch từ tản và hiệu ứng mặt ngoài:

- Hệ số từ tản tạp rôto khi xét đến bão hòa mạch từ tản:

- Hệ số từ tản do rãnh nghiêng rôto khi xét đến bão hòa mạch từ tản:

- Tổng hệ số từ tản rôto khi xét đến bão hòa mạch từ tản và hiệu ứng mặt ngoài:

- Điện kháng rôto khi xét đến hiệu ứng mắt ngoài và bão hòa từ của mạch từ tản:

2.7.2 Các tham số ngắn mạch khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa của nạch từ tản : n 1 2 r = r +r   =0,3+0,24=0,54 () (2.162) n bh 1bh ' 2 bh

2.7.3 Dòng điện khởi động k 1 n bh

2.7.4 Bội số dòng điện khởi động: k k dm

-Điện kháng hổ cảm khi xét đến bão hoà :

C  1,033 (2.169) 2.7.5 Bội số momen khởi động:

Mô phỏng động cơ bằng phần mềm Ansys Maxwell 49 3.1 Thiết lập thông số động cơ vào phần mềm

Kết quả mô phỏng

3.2.1 Điện áp và dòng điện

Hình 3 2: đồ thị biểu thị dòng điện và điện áp pha A