THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Pđm = 7.5 Kw

CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU: THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU Pđm = 7,5 Kw, Uđm = 220 V, nđm =1500 vg/ph

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

GVDH: Nguyễn Việt Anh

Nhóm sinh viên Mã sinh viên

Nguyễn Thị Liên Anh: 2019602842

Nguyễn Thị Ánh Ngọc: 2019603109Lớp: 20214EE6023001 Khóa: K14

Hà Nội – 2022

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐIỆN

 Tính toán kích thước mạch từ, dây quấn stato, rôto

 Tính toán dòng điện kích từ, tổn hao cơ, sắt từ, hiệu suất làm việc

 Tính toán thiết kế kết cấu động cơ.

3 Mô phỏng kết quả tính toán thiết kế trên phần mềm

4 Nội dung trình bày báo cáo ĐAMH theo đúng quy cách chung

(BM03-Quy định số 815/QĐ-ĐHCN, ngày 15 tháng 8 năm 2019).

1 Sơ đồ kích thước mạch từ

stato, rôto

Ngày giao đề tài: 04/7/2022 Ngày hoàn thành: 22/8/2022

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

TS Nguyễn Việt Anh

2019DHDIEN03 - ĐH K14

2019DHDIEN03 - ĐH K14

2019DHDIEN03 - ĐH K14

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Thiết kế động cơ điện một chiều có các thông số sau: Pđm = 7,5 kW; U đm = 220 V tốc độ quay n đm =1500 v/p, kích từ song song có dây quấn ổn định tốc độ Chiều cao tâm trục h = 160 mm Chế độ làm việc liên tục, kiểu bảo vệ IP22, cách điện cấp B

Yêu cầu thực hiện:

5.Tổng quan về động cơ điện một chiều

6.Tính toán thiết kế:

 Tính toán kích thước mạch từ, dây quấn stato, rôto

 Tính toán dòng điện kích từ, tổn hao cơ, sắt từ, hiệu suất làm việc.

 Tính toán thiết kế kết cấu động cơ.

7.Mô phỏng kết quả thiết kế động cơ trên phần mềm.

2 Hoạt động của sinh viên

2.1 Hoạt động/Nội dung 1: Tổng quan về động cơ điện một chiều.

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Kiến thức về thiết kế máy điện.

2.2 Hoạt động/Nội dung 2: Tính toán, thiết kế.

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Xây dựng được quy trình thiết kế động cơ điện một chiều, cách tính toán kích thước mạch từ, dây quấn stato và rôto Tính toán dòng điện kích từ, tổn hao cơ, sắt từ, hiệu suất làm việc.

2.3 Hoạt động Nội dung 3: Mô phỏng kết quả tính toán, thiết kế trên phần

mềm.

(BM01)

- Mục tiêu/chuẩn đầu ra: Biết được cách sử dụng phần mềm để mô phỏng xác định kết quả, so sánh đối chiếu với kết quả tính toán giải tích.

IV Học liệu thực hiện ĐAMH

Máy điện 2 (Vũ Gia Hanh, Trần Khánh Hà, Phan Tử Thụ).

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện ĐAMH (nếu có): Máy tính cá nhân, bản vẽ.

KẾ HOẠCH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN MÔN HỌC

2019DHDIEN03 - ĐH K14

2019DHDIEN03 - ĐH K14

2019DHDIEN03 - ĐH K14

3 Tiến độ thực hiện: Thiết kế động cơ điện một chiều có các thông số

sau: P đm = 7,5 kW; U đm = 220 V tốc độ quay n đm =1500 v/p, kích từ song song có

dây quấn ổn định tốc độ Chiều cao tâm trục h = 160 mm Chế độ làm việc liên

tục, kiểu bảo vệ IP22, cách điện cấp B.

- Tính toán mạch từ, dây quấn stato, rôto.

Tìm hiểu tài liệu, viết báo cáo.

Nguyễn T.

Liên Anh

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Tính toán dòng điện kích từ, tổn hao cơ, sắt từ, hiệu suất làm việc.

Tìm hiểu tài liệu, thiết kế theo yêu cầu đề tài, viết báo cáo.

Nguyễn T.

Huyền

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Tính toán thiết kế kết cấu động cơ.

Tìm hiểu tài liệu, thiết kế theo yêu cầu đề tài, viết báo cáo.

- Xác định kết quả và so sánh giải tích.

Tìm hiểu tài liệu, nhập số liệu kỹ thuật cho chương trình, theo dõi quá trình chạy phần mềm và

(BM02)

xuất dữ liệu kết quả Nguyễn T.

Ngày 04 tháng 7 năm 2022.

XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN

TS Nguyễn Việt Anh

2019DHDIEN03 - ĐH K14

2019DHDIEN03 - ĐH K14

2019DHDIEN03 - ĐH K14

Tên chủ đề: Thiết kế động cơ điện một chiều có các thông số sau: Pđm = 7,5

kW; U đm = 220 V tốc độ quay n đm =1500 v/p, kích từ song song có dây quấn ổn định

tốc độ Chiều cao tâm trục h = 160 mm Chế độ làm việc liên tục, kiểu bảo vệ IP22,

cách điện cấp B.

Người thực

Kết quả đạt được

Kiến nghị với GVHD

- Tính toán mạch từ, dây quấn stato, rôto.

Bản báo cáo đồ án

Không

Nguyễn T.

Liên Anh

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Tính toán dòng điện kích từ, tổn hao cơ, sắt từ, hiệu suất làm việc.

Bản báo cáo đồ

Nguyễn T.

Huyền

Chương 2: Tính toán, thiết kế

- Tính toán thiết kế kết cấu động cơ.

Bản báo cáo đồ

- Xác định kết quả và

Bản báo cáo đồ án

Không

(BM0

Ngọc so sánh giải tích.

Nguyễn T.

Liên Anh

Nguyễn T.

Huyền

Nguyễn T Ánh

Ngọc

Trình bày nội dung báo cáo ĐAMH

Bản báo cáo đồ

Ngày 04 tháng 7 năm 2022

XÁC NHẬN CỦA GIẢNG VIÊN

TS.Nguyễn Việt Anh

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thực tế ngày nay cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ củakhoa học kĩ thuật thì ứng dụng của điện tử công suất vào các ngành côngnghiệp nói chung và công nghiệp điện tử nói riêng Các thiết bị điện tử cócông suất lớn được chế tạo ngày một nhiều và động cơ một chiều được coi làquan trọng và được sử dụng rộng rãi ở nhiều ngành nghề khác nhau Chủ yếu

là được làm động cơ điện, máy phát điện

Nhằm giúp sinh viên cũng cố kiến thức đã học ở trường vào việc thiết

kế cụ thể Chúng em được môn đồ án thiết kế thiết bị điện giao cho nhiệm vụ

là “Thiết kế động cơ điện một chiều “

Tuy chúng em đã thực đồ án này dưới sự hướng dẫn tận tình của thầyNguyễn Việt Anh, và các bạn trong lớp nhưng do trình độ kiến thức còn nhiềuhạn chế, nên có đôi phần thiếu sót Chúng em rất mong sự đóng góp ý kiến,phê bình và sữa chữa từ quý thầy cô và các bạn sinh viên để đồ án này hoànthiện hơn

Chúng em xin chân thành cám ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN MỘT CHIỀU 1.1 Khái niệm.

Động cơ điện một chiều là loại máy điện biến điện năng dòng mộtchiều thành cơ năng

Ở động cơ một chiều từ trường là từ trường không đổi Để tạo ra từtrường không đổi người ta dùng nam chân vĩnh cửu hoặc nam châm điệnđược cung cấp dòng điện một chiều

Công suất lớn nhất của máy điện một chiều khoảng 5-10 MW Hiệntượng tia lửa ở cổ góp đã hạn chế tăng công suất của máy điện một chiều Cấpđiện áp của máy điện một chiều thường là 120V, 240V, 400V, 500V và lớnnhất là 1000V Không thể tăng điện áp lên nữa vì điện áp giới hạn của cácphiến góp là 35V

Hình 1-1:Động cơ điện một chiều

1.2 Ưu, nhược điểm và ứng dụng của động cơ điện một chiề

1.2.1 Ưu điểm của động cơ điện một chiều

- Có thể dùng làm động cơ điện hay máy phát điện trong những điềukiện làm việc khác nhau

- Ưu điểm lớn nhất của động cơ điện một chiều là điều chỉnh tốc độ

và khả năng quá tải

1.2.2 Nhược điểm của động cơ điện một chiều

- Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền nhưng hay hư hỏngtrong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa cẩn thận,thường xuyên

- Tia lửa điện phát sinh trên cổ góp và chổi than có thể sẽ gây nguyhiểm, nhất là trong điều kiện môi trường dễ cháy nổ

- Giá thành đắt mà công suất không cao

1.2.3 Ứng dụng của động cơ điện một chiều

Với sự đa dạng của động cơ 1 chiều hiện nay, loại động cơ này đượcứng dụng khá nhiều trong đời sống, các lĩnh vực kỹ thuật Ứng dụng động cơ

1 chiều cụ thể kể đến như:

• Động cơ 1 chiều trong các thiết bị gia dụng, đồ chơi trẻ em

• Động cơ 1 chiều trong tivi, ổ CD, đài FM

• Động cơ 1 chiều máy in, máy photo, máy công nghiệp

• Động cơ 1 chiều ứng dụng trong thiết bị giao thông vận tải, thiết bị cầntốc độ hoạt động liên tục trong phạm vi lớn

• Động cơ 1 chiều ứng dụng trong băng tải công nghiệp, bàn xoay, phay,động cơ thủy lực

1.3 Cấu tạo động cơ điện một chiều.

Cấu tạo của động cơ điện một chiều gồm hai phần chính là phần tĩnh(stato) và phần động (roto)

Hình 1-2:Cấu tạo của động cơ điện một chiều

1.3.3 Cực từ phụ

Cực từ phục được đặt giữa các cực từ chính để cải thiện tình trạng đổichiều Cực từ phụ được làm bằng thép khối, trên thân cực từ phụ có đặt dâyquấn cấu tạo như dây quấn cực từ chính

1.3.4 Vỏ máy (gông từ)

Ngoài nhiệm vụ thông thường như những vỏ máy khác, vỏ máy động

cơ điện một chiều còn tham gia dẫn từ, vì vật nó phải được làm bằng thép dẫntừ

1.3.5 Các bộ phận khác

- Nắp máy: Dùng để bảo vệ các chi tiết của máy tránh không cho cácvật bên ngoài rơi vào trong máy để có thể làm hỏng cuộn dây, mạch từ Đồng thời nắp mát để cách ly người sử dụng với bộ phận của máy khi động

cơ đang quay, có điện Ngoài ra nắp máy còn là giá đỡ ổ bi của trục động cơ

- Cơ cấu chổi than: Đưa dòng điện từ ngoài vào nếu máy là động cơ vàđưa dòng điện ra nếu máy là phát điện Cơ cấu chổi than gồm có hai chổi thanlàm từ than cacbon thường là hình chữ nhật Hai chổi than được đựng tronghộp chổi than và luôn tỳ lên hai vành góp nhờ hai lò xo Hộp chổi than có thểthay đổi được vị trí sao cho phù hợp.

Hình 1-4:Chổi than

1.4 Phần quay (Rô to)

Hình 1-5:Phần quay (rô to)

1.4.1 Lõi thép roto

Đùng để dẫn từ, thường dùng những tấm thép kĩ thuật điện dày 0,5mmphủ cách điện ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng điện xoáy gâynên Trên lá thép có dập rãnh để quấn dây

1.4.2 Dây quấn phần ứng

Là phần sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy qua Dây quấnphần ứng thường làm bằng dây đồng có sơn cách điện

1.4.3 Cổ góp

Dùng để đổi chiều dòng điện xoay chiều thành một chiều Gồm nhiềuphiến đồng ghép cách điện với nhau, bề mặt cổ góp được gia công với độbóng thích hợp để đảm bảo tiếp xúc tốt giữ chổi than và cổ góp khí quay

Hình 1-6: Cổ góp

1.5 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một chiều.

Động cơ điện phải có hai nguồn năng lượng

- Nguồn kích từ cấp vào cuộn kích từ để sinh ra từ thông kích từ

- Nguồn phần ứng được đưa vào chổi than để đưa vào hai cổ góp củaphần ứng

Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi điện trong dây quấn phần ứng

có điện Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụnglàm roto quay Chiều của lực được xác định bằng quy tắc bàn tay trái

Khi phần ứng quay được nử vòng, vị trí các thanh dẫn đổi chỗcho nhau Do có phiếu góp nhiều dòng điện giữ nguyên làm cho chiều lực từtác dụng không thay đổi

Khi quay các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng với suất điệnđộng chiều của suất điện động được xác định theo quy tắc bàn tay phải, ởđộng cơ chiếu suất điện động ngược chiều dòng điện nên được gọi là sứcphản điện động

Phương trình cân bằng điện áp:

U= +

Hình 1-7:Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều

1.6 Phân loại động cơ điện một chiều

Khi xem xét động cơ điện một chiều cũng như máy phát điện một chiềungười ta phân loại theo cách kích thích từ các động cơ Theo đó ứng với mỗicách ta có các loại động cơ điện loại:

1.6.1 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập

Khi nguồn một chiều có công suất không đủ lớn, mạch điện phần ứng

và mạch kích từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên:

I=

1.6.2 Động cơ điện một chiều kích từ song song

Khi nguồn một chiều có công suất vô cùng lớn và điện áp không đổi,mạch kích từ được mắc song song với mạch phần ứng nên:

I= +

Hình 1-8:Động cơ điện một chiều kích từ song song

1.6.3 Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

Cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng cuộn kích từ

có tiết diện lớn, điện trở nhỏ, chế tạo dễ dàng nên ta có

I= =

Hình 1-9: Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp

1.6.4 Động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp

Ta có: I= +

Hình 1-10: Động cơ điện một chiều kích từ

hỗn hợp

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ.

ĐỀ TÀI: Thiết kế động cơ điện một chiều có các thông số sau:

Pđm = 7,5 kW; Uđm = 220 V tốc độ quay nđm =1500 vg/ph, kích từ songsong có dây quấn ổn định tốc độ Chiều cao tâm trục h = 160 mm Chế độ làmviệc liên tục, kiểu bảo vệ IP22, cách điện cấp B

Các bước tính toán

Bước 1: Xác định các kích thước chủ yếu

Bước 2: Chọn số đôi cực

Bước 3: Tính toán phần ứng

Bươc 4: Xây đựng sơ đồ dây quấn phần ứng

Bươc 5: Tính toán cổ góp và chổi than

Bươc 6: Tính toán khe hở không khí và kích từ

Bươc 7: Tính toán dây quấn kích từ

Bước 8: Tính toán tổn hao, hiệu suất máy; mô men

Ở máy điện một chiều ks.kd =1.

Công suất tính toán P’ trong máy điện một chiều được tính như sau:

- Với động cơ điện: P’ = KĐ

Hệ số KĐ được xác định theo bảng 12.1, hiệu suất ƞđm tra trong hình12.1- giáo trình thiết kế máy điện

Trị số của hệ số cung cực từ có thể chọn như sau:

Nếu không biết trước chiều cao tâm trục h thì đường kính phần ứng D

có thể xác định với sai số 10% theo hình 12.4

Chiều dài tính toán của phần ứng có thể xác định sơ bộ theo công thức:

l =

Tính tối ưu của mỗi cấp công suất khi D2l đã xác định được khảo sátbằng quan hệ λ = l/D Khi tính dãy máy, các cấp công suất có cùng đườngkính phần ứng và chỉ khác chiều dài thì λ của chúng phải nằm trong phạm vigạch chéo của hình 12.5

Trong các máy điện một chiều thông gió hướng kính cả hướng kính lẫnhướng trục, thường lõi sắt phần ứng được chia làm nhiều đoạn, mỗi đoạn dàikhoảng 5,5- 7,5cm.

Toàn bộ chiều dài lõi sắt phần ứng bằng: l2 = (ng + l)l’ + ngbg

Trong đó:

- ng: số rãnh thông gió

- bg: chiều rộng mỗi rãnh thông gió

- l’: chiều dài mỗi đoạn lõi sắt phần ứng

l = lFe = l2

Chọn hiệu suất

Pđm = 7,5 kW

Tra hình 12.1 giáo trình thiết kế máy điện lấy ƞ = 84%

Xác định dòng điện của động cơ điện

I = = = 40,5 A

Dòng điện phần ứng

I2 ≈ (1- kt).I = (1-0,025).40,5= 0,975.40,5= 39,6 A

Tra bảng 12.1 lấy kt =0,025

Công suất điện từ.

Theo bảng 12.1 chọn kĐ = 0,95

P’ = KĐ = 0,95.= 8,26 kW

Đường kính ngoài phần ứng

Chiều cao tâm trục h= 160mm Theo bảng 12.2 lấy D = 16 cm

2.2 Tính toán phần ứng.

Kiểu và số liệu dây quấn

Trong máy điện một chiều thường dùng các loại dây quấn xếp, sóng vàhỗn hợp

Có thể chọn dây quấn phần ứng theo bảng 12.3

Số thanh dẫn tác dụng được xác định theo công thức:

60a dm

dm

E N

t

Π

=

Bước răng t2 được xác định theo chiều cao tâm trục h

Số vòng dây của một phần tử được xác định từ điều kiện bước phiếngóp nhỏ nhất tGmin

Số rãnh nguyên tố u được chọn từ điều kiện đổi chiều: u ≤ 5 để tránh sựsai khác nhau về điều kiện đổi chiều ở các phần tử trong cùng một rãnh Mặtkhác u còn phải thỏa mãn điều kiện đối xứng của dây quấn

Số phiến góp G = uZ phải đảm bảo điện áp giữa hai phiến góp kề nhau

Kích thước dây quấn

Tiết diện dây dẫn được xác định theo công thức:

2 2

i2: dòng điện trong một nhánh song song (A).

J2: mật độ dòng điện trong dây dẫn phần ứng A/mm2

Mật độ dòng điện được xác định theo cấp cách điện và có thể tra tronghình 12.3

Chọn kiểu dây quấn

Tra bảng 12.3 chọn kiểu dây quấn sóng đơn

Dòng điện của một mạch nhánh song song

2

2

39,6 19,8

DA N

D Z

m

D Z

Chọn rãnh hình ô van với răng có cạnh song song.

Số phiến góp G theo số rãnh nguyên tố u = với các phương án sau:

Ni A

6,8 205

Tiết diện dây dẫn:

Ghép hai dây loại PETV đường kính d/dcd = 1,4/1,485 mm.

Sơ bộ định tiết diện rãnh phần ứng:

Lấy hệ số lấp đầy rãnh kđ = 0,72

110, 2 0,72

r c r

d

N d S

2

0,65.1,73

0,62 1,9.0,95

z

B t b

13 29

5 29

10,16 3.29

z y

ΩTrọng lượng đồng của dây quấn phần ứng:

v = ≤ 40 m/s.

Bước phiến góp tG = phải lớn hơn trị số cho phép Khi D ≤ 50cm thì tG

= 3 - 8mm, khi D > 50cm thì tG >5mm

2.3.2 Số chổi và kích thước chổi

Bề rộng chổi than ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình đổi chiều Chiềurộng tính toán của chổi than bch được xác định bằng số phiến góp bị chổi thanphủ lên:

bch = γtG

Tùy theo kiểu dây quán có thể chọn γ như sau:

- dây quấn sóng đơn γ=2-4

- dây quấn xếp đơn γ = u + 0,5

- dây quấn xếp phức γ > 3

Diện tích tiếp xúc của một chổi than bằng:

ch

S n

pS

trong đó

2 2

2.

.10

ch ch

I S

Chiều dài tác dụng của cổ góp:

lG = nch.(lch + c) +1

trong đó c= 0,8cm là chiều dày hai phía của hộp chổi than và khoảngcách giữa hai hộp

Đường kính ngoài cổ góp:

DG = (0,65 ~ 0,8).D = (0,65 ~0,8).16 =10,4 ~ 12,8 cm.lấy đường kính cổ góp tiêu chuẩn DG = 11,2 cm

Tiết diện chổi than:

Chọn kích thước chổi than bch x lch = 1 1,6

Sch = bch.lch = 1.1,6 = 1,6 cm2

Số chổi than trên một giá chổi than:

Lấy mật độ dòng điện trên chổi than J’ch = 11 A/cm2

lG = nch.(lch + c) +1 = 2.(1,6 + 0,8) +1 = 5,8 cm