Thiết Kế Máy Điện.docx

PHÇN I THIÕT KÕ §éng c kh«ng ®ång bé roto lång sãc ThiÕt kÕ m¸y ®iÖn 1 PHÇN I THIÕT KÕ §éng c¬ kh«ng ®ång bé roto lång sãc CH¦¥NG 1 X¸C §ÞNH KÝCH TH¦íC CHñ YÕU §èi víi ®éng c¬ ®iÖn kh«ng ®ång bé th× ®[.]

PHầN I: THIếT Kế Động cơ không đồng bộ roto

lồng sóc CHƯƠNG 1 : XáC ĐịNH KíCH THƯớC CHủ YếU

Đối với động cơ điện không đồng bộ thì đờng kính trong (D) và chiều dài lõithép (l) của stato là những kích thớc chủ yếu Những kích thớc này đợc tính chọntrên cơ sở đảm bảo cho động cơ khi đợc chế tạo có tính kinh tế cao, đồng thời cótính năng phù hợp thoả mãn các chỉ tiêu về kỹ thuật mà nhà nớc qui định Tínhkinh tế của động cơ không chỉ là vật liệu sử dụng để chế tạo ra nó mà còn xét đếnquá trình chế tạo trong nhà máy Chọn kích thớc chủ yếu còn phải phù hợp với

điều kiện công nghệ nh khuôn dập, vật đúc, các chi tiết gia công cơ khí, chi tiếttiêu chuẩn hoá

Tuy nhiên trong phạm vi thiết kế tốt nghiệp, công việc tính chọn các kích th ớcchủ yếu của động cơ dựa trên cơ sở đảm bảo thoả mãn những tiêu chuẩn kỹ thuật

D và l δ cùng tỉ lệ sẽ quyết định trọng lợng giá thành, các đặc tính kinh tế kỹ

thuật cũng nh độ tin cậy làm việc của động cơ Vì vậy việc xác định kích thớc chủ yếu D và l δ là khâu cơ bản của việc thiết kế Từ hằng số máy điện ta thấy D và

l δ phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh: tốc độ đồng bộ, công suất điện từ, tải điện từ

của vật liệu tác dụng Để xác định D và l δ trớc tiên ta cần xác định các yếu tố

f1: Tần số định mứcn1: Tốc độ đồng bộ

- Số cực của máy : 2p = 2 x 2 = 4 (cực)

-Khi xác định kết cấu của động cơ không đồng bộ giữa đ ờng kính trong D

và ngoài Dn của stato có một mối quan hệ nhất định theo hệ số KD =

D

D n Quan

hệ này phụ thuộc vào số đôi cực Mặt khác, đờng kính ngoài Dn có liên quan đếnchiều rộng cuộn tôn kỹ thuật điện và chiều cao tâm trục máy h đã đợc tiêu chuẩnhóa

- Trớc hết ta xác định đờng kính ngoài Dn theo chiều cao h

- Theo bảng IV.1 của phụ lục IV dãy công suất, chiều cao tâm trục của

động cơ roto lồng sóc kiểu IP44 theo tiêu chuẩn TCVN - 1987- 1994 TL[1],

Với P = 3kW, 2p = 4 ta chọn h = 112 (mm)

- Với h = 112 (mm) theo bảng 10.3 TL[1], ta chọn đờng kính ngoài statotiêu chuẩn Dn = 19,1 (cm)

1.3 Đờng kính trong stato (D)

Đờng kính trong stato xác định theo công thức :

D = kD.DnTheo bảng 10.2 TL[1] , với 2p = 4, chọn kD = 0,64 ¿ 0,68

+Với Dn = 19,1 (cm)

D = kD ¿ Dn

= ( 0,64  0,68 )x 191

= ( 122,24  129,98 ) (mm)Chọn D = 12,3 (mm)

1.4 Công suất điện từ tính toán (P )’)

P' =

k E P õm η.cos ϕ

kE là hệ số chỉ quan hệ giữa điện áp đặt vào và sức điện động sinh ra trong

động cơ, ứng với Dn = 19,1cm và 2p = 4 theo hình 10 -2 TL[1] tra đợc kE = 0,965

η ,cos ϕ ,n là hiệu suất,hệ số công suất và tốc độ đồng bộ

0,965ì3

1.5 Chiều dài tính toán của lỏi sắt ( l δ ):

+ A và B δ phụ thuộc vào Dn , 2p.

Việc chọn A , B δ có ảnh hởng rất lớn đến kích thớc chủ yếu D , l δ của

máy điện Đứng về mặt tiết kiệm vật liệu nên cho A và B δ lớn, nếu A và B δ

quá lớn thì tổn hao đồng và thép tăng lên làm động cơ nóng, ảnh hởng đến tuổi thọcủa máy.Do đó khi chọn A và B δ cần xét đến chất liệu của vật liệu sử dụng, nếu

sử dụng vật liệu sắt từ tốt ( có tổn hao ít hay độ từ thẩm cao ) thì có thể chọn A lớn.Ngoài ra, tỉ số A và B δ cũng ảnh hởng đặc tính làm việc và khởi động của động

Lấy l δ = 7 (cm)

Cũng giống nh các động cơ khác, nên việc chọn kích thớc chủ yếu D và

l δ cho một động cơ không chỉ có một nhóm trị số Vì vậy khi thiết kế phảI căn

cứ vào tình trạng sản xuất mà tiến hành so sánh các phơng án một cách toàn diện

để đợc một phơng án kinh tế và hợp lý nhất Quan hệ D và l δ

đợc biểu thị trongquan hệ:

λ =

l δ τ

- Hệ số kinh tế: λ3 = l τ δ = 9,65 7 = 0,725

Trong dãy động cơ không đồng bộ roto lồng sóc kiểu IP44 cấp cách điện B,với động cơ P = 3kW, 2p = 4 có cùng đờng kính ngoài Dn (nghĩa là cùng chiều caotâm trục h) có động cơ P = 4 kW, 2p = 4

Ta có hệ số tăng công suất của máy này là γ=4

U1: điện áp pha của lới

U1= 220 (V)

P, η , cos ϕ : công suất , hiệu suất và hệ số công suất của máy

P = 3 (kW)

CHƯƠNG 2 : XáC ĐịNH DÂY Quấn, RãNH STATO Và

KHE Hở KHÔNG KHí

*Chọn rãnh stato

khi thiết kế dây quấn stato cần phải xác định số rãnh của một pha dới mộtcực từ (q1), thờng ta lấy q1=3ữ4 đối với những động cơ có công suất nhỏ Chọnq1 nhiều hay ít đều ảnh hởng đến số rãnh stato (Z1) Số rãnh này không nên quánhiều, vì nh vậy diện tích cách điện chiếm chỗ so với rãnh ít sẽ nhiều hơn, do đó

hệ số lợi dụng rãnh sẽ kém đi, mặc khác về phơng diện độ bền cơ năng sẽ yếu đi ítrăng quá sẽ làm dây quấn phân bố không đều trên bề mặt lõi thép, nên sức từ độngphần ứng có nhiều sóng bậc cao, do đó khó chọn hệ số dây quấn thích hợp để triệttiêu sóng bậc cao đó Trị số q1 nói chung nên chọn số nguyên vì nh vậy có thể cảithiện đặc tính làm việc và có khả năng giảm đợc tiếng kêu của động cơ

Trong thiết kế dãy động cơ điện, thờng ta muốn lợi dụng một số khuôn dậprãnh để dập lá tôn dùng đợc cho nhiều máy khác nhau Vì vậy muốn có trị số q1phù hợp với những động cơ khác nhau, ta không thể chọn q1 tuỳ ý đợc

Lấy ur1 = 40 (vòng)

Số vòng dây nối tiếp một pha xác định nh sau:

W1=p q1 u r 1

a1 =

2ì3ì40

1 =240 (vòng)

n1 : số sợi ghép song song, chọn n1 = 1

Theo phụ lục VI, bảng VI.1 TL[1] Chọn dây đồng tráng men PETV cócác kích thớc sau đây:

+ Tiết diện dây: 0,9027 (mm2)

+ Đờng kính dây cha kể cách điện: d = 1,08 (mm)

+ Đờng kính dây kể cả cách điện: dcđ = 1,16 (mm)

Động cơ có h = 112cm, do đó ta chọn dây quấn một lớp bớc đủ đặt vào rãnhnữa kín

- Bớc cực τ : khoảng cách giữa hai cực kế tiếp, tính bằng số rãnh

3 sin302

chiều dài thực của lõi thép stato l1

Bz1: mật độ từ thông trong răng stato, ứng với động cơ có chiều cao tâm trục

h=(50ữ132)mm và số cực 2p = 4 thì B Z 1=(1 , 75ữ1 , 95) T , ta chọn BZ1 = 1,77TkC: Hệ số ép chặt Hệ số ép chặt lõi cực từ chỉ quan hệ giữa chiều dài phầnthép với chiều dài thực của lõi thép Hệ số này phụ thuộc vào áp suất ép chặt lõithép, độ không đồng đều của bề dày lá thép, chiều dày lớp sơn cách điện và chiềudày lõi thép Khi chiều dày lõi thép không quá (14ữ15)cm thì không cần phủ sơn.

Lõi thép stato của động cơ không đồng bộ đợc làm bằng thép kỹ thuật điện dày0,5mm Ta chọn kC = 0,95

2.9 Sơ bộ định chiều cao của gông stato (h’) g1 )

- Sơ bộ chiều cao của gông xác định nh sau:

Theo b¶ng VIII.1 phô lôc VIII chän chiÒu dµy c¸ch ®iÖn r·nh lµ: c = 0,25 mm ,

ChiÒu dµy c¸ch ®iÖn phÝa miÖng r·nh cm = 0,35 mm

Trị số của hệ số lấp đầy kđ nên lấy trong khoảng (0,7ữ0,75) là hợp lý, kđ

không nên lấy quá 0,8 và nh vậy khi đặt dây quấn vào rất khó khăn và dễ làm chodây bị xây xát, kđ nhỏ quá nhỏ quá thì không lợi dụng triệt để đợc rãnh và khi độngcơ làm việc do lực điện từ dây sẽ bung và sẽ làm h hỏng cách điện của dây

Khi chọn khe hở không khí δ ta cố gắng lấy nhỏ để dòng không

tải nhỏ và cos ϕ cao Nhng khe hở nhỏ làm cho việc chế tạo và lắp ráp

thêm khó khăn, stato dễ chạm với roto làm tăng thêm tổn hao phụ và điệnkháng tản tạp của động cơ tăng lên

Việc chọn khe hở không khí δ chủ yếu dựa vào công thức kinh nghiệm:

δ=0 ,25+ D

1000

=0,25+211

1000=0,461(mm)Với động cơ có 2p = 4, h = 112mm Theo bảng 10.8 TL[1] ta chọn

δ =0,3 (mm).

 Tóm lại: Sau khi thiết kế lá thép stato ta nhận thấy mật độ từ thông trongrăng, gông stato nằm trong phạm vi cho phép, lõi thép stato có đủ độ bềncơ khí, không bị biến dạng khi gia công cũng nh lắp ráp Số rãnh cũng

nh kích thớc rãnh đựoc chọn là hợp lý

 Công nghệ chế tạo lõi thép stato:

Để chế tạo lõi thép stato từ thép kỹ thuật điện ta dùng phuơng pháp dậpphức hợp Đây là phơng pháp mà mỗi lần dập có thể cắt đợc nhiều hình u

điểm của phơng pháp này là cho năng suất và độ chính xác cao, tuy nhiênviệc chế tạo khuôn dập phức hợp rất khó khăn và đắt tiền

 Phơng pháp dập 3 đờng kính: Đây là phơng pháp thông dụng của các nhà máy

+ Bớc 1: Dập rãnh stato+ Bớc 2: Dập rãnh roto, lỗ thông gió + Bớc 3: Dập đờng kính ngoài lá thép stato, đờng kính trong và lỗtrục u điểm của phơng pháp này là lực dập của các bớc tơng đối đồng đều, bởi vì

3 đờng kính: đờng kính trục, đờng kính ngoài, đờng kính trong của lá thép stato

đều dập một lần nên độ đồng tâm rất cao

Việc cách điện các lá thép stato và roto đợc thực hiện bằng phơng pháp oxihoá trên bề mặt lá thép Xử lý độ bavia bằng phơng pháp dũa

Với dây quấn 3 pha đồng tâm một lớp bớc đủ 2 mặt phẳng có Z1 = 36, 2p =

4, q1 = 3 Ta có góc lệch pha giữa 2 cạnh liên tiếp:

T T T T

3 phần tử tạo thành bởi các cạnh tác dụng (31-6), (32-5) và (33-4) dới đôicực thứ hai

Đem nối tiếp các phần tử thuộc cùng 1 pha ta đợc dây quấn 3 pha

Hình 2.2 Dây quấn stato 2.14 Quá trình tẩm sấy dây quấn stato.

Dây quấn động cơ sau khi chế tạo xong đợc chuyển dến phân xởng tẩm sấy

ở phân xởng này, dây quấn đợc sấy khô rồi đem nhúng vào một loại sơn cách điệnnào đó, sau đó lại đem sấy khô Mục đích của công đoạn này là nâng cao tuổi thọcách điện của dây quấn (Tăng cao tuổi thọ cho động cơ)

Quá trình tẩm sấy: vật liệu cách điện trớc khi tẩm bao giờ cũng nhiễm ẩm

kể cả vật liệu cao cấp Do đó trớc khi tẩm cần phải sấy khô toàn bộ dây quấn Hơi

ẩm trong cách điện sẽ hổn hợp với nớc trong sơn và đợc loại trừ khi sấy khô

Nhiệt độ sấy càng cao thì quá trình bay hơi nớc càng nhanh nhng không đợccao quá cấp chịu nhiệt tơng ứng với vật liệu cách điện đó Có thể đẩy nhanh quátrình sấy khô dới áp suất thấp, nhng chú ý trớc khi hút chân không phải sấy nóngdây quấn đến nhiệt độ định mức

Phơng pháp tẩm cơ bản là nhúng toàn bộ dây quấn đã sấy khô (còn nóng)vào sơn cách điện Sơn đợc thấm sâu vào lớp cách điện Sơn đợc thấm sâu vào lớpcách điện nhờ mao dẫn và áp suất do khối lợng bên trên tạo ra Số lần tẩm sơn phụthuộc vào điều kiện làm việc của động cơ và loại cách điện dợc dùng

Khi tẩm trong bình chân không và áp lực phải tuân theo một qui trình địnhtrớc, đảm bảo thời gian và áp lực qui định(từ 3 đến 5 phút dới áp lực từ 7 đến8kg/cm2)

Sau khi tẩm để ráo sơn, tiếp tục sấy khô sơn Giai đoạn sấy khô có thể chiathành 2 công đoạn: loại trừ dung môi của sơn và thiêu kết lớp màn sơn Thời giansấy và nhiệt độ sấy tuỳ thuộc vào điện trở của cách điện vật liệu

Trong những động cơ công suất nhỏ, ta chọn Z2<Z1 để cho răng rãnh roto khỏi quá nhỏ.

Thiết kế dạng rãnh cũng là xác định diện tích rãnh(tức diện tích thanh dẫnlồng sóc) Ngày nay, với những động cơ có chiều cao tâm trục h=(50ữ355)mm

lồng sóc đợc đúc bằng nhôm, trong đó khi h=(50ữ250)mm đợc đúc bằng áp lực.

Số rãnh rôto chọn theo số rãnh statovà số đôi cực

Theo bảng 10.6 TL[1] với Z1= 36, chọn Z2 = 28 rãnh

3.2 Đờng kính ngoài rôto (D ) ’)

Đờng kính ngoài rôto đợc xác định nh sau:

D¿

=12 , 3−2 0 ,03=12 ,24 (cm)

3 6 Dßng ®iÖn trong thanh dÉn roto (I td )

I td=I2=k I I16 W1.k d

Z2

I td=0,87×6,68×6×240×0,96

28 =286 ,5( A )Víi cos ϕ=0,83 theo h×nh 10.5 TL[1] chän kI = 0,87.

=3,82( A )

Với động cơ không đồng bộ roto lồng sóc , do diện tích rãnh roto đồng thời

là tiết diện thanh dẫn, vì vậy phải thiết kế tiết diện rãnh roto sao cho nằm trongphạm vi cho phép Mật độ dòng điện trong thanh dẫn nằm trong phạm vi

Bg2: mật độ từ thông trong gông roto, theo bảng 3.3 TL[2] chọn Bg2 = 1,2 T Với động cơ không đồng bộ roto lồng sóc có h < 160 mm ta chọn

H×nh 3.1 kÝch thíc r·nh roto

§Ó gi¶m lùc ký sinh tiÕp tuyÕn vµ híng t©m, ta lµm nghiªng r·nh ë roto hay

stato, v× lµm nh thÕ cã thÓ triÖt tiªu sãng ®iÒu hoµ r¨ng.Th«ng thêng ta lµm

CHƯƠNG 4 :TíNH TOáN MạCH Từ

Mục đích của việc tính toán mạch từ là xác định sức từ động cần thiết để tạo ra

ở khe hở không khí một từ thông có thể sinh ra sức điện động đã xác định ở phầndây quấn phần ứng Do tính chất đối xứng của máy điện, từ thông sinh ra ở mỗicực từ đợc phân bố thành hai phần bằng nhau bởi trục cực từ, các phần này cùngvới các phần khác của cực từ kế cận tạo thành những mạch từ khép kín Số cực từnày bằng đúng số cực từ của máy điện Vì vậy khi tính toán ta chỉ cần tính mạch từ

ở một đôi cực Nếu ký hiệu sức từ động của mạch từ là F thì vì mạch từ gồm nhiều

đoạn nối tiếp nhau nên theo định luật toàn dòng điện ta có:

F= ∮ H dl= ∑ Hx.lx= ∑ Fx= I W

Hx: Cờng độ từ trờng (A/cm)

Lx: Chiều dài đoạn mạch từ bất kỳ của mạch từ

Trong đó các ký hiệu δ , Z, g chỉ khe hở không khí, răng và gông lõi thép, ký

hiệu 1, 2 chỉ stato và roto Căn cứ vào sức điện động cần thiết ở dây quấn phần ứngtịm đợc từ thông φ , theo kích thớc của động cơ tìm tiết diện sx của từng đoạn

mạch từ, sau đó xác định từ cảm Bx của mỗi đoạn mạch từ

- Cờng độ từ trờng trên răng stato:

ứng với loại thép 2211 và Bz1 = 1,8T Theo bảng V.6 phụ lục V TL[1] chọnHZ1 = 27 (A/cm)

- Sức từ động trên răng stato:

F Z1=2h¿Z1 H Z 1=2ì1,288ì27=66 ,312( A ) Với : h¿Z1

- Cờng độ từ trờng trên roto:

ứng với loại thép 2211 và Bz2 = 1,75T Theo bảng V.6 TL[1].ta chọn

HZ2 =22,2 (A/cm)

- Sức từ động trên răng roto:

F Z2=2h¿Z2

H Z 2=2ì1,59ì22 ,2=70,596( A )

- Cờng độ từ trờng trên gông stato

ứng với loại thép 2211 và Bg1 = 1,7T Theo bảng V.9 phụ lục V TL[1] chọnHg1 = 21,8 (A/cm)

- Chiều dài mạch từ ở gông stato:

- Cờng độ từ trờng trên gông roto

- Theo bảng V.9 phụ lục V Tl[1], ứng với Bg2 = 1,53T và loại thép 2211,chọn Hg2 = 10 (A/cm)

Theo hình 4.16, TL[1] ứng với Bg2 = 1,53T, ta chọn ξL = 0,3

4.7 Tổng sức từ động của mạch từ (F)

F = F δ + FZ1 + FZ2 + Fg1 + Fg2

F = 497,76 + 66,312 + 70,596 + 73,956 + 13,44 = 722 (A)

CHƯƠNG 5: THAM Số CủA ĐộNG CƠ ĐIệN ở CHế Độ

ĐịNH MứC

Điện trở và điện kháng là những tham số của động cơ điện không đồng bộ rotolồng sóc Điện kháng đợc xác định bởi từ thông móc vòng với đơn vị dòng điện vàtần số Từ thông móc vòng của động cơ trên có thể chia làm hai loại: Từ thông mócvòng cảm ứng tơng hỗ(từ thông chính) và từ thông móc vòng tản từ Mỗi loại cótính chất riêng của mình trong việc xác định các đặc tính làm việc và các đặc tínhkhác của động cơ

Dựa vào các điện trở ta có thể xác định các trị số tổn hao của dây quấn của độngcơ điện ở chế độ làm việc ổn định cũng nh trong quá trình quá độ Trong thiết kế

động cơ điện không đồng bộ roto lồng sóc, việc tính toán điện trở và điện khángcủa dây quấn là một vấn đề khó khăn và là một vấn đề quan trọng

5.1 Xác định điện trở của dây quấn

f = kf1 τy

+B = 0,4.10,8 +1 = 5,32(cm)Với 2p = 4, theo bảng 3.4, TL[1] chọn kf1= 0,4

5.1.4 Điện trở tác dụng của dây quấn stato (r 1 )

kr: Hệ số xét đến tổn hao tăng lên do từ tản làm cho mật độ dòng phân bốkhông đồng đều ở tiết diện dây dẫn, với động cơ điện không đồng bộ khitính toán điện trở thờng lấy kr = 1

Theo bảng 5.1 TL[1] Điện trở suất của đồng

ρ cu750= 1

46 ( Ωmm

2

¿m)

- Tính theo đơn vị tơng đối:

§iÖn trë t¸c dông tÝnh theo c«ng thøc sau :

h1h2

b'

b’

0,1b'

4,7×9 , 94

1 ,045+2×2,2=0 , 549

b42

b'

h10,1b'

Tổn hao năng lợng trong quá trình làm việc của dộng cơ điện là điều khôngthể tránh khỏi Nhiệm vụ của ngời thiết kế là phấn đấu làm tổn hao đến mức thấpnhất bằng cách chọn sự phối hợp hợp lý giữa kết cấu tải điện từ, mật độ dòng

điện với việc áp dụng những thành tựu đơng thời của vật liệu kỹ thuật điện

Tổn hao năng lợng trong quá trình làm việc của động cơ điện đợc xác định

ở chế độ xác lập Do đó trong thực tế chỉ cần xét đến tổn hao năng lợng trong một

đơn vị thời gian tức tổn hao công suất Trong tính toán động cơ điện, tổn hao côngsuất không chỉ dùng để xác định hiệu suất mà còn xác định độ chênh lệch nhiệt độ

ở các bộ phận của máy