Chương 4 : Thiết kế khe hở không khí và lõi sắt Roto pptx

Chương 4 THIẾT KẾ KHE HỞ KHÔNG KHÍ VÀ LÕI SẮT RÔTO Sự khác nhau giữa các kiểu máy điện không đồng bộ là ở rôto.. Đối với loại rôto lồng sóc tính năng của máy còn phải thỏa mãn tiêu chuN

Chương 4

THIẾT KẾ KHE HỞ KHÔNG KHÍ VÀ LÕI SẮT RÔTO

Sự khác nhau giữa các kiểu máy điện không đồng bộ là ở rôto Tính năng của máy tốt hay xấu cũng là ở rôto Để thỏa mãn các yêu cầu khác nhau có thể chế tạo thành loại rôto quấn dây, rôto lồng sóc đơn, rôto rãnh sâu, rôto lồng sóc kép Loại rôto quấn dây không có yêu cầu về mở máy chỉ phải thỏa mãn tiêu chuNn nhà nước về hiệu suất, cos, trong điều kiện làm việc định mức Đối với loại rôto lồng sóc tính năng của máy còn phải thỏa mãn tiêu chuNn về dòng điện khởi động IK và mômen MK khởi động

max

M

Động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc loại thông dụng công suất đến 100kW đều có lồng sóc đúc nhôm Lồng sóc đúc nhôm so với lồng sóc làm bằng thanh đồng hàn lại thì có nhiều ưu điểm hơn: chế tạo đơn giản, chắc chắn, đỡ tốn đồng (là vật liệu quý và kiếm)

Thiết kế rôto động cơ điện không đồng bộ bao gồm các khâu: xác định khe hở không khí, số rãnh rôto Z2 và dạng rãnh

4-1 Xác định khe hở không khí

Khi chọn khe hở không khí  ta cố gắng chọn trị số nhỏ để cho dòng điện không tải nhỏ và hệ số công suất cos cao Nhưng khe hở không khí nhỏ làm cho việc chế tạo và máy làm việc thêm khó khăn, stato rất dễ chạm vào rôto, làm tăng thêm tổn hao phụ, điện kháng tản tạp cũng tăng lên

Khi chọn khe hở không khí có thể tham khảo kinh nghiệm chế tạo của các nhà máy Theo kết cấu thì khe hở phụ thuộc vào kích thước của đường kính ngoài rôto, khoảng cách giữa hai ổ bi và đường kính của trục Nguyên nhân là đường kính trong stato D ảnh hưởng đến các dung sai lắp ghép của vỏ, nắp, lõi sắt, từ đó quyết định độ lệch tâm cho phép và lực từ một phía của máy Đường kính trục và khoảng cách giữa hai ổ bi quyết định độ võng của trục Theo quá trình chế tạo mà xét thì độ đồng tâm, độ ô van của các chi tiết gia công, độ lệch tâm do lắp ghép, khe hở trong ổ bi và độ mòn của ổ bi sau một thời gian làm việc cũng ảnh hưởng rất lớn đến việc quyết định khe hở không khí Có thể dùng những công thức sau để chọn một cách hợp lý trị số của khe hở không khí

Với những máy công suất không lớn P  20kW và :

Khi 2p  4 :

1000 25

, 0

δ  D ,mm (4-1a)

Khi 2p = 2 :

666

D 5 , 1 25 ,



 ,mm (4-1b) Với máy công suất trung bình và lớn P > 20kW:

p 2

9 1 ( 1200

D





 ,mm (4-1c) trong các công thức trên D là đường kính rôto, tính theo milimet Trị số của  tính được phải quy con số thứ hai sau dấu phNy thành 0 hoặc 5

Với những động cơ điện rôto lồng sóc đúc nhôm có 2p = 2 và D = 14  30cm, khe hở không khí phải lấy lớn hơn 1,3 lần so với trị số tính theo công thức (4-1b) hay (4-1c) để giảm tổn hao phụ không tải và có tải

Với những động cơ điện công suất nhỏ (P < 1,1 kW) thường chọn

=0,25mm

Với những động cơ điện làm việc trong điều kiện nặng nề phải tăng khe

hở không khí lên Nếu tăng 1,3  1,5 lần trị số bình thường thì cos sẽ bị giảm đi 0,04  0,06

Các nhà máy của Liên Xô dùng trị số  gần giống như  tính theo công thức trên Cụ thể với dãy máy 4A, các trị số như trong bảng 4-1

Khe hở không khí của dãy máy 4A

Bảng 4.1

(mm) khi số cực từ 2p (mm) khi số cực từ 2p

Ch.cao

Ch cao

h (mm) 2 4 6, 8 10,12

50

56

63

71,80

90

100

112

132

160

180

0,25

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,60

0,80

0,90

0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,30 0,30 0,35 0,50 0,60

0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,30 0,30 0,35 0,50 0,45

200

225

250

280

315 H315

355 H355

400

450

0,90 1,00 1,20 1,30 1,30 1,50 1,50 1,80 2,00 2,00

0,70 0,85 1,00 0,90 0,90 1,00 1,00 1,20 1,40 1,40

0,50 0,60 0,70 0,80 0,80 0,90 0,90 1,00 1,20 1,20

-

-

- 0,70 0,70 0,80 0,80 0,90 1,00 1,00

4-2.Chọn số rãnh rôto

Khi thiết kế máy điện không đồng bộ, việc chọn số rãnh rôto là một vấn

đề rất quan trọng vì khe hở của máy rất nhỏ, khi mở máy mômen phụ do từ trường sóng bậc cao gây nên ảnh hưởng rất lớn đến quá trình mở máy và ảnh hưởng đến cả đặc tính làm việc Vì vậy để có tính năng tốt, khi chọn Z2 phải tuân theo một sự hạn chế nhất định để giảm mômen phụ

Trong động cơ điện rôto quấn dây, vì có điện trở mở máy và dây quấn rôto đấu thành 3 pha cho nên sự hạn chế về số rãnh so với loại rôto lồng sóc ít

hơn nhiều Thường chọn số rãnh của một pha dưới một cực của dây quấn rôto bằng q2 = q1  1 và tuyệt đối không chọn q2 = q1 để tránh khi mở máy sinh ra mômen đồng bộ lớn quá làm cho máy không chạy được Cũng rất ít gặp q2 = q1 

2 vì q1, q2 khác nhau quá nhiều sẽ làm tổn hao phụ trong lõi sắt tăng lên Chỉ trong trường hợp đặc biệt (máy nhỏ hay tốc độ chậm) mới cho phép dùng q2 = 2

2

1

hay q2 = 1

2

1 Các nhà máy của Liên Xô ngày nay đã chế tạo động cơ không đồng bộ

rôto lồng sóc với dãy máy 4A, các trị số Z1/Z2 như trong bảng 4-2

Bảng 4-2 Số rãnh stato trên số rãnh rôto, Z1/Z2

Z1/Z2 khi số cực 2p

Chiều cao

50-63

71

80-100

112-132

160

180-200

225

250

280-355

400-450

24/19 24/19 24/19 24/19 36/28 36/28 36/28 48/40 48/38

-

24/18 24/18 36/28 36/34 48/38 48/38 48/38 60/50 60/70 60/70

36/28 36/28 36/28 54/51 54/51 72/58 72/56 72/56 72/82 72/84

- 36/28 36/28 48/44 48/44 72/58 72/56 72/56 72/86 72/86

-

-

-

-

-

-

-

- 90/106 90/106

-

-

-

-

-

-

-

- 90/106 90/106

Việc chọn số rãnh rôto của động cơ điện rôto lồng sóc có quan hệ rất lớn đến mômen phụ Mômen phụ có ba loại: mômen phụ không đồng bộ, mômen phụ đồng bộ và mômen sinh ra rung máy Những mômen này đều do từ thông sóng bậc cao của stato và rôto gây ra Để tránh các loại mômen phụ này, về lý luận đã dẫn ra rất nhiều công thức cần phải theo, nhưng những công thức này không thể thỏa mãn hết tất cả các điều kiện và trong thực tế sản xuất nhiều khi kết quả không hoàn toàn giống như trong lý thuyết

Vì vậy trong thiết kế sản xuất khi chọn số rãnh Z2 thường căn cứ vào kinh nghiệm vận hành của các động cơ điện đã chế tạo để chọn Sự phối hợp giữa số rãnh stato và rôto ghi trong bảng 4-3 là tài liệu thiết kế của nhà máy “Điện lực” Liên Xô Có thể sử dụng để tham khảo khi chọn Z2

Để giảm bớt biên độ của một số sóng bậc cao mà dùng những biện pháp trên không thể trừ khử hết được, trên rôto (hay stato) có thể làm thành rãnh nghiêng Hiệu quả của phương pháp này rất rõ rệt, vì vậy khi dùng rãnh nghiêng

có thể dùng nhiều kiểu phối hợp rãnh stato và rôto hơn

Độ nghiêng tốt nhất của rãnh rôto thường bằng bước rãnh stato:

1

rn Z

D

 , cm (4-2) Nhưng làm rãnh nghiêng thì mômen cực đại và cos sẽ bị giảm thấp vì vậy không nên lấy brn quá lớn

4-3.Thiết kế dạng rãnh rôto

Sau khi chọn số rãnh rôto phải thiết kế dạng rãnh, cũng là xác định diện tích rãnh (tức là tiết diện thanh dẫn đối với rôto lồng sóc) Do điện trở r2 và điện kháng x2 của rôto có quan hệ với dạng rãnh rôto và khi stato đã thiết kế xong thì yêu cầu về tính năng của động cơ điện như hiệu suất, cos, Mmax, MK, IK chủ yếu

do tham số của rôto quyết định; vì vậy việc chọn dạng rãnh trực tiếp ảnh hưởng đến tính năng của máy Ngày nay, với những máy có chiều cao tâm trục h = 355mm thường thì rôto lồng sóc được đúc bằng nhôm, trong đó khi h = 50-250mm thường đúc bằng áp lực, khi h  280mm thì đúc rung hay trọng lực

Hình 4-2 là một vài dạng rãnh rôto thông dụng để tham khảo khi thiết kế Máy càng lớn, tốc độ càng cao thì h1 chọn càng sâu Động cơ có chiều cao tâm trục h ≤ 160mm thì thường dùng rãnh quả lê (hình 4-2a) và lấy như sau:

b42 = 1,0mm; h42 = 0,50mm khi h < 100mm

b42 = 1,5mm; h42 = 0,75mm khi h = 112-132 mm

Kích thước rãnh (hình 4-2a):















2

2 2 42 1

2 Z

b Z ) h D (

2

4 2 2

2 2 1













Z

S )

Z ( d d

td (4-4)







2

2 2 1 1

Z ) d d (

Với Std là tiết diện ngang thanh dẫn rôto

Động cơ có chiều cao tâm trục h ≥ 180mm thì thường dùng rãnh sâu ôvan như hình 4-2b, hoặc là c và lấy như sau: b42 = 1,5mm; h42 = 0,501,5mm, d1 =

d2 = br2 = 3,5  6 mm và hr2 = 25  45 mm Máy càng lớn tốc độ càng cao thì hr2

càng sâu

Hình 4.2 Vài dạng rãnh rotor

Diện tích tiết diện rãnh :

2

1

8(d d ) (d d )h

Rãnh của rôto quấn dây cũng theo các dạng trên nếu dây dẫn tiết diện tròn Chỉ

khác là miệng rãnh b4 phải đủ rộng để cho được dây dẫn vào như đối với rãnh

stato Nếu dây quấn kiểu thanh dẫn thì rãnh như hình 4-2 trong đó b42 = 1 

1,5mm dây dẫn sẽ là những thanh dẫn dài luồn qua và uốn lại

Bảng phối hợp răng stato và rôto

Số rãnh rôto Z2

Số cực

2

18

24

30

36

42

48

15, 21, 22 15,17, 19, 32

22, 38

26, 28, 44, 46

32, 34, 50, 52

38, 40, 56, 58

19, 22, 26, 28, 31, 33, 34, 35

19, 26, 31, 33, 34, 35

20, 21, 23, 37, 39, 40

25, 27, 28, 29, 43, 45, 47 -

37, 39, 41, 55, 57, 59

4

24

36

48

60

72

16, 17

26, 38, 44, 46

34, 38, 56, 58, 62, 64

50, 52, 68, 70, 74

62, 64, 80, 82, 86

16, 18, 28, 30, 33, 34, 35, 36

27, 28, 30, 34, 38, 45, 48 38,40, 57, 59

48, 49, 51, 56, 64, 69, 71

61, 63, 68, 76, 81, 83

6

36

54

72

90

26, 42, [48]

44, 64, 66, 68

56, 58, 62, 82, 84, 86, 88

74, 76, 78, 80, 100, 102,

104

28, 33, 47, 49, 50

42, 43, 51, 65, 67

57, 59, 60, 61, 83, 85,87,90

75, 77, 79, 101, 103, 105

8

36

48

72

84

96

-

34, 62, [64]

58, 86, 88, 90

66, 70, 98, 100, 102, 104

78, 82, 110, 112, 114

28

35, 61, 63, 65

56, 57, 59, 85, 87, 89

-

79, 80, 81, 83, 109, 111, 113

10

60

90

120

120

44, 46, 74, 76

68, 72, 74, 76, 104, 106

108, 110

86, 88, 92, 94, 96, 98,102,104

57, 63, 77, 78,79

70, 71, 73, 87, 93, 107, 100

-

99, 101, 103, 117, 123, 137

12

72

90

108

144

56, 64, 80, 88

68, 70,74, 88, 98, 106,

108,110

86, 88, 92, 100, 116, 124,

128, 130, 132

124, 128, 130, 152, 160,

164, 166, 168, 170, 172

69, 75, 80, 89, 91, 92

86, 87, 93, 94

84, 89, 91, 104, 105, 111, 112,

125, 127

125, 127, 141, 147, 161, 163

Ghi chú:

1 Với những rãnh stator miệng hở nên dùng quan hệ 0,8Z1  Z2  1,25Z1

2 Trong điều kiện mở máy nặng nên chọn Z2 < Z1

Thiết kế rãnh rôto phải làm sao cho mật độ từ thông ở răng Bz2 và gông

Bg2 nằm trong phạm vi thích hợp như đã ghi trong bảng 3-3 Muốn như vậy trước

khi thiết kế phải sơ bộ định kích thước tối thiểu của răng và gông Cách tính như

sau:

- Đường kính ngoài rôto : D'D2, cm ; (4-7)

- Bước răng rôto :

2

2 Z

' D

t  

, cm ; (4-8)

- Sơ bộ tính chiều rộng của răng rôto:

c 2 2 z

2 '

2

k l B

t l B

b    , cm (4-9)

Đối với máy điện công suất nhỏ hơn 100kW thường các lá tôn của lõi sắt

rôto không phủ sơn cách điện nên hệ số ép chặt kc = 0,95 Chiều dài lõi sắt rôto l2

thường thiết kế bằng chiều dài lõi sắt stato l1 hoặc dài hơn 25 mm

Trong công thức trên Bz2 chọn theo bảng 4-3

Bảng 4-3

BZ2 (T) với động cơ có cấp bảo vệ

IP44 IP23

50  132 2; 4; 6; 8 1,60 – 1,80 1,85 - 2,05

4; 6; 8

1,75 – 1,95 1,70 – 1,90

1,85 – 2,05 1,75 – 1,95

4 6; 8; 10; 12

1,60 – 1,80 1,80 – 2,00 1,70 – 1,90

1,80 – 2,00 2,00 – 2,20 1,80 – 2,00

- Sơ bộ thính chiều cao gông rôto:

c 2 2

' 2

k l B 2

trong đó B 2 chọn theo bảng 4-4

Bảng 4-4

Bg2 (T) với động cơ có cấp bảo vệ 2p

IP44 IP23

Đối với máy rôto lồng sóc, do tiết diện rãnh rôto đồng thời là tiết diện thanh dẫn nên tiết diện rôto phải thiết kế

sao cho mật độ dòng điện trong rôto

nằm trong phạm vi thích hợp Mật

độ dòng điện trong thanh dẫn Jtd khi

thanh dẫn bằng đồng chọn trong

khỏang 5,5  8 A/mm2, còn bằng

nhôm thì Jtd = 2,5  3,5 A/mm2

trong đó trị số nhỏ dùng cho máy

điện kiểu kín, trị số lớn dùng cho

những máy công suất hơn 40kW Để

có mômen mở máy nhất định không

nên chọn Jtđ lớn quá Mật độ dòng

điện ở vành ngắn mạch Jvn c

Hình 4.3 Hệ số kI theo cos

họn thấp hơn Jtđ khoảng 20  25%

Dòng điện thanh dẫn bằng:

2

1 1 1

2 2 2

1 1 1 1

2

6 Z

k N I

k N m

k N m I

k I

dq

dq đm

I

trong đó: hệ số kI xem ở hình 4-3

Tiết diện thanh dẫn sơ bộ có thể tính theo công thức:

td

td td

J

I

S  ,mm2; (4-12)

Dòng điện trong vành ngắn mạch được

tính theo công thức sau:

2

td 2

td vn

Z

p 2

l I Z

p 2

l I

I









sin

,A (4-13)

Tiết diện sơ bộ của vành ngắn mạch

vn

vn

vn J

I

=

S , mm2 ; (4-14)

Căn cứ vào tiết diện sơ bộ của rãnh và

kích thước tối thiểu của răng, gông rôto mà thiết kế dạng rãnh rôto cho thích hợp Thường chiều cao của vành ngắn mạch lấy cao hơn rãnh một ít mà thôi

Hình 4.4 Vành ngắn mạch

Có thể lấy chiều cao của vành ngắn mạch như sau:

hV = (1,1 - 1,2) hr2 (4-15) Đường kính trung bình của vành ngắn mạch :

Dtb.V = D’ - hV

Đối với rôto quấn dây thì số vòng dây của dây quấn rôto N2 được thiết kế sao cho sức điện động dây bên rôto E2 khi rôto không chuyển động nằm trong khoảng 40  230V (với máy đến 100kW) Có thể tính N2 theo công thức sau:





1 2 dq s

3 2 2

f k k 4

10 E

N ; (4-16,a) trong đó kdq2 là hệ số dây quấn rôto Các tham số khác giống như ở bên stato

Nếu rôto có dây quấn loại thanh dẫn (mỗi rãnh chỉ có hai thanh dẫn) thì số vòng dây của một pha sẽ bằng:

2 2 2

a

1 pq 2

N  ; (4-16,b) Dòng điện trong thanh dẫn dây quấn rôto cũng được tính theo công thức trên

Sau khi thiết kế xong rãnh rôto cần tính toán lại chính xác các kích thước

vn td

g

z h J J

b 2, 2, , và lấy đó làm số liệu chính xác để tính các tham số khác sau này

Điều chú ý là khi tính chiều cao gông hg2 cần biết đường kính lỗ trục Trục phải thiết kế sao cho độ võng của trục không vượt quá 10% khe hở không khí

Do đó muốn thiết kế chính xác cần phải tính độ võng của trục Khi thiết kế lõi sắt

mà chưa cần thiết kế trục, có thể xác định đường kính trục dt theo công thức kinh nghiệm như sau:

d t ktDn , cm (4-17)

Hệ số kt lấy theo bảng 4-5

Bảng 4-5

2p 2 6 2 8 2 412 4 6 812

Khi rôto ép trực tiếp trên trục, thường mật độ từ thông ở gông tính ra thấp hơn phạm vi cho phép rất nhiều Khi rôto có giá đỡ trục, đường kính trong rôto được thiết kế theo yêu cầu đảm bảo mật độ từ thông ở gông nằm trong phạm vi cho phép

Tóm lại cách tính chính xác chiều cao gông hg2 như sau (hình 4-2):

Khi rãnh đáy phẳng:

2 t r2 dg

3

2 h 2

d ' D

h     , cm ; (4-18,a) Khi rãnh đáy tròn:

t r g

h

3

2 6

1

2      , cm; (4-18,b) Khi rãnh như hình 4-2, c

2 t r2 dg

3

2 h 3

1 h 2

d ' D

h      , cm (4-18,c) trong đó dg = đường kính của lỗ thông gió dọc trục nếu có;

hr2 = chiều cao của rãnh rôto

Chú ý là đối với máy hai cực từ (2p = 2) thì dùng dt

3

1 , để thay cho dt hay cho rằng dt = 0 nếu máy có công suất nhỏ Khi rôto có giá đỡ trục thì dt được thay bằng đường kính trong của rôto Dt