Thiết kế máy điện không đồng bộ roto lồng sốc, trục nằm ngang

Tuy vấn đề thiết kế máy điện không còn mới nhưng để thiết kế ranhững máy điện đạt hiệu suất cao và hệ số cosφ lớn để tiết kiệm cho người tiêudùng, nâng cao hiệu suât cho lưới điện quốc g

M c L c ục Lục ục Lục

L ỜI N ÓI Đ Ầ U 2

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ 3

I Khái niệm chung -3

II Cấu tạo của động cơ không đồng bộ -4

1 Stato (phần tĩnh) -5

2 Rôto (phần quay) -8

3 Khe hở -10

CHƯƠNG II TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 11

A Kích thước chủ yếu: -13

B Dây quấn, rãnh stato và khe hở không khí -16

C Dây quấn, rãnh và gông rotor -24

D Tính toán mạch từ -28

E Tham số của động cơ điện ở chế độ định mức -32

F Tính toán tổn hao -39

H Tính toán đặc tính khởi động -44

I Tính toán nhiệt -49

J Trọng lượng vật liệu tác dụng và chỉ tiêu sử dụng -52

Kết Luận 53 Tài Liệu Tham Khảo53

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sản xuất hiện nay, việc ứng dụng động cơ điện vào việc truyền động

để tạo ra các nguyên công nhằm tạo ra các sản phẩm phục vụ con người là rất phổbiến Máy điện không đồng bộ do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, sử dụng,bảo quản thuận tiện, giá thành rẻ nên được sử dụng nhiều trong nền kinh tế quốcdân (như trong máy cái, bơm nước, quạt gió…) công suất nhỏ và trung bình Tuyvậy, máy điện không đồng bộ có những nhược điểm như: cosφ của máy thườngkhông cao và đặc tính điều chỉnh tốc độ không được tốt nên ứng dụng của máy điệnkhông đồng bộ có phần bị hạn chế

Vì vậy, sự cần thiết hiện nay là phải thiết kế ra những máy điện để đáp ứngnhu cầu xã hội Tuy vấn đề thiết kế máy điện không còn mới nhưng để thiết kế ranhững máy điện đạt hiệu suất cao và hệ số cosφ lớn để tiết kiệm cho người tiêudùng, nâng cao hiệu suât cho lưới điện quốc gia hay đáp ứng một nhu cầu nào đócủa khách hàng thì lúc nào cũng là vấn đề rất mới đòi hỏi người thiết kế phải nắmvững các kiến thức lý thuyết kết hợp với tư duy sáng tạo để tạo ra những sản phẩm

ối ưu nhất nhằm giảm giá thành, đáp ứng nhu cầu sử dụng, giải quyết việc làm…

Nhờ sự giảng dạy tận tình và chu đáo của cô Lương Thị Thanh Hà đã tậntình giúp đỡ em để hoàn thành đồ án “Thiết kế động cơ điện không đồng bộ rôtolồng sóc”

Do điều kiện thời gian có hạn cũng như kiến thức thực tế còn hạn chế nênkhông tránh khỏi những thiếu sót, em mong nhận được những góp ý của thầy cô vàbạn bè để hoàn thiện đồ án cũng như kiến thức của mình

Qua đồ án này, em xin chân thành cảm ơn cô Lương Thị Thanh Hà đã tậntình giúp đỡ em hoàn thiện đồ án này

CH ƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NG I GI I THI U V MÁY ĐI N KHÔNG Đ NG B ỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ỆU VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ Ề MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ỆU VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ ỒNG BỘ Ộ

I Khái niệm chung

Máy điện không đồng bộ là máy điện xoay chiều, làm việc theo nguyên lýcảmứng điện từ, có tốc độ rôto n khác tốc độ từ trường quay trong máy n1 Máyđiện không đồng bộ có thể làm việc ở hai chế độ: động cơ và máy phát

Máy điện do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, sử dụng và bảo quảnthuận tiện, giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân, nhất

là loại công suất dưới 100kW

Máy phát diện không đồng bộ ít dùng vì có đặc tính làm việc không tốt vàtheo yêu cầu thiết kế, nên trong chương này ta chủ yếu đề cập đến động cơ khôngđông bộ Động cơ không đồng bộ được sử dụng nhiều trong sản xuất và sinh hoạt

vì chế tạo đơn giản, giá thành rẻ, độ tin cậy cao, vận hành đơn giản, hiệu suất cao

và gần như không bảo trì Gần đây do kĩ thuật điện tử phát triển, nên động cơkhông đồng bộ đã đáp ứng được yêu cầu điều chỉnh tốc độ vì vậy động cơ càng sửdụng rộng rãi hơn

Động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc cấu tạo đơn giản nhất nên chiếmmột số lượng khá lớn trong loại động cơ điện công suât nhỏ và trung bình Nhượcđiểm của loại này là điều chỉnh tốc độ khó khăn và dòng điện khởi động lớn(thường 6 ÷ 7 lần dòng điện định mức) Để bổ khuyết cho nhược điểm này, người

ta đã chế tạo động cơ không đồng bộ roto lồng sóc nhiều tốc độ và dùng rôto rãnhsâu, lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động lên

Động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn có thể điều chỉnh tốc được tốc độtrong một chừng mực nhất định, có thể tạo một mômen khởi động lớn mà dòng

khởi động không lớn lắm, nhưng chế tạo có khó hơn so với với loại rôto lồng sóc,

do đó giá thành cao hơn, bảo quản cũng khó hơn

Động cơ điện không đồng bộ được sản xuất theo kiểu bảo vệ IP23 và kiểukín IP44 Những động cơ điện theo cấp bảo vệ IP23 dùng quạt gió hướng tâm đặt ởhai đầu rôto động cơ điện Trong các động cơ rôto lồng sóc đúc nhôm thì cánh quạtnhôm được đúc trực tiếp lên vành ngắn mạch Loại động cơ điện theo cấp bảo vệIP44 thường nhờ vào cánh quạt đặt ở ngoài vỏ máy để thổi gió ở mặt ngoài vỏ máy,

do đó tản nhiệt có kém hơn so với loại IP23 nhưng bảo dưỡng máy dễ dàng hơn

Hiện nay các nước đã sản xuất động cơ điện không đồng bộ theo dãy tiêuchuẩn Dãy động cơ không đồng bộ công suất từ 0,55– 90 KW ký hiệu là K theotiêu chuẩn Việt Nam 1987– 1994 được ghi trong bảng 10-1 (Trang 228 TKMĐ).Theo tiêu chuẩn này, các động cơ điện không đồng bộ trong dãy điều chế tạo theokiểu IP44

Ngoài tiêu chuẩn trên còn có tiêu chuẩn TCVN 315 – 85, quy định dãy côngsuất động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc từ 110 kW-1000 kW, gồm có côngsuất sau: 110, 160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800 và 1000kW

II Cấu tạo của động cơ không đồng bộ

Động cơ không đồng bộ về cấu tạo được chia làm hai loại: động cơ khôngđồng bộ ngắn mạch hay còn gọi là rôto lồng sóc và động cơ dây quấn Stato có hailoại như nhau Ở phần đồ án này chỉ nghiên cứu động cơ không đồng bộ rôto lồngsóc

Cấu tạo của động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc gồm hai thành phần chính

là stato và rôto, ngoài ra còn có vỏ mấy, nắp máy và trục máy

Trục làm bằng thép, trên đó gắn rôto, ổ bi và phia cuôi có gắn một quạt đểlàm mát máy dọc trục.

1 Stato (phần tĩnh)

Stato bao gồm: vỏ máy, lõi thép, dây quấn

a) Vỏ máy

Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn

từ Vỏ máy gồm có thân và nắp Thường vỏ máy làm bằng gang Đối với máy cócông suất tương đối lớn (1000 kW) thường dùng thép tấm

hàn lại làm thành vỏ

b) Lõi thép

Lõi sắt là phần dẫn từ Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay, nên đểgiảm tổn hao lõi sắt được làm những lá thép kỹ thuật điện dây 0,5mm ép lại Khiđường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 900 mm thì dùng cả tấm tròn ép lại Khi đườngkính ngoài lớn hơn trị số trên thì phải dùng những tấm hình rẻ quạt (hình 2.1) ghéplại thành khối tròn Yêu cầu lõi sắt là phải dẫn từ tốt, tổn hao sắt nhỏ và chắc chắn.Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm tổnhao do dòng điện xoáy gây nên Nếu lõi sắt ngắn thì có thể ép thành một khối Nếulõi sắt dài quá thì thường ghép thành từng thếp ngắn, mỗi thếp dài từ 6 ÷ 8 cm, đặtcách nhau 1 cm để thông gió cho tốt Mặt trong của lá thép có xẻ rãnh để đặt dâyquấn

Hình 2.2 : cấu tạo động cơ điện không đồng bộ

1 Lõi thép stato;2 Dây quấn stato;3.Nắp máy;4 Ổ bi;5 Trục máy;

6.Hộp đấu cực;7 Lõi thép roto;8 Thân máy;9 Quạt gió làm mát; 10 Hộp quạt

hb34

56

7

8

Hình 2.3 :Lõi thép stato

2 Rôto (phần quay)

Rôto là phần quay gồm lõi thép, dây quấn và trục máy

a) Lõi thép

Lõi thép của rôto (hình 2.4) bao

gồm các lá thép kỹ thuật điện như của

stator, điểm khác biệt ở đây là không cần

sơn cách điện giữa các lá thép vì tần số

làm việc trong roto rất thấp, chỉ vài Hz,

nên tổn hao do dòng fuco trong rôto rất

thấp Lõi thép được ép trực tiếp lên trục

máy hoặc lên một giá rôto của máy Phía ngoài của lõi thép có xẻ rãnh để đặtdây quấn rôto

(a) (b)

Hình 2.4: cấu tạo rôto động cơ không đồng bộ.

(a) Dây quấn rôto lồng sóc (b) Lõi thép rôto.

b) Trục:

Trục của động cơ không đồng bộ làm bằng lõi thép, trên đó gắn lõi thép rôto

c) Dây quấn rôto

Phân làm hai loại chính: loại rôto kiểu dây quấn và loại rôto kiểu lồng sóc:+Loại rôto kiểu dây quấn

Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato Máy điện kiểu trung bình trở lêndùng dây quấn kiểu sóng hai lớp, vì bớt những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trênrôto chặt chẽ Máy điện cỡ nhỏ dùng dây quấn đồng tâm một lớp Dây quấn ba phacủa rôto thường đấu hình sao

Đặc điểm của loại động cơ kiểu dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điệntrở phụ hay suất điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện tính năng mở máy, điềuchinh tốc độ hay cải thiện hệ số công suất của máy

+Loại rôto kiểu lồng sóc

Rôto thanh đồng được chế tạo từ đồng hợp kim có điện trở suất cao nhằm mụcđích nâng cao mômen mở máy

Để cải thiện tính năng mở máy, đối với máy có công suất lớn, người ta làmrãnh rôto sâu hoặc dùng lồng sóc kép Đối với máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto được làmchéo góc so với tâm trục

Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt

3 Khe hở

Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều Khe hở trong máy điện không đồng

bộ rất nhỏ (0,2  1 mm trong máy cỡ nhỏ và vừa) để hạn chế dòng từ hóa lấy từlưới vào, nhờ đó hệ số công suất của máy cao hơn

Đề tài: Thiết kế động cơ điện không đồng bộ rotor lồng sóc

Nội dung thiết kế động cơ điện không đồng bộ rôt lồng sóc

1 Tính toán các kích thước chủ yếu

2 Thiết kế stator, sơ đồ dây quấn stator

3 Thiết kế lõi sắt rotor

CH ƯƠNG I GIỚI THIỆU VỀ MÁY ĐIỆN KHÔNG ĐỒNG BỘ NG II TÍNH TOÁN THI T K ẾT KẾ ẾT KẾ

Chiều cao tâm trục :

Tra Bảng IV.1 phụ lục IV (trang 601TKMĐ) chiều cao tâm trục theo dãycông suất của động cơ điện không đồng bô rôto lồng sóc kiểu IP44 theo TCVN –

1987 – 94 cách điện cấp B Công suất định mức :P = 22 kW,

Chọn h = 200 mm

+Hiệu suất và hệ số công suất :

Tra Bảng 10.1 (trang 228 TKMĐ) hiệu suất và cos dãy động cơ điện KĐB3K ứng với công suất Pđm=22kW và tốc độ nđb=1000 v/phút ta chọn hiệu suất:

Tra bảng 10.10 (trang 268 TKMĐ) bội số momen cực đại mmax của dãy động

cơ 3K ta chọn:

mmax =

Mmax

M đm = 2,0

+Bội số momen khởi động:

Theo bảng 10-11 (trang 271 TKMĐ) bội số momen khởi động dãy động cơđiện 3K ta chọn:

1 Đường kính ngoài stato:

Với chiều cao tâm trục h = 200 mm theo Bảng 10.3(trang 230 TKMĐ) trị sốđường kính ngoài stato tiêu chuẩn Dn theo h, ta chọn:Dn = 34,9 cm

Đường kính trong stato:

kE: là tỷ số sức điện động sinh ra trong máy và điện áp đặt vào

3 Chiều dài tính toán của lõi sắt stato:

lδ được tính theo công thức:

lδ =

,

Trong đó: P’: công suất tính toán

D: đường kính trong stato

n1: tốc độ đồng bộ

Lấy =

2

π = 0,64

Chiều dài lõi sắt stato, rôto bằng:l1 = l2 = lδ = 15cm

Hệ số tăng công suất của máy là:

γ = 18,522 = 1,19

do đó λ22 = γ.λ18,5

Theo hình 10-3 (trang 235, TKMĐ), hai hệ số λ22và λ18,5 đều nằm trong phạm vikinh tế do đó việc chọn phương án trên là hợp lý.

U1: điện áp pha

η: hiệu suất của động cơ

cosφ: hệ số công suất

B Dây quấn, rãnh stato và khe hở không khí

7 Số rãnh stato:

Khi thiết kế dây quấn stato cần phải xác định số rãnh của một pha dưới mỗicực q1 Nên chọn q1 trong khoảng từ 2  5 Thường lấy q1 = 3  4 Với máycông suất nhỏ hoặc tốc độ thấp, lấy q1 = 2 Máy tốc độ cao công suất lớn có thểchọn q1 = 6 Chọn q1 nhiều hay ít có ảnh hưởng đến số rãnh stato Z1 Số rãnhnày nếu nhiều quá, thì diện tích cách điện rãnh chiếm chổ so với số rãnh ít sẽnhiều hơn, do đó hệ số lợi dụng rãnh sẽ kém đi, răng sẽ yếu Ít răng quá sẽ làmcho dây quấn phân bố không đều trên bề mặt lõi sắt nên sức từ động phần cứng

12.Tiết diện và đường kính dây dẫn

Theo hình 10-4b (trang 237 TKMĐ) ứng với Dn = 34,9 và 2p = 6 chọn tíchsố:AJ = 1507,5A2/cm.mm2

Ở đây chọn: n1 = 2 sợi

Theo Phụ lục VI, bảng VI.1 (trang 618, 619 TKMĐ) chọn dây đồng tráng menPETV có đường kính d/dcđ = 1,2/1,28; s = 1,131 mm2

13.Kiểu dây quấn

Chọn dây quấn 2 lớp bước ngắn với y = 10

1

10

0,83 12

72 12

Z p

là bước cực từy: là bước bối dây



= 150

Hệ số dây quấn kd: kd = ky.kr = 0,96.0,96 = 0,9216

15.Từ thông khe hở không khí Ф

Ф =

k E U14.k s k d f w1 =

0,97.220 4.1,11.0,92.50 108 = 9,67.10

kE: tỷ số sức điện động sinh ra trong máy và điện áp đặt vào

16.Mật độ từ thông khe hở không khí B δ và tải đường A

I D

Ở đây lấy Bz1 = 1,75 T (Bảng 10-5b, trang 241 TKMĐ) Lõi sắt stato trongmáy điện không đồng bộ thường làm bằng lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm Khichiều dài lõi sắt không quá 14 – 15 cm thì có thể không cần phủ sơn Thường dùng

11 mm

25,5 mm 19,25

hệ số ép chặt kc để chỉ quan hệ giữa chiều dài phần sắt với chiều dài thực của lõisắt.Chọn Hệ số ép chặt kc= 0,95 (Bảng 2-2, trang 23 TKMĐ)

18.Sơ bộ chiều cao của gông stato

h’

g1=

φ.1042.B g 1 l1.k c = 9,6 10

−3.104

2.1,5.15 0,95 = 2,5 cm

ở đây lấy Bg1 = 1,5T (theo Bảng 10-5a, trang 240 TKMĐ)

19.Kích thước rãnh và cách điện

Chọn rãnh hình quả lê như hình bên:

Chiều cao miệng rãnh thường lấy từ 0,4 0,8 (mm) Chọn h41 = 0,5 (mm)

Đường kính d1 được tính theo công thức:

d1=π(D+ 2.h41)−b z 1 '

z1

72−π =0,6cm Đường kính d2 được tính theo công thức:

h12 = hr1 – h41 –

d2

2 = 22,75 mm

20

GVHD Lương Thị Thanh Hà

Đồ án thiết kế Động cơ KĐB roto lồng sóc

Miệng rãnh b41 = dcđ + 1,5 mm trong đó dcđ là đường kính dây kể cả cách điện.Chiều cao miệng rãnh h41thường lấy trong khoảng 0,4 ~ 0,8 mm

Chiều rộng của miếng cáctông nêm là (

Trong đó: url: số thanh dẫn tác dụng của một cực.

dcđ : đường kính dây kể cả cách điện

Ta thấy hệ số lắp đầy rãnh nằm <0,75: đạt yêu cầu nên không cần tính lại

Theo những máy đã chế tạo ở bảng 10.8 (trang 253 TKMĐ) khe hở không khí δdãy động cơ 4A, ta chọn δ = 0,5 mm = 0,05 cm.

C Dây quấn, rãnh và gông rotor

24.Số rãnh rôto Z 2

Việc chọn số rãnh rôto lồng sóc Z2 là một vấn đề quan trọng vì khe hở khôngkhí của máy nhỏ, khi mở máy momen phụ do từ thông sóng bậc cao gây nênảnh hưởng đến quá trình mở máy và ảnh hưởng cả đến đặc tính làm việc

Hình 2: rôto hoàn chỉnh

hình 3: các thanh nhôm được gắn trên rôto

Thiết kế rãnh rôto phải làm sao cho mật độ từ thông ở răng và gông rôto phảinằm trong phạm vi thích hợp ghi trong các bảng 10.5(trang 241 TKMĐ) Vì vậykhi thiết kế rãnh, phải định kích tthước tối thiểu của răng và gông rôto

Dựa vào các điều kiện trên và bảng 10-6 (trang 246 TKMĐ)

b’z2 =

B δ .l2.t2

B z 2 .l2.k c =

0,78.1,32 1,75.0,95 = 0,62 cm

Ở đây lấy Bz2 = 1,75 T Theo bảng 10-5b (trang 241 TKMĐ)

32.Sơ bộ chọn mật độ dòng điện trong vành ngắn

ν1 =

(b41/δ )2

5+b41/δ =

( 3 0,5)

ν2 =

(b42/δ )2

5+b42/δ =

( 1,5 0,5)

39.Sức từ động khe hở không khí F δ

F = 1,6.B k.δ.104 = 1,6.0,78.1,23.0,05.104 = 767,52 A

Trong đó: Bδ: mật độ từ thông khe hở không khí

l1: chiều dài lõi sắt stato

t1: bước rãnh stato

41.Cường độ từ thông trên răng stato

Theo bảng V-6 (Phụ lục V, trang 608 TKMĐ) Đường cong từ hóatrên răng động cơ KĐB thép 2211, ta chọn:Hz1=21,4 A/cm

42.Sức từ động trên răng stato

45.Cường độ từ trường trên răng rôto

Theo bảngV-6 (Phụ lục V, trang 608 TKMĐ):Hz2 = 10,6 A/cm

46.Sức từ động trên răng rôto

49.Cường độ từ trường ở gông stator

Theo bảng V-9 (Phụ lục V, trang 611 TKMĐ), ta chọnHg1 = 4,98 A/cm

50.Chiều dài mạch từ ở gông stator

53.Cường độ từ trường ở gông rôto

Theo Bảng V-9 (Phụ lục V, trang 611 TKMĐ), ta chọn Hg2 = 1,47 A/cm

54.Chiều dài mạch hở gông rôto

Dòng điện từ hóa phần trăm: Iμ % =

I μ

I đm =

11,52 41,15.100 = 28 %

E Tham số của động cơ điện ở chế độ định mức

59.Chiều dài phần đầu nối của dây quấn stator

hr1: chiều cao rãnh stato

60.Chiều dài trung bình nửa vòng của dây quấn stator

Theo quy định, nhiệt độ làm việc tính toán của máy la 75ºC đối với cấp cách điện

A, E, B và 115oC đối với cách điện cấp F, H