Thiết kế rotor lồng sóc động cơ điện không đồng bộ

Thiết kế rotor lồng sóc động cơ điện không đồng bộ

Bộ Công Thương

Trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội

CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY ĐIỆN

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

- Phần quay (Rôto) gồm hai bộ phận chính là lõi thép và dây quấn.

a) Lõi thép Rotor

- Lõi sắt rôto được làm bằng các lá thép kĩ thuật điện, dập như hình 1

- Các lá thép sau khi ghép lại thành khối hình trụ mặt ngoài hình thành các rãnh để đặt dây quấn rôto, ở giữa có lỗ để ghép trục

- Trên thực tế, tổn hao sắt ở lõi thép rôto khi máy làm việc là rất nhỏ nên không cần dùng thép kĩ thuật điện Nhưng để lợi dụng phần thép kĩ thuật điện sau khi dập lõi sắt stato, người ta dùng để ép lõi thép rô to luôn (hình dưới)

Phần 1 Giới thiệu về phần quay của động cơ KĐB rôto lồng sóc

Hình ảnh về lá thép của rôto

Hình 1 Lá thép rôto của máy điện không đồng bộ

b) Dây quấn rôto

- Dây quấn rôto của máy điện không đồng bộ chia thành hai loại: loại rôto kiểu dây quấn và loại

rôto kiểu lồng sóc

- Động cơ sử dụng Rotor kiểudây quấn có thể điều chỉnh tốc độ trong một chừng mực nhất định,

có thể tạo momen khởi động lớn mà dòng khởi động không lớn lắm Nhưng chế tạo phúc tạp, nên giá thành cao, và việc bảo quản cũng khó khăn

- Động cơ kiểu Rotor lồng sóc có cấu tạo đơn giản, dễ sản xuất, nên chiếm một số lượng khá lớn trong các loại động cơ công suất nhỏ và trung bình…

Phần 1 Giới thiệu về phần quay của động cơ KĐB rôto lồng sóc

 Loại rôto kiểu dây quấn:

- Dây quấn được đặt trong rãnh của lõi thép rôto Dây quấn 3 pha của rôto thường đấu hình sao (Y),

ba đầu còn lại được nối với ba vòng trượt làm bằng đồng cố định ở đầu trục (hình 2-a), tì lên ba vòng trượt là ba chổi than (hình 2-b) Thông qua chổi than có thể ghép thêm điện trở phụ hay đưa sức điện động phụ vào mạch rôto để cải thiện đặc tính mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện cosϕ Khi làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn mạch

Hình 2 Rôto kiểu dây quấn (a) và sơ đồ mạch điện (b) tương ứng

a)

R

b)

Vòng trượt Chổi than Dây quấn rôto

Phần 1 Giới thiệu về phần quay của động cơ KĐB rôto lồng sóc

 Loại rôto kiểu lồng sóc (còn gọi là rôto ngắn mạch)

- Trong mỗi rãnh của lõi thép rôto đặt vào thanh dẫn bằng đồng hoặc bằng nhôm, hai đầu dài ra khỏi lõi thép Các thanh dẫn được nối tắt lại với nhau ở hai đầu bằng hai vòng ngắn mạch cũng bằng đồng hoặc nhôm tạo thành một cái lồng (quen gọi là lồng sóc) như ở hình3a

- Để cải thiện tính năng mở máy, trong các máy có công suất tương đối lớn rãnh rôto thường làm rãnh sâu hoặc lồng sóc kép (2 rãnh lồng sóc) Trong máy điện cỡ nhỏ, rãnh rôto thường làm chéo đi một góc so với tâm trục để cải thiện dạng sóng s.đ.đ (hình 3b)

Hình 3 Dây quấn rôto lồng sóc (a) và rôto lồng sóc rãnh chéo (b)

Phần 1 Giới thiệu về phần quay của động cơ KĐB rôto lồng sóc

 Ngoài ra ở phần quay của động cơ KĐB roto lồng sóc còn có các bộ phận khác như trục máy, cánh quạt làm mát (với động cơ cỡ nhỏ)

2.1 Đặc điểm loại động cơ rotor kiểu lồng sóc

 Ưu điểm

- Cấu tạo đơn giản (nhất là loại đúc nhôm) Do đó chiếm một số lượng khá lớn trong loại động cơ điện

công suất nhỏ và trung bình

 Nhược điểm

- Điều chỉnh tốc độ khó khăn.

- Dòng khởi động lớn Thường là gấp 6 ÷7 lần dòng điện định mức

 Để khắc phục nhược điểm này người ta đã chế tạo động cơ KĐB rotor lồng sóc với nhiều cấp tốc độ

Và dùng rotor rãnh sâu, lồng sóc kép để hạ dòng điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động

Phần 2 Rôto kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

 Hình ảnh về lõi sắt Rotor

(a)

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

 Chọn số rãnh rotor

- Việc chọn số rãnh rôto lồng sóc (Z2) là một vấn đề quan trọng vì khe hở không khí của máy nhỏ, khi

mở máy momen phụ do từ thông sóng bậc cao gây nên ảnh hưởng đến quá trình mở máy và ảnh hưởng cả đến đặc tính làm việc

- Việc chọn Z2 thích hợp sao cho có thể hạn chế các momen phụ đồng bộ, không đồng bộ Cũng như momen phụ gây rung và ồn ta tuân theo sự phối hợp số rãnh Stator (Z1) và số rãnh rotor (Z2) như sau:

Phần 2 Rôto kiểu lồng sóc

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

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

+ Z2 ≠ Z1

+ Z2 ≠ 0,5 Z1

+ Z2 ≠ 2 Z1

+ Z2 ≠ 6 P g với g=1,2,3…

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

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

Phần 2 Rôto kiểu lồng sóc

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

 Để tránh lực hướng tâm do momen không đồng bộ sinh ra trong khi quay ,cần chọn:

+ Z2 - Z1 ≠ 0, 1, 2

+ Z2 – Z1 ≠ p, p+1

+ Z2 – Z1 ≠ 2p, 2p ± 1, 2p ± 2

+ Z2 – Z1 ≠ 2p

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

 Để giảm bớt sóng hài bậc cao hay còn gọi là lực điện từ họa tần bậc cao, giúp cho Rotor chạy

êm hơn Người ta thường làm nghiêng rãnh ở Rotor, và nghiêng một bước răng Stator

Z

π

=

Phần 2 Rotor kiểu lồng sóc

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

 Thường trong các máy KĐB công suất nhỏ ta chọn

Z2 < Z1 để cho răng rãnh Rotor khỏi quá nhỏ

 Trong các máy KĐB công suất lớn , để giảm điện kháng tản Rotor, ta chọn Z2 > Z1

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

 Chọn dạng rãnh cho Rotor

- Thiết kế dạng rãnh Rotor cũng là xác định diện tích rãnh (tức là diện tích thanh dẫn của lồng sóc)

- Do điện trở r2 và điện kháng tản x2 của Rotor có quan hệ với hình dạng rãnh Rotor nên khi Stator đã thiết kế xong thì việc thiết kế dạng rãnh Rotor trực tiếp ảnh hưởng đến tính năng của máy

- Ngày nay, với những máy có chiều cao tâm trục

h = 50 ÷ 355 mm thường lồng sóc được đúc bằng nhôm

+ Khi h = 50 ÷ 250 mm thường sử dụng phương pháp đúc áp lực

+ Khi h > 280 mm dùng phương pháp đúc rung hay đúc trọng lực

Phần 2 Rotor kiểu lồng sóc

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

- Dạng rãnh như hình bên thường dùng cho máy

KĐB Rotor lồng sóc có chiều cao tâm trục h <

160 mm Trong đó thường lấy:

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

- Khi h ≥ 180 mm ta dùng rãnh sâu hình ôvan

như hình bên Với các kích thước:

b42 = 1,5 mm,

h42 = 0,5 ÷ 1,5 mm

b42h42

d1

d1

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

 Thiết kế rãnh Rotor phải làm sao cho mật độ từ thông ở răng và gông Rotor phải nằm trong phạm vi thích hợp (tham khảo các bảng 10.5 trang 240 giáo trình thiết kế máy điện) Trước khi thiết kế rãnh phải định kích thước tối thiểu của răng và gông Rotor

 Mặt khác tiết diện rãnh Rotor cũng chính là tiết diện thanh dẫn lồng sóc vậy nên phải tính toán sao cho mật độ dòng điện trong thanh dẫn Rotor thích hợp:

- Đối với thanh dẫn đúc bằng nhôm, mật độ dòng điện trong thanh dẫn Jtd = 2,5 ÷ 3,5 A/ mm2

- Đối với thanh dẫn đúc bằng đồng mật độ dòng điện trong thanh dẫn Jtd = 4 ÷ 8 A/ mm2

Phần 2 Rotor kiểu lồng sóc

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

 Mật độ dòng điện ở vòng ngắn mạch Jv chọn thấp hơn mật độ dòng điện trong thanh dẫn 20 ÷ 25 %

 Dòng điện trong thanh dẫn

- Trong đó kI tra theo hình 10-5 trang 244 giáo trình TKMĐ

I I

p Z

π

=

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

 Tiết diện sơ bộ của thanh dẫn Std

 Tiết diện sơ bộ của vành ngắn mạch Sv

 Chiều cao vành ngắn mạch thường lấy cao hơn chiều cao rãnh Rotor

td td

td

I S

J

=

v v

v

I S

Phần 2 Rotor kiểu lồng sóc

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

Hình ảnh vành ngắn mạch trong Rotor lồng sóc

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

 Ở hai vành ngắn mạch thường đúc liền cánh quạt Kích thước cánh như hình 10-9 và số cánh theo bảng 10-7 trang 250 giáo trình thiết kế máy điện

 Điều cần chú ý là khi tính chiều cao gông hg2 cần phải biết đường kính trục Đường kính này được

xác định qua tính toán cơ về trục

 Khi Rotor có giá đỡ trục thì đường kính trong lõi sắt Rotor được thiết kế theo yêu cầu đảm bảo mật

độ từ thông ở gông Rotor nằm trong phạm vi cho phép

Phần 2 Rotor kiểu lồng sóc

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

 Đối với lõi sắt Rotor của động cơ điện cao áp U = 6000 V với chiều cao tâm trục h ≥ 400 mm, cũng như lõi sắt Rotor động cơ dây quấn, bề mặt các lá tôn đều được phủ sơn cách điện

 Chiều dài lõi sắt Rotor l2 thường thiết kế bằng chiều dài lõi sắt Stator l1 hoặc dài hơn 4 đến 10 mm

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

 Một vài dạng rãnh Rotor đặc biệt

- Dạng rãnh Rotor lồng sóc kép

Cũng như dạng rãnh sâu, dạng lồng sóc kép làm cho cosφ xấu đi và cosφ càng thấp khi hệ số phẩm chất càng lớn (mk là bội số momen khởi động, ik là bội số dòng điện khởi động)

k pc

k

m k

i

=

Phần 2 Rotor kiểu lồng sóc 2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

Một vài kiểu rãnh áp dụng cho

Rotor lồng sóc rãnh sâu và

Rotor lồng sóc kép

2.2 Thiết kế lõi sắt rotor

- Đối với những động cơ quay nhanh hay công suất

lớn ta có thể dùng rãnh Rotor hình chai hoặc hình chêm Cấu tạo các kiểu này đơn giản hơn kiểu lồng sóc kép mà tính năng khởi động cũng tốt

- Đối với những động cơ quay nhanh hay công suất

lớn ta có thể dùng rãnh Rotor hình chai hoặc hình chêm Cấu tạo các kiểu này đơn giản hơn kiểu lồng sóc kép mà tính năng khởi động cũng tốt

Phần 2 Rotor kiểu lồng sóc

2.3 Thiết kế dây quấn rotor

 Dây quấn Rotor lồng sóc là các thanh dẫn bằng

đồng hay nhôm đặt trong rãnh Rotor, dài ra khỏi

lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vòng

2.3 Thiết kế dây quấn rotor

Dây quấn Rotor đúc nhôm với các cánh khoáy

gió trên vành ngắn mạch

Phần 2 Rotor kiểu lồng sóc

2.3 Thiết kế dây quấn rotor

 Đối với lồng sóc kép: có 2 lớp thanh đồng, thanh đồng lớp trong hơi nhỏ hơn lớp ngoài một chút

Có 2 vành ngắn mạch riêng biệt

 Đối với lồng sóc rãnh sâu: thanh đồng có thiết diện hình chữ nhật, đầu hơi vạt xéo phía trên Vành ngắn mạch sẽ nằm sát với đáy dưới

2.3 Thiết kế dây quấn rotor

 Một vấn đề nữa cần xét đến khi thiết kế dây quấn của Rotor kiểu lông sóc, đó là sự thay đổi của điện trở Rotor r2 và điện kháng Rotor x2 khi khởi động

- Khi khởi động do tần số Rotor cao nên do hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài, dòng điện sẽ tập trung lên

phía trên rãnh Vì vậy ta cần xác định độ sâu quy đổi hr của rãnh Và dựa trên cơ sở đó xác định điện trở của thanh dẫn đặt trong rãnh

- Tiến hành tương tự như vậy ta tìm được chiều sâu quy đổi của rãnh hx và theo đó sẽ xác định được điện kháng của thanh dẫn

Phần 2 Rotor kiểu lồng sóc

2.3 Thiết kế dây quấn rotor

 Trình tự tính toán và các biểu thức tính các tham số r2 và x2 được nêu chi tiết

trong các trang 254 ÷ 258 của cuốn giáo trình thiết kế máy điện (các bạn đọc tham khảo thêm)

2.4 Một số hình ảnh về Rotor lồng sóc

 Quạt thổi hơi

sử dụng Rotor

lồng sóc

Phần 2 Rotor kiểu lồng sóc 2.4 Một số hình ảnh về Rotor lồng sóc

 Một số sản phẩm Rotor

đúc liền khối

2.4 Một số hình ảnh về Rotor lồng sóc

 Rotor đúc

liền khối

The end

Nhóm 6 chân thành cảm ơn sự quan tâm theo dõi của cô giáo và các bạn.

Chúc các bạn học tập tốt!