Thiết kế cho động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc ba pha

Cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội, đời sống sinh hoạt của nhân dân ngày càng được nâng cao, do đó cần thiết phát triển những loại máy điện mới.

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển không ngừng của xã hội, đời sống sinh hoạtcủa nhân dân ngày càng được nâng cao, do đó cần thiết phát triển nhữngloại máy điện mới Tốc độ phát triển của các ngành công nông nghiệp, ngàycàng đòi hỏi sự phát triển tương xứng ngành công nghiệp điện lực và ngànhchế tạo máy điện cần đáp ứng những yêu cầu cao hơn Đồng thời nhu cầu sửdụng điện năng ngày càng phát triển trong mọi lĩnh vực, đời sống sinh hoạtcủa con người Do đó ngày càng cần thiết phát triển nhiều loại máy điệnmới có các tính năng kỹ thuật cũng như công suất cao hơn Đặc biệt động

cơ điện được sử dụng ngày càng nhiều trong các ngành công nghiệp, nôngnghiệp, thủ công nghiệp, trong các thiết bị tự động, các loại truyền động vàtrong các thiết bị gia dụng Như vậy động cơ điện dùng làm nguồn động lựccho các loại thiết bị điện công suất nhỏ và lớn

Trong tất cả các loại động cơ điện thì động cơ không đồng bộ rôtolồng sóc là một trong những loại động cơ được sử dụng rộng rãi nhất vìcông nghệ chế tạo đơn giản, giá thành hạ, dễ sử dụng, vận hành đơn giản, dễbảo dưỡng sửa chữa

Hiện nay, phương pháp thiết kế tối ưu trong các loại động cơ khôngđồng bộ rôto lồng sóc đều được thực hiện bằng máy tính Đây là phươngpháp toán học đã được dùng rộng rãi trong khoa học kỹ thuật Nhưng đểthực hiện được thiết kế tự động cũng cần hiểu rõ phương pháp thiết kế tínhtoán thông thường Ở đây, để tính toán thiết kế cho động cơ không đồng bộrôto lồng sóc ba pha

Trong quá trình tập tính toán thiết kế, vì thời gian, tài liệu và trình độ

có hạn nên không tránh khỏi những sai sót xin được các thầy, cô lượng thứ

và góp ý để tập thiết kế này được hoàn chỉnh hơn

Trong thời gian tập tính toán thiết kế, nhờ sự hướng dẫn nhiệt tìnhcủa thầy Vũ Gia Hanh và các thầy cô trong bộ môn TBĐ-TĐ em đã hoànthành tập thiết kế này em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó

Động cơ điện rôto rãnh sâu lợi dụng hiện tượng từ thông tản trongrãnh rôto gây nên hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện để cải thiệnđặc tính mở máy Để tăng hiệu ứng mặt ngoài rãnh rôto có hình dáng vừahẹp, vừa sâu, thường tỷ lệ giữa chiều cao và chiều rộng rãnh vào khoảng 10đến 12 Thanh dẫn đặt trong dãnh có thể coi như gồm nhiều thanh nhỏ đặtxếp lên nhau theo chiều cao và hai đầu được nối ngắn mạch lại bởi hai vànhngắn mạch, vì vậy điện áp hai đầu các mạch song song đó bằng nhau, do đó

sự phân phối dòng điện trong các mạch phụ thuộc vào điện kháng tản củachúng Khi mở máy lúc đầu dòng điện dây quấn rôto có tần số lớn nhấtbằng tần số lưới f1 từ thông tản cũng biến thiên theo tần số đó Kết quả việcdòng điện tập trung lên trên, tiết diện tác dụng của dây dẫn coi như bị nhỏ điđiện trở rôto tăng lên và như vậy làm cho mômen mở máy tăng lên Mặtkhác dòng điện tập chung lên trên cũng làm giảm tổng từ thông móc vòng đimột ít, nghĩa là x2 sẽ nhỏ đi Hiệu ứng mặt ngoài của dòng điện phụ thuộcvào tần số và hình dáng của rãnh, vì vậy khi mở máy tần số cao, hiệu ứngmặt ngoài mạnh Khi tốc độ máy tăng lên, tần số dòng điện rôto giảm xuốngnên hiệu ứng mặt ngoài giảm đi, dòng điện dần dần phân bố lại đều đặn vì

vậy dòng điện trở rôto r2 coi như nhỏ trở lại, điện kháng tản quy đổicủa rôto

do tần số lưới x2 tăng lên, đến khi máy làm việc bình thường thì do tần sốdòng điện rôto thấp khoảng 2 đến 3 Hz hiện tượng hiệu ứng mặt ngoài hầunhư không có, do đó động cơ điện rãnh sâu trên thực tế có đặc tính làm việcnhư các máy loại thường

Trong quá trình mở máy động cơ điện, mômen mở máy là đặc tínhchủ yếu nhất trong những đặc tính mở máy của động cơ điện Muốn chomáy quay được thì mômen mở máy của động cơ điện phải lớn hơn mômentải tĩnh Theo yêu cầu của nhà sản xuất, động cơ điện không đồng bộ lúclàm việc thường phải mở máy và ngừng máy nhiều lần Tùy theo tính chấtcủa tải và tình hình của lưói điện mà yêu cầu về mở máy đối với động cơđiện cũng khác nhau Có khi yêu cầu mở máy lớn, có khi cần hạn chế dòngđiện mở máy và có khi cần cả hai Những yêu cầu trên đòi hỏi động cơ điệnphải có tính năng mở máy thích ứng Trong nhiều trường hợp, do phươngpháp mở máy hay do chọn động cơ điện có tính năng mở máy không thíchđáng nên thường hỏng máy Nói chung khi mở máy một động cơ cần xétđến những yêu cầu cơ bản sau:

+ Phải có mômen mở máy đủ lớn để thích ứng với đặc tính cơ của tải

TÍNH TOÁN THIẾT KẾĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG

n f

⇒ n1 =

2

50 60 2

f1 = 50 HZ

2 Đường kính ngoài stato:

Theo giáo trình thiết kế máy điện PGS_ Trần Khánh Hà và PTS_NguyễnHồng Thanh , động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc có:

Với P = 40 kW , 2p = 4 ta chọn h = 200 mm = 20 cm ( theo hình 10-1).Theo ( bảng 10.3 trang 230 TKMĐ ) với h = 20 cm có đường kính ngoàistato tiêu chuẩn :

Dn= 34,9 cm

3 Đường kính trong stato :

= 47 kVATrong đó:

kE = 0,98 lấy theo ( hình 10-2 trang 231 TKMĐ )

kz = 1,2 ( hệ số bão hòa răng )

Theo ( hình 10-3a trang 233 TKMĐ ) ta chọn :

10 1 , 6

2 7

δ δ

A = 365 A/cm ( tải đường )

Bδ = 0,77 T ( mật độ từ thông khe hở không khí )

D = 23,5 cm ( đường kính trong stato)

n1 = 1500 v/ph

1500 5 , 23 77 , 0 365 92 , 0 11 , 1 64 , 0

47 10 1 , 6

.

10 1 , 6

2

7 2

7

n D B A k k

P l

Do lõi sắt ngắn nên làm thành một khối

Chiều dài lõi sắt stato, rôto bằng:

l1 = l2= lδ = 18,8 cm

6 Bước cực :

4

5 , 23 14 , 3 2

.

p D

8 , 18 τ

1,016Trong dãy động cơ không đồng bộ K công suất 40 kW, 2p = 4 có cùngđường kính ngoài ( nghĩa là cùng chiều cao tâm trục h ) với máy công suất

3

=

ϕ η

U

P

= 72,7 ATrong đó :

D

π

1,538 cmTrong đó:

I

a t A

30,88Trong đó :

Theo( hình 10-4 trang 237 TKMĐ ) chọn tích số AJ = 1880 A2 /cm.mm2Mật độ dòng điện:

S’

1 = . ' 4.722.5,7,15

1 1 1

1 =

J n a

I dm

= 1,764 mm2Trong đó :

14 Kiểu dây quấn :

Chọn dây quấn hai lớp bước ngắn với y = 10

= = =

12

10 τ

15 4 sin 2 sin

Φ=4. . ..1. =4.1,110.,098,925.220.50.60 =

w f k k

U k

d s

E

0,0174 WbTrong đó :

10 0174 , 0

1 1

c

Z l k B

t l

Bδ

0,737 cmTrong đó:

10 0174 , 0

2

10

1 1 4

1 1 n

Z

2

D

b d d

2 41 Z

2h

D

b d

d

+

= +

,

23

2

2 = + +

8,6 mm

2 2

8

2 12 2 1

2 2

2

h d d d d

+

2

6 , 8 22 2

6 , 8 5 , 10 8

6 , 8 5 , 10 14 ,

2

2 1 12

5 , 10 14 , 3

- Hệ số lấp đầy rãnh:

kd =

202

585,1.2.30S

r

2 1

21 Bề rộng răng stato :

b’’

2 1

2 41 Z

2h D

d

d

− + +

− +

12 41

Z

h 2 D

d

h

− + +

− +

D

d h

5 , 23 9 , 34

=

4

9 1 1200

235 2

9 1 1200

D

p

Theo những máy đã chế tạo ( bảng 10.8 trang 253 TKMĐ ) ta lấy:

δ = 0,7 mm = 0,07 cm

C DÂY QUẤN , RÃNH VÀ GÔNG RÔTO:

2

= Ζ

′

= 1,930 cmTrong đó:

Bδ

= 0,9249 cmTrong đó:

Ζ d

k W

Itd = I2 = 0,95 72,76.6038.0,925 = 605 A

Trong đó:

kI = 0,95 lấy theo hình 10-5 trang 244 TKMĐ

1 605

sin 2

1

0 2

= Ζ

7 14 , 3 7 , 201 4

36 Bề rộng răng rôto ở 1/3 chiều cao răng:

d Z

d h h

D b

Z =  ′− − + −

2

22 42

3

1

3

4 2

π

7 , 0 38

7 , 0 2 3

4 05 , 0 2 36 , 23 14 , 3 3

7 36 ,

D TÍNH TOÁN MẠCH TỪ:

39 Hệ số khe hở không khí :

1,538 1,1538,978.0,07

1 1

1 1

3 5

7 , 0 / 3 5

41

2 41 1

+

= +

2 2

5 , 1 5

7 , 0 / 5 , 1 5

42

2 42 2

+

= +

1

1 =

c

Z l k b

t l

Bδ

= 1,704 TTrong đó:

2 =

c

Z l k b

t l

Bδ

= 1,724 TTrong đó:

HZ2 = 20,3 A/cm

= 1,206 Trong đó:

100 2,

1

2, 1 206

,1 100

−

Z

Z Z

2

10

1 1

4

= Φ

Dn = 34,9 cm

hg1 = 3,1 cm

2

10

2 2

4

= Φ

=

d

k W

F p

6 , 20 100

E THAM SỐ CỦA ĐỘNG CƠ ĐIỆN Ở CHẾ ĐỘ ĐỊNH MỨC :

60 Chiều dài phần đầu nối của dây quấn stato :

1 1. 11

1

75 =

=

s a n

- Tính theo đơn vị tương tối:

7 , 72 079 , 0 1

10 8 , 18 23

1 10

10 4 , 19 14 , 3 23

1

10

S Z

329 , 0

00935 , 0 2 4579 ,

67 Hệ số quy đổi:

38

925 , 0 60 3 4

.

2

2 1

Z

k W

= 973Trong đó:

1 2 ' =

h b

b k

1

2 785 , 0 3

h b

b k

1

2 785 , 0 3

3

5 , 0 6 , 8

3 6 , 8 2

3 785 , 0 9063 , 0 6 , 8 3

15 , 26

2 1 1 1

.

.

9 ,

δ

ρ λ

δ

k

k k

3 , 0 033 , 0 1

2 1

2 1 1 1

.

.

9 ,

δ

ρ λ

δ

k

k k

9724 , 0 72 , 0 925 , 0 4 538 , 1 9 , 0

4 34 , 0 64

, 0 34

= 1,051

100 100 158 ,

l W f

Trong đó:

8 , 18 100

60 100

50 158 , 0

100 100 158 , 0

2 1

1

2 1

l W f

2 2 1

2

2 66 , 0 8

1

h k b

b S

b b

2 2 1

2

2 66 , 0 8

1

h k b

b S

b b

5 , 1 66 , 0 5 , 178 8

7 14 , 3 1 7 3

5 ,

2 2 2 2

.

.

9 ,

δ

ρ λ

δ

k

k k

15 , 0 033 , 0 1

2 2

1 1 1 16 , 3 930 , 1 9 , 0

.

9 ,

0

2 2

42 2

2 2 2 2

δ

ρ λ

δ

k

k k

d

2

7 , 4 lg

3 , 2 2 2 2 2

π

= 0,329

lg44,7.219.1,,49

329 , 0 8 18 38

4 , 19 3 , 2 2

7 , 4 lg

3 , 2

2 2

2 2 2

+

= +

∆

=

b a

D l

2 2

930 , 1

538 , 1 028 , 2 5 , 0

5 ,

79 Điện kháng tản dây quấn rôto:

- Tính theo đơn vị tương đối:

x*

2 = x’

2 =1

0,124Trong đó:

= 10,45 ΩTrong đó:

= 0,979Trong đó:

F TỔN HAO THÉP VÀ TỔN HAO CƠ :

83 Trọng lượng răng stato:

b t

pτTrong đó:

1 0

5 , 1 1 1

10000

.

5 ,

Với rôto lấy ( k0 = 1,7 ÷ 2 )

Ta lấy k0 = 2 ( k0 hệ số kinh nghiệm )

5 , 1

538 , 1 227 , 0 10 10000

1500 48 2 5 ,

b t

pτ

Pbm = 18 , 8 185 , 5 10 7

930 , 1

15 , 0 930 , 1 5 , 18

.GZ2.10-3Trong đó Bđm là biên độ dao động của mật độ từ thông trong răng rôto:

B đm =

2

1 2

.

t

δ ν

B z2 = 1 , 724

930 , 1 2

07 , 0 978 , 1

= 0,061 T

Bđm = 0,061 T

Trong đó:

υ 1= 1,978

Pđm = 0.11 10 0 , 061

10000

1500

3 10

U

r I

=

220 3

079 , 0 6 , 20 3 10 566 ,

Z

k

W d

= 6.6038.0,925 = 8,76Trong đó:

'

2

E

r I

= 69,06215.0,,30613 = 0,0196

sm = '

2 1 1

' 2

x C

x

r

+ = 0 , 3775

021 , 1

226 , 0

0613 , 0

91 Bội số mômen cực đại:

m s

s I

' 2

' 2

4 ,

ns ns

' 2

329 , 0

00935 , 0 2 824 ,

f Hệ số từ dẫn rãnh rôto khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài

b b

h

c 0,66 2

8

1 3

42

2 2

42

42

b h

5 , 1 66 , 0 5 , 178 8

7 14 , 3 1 7 3

5 ,

Với s = 1

rn ξ = r1 + '

2 ξ

r = 0,079 + 0,0969 = 0,1759 ΩTrongđó:

( vì động cơ điện có rãnh rôto kín nên kbh ( 1,3 ÷ 1,45 )

a Dòng điện ngắn mạch khi xét cả hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa của mạch từ tản :

Inbh ξ = kbh Inξ = 1,35 362,7 = 489 A

Trong đó:

kbh = 1,35

In ξ = 362,7 A

b Sức từ động trung bình của một rãnh stato :

Fzbh =  + 2 

1 1

1

7 , 0

Z

Z k k k a

U I

d y r

nbh

β ξ

Với β = 0,833 thì theo hình 10-14 có kβ= 0,88 (theo hình 10-14 trang 259TKMĐ)

1

.

7 , 0

Z

Z k k k a

U I

d y r

nbh

β ξ

38

48 925 , 0 966 , 0 88 , 0 4

30 489 7 , 0

bh

ztb

C

F B

07 , 0 995 , 0 6 , 1

10 5134

6 , 1

1 41

3 41

538 , 0

b C

C b

h h

1 41

3 41

1

5 , 1

538 , 0

b C

C b

h h

= 0,152 ΩTrong đó:

2 42

42

2 C b

C b

m Hệ số từ dẫn tản rãnh rôto khi xét đến bão hòa mạch từ tản vàhiệu ứng mặt ngoài:

q Điện kháng rôto khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài và sự bão hòa của mạch từ tản:

x’

2 ξbh = x’

2

233 , 5

29 , 3 3775 , 0 2

2 =

∑

∑ λ

Trị số này không sai khác nhiều với trị số giả thiết ở mục 93

( Inbh ξ = 489 A ) nên không cần giả thiết lại

96 Bội số dòng điện khởi động:

Ik = 484A

Iđm = 72,7 A

Điện kháng hỗ cảm khi xét đến bão hòa :

I

' 2

' 2 2 ' 2

0969 , 0 19 , 70

476

2 '

2

' 2 2 ' 2

r

r I

= 1,424

mk = 1,424

J TÍNH TOÁN NHIỆT :

- Sơ đồ thay thế nhiệt của máy :

P' R

R'd Q'd

0 cu

Rcu QcuPcu

Sử dụng làm mát máy có quạt thổi ngoài vỏ máy qua các cánh tảnnhiệt đồng thời có gió tuần hoàn trong vỏ máy nhờ cánh quạt đặt trên vànhngắn mạch của rôto lồng sóc

98 Các nguồn nhiệt trong sơ đồ thay thế nhiệt bao gồm:

- Tổn hao đồng trên stato:

0 cu

g g Dn

S α αδ

1 1 1

g g Dn

S α αδ

1 1 1

1 096 , 0

1 2193

δc = 0,02 cm ( cách điện đầu nối bằng băng vải )

λc = 0,75.10-3 W/ 0C (đối với cách điện cấp E tra bảng 8.1 trang 166TKMĐ )

αd = ( 1 + 0,54 vR2)10-3 ( hệ số tản nhiệt đầu dây quấn )

Trong đó:

Z1 = 48 rãnh

Cb = 5,4 cm ( chu vi của bốidây )

lđ = 24,4 cm ( chiều dài trung bình của phần đầu nối dây quấn )

Rđ =

d d d c

R

α α

b c

Chọn c = 1,5 cm ( khoảng cách trung bình giữa các gân )

b ≥ 3 mm đối với nhôm đúc

Chọn b = 4 mm = 0,4 cm ( chiều dầy gân )

'

v

α = 3,6 d-0,2 v0,8.10-4

Với đường kính tương đương : d = 2,4 cm = 0,024 m

vv: tốc độ gió thổi mặt ngoài vỏ máy đã tính đến sự suy giảm 50 %theo chiều dài gân tản nhiệt

Đường kính ngoài cánh quạt lấy bằng Dn

vv =

6000

1470 9 , 34 14 , 3 5 , 0 6000

5 ,

10 05 , 6 2

2

2

3 '

b c

10 95 , 3 5 , 1 4 , 0

5 , 1

.

α α

c

S

λ

δ Trong đó:

c

S

λ

δ = 0,75.100,02− 3.4872 = 0,54.10-2 oC/ W

Rc = 0,54.10-2 oC/ W

104 Độ chênh nhiệt của vỏ máy với môi trường:

θ α = ( Qcu1 + PFe + PR ).Rα

α

θ + +

+ +

+

+ +

+ +

'

'

' 1

1

.

R R

R R

R R

R R R P R P R R Q

d

c Fe

d

c Fe R

Fe Fe c Fe cu

α

α

θ + +

+ +

+

+ +

+ +

'

'

' 1

1

.

R R

R R

R R

R R R P R P R R Q

d

c Fe

d

c Fe R

Fe Fe c Fe cu

65 , 8

52 , 1 1

65 , 8

52 , 1 11743 554

52 , 1 1451

2 + +

Fe c

Fe Fe

R R

R P

1

Trong đó:

Fe c

Fe Fe

R R

R P

1

10 98 , 0

10 54 , 0 1

8 , 37 73 , 78 10

98 , 0 566

2 2

2

+ +

− +

kc = 0,93

γFe = 7,8 kg/m3

GFe = ( 34,9 + 0,7 )2 18,8 0,93 7,8.10-3 = 172,8 kg

GFe = 172,8 kg

108 Trọng lượng đồng của dây quấn stato cần chuẩn bị :

- Khi không tính cách điện:

2 124 , 0 876 , 0

d

d cd

.G' cuTrong đó:

2

5 , 1

585 , 1 124 , 0 876 ,

Gcu = 19,84 kg

109 Trọng lượng nhôm rôto ( không kể cánh quạt ở vành ngắn mạch )

- Trọng lượng nhôm ở thanh dẫn:

P

G Fe

= 4,32 kg/kWTrong đó:

=

P

G cu

= 0,496 kg/kWTrong đó:

=

P

G Al

= 0,1515 kg/kWTrong đó:

GAl = 6,06 kg

P = 40 kW

MỤC LỤC

Lời nói đầu

Giới thiệu về động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc Tính toán thiết kế động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc

A Kích thước chủ yếu

B Dây quấn , rãnh stato và khe hở không khí

C Dây quấn , rãnh và gông rôto

D Tính toán mạch từ

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

F Tổn hao thép và tổn hao cơ

G Đặc tính làm việc

H Tính toán đặc tính khởi động

J Tính toán nhiệt

K Trọng lượng vật liệu tác dụng và chỉ tiêu sử dụng

Tài liệu tham khảo

1 Thiết kế máy điện - PTS Nguyễn Hồng Thanh - PGS Trần Khánh Hà

2 Máy điện I -

3 Máy điện II