Đồ án : Thiết kế tối ưu động cơ

- 2 - Đồ án : Thiết kế tối ưu động cơ LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay động cơ công suất nhỏ được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như trong công nghiệp, nông nghiệp, trong tự động hoá, trong hàng không, trong sinh hoạt gia đình …Động cơ công suất nhỏ rất đa dạng và phong phú về chủng loại, chức năng và công suất. Trong đó động cơ điện dung đóng một vị trí rất lớn. Bởi vì nó có ưu đ iểm là dùng nguồn cấp một pha, hệ số cosϕ cao, phù hợp với lưới điện Việt nam,độ tin cậy cao … Để tính toán và thiết kế động cơ điện dung có nhiều cách tính và thiết kế song do trình độ của em còn hạn chế và điều kiện thời gian có hạn nên trong bản thiết kế này còn nhiều phần tính toán chưa được tối ưu nhất. Ví dụ như sức từ động rơi trên răng ,gông stao và roto, … Vì vậy mà em không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong được cô hướng dẫn và chỉ bảo em những thiếu sót đẻ em được hiểu sâu hơn về máy điện nói chung và động cơ điện dung nói riêng. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn cô Nguyến Hồng Thanh đã hướng dẫn em hoàn thành đồ án môn học cuối cùng của em. Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2005 Sinh viên : ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ - 3 - NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 MỤC LỤC -Lời nói đầu . PHẦN MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ I-Giới thiệu chung về máy điện công suất nhỏ. II-Phân loại động cơ III- Động cơ KĐB công suất nhỏ với tụ khởi động. IV- Thiết kế máy điện nhờ máy tính. V-Mục đích của thiết kế tối ưu. VI-Lưu đồ thuật toán thiết kế tối ưu PHẦN MỘT CƠ SỞ LÝ THUYẾT I- Xác định kích thước cơ bản và thông số pha chính II-Xác định kích thước răng rãnh stato III-Xác định kích thước răng rãnh rôto IV-Tính trở kháng dây quấn stato và rôto V-Tính tổn hao sắt VI-Tính toán chế độ định mức VII-Tính toán dây quấn phụ VII-Tính toán chế độ khởi động ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ - 4 - NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 PHẦN II CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ ĐỀ TÀI Thiết kế động cơ KĐB một pha điện dung Dữ liệu cho trước: P đm 550[W] n >= 0,66 i mm <=5 U đm = 220[V] cosϕ > 0,92 m = 2 m max >= 1,5 p = 2 m mm >= 0,4 Nội dung thiết kế: 1. Xác định kích thước chủ yếu 2. Xác định thông số dây quấn pha chính: W a ; d A /d Acđ; k lđA . 3. Xác định kích thước lõi thép Stato và Roto 4. Tính toán dây quấn phụ: W B ; d B /d Bcđ ; k lđB ; C 5. Tính kiểm tra 6. Vẽ bản vẽ tổng lắp ráp ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ - 5 - NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 PHẦN MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ Máy điện công suất nhỏ là được dùng rất rộng rãi trong gần nửa thế kỷ nay.Giới hạn công suất của nó thường trong khoảng một vài phần của oát đến 750W song cũng có những loại máy điện công suất nhở có công suất lớn hơn. Với sự phát triển nhanh của công nghiệp, tự động hoá cao, do vậy mà việc đòi sử dụng động máy điện nhỏ trong đ iều khiển tự động, công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, xí nghiệp y tế, nhà ăn công cộng, các nghành tiểu thủ công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày là một đIũu không thể thiếu được trong thời đạI ngày nay. Trong động cở không đồng bộ Roto lồng sóc là loạI phổ biến nhất hiện nay trong các loại động cơ xoay chiều công suất nhỏ. Động cơ không không đồng bộ một pha dùng nguồn đ iện một pha của lưới điện sinh hoạt nên được dùng ngày càng rất rộng rãI ở mọi nơi. Ví dụ như nó có thể được dùng để kéo các máy tiện nhỏ, máy ly tâm, máy nén, bơm nước, máy xay sát nhỏ, quạt điện, máy xay sinh tố, máy ghi âm, máy lạnh, máy giặt…. Động cơ không đồng bộ công suất nhỏ so với những loại đông cơ điện khác nhất là dộng cơ có vành đổi chiều thông dụng có nh ững ưu điểm sau: + Kết cấu đơn giản, giá thành hạ + Không sinh ra can nhiếu vô tuyến + ít tiến ồn + Sử dụng đơn giản và chắc chắn Song nhược điểm của động cơ Roto lồng sóc là có đặc tính điều chỉnh tốc độ thấp. ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ - 6 - NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 Hình 1: Phân loại động cơ KĐB công suất nhỏ Các loại động cơ không đồng bộ một pha công suất nhỏ với điện trở khởi động, tụkhởi động, tụ khởi động và tụ làm việc đều có nhược điểm là luôn luôn phải có chốt ly tâm hoặc rơ le chuyên dụng để ngắ t phần tử khởi động sau khi động cơ khởi động. Điều đó làm cho giá thành của động cở tăng lên và giảm độ tin cậy. Vì vậy mà khi người ta cần sử dụng lại động cơ một phâ có độ tin cậy lớn mà không cần mo men khởi động cao thì người ta thường dùng động cơ một pha với tụ làm việc mắc cố định (Động cơ điện dung) Ba pha Động cơ KĐB bộ động lựcCSN Giảm tốc Một pha Với giảm tốc điện từ Với Roto lăn Với roto đặc Với roto lồng sóc Vạn năng Ba pha Một pha Bình thường ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ - 7 - NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 Hình 2. Sơ đồ mạch điện Động cơ với tụ làm việc có đặc tính làm việc tương đối tốt : η = 0,5 – 0,9; Cosϕ = 0,8 –0.95; M max = (1,6 – 2,2)M đm ; song nhược điểm của loại động cơ này là momen khởi động nhỏ M K = (0,3-0,6)M đm . A C B I B I A I C U l ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ - 8 - NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 PHẦN II CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN CHƯƠNG I. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CƠ BẢN VÀ THÔNG SỐ PHA CHÍNH Kích thước chủ yếu của động cơ điện dung kiểu kín được xác định giống động cở ba pha. Qui đổi công suất động cơ một pha ra công suất động cơ ba pha như sau: P đmIII = P đm β 1 Trong đó với động cơ điện dung có giá trị  =1.25÷1.7 chọn β = 1,25 P đmIII = P đm β = 180.1,25 =687.5 (W) - Công suất tính toán của động cơ điện 3 pha đẳng trị : III Cosη P SIII P . ' III mIII d = = Error! = 1206.1 [W] + Trong đó Cosϕ III .η III = f(P đm ,p) = 0.57 được tra theo hình 1-1 trang20 –TL 1 -Tốc độ đồng bộ của động cơ n db =Error!== Error! = 1500(v/ph) - Đường kính ngoài stato được tính theo công thức sau : D n = 3 .λ δ ' 44 db nAB SIII P D k = 05.16 3 1500.82,0.210.7,0 2.1,1206 65,0 44 = [cm] + Trong đó : Với thép kỹ thuật điện dùng làm mạch từ ta chọn loạI loạI thép cán nguội của Nga 2211 với mật từ thông khe hở không khí trong khoảng B  ÷1 [T] chọn B δ = 0.7 [T] ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ - 9 - NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 Tải đường : A = 90÷210 [A/cm ]chọn A=210 [A/cm) Hệ số : λ = l/D = 0.22÷chọn =0.82 Hệ số kết cấu : k D = n D D =0.495 chọn k D =0,65 - Dựa vào bảng đường kính ngoàI tiêu chuẩn trang 36 – sách ĐCKĐBCSN thì chọn: D n = 149 [cm] H= 90[cm] - Đường kính trong stato : D = k D .D n = 0,65.149= 96,85 [cm] Lấy D = 97[cm] - Bước cực: τ = Error! = Error! =7,618[cm] - Chiều dài stato : l s = λ.D = 0,82.9,7 = 80 [cm] - Chọn khe hở không khí : Khe hở không khí càng lớn thì tổn hao không tải và hệ số Cos nhỏ nhưng nếu như chọn khe hở không khí nhỏ quá thì vấn đề công nghệ không đáp ứng được và làm taưng sóng bậc cao lên. Vì vậy để cho phù hợp ta chọn : δ = 0,03[cm] - Đường kính ngoài lõi sắt Roto : D ’ = D - 2.δ = 9,7 - 2.0,03 = 9,64 [cm] - Đường kính trục Roto : Dt t = 0,3.D = 0,3.9,7 = 2,91 [cm] Lấy D t = 3[cm] = 30[mm] -Bước cực : τ = Z s /2p = 6 - Bước răng stato : t s = πD/Z s = 12,69[mm] - Bước răng roto : t R = πD’/Z R = 17,81[mm] ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ - 10 - NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 CHƯƠNG II. TÍNH TOÁN DÂY QUẤN, RÃNH VÀ GÔNG ROTO I. Tính toán dây quấn - Theo bảng 2-2 trang 29 thì việc chọn ĐCKĐB điện dung mà để giảm được mmô men ký sinh đồng bộ, tiếng ồn … xuống trị số cực tiểu thì tâ chọn : Chọn số rãnh Stato Z S = 24 Số rãnh Roto Z R = 17 - Trong động cơ điện một pha điện dung thường lấy số rãnh pha chính (pha A) bằng số rãnh pha phụ(pha B): Z A =Z B .; Q A = Q B (Q A ,Q B là số rãnh dưới một cực của pha chính và pha phụ) Do đó: Z A = 2 S Z =12; Z B =Z S -Z A =12 Q A = 3 2.1.2 12 2 == pm A Z ; Q B = Q A = 3 - Chọn dây quấn : Chọn dây quấn phải đảm bảo các yêu cầu sau: + PhảI triệt tiêu hoặc làm yếu đI sóng đIũu hoà bậc cao(đặc biệt là sóng bậc ba) + Tăng cường việc lợi dụng rãnh(k lđ tăng lên) + Giảm chiều dài phần đầu nối Dây quấn của máy điịen nhỏ có hai loại cơ bản : Dây quấn một lớp và dây quấn hai lớp . Để đảm bảo những yêu cầu trên, giảm từ tản tạp và đơn giản nên chọn dây quấn một lớp đồng tâm bước đủ Sơ đồ dây quấn như sau: ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ - 11 - NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 123 4 5 6 7 8 9 101112 13 14 151617 18 19 20 21 22 23 24 A1 B1 A2 B2 Hình 3. Sơ đồ dây quấn một lớp bước đủ( Z = 24; 2p =4; Bước đủ) - Hệ số dây quấn stato k dA = = q q .4 . sin. 707,0 νπ = 3.4 1. sin.3 707,0 π 0,91 - Sơ bộ chọn k Z = 1,2 ; α δ = 0,69 ; k S = 1,09 ; k E = 0,9 ; - Từ thông khe hở không khí : φ = α δ . τ .l.B δ. .10 -4 = 0,69.76,18.80.0,0,7.10 -4 = 29,26.10 -4 [Wb] - Số vòng dây của dây quấn chính W SA = Error! = 91,0. 4 10.26,29.50.09,1.4 220.9,0 − =341,1 [vòng ] Chọn W SA =342[vòng ] -Số thanh dẫn trong một rãnh [...]... NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ CHƯƠNG VII TÍNH TOÁN CUỘN DÂY PHỤ Tham số pha phụ của động cơ điện dung quyết điịnh tínhnăng làm việc và đặc tính khởi động của động cơ Điều kiện để có từ trường tròn : k2rA1 + rc – kxA1 = 0 (1) k2xA1 - xc + krA1 = 0 (2) - Tỷ số biến áp giữa dây quán phụ và dây quấn chính : k= Error!= Error!= 1,1213 - Dung kháng trong dây quấn... Tốc độ của động cơ : - 34 NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ n= nđb (1-s) = 1500(1-s) = 3000(1-0,05)=1245[v/ph] - Công suất điện từ : Pđt = 2I2A1 r’RA1-2 I2A2r’RA2 = 2,45042 52,6941 – 2 0,03812.2,6404 = 632,7675 [W] - Tổn hao cơ : Pcơ = k.(Error!2.(Error!)3 =40,3030 [W] - Tổn hao phụ : Pf = 0,005 Pdm 550 = 0,005 = 5[W ] η 0,55 - Tổng công suất cơ : P’R = PĐT(1-s)... trường quay ta có một sơ đồ thay thế 1-Với dòng thứ tự thuận 2-Với dòng thứ tự thuận - 26 NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ Hình 6 Sơ đồ thay thế pha chính của động cơ điện dung Tham số ban đầu của mạch điện thay thế pha chính : rSA =7,05 [Ω] xSA = 7,9 [Ω] xma = 113 [Ω] rRA = 5,92 [Ω] xRA =8,13 [Ω] - Tính hệ số trở kháng của mạch điện : α= rra 5,92 = = 0,048873... tích rãnh Rôto : SrR = Error!(d21r +d22r) +0,5 h12r(d1r +d2r) = Error!(7,112 +52) + 0,5.5,716(7,11+5)=64,30[mm2] CHƯƠNGIV-TRỞ KHÁNG CỦA DÂY QUẤN STATO VÀ ROTO I.TRỞ KHÁNG DÂY QUẤN STATO Thông thường khi tính toán sơ bộ coi rs ; xs kkhông đổi khi động cơ làm việc với mọi tảI 1 Điện trở tác dụng của dây quấn stato - 17 NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ - Chiều dài... Tổng tổn hao : ΣP = PĐS + PĐR + PT + PCƠ + PF = 89,0556 + 31,6549 + 35,3358 + 0,0001885 + 40,3030 + 5 = 201,3495 [W] - Công suất tiêu thụ : - 35 NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 ĐỒ ÁN MÔN HỌC PS = P R THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ + ΣP =555,8261 + 201,3495 =757,1705 [W] - Hiệu suất : η = 1− ∑P P =1- Error! =0,734 S - Hệ số công suất : cosϕ = Error! = Error! = 0,99 -Điện áp dây quấn pha phụ : UB1=ISB1(ZB1-ZC)... nhận được CHƯƠNG III-XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC RÃNH RĂNG RÃNH RÔTO - 15 NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ Ở động cơ công suất nhỏ thì dạng rãnh của roto thường là hình tròn hoặc hình quả lê.Đối với động cơ một pha điện dung một pha công suất nhỏ chọn Hình 5 Dạng rãnh roto dạng ránh hình quả lê để đảm bảo tiết diện thanh dẫn - Chọn h4R trong khoảng 0,3 - Chọn b4R =... cách điện dcdA = 0,865[mm] - Bước răng stato : tS =Error! = - Bước răng roto : tR =Error! = 3,14.9,7 = 1,0935 [ cm] 24 3,14.7,548 = 1,3942 [ cm] 17 - Tiết diện đồng trong một rãnh l : SĐS = SSA.Ur = 0,442.57 = 25,194[mm2] - 12 NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ II Xác định kích thước rãnh và gông stato - Chọn thép cán nguội mã hiệu 2211 , có oxy hoá bề mặt và... Error!=Error! =0,79[T] - 24 NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ Trong đó hgS : chiều cao gông hgS = Error!- hZR=Error!– 11,68=24,39 = = 2,44[cm] - Sức từ động ở gông Roto FgR = HgRError!=1,9Error!=7,98[A] Trong đó HgR = 1,9[A/cm] : cường độ từ trường trên gông Roto với BgR=0,79[T] {Trong phụ lục 1-3 sách ĐCKĐBCSN } - Tổng sức từ động của mạch từ F=Fδ+FZR+FZS+FgS+FgR= =381,54+23,49+20,53+54,93+7,98... 1,40,95 = 0,924 [cm] =9,24[mm] Trong đ : sơ bộ chọn mật độ từ thông răng Roto BZR = 1,4 - Đường kính trên của rãnh roto : d1r = ( D'−2.h4r )π −bzr Z r Zr +π - 16 - NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 ĐỒ ÁN MÔN HỌC = THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ (96,4 − 2.0,4).3,14 −9,2.17 17 + 3,14 =7,11[mm] - Đường kính duới rãnh roto: d2R = 5[mm] - Chiều cao phần thẳng của rãnh: h12R = 0,5(D’-d1R –2.h4R-Error!) = 0,5(96,4-7,11... 59,091) + j(7,05 + 52,694) = 59,744 + j66,991[Ω] - 27 NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ 2 Tính thành phần trở kháng của mạch phân nhánh của thành phần thứ tự ngươc r’RA2 = Error! [ Ω] = Error!=2,6404 x’RA2= xRAError! = 0,9329 Error! =7,6505[Ω] - Tổng trở thứ tự nghịch của mậch phân nhánh pha chính: ZRA2 = r’RA2 + jx’RA2 = 2,6404 + j7,6505[Ω] - Tổng trở tác dụng thứ . máy tính. V-Mục đích của thiết kế tối ưu. VI-Lưu đồ thuật toán thiết kế tối ưu PHẦN MỘT CƠ SỞ LÝ THUYẾT I- Xác định kích thước cơ bản và thông số pha chính. ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ - 4 - NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43 PHẦN II CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ ĐỀ TÀI Thiết kế động cơ KĐB một pha điện