• Các thông số của động cơ phòng nổ:
Đối với động cơ phòng nổ phần thiết kế điện từ phải đáp ứng đ−ợc các yêu cầu kỹ thuật d−ới đây:
- Công suất định mức của động cơ P2 (kW). - Điện áp định mức U2 (V).
- Tần số f (Hz).
- Tốc độ quay n (vg/ph). - Hiệu suất η%.
- Hệ số công suất cosϕ.
- Kiểu bảo vệ phòng nổ: ExdI . - Chế độ làm việc (S1; S2; S3...). - Bội số mômen mở máy
dm k
MM M
.
- Bội số mômen cực đại dm max
MM M
.
- Bội số dòng điện mở máy dm
k
II I
. - Cấp bảo vệ động cơ (IP44 hoặc IP55).
Từ các yêu cầu trên, việc tính toán thiết kế điện từ động cơ điện phòng nổ kiểu 3PN có công suât từ 0,55kW ữ 45kW cũng t−ơng tự nh− trình tự thiết kế động cơ không đồng bộ 3 pha rôto lồng sóc. D−ới đây là các b−ớc tính toán thiết kế động cơ điện phòng nổ:
Đối với động cơ điện phòng nổ để giảm độ tăng nhiệt của cuộn dây và lõi thép nhằm giảm nguy cơ cháy nổ do nhiệt, khi thiết kế chọn mật độ từ cảm Bδ, phụ tải đ−ờng A thấp hơn (20 ữ 25)% so với động cơ điện bình th−ờng. Nghĩa là cùng công suất, tốc độ thì thể tích (D2.lδ) của động cơ điện phòng nổ sẽ lớn hơn thể tích của động cơ điện bình th−ờng.
Chọn mật độ dòng điện phụ thuộc kiểu bảo vệ IP, Đ−ờng kính ngoài lõi thép, tốc độ động cơ.
Đối với động cơ điện phòng nổ chọn mật độ dòng điện trong dây dẫn nhỏ hơn (15 ữ20)% so với động cơ bình th−ờng.
Việc chọn số rãnh rôto lồng sóc Z2 là một vấn đề rất quan trọng, vì khe hở của động cơ có công suất từ 0,55kWữ45kW rất nhỏ nên khi khởi động mômen phụ do từ tr−ờng sóng bậc cao gây nên ảnh h−ởng rất lớn đến quá trình khởi động cũng nh− đặc tính làm việc. Đặc biệt đối với động cơ điện phòng nổ cần thiết kế răng, rãnh rôto phối hợp với răng, rãnh stato sao cho động cơ có thời gian khởi động ngắn, đặc tính làm việc tốt.
Việc thiết kế kích th−ớc rãnh rôto phụ thuộc vào loại nhôm đúc thanh dẫn và mật độ dòng điện chạy trong thanh dẫn rôto.
- Chọn nhôm đúc thanh dẫn rôto là nhôm loại A7;
- Mật độ dòng trong thanh dẫn rôto của động cơ theo kiểu bảo vệ IP đ−ợc chọn tùy thuộc và cấp bảo vệ: Với động cơ kiểu kín nh− động cơ phòng nổ IP55, chọn mật độ dòng trong thanh dẫn Jtd=(2,5 ữ3,5) A/mm2.
- Diện tích rãnh rôto: 2 2 2 J I Sr = (mm2).
- Xác định dòng điện của động cơ khi mở máy: Khi khởi động ban đầu dòng điện trong thanh dẫn rôto có tần số lớn (f2≈ f1), do hiện t−ợng hiệu ứng mặt ngoài dòng điện tập trung chủ yếu ở phía trên rãnh vì vậy khi tính dòng điện khởi động ta phải xét đến hiện t−ợng hiệu ứng mặt ngoài. Mặt khác khi dòng điện trong dây quấn lớn sẽ sinh ra hiện t−ợng bão hoà mạch từ, mà chủ yêu ở phần đầu răng do từ tr−ờng tản rãnh và từ tr−ờng tản tạp làm cho điện khang x1 và x2 thay đổi vì vậy khi tính toán quá trình khởi động phải xét đến cả sự bão hoà mạch từ.
- Bội số dòng điện khởi động quá lớn sẽ làm ảnh h−ởng tới l−ới điện, rất dễ phát sinh hồ quang. Đối với động cơ điện Phòng nổ điều này không thể chấp nhận đ−ợc, vì vậy khi thiết kế động cơ điện phòng nổ bội số dòng điện mở máy đ−ợc khống chế trong phạm vi:
)6 6 5 ( ữ = = dm mm kd I I i lần
Đây là yêu cầu quan trọng đối với rôto lồng sóc đặc biệt là động cơ điện phòng nổ. Yêu cầu mômen mở máy phải đủ lớn để thắng đ−ợc mômen cản ban đầu, và đảm bảo đ−ợc thời gian khởi động ngắn: ( , ) M M m dm kd kd = = 15ữ2 lần;
ii. Thiết kế kết cấu
Kết cấu của động cơ điện phòng nổ phải đạt các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật
( cấp bảo vệ, kiểu kết cấu, kích th−ớc lắp đặt, kích th−ớc bao ... ) và các yêu cầu về an toàn cháy nổ khi động cơ làm việc trong môi tr−ờng có nguy cơ cháy nổ cao.
Động cơ điện phòng nổ cũng nh− động cơ điện thông dụng khác, gồm có 2 phần chính: - Phần tĩnh (stato) gồm : thân, nắp, lõi thép stato, cuộn dây, cụm hộp cực... - Phần quay (rôto) gồm : rôto trên trục, quạt gió...
Trong động cơ điện phòng nổ phần quay t−ơng tự nh− động cơ điện thông dụng nên ta không đi sâu vào vấn đề này mà đi sâu vào nghiên cứu thiết kế phần tĩnh.
Nh− ta đã biết động cơ điện phòng nổ phục vụ cho các ngành công nghiệp khai thác dầu mỏ, khí đốt, cơ sở sản xuất các sản phẩm dầu mỏ, hoá dầu, hoá chất và các lĩnh vực dễ cháy nổ khác nên động cơ điện phòng nổ phải có kết cấu vững chắc, độ kín khít cao, chịu đ−ợc áp lực của môi tr−ờng sử dụng và trong quá trình vận hành không gây ra tia lửa vì vậy trong thiết kế kết cấu ta cần phải đi sâu nghiên cứu các chi tiết, cụm chi tiết chính nh− thân, nắp, cụm hộp cực đảm bảo những chỉ tiêu trong tiêu chuẩn.
ii.1. thiết kế thân [1]:
- Thân động cơ phòng nổ phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật về an toàn nổ nh−: độ dầy thân, độ bền cơ, tản nhiệt, khe hở mối lắp ghép.
- Hình dạng kết cấu và kiểu thân động cơ điện phòng nổ đ−ợc thiết kế tuỳ theo lĩnh vực sử dụng.
- Vật liệu chế tạo thân : Đối với động cơ điện phòng nổ làm việc trong hầm ngầm, thân đ−ợc làm bằng thép (đúc hoặc hàn) hoặc gang có độ bền cơ cao nh− : giới hạn bền kéo σk > 4000kg/mm2, giới hạn chảy σc > 2000kg/mm2, độ dai va đập ak=350kgm/mm2 .
Đối với động cơ điện phòng nổ có công dụng khác, thân có thể làm bằng thép hoặc gang có cơ tính không nhỏ hơn cơ tính của gang GX15-32.
- Thân động cơ điện phòng nổ phải có độ dày và độ bền cơ hơn so với động cơ điện thông th−ờng thì mới đảm bảo không bị lan truyền nổ ra ngoài môi tr−ờng, khi có hiện t−ợng nổ khí xảy ra bên trong vỏ động cơ. Trong động cơ điện phòng nổ không đồng bộ, khe hở không khí giữa stato và rôto nhỏ do vậy sự biến dạng của thân có thể gây ra sát cốt tạo tia lửa gây cháy nổ.
Phần lắp ghép giữa thân và nắp động cơ điện có chiều dày, độ chính xác và độ bóng tuân thủ theo TCVN 7079-0-2002 nhằm đảm bảo độ kín khít để tia lửa không thoát ra ngoài gây cháy nổ.
Chiều dày của thân có thể đ−ợc tính theo công thức:
σ
Rp p
b= .
Trong đó: - p là áp suất thử thuỷ trong thân động cơ kg/cm2,
+ Đối với động cơ điện phòng nổ làm việc trong hầm ngầm p tra theo bảng 1-1.
+ Đối với các động cơ điện phòng nổ còn lại p tra theo bảng 1-2. -R là bán kính trong thân.
-σ là ứng suất cho phép của vật liệu. - b là chiều dày thân động cơ.
Bảng 1-1
áp suất tính toán (kg/cm2) khi thể tích tự do của vỏ (V) Ký hiệu vỏ Đến 0,1 lít Trên 0,1ữ0,5 lít 0,5lít<V≤2lít 2lít <V≤10lít V >10lít 1 2 3 4 3,0 - - - 6,0 6,0 - - 7,0 7,0 - - 8,0 8,0 8,0 - 9,0 9,0 9,0 10,0
Bảng 1-2
áp suất tính toán (kg/cm2) khi thể tích tự do của vỏ (V) Loại hỗn hợp nổ Đến 0,5 lít 0,5lít<V≤2lít V> 2lít 1 2 3 4 3,0 4,0 4,0 6,0 6,0 8,0 8,0 8,0 8,0 10,0 10,0 10,0 II.2. Thiết kế nắp [1]:
Nắp động cơ điện có nhiệm vụ nh− một gối đỡ trục động cơ do đó nó chịu tác dụng của lực h−ớng tâm và lực dọc trục, ngoài ra nắp còn chịu áp lực khí nổ bên trong nh− thân động cơ điện bởi vậy khi thiết kế nắp cần phải đảm bảo:
- Vật liệu chế tạo nắp: Đối với động cơ điện phòng nổ làm việc trong hầm ngầm nắp đ−ợc làm bằng thép (Đúc hoặc hàn) hoặc gang có độ bền cao, giới hạn bền
σk>4000kg/mm2, σc>2000kg/mm2, ak=350kgm/mm2; Đối với động cơ điện phòng nổ có công dụng khác có thể làm bằng thép hoặc gang có cơ tính không nhỏ hơn cơ tính của gang GC15-32.
- Có chiều dày nắp phải đảm bảo an toàn khi có cháy bên nổ trong động cơ. - Có độ bền cơ đảm bảo động cơ điện làm việc ổn định, êm.
- Có độ đồng tâm cao giữa gờ bắt nắp vào thân động cơ và lỗ lắp bi. - Độ sai lệch t−ơng đối là ít nhất, phù hợp với cấp chính xác.
- Loại trừ ảnh h−ởng đến ổ đỡ do biến dạng trục khi lắp ráp.
- Dung sai lắp ghép giữa nắp và thân động cơ phải chọn sao cho đảm bảo độ đồng tâm cao giữa gờ đỡ bi và đ−ờng kính trong của lõi thép stato đặt trong thân và độ kín khít để tia lửa không thoát ra ngoài cũng nh− xâm nhập vào bên trong.
- Nắp động cơ phải thoả mãn các yêu cầu của TCVN 7079-1-2002.
- Tại các vị trí có lỗ bắt bu lông phải đảm bảo cho các bu lông lắp ghép không bị lỏng và chỉ có dụng cụ chuyên dùng mới tháo đ−ợc bu lông.
- Nắp động cơ lắp vào thân động cơ đ−ợc bắt chặt bằng các bu lông. Đ−ờng kính bulông đ−ợc xác định theo công thức sau:
Z σ Q d c. . 45 , 0 =
Trong đó: - Q Lực tác dụng lên bu lông; Q π.(D d ).P 4 2 2 − =
- D: Đ−ờng kính tại vị trí ghép nắp vào thân; - d: Đ−ờng kính ngoài ổ bi
- P: áp suất tính toán, lấy bằng 1,5 lần áp suất thực gây nổ. - σc Giới hạn chẩy của vật liệu làm bu lông.
- Z số bu lông.
ii.3. cụm hộp cực [1]:
Cụm hộp cực bao gồm thân hộp cực, nắp hộp cực, ống dẫn dây và các bu lông cọc cực. Vật liệu chế tạo thân, nắp hộp cực và ống dẫn dây đ−ợc đúc bằng gang xám GX15-32 hoặc đúc bằng gang có độ bền cao đối với động cơ điện làm việc trong hầm ngầm.
- Hộp cực phải đảm bảo độ kín khít để tia lửa không thoát đ−ợc ra ngoài và không xâm nhập đ−ợc vào bên trong. Theo cấp bảo vệ IP 55.
- Các cọc cực và đầu cốt phải đạt TCVN 7079-0 –2002.
- Các cọc cực dẫn điện phải đ−ợc cố định vững chắc không bị xê dịch, cách điện giữa các cọc cực với vỏ động cơ bằng ống cách điện đ−ợc chế tạo từ nhựa bakêlít chịu hồ quang hoặc ống sứ.
- ống dẫn dây đ−ợc thiết kế sao cho không có cạnh sắc để dây cáp không bị xây x−ớc khi dịch chuyển phía ngoài từ bất cứ h−ớng nào (kể cả h−ớng nguy hiểm nhất là 900) và theo qui định của TCVN 7079- 0- 2002, phải có cơ cấu kẹp dây để dây không bị dịch chuyển trong quá trình động cơ điện phòng nổ làm việc.
ii.4. Hệ thống làm mát [1]:
- Động cơ đ−ợc làm mát bằng quạt gió nằm ở ngoài thân và nắp của động cơ. Quạt gió phải có nắp che với kết cấu vững chắc, va chạm nhẹ khó bị biến dạng.
- Cửa gió vào có cấp bảo vệ IP20, cửa gió ra IP10 đáp ứng TCVN 7079-0-2002.
- Khe hở giữa cánh quạt gió và nắp che quạt gió ít nhất > 10mm, để đảm bảo trong quá trình vận hành đ−ợc an toàn, không gây ra tia lửa do cọ sát giữa quạt gió và nắp che.
* Từ các yêu cầu về chỉ tiêu kỹ thuật và qua phần tính toán thiết kế kết cấu thân, nắp, cụm hộp cực, ta có các mối lắp ghép đ−ợc thể hiện ở (Hình1;2;3;4 và 5), kết hợp với phần tính toán thiết kế điện từ và các chi tiết tiêu chuẩn, chi tiết phụ khác ta dựng đ−ợc kế cấu động cơ điện phòng nổ nh− hình vẽ ( Hình 6).
Ch−ơng IiI: Công nghệ chế tạo động cơ điện phòng nổ
Công nghệ chế tạo động cơ điện phòng nổ kế thừa đến 80% công nghệ chế tạo động cơ điện thông th−ờng. Vì vậy dựa trên công nghệ hiện có của công ty, VIHEM hoàn toàn có khả năng chế tạo động cơ điện phòng nổ.
Động cơ điện phòng nổ đ−ợc chia thành nhiều cấp khác nhau, do vậy kiểu dáng và chủng loại của động cơ điện cũng rất đa dạng và phong phú, tuỳ theo công dụng.
I. công nghệ chế tạo phần điện từ:
Phần điện từ trong động cơ điện bao gồm: lá tôn stato, lá tôn rôto, lõi thép stato, lõi thép rôto, bối dây stato. Nói chung các b−ớc công nghệ chế tạo điện từ của động cơ điện phòng nổ cũng t−ơng tự nh− động cơ điện thông dụng, nh−ng để giảm thiểu nguy cơ phát sinh tia lửa xảy ra trong vỏ động cơ điện và trong hộp cực, các bin dây phải đ−ợc cố định chắc chắn đảm bảo không tạo ra xung lực gây chạm chập, các mối nối dây trong động cơ và trong hộp cực phải đ−ợc cố định tránh chạm chập.
Công nghệ chế tạo phần điện từ gồm các b−ớc:
Bối dây stato của động cơ điện phòng nổ là một trong nh−ng bộ phận dễ gây ra cháy nổ nhất bởi vậy cuôn dây stato đ−ợc chế tạo và kiểm tra rất cẩn thận, quy trình công nghệ của động cơ điện phòng nổ đ−ợc mô tả d−ới đây:
- Dây quấn stato là dây đồng cách điện cấp F, ký hiệu: PEW của Hàn Quốc, Nhật, Singapo.
- Bin dây đ−ợc quấn trên máy quấn dây chuyên dùng có hệ thống đếm số vòng dây.