Высоты оси вращения электрических машин (по ГОСТ 13267-73) и соответствующие им наружные диаметры статоров асинхронных двигателей серии 4А

Рис. 7. Высота оси вращения h двигагелей серии 4А различной мощности и частоты вращения.

а – со степенью защиты IP44; б — с IP23.

Рис. 8. Значения коэффициента k_Е.

Таблица 7

Отношение K_D=D/D_a в двигателях серии 4А при различных числах полюсов

Рис. 9. Примерные значения КПД и cos j асинхронных двигателей серии 4А со степенью защиты IP44.

а – двигателей мощностью до 30 кВт; б – двигателей мощностью до 400 кВт.

Рис. 10. Примерные значения КПД и cos j асинхронных двигателей серии 4А со степе­нью защиты IP23.

Наружный диаметр статора дол­жен также соответствовать опреде­ленным условиям, налагаемым тре­бованиями раскроя листов электро­технической стали с наименьшими отходами при штамповке. С учетом этих требований при ручном расче­те асинхронного двигателя более целесообразным является выбор главных размеров, основанный на предварительном определении высо­ты оси вращения и увязке этого раз­мера с наружным диаметром стато­ра и последующем расчете внутрен­него диаметра статора D.

В связи с этим выбор главных размеров проводят в следующей по­следовательности.

Высоту оси вращения предвари­тельно определяют по рис. 7, а или б для заданных Р ₂ и 2 р в зави­симости от исполнения двигателя.

Из ряда высот осей вращения (табл. 6) берут ближайшее к предварительно найденному мень­шее стандартное значение h. Следу­ет иметь в виду, что ГОСТ 13267-73 определяет стандартные высоты осей вращения независимоот на­значения и конструктивного испол­нения асинхронных двигателей, по­этому высота оси вращения любого проектируемого двигателя должна быть равна одному из этих значений.

Наружный диаметр статора D_a берут из второй строки табл. 6 в зависимости от выбранной высоты оси вращения.

Приведенные в таблице наруж­ные диаметры статоров для каждой из h нормализированы и соответст­вуют данным серии асинхронных машин 4А. В процессе проектирова­ния новых машин они могут быть изменены, однако при выбранном значении h изменение D_a в мень­шую сторону нецелесообразно, так как при этом возрастут электромаг­нитные нагрузки. Увеличение D_a при той же h требует тщательной конструкторской и технологической проработки, доказывающей воз­можность такого изменения.

Внутренний диаметр статора D в общем случае может быть опреде­лен по наружному диаметру, высо­там ярма и зубцов статора:

.

На данном этапе расчета разме­ры h_a и h_z неизвестны. Поэтому для определения D используют эмпири­ческие зависимости, основанные на следующем.

При одном и том же уровне ин­дукции на участках магнитопровода в машинах с одинаковым D высо­та ярма статора будет пропорцио­нальна потоку, а следовательно, об­ратнопропорциональна числу полюсов машины (прямо пропорци­ональна полюсному делению). При­нимая, что размеры пазов не зави­сят от числа полюсов машины, по­лучаем приближенное выражение

. (2)

Значения коэффициентов k_d, приведенные в табл. 7, характери­зуют отношения внутренних и на­ружных диаметров сердечников ста­торов асинхронных двигателей се­рии 4А при различных числах полюсов и могут быть использованы для предварительного определения D вновь проектируемой машины.

Далее находят полюсное деле­ние t, м,

. (3)

и расчетную мощность Р’, Вт,

, (4)

где – мощность на валу двигате­ля, Вт,

– отношение ЭДС обмотки статора к номинальному напряжению, которое мо­жет быть приближенно оп­ределено по рис. 8.

Предварительные значения h и cos j, если они не указаны в за­дании на проектирование, находят­ся по ГОСТ. Приближенные значе­ния h и cos j могут быть взяты по кривым рис. 9 и 10, построен­ным по данным двигателей се­рии 4А.

Предварительный выбор элек­тромагнитных нагрузок А (А/м) и В_d (Тл) должен быть проведен особо тщательно, так как они определяют не только расчетную длину сердеч­ника, но и в значительной степени характеристики машины.

При этом, если главные размеры машины зависят от произведения АВ_d [см. (1)], то на характерис­тики двигателя оказывает сущест­венно влияние также и соотношение между этими величинами. Рекомен­дации по выбору А и В_d, представ­ленные в виде кривых на рис. 11 – 13 для машин различной мощно­сти и исполнения, основаны на дан­ных изготовленных двигателей [12], характеристики которых удовлетво­ряют требованиям ГОСТ. На каж­дом из рисунков даются области их допустимых значений. При выборе конкретных значений А и В_d в пре­делах рекомендуемой области следу­ет, руководствуясь приведенными выше замечаниями, учитывать требо­вания технического задания к ха­рактеристикам проектируемого дви­гателя.

Коэффициент полюсного пере­крытия a_d и коэффициент формы поля k_В в асинхронных машинах определяются степенью уплощения кривой поля в зазоре, возникающей при насыщении зубцов статора и ро­тора, и могут быть достаточно до­стоверно определены только после расчета магнитной цепи. Поэтому до расчета магнитной цепи удобнее рассматривать синусоидальное по­ле, а влияние уплощения учесть при расчете магнитного напряжения от­дельных участков магнитной цепи. Основываясь на этом, значения ко­эффициентов предварительно при­нимают равными:

; .

Предварительное значение обмо­точного коэффициента k_об1 выбира­ют в зависимости от типа обмотки статора. Для однослойных обмоток k_об1 =0, 95¸ 0, 96. Для двухслойных и одно-двухслойных обмоток при 2 р= 2 следует принимать k_об1 =0, 90¸ 0, 91 и при большей полюсности k_об1 =0, 91¸ 0, 92.

Синхронная угловая скорость ва­ла двигателя W, рад/с, рассчитыва­ется по формуле

Рис. 11. Электромагнитные нагруз­ки асинхронных двигателей серии 4А со степенью защиты IP44.

а – при высоте оси вращения h £ 132 мм;

б – при h= 160¸ 250 мм; в – при h ³ 280 мм с продуваемым ротором.

Рис. 12. Электромагнитные нагрузки асинхронных двигателей серии 4А со степенью за­щиты IP23.

а – при высоте оси вращения h= 160¸ 250 мм; б – при h ³ 280 мм.

или , (5)

где п ₁ – синхронная частота вращения, об/мин;

f ₁ — частота питания, Гц. Из (1) с учетом значения a_d расчетная длина воздушного зазо­ра, м,

. (6)

Критерием правильности выбора главных размеров D и l_d служит от­ношение l=l_d / t, которое должно находиться в пределах, показанных на рис. 14 для принятого исполне­ния машины. Если l, оказывается чрезмерно большим, то следует по­вторить расчет для ближайшей из стандартного ряда большей высоты оси вращения h. Если l слишком мало, то расчет повторяют для сле­дующей в стандартном ряду мень­шей высоты h.

На этом выбор главных разме­ров заканчивается. В результате проделанных вычислений получены значения высоты оси вращения h, внутреннего диаметра статора D, наружного диаметра статора D_a, расчетной длины воздушного зазора l_d и полюсного деления t.

Рис. 13. Электромагнитные нагрузки асин­хронных двигателей высокого напряжения со степенью защиты IP23 при U=6000В.

Рис. 14. Отношение l=l_d / t у двигателей серии 4А. а – со степенью защиты IP44; б – со степенью защиты IP23.

Таблица 8

Расчетная ширина радиальных каналов b'_к при b_к= 10 мм

Для расчета магнитной цепи по­мимо l_d необходимо определить пол­ную конструктивную длину и длину стали сердечников статора (l ₁ и l_{ст 1}) и ротора (l ₂ и l_{ст 2}). В асинхронных двигателях, длина сердечников ко­торых не превышает 250 – 300 мм, радиальных вентиляционных кана­лов не делают. Сердечники шихту­ются в один пакет. Для такой кон­струкции

(7)

В более длинных машинах сер­дечники подразделяют на отдель­ные пакеты, разделенные между со­бой радиальными вентиляционными каналами. В двигателях с фазными роторами или со сварной короткозамкнутой обмоткой пакеты выпол­няют длиной 40 – 60 мм. Крайние пакеты могут быть более длинными. В двигателях с литой короткозамкнутой обмоткой ротора число паке­тов по технологическим соображе­ниям из-за сложности заливки уменьшают и пакеты выполняют бо­лее длинными.

Стандартная ширина радиально­го воздушного канала между паке­тами b_к =10 мм. Число пакетов n_пак и их длина l_пак связаны с расчетной длиной следующим соотношением:

(8)

При этом число радиальных ка­налов n_к=n_пак - 1.

Длина стали сердечника статора в таких машинах

(9)

или при пакетах разной длины

(10)

Конструктивная длина сердечни­ка статора

. (11)

Окончательное значение l_d для машин с d < 1, 5 мм

(12)

В машинах с d ³ 1, 5 мм при рас­чете l_d учитывают искривление маг­нитных силовых линий потока в воз­душном зазоре над радиальными вентиляционными каналами:

(13)

где b’_к – расчетная ширина ради­альных каналов, зависящая от со­отношения d и b_к . Значение b’_к при b_к =10 мм определяется по табл. 8 либо из выражения

, (14)

где

.

Для того, чтобы полученная по (13) длина l_d как можно ближе приближалась к ее значению, полу­ченному ранее, проводят некоторую корректировку размера l_пак и числа пакетов n_пак.

Конструктивную длину сердечни­ка ротора в машинах с h < 250 мм берут равной длине сердечника ста­тора, т. е. l ₂ =l ₁. В двигателях боль­ших габаритов ротор выполняют длиннее статора за счет увеличения длины его крайних пакетов на 5 мм и в крупных машинах высокого на­пряжения – на 10 мм.

Длина стали сердечника ротора

(15)

Следующий этап расчета вклю­чает определение числа пазов стато­ра Z_i и числа витков в фазе обмот­ки статора w ₁. При этом число вит­ков фазы обмотки статора должно быть таким, чтобы линейная нагруз­ка двигателя и индукция в воздуш­ном зазоре как можно более близко совпадали с их значениями, принятыми предварительно при выборе главных размеров, а число пазов статора обеспечивало достаточно равномерное распределение кату­шек обмотки.

Чтобы выполнить эти условия, вначале выбирают предварительно зубцовое деление t ₁ в зависимости от типа обмотки, номинального напряжения и полюсного деления ма­шины. Для более равномерного рас­пределения катушек обмотки по длине окружности зазора необходи­мо большое число пазов, следова­тельно, малые зубцовые деления. В то же время ширина паза, состав­ляющая примерно половину зубцового деления, не должна быть слиш­ком малой, так как в этом случае ухудшается заполнение паза медью обмотки, а в машинах небольшой мощности может также недопусти­мо уменьшиться механическая прочность зубцов. Кроме того, надо иметь в виду, что стоимость маши­ны с увеличением числа пазов воз­растает, так как увеличиваются сложность штампа и трудоемкость изготовления и укладки обмоток.

Значения t ₁ асинхронных двига­телей серии 4А со всыпной обмот­кой показаны на рис. 15, на кото­ром зона 1 определяет возможные значения t ₁ для небольших двигате­лей с высотой оси вращения h £ 90 мм; зона 2 определяет значе­ния t ₁ более крупных машин (90 < h £ 250 мм); зона 3 определяет значения t ₁ многополюсных двига­телей с h ³ 280 мм, выполняемых со всыпной обмоткой. Обычно двигате­ли с h ³ 280 мм имеют полужесткую обмотку, но в многополюсном испол­нении при 2 р ³ 10 (в двигателях с h =280 мм и 315 мм) из-за малой вы­соты спинки статора размещение ло­бовых частей катушек из прямо­угольного провода затруднено, по­этому такие машины выполняют со всыпной обмоткой, имеющей мяг­кие, легко поддающиеся формовке лобовые части.

Таблица 9