Проектирование асинхронных машин 3 глава

Отдельные элементы кон­струкции двигателей несколько различаются в зависи­мости от высоты оси враще­ния.

Двигатели с h = 45...112 мм (рис. 9.11) имеют литые из высокопрочного алюми­ниевого сплава корпуса с го­ризонтально-вертикальным оребрением. Такая конст­рукция позволяет использовать для отливки четырехразъемные пресс-формы, что существенно упрощает технологию их изготовления. Корпуса отливают с лапами

Рис. 9.11. Двигатель серии АИ с короткозамкнутым

ротором со степенью защиты IP54, h = 100 мм

для крепления к фундаментной плите и основанием коробки выводов. Подшипниковые щиты двигателей с высотой оси вращения до 63 мм также выполняют из алюминия. Они имеют наружные ребра для улучшения охлаждения. Сердечники статоров после опрессовки скрепляют несколькими швами сварки по наружной поверхности по длине сердечника. Наружные вентиляторы выполняют из высоко­прочной и термостойкой пластмассы и защищают кожухом из того же материала.

Корпуса двигателей с h = 132... 180 мм мало отличаются от кор­пусов соответствующих двигателей серии 4А (см. рис. 9.7). Они вы­полняются либо из сплава алюминия с вертикально-горизонталь­ным оребрением, либо из чугуна с радиальным оребрением. По мере совершенствования технологии литья чугунные корпуса двигателей выполняются также с горизонтально-вертикальным оребрением, при этом массу чугунных отливок удается снизить на 15...25 %. Под­шипниковые щиты — чугунные без охлаждающих ребер. Вентиля­торы из пластмассы выполняют только для двигателей с h = 132 мм. У двигателей с большей высотой оси вращения вентиляторы отли­вают из алюминиевого сплава на чугунную втулку для посадки на вал. Кожухи вентиляторов — штампованные из листовой стали. Сердечники статоров у всех двигателей с h ≥ 132 мм скреплены ско­бами, которые приваривают в нескольких местах к наружной повер­хности сердечника.

Двигатели с h = 200...250 мм (рис. 9.12) выпускают с чугунными литыми корпусами и подшипниковыми щитами. Оребрение корпу­сов радиальное. Подшипниковые щиты имеют внутренние ребра, к которым крепят диффузоры, создающие направленный поток воздуха, заключенного в корпусе двигателя.

Корпуса двигателей с высотой оси вращения h = 280...355 мм по своей конструкции резко отличаются от рассмотренных выше (рис. 9.13). Их выполняют из гофрированной рулонной стали тол­щиной 2...2,5 мм, что уменьшает их массу по сравнению с литыми из чугуна примерно в 2,8 раза. Подшипниковые щиты в двигателях чу­гунные. Лапы для крепления к фундаменту прикреплены к корпусу сваркой либо болтами.

Обмотка статора всех двигателей с h = 45...250 мм и двигате­лей с 2р = 10 и 12,с h = 280...355 мм выполнена из круглого обмо­точного провода (см. гл. 3). В двигателях меньших мощностей с h = 45... 132 мм обмотка однослойная концентрическая, в ряде ти­поразмеров выполнена вразвалку; в двигателях с h = 160... 250 мм — одно-двухслойная, а в многополюсных двигателях с h - 280...355 мм — двухслойная концентрическая. Таким обра­зом, конструкция и схемы обмоток из круглого провода всех дви­гателей серии позволяют применять механизированные способы ее намотки.

Рис. 9.12. Двигатель серии АИ с короткозамкнутым

ротором со степенью защиты IP54, h = 225 мм:

1, 14 — подшипники; 2. 11 — подшипниковые щиты; 3 — короткозамыкаюшее кольцо ротора;

4 — лобовые части обмотки статора; 5 — коробка выводов;

6 — корпус; 7 — сердечник статора;

8 — сердечник ротора; 9 — вентиляционные лопатки ротора;

10 — диффузоры; 12 — вентилятор; 13 — кожух вентилятора;

15 — вал

Обмотка статора двигателей с h = 280...355 мм (кроме 10- и 12-полюсных) выполнена из прямоугольного обмоточного провода, двухслойная из подразделенных катушек, что позволяет укладывать их в полуоткрытые пазы статора. Лобовые части обмотки укрепле­ны бандажными кольцами. С помощью дистанционных прокладок между лобовыми частями катушек обмотки создаются промежутки для прохода охлаждающего воздуха.

Обмотки двигателей всех высот оси вращения выполнены проводом марки ПЭТМ-155 или ПЭТД-180. Для пазовой и межфазовой изоляций применяют материалы на основе фенелона, имеющие класс нагревостойкости F. Так как расчетный нагрев обмоток соответстствует классу нагревостойкости В, то при таком решении повы­силась надежность обмотки.

Обмотки короткозамкнутых роторов выполнены заливкой сплавом алюминия. Одновременно отливают и замыкающие кольца с вентиляционными лопатками. Для крепления балансировочных грузов в замыкающих кольцах роторов двигателей с h ≤ 200 мм преду­смотрены кольцевые канавки, а в двигателях с большей высотой оси вращения — штыри между вентиляционными лопатками.

Все двигатели исполнения по степени защиты IP54 охлаждаются с помощью наружного вентилятора, прогоняющего окружающий двигатель воздух вдоль ребер корпуса. Перенос тепла от обмотки статора и лобовых частей обмотки статора к внутренней поверхности и корпуса и подшипниковых щитов происходит за счет циркуля­ции воздуха, находящегося внутри корпуса. В двигателях с h = 45... 180 мм воздух перемешивается вентиляционными лопатками замыкающих колец. В двигателях с h = 200...250 мм внутри корпуса вентиляционными лопатками создается направленная циркуляция воздуха. Для этого на внутренних ребрах подшипниковых щитов с обоих торцов сердечника ротора установлены диффузоры (см. рис. 9.12).

Диффузоры разделяют область пониженного давления — перед вентиляционными лопатками и повышенного давления — над ло­патками. Воздух нагревается, соприкасаясь с замыкающими кольца­ми и вентиляционными лопатками ротора и лобовыми частями обмотки статора, проходит к внутренней поверхности корпуса, в полость между диффузором и внутренними ребрами подшипниковых щитов и отдает им тепло.

В двигателях с h = 280...355 мм с гофрированным корпусом (см. рис. 9.13) схема охлаждения отличается от рассмотренной выше. В сердечниках роторов этих двигателей выполнены аксиаль­ные вентиляционные каналы, а внутри корпуса установлен центробежный вентилятор. Внутренний вентилятор прогоняет нагретый от лобовых частей обмоток ротора и статора воздух в полости, образованные ребрами гофрированного корпуса и наружной поверхно­стью сердечника статора. В то же время наружный вентилятор на­правляет холодный воздух, окружающий двигатель, вдоль ребер снаружи корпуса. Этим достигается более интенсивное охлаждение воздуха, заключенного внутри корпуса. Охлажденный воздух посту­пает в аксиальные каналы ротора и вновь к лопаткам внутреннего вентилятора.

В защищенном исполнении двигатели с короткозамкнутым ротором выпускаются в диапазоне осей вращения от 200 до 355 мм со степенью защиты IP23. Корпуса и подшипниковые щиты двигателей несколько отличны по своей конструкции от двигателей исполнения IP54. Это связано с изменением системы вентиляции. Двигатели имеют двустороннюю радиальную систему вентиляции. Нагнетательными элементами служат вентиляционные лопатки на замы­кающих кольцах. Как и в двигателях исполнения по степени защиты IP54, лопатки служат также радиаторами, отводящими тепло от пазовой части стержней обмотки ротора. В двигателях с h = 200...250 мм (см. рис. 9.4) воздух засасывается через жалюзи в подшипниковых щитах торцов ротора, направляется диффузорами на

Рис. 9.13. Двигатель серии АИ с короткозамкнутым ротором со степенью защиты

IP54, h = 280 мм, с гофрированной станиной:

1 — вал; 2, 17 — подшипники; 3. 15 — подшипниковые щиты; 4 — коробка выводов;

5 — лобо­вые части обмотки статора; 6 — нажимное кольцо статора;

7 — гофрированная станина; 8 — сер­дечник статора; 9 — сердечник ротора;

10 — короткозамыкающие кольца; 11 — вентиляционные лопатки;

12 — внутренний вентилятор; 13 — масленка для смазки подшипника;

14 — кожух вен­тилятора; 16 — наружный вентилятор;

18 — втулка вентилятора (стрелками показаны направле­ния потоков охлаждающего воздуха)

вентиляционные лопатки ротора, охлаждает обмотку ротора и отбрасывается лопатками на лобовые части обмотки статора, обдувает внешнюю поверхность сердечника статора и выходит наружу через жалюзи в средней части корпуса двигателя. Корпуса двигателей этого отрезка серии отлиты из чугуна и внутри имеют продоль­ные ребра, которые служат для установки сердечника статора. Сер­дечник закреплен на ребрах эксцентрично по отношению к корпусу, и площадь поперечного сечения вентиляционных каналов сверху сердечника больше, чем снизу.

Корпуса двигателей с h = 280...355 мм, так же как и в аналогич­ных двигателях серии 4А (см. рис. 9.9), состоят из сварной полуста­нины, выполненной из стального листа, и штампованного из листо­вой стали верхнего кожуха. На полустанине имеются четыре вертикальные стойки, соединенные с основанием продольными планками, а сверху между собой продольными ребрами. В кольце­вых проточках боковых ребер располагаются подшипниковые щиты. Сердечник статора устанавливают нижней половиной на цен­трирующие заточки внутренних стоек и крепят с помощью массив­ных нажимных колец. Вентиляция двигателей — радиальная двусто­ронняя. Циркуляция охлаждающего воздуха имеет такую же схему, как в двигателях исполнения со степенью защиты IP23 меньших вы­сот оси вращения.

Асинхронные двигатели с фазными роторами выпускают как модификации серии АИР (АИС) в диапазоне высот оси вращения 160...355 мм в исполнениях по степени защиты IP44 — АИРФ (АИСФ) и IP23 — АИРНФ. Обмотки фазных роторов двигателей мощностью до 50...60 кВт выполнены из круглого провода, двух­слойные, равнокатушечные с укороченным шагом. Пазы ротора — трапецеидальные, полузакрытые. В двигателях большей мощности обмотки стержневые волновые, пазы с параллельными стенками, полузакрытые с узким шлицем. В пазовой части обмотка закреплена клиньями, в лобовой части — бандажами из стальной проволоки или нетканой (бандажной) стеклоленты.

Напряжение на кольцах ротора у большинства двигателей при­мерно равно линейному напряжению обмотки статора.

Двигатели с фазными роторами со степенью защиты IP54 имеют ребристый корпус и охлаждаются наружным вентилятором, как и двигатели с короткозамкнутыми роторами. Контактные кольца рас­положены внутри корпуса (рис. 9.14) в полости, отделенной от ста­тора перегородкой с лабиринтными уплотнениями, предотвращаю­щими попадание пыли от щеток на обмотки статора и ротора.

Контактные кольца двигателей исполнения IP23 с высотой оси вращения 160...200 мм (рис. 9.15) установлены на выступающем кон­це вала, противоположном рабочему, и закрыты кожухом с отвер­стиями для прохода охлаждающего воздуха. Контактные кольца с токоотводами запрессованы в пластмассу. В пластмассовой части колец (рис. 9.16, а) имеются отверстия для прохода охлаждающего воздуха и вентиляционные лопатки для засасывания воздуха в про­странство между кольцами. Выводные концы обмотки ротора подходят к контактным кольцам через внутреннее отверстие на валу ротора.

Рис. 9.14. Двигатель серии АИ с фазным ротором со степенью

защиты IP54, h =180 мм:

1— вал; 2, 10 — подшипниковые щиты; 3 — контактные кольца; 4 — корпус; 5 — коробка выдов;

6 — сердечник статора; 7 — сердечник ротора; 8 — лобовые части обмотки ротора;

9 — лобовые части обмотки статора; 11 — вентилятор;

12 — кожух вентилятора; 13 — втулка вентилятора

Рис. 9.15. Двигатель серии АИ с фазным ротором со степенью защиты IP23,

h =180 мм, с аксиальной вентиляцией:

1 — вал; 2,9 — подшипниковые щиты; 3 — коробка выводов; 4 — сердечник статора;

5 — сердеч­ник ротора; 6 — лобовые части обмотки статора;

7 — лобовые части обмотки ротора; 8 — венти­лятор;

10 — кожух контактных колец; 11 — контактные кольца

Рис. 9.16. Контактные кольца асинхронного двигателя с фазным ротором:

а — с посадкой на вал; б — консольное крепление; 1 — контактные кольца;

2 — вентиляцион­ные лопатки; 3 — отверстия для прохода охлаждающего воздуха

Вентиляция двигателей — аксиальная. Центробежный вентиля­тор установлен рядом с сердечником ротора со стороны, противо­положной рабочему концу вала. Охлаждающий воздух засасывается через жалюзи в подшипниковом щите, омывает лобовые части об­моток ротора и статора, наружную поверхность сердечника стато­ра, лобовые части обмоток с другого торца сердечника и выбрасы­вается вентилятором через жалюзи в нижней части подшипникового щита. Часть воздуха проходит через аксиальные каналы в сердечни­ке статора и отводит тепло, выделяющееся в роторе.

В двигателях с h = 255...355 мм (см. рис. 9.5) вентиляция — ради­альная, двусторонняя. Роторные вентиляторы расположены с двух сторон сердечника ротора. Контактные кольца укреплены на высту­пающем конце вала и закрыты кожухом. В двигателях с h = 280 мм их крепят консольно к несущему фланцу, установленному на валу с помощью трех шпилек (рис. 9.16, б). Токоподводы к обмотке ротора проходят через центральное отверстие в валу.

Большинство двигателей других модификаций и специализи­рованных исполнений серии АИ выпускают со степенью защиты IP54 в тех или иных диапазонах высоты оси вращения. Они отли­чаются от рассмотренных либо отдельными конструктивными элементами, например, встроенным электромагнитным тормозом, либо схемами обмоток (многоскоростные двигатели), материалом заливки пазов или размерными соотношениями зубцовой зоны (двигатели с повышенным скольжением или пусковым момен­том), либо усиленными уплотнениями вала, подшипниковых щи­тов, вводного устройства, а также защитными и лакокрасочными покрытиями и т. п. (двигатели тропического или химического ис­полнения).

Кроме единых серий асинхронных двигателей общего назначения выпускается ряд серий двигателей специального назначения, например крановые двигатели серии МТ, взрывозащищенные серии 2ВР и др. Асинхронные двигатели малой мощности для ручного электрифицированного инструмента, бытовой техники и специализированные для различного вида автоматических систем выпускаются электротехнической промышленностью в массовом количестве [15].

Вопросы проектирования асинхронных двигателей общего назначения рассматриваются ниже, в основном, на базе общесоюзных серий АИ и 4А.

9.4. НОВАЯ СЕРИЯ РА

Разработка новой серии асинхронных машин Российские асинхронные (РА) на Ярославском электромашиностроительном заводе (ЯЭМЗ) началась в 1992 г. Если до распада СССР созданием единых общесоюзных серий занимались около десятков НИИ и разработка единой серии занимала несколько лет, то коллективу ЯЭМЗ пришлось создавать новую серию в течение одного года [11].

В новую серию были заложены решения, позволившие изготавливать двигатели для любых требований потребителя. Это удалось создать благодаря применению конструкции станины со съемными лапами, которые фиксируются по четырем направлениям. Примене­ние съемных лап, хотя и увеличивает трудоемкость, но позволяет несколько исполнений машины объединить в одной конструкции (фланцевое В5, на лапах ВЗ и на лапах с фланцем В35). Это приводит к значительной экономии оборотных средств завода, а потребитель может заменить повреж­денную лапу новой, в то же время в конструкциях с постоянно прилитыми лапами их поломка приводит к замене всего двигателя.

В серии RA станины для высот оси вращения 71...132 мм включительно — алюминиевые, получаемые экструзией, щиты также алюминиевые (рис. 9.17). Для высот оси вра­щения, больших 132 мм, ста­нины и щиты выполняют чу­гунными. Все станины имеют горизонтально-вертикальное оребрение, что позволяет увеличить теплоотдачу при снижении массы двигателя,

Рис. 9.17. Асинхронный двигатель новой серии РА

а также улуч­шает эстетичность его формы. Особенно этому способствует экструзионная станина (см. рис. 9.17).

Внутренний диаметр сердечника статора D₁ выбран так, что при фиксированном наружном диаметре D_н1 оптимизирован весь ряд мощностей для нескольких высот оси вращения. Так, например, если для высот оси вращения 160 и 180 мм (D_н1 = 273 мм) при полюсности 2р = 6 выбран внутренний диаметр D₁ = 185 мм, то для после­дующего наружного диаметра 296 мм (высота оси вращения 200 и 225 мм) сохраняется тот же внутренний диаметр 185 мм, но уже для полюсности 2р = 4. Такая унификация предусмотрена для всей се­рии РА (табл. 9.6).

Таблица 9.6. Унификация серии РА

Примечание. Буквенные обозначения в соответствии с серией 4А.

Вопросам унификации в новой серии РА уделено особое внима­ние, поскольку только на одной высоте оси вращения количество типоисполнений двигателей превышает несколько тысяч. Основным достоинством серии РА является возможность выпуска асинхрон­ных двигателей, удовлетворяющих требованиям ГОСТ, DIN и SENELBC и при максимальной унификации отдельных узлов и де­вшей машины [11].

Внедрение профильной экструзионной станины в серии РА позволило снизить трудоемкость изготовления, повысить качество и снизить массу двигателя за счет лучшего теплосъема с поверхности станины. Экструзионные станины позволили отказаться от чистовой обработки замков статора, а также уменьшить аксиальную дли­ну станины, так как они нарезаются из заготовки, получаемой с металлургических заводов.

Применение экструзионных станин на ЯЭМЗ ограничивалось диаметром 132 мм из-за технологических возможностей завода, но такие станины могут применяться и для больших высот, если это потребуется заказчикам.

Основной недостаток экструзионных станин — их более высокая стоимость по сравнению с литыми станинами.

В табл. 9.7 приведены основные показатели трехфазных асинх­ронных двигателей серии РА с короткозамкнутым ротором (степень защиты IP44, IP34, U_1л ≤ 660 В).

Таблица 9.7. Показатели трехфазных асинхронных двигателей серии РА

с короткозамкнутым ротором (степень защиты IP44, IP54, U ≤ 660 В)

Освоение серии РА позволило сократить зависимость России от импорта и развить экспорт асинхронных двигателей. Технико-эко­номические показатели двигателей серии РА соответствуют или превосходят лучшие аналоги зарубежных фирм, а цены на продук­цию значительно ниже, чем у конкурентов.

9.5. ЗАДАНИЕ НА ПРОЕКТИРОВАНИЕ.

ВЫБОР ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ И РАСЧЕТ ОБМОТКИ СТАТОРА

Техническое задание на учебное проектирование асинхронно­го двигателя содержит номинальные данные проектируемой ма­шины и указания о режиме ее работы, исполнении по способу монтажа, степени защиты от воздействия окружающей среды и системе охлаждения. Кроме того, могут быть заданы также до­полнительные требования к проектируемому двигателю, напри­мер наименьшие допустимые значения кратности максимального и минимального моментов, а для двигателей с короткозамкнутыми роторами также предельные значения пускового тока и наи­меньшие значения пусковых моментов. В отношении требований, не оговоренных в задании, спроектированная машина должна удовлетворять соответствующим ГОСТам. Методические указа­ния к курсовому проекту см. в 1.7.

Проектирование новой машины начинают с выбора базовой мо­дели, на которую ориентируются при проведении всех расчетов, на­чиная с выбора главных размеров, и при разработке конструкции отдельных узлов. За базовую обычно выбирается конструкция дви­гателя одной из новых серий, выпускаемых в настоящее время. Например, при проектировании асинхронных двигателей общего назначения малой и средней мощности (до 400 кВт) в качестве базовой модели следует выбирать конструкцию двигателей серии 4А или АИ и исполнения, предусмотренного в техническом задании.

В начальной стадии проектирования при выборе главных размеров и электромагнитных нагрузок необходимо учесть дополнительные требования технического задания. Если проектируемая машина должна иметь большой максимальный момент, то индуктивное сопротивление ее обмоток не должно быть большим, поэтому в такой машине нецелесообразно выбирать малое значение индукций, большую линейную нагрузку, узкие и глубокие пазы и т.п.

Требования к пусковым характеристикам с короткозамкнутым ротором следует обязательно учитывать при выборе конфигурации пазов ротора. Так, узкие и глубокие пазы с сужающейся верхней частью обеспечивают большое увеличение расчетного активного сопротивления ротора при пуске и большие пусковые моменты, но при таких пазах возрастает индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора и уменьшаются перегрузочная способность двигателя и коэффициент мощности при номиналь­ном режиме.

Полностью учесть все требования технического задания к характеристикам двигателя при выборе размеров магнитопровода и об­мотки машины, не ориентируясь на данные выпущенных машин, невозможно. Поэтому перед началом расчета следует детально и изучить конструкцию базового двигателя, критически оценить при­нятые в ней соотношения размеров, уровни электромагнитных нагрузок и другие данные и лишь после этого приступить к расчету. Расчет асинхронных машин начинают с определения главных разме­ров: внутреннего диаметра статора D и расчетной длины магнитоп­ровода l_δ. Размеры D и l_δ связаны с мощностью, угловой скоростью и электромагнитными нагрузками выражением машинной постоян­ной:

(9.1)

В начале расчета двигателя все величины, входящие в (9.1), кро­ме синхронной угловой скорости, неизвестны. Поэтому расчет проводят, задаваясь на основании имеющихся рекомендаций значения­ми электромагнитных нагрузок (А и В_δ), коэффициентов (α_δ, k_В и k_oб), и приближенно определяют расчетную мощность Р'. Остаются два неизвестных (D и l_δ), однозначное определение которых без до­полнительных условий невозможно. Таким условием является отно­шение l_δ/D или более употребительное в расчетной практике отно­шение λ = l_δ /τ. Это отношение в значительной степени определяет экономические данные машин, а также оказывает влияние на харак­теристики и условия охлаждения двигателей.