Размеры, конфигурация, материал

Главные размеры. Пректирование асинхронных двигателей начинают с определения главных размеров: внутреннего диаметра D₁ и длины сердечника статора . Как отмечалось в гл. 1, предельно допускаемая величина наружного диаметра корпуса D_корп и сердечника статора D_н1 зависит от высоты оси вращения h. Если заданием на проектирование значение h не регламентировано, то его предварительно выбирают из табл. 9-1, данные которой соответствуют существующему в России и за рубежом среднему уровню привязки мощностей к h двигателей с разными степенями защиты и способами охлаждения.

В табл. 9-1 приведены также значения вращающего момента на валу М₂, поскольку в настоящее время широко распространена более удобная оценка привязки габаритов двигателя к моменту вращения, значение которого для данного типоразмера колеблется в относительно небольших пределах при исполнении двигателя с разным количеством полюсов (за исключением двигателей с 2 p = 2).

Таблица 9-1

Для удобства выбора наружного диаметра сердечника D _н1 при заданной или выбранной стандартной высоте оси вращения h в табл. 9-2 приведены предельно допустимые значения D _{н1 max} для h = 50÷450 мм, указаны припуски на штамповку _шт, а также ширина резаных лент и стандартной рулонной стали, из которой штампуют листы сердечника.

Таблица 9-2

h,мм	h 1, мм	h 2, мм	Dн 1max, мм	шт, мм	Ширина (мм) при однорядной штамповке
резанных лент	рулонной стали
						—
						—
						—
						—
		6,5				—
		6,5				—
		7,5				—
		8,5				—
		9,5				—
		11,5				—
						—
		13,5				—
						—
						—
					—
					—
					—
					—
					—

При составлении табл. 9-2 имелось в виду, что двигатели с h = 50÷250 мм выполняются с литыми станинами, а двигатели с h = 280÷450 мм со сварными.

При D_н1  ≤ 452 мм (что соответствует h ≤ 250 мм) листы статора штампуют из резаной ленты, которая по согласованию сторон может поставляться различной ширины, но не превышающей 500 мм. При D _н1 > 452 мм листы статора штампуют из рулонной стали стандартной ширины, указанной в § 2-3; соответственно принятые в этом случае значения h ₁ могут несколько отличаться от указанных на рис. 1-1.

Для определения одного из главных размеров – внутреннего диаметра сердечника статора D₁ – можно использовать зависимости D₁ = f (Dн₁), приведенные в табл. 9-3. При проектировании части серии (двух двигателей и более на одном диаметре D_н1) для облегчения производства необходимо унифицировать при данном количестве полюсов основные размеры магнитопровода двигателя в его поперечном сечении – диаметры D_н1, D₁, D_н2, а также количество и размеры пазов статора и ротора.

Таблица 9-3

Расчетную мощность определяют по (1-11). Значение k_н находят из рис. 9-1.

Рис. 9- 1. Средние значения асинхронных двигателей

Предварительные значения и cos для двигателей с короткозамкнутым ротором могут быть приняты на уровне средних энергетических показателей выпускаемых электродвигателей (рис. 9-2 и 9-3) или по ГОСТ 19523*. Для двигателей с фазным ротором исполнения по защите IP23 предварительные значения могут быть приняты на 0,005 ниже, чем по рис. 9-2, а cos на 0,01 ниже, чем по рис. 9-3.

*Здесь и далее предварительные значения параметров обозначаются знаком «штрих» для отличия от уточняемых в дальнейшем значений.

Рис. 9- 2. Средние значения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором:

а - исполнение по защите IP44, способ охлаждения IC0141;

б - исполнение по защите IP23, способ охлаждения IC01

Рис. 9- 3. Средние значения cos асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором:

а - исполнение по защите IP44, способ охлаждения IC0141;

- исполнение по защите IP23, способ охлаждения IC01

Для определения второго главного размера – длины сердечника статора ₁ – вначале по (1-30) находят расчетную длину сердечника ₁ (с соответствующим округлением). При этом следует задать предварительные значения обмоточного коэффициента _об1 ( _об1 = 0,91÷0,94 для 2p ≥4; _об1 = 0,79 для 2p = 2; большие значения _об1 принимают для двигателей меньшей мощности), а также электромагнитных нагрузок A’₁ и (значения A’₁ и зависят от ряда факторов, в том числе от формы пазов и типа обмотки). В табл. 9-4 указаны применяемые в настоящее время формы пазов и типы обмоток статора.

Таблица 9-4

Форма пазов, указанная в таблице, определяется тем, что статоры с прямоугольными (открытыми или полуоткрытыми) пазами обладают большей надежностью обмотки, выполняемой из жестких изолированных катушек, а также большим коэффициентом заполнения пазов медью проводов прямоугольного поперечного сечения. Однако со снижением h возникают технологические затруднения, ограничивающие возможность применения прямоугольных пазов статора, из-за уменьшения поперечного сечения проводов и ширины зубца в наиболее узком месте.

Рис. 9- 4. Средние значения A'₁=f (D_н1) (а),

= f (D_н1) (б) при 2p=4 и классе нагревостойкости F:

1 - испонение по защите IP44, способ охлаждения IC0141, полузакрытые пазы однослойная обмотка; 2 - то же, что 1, но двухслойная обмотка; 3 - IP44, IC0141, полузакрытые пазы, двухслойная обмотка, продуваемый ротор; 4 – IP44, IC0141, открытые пазы, U=6000 В, двухслойная обмотка; 5 – IP23, IC01, полузакрытые пазы, однослойная обмотка; 6 – то же, что 5, но двухслойная обмотка; 7 – IP23, IC01, полуоткрытые пазы, двухслойная обмотка; 8 – IP23, IC01, открытые пазы, U=6000 В, двухслойная обмотка.

Поэтому в асинхронных двигателях, начиная примерно с D_н1 ≤452 мм (что соответствует h ≤ 250 мм), выполняют полузакрытые пазы трапецеидальной формы со всыпной обмоткой из проводов круглого поперечного сечения, при которых коэффициент заполнения паза медью снижается. Компенсирует в некоторой степени указанное снижение возможность получения зубцов равновеликого сечения и постоянства магнитной индукции по высоте зубца, в отличии от прямоугольных пазов, при которых зубец имеет трапецеидальную форму и магнитную индукцию, увеличивающуюся в направлении основания паза.

На рис. 9-4 приведены средние значения A’₁ и для асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным роторами при 2p = 4 и с изоляцией класса нагревостойкости F. При количестве полюсов, отличающихся от 2 p = 4, принимаемые из рис. 9-4 значения A’₁ и _ умножают на поправочные коэффициенты k₁ и k₂ (табл. 9-5). Кроме того, при выполнении электродвигателей с изоляцией классов нагревостойкости В или Н значение A’₁, принятое по рис. 9-4 с учетом k₁, должно быть умножено на поправочный коэффициент k₃ (для класса B- k₃ = 0, 86; для класса Н- k₃ = 1,14).

Таблица 9-5

Коэффициенты	Степень защиты, способ охлаждения	, мм	Коэффициенты при различных значениях 2 р
			10 и 12
(для )	IP44, IC0141	80-250	0,93	1,0	1,0	---
Свыше 250-500	1,1	0,93	0,93	---
» 500-700	1,1	0,915	0,915	0.84
» 700-990	---	0,92	0,87	0,84
IP23, IC01	» 250-500	1,16	0,9	0,84	0,72
» 500-700	1,15	0,89	0,84	0,72
» 700-990	---	0,9	0,88	0,85
(для )	IP44, IC0141	80-250	1,0	1,0	1,2	---
Свыше 250-700	0,96	1,04	1,04	1.04
» 700-990	---	0,96	0,94	0,92
IP23, IC01	» 250-700	0,98	1,02	1,02	1,04
» 700-990	---	0,97	0,94	0,925

Следует иметь в виду, что при современных высоких требованиях к величинам пусковых моментов электродвигателей с h≤ 132 мм может возникнуть необходимость проектирования двигателей с пониженными значениями A’₁.

Конструктивная длина сердечника статора ₁ при отсутствии в сердечнике радиальных вентиляционных каналов равна расчетной длине , округленной до ближайшего целого числа (при длине менее 100 мм) и до ближайшего числа, кратного пяти (при длине более 100 мм); соответственно изменяется значение ₁. При длине сердечника более 300 -- 350 мм применяются радиальные вентиляционные каналы. В этом случае ₁ определяется по (1-33) с округлением до ближайшего числа, кратного пяти. Количество вентиляционных каналов n_к1 определяется длинойодного пакета сердечника статора _п1, выбираемой в пределах 55 – 75 мм при длине вентиляционного канала _К1 = 10 мм. Отношение

(9-2)

целесообразно выбирать таким, чтобы оно приближалось к предельному допускаемому отношению _max, вычисляемому для двигателей с 2 p = 4 по формулам, приведенным в табл. 9-6.

Таблица 9-6

Степень защиты, способ охлаждения	Dн1, мм	Значения max
IP44, IC0141	80 – 700	1,46 – 0,00071 Dн1
IP23, IC01	250 – 700	1,33 – 0,00087 Dн1
IP44, IC0141, IP23, IC01	Свыше 700 – 990	1,56 – 0,00088 Dн1

При количестве полюсов, отличающихся от 2 p = 4, значение _max, полученное из табл. 9-6, должно быть умножено на поправочный коэффициент k ₄ для электродвигателей со степенями защиты IP23 и IP44 (табл. 9-7)

Таблица 9-7

Если превышает _max, то, как указано в § 1-3, необходимо перейти на другую, большую стандартную высоту оси вращения и повторить расчет главных размеров и .

При проектировании участка серии с двумя или тремя длинами сердечника статора на одном диаметре значение электродвигателя большей мощности должно приближаться к _max, но не превышать его; значение электродвигателя меньшей мощности не регламентируется. В отдельных случаях, например у тихоходных машин, значение _max может быть увеличено по сравнению с рекомендуемыми в табл. 9-6 и 9-7, но с соответствующей проверкой механической жесткостии прочности вала.

Сердечник статора. Сердечник собирают из отдельных отштампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм, имеющих изоляционные покрытия для уменьшения потерь в стали от вихревых токов. Для сердечников рекомендуется применять следующие марки холоднокатаной изотропной электротехнической стали:

Для стали 2013 обычно используют изолирование листов оксидированием (коэффициент заполнения стали k _с = 0,97), для стали 2312 и 2411 – лакировкой (k _с = 0,95) или термостойким электроизоляционным покрытием листов (k _с = 0,96÷0,97).

Количество пазов сердечника статора

(9-3)

зависит от выбранного количества пазов на полюс и фазу

. (9-4)

Обычно q₁ выбирают равным целому числу. Только для унификации листов статора двигателей с разным количеством полюсов и для тихоходных двигателей иногда применяют дробное q₁ (1,5; 2,5 и др.). В табл. 9-8 приведены рекумендуемые значения q₁.

Таблица 9-8

По выбранному значению q₁ определяют z₁ в соответствии с (9-3). При этом целесообразно использовать опыт по серии 4А (см. табл. 9-12).

Сердечник ротора. Сердечник собирают из отдельных, отштампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Марки стали и изоляционные покрытия такие же, как в статоре.

В короткозамкнутом роторе применяют закрытые, полузакрытые и открытые пазы. Для уменьшения влияния моментов высших гармоник на пусковые и виброаккустические характеристики машин роторы двигателей с высотами оси вращения h ≤160 мм имеют скос пазов b_СК1 на одно зубцовое деление статора t₁; при этом _СК1 = 1. Двигатели с большими высотами оси вращения обычно выполняют без скоса пазов.

Наружный диаметр сердечника ротора (мм)

(9-5)

где - воздушный зазор между статором и ротором, мм.

Величину воздушного зазора выбирают с учетом противоречивых требований, так как, с одной стороны, при увеличении воздушного зазора уменьшается коэффициент мощности, а с другой – увеличиваются фактический КПД и надежность двигателя, снижается нагрев обмоток, уменьшаются добавочные потери, уровень шума и вибраций магнитного происхождения, возможность задевания ротора о статор.

Таблица 9-9

h, мм	(мм) при различных значениях 2 p
		6 и 8	10 и 12
	0,25	0,25	0,25	—
	0,3	0,25	0,25	—
	0,35	0.25	0,25	—
71, 80	0,35	0,25	0,25	—
	0,4	0,25	0,25	—
	0,45	0,3	0,3	—
	0,5	0,3	0,3	—
	0,6	0,35	0,35	—
	0,8	0,5	0,5	—
	1,0	0,6	0,45	—
	1,0	0,7	0,5	—
	1,0	0,85	0,6	—
	1,2	1,0	0,7	—
	1,3	1,0	0,8	0,7
	1,5	1,0	0,9	0,8
	1,8	1,2	1,0	0,9
	2,0	1,4	1,2	1,0
	2,0	1,4	1,2	1,0

В табл. 9-9 приведены средние значения воздушного зазора , принятые в современных сериях асинхронных двигателей.

Для высот осей вращения h ≥71 мм внутренний диаметр листов ротора

; (9-6)

для высот осей вращения h = 50 и 63 мм.

. (9-7)

После расчета вала на жесткость размер D₂ уточняют.

Для улучшения охлаждения, уменьшения массы и динамического момента инерции ротора в сердечниках ротора с h ≥250 мм предусматривают круглые аксиальные вентиляционные каналы в соответствии с данными табл. 9-10. У двигателей с меньшей высотой оси вращения аксиальные каналы обычно не предусматривают из-за повышения при этом магнитной индукции в спинке ротора.

Таблица 9-10

Длину сердечника ротора ₂ принимают равной длине сердечника статора ₁ для h≤ 250 мм, а для h>250 мм ₂ = ₁ + 5 мм. Радиальные вентиляционные каналы в роторе выполняют при ₂>350 мм. Количество, размеры и расположение этих каналов в роторе такое же, как в сердечнике статора.

Количество пазов z₂ для двигателей с короткозамкнутым ротором выбирают в зависимости от z₁ и наличии скоса пазов в роторе.

Таблица 9-11

В табл. 9-11 приведены рекомендуемые количества пазов z₂. Соотношения получены в результате теоретических и экспериментальных исследований. Отступление от рекомендованных соотношений z₁ / z₂ может привести к недопустимым провалам в характеристике пускового момента, к повышенным шумам и вибрациям.

Количество пазов в сердечнике ротора для двигателей с фазным ротором

z₂ = 2pm₂q₂ (9-8)

зависит от выбранного количества пазов на полюс и фазу ротора q ₂. Обычно (если это не оговорено в исходных данных) принимают m₂ = m₁ и . Если при этом q ₂ получается слишком большим или малым, то принимают .

В табл. 9-12 приведены соотношения количества пазов z ₁/ z ₂, принятые в серии 4А.

Таблица 9-12

h, мм	z1/z2 при различном 2p
Двигатели с короткозамкнутым ротором
50 – 63	24/19	24/18	36/28	—	—	—
	24/19	24/18	36/28	36/28	—	—
80 – 110	24/19	36/28	36/28	36/28	—	—
112 – 132	24/19	36/34	54/51	48/44	—	—
	36/28	48/38	54/51	48/44	—	—
180 – 200	36/28	48/38	72/58	72/58	—	—
	36/28	48/38	72/56	72/56	—	—
	48/40	60/50	72/56	72/56	—	—
280 – 355	48/38	60/70	72/82	72/86	90/106	90/106
400 – 450	—	60/70	72/84	72/86	90/106	90/106
Двигатели с фазным ротором
	—	48/36	72/54	72/48	—	—
	—	48/66	72/81	72/84	—	—
	—	60/72	72/81	72/84	—	—
280 – 355	—	60/72	72/81	72/84	90/120	90/108
400 – 450	—	60/72	72/90	72/96	90/120	90/126
Примеры расчета машин 2. Магнитная цепь двигателя. Размеры, конфигурация, материал
Последовательность расчета	Условные обозначения	Источник	Двигатель №1	Двигатель №2
Принимаем для двигателя №1 изоляцию класса нагревостойкости В, а для двигателя №2 – класс F Главные размеры
	h, мм	табл. 9-1		—
	h, мм	табл. 9-1	—
	Dн1, мм	табл. 9-2
	D1, мм	табл. 9-3	0,68·233–5=153	0,72·590–3=424
	kн	рис. 9-1	0,97	0,98
	, о. е.	рис. 9-2, а	0,87	—
	, о. е.	рис. 9-2, б	—	0,935–0,005=0,93
	сos , о. е.	рис. 9-3, а	0,86	—
	cos , о. е.	рис. 9-3, б	—	0,89–0,01=0,88
	P ', Вт	(1-11)
	А/см	рис. 9-4, а табл. 9-5	296·0,86=255	565·0,89=503
	, Тл	рис. 9-4, б табл. 9-5	0,885	0,858·1,02=0,875
	k 'об1	§ 9-2	0,94	0,93
	мм	(1-30)
	мм	§ 9-2
		9-2	115/153=0,75	225/424=0,53
	max	табл. 9-6 табл. 9-7	1,46-0,00071·233 =1,3	1,05(1,33–0,00087·590)=0,86
Сердечник статора
	Марка стали
	Толщина стали, мм		0,5	0,5
	Изолировка		Оксидирование	Лакировка
	k с	§ 9-3	0,97	0,95
	q1	табл. 9-8 табл. 9-12
	z1	(9-3)	4·3·3=36	6·3·4=72
Сердечник ротора
	Марка стали
	Толщина стали, мм		0,5	0,5
	Изолировка		Оксидирование	Лакировка
	k с	§ 9-3	0,97	0,95
	ск	§ 9-3	1,0	—
	, мм	табл. 9-9	0,35	0,9
	Dн2, мм	(9-5)	153–2·0,35=152,3	422–2·0,9=420,2
	D2, мм	(9-6)	0,23·233=54	0,23·590=140
	nк2	табл. 9-10	—
	dк2, мм	табл. 9-10	—
	l2, мм	§ 9-3		225+5=230
	q2, мм	§ 9-3	—	4+0,5=4,5
	z2	табл. 9-12(9-8)		6·3·4,5=81