thiet ke dong co dien khong dong bo ba pha roto long soc ChVWM 20130613080914 19

ỏn tt nghip: Thit k ng c ng c khụng ng b ba pha rụto lng súc

LễỉI NOI ẹAU
ng c khụng ng b (KB) ba pha rụto lng súc c dựng ph bin
trong cụng nghip (vỡ cú u im l tin cy cao, giỏ c thp, trng lng nh, kt
cu chc chn v d bo dng), vi di cụng sut t hng trm Watts n vi
Megawatts v l b phn chớnh trong cỏc h truyn ng.
Ngy nay, hiu sut ca ng c ó dn tr thnh mt trong nhng tiờu
chớ c ỏp dng trong cụng nghip. Vn ny t ra cho lnh vc thit k v ch
to ng c in khụng ngng nghiờn cu, thit k to ra sn phm t nhng
ch tiờu v kinh t - k thut nhm ỏp ng yờu cu phỏt trin ca nn kinh t quc
dõn. Chớnh vỡ vy em c Khoa v B mụn giao nhim v thc hin ti :
Thit k ng c in khụng ng b ba pha rụto lng súc cho ỏn tt nghip
cui khoỏ ca mỡnh.
Ni dung ỏn gm 7 chng:
Chng 1: Tng quan v ng c khụng ng b v yờu cu thit k ng
c khụng ng b ba pha rụto lng súc.
Chng 2: Xỏc nh cỏc kớch thc ch yu.
Chng 3: Thit k stato.
Chng 4: Thit k rụto.
Chng 5: Xỏc nh tham s ca ng c in ch nh mc.
Chng 6: Tớnh toỏn c tớnh lm vic v khi ng.
Chng 7: Xỏc nh trng lng vt liu tỏc dng v ch tiờu s dng.
Em xin by t lũng bit n cỏc Thy, Cụ giỏo m c bit l cỏc Thy cụ
giỏo trong khoa K thut & Cụng Ngh ó giỳp ch bo em tn tỡnh trong nhng
nm hc tp ti trng i Hc Quy Nhn. Cho em gi li cm n chõn thnh n
thy giỏo Th.S on c Tựng l ngi trc tip hng dn em hon thnh bn
ỏn tt nghip ny.
Trong mt khong thi gian ngn chc rng ỏn tt nghip s khụng trỏnh
khi nhng thiu sút. Em rt mong c s ch dn ca Thy giỏo, Cụ giỏo v cỏc
bn. Em xin chõn thnh cm n.

Sinh viờn

Nguyn inh Huy
SVTH: Nguyn inh Huy

-1-

GVHD: Ths. éon c Tựng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ VÀ
YÊU CẦU THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
BA PHA RÔTO LỒNG SÓC
1.1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ
1.1.1. Khái niệm chung
Động cơ không
đồng bộ là loại máy điện
xoay chiều, làm việc theo
nguyên lý cảm ứng điện
từ, có tốc độ quay của rơto
n (tốc độ của máy) khác
với tốc độ quay của từ
trường quay n1, (n
Hình 1.1 Động cơ KĐB rôto lồng sóc
1.1.2. Phân loại

Theo kết cấu vỏ, động cơ điện không đồng bộ (KĐB) có thể chia thành
các kiểu chính sau: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ, v.v…
Theo kết cấu của rôto, động cơ điện không đồng bộ chia làm hai loại:
loại rôto kiểu dây quấn và loại rôto kiểu lồng sóc.
Theo số pha trên dây quấn stato có thể chia thành các loại : một pha,
hai pha và ba pha.
1.1.3. Kết cấu
Giống như các động cơ điện quay khác, động cơ điện KĐB gồm các bộ
phận chính như hình 1.2.

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

-2-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

Vỏ Stato
Dây quấn Stato
Rôto

Hình 1.2 Kết cấu của ĐC KĐB
a) Phần tĩnh (stato)
Trên stato có vỏ, lõi sắt và dây quấn
 Vỏ máy
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm
mạch dẫn từ. Ngoài ra vỏ máy còn dùng để truyền nhiệt làm mát. Thường vỏ
máy làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000kW)

thường dùng thép tấm hàn lại thành vỏ. Tuỳ theo cách làm nguội máy mà
dạng vỏ cũng khác nhau.
 Lõi sắt
Lõi sắt là phần dẫn từ. Vì từ trường đi qua lõi sắt là từ trường quay nên
để giảm tổn hao, lõi sắt được làm từ những lá thép kỹ thuật điện ép lại. Khi
đường kính ngoài lõi sắt nhỏ hơn 990 mm thì dùng cả tấm thép tròn ép lại.
Khi đường kính ngoài lớn hơn trị số trên thì dùng những tấm hình rẻ quạt
ghép lại thành khối tròn.
Mỗi lá thép kỹ thuật điện đều có phủ sơn cách điện trên bề mặt để giảm
tổn hao do dòng điện xoáy gây nên. Nếu lõi sắt ngắn thì có thể ghép thành
một khối. Nếu lõi sắt dài quá thì ghép thành từng thếp ngắn, mỗi thếp dài từ

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

-3-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

6 cm đến 8 cm, đặt cách nhau 1 cm để thông gió cho tốt. Mặt trong của lõi
thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn.
Vỏ stato
Gông stato
Rãnh stato

Hình 1.3 Stato
 Dây quấn
Dây quấn stato được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt

với lõi sắt. Kiểu dây quấn, hình dạng và cách bố trí dây quấn ở phần dưới.
Dây quấn của động cơ không đồng bộ gồm nhiều phần tử nối với nhau
theo một quy luật nào đó. Phần tử là các bối dây được đặt trong các rãnh phần
ứng. Bối dây chỉ có thể là một vòng dây (dây quấn kiểu thanh dẫn) hoặc cũng
có thể gồm nhiều vòng dây (dây quấn kiểu vòng dây). Số vòng dây của mỗi
bối và số vòng dây của mỗi pha và cách nối phụ thuộc vào công suất, điện áp,
tốc độ, điều kiện làm việc của máy.
 Dây quấn một lớp

Hình 1.4 Dây quấn một lớp
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

-4-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

• Dây quấn đồng khuôn :

10 11 12

1 2 3

q=3

Hình 1.5 Dây quấn đồng khuôn
Là loại dây quấn đối xứng vì do những bối dây giống nhau hợp lại. Dây
quấn đồng khuôn có thể chia làm ba loại :

+ Đơn giản
+ Phân tán
+ Móc xích
- Dây quấn móc xích có thể gọi là dây quấn kiểu phân tán, chỉ khác nhau là
cạnh ngắn,cạnh dài của bối dây trong tổ bối dây xen vào nhau. Vì mỗi bối
dây do hai cạnh ngắn và dài hợp lại nên bước dây quấn là số lẻ.
- Dây quấn móc xích có thể là bước đủ hay bước ngắn.
Dây quấn đồng khuôn thuộc loại dây quấn bước đủ.
Ưu điểm: Các phần tử có kích thước như nhau do đó dễ đảm bảo điện
trở, điện kháng của các pha và các nhóm là như nhau nên dây quấn đảm bảo
tính đối xứng.
Nhược điểm: Phần đầu nối chồng chéo lên nhau nên cách điện khó.
• Dây quấn đồng tâm :
Các rãnh trong cùng pha vẫn không thay đổi nhưng độ phối hợp các rãnh
bằng tổng phần tử có kích thước khác nhau.

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

-5-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

10 11 12

1 2 3

Hình 1.6 Dây quấn đồng tâm

Loại dây quấn này có các phần tử kích thước khác nhau nên khi nối
thành các mạch nhánh song song để đảm bảo các yêu cầu điện trở, điện
kháng của các mạch nhánh song song là bằng nhau thì số phần tử tương ứng
và kích thước của các phần tử trong các mạch nhánh tương ứng phải giống
nhau.

3 mÆt

2 mÆt

Hình 1.7
Phần đầu nối của các phần tử có chiều dài không giống nhau cho nên
khi bố trí trong máy người ta có thể bẻ các phần đầu nối theo các mặt. Có hai
kiểu dây quấn đồng tâm là dây quấn đồng tâm hai mặt và ba mặt.
Khi mà nối các nhóm phần tử thành các pha thì thường là có các pha
không hoàn toàn đối xứng cũng vì lí do kích thước của các phần tử ở trong
các pha không hoàn toàn giống nhau. Trong trường hợp số rãnh một pha dưới
một cực từ là số chẵn thì một phần tử gồm q phần tử có thể chia làm hai
nhánh song song về hai phía tạo thành dây quấn phân tán có kích thước của
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

-6-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

phần tử giảm bớt tiết kiệm được vật liệu dây dẫn nhưng vẫn giữ được tính
năng.

1

2

3

4

13 14 15 16

Hình 1.8
 Dây quấn hai lớp

Hình 1.9 Dây quấn hai lớp
Mỗi rãnh chứa hai cạnh của hai phần tử khác nhau, phần tử thực hiện
bước ngắn để có dạng sóng từ trường gần giống hình sin hơn là y= βτ
β : là hệ số bước ngắn thông thường β = 0,8 ÷ 0,86 . Coi dây quấn hai lớp

như hai dây quấn một lớp đặt lệch nhau khoảng τ − y = τ (1 − β ) .
• Dây quấn xếp
Mỗi phần tử có nhiều vòng dây, tiết diện dây nhỏ. Trong một pha như
vậy có thể cấu tạo được hai q phần tử chia làm hai nhóm. Như vậy ở máy có
p đôi cực mỗi pha có hai nhóm phần tử, mỗi nhóm gồm q phần tử có thể nối
tiếp hoặc song song các nhóm phần tử để được một pha dây quấn với số
mạch nhánh song song với điều kiện

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

2p

là số nguyên .
a

-7-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

• Dây quấn sóng
Mỗi phần tử có một vòng dây (2 thanh dẫn ) cách nối giữa các phần tử
có cùng vị trí tương ứng trong từ trường .
Dây quấn có q là phân số do cấu tạo phức tạp nên chỉ dùng trong những
máy có kích thước nhỏ.
b) Phần quay (rôto)
Phần này có hai bộ phận chính là lõi sắt và dây
quấn.
Rôto lồng sóc
Thanh dẫn Rôto

Hình 1.10 Rôto
 Lõi sắt
Nói chung thì người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stato. Lõi
sắt được ép trực tiếp lên trục máy. Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh để đặt
dây quấn.
 Rôto và dây quấn rôto
Rô to có hai loại chính: rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc.
+ Loại rôto kiểu dây quấn: Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato.
Trong động cơ điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai

lớp vì bớt được những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ. Trong
động cơ điện cỡ nhỏ thường dùng dây quấn đồng tâm một lớp. Dây quấn ba
pha của rôto thường đấu hình sao, còn ba đầu kia được nối với ba vành trượt
thường làm bằng đồng đặt cố định ở một đầu trục và thông qua chổi than có
thể đấu với mạch điện bên ngoài. Đặt điểm của loại động cơ điện rôto kiểu
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

-8-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

dây quấn là có thể thông qua chổi than đưa điện trở phụ vào mạch điện rôto
để cải thiện tính năng mở máy, điều chỉnh tốc độ hoặc cải thiện hệ số công
suất của máy. Khi máy làm việc bình thường dây quấn rôto được nối ngắn
mạch.
+ Loại rôto kiểu lồng sóc: Kết cấu của loại dây quấn này rất khác với
loại dây quấn stato. Trong mỗi rãnh của lõi sắt rôto được đặt vào thanh đồng
hay nhôm dài ra khỏi lõi sắt và được nối tắt lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn
mạch bằng đồng hay nhôm làm thành một cái lồng gọi là lồng sóc.

Hình 1.12 Rôto lồng sóc có rãnh
làm chéo

Hình 1.11 Dây quấn rôto lồng sóc
bằng đồng

Dây quấn lồng sóc không cần cách điện với lõi sắt. Để cải thiện tính

năng mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rôto có thể làm thành
dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc gọi là lồng sóc kép. Trong
động cơ điện cỡ nhỏ, rãnh rôto thường được làm chéo đi một góc so với tâm
trục.
c) Khe hở
Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không
đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2 đến 1mm trong máy điện cỡ vừa và nhỏ) để hạn chế
dong điện từ hóa lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể làm cho hệ số công
suất của máy cao hơn.
Ngoài hai bộ phận chính là stato và rôto trong kết cấu động cơ không
đồng bộ rôto lồng sóc còn có quạt, trục động cơ và gối trục.
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

-9-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

d) Quạt gió
Nhiệm vụ của quạt gió là tạo ra một áp suất đủ lớn để đưa dòng khí cần
thiết qua hệ thống thông gió của máy để làm mát máy. Quạt được gắn trên
trục động cơ, tốc độ của quạt là tốc độ của động cơ, kích thước của quạt bị
giới hạn bởi kết cấu của động cơ, trong máy điện thường có ba loại quạt
thường dùng: Quạt ly tâm, quạt hướng trục và quạt hổn hợp ly tâm và hướng
trục, nhưng thông dụng nhất vẫn là quạt ly tâm. Ở quạt ly tâm khi cánh quạt
quay không khí ở giữa khe các cánh quạt bị đẩy ra ngoài dưới tác dụng của
lực ly tâm, do đó ở vùng vòng trong của cánh quạt nơi lỗ gió vào tạo thành
vùng không khí loãng còn vùng ngoài của vòng ngoài cánh quạt nơi thoáng

gió ra có áp suất cao, quạt ly tâm được dùng nhiều trong máy điện vì tạo được
áp suất khí cao phù hợp với đặc tính của hệ thống thông gió trong máy điện
nhưng nhược điểm của nó là hiệu suất thấp.
e) Trục động cơ
Ngoài việc phải chịu toàn bộ trọng lượng của rôto ra, trục còn chịu
mômen xoắn và mômen uốn trong quá trình truyền động tải, trục còn chịu lực
hướng trục thường là lực kéo như ở các máy kiểu trục đứng. Ngoài những tải
trên, trục còn phải chịu lực từ một phía do khe hở không khí không đều gây
ra. Trục có các yêu cầu sau:
• Phải có đủ độ bền ở tất cả các tiết diện của trục khi máy làm việc kể cả
khi có sự cố ngắn mạch.
• Phải có đủ độ cứng để tránh sinh ra độ võng lớn làm rôto chạm stato.
• Tốc độ giới hạn của trục phải khác nhiều với tốc độ khi máy làm việc
bình thường. Kích thước đầu trục của động cơ được tiêu chuẩn hóa các
kích thước lựa chọn ở Chương IX sách thiết kế máy điện (Trần khánh
Hà – Nguyễn Hồng Thanh).

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 10 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

f) Gối trục
Máy điện có thể dùng gối trục là ổ bi hay ổ trượt. Máy điện nhỏ và vừa
hiện nay dùng ổ bi là chủ yếu, chỉ trong những máy nhỏ yêu cầu không có
tiếng ồn mới dùng bạc. Máy lớn phải dùng ổ bi, ổ bi có các ưu điểm sau là

kích thước nhỏ, kết cấu gọn, độ mài mòn không lớn, bảo dưỡng đơn giản, tổn
hao ma sát nhỏ, điều này rất quan trọng đối với những máy thường xuyên
khởi động.
1.1.4. Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng dựa vào hai định luật điện
từ cơ bản. Định luật thứ nhất là định luật sức điện động cảm ứng được trong
1 thanh dẫn có chiều dài l chuyển động với tốc độ v trong một từ trường đứng
yên có từ cảm B. Đó là định luật cơ sở của máy phát điện biến đổi cơ năng
thành điện năng. Định luật thứ hai là định luật về lực điện từ tác dụng lên
thanh dẫn có chiều dài l khi nó có dòng điện I và nằm trong từ trường có từ
cảm B.
Vì hai định luật điện từ cơ bản nói trên là thuận nghịch nên bất kỳ một
máy điện quay nào cũng có thể làm việc thuận nghịch, nghĩa là có thể làm
việc như máy phát điện hoặc như động cơ điện.
Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato, sẽ tạo ra từ
trường quay p đôi cực, quay với tốc độ n 1 =

60 f
. Từ trường quay cắt các
p

thanh dẫn của dây quấn rôto, cảm ứng ra các sức điện động. Vì dây quấn rôto
nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng trong các thanh
dẫn rôto. Lực tác dụng tương hổ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn
mang dòng điện rôto, kéo rôto quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n.
Hình vẽ từ trưòng quay tốc độ n 1, chiều sức điện động và dòng điện
cảm ứng trong thanh dẫn rôto, chiều các lực điện từ Fđt.
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 11 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

N

N

n1

Fdt

Fdt

n

n1

n

Fdt

Fdt

S

S

Hình 1.13

Hình 1.14

Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay n 1 vì nếu tốc độ
bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rôto không
có sức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng không.
Độ chênh lệch giữa tốc độ của từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc
độ trượt n2.
n2 = n1 – n
Hệ số trượt của tốc độ là

s=

n2 n1 − n
=
n1
n1

Khi rôto đứng yên ( n = 0), hệ số trượt s = 1; khi rôto quay điịnh mức
s = 0,02 ÷ 0,06. Tốc độ động cơ là:

n = n1.(1 − s ) =

60 f
(1 − s )
p

Sau đây sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng trong 3 phạm vi tốc độ
 Trường hợp rôto quay thuận với từ trường quay nhưng tốc độ nhỏ hơn

tốc độ đồng bộ ( 0 < n < n 1, hay 1 > s > 0 ). Do n < n 1 ( trong đó n1 là tốc độ
quay của từ trường tổng Φ , n là tốc độ quay của rôto ) nên từ trường đó vẫn
quét qua thanh dẫn theo chiều quay của từ trường và chiều sức điện động sinh
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 12 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

ra có thể xác định theo quy tắc bàn tay phải. Dòng điện sinh ra trong dây quấn
rôto cùng chiều với sức điện động và tác dụng với từ trường tổng trong khe
hở, sinh ra lực F và mô men M mà chiều được xác định theo quy tắc bàn tay
trái.
Mômen đó kéo rôto quay theo chiều từ trường quay. Điện năng đưa tới
rôto đã biến thành cơ năng trên trục, nghĩa là máy điện làm việc trong chế độ
động cơ điện. Nhưng máy chỉ làm việc ở chế độ đó khi n < n 1, vì chỉ khi n <
n1 mới có sự chuyển động tương đối giữa từ trường và dây quấn rôto và như
vậy trong dây quấn rôto mới có dòng điện và mômen kéo rôto quayTrường
hợp rôto quay thuận và nhanh hơn tốc độ đồng bộ ( n > n1 hay s < 0).
 Dùng một động cơ cấp nào đó quay rôto của máy điện không đồng bộ
vượt tốc độ đồng bộ n > n1. Lúc đó chiều của từ trường quay quét qua dây dẫn
sẽ ngược lại, sức điện động và dòng điện trong dây dẫn rôto cũng đổi chiều
nên chiều của mômen cũng ngược với chiều quay của n1, nghĩa là ngược với
chiều của rôto, nên đó là mômen hãm. Máy đã biến cơ năng tác dụng lên trục
động cơ điện, do động cơ sơ cấp kéo thành điện năng cung cấp cho lưới điện,
nghĩa là máy điện làm việc ở chế độ máy phát điện.
 Trường hợp rôto quay ngược với chiều từ trường quay (n < 0 hay s > 1).

Vì một nguyên nhân nào đó rôto quay ngược chiều với chiều từ trường quay
thì lúc đó chiều của sức điện động, dòng điện và mômen vẫn giống như lúc ở
chế độ động cơ điện. Vì mômen sinh ra ngược chiều quay của rôto nên có tác
dụng hãm rôto đứng lại. Trong trường hợp này, máy vừa lấy điện năng ở lưới
điện vào, vừa lấy cơ năng từ phía rôto. Chế độ làm việc như vậy gọi là chế độ
hãm điện từ.

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 13 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

1.1.5. Các đại lượng định mức
Cũng như tất cả các loại động cơ điện khác, động cơ điện không đồng bộ
có các trị số định mức đặc trưng cho đều kiện kỹ thuật của máy. Các trị số
này do nhà máy thiết kế, chế tạo quy định ghi trên nhãn máy. Vì động cơ điện
không đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ điện nên trên nhãn máy ghi
các trị số định mức của động cơ điện khi tải định mức. Các trị số đó thường
bao gồm:
Công suất có ích trên trục

Pđm

Điện áp dây stato

U1đm

Dòng điện dây stato

I1đm

Tần số dòng điện stato

f

Tốc độ quay rôto

nđm

Hệ số công suất

cosρ dm

Hiệu suất

η dm

1.1.6. Phạm vi ứng dụng của động cơ điện không đồng bộ
Động cơ điện không đồng bộ do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn,
sử dụng và bảo quản thuận tiện, giá thành rẻ nên được sử dụng rộng rãi trong
nền kinh tế quốc dân, nhất là loại công suất dưới 100 kW.
Động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc cấu tạo đơn giản nhất (nhất
là loại rôto lồng sóc đúc nhôm) nên chiếm một số lượng khá lớn trong loại
đông cơ công suất nhỏ và trung bình. Trong công nghiệp thường dùng động
cơ điện không đồng bộ làm ngồn động lực cho máy cán thép loại vừa và nhỏ,
động lực cho các máy công cụ ở các nhà máy công nghiệp nhẹ, v.v…Trong

hầm mỏ dùng làm máy tời hay máy quạt gió. Trong nông nghiệp dùng để làm
máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày, động
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 14 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

cơ điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió
máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh… Tóm lại, theo sự phát triển của nền sản
xuất điện khí hoá, tự động hoá và sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứng dụng của
động cơ điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi.
Tuy vậy, nhược điểm của loại này là dòng điện khởi động lớn. Để bổ
khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo ra động cơ điện không đồng bộ
rôto lồng sóc nhiều tốc độ và dùng rôto rãnh sâu, lồng sóc kép để hạ dòng
điện khởi động, đồng thời tăng mômen khởi động lên.
Động cơ điện không đồng bộ rôto dây quấn có thể điều chỉnh được tốc
độ trong một chừng mực nhất định, có thể tạo ra mômen khởi động lớn mà
dòng điện không lớn lắm, nhưng chế tạo có khó hơn loại rôto lồng sóc, do đó
giá thành cao hơn và bảo quản cũng khó hơn.
Động cơ điện không đồng bộ được sản xuất theo kiểu bảo vệ IP23 và
kiểu kín IP44. Những động cơ điện theo cấp bảo vệ IP23 dùng quạt gió hướng
tâm đặt ở hai đầu của rôto động cơ điện. Trong các rôto lồng sóc đúc nhôm
thì cánh quạt nhôm được đúc trực tiếp lên vành ngắn mạch. Loại động cơ theo
cấp bảo vệ IP44 thường nhờ vào đặc ở ngoài vỏ máy, do đó tản nhiệt kém hơn
so với loại IP23 nhưng bảo dưỡng máy dễ dàng hơn.
1.2 YÊU CẦU CỦA THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA

RÔTO LỒNG SÓC.
1.2.1. Nhiệm vụ và phạm vi thiết kế:
Nhiệm vụ thiết kế được xác định từ hai yêu cầu sau :
- Yêu cầu từ phía nhà nước, bao gồm các tiêu chuẩn nhà nước, các yêu
cầu kỹ thuật do nhà nước quy định.
- Yêu cầu từ phía nhà máy và người tiêu dùng thông qua các hợp đồng
ký kết.

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 15 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

Nhiệm vụ của người thiết kế là đảm bảo tính năng kỹ thuật của sản
phẩm đạt các tiêu chuẩn nhà nước quy định để tìm khả năng hạ giá thành để
đạt hiệu quả kinh tế cao nhất, nói tóm lại là đạt chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cao.
1.2.2. Các bước thiết kế gồm có:
a. Thiết kế điện từ:
Nhiệm vụ của tính toán điện từ một động cơ điện không đồng bộ rôto
lồng sóc là lựa chọn và tính toán kích thước của lõi sắt stato, rôto, kích thước
dây quấn sao cho máy đạt được tính năng mà tiêu chuẩn đã quy định. Trong
giai đoạn này, người thiết kế xác định một phương án điện từ hợp lý, có thể
tính bằng tay, có thể nhờ vào máy tính. Quá trình này sẽ tiến hành tính toán,
thiết kế các thành phần:
- Xác định các kích thước chủ yếu.
- Thiết kế stato.

- Thiết kế rôto.
- Xác định tham số của động cơ điện ở chế độ định mức.
- Tính toán đặc tính làm việc và khởi động.
b. Thiết kế kết cấu:
Trong giai đoạn này phải tiến hành tính toán nhiệt để xác định kết cấu
cụ thể về phương thức thông gió và làm nguội, kết cấu cụ thể về cách bôi trơn
ổ đỡ, kết cấu thân máy và nắp máy.
Để chế tạo được động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc còn phải qua các
khâu thiết kế sau :
+ Thiết kế thi công, có nhiệm vụ vẽ tất cả các bản vẽ lắp ráp và chi tiết.
+ Thiết kế khuôn mẫu và gá lắp dùng trong gia công các chi tiết của
máy.
+ Thiết kế công nghệ, dùng để kiểm tra công nghệ trong quá trình gia
công.
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 16 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

1.2.3. Vật liệu thường dùng trong thiết kế
Khi thiết kế động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, vấn đề chọn vật liệu
để chế tạo động cơ có một vai trò rất quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến giá
thành và tuổi thọ làm việc của nó.
Ta có các loại vật liệu sau:
a. Vật liệu dẫn từ:
Để chế tạo các phần của hệ thống mạch từ của động cơ, người ta

thường dùng các loại thép lá kỹ thuật điện hay còn gọi là tôn silíc. Hàm lượng
silíc trong thép lá kỹ thuật điện có ảnh hưởng quyết định đến tính năng của
nó. Cho silíc vào thép có thể làm cho điện trở suất tăng cao, do đó hạn chế
được dòng điện xoáy nên tổn hao thép sẽ thấp xuống, nhưng khi có silíc thì
cường độ từ cảm cũng hạ thấp, độ cứng và độ giòn cũng tăng lên, vì vậy
lượng silíc trong thép nói chung không vượt quá 4,5%.
Trong lõi thép có từ trường biến thiên, khi mật độ từ thông và tần số
biến thiên không đổi thì tổn hao vì dòng điện xoáy của đơn vị thể tích lõi thép
tỷ lệ bình phương với chiều dày lá thép, vì vậy trong đại bộ phận máy điện
đều dùng tôn silíc dày 0,5mm. Chỉ trong trường hợp đặc biệt mới dùng tôn
dày 0,35mm.
Tùy theo công nghệ cán, người ta chia tôn silíc thành 2 loại:
+ Tôn cán nóng: Loại tôn này có lịch sử lâu đời, hiện nay vẫn còn sản
xuất nhiều. Tùy theo hàm lượng silíc mà người ta phân ra loại ít silíc ( ≤ 2,8%)
và nhiều silíc (>2,8%).
+ Tôn cán nguội: So với tôn cán nóng, tôn cán nguội có nhiều ưu điểm
như tổn hao nhỏ, cường độ từ cảm cao, chất lượng bề mặt tốt, độ bằng phẳng
tốt nên hệ số ép chặt lá tôn cao, có thể sản xuất thành cuộn, do đó các nước
phát triển đều dùng tôn cán nguội thay thế tôn cán nóng. Tùy theo sự sắp xếp
các tinh thể silíc trong tôn cán nguội mà phân thành hai loại: đẳng hướng và
dị hướng. Ở tôn silíc cán nguội dị hướng thì theo chiều cán, suất dẫn từ cao
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 17 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

(với cường độ từ trường H = 25A/cm, mật độ từ thông B có thể đạt 1,71,85T), suất tổn hao nhỏ, nhưng theo chiều vuông góc với chiều cán thì tính
năng kém đi nhiều, có khi không bằng cả tôn cán nóng.
b. Vật liệu dẫn điện:
Trong ngành chế tạo máy điện, người ta chủ yếu dùng đồng tinh khiết
với tạp chất không quá 0,1% làm vật liệu dẫn điện vì điện trở suất của đồng
chỉ kém bạc. Ngoài đồng ra còn dùng nhôm với tạp chất không quá 0,5%,
đồng thau và đồng đen.
c. Vật liệu kết cấu :
- Kim loại đen:
Kim loại đen thường dùng là gang và thép. Gang vừa rẻ tiền lại dễ đúc,
do đó được dùng nhiều, nhất là dùng để đúc các hình mẫu phức tạp như vỏ và
nắp máy điện không đồng bộ.
Thép dùng làm vật liệu kết cấu thường là thép định hình. Thép có tiết
diện tròn dùng để chế tạo trục máy và các chi tiết khác có tiết diện tròn. Tùy
theo lực tác dụng lên từng chi tiết của máy mà người ta dùng nhiều loại thép
khác nhau.
- Kim loại màu:
Thường dùng hợp kim nhôm để chế tạo các chi tiết và bộ phận của máy
mà trọng lượng cần giảm tối đa.
-Vật liệu chất dẻo:
Chất dẻo hiện nay được dùng nhiều để chế tạo các chi tiết trong máy
điện ít chịu lực cơ học và nhiệt. Chất dẻo có ưu điểm là nhẹ, dễ gia công và
không bị gỉ.
d. Vật liệu cách điện:

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 18 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

Vật liệu cách điện là một trong những vật liệu chủ yếu dùng để chế tạo
động cơ. Khi thiết kế động cơ, chọn vật liệu cách điện là một khâu rất quan
trọng vì phải đảm bảo động cơ làm việc tốt với tuổi thọ nhất định, đồng thời
giá thành của nó lại không cao. Khi chọn vật liệu cách điện cần chú ý những
điểm sau:
- Vật liệu cách điện phải có độ bền cao, chịu tác dụng về cơ học tốt,
chịu nhiệt và dẫn điện tốt lại ít thấm nước.
- Gia công dễ dàng, đủ mỏng để đảm bảo hệ số lấp đầy rãnh cao.
- Phải chọn vật liệu cách điện có tính cách điện cao để đảm bảo thời
gian làm việc ít nhất của máy là 15-20 năm trong điều kiện làm việc bình
thường, đồng thời đảm bảo giá thành của động cơ không cao.
Một trong những yếu tố cơ bản nhất làm giảm tuổi thọ của vật liệu cách
điện là nhiệt độ. Nếu nhiệt độ vượt quá nhiệt độ cho phép thì chất điện môi,
độ bền cơ của vật liệu giảm đi nhiều, dẫn đến sự già hóa nhanh chất cách
điện.

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 19 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

CHƯƠNG 2

XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU
Những kích thước chủ yếu của động cơ điện không đồng bộ là đường
kính trong stato D và chiều dài lõi sắt l. Mục đích của việc chọn kích thước
này là để chế tạo ra máy kinh tế hợp lý nhất mà tính năng phù hợp với tiêu
chuẩn nhà nước. Tính kinh tế của máy không chỉ là vật liệu sử dụng đểû chế
tạo ra máy mà còn xét đến quá trình chế tạo trong nhà máy, như tính thông
dụng của các khuông dập ,vật đúc, các kích thước và chi tiết tiêu chuẩn hoá
…
2.1. Số đôi cực từ ( p ):
p=

60. f 60.50
=
=2
n1
1500

trong đó:
- n1 : Tốc độ đồng bộ (vòng/phút)
- f : tần số (Hz)
2.2. Đường kính ngoài stator (Dn):
Đường kính ngoài Dn có liên quan mật thiết với kết cấu động cơ, cấp
cách điện và chiều cao tâm trục h đã được tiêu chuẩn hóa. Vì vậy thường
chọn Dn theo h. Ở nước ta hay dùng quan hệ giữa đường kính ngoài và chiều
cao tâm trục h của các động cơ điện không đồng bộ Hungary dãy VZ cách
điện cấp E và của Nga dãy 4A cách điện cấp F.

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 20 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

Với chiều cao tâm trục h = 132 mm. Theo bảng 10.3 [1] ta có đường
kính chuẩn:
Dn = 200 (mm)= 20,0 (cm)
2.3. Đường kính trong stato ( D):
Ta có:

D = kD.Dn

Theo bảng 10.2 với 2p = 4 ta có kD = 0,61÷0,68
Vậy:
D = kD . Dn = (0,61÷0,68) . 20 = 12,8 ÷ 13,6 (cm)
Chọn: D = 13 (cm)
2.4. Công suất tính toán (P') :
P' =

k E .P
0,975.5,5
=
= 7,29 (kW)
ηcos
.
ϕ 0,855.0,86

Trong đó kE là hệ số công suất định mức. Chọn kE = 0,975 theo hình 10-2 [1].
2.5. Chiều dài của lõi sắt stato (l1):
Chiều dài của lõi sắt stato được xác định:

6,1.10 7.P '
l1 =
αδ .k s .k d . A.Bδ .D 2 .n
trong đó:
- kd : hệ số dây dẫn
- ασ : hệ số cung cực từ
- ks : hệ số dạng sóng
- A : Tải điện từ
- Bδ :Mật độ từ thông khe hở không khí
Chọn sơ bộ :
kd = 0,92

αδ =

2

π

, theo trang 231 [1]

= 0, 64

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 21 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

kS =

π
2 2

= 1,11

Việc chọn A và Bδ ảnh hưởng rất nhiều đến kích thước chủ yếu của D
và l. Đứng về mặt tiết kiệm vật liệu thì nên chọn A và B δ lớn, nhưng nếu A
và Bδ quá lớn thì tổn hao đồng và sắt tăng lên, làm máy quá nóng, ảnh hưởng
đến tuổi thọ sử dụng máy. Do đó khi chọn A và B δ cần xét đến chất liệu vật
liệu sử dụng. Nếu sử dụng vật liệu sắt từ tốt (có tổn hao ít hay độ từ thẩm cao)
thì có thể chọn Bδ lớn. Dùng dây đồng có cấp cách điện cao thì có thể chọn A
lớn. Ngoài ra tỷ số giữa A và B δ củng ảnh hưởng đến đặt tính làm việc và
khởi động của động cơ không đồng bộ, vì A đặt trưng cho mạch điện , B δ đặt
trưng cho mạch từ.
Tra bảng 10-3a [1], chọn: A = 220 (A/cm) ; Bδ = 0,80 (T)
Thay các giá trị vào biểu thức:

6,1.10 7.P '
l1 =
ασ.k S .k d . A.Bσ.D 2 .n
6,1.107.7, 29
=
0, 64.1,11.0,92.0,80.220.132.1500

= 15,26 (cm)
Chọn

l1 = 15 (cm)

Do lõi sắt ngắn nên làm thành 1 khối nên chiều dài lõi sắt stato, rôto
bằng: l1 = l2 = lδ = 15 (cm)
2.6. Bước cực (τ):

τ=

π .D π .13
=
= 10, 205 (cm)
2. p
2.2

2.7. Dòng điện pha định mức:
P.103
5,5.103
I1 =
=
= 11,33 ( A)
3.U1.η .cos φ 3.220.0,855.0,86
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 22 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng

Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

trong đó:
- P: Công suất định mức (kW)
- U1: điện áp định mức
- η:

hiệu suất

- cosϕ : hệ số công suất

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ STATO
3.1. Số rãnh stato (Z1):
Khi thiết kế dây quấn stato cần phải xác định số rãnh của một pha dưới
mỗi cực q1. Nên chọn q1 trong khoản từ 2 đến 5, thường lấy q 1= 3 - 4.Với máy
công suất nhỏ hoặc tốc độ thấp, lấy q 1 = 2. Máy tốc độ cao công suất lớn có
thể chọn q1 = 6. Chọn q1 nhiều hay ít có ảnh hưởng đến số rãnh stato Z 1. Số
rãnh này không nên nhiều quá, vì vậy diện tích cách điện rãnh chiếm chỗ so
với số rãnh ít sẽ nhiều hơn, do đó hệ số lợi dụng rãnh sẽ giảm đi. Mặt khác về
phương diện độ bền cơ mà nói răng sẽ yếu. Ít răng quá sẽ làm cho dây quấn
phân bố không đều trên bề mặt lõi sắt nên sức từ động phần ứng có nhiều
sóng bật cao.
Trị số q1 nên chọn theo số nguyên vì cải thiện dược đặt tính làm việc
và khả năng làm giảm tiếng kêu của máy. Chỉ trong trường hợp không thể
tránh được mới dùng q1 với mẫu số phân bố là 2 sở dĩ như vậy là vì sức từ
động sóng bật cao và sóng răng của dây quấn với q là phân bố trong động cơ
điện không đồng bộ là máy có sự phân bố nhỏ, dễ sinh ra rung, mômen phụ

làm tăng tổn hao phụ.
Số rãnh stato :
Z1 = 6. p.q1
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 23 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

trong đó:
- q1 : số rãnh của một pha dưới mỗi cực. Lấy q1 = 3
- p : số đôi cực từ, p = 2
thay vào ta được:
Z1 = 6. p.q1 = 6.2.3 = 36 (rãnh)
3.2. Bước rãnh stato (t1):

t1 =

π .D π .13
=
= 1,134(cm)
Z1
36

3.3. Số thanh dẫn tác dụng của một rãnh (ur1):

ur1 =

Lấy:

At1a1 220.1,134.2
=
= 44, 03
I1
11,33

ur1 = 44

trong đó: - a1 là số mạch nhánh song song, chọn a1 = 2.
- I1 :Dòng điện định mức, tính ở 2.7
3.4. Số vòng dây nối tiếp của 1 pha (w1):
w1 = p.q1 .

ur 1
44
= 2.3. = 132 (vòng)
a1
2

3.5. Tiết diện dây dẫn (s1):
Muốn chọn kích thước dây trước hết phải chọn mật độ dòng điện J của
dây dẫn. Căn cứ vào dòng điện định mức để tính ra tiết diện tiết diện cần
thiết. Việc chọn ra mật độ dòng điện ảnh hưởng đến hiệu suất và sự phát nóng
của máy mà sự phát nóng này chủ yếu phụ thuộc vào tích số AJ. Tích số này
tỷ lệ với suất tải nhiệt của máy. Do đó theo kinh nghiệm thiết kế chế tạo,
người ta căn cứ vào cấp cách điện để xác định AJ.
Theo hình 10-4 [1] ta chọn tích số : AJ =1425 (A2 / cm.mm2 )
Sơ bộ mật độ dòng điện (J'1):

J1' =
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

A.J 1425
=
= 6, 477( A
)
mm 2
A
220
- 24 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

trong đó: n1: số sợi chập, chọn n1 = 2 sợi
S1 =

I1
11,4
=
= 0,44 (mm 2 )
'
a1 .n1 .J 1 2.2.6,477

Theo bảng VI.1 [1]. Chọn dây đồng tráng men PETV có các thông số:
d/dcđ = 0,75/0,815 (mm); S = 0,442 (mm2)
Với: - d: đường kính dây không kể cách điện (mm)

- dcđ: đường kính dây kể cả cách điện (mm)
- S: tiết diện dây (mm2)
3.6. Kiểu dây quấn:
Dùng dây quấn hai lớp có ưu điểm:
- Có thể chọn bước dây quấn tốt nhất để cải thiện dạng sóng sức điện
động.
- Giảm nhỏ lượng tiêu hoa đồng ở phần đầu nối khi máy lớn và khi chế
tạo có thể cơ giới hóa do đó giảm được giá thành.
- Chọn số vòng dây giữa mỗi pha tương đối dễ dàng khi muốn duy trì tỉ
lệ giữa A và Bδ.
Bước cực từ:

Z1
36
=
=9 (rãnh)
2.P
2.2

τ=

Chọn dây quấn đồng khuông, 2 lớp bước ngắn có y = 8. Sơ đồ dây
quấn như Hình 3.1.

β=

y

τ

8
= 0,889
9

=

3.7. Hệ số dây quấn (kd):
- Hệ số bước ngắn : ky = sin β .

8 π
π
= sin( . ) = 0,984
2
9 2

- Hệ số bước rải:

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 25 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng