Đồ án : Thiết kế tối ưu động cơ

- 2 -

Đồ án : Thiết kế tối ưu động cơ

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay động cơ công suất nhỏ được sử dụng rất rộng
rãi trong nhiều lĩnh vực như trong công nghiệp, nông nghiệp,
trong tự động hoá, trong hàng không, trong sinh hoạt gia đình
…Động cơ công suất nhỏ rất đa dạng và phong phú về chủng
loại, chức năng và công suất. Trong đó động cơ điện dung
đóng một vị trí rất lớn. Bởi vì nó có ưu đ
iểm là dùng nguồn
cấp một pha, hệ số cosϕ cao, phù hợp với lưới điện Việt
nam,độ tin cậy cao …
Để tính toán và thiết kế động cơ điện dung có nhiều cách tính
và thiết kế song do trình độ của em còn hạn chế và điều kiện
thời gian có hạn nên trong bản thiết kế này còn nhiều phần tính
toán chưa được tối ưu nhất. Ví dụ như sức từ
động rơi trên
răng ,gông stao và roto, … Vì vậy mà em không tránh khỏi
những thiếu sót. Em rất mong được cô hướng dẫn và chỉ bảo
em những thiếu sót đẻ em được hiểu sâu hơn về máy điện nói
chung và động cơ điện dung nói riêng. Cuối cùng em xin chân
thành cảm ơn cô Nguyến Hồng Thanh đã hướng dẫn em hoàn
thành đồ án môn học cuối cùng của em.
Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2005
Sinh viên :

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 3 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43



MỤC LỤC


-Lời nói đầu .
PHẦN MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ
I-Giới thiệu chung về máy điện công suất nhỏ.
II-Phân loại động cơ
III- Động cơ KĐB công suất nhỏ với tụ khởi động.
IV- Thiết kế máy điện nhờ máy tính.
V-Mục đích của thiết kế tối ưu.
VI-Lưu đồ thuật toán thiết kế tối ưu

PHẦN MỘT CƠ SỞ LÝ THUYẾT

I- Xác định kích thước cơ bản và thông số pha chính
II-Xác định kích thước răng rãnh stato
III-Xác định kích thước răng rãnh rôto
IV-Tính trở kháng dây quấn stato và rôto
V-Tính tổn hao sắt
VI-Tính toán chế độ định mức
VII-Tính toán dây quấn phụ
VII-Tính toán chế độ khởi động
















ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 4 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43

PHẦN II CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ
ĐỀ TÀI

Thiết kế động cơ KĐB một pha điện dung
Dữ liệu cho trước:
P
đm
550[W]
n >= 0,66
i
mm
<=5
U
đm
= 220[V]
cosϕ > 0,92
m = 2
m
max
>= 1,5
p = 2
m
mm
>= 0,4
Nội dung thiết kế:
1. Xác định kích thước chủ yếu
2. Xác định thông số dây quấn pha chính: W

a
; d
A
/d
Acđ;
k
lđA
.
3. Xác định kích thước lõi thép Stato và Roto
4. Tính toán dây quấn phụ: W
B
; d
B
/d
Bcđ
; k
lđB
; C
5. Tính kiểm tra
6. Vẽ bản vẽ tổng lắp ráp







ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 5 -

NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43



PHẦN MỞ ĐẦU
GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI THIẾT KẾ


Máy điện công suất nhỏ là được dùng rất rộng rãi trong gần nửa thế kỷ
nay.Giới hạn công suất của nó thường trong khoảng một vài phần của oát
đến 750W song cũng có những loại máy điện công suất nhở có công suất
lớn hơn. Với sự phát triển nhanh của công nghiệp, tự động hoá cao, do vậy
mà việc đòi sử dụng động máy điện nhỏ trong đ
iều khiển tự động, công
nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, xí nghiệp y tế, nhà ăn công cộng, các
nghành tiểu thủ công nghiệp và sinh hoạt hàng ngày là một đIũu không thể
thiếu được trong thời đạI ngày nay. Trong động cở không đồng bộ Roto
lồng sóc là loạI phổ biến nhất hiện nay trong các loại động cơ xoay chiều
công suất nhỏ. Động cơ không không đồng bộ một pha dùng nguồn đ
iện
một pha của lưới điện sinh hoạt nên được dùng ngày càng rất rộng rãI ở
mọi nơi. Ví dụ như nó có thể được dùng để kéo các máy tiện nhỏ, máy ly
tâm, máy nén, bơm nước, máy xay sát nhỏ, quạt điện, máy xay sinh tố, máy
ghi âm, máy lạnh, máy giặt….
Động cơ không đồng bộ công suất nhỏ so với những loại đông cơ
điện khác nhất là dộng cơ có vành đổi chiều thông dụng có nh
ững ưu điểm
sau:
+ Kết cấu đơn giản, giá thành hạ
+ Không sinh ra can nhiếu vô tuyến

+ ít tiến ồn
+ Sử dụng đơn giản và chắc chắn
Song nhược điểm của động cơ Roto lồng sóc là có đặc tính điều chỉnh
tốc độ thấp.












ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 6 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43

Hình 1: Phân loại động cơ KĐB công suất nhỏ

Các loại động cơ không đồng bộ một pha công suất nhỏ với điện trở
khởi động, tụkhởi động, tụ khởi động và tụ làm việc đều có nhược điểm là
luôn luôn phải có chốt ly tâm hoặc rơ le chuyên dụng để ngắ
t phần tử khởi
động sau khi động cơ khởi động. Điều đó làm cho giá thành của động cở
tăng lên và giảm độ tin cậy. Vì vậy mà khi người ta cần sử dụng lại động
cơ một phâ có độ tin cậy lớn mà không cần mo men khởi động cao thì
người ta thường dùng động cơ một pha với tụ làm việc mắc cố định (Động
cơ điện dung)

Ba pha
Động cơ KĐB bộ
động lựcCSN
Giảm tốc
Một pha
Với giảm tốc điện từ Với Roto lăn
Với roto
đặc
Với roto
lồng sóc
Vạn năng
Ba pha
Một pha
Bình thường


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 7 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43

Hình 2. Sơ đồ mạch điện
Động cơ với tụ làm việc có đặc tính làm việc tương đối tốt : η = 0,5 – 0,9;
Cosϕ = 0,8 –0.95; M
max
= (1,6 – 2,2)M
đm
; song nhược điểm của loại động
cơ này là momen khởi động nhỏ M
K
= (0,3-0,6)M
đm
.

A
C
B
I
B
I
A
I
C
U
l


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 8 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43

PHẦN II
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN

CHƯƠNG I. XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CƠ BẢN VÀ THÔNG
SỐ PHA CHÍNH

Kích thước chủ yếu của động cơ điện dung kiểu kín được xác định giống
động cở ba pha.
Qui đổi công suất động cơ một pha ra công suất động cơ ba pha như sau:
P
đmIII
= P
đm
β
1

Trong đó với động cơ điện dung có giá trị  =1.25÷1.7 chọn β = 1,25
P
đmIII
= P
đm
β = 180.1,25 =687.5 (W)
- Công suất tính toán của động cơ điện 3 pha đẳng trị :

III
Cosη
P
SIII
P
.

'
III
mIII
d
= = Error! = 1206.1 [W]
+ Trong đó Cosϕ
III
.η
III
= f(P
đm
,p) = 0.57 được tra theo hình 1-1
trang20 –TL 1
-Tốc độ đồng bộ của động cơ n
db
=Error!== Error! = 1500(v/ph)
- Đường kính ngoài stato được tính theo công thức sau :
D
n
=
3
.λ..
δ
'
44
db
nAB
SIII
P
D

k
=
05.16
3
1500.82,0.210.7,0
2.1,1206
65,0
44
=
[cm]
+ Trong đó : Với thép kỹ thuật điện dùng làm mạch từ ta chọn loạI
loạI thép cán nguội của Nga 2211 với mật từ thông khe hở không khí
trong khoảng B

÷1 [T]
chọn B
δ
= 0.7 [T]


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 9 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43

Tải đường : A = 90÷210 [A/cm ]chọn A=210
[A/cm)
Hệ số : λ = l/D = 0.22÷chọn =0.82
Hệ số kết cấu : k
D

=
n
D
D
=0.495 chọn
k
D
=0,65

- Dựa vào bảng đường kính ngoàI tiêu chuẩn trang 36 – sách ĐCKĐBCSN
thì chọn:
D
n
= 149 [cm]
H= 90[cm]
- Đường kính trong stato : D

= k
D
.D
n
= 0,65.149= 96,85 [cm]
Lấy D = 97[cm]
- Bước cực: τ =
Error!
=
Error!
=7,618[cm]
- Chiều dài stato : l
s

= λ.D = 0,82.9,7 = 80 [cm]
- Chọn khe hở không khí : Khe hở không khí càng lớn thì tổn hao không tải
và hệ số Cos nhỏ nhưng nếu như chọn khe hở không khí nhỏ quá thì vấn đề
công nghệ không đáp ứng được và làm taưng sóng bậc cao lên. Vì vậy để
cho phù hợp ta chọn : δ = 0,03[cm]
- Đường kính ngoài lõi sắt Roto :
D
’
= D - 2.δ = 9,7 - 2.0,03 = 9,64 [cm]
- Đường kính trục Roto : Dt
t
= 0,3.D = 0,3.9,7 = 2,91 [cm]
Lấy D
t
= 3[cm] = 30[mm]
-Bước cực : τ = Z
s
/2p = 6
- Bước răng stato : t
s
= πD/Z
s
= 12,69[mm]
- Bước răng roto : t
R
= πD’/Z
R
= 17,81[mm]

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 10 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43





CHƯƠNG II. TÍNH TOÁN DÂY QUẤN, RÃNH VÀ GÔNG
ROTO
I. Tính toán dây quấn
- Theo bảng 2-2 trang 29 thì việc chọn ĐCKĐB điện dung mà để giảm
được mmô men ký sinh đồng bộ, tiếng ồn … xuống trị số cực tiểu thì tâ
chọn :
Chọn số rãnh Stato Z
S
= 24
Số rãnh Roto Z
R
= 17
- Trong động cơ điện một pha điện dung thường lấy số rãnh pha chính
(pha A) bằng số rãnh pha phụ(pha B): Z
A
=Z
B .;

Q
A
= Q
B
(Q
A
,Q
B
là số rãnh
dưới một cực của pha chính và pha phụ)
Do đó: Z
A
=
2
S
Z
=12; Z
B
=Z
S
-Z
A
=12
Q
A
= 3
2.1.2
12
..2
==

pm
A
Z
; Q
B
= Q
A
= 3
- Chọn dây quấn : Chọn dây quấn phải đảm bảo các yêu cầu sau:
+ PhảI triệt tiêu hoặc làm yếu đI sóng đIũu hoà bậc cao(đặc biệt là
sóng bậc ba)
+ Tăng cường việc lợi dụng rãnh(k
lđ
tăng lên)
+ Giảm chiều dài phần đầu nối
Dây quấn của máy điịen nhỏ có hai loại cơ bản : Dây quấn một lớp và dây
quấn hai lớp . Để đảm bảo những yêu cầu trên, giảm từ tản tạp và đơn giản
nên chọn dây quấn một lớp đồng tâm bước đủ
Sơ đồ dây quấn như sau:


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 11 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43

123
4
5
6

7
8 9 101112 13 14 151617 18 19 20 21 22 23 24
A1 B1 A2 B2

Hình 3. Sơ đồ dây quấn một lớp bước đủ( Z = 24; 2p =4; Bước đủ)
- Hệ số dây quấn stato
k
dA
=
=
q
q
.4
.
sin.
707,0
νπ
=
3.4
1.
sin.3
707,0
π
0,91

-
Sơ bộ chọn k
Z
= 1,2 ;
α

δ
= 0,69 ; k
S
= 1,09 ; k
E
= 0,9 ;
- Từ thông khe hở không khí :

φ
=
α
δ
.
τ
.l.B
δ.
.10
-4
= 0,69.76,18.80.0,0,7.10
-4
= 29,26.10
-4

[Wb]
- Số vòng dây của dây quấn chính
W
SA
=
Error!
=

91,0.
4
10.26,29.50.09,1.4
220.9,0
−
=341,1 [vòng ]
Chọn W
SA
=342[vòng ]
-Số thanh dẫn trong một rãnh


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 12 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43

U
rA
=
A
Qp
a
W
SA
.
.

=
3.2

1.342
= 57[vòng]
- Do hiệu chỉnh lạI số vòng dây ppha chính nên ta phảI hiệu chỉnh lạI từ
thông và mật độ từ cả
B


69,0
342
1,341
= [T]
φ = 29,26.10
-4
.
=
342
1,341
29,15.10
-4
[Wb]
Trong đó : a là số mạch nhánh song song lấy a = 1

-Sơ bộ xác định được dòng điện định mức :
I
dmA
=
Error!
=
220.2.65,0
550

= 2,72 [A]
+ Trong đó Cosϕ
II
.η
II
= f(P
đm
,p) = 0,65 được tra theo hình 1-3
trang21 –Sách ĐCKĐBCSN
-Sơ bộ xác định được tiết diện dây quấn chính
S
’
SA
=
sA
Jn
dm
I
.
=
6
72,2
= 0,45[mm
2
]
Chọn mật độ dòng điện J
SA
= 6 [A/mm
2
]

- Chọn dây men π∋B-2 có tiết diện chuẩn S
SA
= 0,442 [mm
2
]
+ Đường kính chuẩn của dây không cách điện d
A
= 0,75 [mm]
+ Đường kính chuẩn kể cả cách điện d
cdA
= 0,865[mm]
- Bước răng stato : t
S
=
Error!
= 0935,1
24
7,9.14,3
= [ cm]
- Bước răng roto : t
R
=
Error!
= 3942,1
17
548,7.14,3
= [ cm]
- Tiết diện đồng trong một rãnh là:
S
ĐS

= S
SA.
U
r
= 0,442.57 = 25,194[mm
2
]




ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 13 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43


II. Xác định kích thước rãnh và gông stato
- Chọn thép cán nguội mã hiệu 2211 , có oxy hoá bề mặt và chiều dày lá
thép 0,5 [mm] do đó hệ số ép chặt k
C
= 0,95
.

Xác định kích thước rãnh và cách điện : chọn rãnh hình quả lê
Chọn chiều miệng rãnh h
4S
trong khoảng 0,5
Lấy: h
4S

= 0,6 [mm]
Chọn bề rộng miệng rãnh:
b
4S
= d
cd
+ (1,1÷1,5) = 0,865 + 1,2 = 2,065













Hình 4. Kết cấu rãnh stato

- Sơ bộ tính chiều rộng răng Stato như sau
b
zs
=
Error!
=
95,0.5,1
269,1.69.0

=0,614[cm]=6,14[mm]
Trong đó
Mật độ từ thông trong răng Stato sơ bộ chọn : B
ZS
= 1,5[T]
Mật độ từ thông khe hở không khí :B
δ
=0,69[T]
Bước rãnh Stato : t
s
=1,269[cm]
Hệ số ép chặt: k
c
=0,95
h
rS
d
2
d
1
h
4S
h
12
b
4S


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ

- 14 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43

- Sơ bộ định chiều cao gông
h
gS
=0,2. b
ZS
.
p
S
Z
= 0,2.0,614.
2
24
=1,474[cm]=14,74[mm]
- Các kích thước rãnh :
d
1s
=
π
.)
4
.2(π
−
−+
s
Z
s
Z

zs
b
s
hD

=
72,7
14,324
24.14,6)6,0.297(14,3
=
−
−+
[mm]
d
2s
=
Error!

=
π.(149 - 214,74) - 6
14.24

; 24 + π
= 8,4[ mm]
- Chiều cao rãnh:
h
rS
=
2
gs

h2D
n
D.−−
=
2
74,14.297149 −−
=11,26 [mm]

-

Chiều cao phần thẳng của rãnh :
h
12
= h
rS
- 0,5(d
1S
+d
2s
+ 2.h
4S
) [mm]
h
12
= 11,26- 0,5(7,72+8,4+2.0,6) = 2,6[mm]
- Diện tích rãnh
S
rS
=
Error!

+
Error!
h
1
(d
1S
+d
2S
)
=
Error!
+
Error!
.2,6(7,72+8,4)=72,06[mm
2
]
- Diện tích nêm : S
nêm
= 6[mm
2
]

- Diện tích cách điện rãnh
S
cd
= C.(
Error!
+ 2.h
12s
)

= 0,2.(
Error!
+ 2.2,6) = 6,10 [mm
2
]
- Diện tích rãnh có ích
S
r
= S
rs
- S
cd
–S
nêm
= 72,06 – 6,10 – 6 = 59,96[mm
2
]


ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 15 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43

- Hệ số lấp đầy rãnh
k
lđr
=
=
r

S
cd
d
rA
U
2
.
=
96,59
748,0.57
0,71
Giá trị này nằm trong khoảng k
lD
÷0,75 vì vậy có thể chấp
nhận được
- Kiểm nghiệm lại bề rộng răng Stato

b
ZS
'
= −
++
s
Z
d
s
hD
)
14
.2(π

1
d

=
−
++
24
)72,76,0.297(14,3
7,72 = 6,145[mm]


b
ZS
''
=
Error!
– d
2

=
Error!
– 8,4= 6,146[mm]

b
zs1
=
2
'''
bb
zszs

+
=
=
+
2
146,6145,6
6,145[mm]
- Sai số

b
zs
Δ
=
b
bb
zs
zszs
−
1
.100% =
14,6
14,6145,6 −
.100% = 0,0814% có
thể chấp nhận được




CHƯƠNG III-XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC RÃNH RĂNG RÃNH
RÔTO

ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 16 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43

Ở động cơ công suất nhỏ thì dạng rãnh của roto thường là hình tròn hoặc
hình quả lê.Đối với động cơ một pha điện dung một pha công suất nhỏ chọn

Hình 5. Dạng rãnh roto

dạng ránh hình quả lê để đảm bảo tiết diện thanh dẫn

- Chọn h
4R
trong khoảng 0,3[mm]lấy h
4R
= 0,4 [mm]
- Chọn b
4R
= 1[mm] chọn b
4R
=1,5 [mm]
- Sơ bộ chọn bề rộng răng
b
ZR
=
Error!

=
95,40,1
781,1.69,0
= 0,924 [cm] =9,24[mm]
Trong đó:
sơ bộ chọn mật độ từ thông răng Roto B
ZR
= 1,4
- Đường kính trên của rãnh roto :

π
.π).2'(
4
1
+
−−
=
r
rzrr
r
Z
ZbhD
d



ĐỒ ÁN MÔN HỌC
THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐỘNG CƠ
- 17 -
NGUYỄN ĐÌNH TUÂN LỚP:TBĐ - ĐT2 - K43

=
14,317
17.2,914,3).4,0.24,96(
+
−−
=7,11[mm]
- Đường kính duới rãnh roto:
d
2R
= 5[mm]
- Chiều cao phần thẳng của rãnh:
h
12R
= 0,5(D’-d
1R
–2.h
4R
-
Error!
)
= 0,5(96,4-7,11 –2.0,4-
Error!
) = 5,176[mm]
- Chiều cao rãnh Roto
h
rR
=0,5(d
1R
+d

2R
)+h
12R
+h
4R

=0,5(7,11+5)+5,716 0,4=12,18[mm]
-

Diện tích rãnh Rôto :
S
rR
=
Error!
(d
2
1r
+d
2
2r
) +0,5 .h
12r
(d
1r
+d
2r
)
=
Error!
(7,11

2
+5
2
) + 0,5.5,716(7,11+5)=64,30[mm
2
]










CHƯƠNGIV-TRỞ KHÁNG CỦA DÂY QUẤN STATO VÀ ROTO
I.TRỞ KHÁNG DÂY QUẤN STATO

Thông thường khi tính toán sơ bộ coi r
s
; x
s
kkhông đổi khi động cơ làm
việc với mọi tảI
1. Điện trở tác dụng của dây quấn stato