Thiết kế động cơ điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha roto lồng sóc

Khoa Điện
Bộ mơn Kỷ thuật điện
ĐỒ ÁN MƠN HỌC MÁY ĐIỆN.
Họ và tên sinh viên: …………………………………Lớp: ………………………
Tên đề tài:
Thiết kế động cơ điện không đồng bộ xoay chiều 3 pha roto lồng sóc.
a/ Số liệu cho trước:
Cơng suất định mức : P2 = 15kW; vận tốc đồng bộ n1 = 1500v/ph; Điện áp định
mức 220/380V. Động cơ thuộc loại thông dụng kết cấu kín (IM1001) chịu nhiệt độ
loại Y3.
b/ Nội dung thực hiện đồ án:
1/ Tính tốn các kích thước cơ bản và dây quấn của động cơ
2/ Tính tốn kích thước vùng rãnh dây stator của động cơ. 3/
Tính tốn khe hở khơng khí 4/ Tính tốn roto
5/ Tính tốn mạch từ
6/ Tính tốn các tham số động cơ ở chế độ định mức
7/ Tính tốn tổn thất trong động cơ 8/ Tính tốn đặc
tính làm việc
9/ Tính tốn quá trình tỏa nhiệt cho động cơ.
c/ Yêu câu: - Thuyết minh đồ án đánh máy kiểu chữ Times New Roman 13, giãn
dòng 1,5. Các bản vẽ kết cấu động cơ, đặc tính làm việc của động cơ thực hiện trên
khổ giấy A0 theo tiêu chuẩn bản vẽ kỹ thuât.
Thời gian nhận đồ án:
Thời gian hoàn thành
d/ Tài liệu tham khảo:
Trần khánh Hà, Thiết kế máy điện. NXBKHKT, Hà Nội 2002
Duyệt bộ môn

Giáo viên hướng dẫn

-1-

1. TÍNH TỐN KÍCH THƯỚC CƠ BẢN VÀ DÂY QUẤN CỦA ĐỘNG CƠ

1.1. Số cực:

p = 60 f = 60.50 2
ndm

1500

Dựa vào mối quan hệ chiều cao tâm trục h theo công suất va số đôi cực
Bảng 10.1 (Tr.602 TKMĐ) ta chọn chiều cao tâm trục h = 160 mm = 16 cm.
1.2. Đường kính ngồi stator
Theo bảng 10.3 (T230 TKMĐ) ta có đường kính ngồi stator.
Dn = 27,2 cm
1.3. Đường kính trong stator
Tra theo bảng 10.2 (trang 230 TKMĐ) trị số của kD, phụ thuộc vào số đôi cực, ta
chọn:
kD = 0,64 0,68
D = kD .Dn = (0,64 0,68).27,2= 17,408 18,496(cm)

chọn D = 18
Trong đó: kD là tỷ số giữa đường kính trong và đường kính ngồi của stator
1.4. Cơng suất tính tốn:
kE

P’ =

.cos

Trong đó, kE = 0,975. Hình 10-2 (trang 231 TKMĐ), là tỷ số sức điện động sinh ra
trong máy và điện áp đặt vào.
1.5. Chiều dài tính tốn của lõi sắt stator:
Theo hình 10-3b (trang 233 TKMĐ), chọn A = 310A/cm; Bδ = 0,77 T

lδ=

*k

*k
s

Lấy lδ = 15
Trong đó:

-2-


=

2

= 0,64 : hệ số tính tốn cung cực từ.

kd=0,92 : hệ số dây quấn
A: tải đường

n1 =1500 v/ph : tốc độ đồng bộ.
Bδ: cảm ứng từ trong khe hở khơng khí.

Do lõi sắt ngắn nên làm thành một khối. Chiều dài lõi sắt stator, rotor là:
l1 = l2 = lδ = 15cm
1.6.Bước cực:
τ=
1.7. Lập phương án so sánh:
Hệ số hình dáng λ:

l

15

1,06

14,14

Trong dãy động cơ khơng đồng bộ 3K cơng suất P =15 kW, 2p = 4 có cùng đường
kính ngồi (nghĩa là cùng chiều cao tâm trục h). Theo hình 10-3b (trang 235-TKMĐ)
ta thấy hệ số nằm trong phạm vi kinh tế do đó việc lựa chọn phương án trên là hợp lý.
1.8. Dòng điện pha định mức:

I1 =

Trong đó: U1 =220V : điện áp đặt vào stator
P =15 kW: công suất định mức

= 0,89 : hiệu suất ; cos =0,88 : hệ số công suất


-3-

2. TÍNH TỐN KÍCH THƯỚC VÙNG RÃNH DÂY STATOR CỦA ĐỘNG CƠ

Chọn dạng rãnh stator.
Stator máy điện nhỏ có thể dùng các rãnh có dạng hình quả lê, nửa quả lê hoặc hình
thang, với các dạng rãnh này chiều rộng răng sẽ đều suốt cả chiều cao rãnh. Rãnh
hình quả lê có khn dập đơn giản nhất, từ trở ở đáy rãnh so với hai dạng rãnh kia
nhỏ hơn vì vậy giảm được sức từ động cần thiết trên răng.
Rãnh hình nửa quả lê có diện tích rãnh lớn hơn dạng rãnh hình quả lê.
Diện tích rãnh hình thang lớn nhất nhưng công nghệ kém hơn dạng rãnh nửa quả
lê.
Nếu khơng đặt vấn đề giảm giá thành khng dập, có thể căn cứ vào diện tích rãnh
và trị số sức từ động để tính tốn, so sánh giữa 3 dạng rãnh sau đó chọn phương án
tốt nhất. Đối với đề tài này chọn dạng rãnh hình quả lê.
2.1. Số rãnh stator Z1
Với máy công suất nhỏ thường lấy q 1=2. Máy tốc độ cao, cơng suất lớn có thể chọn
q1=6. Thường lấy q1=3 4
Khi q1 tăng thì Z1 tăng dẫn đến diện tích rãnh tăng làm cho hệ số lợi dụng rãnh
giảm, răng sẽ yếu vì mãnh, quá trình làm lõi stator tốn hơn.
Khi q1 giảm thì Z1 giảm, dây quấn phân bố không đếu trên bề mặt lõi thép nên sức
từ động có nhiều sóng bậc cao.
Trị số q1 ngun có thể cải thiện được đặt tính làm việc và giảm tiếng ồn của máy.

Lấy q1 = 3 .Khi đó:
Z1 = 2.m.p.q1 = 2.3.2.3= 36 rãnh
Trong đó: m =3 là số pha.
2.2. Bước rãnh stator.
t1 =

.D

36

=

.18

= 1,57cm

36

2.3. Số thanh dẫn tác dụng của một rãnh ur1
Chọn số mạch nhánh song song : a1= 2

-4-


u

r1

Chọn: ur1 = 33 thanh dẫn.
2.4. Số vòng dây nối tiếp của một pha

ur1

w1 = p.q1.

= 2.3.

a1

33

= 99 vòng

2

Kiểm tra lại phụ tải đường A
A=

Sơ bộ chọn phụ tải đường là A=310

304,6 310

A

cm.mm2 .Vậy sai số thực tế và tính chọn là:

.100%=1,74%

310
Ta thấy : Tải đường A không lớn hay nhỏ hơn 10% so với giá trị đã chọn ban đầu nên

có thể sử dụng số liệu này để tính tốn.
2.5. Tiết diện và đường kính dây dẫn
- Tiết diện dây:
s1 =

Theo hình 10-4b (trang 237 TKMĐ) chọn tích số:

A.J = 1850 A2

cm.mm2

Mật độ dịng điện:
J1’ =
Tiết diện dây (tính sơ bộ):

S’1
Trong đó : n1 = 1 là số sợi chập song song
I1 =29A
a1 = 2 là số mạch nhánh song song


-5-


Theo Phụ lục VI, bảng VI. 1 (trang 618 TKMĐ) chọn dây đồng tráng men PET155 có đường kính d/dcđ =

Khi đó : s1 = 2,38 mm

1,74

1,825 mm

2

2

2.6. Kiểu dây quấn

Dây quấn stator đặt vào rãnh của lõi thép stator và được cách điện với lõi thép.
Dây quấn có nhiệm vụ cảm ứng được sức điện động nhất định, đông thời cũng tham
gia vào việc chế tạo từ trường cần thiết cho sự biến đổi năng lượng điện có trong
máy.
* Các yêu cầu của dây quấn:
- Đối với dây quấn điện trở và điện kháng của các pha bằng nhau và của mạch

nhánh song song cũng bằng nhau.
- Dây quấn được thực hiện sao cho có thể đấu thành mạch nhánh song song một

cách dễ dàng. Dây quấn được chế tạo và thiết kế sao cho tiết kiệm được lượng đồng,
dễ chế tạo, sửa chữa, kết cấu chắc chắn, chịu được ứng lực khi máy bị ngắn mạch đột
ngột.
*Việc chọn dây quấn stator phải thỏa mãn tính kinh tế và kỹ thuật:
- Tính kinh tế: tiết kiệm vật liệu, vật liệu cách điện, thời gian lồng dây.
- Tính kỹ thuật: dễ thi công hạn chế những ảnh hưởng xấu đến đặc tính của động cơ.

Từ yêu cầu trên ta chọn dây quấn một lớp đồng khuôn bối dây bước ngắn. Tác dụng
là để làm giảm lượng đồng sử dụng, khử sóng bậc cao, giảm từ trường tản ở phần bối
dây và trong rãnh stator, lám tăng cos , và cải thiện đặc tính mở máy của động cơ,
giảm tiếng ồn điện từ lúc động cơ vận hành. Các hệ quả xấu tồn tại trong động cơ khi
sóng bậc cao khơng bị khử.
- Tính năng mở máy xấu do các trường trên đặc tuyến mơmen (do sóng bậc 5 và 7

gây ra) làm cho động cơ không đạt đến tốc độ định mức.
- Nếu số răng của statorvà rotor không phù hợp động cơ gây ra tiếng ồn khi vận

hành, có khi rotor bị hút lệch tâm (do lực hút điện từ tạo nên).
Sóng bậc cao gây tổn hao nhiệt trong lõi thép do tác dụng của dịng phucơ. Thực ra
việc chọn bước ngắn thích hợp khơng có tác dụng khử hồn tồn sóng bậc cao mà

-6-


chỉ có tác dụng giảm nhỏ chúng xuống đến một giá trị có thể chấp nhận được. Trong
thiết kế, bước bối dây có tác dụng khử sóng bậc 5 và 7, cách đấu dây hình sao có tác
dụng khử sóng bậc 3. Tiêu chuẩn xét sự tổn hao sóng bậc cao 5% xem như sóng bậc
cao khơng đáng kể, từ 5 - 10% chấp nhận được, > 10% có tồn tại sóng bậc cao. Sóng
bậc cao khơng bị khử khơng cho phép khả thi.
Để khử triệt hồn tồn sóng bậc 3 ta dùng hệ số
=

4

, sóng bậc 7 ta dùng hệ số

5

=

6

=

2
3

, sóng bậc 5 ta dùng hệ số

. Tuy nhiên ta khơng khử triệt hồn tồn sóng

7

bậc cao nào cả mà chọn bước bối dây để làm nhỏ các sóng bậc cao 3, 5, 7 cùng một
lúc.
Chọn dây quấn hai lớp bước ngắn với y = 7
Ta có:

Với : Bước cực từ
2.7. Hệ số dây quấn

với
Hệ số dây quấn kd:
kd = ky.kr = 0,94.0,96 = 0,9024


2.8. Từ thơng khe hở khơng khí Ф

-7kE

Ф=
4.ks .kd . f .w1 4.50.99.1,11.0,92

2.9. Mật độ từ thông khe hở không khí Bδ
Bδ =
Ta thấy sai số mật độ từ thơng khe hở khơng khí so với giá trị ban đầu nhỏ
hơn 10% nên ta không cần chọn lại.
2.10. Sơ bộ định chiều rộng của răng b’z1

B .l .t

b’z1 =

1

1

Bz1.l1.kc

=

0,74.15.1,57

= 0,72cm

1,70.15.0,95

Chọn b’z1 = 0,72 cm
Trong đó : Chọn Bz1 = 1,70 T (theo bảng 10-5b, trang 241- TKMĐ)
Bz1

: là mật độ từ thơng trên răng có cạnh song song

kc = 0,95 : Hệ số ép chặt lõi sắt khi không cần phủ sơn (Bảng 2-2,
trang 23 -TKMĐ).

2.11. Sơ bộ chiều cao của gông stato hg1
h’g1
Ở đây lấy Bg1 = 1,60T; (1,45 ÷ 1,60), (theo Bảng 10.5 Tr.240_TKM Đ)

2.12. Kích thước rãnh và cách điện
Chọn kích thước miệng rãnh như sau :
Chiều cao miệng rãnh

h41 = 0,5 ÷ 1 mm

chọn h41 = 0,5 mm.=0,05 cm
Chiều cao rãnh stato :
hrl

1

(D

n

D) hgl,

1

(27,2 18) 2,19 2,41(cm) 24,1(mm)


2

Trong đó :

2

h’g1 =2,19(cm) chiều cao gơng,

-8-


Dn =27,2(cm) đường kính ngồi Stato
D =18 (cm) đường kính trong Stato
Chiều cao thực của rãnh Stato :

hZ1 = hrl – h41 = 24,1 0,5 = 23,6 (mm)

* Bề rộng rãnh Stato:
Chọn bề rộng miệng rãnh Stato là:
Chiều rộng miệng rãnh : b41 = dcđ + ( 1,1÷ 1,5) mm
Trong đó : dcd = 1,825mm - là đường kính dây dẫn kể cả cách điện của dây quấn
stator
Vậy:

b41 =2,925 mm ÷ 3,325 mm

Lấy b41 = 3 mm
- Đường kính d2 được tính theo cơng thức:
(Dn 2 * hgl' ) bzl'
Z1

d

2

d2 = 1,2cm = 12(mm)
- Đường kính d1 được tính theo cơng thức:

* (D 2 * h
d1

Z1

d1 = 0,94cm= 9,4(mm)
Trong đó:

D n = 27,2cm đường kính trong stator
h’g1 = 2,19cm

b’z1 = 0,72cm chiều rộng răng

- Chiều cao rãnh Stator được tính theo cơng thức

Khi đó,chiều cao h12 là:
h12 = h rl – 0,5 *(2*h 41 + d 1 + d 2 )
= 2,41– 0,5 *(2 0,05 + 1,2+ 0,94) = 1,3cm = 13(mm)

Theo bảng VIII.1 (T629_TKMĐ) ta có chiều dày cách điện rãnh là:
+ Chiều dày cách điện rãnh: C = 0,4 (mm))


-9-


+ Chiều dày cách điện của tấm lót: C’ = 0,5 (mm)

- Diện tích rãnh trừ nêm:

Sr

'

(d 2

=

d

1

2

8

(9,42 122 ) 9,4 12

)

2

d

d

1

2

(13

9,4

8
2
- Diện tích lớp cách điện rãnh:

2

(h12

d
1

)

2

) 180,06(mm2 )

2

Scđ

*12

(

2

*9,4

2 *13 9,4 12) * 0,4

2

* 0,5 33,5(mm2 )

- Diện tích có ích của rãnh:

- Hệ số lấp đầy rãnh:

u
kld =

Ta thấy hệ số lấp đầy rãnh nằm trong khoảng tốt nhất (0,7÷0,75) nên cũng khơng cần
tính lại. Vậy, chọn k ld = 0,75

d2
hr1
h12
d1

h41

2.13. Bề rộng răng stator bz1

bz1” =

*(D

2*h

41

d )
1

d1

Z
1

=

* (18 2 * 0,05 0,94) 0,94 0,72(cm) 36
- 10 -


bz1’=

*D

2 * (h

h

41

12

)

d2

Z1
=

bz1 =

* 18 2 * (0,05 1,3) 1,2 0,6(cm) 36

b " b '
z1

z1

=

2

0,72 0,6

= 0,66 (cm)

2

2.14. Chiều cao gơng stator

h

=

g1

3. TÍNH TỐN KHE HỞ KHƠNG KHÍ
3.1. Khe hở khơng khí
δ =0,25+
Theo những máy đã chế tạo ở bảng 10-8 (trang 253 TKMĐ ta chọn :
δ = 0,5 mm =0,05cm

4. TÍNH TỐN ROTOR

4.1 Số rãnh rotor Z2
Việc chọn số rãnh rotor lồng sóc Z 2 là một vấn đề quan trọng vì khe hở khơng khí của
máy nhỏ, khi mở máy momen phụ do từ thơng sóng bậc cao gây nên ảnh hưởng đến
quá trình mở máy và ảnh hưởng cả đến đặc tính làm việc.
Để loại trừ momen phụ đồng bộ khi mở máy, cần chọn:
Z2 Z1

Z2 0,5*Z1

Z2 2*Z1

Z2 6*p*g

với g=1,2,3…

Để tránh momen đồng bộ khi quay ,ta chọn:
Z2 6*p 2*p*g

Z2 Z1 2*p

Z2 2*Z1 2*p

Z2 0,5 p

Z2 Z1 p

-11-


Để tránh lực hướng tâm do momen không đồng bộ sinh ra trong khi quay ,cần chọn:
Z2

Z1

0,1,2

Z2

Z1

p,p+1

Z2

Z1

2*p,2*p 1,2*p 2

Z2

Z1

2*p

Dựa vào các điều kiện trên và bảng 10-6 trang 246 TKMĐ
Chọn Z2= 28 rãnh
4.2. Đường kính ngồi rotor D’
D’ = D- 2δ = 18– 2*0,05 = 17,9 cm
4.3. Bước răng rotor t2
t2
4.4. Sơ bộ định chiều rộng của răng rotor b’z2

b

’

Z2

=

Ở đây lấy Bz2 = 1,75 T., (1,7 1,85).Theo bảng 10-5b trang 241_TKMĐ

4.5. Đường kính trục rotor Dt
Dt = 0,3*D = 0,3*18= 5,4 (cm)
Lấy Dt = 5(cm)

4.6. Dòng điện trong thanh dẫn rotor Itd
Itd = I2

= KI*I1*

Trong đó KI = 0,9 lấy theo hình 10-5 trang 244_TKMĐ
4.7. Dịng điện trong vịng ngắn mạch Iv
Iv = Itd*


-12-


4.8. Tiết diện thanh dẫn vịng nhơm S’td
S’td =
Trong đó,
4.9. Sơ bộ chọn mật độ dòng điện trong vòng ngắn mạch J v =2,5

A

mm2

Tiết diện vòng ngắn mạch Sv:
Sv =
Chọn J v =2,5 vì điều kiện J v < (20÷30)% J 2
4.10. Kích thước rãnh rotor và vịng ngắn mạch
Lấy chiều cao miệng rãnh chọn h 42 = 0,5 1 (mm),ta chọn h 42 =1 b
42

= 1÷1,5 (mm) lấy b 42 = 1( mm) hr2=10 20(mm) chọn:h r 2

=20(mm) ;
a b = 34 23 (mm)

(

d

)=

1

d

2

ta có :

h

= hr2

12

- Chiều cao vành ngắn mạch hv

(Chiều cao vành ngắn mạch thường lấy cao hơn chiều cao rãnh Rotor )
hv = 1,1*hr2 = 1,1*2= 2,2 (cm) = 22 (mm)

-13-

h42

b42

b’Z2

dr2

bZ2tb
hr2

dr2

b”Z2

D’
- Đường kính trung bình vành ngắn mạch Dv

Dv = D-(a+1) = 180-(34+1)=145 (mm)
- Bề rộng vành ngắn mạch b v
4.11. Diện tích rãnh rơtorSr2
Sr2

= *(d
4

mm

2

4.12. Diện tích vành ngắn mạch:

a b
4.13. Bề rộng răng rôto ở 1/3 chiều cao răng
D' 2h
b
Z2

4

1

3

17,9 2 *0,1

*
1,2(cm)

4.14. Chiều cao gông rôto hg2
hg2 =
4.15. Làm nghiên rãnh ở rôto bn


-14-


Độ nghiên bằng một bước rãnh stator

bn = t1 = 1,57 (cm)
5. TÍNH TỐN MẠCH TỪ
5.1. Hệ số khe hở khơng khí
- Do bề mặt phần ứng có rãnh dẫn đến từ dẫn trên khe hở của bề mặt phần ứng có

rãnh khác nhau.
- Trên răng, từ trở nhỏ hơn trên rãnh do sức từ động của khe hở không khí của phần

ứng có răng rãnh lớn hơn so với bề mặt phần ứng nhẵn.
Khi thiết kế phải dùng một khe hở khơng khí tính tốn, như vậy cần phải tính hệ số
khe hở khơng khí. Hệ số khe hở khơng khí nói lên ảnh hưởng của răng stato và rôto
tới khe hở

k

=
δ1

k

=

δ2

kδ = kδ1* kδ2 = 1,1*1,01 = 1,11
Từ thơng chính sau khi đi qua khe hở khơng khí thì phân thành hai mạch song song đi
vào răngvà rãnh của phần ứng, nhưng từ dẫn của thép lớn hơn khơng khí nhiều nên
đại bộ phận từ thơng đi vào răng.
5.2. Dùng thép kỹ thuật điện cán nguôi 2211
5.3. Sức từ động khe hở khơng khí Fδ

4

4

Fδ = 1,6*Bδ*kδ*δ*10 = 1,6*0,74*1,1*0,05*10 = 651,2 A


-15-


5.4. Mật độ từ thông ở răng stator BZ1
BZ1
5.5. Cường độ từ trường trên răng stato
Theo bảng V-6 (Phụ lục V, trang 608_TKMĐ). Đường cong từ hóa trên răng động cơ
KĐB thép 2211, ta chọn:
B Z1 =1,85
5.6. Sức từ động trên răng stato
Fz1 = 2*h’Z1*HZ1 = 2*2,01*33,3 = 133,8 A

5.7. Mật độ từ thômg ở răng rotor Bz2
Bz2 =
5.8. Cường độ từ trường trên răng rotor:
- Theo bảngV-6 (Phụ lục V, trang 608 TKMĐ), ta có:

B Z 2 =1,3

Hz2 = 7,24A/vm

5.9. Sức từ động trên răng rotor Fz2
Fz2 = 2*h’z2*Hz2 = 2*1,8*7,24 = 26,064 (A)

Trong đó:

d

h’z2 = hr2-

= 2-

3

0,6

= 1,8 (cm)

3

5.10. Hệ số bão hòa răng kz

kz =

F

F F
z1

z2

=

651,2 133,8 26,064

F

= 1,24

651,2

Theo TKMĐ trang 114, ta có:
Hệ số kz nằm trong khoảng thiết kế hợp lý k z thuôc khoảng 1,2÷1,5.(nếu k z q lớn
thì sự bão hịa q mức trong vùng răng.Nếu k
hoặc khe hở khơng khí lấy q lớn)
5.11. Mật độ từ thơng trên gơng stator Bg1

-16-

z

1,2 thì vùng được sữ dụng quá ít


Bg1

=

*10

5.12. Cường độ từ trường ở gông stator Hg1
Theo bảng V-9 (Phụ lục V, trang 611 TKMĐ), ta chọn

B

g1

5.13. Chiều dài mạch từ ở gông stator Lg1

L

g1

5.14. Sức từ động ở gông stator Fg1
Fg1 = Lg1*Hg1 = 19,48*7,89= 153,7 A
5.15. Mật độ từ thông trên gông rôto Bg2

B

g2

5.16. Cường độ từ trường ở gông rôto Hg2:
theo Bảng V-9 (Phụ lục V, trang 608 TKMĐ), ta chọn
B g 2 = 0,76
5.17. Chiều dài mạch từ ở gông rôto Lg2
Lg2 =
5.18. Sức từ động ở gông rôto Fg2
Fg2 = Lg2*Hg2 = 7,5*2,72 = 20,4 A
5.19. Tổng sức từ động của mạch từ F
F = Fδ+Fz1+Fz2+Fg1+Fg2 = 651,2+133,8+26,064+153,7+20,4 = 985,164 A
5.20. Hệ số bão hịa tồn mạch kμ
kμ =
5.21. Dịng điện từ hóa Iμ
Iμ =

=

*10


-17-