Курсовая работа: расчет асинхронного электродвигателя для подъемного механизма

ВВЕДЕНИЕ	3
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ	4
1 ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ ПО НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ	5
2 ВЫБОР ТИПА ОБМОТКИ	8
2.1 Расчет обмоточных данных	9
2.2 Построение развернутой схемы обмотки статора	12
3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ФАЗНОЙ И ЛИНЕЙНОЙ ЭДС ПЕРВОЙ, ТРЕТЬЕЙ, ПЯТОЙ И СЕДЬМОЙ ГАРМОНИК	14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ	18
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ	19

Асинхронные электродвигатели занимают одно из ключевых мест в современной электротехнической и энергетической промышленности. Благодаря простоте конструкции, высокой надежности, сравнительно низкой стоимости и удобству эксплуатации они получили широкое распространение в приводах промышленных и гражданских механизмов, в том числе в подъемно-транспортных установках. В условиях постоянного роста требований к энергоэффективности, надежности и точности работы электроприводов особое значение приобретает правильный выбор и расчет параметров асинхронных электродвигателей.
При проектировании электропривода подъемных механизмов необходимо учитывать специфику режимов работы, характер нагрузки, наличие противовеса, требования к пусковым и перегрузочным характеристикам, а также влияние высших гармоник электродвижущей силы на работу двигателя. Ошибки, допущенные на этапе расчета номинальной мощности или выбора обмотки статора, могут привести к снижению КПД, перегреву машины, ухудшению пусковых свойств и сокращению срока службы оборудования.
Целью данной курсовой работы является расчет основных параметров асинхронного электродвигателя, предназначенного для работы в составе подъемного механизма, а также анализ влияния конструкции обмотки статора на электрические характеристики машины. Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи: определить требуемую номинальную мощность двигателя на основании заданных исходных данных; выбрать тип и параметры обмотки статора; рассчитать обмоточные данные; построить развернутую схему обмотки; определить эффективные значения фазной и линейной ЭДС основной и высших гармоник.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Таблица 1 – Исходные данные.
1 ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ ПО НОМИНАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ
Для расчета мощности, кВт асинхронного двигателя для подъема груза следует пользоваться формулой:
где k - коэффициент, учитывающий действие противовеса;
v - скорость подъема груза в м/с;
m - масса груза, кг;
g - ускорение свободного падения в м/с2;
η - КПД подъемника.
Мощность двигателя:
Полученное значение мощности увеличиваем до ближайшего каталожного значения.
Ближайший по мощности двигатель 4А100L6 (Р=2,2 кВт, n=950 об/мин).
Рисунок 1 – Общий вид электродвигателя.
Определяем его номинальный момент
Максимальный момент:
Мм=2,4Мн=2,4*22,1=53,1 Н м.
Асинхронные электродвигатели широко востребованы в промышленности и часто применяются в приводах грузоподъёмных механизмов благодаря совокупности преимуществ. Отсутствие щёточно-коллекторного узла снижает износ и упрощает обслуживание, что особенно важно при работе в тяжёлых режимах. Эти машины, как правило, более доступны по стоимости изготовления и эксплуатации по сравнению с синхронными аналогами. Они отличаются благоприятными динамическими свойствами: уверенно переносят изменения нагрузки и скорости, обеспечивая стабильное управление процессом. С использованием частотных преобразователей становится возможным точное и гибкое регулирование частоты вращения, что позволяет адаптировать работу подъёмного оборудования к разнообразным условиям.
2 ВЫБОР ТИПА ОБМОТКИ
Обмотки электродвигателей могут быть реализованы в виде однослойных или двухслойных, в зависимости от расположения проводников внутри обмотки. Вот их краткое описание:
1 Однослойная обмотка:
- структура: в однослойной обмотке все витки или проводники размещаются в одном слое, образуя единственный виток обмотки.
- применение: этот тип обмотки часто используется в случаях, когда необходимо простое конструктивное решение, и когда место ограничено. Однослойные обмотки могут быть более экономичными в производстве.
Рисунок 2 – Схема однослойной обмотки.
2) Двухслойная обмотка:
- структура: в двухслойной обмотке проводники распределены между двумя слоями. Это означает, что второй слой проводников уложен поверх первого, что создает два параллельных слоя проводников.
- применение: двухслойные обмотки обеспечивают более компактное распределение проводников, что может быть важно при работе с ограниченным пространством. Они также могут снижать взаимоиндукцию между проводниками и, таким образом, улучшать электрические характеристики обмотки.
Рисунок 3 – Схема двухслойной обмотки.
Выбор между однослойной и двухслойной обмоткой зависит от конкретных требований и ограничений конструкции электродвигателя. Экономия места и эффективное управление электромагнитными свойствами являются основными факторами, влияющими на решение о применении одного типа обмотки перед другим.
2.1 Расчет обмоточных данных
Расчет обмоточных данных состоит в определении основных данных:
N – число катушечных групп;
y – шаг обмотки;
q – число пазов на полюс и фазу;
α – число электрических градусов, приходящихся на один паз;
а – число параллельных ветвей.
Шаг обмотки (у1) – это расстояние, выраженное в зубцах (или пазах), между активными сторонами одной и той же секции:
где y1 – расчетный шаг (равен полюсному делению, выраженному в зубцах);
– произвольное число меньше 1, доводящее расчетный шаг (y1) до целого числа.
На практике принято шаг определять в пазах, поэтому при раскладке вторая сторона секции ложится в паз у+1. Например, если Z1=48, а 2p=6, то
Двухслойные обмотки выполняют с укорочением шага.
(2)
где kу – коэффициент укорочения шага обмотки.
Для подавления 7 гармоники ЭДС катушки выбирают kу = 0,857.
y = 8 · 0,857 = 6,8 паза.
Принимаем y = 7 пазов.
Число пазов на полюс и фазу:
(3)
где m – число фаз.
Так как q > 1, то обмотка называется рассредоточенной, при этом фазные катушки должны быть разделены на секции, число которых равно q.
Число катушечных групп.
В двухслойных обмотках число катушечных групп механически увеличивается в два раза, однако, по сравнению с однослойной обмоткой, с числом витков в каждой секции меньшим в два раза, тогда:
(4)
где              - число катушечных групп в одной фазе двухслойной обмотке.
Так как каждую пару полюсов создают все три фазы переменного тока, следовательно,
(5)
Число электрических градусов на один паз:
(6)
Катушечные группы фаз можно соединять последовательно (а = 1), параллельно (а = q) и комбинированно (1 < а < q).
Для нашего случая применяем, а = 1.
2.2 Построение развернутой схемы обмотки статора
Рассмотрим порядок построения развернутой схемы трехфазной двухслойной обмотки статора на примере обмотки, имеющей следующие данные: число фаз m1 = 3, число полюсов 2р = 6, число пазов в сердечнике статора Z1 = 48, шаг обмотки по пазам диаметральный, т. е. у1 =1 .
Шаг обмотки у1 = Z1/(2р) = 48/6 = 8 пазов; число пазов на полюс и фазу       q1 = Z1/(т1 2р) =48/(3 · 6) = 3 паза; пазовый угол α= 360р/Z1 = 360 · 3/48 = 22.5 эл. град. Угол сдвига между осями фазных обмоток составляет 120 эл. град, поэтому  сдвиг  между  началами фазных обмоток А, В и С, выраженный в  пазах, λ =120/α =120/22.5 = 5 пазов.
На развернутой поверхности статора размечаем пазы (Z1 = 48) и полюсные деления (2р = 6), а затем размечаем зоны по q1 = 3 паза для всех фаз (рис. 1; а); при этом расстояние между зоной какой-либо фазы в одном полюсном делении и зоной этой же фазы в другом полюсном делении должно быть равно шагу обмотки у1 = 87пазов.
Далее отмечаем расстояние между началами фазных обмоток λ = 5 пазов. Изображаем на схеме верхние (сплошные линии) и нижние (пунктирные линии) пазовые стороны катушек фазы А
. Верхнюю сторону катушки 1 (паз 1) лобовой частью соединяем с нижней стороной этой же катушки, которую, в свою очередь, присоединяем к верхней стороне катушки 2. Верхнюю сторону катушки 2 также лобовой частью соединяем с нижней стороной этой же катушки и получаем первую катушечную группу обмотки фазы А (Н1А-К1А).
Аналогично получаем вторую катушечную группу фазы А.
Рисунок 2 - Порядок построения развернутой схемы трехфазной двухслойной обмотки статора: Z1 = 48, 2р = 6.
На рисунке 1 соответствии с ГОСТом выводы трехфазных обмоток статора обозначаются следующим образом:
- первая фаза: начало С1 – конец С4;
- вторая фаза: начало С2 – конец С5;
- третья фаза: начало С3 – конец С6.
3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ФАЗНОЙ И ЛИНЕЙНОЙ ЭДС ПЕРВОЙ, ТРЕТЬЕЙ, ПЯТОЙ И СЕДЬМОЙ ГАРМОНИК
Для определения ЭДС обмотки статора необходимо ЭДС катушки умножить на число последовательно соединенных катушек в фазной обмотке статора. Так как число катушек в катушечной группе равно q1, а число катушечных групп в фазной обмотке равно 2р, то фазная обмотка статора содержит 2pq, катушек. Имея в виду, что число последовательно соединенных витков в фазной обмотке w1 = 2pq1wK (К=1), получим ЭДС фазной обмотки статора (В) ν-й гармоники:
где
Величина магнитного потока Ф определяется как
где Bδ – величина максимальной индукции в воздушном зазоре (принимаем равной 0,81 Тл);
где τ – полюсное деление (ширина полюса в воздушном зазоре, м;
l1 – длина статора для двигателя, выбранного в разделе 1,
В этом выражении ko6.ν - обмоточный коэффициент для ν – ой гармоники, учитывающий уменьшение ЭДС ν-ой гармоники, наведенной в обмотке статора, обусловленное укорочением шага обмотки и ее распределением. Значение обмоточного коэффициента определяется произведением коэффициента укорочения kуν и распределения kpν,
kоб.  kу  kр
Коэффициенты укорочения и распределения выбираются из таблицы 2 и таблицы.3, соответственно.
Таблица 2
Коэффициенты укорочения
Таблица 3
Коэффициенты распределения
Получаем:
Для обмоток с диаметральным шагом kоб = k рν.
Определим значение фазной ЭДС обмотки статора:
Выражение определяет значение фа зной ЭДС обмотки статора. Что же касается линейной ЭДС, то ее значение зависит от схемы соединения обмотки статора: при соединении звездой Е1Л=√3Е1, а при соединении треугольником Е1Л = Е1.
Полученные значения соответствуют соединению звездой и треугольником.

В ходе выполнения курсовой работы был выполнен расчет параметров асинхронного электродвигателя, предназначенного для привода подъемного механизма. На основании заданных исходных данных определена требуемая мощность двигателя с учетом массы груза, скорости подъема, КПД установки и коэффициента, учитывающего действие противовеса. По результатам расчета выбран асинхронный электродвигатель серии 4А, соответствующий ближайшему стандартному каталожному значению мощности и удовлетворяющий условиям эксплуатации.
В работе обоснован выбор двухслойной распределенной обмотки статора, обеспечивающей улучшенные электромагнитные характеристики и возможность снижения влияния высших гармоник ЭДС. Выполнен расчет основных обмоточных данных, включая шаг обмотки, число пазов на полюс и фазу, количество катушечных групп и число параллельных ветвей. Построена развернутая схема трехфазной двухслойной обмотки статора, соответствующая требованиям ГОСТ и принятым обозначениям выводов фаз.
Особое внимание уделено определению эффективных значений фазной и линейной электродвижущей силы первой, третьей, пятой и седьмой гармоник. Проведенные расчеты показали влияние укорочения шага и распределения обмотки на величину ЭДС высших гармоник, что подтверждает целесообразность выбранных конструктивных решений. Полученные результаты позволяют оценить электрические характеристики двигателя при различных схемах соединения обмотки статора.

1 Епифанов, А. П. Электрические машины : учебник / А. П. Епифанов, Г. А. Епифанов. — Санкт-Петербург : Лань, 2022. — 300 с. — ISBN 978-5-8114-2637-9.
2 Ванурин, В. Н. Электрические машины / В. Н. Ванурин. — 3-е изд., испр. — Санкт-Петербург : Лань, 2022. — 304 с. — ISBN 978-5-507-44500-4.
3 Кобозев, В. А. Электрические машины : учебное пособие / В. А. Кобозев. — Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. — 480 с. — ISBN 978-5-9729-0873-8.
4 Зарандия, Ж. А. Электрические машины : учебное пособие / Ж. А. Зарандия, А. В. Кобелев. — Тамбов : ТГТУ, 2020. — 192 с. — ISBN 978-5-8265-2214-1.
5 В. Л. Лихачев Справочник обмотчика асинхронных электродвигателей. - М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 240 с.: ил.