где р - число пар полюсов
Для закрепления на валу остова ротора, контактных колец, втулок и других деталей применяются стальные призматические шпонки. В электродвигателе для закрепления остова ротора могут применяться также и клиновые шпонки. В вертикальном электродвигателе валы передают только вращающий момент. Вертикально расположенные валы испытывают относительно небольшой изгибающий момент от сил одностороннего магнитного притяжения при неравномерном зазоре между статором и ротором электродвигателя. Кроме того, незначительные изгибающие усилия испытывают валы от небаланса вращающихся частей электродвигателя.
2.Синтез электромагнитного ядра синхронного двигателя типа ВДС 2-325-24. Расчёт к курсовой работе
2.1 Расчет номинальных величин:
2.1.1 Номинальная полная мощность
=
2.1.2 Номинальный фазный ток статора:
2.2Расчет сердечника статора:
2.2.1 Число пар полюсов
2.2.2 Внутренний диаметр статора:
2.2.3 Полюсное деление:
2.2.4 Длина сердечника статора:
2.2.5 Высота спинки сердечника статора
2.2.6 Высота паза статора:
2.2.7 Ширина паза статора:
при 
=4000 кВт >1000 кВт;
при термореактивной изоляций: 
0;
Для получения удовлетворительного варианта двигателя нужно обеспечить выполнение соотношений :
; 
и 
; 
Соотношения сошлись путем коррекций высоты спинки сердечника статора 
2.2.8 Число параллельных ветвей:
По техническим причинам ток одной катушки не должен превышать 250-275 А. Если номинальный ток статора превышает эти значения, то обмотку выполняют из нескольких параллельных ветвей. Число параллельных ветвей -а- выбирается из ряда чисел кратных числу полюсов: 
=> (24,12,6,4,3,2,1);
Выбираю 
так как выполняется условие
;
;
2.2.9 Минимальное зубцовое деление:
2.2.10 Максимальное возможное число пазов статора:
2.2.11 Число пазов на полюс и фазу:
;
Округляем число пазов на полюс до целого 
4
2.2.12 Число пазов статора:
;
2.2.13 Число пазов в сегменте:
(Выбирается в диапазоне
=6-18 и должно быть кратным Z)
Проверка
: А=0,860/4; 
Хорда должна быть меньше ширины А на 5-10мм, то есть должно удовлетворять условию (0.005<
<0.010)
2.2.14 Зубцовое деление
2.3 Расчет обмотки статора:
2.3.1 Линейная нагрузка
2.3.2 Число эффективных проводников в пазу
2.3.3 Число элементарных проводников в одном эффективном:
Предварительное значение плотности тока в ОС:
- предварительная площадь сечения элементарного проводника 
округляем до целого числа 
=3;
2.3.4 Ширина элементарного проводника:
толщина витковой изоляций
( Марка провода: ПСД
)
толщина корпусной изоляций 
(Тип изоляции: термореактивный
)
число элементарных проводников по ширине паза 
,т.к.
нечетное;
Значения 
и 
примерно соответствуют пределам 
2.3.6 Уточнение размеров паза
По найденным значениям
и 
определяются размеры стандартного проводника и его сечения 
, 
затем рассчитываем размеры паза
Размеры паза должны удовлетворять соотношениям:
;
2.3.7 Проверка среднего перепада температуры:
Плотность тока в обмотке статора:
Теплопроводность изоляций:
(так как тип изоляций: термореактивный);
Средний перепад температуры 
не должен превышать
;
2.3.8 Число витков в фазе:
2.3.9 Шаг обмотки (
округляется до ближайшего целого):
число фаз
округляем до y=10
2.3.10 Укорочение шага
2.3.11 Коэффициент укорочения
2.3.12 Коэффициент распределения
2.3.13 Обмоточный коэффициент
2.4 Коррекция главных размеров статора по уровню6 индукции в воздушном зазоре, зубцах и спинке статора:
2.4.1 Число вентилируемых каналов (
округляется до ближайшего целого):
Ширина пакета статора; 
Ширина вентиляционного канала; 
округляем до 
2.4.2 Длина сердечника статора:
Пересчитываем
округляем да
2.4.3
Индукция в воздушном зазоре над серединой полюса:
Коэффициент полюсного перекрытия
2.4.4 Индукция в спинке статора:
высота спинки статора; 
- суммарная длина пакетов статора; 
2.4.5 Индукция в зубцах на высоте 1/3 от основания паза:
ширина зубца на высоте 1/3 от основания паза:
Так как полученные значения индукций не подходят в пределы:
;
;
Выполняем коррекцию главных размеров:
| Проектные показатели |
Вариант коррекций |
| 1 |
2 |
3 |
| Di
|
2.943 |
2.923 |
2.933 |
| nb
|
8 |
8 |
7 |
| br
|
0.04 |
0.04 |
0.04 |
|
0.44 |
0.44 |
0.39 |
|
0.36 |
0.36 |
0.32 |
|
0.032 |
0.032 |
0.032 |
|
0.385 |
0.383 |
0.384 |
|
0.082 |
0.092 |
0.087 |
|
0.019 |
0.019 |
0.019 |
|
0.661 |
0.665 |
0.748 |
|
1.447 |
1.316 |
1.566 |
|
1.468 |
1.485 |
1.661 |
Третий вариант коррекций подошел в пределы путем изменения внутреннего диаметра и числа вентилируемых каналов.
2.5 Выбор величины воздушного зазора:
2.5.1 Линейная нагрузка
2.5.2 Величина воздушного зазора под серединой полюса
Найденное значение 
не должно быть меньше граничного 
одновременно проверим условие 
и округляем
до требуемой точности:
м
2.6 Расчет полюса и демпферной обмотки:
2.6.1 Ширина полюсного наконечника
2.6.2 Высота полюсного наконечника:
так как мы выбираем шихтованные полюса
2.6.3 Ширина сердечника полюса
2.6.4 Высота сердечника полюса
2.6.5 Число стержней демпферной обмотки
(
округляется до ближайшего целого):
округляем до 
2.6.6 Сечение стержня демпферной обмотки:
2.6.7 Диаметр стержня демпферной обмотки:
округляем с точность до 
размеры демпферной обмотки корректируется по условию термической устойчивости: 
;
113.04
10>0.05
56282.391
0.384; 1130.4>1080.622 условие выполняется;
2.6.8 Шаг демпферной обмотки
Для уменьшения добавочных потерь и исключения прилипания ротора при пуске 
и их шаг 
корректируются так, чтобы выполнялось условие
(10-1)
(1-0,027/0,032)=1,406>0,75 условие выполняется;
2.6.9 Площадь поперечного сечения короткозамкнутых колец:
так как полюса шихтованные то выбираем:
2.6.10 Поперечные размеры короткозамкнутых колец:
;
По стандартным значениям шинной меди выбираем 
=11
; 
=45;
2.6.11 Ширина шлица паза демпферной обмотки
2.6.12 Высота шлица паза демпферной обмотки
2.7 Расчет магнитной цепи:
Схема замещения магнитной цепи синхронного двигателя
-МДС обмотки статора
-магнитное напряжение воздушного зазора
-магнитное напряжение зубцов статора
-магнитное напряжение спинки статора
-магнитное напряжение участке рассеяния
-магнитное напряжение полюса ротора
-МДС обмотки возбуждения
Спинка статора:
Длина участка:
Ширина участка: 
Площадь участка: 
Длина силовой линии:
Зубцы статора:
Длина участка: 
Ширина участка: 
Площадь участка: 
Длина силовой линии: 
Зазор:
Длина участка:
Ширина участка: 
Площадь участка: 
Коэффициент Картера 
:
Длина силовой линии
Полюс ротора:
Длина участка : 
Ширина участка: 
Площадь участка
Длина силовой линии:
Первая гармоника основного магнитного потока на холостом ходу:
МДС обмотки статора по продольной оси:
Коэффициент приведения обмотки статора по продольной оси:
Коэффициент формы поля:
Поток, приходящийся на полюсный наконечник:
Коэффициент проводимости
:
=
Коэффициенты 
и
:
Для режима холостого хода 
; и режима номинальной нагрузки 
;
Расчет магнитной цепи:
Активное сопротивление ОС:
Расчет магнитной цепи для режима х.х. (i = 1):
Выбираем ЭТС среднелегированную марки 3413
Спинка статора:
Магнитный поток:
Индукция:
Напряженность (по кривым намагничивания)
Магнитное напряжение
Зубцы статора:
Магнитный поток:
Индукция
Напряженность (по кривым намагничивания)
Магнитное напряжение
Зазор:
Магнитный поток
Индукция
Напряженность (по кривым намагничивания)
Магнитное напряжение
Для полюса используем марку
Полюс ротора:
Магнитное напряжение на участке рассеяния полюсов:
Коэффициент рассеяния:
Магнитный поток
Индукция
Напряженность (по кривым намагничивания)
Магнитное напряжение
Результирующее магнитное напряжение в режиме холостого хода:
Индуктивное сопротивление рассеяния ОС:
Расчет E и магнитного потока при номинальной нагрузке:
Расчет магнитной цепи для режима номинальной нагрузки (i = 2):
Выбираем ЭТС среднелегированную марки 3413
Спинка статора:
Магнитный поток
Индукция
Напряженность (по кривым намагничивания)
Магнитное напряжение
Зубцы статора:
Магнитный поток
Индукция
Напряженность (по кривым намагничивания)
Магнитное напряжение
Зазор
Магнитный поток
Индукция
Напряженность (по кривым намагничивания)
Магнитное напряжение
Для полюса используем марку
Полюс ротора
Магнитное напряжение на участке рассеяния полюсов:
Коэффициент рассеяния:
Магнитный поток
Индукция
Напряженность (по кривым намагничивания)
Магнитное напряжение
Результирующее магнитное напряжение при номинальной нагрузке:
МДС обмотки возбуждения в номинальном режиме:
2.8 Расчет перегрузочной способности:
2.8.1 МДС обмотки возбуждения в режиме трехфазного К.З. при номинальном токе статора:
2.8.2Проверка кратности максимального синхронного момента:
; 
условие выполняется.
2.9 Расчет обмотки возбуждения:
2.9.1 Ширина провода ОВ:
Ширина провода обмотки возбуждения ограничивается:
1). условием ее размещения в межполюсном пространстве 
:
так как число пар полюсов р=24 >2;
; 27,281<42,084; условие выполняется;
2).Условием надежного крепления обмотки возбуждения на полюсе 
:
; 27.281<38,773; условие выполняется;
Полученные значения должны соответствовать пределам:
и 
2.9.2 Высота провода ОВ:
Приводим размеры провода обмотки возбуждения в соответствие со стандартными размерами шинной меди и определим сечение провода 
:
3,53 
;
=32
;
=110,3 
2.9.3 Средняя длина витка обмотки возбуждения:
так как
;
то выбираем формулу:
2.9.4 Номинальное напряжение возбуждения:
2.9.5 Число витков ОВ:
округляется до
46
2.9.6 Ток возбуждения х.х.:
2.9.7 Ток возбуждения при номинальной нагрузке:
2.9.8 Плотность тока в обмотке возбуждения при номинальной нагрузке:
2.9.9 Перегрев обмотки возбуждения:
Номинальные значения напряжения и тока обмотки возбуждения приводим в соответствие с номинальными данными возбудителей:
140 В;
450 А.
Окончательный выбор размеров проводника обмотки возбуждения должен удовлетворять условиям
; 
;
; 
;
; 
;
Все условия выполняются.
3. Синтез и оптимизация электромагнитного ядра на ПК
Параметрическая оптимизация проводится на основе результатов аналитического ручного расчета, приведенного в главе 2. Процесс оптимизации имеет пошаговый характер и осуществляется при помощи программы “OPTCD”. На каждом шаге производится корректировка по одному или нескольким параметрам.
Данная глава содержит описание процесса направленного перебора значений с целью корректировки основных показателей двигателя. Основными этапами параметризации являются:
1. Поиск приемлемого варианта;
2. Оптимизация по минимуму приведенной стоимости (метод деформируемого многогранника);
3. Оптимизация по минимуму резервов (метод ЛП/tau);
Номинальные данные:
Номинальная мощность Pн
=4000кВт
Номинальное линейное напряжение Uн
=6кВ
Номинальный коэффициент мощности cosφн
=0.9
Номинальная частота напряжения сети fн
=50Гц
Число пар полюсов p=12
Номинальный ток возбудителя Iвн
=450А
Исходные значения конструктивных параметров:
Внутренний диаметр статора Di
=2.933м
Число пазов статора Z=288
Число эффективных проводников в пазу Uп
=8
Длина сердечника статора lt
=0.39м
Величина воздушного зазора δ=0.009м
Ширина паза статора bп
=0.013м
Высота паза статора hп
=0.071м
Ширина сердечника полюса bm
=0.208м
Высота сердечника полюса hm
=0.208м
Ширина полюсного наконечника bpm
=0.278м
Высота проводника обмотки возбуждения aem
=3.53мм
Ширина проводника обмотки возбуждения bem
=32мм
Число стержней демпферной обмотки nc
=10
3.1 Поиск приемлемого варианта
Оптимизация параметров двигателя производится с помощью программы поисковой оптимизации двигателя «OPTCD». В таблице 1 приведены результаты ручного расчета двигателя по исходным данным. В первых двух колонках приводятся исходные значения, другие две – рассчитанные значения основных показателей двигателя. При выполнении всех ограничений целевая функция CF должна быть равна приведенной стоимости двигателя CД
.
Таблица 1 - Экспресс – информация по данным, полученным при ручном расчете.
Из расчета видно, что двигатель с такими параметрами не удовлетворяет условиям, заданным в начале работы:
1. Как видим отношение Ms/Mн = 1.2 слишком мало.
2. Перегрев обмотки статора слишком велик.
3. Целевая функция CF больше приведенной стоимости двигателя, что говорит о наложении штрафов за несоблюдение ограничений.
Если мы увеличим высоту проводника обмотки возбуждения aem
, уменьшим число стержней демпферной обмотки nс,
и уменьшим внутренний диаметр статора, то получим следующие результаты (таблица 2):
Таблица 2 - Экспресс – информация по скорректированным данным.
Как мы можем видеть, программа не налагает штрафов на двигатель с данными параметрами, но в этом случае получены не наилучшие значения удельных расходов меди и железа, КПД и относительно высокой для заданной номинальной мощности двигателя приведенной стоимостью.
3.2 Оптимизация по минимуму приведенной стоимости
Произведем расчет в программе OPTCD по методу деформируемого многогранника и получим минимум приведенной стоимости и оптимальные показатели Uп и Z(таблица 3):
Таблица 3 - Экспресс – информация по данным, полученным в методе деформируемого многогранника.
3.3.Оптимизация по минимуму резервов
Произведем расчет в программе OPTCD по методу ЛП/tauи получим минимум расхода активных материалов и оптимальные показатели Uп и Z:
Таблица 4 - Экспресс–информация по данным, полученным в методе ЛП/tau.
В последних двух таблицах представлены данные, рассчитанные компьютером, направленные на уменьшение приведенной стоимости и снижение расходов активных материалов. Также компьютер просчитал оптимальную комбинацию числа пазов статора Z и числаэффективных проводников в пазу Uп. Примем эти две величины как постоянные и попробуем улучшить характеристики нашего двигателя.
Как можно увидеть из Таблицы 2, программа не налагает штрафы на двигатель с данными параметрами, но перегрев демпферной обмотки необходимо поднять для более результативной работы.
Для достижения этой цели и для увеличения КПД чуть увеличим внутренний диаметр статора, уменьшим ширину проводника обмотки возбуждения bem
, уменьшим число стержней демпферной обмотки nc
,
и изменим длину сердечника статора. Также увеличим ширину полюсного наконечника и высоту паза статора. Получим следующие результаты(таблица 5 ):
Таблица 5 - Экспресс–информация по скорректированным данным.
3.4 Выбор оптимального варианта
Так как в нашем расчете мы больше опираемся на технико – физические характеристики двигателя, а не на экономические, то более оптимальным вариантом машины является тот, который приведен в Таблице 5. Основные его преимущества перед остальными вариантами оптимизации, в том числе вариантами автоматической компьютерной оптимизации, это почти идеальные температурные показатели для машин этого класса, существенно меньший удельный расход меди (даже при сравнении оптимизацией по минимуму резервов), относительно невысокой общей стоимостью двигателя и приемлемыми параметрами конструкции.
Таблица 6 - Оптимальный вариант параметров.
Таким образом, Таблица 6 отображает оптимальный вариант синхронного двигателя при заданных ограничениях. Дальнейшие действия, направленные на увеличение КПД или уменьшение стоимости приводят к перегреву обмотки возбуждения несоответствия заданной кратности входного момента.
Сведем все варианты оптимизации в единую сводную таблицу:
Таблица 7 - Сводная таблица.
| параметры |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
| Di |
2.93 |
2.8 |
2.805 |
2.820 |
2.82
|
| lt |
0.39 |
0.39 |
3.363 |
0.376 |
0.376
|
| hп |
0.071 |
0.071 |
0.072 |
0.075 |
0.075
|
| bп |
0.013 |
0.013 |
0.013 |
0.013 |
0.013
|
| Uп |
8 |
8 |
8 |
8 |
8
|
| Z |
288 |
288 |
288 |
288 |
288
|
| a |
2 |
2 |
2 |
2 |
2
|
| δ |
0.009 |
0.009 |
0.0073 |
0.0072 |
0.009
|
| GFeуд |
0.638 |
0.929 |
0.871 |
0.839 |
0.839
|
| GCuуд |
0.539 |
0.530 |
0.433 |
0.456 |
0.423
|
| КПД |
95.38 |
95.27 |
95.47 |
95.61 |
95.14
|
| Iвн |
343,3 |
390,2 |
287,6 |
331,8 |
353,1
|
| AS |
56435 |
59056 |
58950 |
58637 |
58637
|
| Bm |
1.766 |
1.592 |
1.486 |
1.527 |
1.498
|
| Bz |
1.629 |
1.730 |
1.813 |
1.851 |
1.815
|
| Bj |
1.766 |
1.014 |
1.069 |
1.125 |
1.152
|
| J1 |
6.68 |
6.68 |
6.31 |
5.73 |
6.31
|
| J2 |
3.02 |
3.44 |
3.82 |
3.78 |
4.50
|
| DtOB |
42.9 |
58.4 |
53.7 |
53.0 |
68.2
|
| DtOC |
78,1 |
77,6 |
74,6 |
65,6 |
71,3
|
| CF |
151.17 |
30.67 |
29.29 |
29.35 |
30.72
|
| CD |
57110.6 |
58165.3 |
55642.8 |
57817.2 |
56487.7
|
| Mп/Mн |
0,72 |
0,77 |
0,98 |
0,72 |
0,73
|
| Iм/Iн |
5,07 |
5,15 |
5,11 |
4,81 |
4,94
|
| Mм/Mн |
2,23 |
2,53 |
2,11 |
2,14 |
2,25
|
| Ms/Mн |
1,20 |
1,21 |
1,20 |
1,20 |
353,1
|
Заключение
По данным технического задания был вручную рассчитан вариант синхронного двигателя, который был использован как исходные данные для расчета на ЭВМ. Расчет этих данных показал, что данный вариант двигателя отвечает не всем требованиям заказчика и требует оптимизации. Оптимизация проводилась на ЭВМ с использованием программы «OPTCD», что значительно ускорило и облегчило выполнение задания и позволило учесть особенности синхронного двигателя, которых не было при ручном расчете. В результате проведенной работы был получен предлагаемый вариант двигателя.
Полученный вариант двигателя отличается хорошо сбалансированным температурным режимом, наличием небольших запасов по показателям, средней ценой и КПД = 95.14, что характерно для машин этого класса мощности. Двигатель может нести нагрузки несколько превышающие номинальные, что позволяет говорить о высокой надежности и экономичности. В целом, для данных параметров, получился оптимальный двигатель, отвечающий необходимым технико - экономическим требованиям, что делает его конкурентоспособным и дает возможность его широкого использования в народном хозяйстве.
Библиографический список
1. Новиков Н.Н., Родионов И.Е., Шутько В.Ф. Параметрическая оптимизация явнополюсных синхронных двигателей на ЭВМ. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1994.
2. Новиков Н.Н., Родионов И.Е., Шутько В.Ф. Синтез электромагнитного ядра явнополюсной синхронной машины. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 1994.
3. Гольдберг О.Д., Гурин Я.С., Свириденко И.С. Проектирование электрических машин. /Под ред. О.Д. Гольдберга: М: 1984.
4. Новиков Н.Н., Родионов И.Е., Шутько В.Ф. Конструктивное устройство вертикальных электродвигателей переменного тока: методические указания: УГТУ – УПИ, 2001. – 38с.
5. Копылов И.П., Клоков Б.К., Морозкин В.П. Проектирование электрических машин. / Под ред. Копылова И.П. М: 2002. -757 с.
6. Иванов – Смоленский А.В. Электрические машины. М: 1980-928 с.
Приложение
Таблица 1
- Расчетный формуляр (для оптимального варианта параметров):
Таблица 1(продолжение)
Таблица 1(продолжение)
Таблица 2
- Таблица вариантов.
Таблица 2(продолжение)
Таблица 2(продолжение)
содержание ..
237
238
239 ..