Full Đồ án môn Máy điện: Thiết kế động cơ không đồng bộ 1 pha roto lồng sóc

Đồ án môn máy điện: Thiết kế và tính toán động cơ không đồng bộ một pha rôto lồng sóc. Tài liệu tham khảo đầy đủ các thông số và quy trình.

• Chuyên ngành: Máy Điện
• Đề tài: Thiết Kế Và Tính Toán Động Cơ Không Đồng Bộ Một Pha Rôto Lồng Sóc
• Loại tài liệu: Đồ án

Tóm tắt

I. Tổng quan về động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

Động cơ không đồng bộ roto lồng sóc là một loại máy điện được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng nhờ vào độ tin cậy cao và chi phí thấp. Đồ án máy điện này tập trung vào thiết kế và tính toán các thông số kỹ thuật cho một động cơ 1 pha không đồng bộ với công suất 2,2 kW (3hp), điện áp định mức 220/110V và tần số 50Hz. Động cơ roto lồng sóc được đặc trưng bởi cấu trúc đơn giản, không có bàn chải hay vòng trượt, giúp giảm bảo trì và tăng độ bền. Quá trình thiết kế đồ án máy điện này bao gồm tính toán kích thước cơ bản, dây quấn stato, roto, mạch từ và các tham số làm việc của động cơ.

1.1. Khái niệm và nguyên lý hoạt động

Động cơ không đồng bộ hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường quay được tạo bởi dòng điện xoay chiều trong dây quấn stato. Roto lồng sóc, còn gọi là roto cage, bao gồm các thanh dẫn nhôm nối với nhau bằng vành ngắn mạch. Từ trường quay cảm ứng dòng điện trong roto, tạo ra lực từ đưa roto quay. Tốc độ roto luôn nhỏ hơn tốc độ đồng bộ, do đó được gọi là động cơ không đồng bộ. Hiệu suất của động cơ trong đồ án này đạt 78%, phù hợp cho các ứng dụng thông thường.

1.2. Các thông số kỹ thuật chính

Thông số định mức của đồ án máy điện bao gồm: công suất Pđm = 2,2 kW, điện áp Uđm = 220/110V, tần số fđm = 50Hz, dòng điện Iđm = 13A, tốc độ n = 2850 vòng/phút, hệ số công suất cos φ = 0,99, hiệu suất η = 78%, tụ điện khởi động 80/400 μF/VAC, cấp bảo vệ IP44 và khối lượng 25kg. Những thông số này là cơ sở để tính toán các kích thước hình học và điện từ của động cơ roto lồng sóc.

II. Tính toán các kích thước cơ bản và dây quấn

Bước đầu tiên trong thiết kế đồ án máy điện động cơ không đồng bộ là xác định các kích thước cơ bản của stato và roto. Quá trình này bao gồm tính toán số đôi cực, đường kính ngoài và trong stato, công suất tính toán, và chiều dài lõi sắt. Dây quấn stato cần được thiết kế sao cho tạo ra từ trường phù hợp với các yêu cầu về công suất và tốc độ. Số rãnh stato, bước rãnh, số thanh dẫn tác dụng, số vòng dây nối tiếp của một pha, tiết diện và đường kính dây đều cần được tính toán chi tiết. Kiểu dây quấn và hệ số dây quấn ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và đặc tính làm việc của động cơ roto lồng sóc.

2.1. Xác định số đôi cực và kích thước stato

Số đôi cực được xác định dựa trên tốc độ định mức và tần số điện lưới. Với tần số fđm = 50Hz và tốc độ n = 2850 vòng/phút, số đôi cực p được tính toán từ công thức: n = 60f/p. Đường kính ngoài stato, đường kính trong stato và chiều dài lõi sắt được xác định để đảm bảo công suất và từ thông phù hợp. Các kích thước này ảnh hưởng đến khối lượng động cơ và hiệu suất tổng thể của roto lồng sóc.

2.2. Thiết kế dây quấn và các thông số liên quan

Số rãnh stato và bước rãnh được chọn để tối ưu hóa từ thông khe hở không khí. Số thanh dẫn tác dụng một rãnh và số vòng dây nối tiếp một pha quyết định điện áp cảm ứng. Tiết diện dây được tính toán dựa trên dòng điện định mức 13A để đảm bảo không quá tải. Hệ số dây quấn và mật độ từ thông khe hở không khí là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc.

III. Tính toán roto và mạch từ

Roto lồng sóc là thành phần quan trọng trong đồ án máy điện động cơ không đồng bộ. Thiết kế roto bao gồm xác định số rãnh roto, đường kính ngoài roto, bước răng, chiều rộng răng, đường kính trục, và kích thước vành ngắn mạch. Dòng điện trong thanh dẫn roto và vành ngắn mạch cần được tính toán chính xác để đảm bảo roto có khả năng chịu tải. Tiết diện thanh dẫn nhôm và tiết diện vành ngắn mạch được lựa chọn để giảm điện trở và tổn thất. Mạch từ của động cơ bao gồm tính toán hệ số khe hở không khí, sức từ động trên khe hở không khí, mật độ từ thông trên các phần khác nhau của roto lồng sóc.

3.1. Thiết kế cấu trúc roto lồng sóc

Số rãnh roto được chọn khác với số rãnh stato để giảm hiện tượng cogging. Đường kính ngoài roto phải nhỏ hơn đường kính trong stato để tạo khe hở không khí phù hợp. Bước răng được tính từ chu vi roto chia cho số rãnh. Chiều rộng răng roto ở 1/3 chiều cao được xác định để đảm bảo độ cứng và không bão hòa từ. Đường kính trục roto được thiết kế dựa trên mô-men xoắn định mức của động cơ không đồng bộ roto lồng sóc.

3.2. Tính toán mạch từ và thông số từ điện

Hệ số khe hở không khí quyết định độ khó của việc từ hóa mạch từ. Sức từ động trên khe hở không khí, trên răng stato, trên răng roto, và trên gông được tính để xác định tổng sức từ động. Mật độ từ thông ở các phần khác nhau phải nằm trong giới hạn để tránh bão hòa. Cường độ từ trường được tính từ mật độ từ thông nhân với độ từ dẫn của vật liệu. Dòng điện từ hóa được tính dựa trên tổng sức từ động chia cho số vòng dây một pha.

IV. Tính toán tham số làm việc và tổn thất

Bước cuối cùng trong đồ án máy điện động cơ không đồng bộ là tính toán các tham số làm việc và tổn thất trong động cơ roto lồng sóc. Điện trở tác dụng của dây quấn stato, roto và vành ngắn mạch được tính dựa trên độ dài dây, tiết diện và độ điện trở suất. Điện kháng stato và roto được tính từ hệ số từ dẫn tản của dây quấn. Các tham số này được sử dụng để xây dựng sơ đồ tương đương và tính toán đặc tính làm việc. Tổn thất trong động cơ bao gồm tổn thất đồng trên dây quấn, tổn thất sắt trong stato và roto, tổn thất cơ học và tổn thất tạp khác. Hiệu suất được tính bằng tỉ số công suất hữu ích trên công suất toàn phần.

4.1. Tính toán điện trở và điện kháng

Điện trở tác dụng của dây quấn stato được tính từ công thức: R = ρl/A, trong đó ρ là độ điện trở suất, l là chiều dài dây, A là tiết diện dây. Chiều dài dây quấn một pha bao gồm phần dây trong rãnh và phần đầu nối. Điện trở roto được quy đổi về phía stato để dễ tính toán. Hệ số từ dẫn tản bao gồm hệ số tản rãnh, hệ số tản tạp, hệ số tản do phần đầu nối và hệ số tản do rãnh nghiêng. Điện kháng được tính từ hệ số từ dẫn tản nhân với điện kháng không tải.

4.2. Phân tích tổn thất và hiệu suất động cơ

Tổn thất đồng trong dây quấn stato được tính từ I²R, với I là dòng điện định mức 13A. Tổn thất sắt được tính dựa trên mật độ từ thông và tần số. Tổn thất cơ học bao gồm tổn thất do ma sát và gió. Tổn thất tạp được ước tính từ công suất input. Hiệu suất η = 78% được xác định từ tỉ số công suất output trên công suất input. Quá trình tính toán chi tiết các tổn thất giúp tối ưu hóa thiết kế động cơ không đồng bộ roto lồng sóc để đạt hiệu suất cao nhất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I : Tính toán các kích thước cơ bản và dây quấn của động cơ…………………………………………………………………. Số đôi cực…………………………………………………………………. Đường kính ngoài stato……………………………………………………. Đường kính trong stato……………………………………………………….

Công suất tính toán……………………………………………………. Chiều dài tính toán của lõi sắt Stato(l)…………………………………. Lập phương án so sánh………………………………………………. Dòng điện pha định mức……………………………………………….22 Chương II : Tính toán kích thước vùng rãnh dây stato…………… II.

Số rãnh Stato……………………………………………………. Bước rãnh stato………………………………………………. Số thanh dẫn tác dụng của một rãnh………………………………. Số vòng dây nối tiếp của một pha dây quấn stato………………….

Tiết diện và đường kính dây…………………………………………. Kiểu dây quấn………………………………………………………. Hệ số dây quấn………………………………………………………. Từ thông khe hở không khí……………………………………………….

Mật độ từ thông khe hở không khí………………………………………. Sơ bộ định chiều rộng của răng…………………………………………. Sơ bộ chiều cao gông stato……………………………………………….……26 1 ĐỒ ÁN MÔN MÁY ĐIỆN Thiết kế động cơ 1 pha không đồng bộ rôto lồng sóc II. Sơ bộ định chiều rộng của răng……………………………………….

Bề rộng răng stato……………………………………………………….Chiều cao gông từ Stato……………………………………………….………28 Chương III : Tính toán khe hở không khí……………………………. Khe ở không khí…………………………………………………….29 Chương IV : Tính toán rôto………………………………………………………. Số rãnh Rôto……………………………………………………. Đường kính ngoài Rôto……………………………………………………….

Bước răng Rôto………………………………………………………………. Xác định sơ bộ chiều rộng răng Rôto…………………………………. Đường kính trục Rôto…………………………………………………. Dòng điện trong thanh dẫn Rôto……………………………………….

Dòng điện trong vành ngắn mạch…………………………………………. Tiết diện thanh dẫn bằng nhôm…………………………………………. Tiết diện vành ngắn mạch…………………………………………………. Kích thước rãnh rôto và vành ngắn mạch………………………………….

Diện tích rãnh rôto………………………………………………………. Diện tích vành ngắn mạch……………………………………………………. Bề rộng răng rôto ở 1/3 chiều cao răng. Chiều cao gông Rôto.

Làm nghiêng rãnh ở Rôto…………………………………………………….34 Chương V : Tính toán mạch từ……………………………………………. Hệ số khe hở không khí……………………………………………. Sức từ động trên khe hở không khí…………………………………………….3 Mật độ từ thông ở răng stato……………………………………………………. Cường độ từ trường trên răng stato…………………………………………….

Sức từ động trên răng stato…………………………………………………. Mật độ từ thông ở răng rôto…………………………………………………….36 2 ĐỒ ÁN MÔN MÁY ĐIỆN Thiết kế động cơ 1 pha không đồng bộ rôto lồng sóc V. Cường độ từ trường trên răng rôto…………………………………………. Sức từ động trên răng rô to……………………………………………………37 V.

Hệ số bão hòa răng………………………………………………. Mật độ từ thông trên gông stato………………………………. Cường độ từ trường ở gông stato……………………………………. Chiều dài mạch từ ở gông stato……………………………….

Sức từ động ở gông stato………………………………………. Mật độ từ thông trên gông rô to…………………………………. Cường độ từ trường ở gông rô to……………………………………. Chiều dài mạch từ ở gông rô to……………………………………….

Sức từ động trên gông rô to………………………………………. Tổng sức từ động của mạch từ S……………………………………. Hệ số bão hòa toàn mạch………………………………………………. Dòng điện từ hóa………………………………………………………………39 Chương VI : Tính toán các tham số làm việc của động cơ……………… VI.

Chiều dài phần đầu nối của dây quấn stato……………………………………39 VI. Chiều dài trung bình nữa vòng dây của dây quấn stato………………………. Chiều dài dây quấn một pha của stato. Điện trở tác dụng của dây quấn stato………………………………………….

Điện trở tác dụng của dây quấn rô to…………………………………………. Điện trở vành ngắn mạch……………………………………………………. Điện trở rô to…………………………………………………………………. Hệ số quy đổi…………………………………………………………….

Điện trở rô to đã quy đổi………………………………………………………42 VI. Hệ số từ dẫn tản rãnh stato……………………………………………. Hệ số từ dẫn tản tạp stato……………………………………………. Hệ số từ tản phần đầu nối…………………………………………………….

Hệ số từ dẫn tản stato…………………………………………………………44 3 ĐỒ ÁN MÔN MÁY ĐIỆN Thiết kế động cơ 1 pha không đồng bộ rôto lồng sóc VI. Điện kháng dây quấn stato……………………………………………………44 VI. Hệ số từ dẫn tản rãnh rô to……………………………………………. Hệ số từ dẫn tản tạp rô to………………………………………………….

Hệ số từ tản phần đầu nối…………………………………………………. Hệ số từ tản do rãnh nghiêng………………………………………………. Hệ sô từ dẫn rôto……………………………………………………………46 VI. Hệ số từ tản rô to……………………………………………………………46 VI.

Điện kháng rô to đã quy đổi………………………………………………. Tinh theo đơn vị tương đối…………………………………………………. Điện trở hổ cảm……………………………………………………………. Tính lại KE………………………………………………………………….47 Chương VII : Tính toán tổn thất trong động cơ……………………….

Trọng lượng răng stato………………………………………………………48 VII. Trọng lượng gông stato……………………………………………………. Tổn hao chính trong thép……………………………………………………. Tổn hao phụ trong thép stato và rô to……………………………………….

Tổn hao trên bề mặt răng stato………………………………………………. Tổn hao trên răng rôto………………………………………………………. Tổn hao đập mạch trên răng stato…………………………………. Tổn hao đập mạch trên răng rôto………………………………………….

Tổn hao trong thép lúc không tải……………………………………………. Tổn hao không tải………………………………………………………. Hiệu suất của động cơ………………………………………………………52 Chương VIII:Đặc tính làm việc…………………. Bội số mômen cực đại……………………………………………………….55 Chương IX : T ính toán đặc tính làm việc của động cơ………… 4 ĐỒ ÁN MÔN MÁY ĐIỆN Thiết kế động cơ 1 pha không đồng bộ rôto lồng sóc IX.

Tham số động cơ điện khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài khi s=1……………. Tham số động cơ điện khi xét đến hiệu ứng mặt ngoài…………………. Những tham số ngắn mạch…………………………………………………. Dòng điện khởi động…………………………………………………………63 IX.

Bội số mômen khơi động ………………………………………………. Bội số mômen cựcđại……………………………………………….63 Chương X: Tính toán quá trình tổn hao cho động cơ……………. Nhiệt trở trên mặt lõi sắt stato………………………………………………65 X. Nhiệt trở phần đầu nối dây quấn stato………………………………………66 X.

Nhiệt độ đặc trưng cho độ chênh nhiệt giữa không khí nóng trong máy……66 X. Nhiêt trở bè mặt ngoài vỏ máy. Nhiệt trở trên lớp cách điện…………………………. Độ tăng nhiệt của vỏ máy vơi môi trường………………………….

Đọ tăng nhiệt của dây quấn stato……………………………………………69 X. Độ tăng nhiệt của lõi stato………………………………………………….70 Chương XI: Tính toán tụ điện khởi động …………………………… XI.1 Tính toán tự khởi động……………………………………….70 5 ĐỒ ÁN MÔN MÁY ĐIỆN Thiết kế động cơ 1 pha không đồng bộ rôto lồng sóc Những vấn đề chung về động cơ không đồng bộ I. Đại cương về máy điện không đồng bộ : Máy điện không đồng bộ do kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, sử dụng và bảo quản thuận tiện, giá thành rẽ 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 động cơ công suất nhỏ và trung bình.

Nhược điểm của động cơ này là điều chỉnh tốc độ khó khăn và dòng điện khởi động lớn thường bằng 6-7 lần dòng điện định mức. Để bổ khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo đông cơ 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 tốc được tốc độ trong một chừng mực nhất định, có thể tạo một mômen khởi động lớn mà dòng khởi động không lớn lắm, nhưng chế tạo có khó hơn so với với loại rôto lồng sóc, do đó giá thành cao hơn, bảo quản cũng khó hơn. 6 ĐỒ ÁN MÔN MÁY ĐIỆN Thiết kế động cơ 1 pha không đồng bộ rôto lồng sóc 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 rôto động cơ điện. Trong các động cơ rôto lồng sóc đúc nhôm thì cánh quạt nhôm được đúc trực tiếp lên vành ngắn mạch. Loại động cơ điện theo cấp bảo vệ IP44 thường nhờ vào cánh quạt đặt ở ngoài vỏ máy để thổi gió ở mặt ngoài vỏ máy, do đó tản nhiệt có kém hơn do với loại IP23 nhưng bảo dưỡng máy dễ dàng hơn. Hiện nay các nước đã sản xuất động cơ điện không đồng bộ theo dãy tiêu chuẩn.

Dãy động cơ không đồng bộ công suất từ 0,55-90 kW ký hiệu là K theo tiêu chuẩn Việt Nam 1987-1994 được ghi trong bảng 10-1 (Trang 228 TKMĐ). Theo tiêu chuẩn này, các động cơ điện không đồng bộ trong dãy đều chế tạo theo kiểu IP44. Ngoài tiêu chuẩn trên còn có tiêu chuẩn TCVN 315-85, quy định dãy công suất động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc từ 110 kW-1000 kW, gồm có công suất sau: 110,160, 200, 250, 320, 400, 500, 630, 800 và 1000 kW. Ký hiệu của một động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc được ghi theo ký hiệu về tên gọi của dãy động cơ điện, ký hiệu về chiều cao tâm trục quay, ký hiệu về kích thước lắp đặt dọ trục và ký hiệu về số trục.

Cấu tạo của động cơ không đồng bộ : Động cơ không đồng bộ về cấu tạo được chia làm hai loại:động cơ không đồng bộ ngắn mạch hạy còn gọi là động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc và động cơ dây quấn. Stato (phần tĩnh) : Stato bao gồm vỏ máy, lõi thép và dây quấn. - Vỏ máy : Vỏ máy là nơi cố định lõi sắt, dây quấn và đồng thời là nơi ghép nối nắp hay gối đỡ trục. Vỏ máy có thể làm bằng gang nhôm hay lõi thép.

Để chế tạo vỏ máy người ta có thể đúc, 7 ĐỒ ÁN MÔN MÁY ĐIỆN Thiết kế động cơ 1 pha không đồng bộ rôto lồng sóc hàn, rèn. Vỏ máy có hai kiểu: vỏ kiểu kín và vỏ kiểu bảo vệ. Vỏ máy kiểu kín yêu cầu phải có diện tích tản nhiệt lớn người ta làm nhiều gân tản nhiệt trên bề mặt vỏ máy. Vỏ kiểu bảo vệ thường có bề mặt ngoài nhẵn, gió làm mát thổi trực tiếp trên bề mặt ngoài lõi thép và trong vỏ máy.

Hộp cực là nơi để dấu điện từ lưới vào. Đối với động cơ kiểu kín hộp cực yêu cầu phải kín, giữa thân hộp cực và vỏ máy với nắp hộp cực phải có giăng cao su. Trên vỏ máy còn có bulon vòng để cẩu máy khi nâng hạ, vận chuyển và bulon tiếp mát. - 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 những lá thép kỹ thuật điện dây 0,5mm ép lại. Yêu cầu lõi sắt là phải dẫn từ tốt, tổn hao sắt nhỏ và chắc chắn. 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 (hạn chế dòng điện phuco). - Dây quấn : Dây quấn stator được đặt vào rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt.

Dây quấn đóng vai trò quan trọng của máy điện vì nó trực tiếp tham gia các quá trình biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng hay ngược lại, đồng thời về mặt kinh tế thì giá thành của dây quấn cũng chiếm một phần khá cao trong toàn bộ giá thành máy. - Lõi sắt : Lõi sắt của rôto bao gồm các lá thép kỹ thuật điện như của stator, điểm khác biệt ở đây là không cần sơn cách điện giữa các lá thép vì tần số làm việc trong rôto rất thấp, chỉ vài Hz, nên tổn hao do dòng phuco trong rôto rất thấp. Lõi sắt được ép trực tiếp lên trục máy hoặc lên một giá rôto của máy. Phía ngoài của lõi thép có xẻ rãnh để đặt dây quấn rôto.

8 ĐỒ ÁN MÔN MÁY ĐIỆN Thiết kế động cơ 1 pha không đồng bộ rôto lồng sóc - Dây quấn rôto : Phân làm hai loại chính: loại rôto kiểu dây quấn va loại rôto kiểu lồng sóc + Loại rôto kiểu dây quấn : Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato. Máy điện kiểu trung bình trở lên dùng dây quấn kiểu sóng hai lớp, vì bớt những dây đầu nối, kết cấu dây quấn trên rôto chặt chẽ. Máy điện cỡ nhỏ dùng dây quấn đồng tâm một lớp.