Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ không đồng bộ vạn năng rôto lồng sóc

Đồ án tốt nghiệp thiết kế động cơ không đồng bộ vạn năng. Trình bày chi tiết các bước tính toán, xác định thông số dây quấn stato và roto lồng sóc.

• Người hướng dẫn: Cô Nguyễn Hồng Thanh
• Trường học: Đại học
• Chuyên ngành: Thiết bị điện - Điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Động Cơ Không Đồng Bộ Vạn Năng
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái Niệm Về Thiết Kế Động Cơ Không Đồng Bộ Vạn Năng

Động cơ không đồng bộ vạn năng là loại motor điện được thiết kế đặc biệt có khả năng hoạt động với cả nguồn điện ba pha và một pha, giải quyết bài toán thực tế khi chỉ có lưới điện cung cấp một pha nhưng cần sử dụng động cơ ba pha. Thiết kế này sử dụng cùng một cuộn dây stata với cấu trúc độc đáo, cho phép thay đổi kết nối thông qua các phần tử khởi động khác nhau. Động cơ loại này phổ biến trong công nghiệp nhẹ, nông nghiệp, y tế và các ứng dụng dân dụng hàng ngày. Với công suất thường từ vài phần chục đến 750W, đôi khi lên đến 1,5KW, động cơ không đồng bộ vạn năng mang lại tính linh hoạt cao cho các nhà sản xuất và người sử dụng.

1.1. Đặc Điểm Chính Của Động Cơ Vạn Năng

Động cơ vạn năng sở hữu khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa kết nối ba pha và một pha mà không cần thay thế phần cứng chính. Điểm nổi bật là sử dụng cuộn dây chính và cuộn dây phụ với phần tử khởi động thích hợp. Cấu trúc này cho phép hạ giá thành công nghệ, đơn giản hóa sản xuất, và mở rộng ứng dụng thực tế.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn

Động cơ không đồng bộ vạn năng được sử dụng rộng rãi để kéo các máy tiện nhỏ, máy ly tâm, máy bơm nước, máy xoay xáy, quạt gió, và các thiết bị tự động. Trong trường hợp không có sẵn động cơ một pha, loại motor này trở thành lựa chọn tối ưu, giải quyết vấn đề thiết thực của nhiều ngành công nghiệp.

II. Quy Trình Thiết Kế Động Cơ Không Đồng Bộ Vạn Năng

Thiết kế động cơ không đồng bộ vạn năng yêu cầu tuân theo một quy trình khoa học gồm nhiều bước, từ xác định kích thước cơ bản đến tính toán kiểm tra chi tiết. Mỗi bước đều cần sự chính xác cao để đảm bảo hiệu suất motor đạt yêu cầu. Trong đồ án thiết kế này, phương pháp tính toán tối ưu được thực hiện trên cơ sở những nguyên lý thiết kế truyền thống, mặc dù hiện nay máy tính hỗ trợ đáng kể. Hiểu rõ các bước thủ công là nền tảng để thực hiện thiết kế tự động hiệu quả, đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.1. Xác Định Kích Thước Cơ Bản

Bước đầu tiên là xác định kích thước cơ bản của động cơ không đồng bộ, bao gồm đường kính lõi thép, chiều dài khoang, và các thông số hình học khác. Các thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến công suất, momen xoắn và hiệu suất hoạt động của motor.

2.2. Thiết Kế Cuộn Dây Stata

Thiết kế cuộn dây stata bao gồm xác định số vòng, tiết diện dây, cách nối kết cho ba pha và một pha. Cần tính toán kích thước rãnh stata phù hợp, đảm bảo khả năng chứa dây và tản nhiệt hiệu quả, tối ưu hóa hiệu suất motor vạn năng.

2.3. Tính Toán Cuộn Dây Rotor

Rotor loàng sóc được thiết kế với xác định kích thước rãnh rotor, số thanh dây rotor, và tiết diện dây. Các thông số này ảnh hưởng đến đặc tính khởi động, tốc độ, và hiệu suất khi động cơ không đồng bộ hoạt động ở cả hai chế độ ba pha và một pha.

III. Các Thông Số Cuộn Dây Chính và Phụ

Thông số cuộn dây là yếu tố quyết định hiệu suất của động cơ vạn năng. Cuộn dây chính (cuộn dây làm việc) được nối trực tiếp với lưới điện ba pha hoặc một pha, trong khi cuộn dây phụ kích thích bằng phần tử leệch pha như tụ điện. Sự lựa chọn đúng các thông số này, bao gồm số vòng, tiết diện dây, và cách nối kết, quyết định đặc tính khởi động, mômen xoắn, và hiệu suất năng lượng. Phần tử khởi động motor cần được tối ưu hóa để hoạt động hiệu quả trong cả hai chế độ, đảm bảo động cơ không đồng bộ vạn năng có khả năng ứng dụng rộng rãi.

3.1. Thông Số Cuộn Dây Ba Pha

Khi động cơ vạn năng hoạt động với lưới điện ba pha, cuộn dây stata được nối theo hình sao hoặc hình tam giác. Thông số cuộn dây ba pha bao gồm số vòng mỗi pha, tiết diện dây, điện áp định mức, và dòng điện định mức. Các giá trị này quyết định hiệu suất và khả năng tải của motor.

3.2. Thông Số Cuộn Dây Một Pha

Khi chuyển sang chế độ một pha, thông số cuộn dây phụ trở nên quan trọng. Tụ điện khởi động (capacitor) được lựa chọn để tạo ra trường quay phù hợp. Động cơ không đồng bộ vạn năng cần thông số tụ điện chính xác để đạt được hiệu suất tốt nhất, đặc biệt là đặc tính khởi động.

IV. Tính Toán Kiểm Tra Và Tối Ưu Hóa Hiệu Suất

Tính toán kiểm tra là bước cuối cùng nhưng vô cùng quan trọng trong thiết kế động cơ không đồng bộ vạn năng. Quá trình này bao gồm kiểm tra các thông số điện từ, tính toán losses, hiệu suất năng lượng, và mômen xoắn. Phương pháp tính toán tối ưu sử dụng các công thức lý thuyết kết hợp với kinh nghiệm thực tế để đảm bảo động cơ đáp ứng yêu cầu thiết kế. Mặc dù máy tính hiện đại hỗ trợ tính toán, việc hiểu biết sâu sắc về phương pháp thủ công là cơ sở để phát triển hệ thống thiết kế tự động hiệu quả, đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm cuối cùng.

4.1. Kiểm Tra Hiệu Suất Điện Từ

Kiểm tra hiệu suất điện từ của động cơ không đồng bộ vạn năng bao gồm tính toán từ thông, cảm ứng từ, và mô men xoắn. Tính toán tối ưu đảm bảo rằng động cơ có khả năng khởi động tốt, tốc độ ổn định, và hiệu suất cao ở cả hai chế độ ba pha và một pha.

4.2. Đánh Giá Tổng Thể Và Cải Tiến

Đánh giá tổng thể động cơ vạn năng xem xét hiệu suất năng lượng, losses nhiệt, chi phí sản xuất, và độ bền. Quá trình này giúp xác định những điểm cần cải tiến, tối ưu hóa thiết kế động cơ để đạt cân bằng tốt nhất giữa hiệu suất, chi phí, và tính khả thi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Ñoà aùn toát nghieäp LÔØI NOÙI ÑAÀU Hieän nay ñoâng cô ñieän ñöôïc duøng phoå bieán trong nhieàu lónh vöïc saûn xuaát vaø ñôøi soáng .Trong taát caû caùc loaïi ñoäng cô hieän nay, thì ñoäng cô khoâng ñoàng boä coâng xuaát nhoû laø moät loaïi saûn phaåm coâng nghieäp ñöôïc phaùt trieån maïnh meõ trong gaàn nöõa theá kyû. Ngöôøi ta giôùi haïn coâng suaát cuûa ñoäng cô coâng suaát nhoû trong khoaûng vaøi phaàn oaùt ñeán 750W, nhöng cuõng coù khi cheá taïo ñeán 1,5KW. Caên cöù vaøo caùch söû duïng vaø laøm vieäc hoaëc coù theå chia ñoäng cô naøy thaønh nhieàu loaïi, trong coù hai loaïi chính: loaïi coâng duïng vaø loaïi ñaëc bieät. Ñoäng cô coâng suaát nhoû loaïi thoâng duïng chuû yeáu ñöôïc duøng trong coâng nghieäp nheï, coäng nghieäp thöïc phaåm, xí nghieäp y teá, noâng nghieäp, caùc ngaønh tieåu thuû coâng nghieäp vaø söû duïng roäng raûi trong ñôøi soáng haøng ngaøy.Cuõng coù khi duøng trong caùc loaïi trang bò töï ñoäng laøm ñoäng cô keùo phuï.

Loaïi sau duøng trong trang bò töï ñoäng, haøng khoâng, taøu thuûy vaø cô caáu khoáng cheá khaù. Ñoäng cô khoâng ñoàng boä roâto loàng soùc coâng suaát nhoû ba pha vaø moät pha laø loaïi phoå bieán nhaát trong caùc loaïi ñoäng cô xoay chieàu coâng suaát nhoû. Coù theå duøng caùc ñoäng cô naøy ñeå keùo caùc maùy tieän nhoû, maùy ly taâm, maùy Trang 1 Ñoà aùn toát nghieäp neùn, maùy bôm nöôùc, maùy xoay xaùt nhoû, quaït gioù, maùy ghi aâm … Trong thöïc teá ngöôøi ta thöôøng gaëp tröôøng hôïp coù ñoäng cô ñieän ba pha nhöng chæ coù löôùi ñieän cung caáp moät pha. Gaëp tröôøng hôïp naøy, tröôùc ñaây ta phaûi quaán laïi ñoäng cô ñieän nhöng hieän nay vaán ñeà ñoù ñöôïc giaûi quyeát.

Ñeå haï giaù thaønh coâng ngheä ñôn giaûn vaø söû duïng thuaän lôïi, ngöôøi ta coøn cheá taïo moät loaïi ñoäng cô ñieän coù keát caáu daây quaán vaø daây quaán chung cho taát caû caùc loaïi ñoäng cô ñieän coâng suaát nhoû töùc laø thoâng duïng cho caû ba pha vaø moät pha (vôùi caùc loaïi phaàn töû khôûi ñoäng khaùc nhau) goïi taét laø ñoäng cô ñieän khoâng ñoàng boä coâng suaát nhoû vaïn naêng. Hieän nay phöông phaùp tính toaùn thieát keá toái öu cho caùc loaïi ñoäng cô khoâng ñoàng boä roâto loàng soùc ñeàu ñöôïc thöïc hieän baèng maùy tính. Nhöng ñeå thöïc hieän ñöôïc vieäc thieát keá töï ñoäng cuõng phaûi naém vöõng caùch thieát keá baèng phöông phaùp thoâng thöôøng. Trong ñoà aùn thieát keá naøy ñoäng cô khoâng ñoàng boä roâto loàng soùc vaïn naêng (laøm vieäc vôùi nguoàn ba pha vaø moät pha) ñöôïc thieát keá vôùi caùc böôùc sau : 1.

Xaùc ñònh kích thöôùc cô baûn. Trang 2 Ñoà aùn toát nghieäp 2. Xaùc ñònh caùc thoâng soá daây quaán ñoái vôùi nguoàn ba pha vaø thoâng soá daây quaán chính ñoái nguoàn moät pha. Xaùc ñònh kích thöôùc raêng raõnh stata.

Xaùc ñònh kích thöôùc raêng raõnh roâto. Xaùc ñònh caùc thoâng soá daây quaán pha phuï. Tính toaùn kieån tra. Trong thôøi gian laøm ñoà aùn thieát keá naøy em ñöôïc söï chæ baûo taän tình cuûa coâ giaùo Nguyeãn Hoàng Thanh.

Neân ñaõ hoaøn thaønh ñöôïc noäi dung caùc phaàn tính toaùn thieát keá. Nhöng do thôøi gian vaø trình ñoä coù haïn neân trong quaù trình tính toaùn thieát keá khoâng traùnh khoûi nhöõng sai soùt. Em raát mong thaày coâ goáp yù theâm cho em ñeå hoaøn thaønh ñoà aùn toát hôn. Cuoái cuøng em xin chaân thaønh caûm ôn caùc thaày coâ giaùo boä moân Thieát Bò Ñieän_Ñieän Töû ñaõ taïo ñieàu kieän giuùp ñôõ em trong suoát quaù trình hoaøn thaønh ñoà aùn toát nghieäp, ñaëc bieät laø coâ Nguyeãn Hoàng Thanh.

Haø Noäi: ngaøy 19 thaùng 05 naêm 2005 Sinh vieân thieát keá Trang 3 Ñoà aùn toát nghieäp Trang 4 Ñoà aùn toát nghieäp PHAÀN I TÌM HIEÅU PHÖÔNG PHAÙP THIEÁT KEÁ ÑOÄNG CÔ KHOÂNG ÑOÀNG BOÄ VAÏN NAÊNG Thöïc chaát cuûa vieäc thieát ñoäng cô khoâng ñoàng boä vaïn naêng laø thieát keá ñoäng cô khoâng ñoàng boä ba pha vaø moät pha. Do ñoù ta ñi tìm hieåu ñoäng cô khoâng ñoàng boä vaïn naêng nhö sau: Trong thöïc teá khi khoâng coù ñoäng cô moät pha ta söû duïng ñoäng cô ba pha ñeå laøm vieäc vôùi löôùi ñieän moät pha. Trong tröôøng hôïp naøy cuoän daây ba pha ñöôïc noái vôùi phaàn töû leäch pha theo moät sô ñoà nhaát ñònh ñeå taïo ra töø tröôøng quay, thoâng thöôøng laø töø tröôøng quay khoâng ñoái xöùng.20 veõ caùc sô ñoà maïch ñieän khaùc nhau thöôøng gaëp cuûa ñoäng cô khoâng ñoàng boä ba pha khi laøm vieäc vôùi löôùi ñieän moät pha. Caùc sô ñoà hình 3.20a, b, c söû duïng khi caùc pha cuûa cuoän daây stato noái cöùng hình sao, caùc sô ñoà hình 3.20 d, d’, e ñöôïc söû duïng khi cuoän daây stato noái cöùng theo hình tam giaùc.

Caùc sô ñoà c, e ñöôïc coi laø toát nhaát trong caùc sô ñoà treân vì coù theå cho ñaëc tính khôûi ñoäng vaø laøm vieäc töông ñoái toát neáu choïn ñuùng ñieän dung cuûa tuï. Caùc sô ñoà 3.20 g, h ñöôïc söû duïng trong tröôøng hôïp ñoäng cô coù saùu ñaàu ra. Khi maéc maïch daây quaán theo caùc sô ñoà treân ñoäng cô gaàn nhö khoâng khaùc so vôùi ñoäng cô hai Trang 5 Ñoà aùn toát nghieäp pha thoâng thöôøng: hai pha maéc noái tieáp taïo ra cuoän daây chính(cuoän daây laøm vieäc), cuoän coøn laïi laø cuoän phuï (cuoän khôûi ñoäng) leäch pha 900 ñieän so vôùi cuoän chính. Ñoäng cô khoâng ñoàng boä vaïn naêng laø ñoäng cô coù theå laøm vieäc vôùi löôùi ñieän ba pha cuõng nhö löôùi ñieän moät pha xoay chieàu.

Nhöõng ñoäng cô naøy ñöôïc cheá taïo nhö nhöõng ñoäng cô ba pha nhöng ñöôïc tính toaùn sao cho vôùi sô ñoà maéc maïch nhaát ñònh coù theå cho ra nhöõng ñaëc tính chaáp nhaän ñöôïc khi laøm vieäc vôùi löôùi ñieän moät pha. Thoâng thöôøng khi nuoâi baèng nguoàn ñieän moät pha ñoäng cô coù ñaëc tính laøm vieäc vaø khôûi ñoäng keùm hôn vaø coâng suaát chæ baèng 70% ñeán 85% coâng suaát cuûa ñoäng cô khi duøng nguoàn ba pha. Caàn chuù yù raèng khoâng phaûi baát cöù ñoäng cô khoâng ñoàng boä ba pha naøo cuõng ñeàu coù theå chuyeån sang laøm vieäc vôùi löôùi ñieän moät pha. Tæ soá raêng raõnh giöõa stato vaø goâng roâto phaûi thích hôïp khoâng chæ cho ñoäng cô khoâng ñoàng boä roâto loàng soùc ba pha maø caû moät pha.

U1 U1 R L R a) b) Trang 6 Ñoà aùn toát nghieäp U1 U1 C L R U1 c) U1 d) L C R Trang 7 g) h) Ñoà aùn toát nghieäp U1 U1 R L C d ') e) Hình 3.20 Sô ñoà maéc maïch ñieän cuûa ñoäng cô ba pha ñeå laøm vieäc vôùi nguoàn moät pha.  Söï khaùc bieät giöõa thieát keá ba pha vaø moät pha cuûa ñoäng cô khoâng ñoàng boä vaïn naêng: Khi nghieân cöùu thieát keá ñoäng cô khoâng ñoàng boä vaïn naêng laø ta ñi tìm hieåu phöông phaùp thieát keá rieâng töøng Trang 8 Ñoà aùn toát nghieäp phaàn cho töøng loaïi rieâng bieät (ba pha, moät pha). Sau khi ta thieát keá xong cho ba pha xong ta tieán haønh veõ ñaëc tính laøm vieäc cho ba pha vaø xem taát caùc yeâu caàu maø nhaø thieát keá ñöa ra. Tröôùc khi ñi vaøo thieát keá cho moät pha ta phaûi tìm hieåu theâm veà thieát keá ñoäng cô khoâng ñoàng boä moät pha roâto loàng soùc.

Maø baøi toaùn noùi veà thieát keá cho moät pha noù lieân quan ñeán ba pha maø ta ñaõ thieát keá vöøa xong. Do ñoù ta phaûi thieát keá nhieàu laàn môùi thoaûi maõn maø yeâu caàu maø nhaø thieát keá ñöa ra veà toác ñoä, coâng suaát, boäi soá moâmen khôûi ñoäng, boäi soá moâmen max … Do ñoù muoán tìm hieåu roõ hôn chuùng ta seõ ñi vaøo trình töï thieát keá cho ba pha vaø moät pha cuûa ñoäng cô khoâng ñoàng boä vaïn naêng. Sau ñaây ta seõ tieán haønh ñi thieát keá cho ñoäng cô cho ba pha cuûa ñoäng cô vaïn naêng. Trang 9 Ñoà aùn toát nghieäp PHAÀN II CHÖÔNG I XAÙC ÑÒNH KÍCH THÖÔÙC CHUÛ YEÁU 1.Coâng suaát ñieän möùc cuûa ñoäng cô ñieän ba pha ñaúng trò : Vôùi : Heä soá qui ñoåi tra theo saùch ñoäng cô khoâng ñoàng boä ba pha vaø moät pha coâng suaát nhoû cuûa thaày Traàn Khaùnh Haø (taøi lieäu 1) trang 19 vôùi ñoäng cô ba pha.Coâng suaát tính toaùn cuûa ñoäng cô ñieän ba pha : Trang 10 Ñoà aùn toát nghieäp Trong ñoù : Choïn Choïn 3.Xeùt ñeán yeâu caàu tieáng oàn ít, duøng theùp caùn nguoäi kyù hieäu 2013: Choïn maät ñoä töø thoâng khe hôû khoâng khí theo taøi lieäu 1 trang 23.Choïn taûi ñöôøng : Taûi ñöôøng A=90  180 (A/cm) Choïn taûi ñöôøng A=157,517 (A/cm) theo taøi lieäu 1 trang 23 5.Ñöôøng kính ngoaøi stato : Theo taøi lieäu 1 trang 24 ta choïn nhö sau :  Tyû leä giöõa chieàu daøi loõi theùp vôùi ñöôøng kính trong vaø ñöôøng kính trong loõi saét  Tyû leä giöõa ñöôøng kính trong vaø ngoaøi : Maø KD=(0,485 0,615) Ta choïn  Sô boä ñöôøng kính ngoaøi : Trang 11 Ñoà aùn toát nghieäp Trong ñoù : (voøng/phuùt) Theo taøi lieäu 1 trang 26 caên cöù vaøo ñöôøng kính ngoaøi tieâu chuaån cuûa daõy 4A theo chieàu cao taâm truïc ta choïn nhö sau : 6.Ñöôøng kính trong stato : 7.Böôùc cöïc stato : 8.Chieàu daøi tính toaùn stato : 9.Choïn khe hôû khoâng khí : Khe hôû khoâng khí ñoäng cô ñieän coâng suaát nhoû thöôøng choïn trong khoaûng sau : Vôùi 2p=2 vaø Hn=9 (cm) tra ñöôïc theo saùch thieát keá maùy ñieän cuûa thaày Traàn Khaùnh Haø vaø coâ Nguyeãn Hoàng Thanh trang 253.

Trang 12 Ñoà aùn toát nghieäp CHÖÔNG II DAÂY QUAÁN , RAÕNH VAØ GOÂNG STATO Vieäc choïn soá raõnh cuûa ñoäng cô ñieän coâng suaát nhoû ôû stato ZS vaø soá raõnh roâto ZR coù quan heä maät thieát vôùi nhau. Khi xeùt ñeán quan heä ñoù phaûi chuù yù ñeán caùc yeáu toá sau ñaây : Trang 13 Ñoà aùn toát nghieäp  Ñaëc tính moâmen M=f(n) khoâng coù choå loõm nhieàu do nhöõng moâmen kyù sinh ñoàng boä vaø khoâng ñoàng boä sinh ra.  Ñoäng cô khi laøm vieäc tieáng oàn do löïc höôùng taâm sinh ra nhoû nhaát.  Toån hao do phaàn raêng sinh ra nhoû nhaát.

Ngoaøi ra khi cho ñöôøng kính ngoaøi stato vieäc choïn soá raõnh ZS coøn phuï thuoäc vaøo chieàu roäng raêng nhoû nhaát maø coâng ngheä cho pheùp. Choïn ZS=24 raõnh ZR=17 raõnh 10.Choïn kieåu daây quaán : Choïn daây quaán ñoàng khuoân böôùc ngaén. Khi söû duïng ñoäng cô ñieän ba pha laøm ñoäng cô ñieän moät pha ta neân duøng daây quaán böôùc ngaén ñeå giaûm soùng khoâng gian baäc 3 cuûa töø thoâng laøm aûnh höôûng ñeán ñaëc tính khôûi ñoäng cuûa ñoäng cô ñieän moät pha. Vôùi ZS=24 raõnh 2p=2 m=3  Soá raõnh cuûa moät pha döôùi moät cöïc : Trang 14 Ñoà aùn toát nghieäp  Heä soá böôùc ngaén :  Böôùc daây quaán :  Goùc ñieän giöõa hai raõnh lieân tieáp : 11.Heä soá daây quaán : Trong ñoù : :baäc moät cuûa söùc töø ñoäng 12.