TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN ĐIỆN
BỘ MÔN THIẾT BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
--🙞🕮🙜--
BÀI TẬP LỚN THIẾT KẾ MÁY ĐIỆN
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ROTO LỒNG
SÓC 5.5KW
Giảng viên hướng dẫn
TS. Nguyễn Vũ Thanh
Sinh viên thực hiện
Hoàng Duy Tính
MSSV
20174266
Hà Nội – 06/2021
MỤC LỤC
I. Yêu cầu thiết kế ......................................................................................................... 3
II. Các bước thiết kế ...................................................................................................... 3
1. Kích thước chủ yếu của stato ................................................................................ 3
2. Dây quấn stato ....................................................................................................... 5
3. Kích thước rãnh Stato .......................................................................................... 10
4. Rãnh rotor ............................................................................................................ 14
5. Dòng điện từ hoá ................................................................................................. 18
6. Tính toán điện trở và điện kháng ......................................................................... 20
7. Tính toán tổn hao và hiệu suất............................................................................. 26
8. Tính toán đặc tính làm việc ................................................................................. 29
9. Tính toán nhiệt ..................................................................................................... 31
III. Kết quả mô phỏng Ansys Maxwell....................................................................... 33
1. Nhập thông số của động cơ vào phần mềm ......................................................... 33
2. Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 36
3. Nhận xét các kết quả đạt được............................................................................. 40
2
I. Yêu cầu thiết kế
Các yêu cầu thiết kế chính bao gồm:
• Công suất định mức: Pn[W] = 5.5kW
• Điện áp dây: V1[V] = 400
• Tần số nguồn điện: f1[Hz] = 50
• Số pha: m =3
• Số cực:2p= 4
• Chiều cao tâm trục: 132mm
• Tốc độ đồng bộ: n1[rpm] = 1500
• Tốc độ trên trục định mức: 1460
• Dòng điện định mức: In[A] = 10.8
• Bội số dòng điện khởi động: IS/IN = 7.1
• Momen định mức: Tn[Nm] = 36
• Bội số momen khởi động: TI/TN = 2.2
• Bội số momen cực đại: Tb/TN = 3.2
• Hệ số công suất cosφ = 0.80
• Hiệu suất định mức ƞ=89%
• Cấp cách điện: F, tăng nhiệt dây quấn độ cấp B.
• Mức độ bảo vệ: IP55
II. Các bước thiết kế
1. Kích thước chủ yếu của stato
Theo yêu cầu thiết kế, số cực là 2p1 = 4 hay số đôi cực p1 = 2.
• Đường kính trong stato được tính theo công thức:
Dis = 3
2 p1 p1S gap
f1C0
trong đó Sgap là công suất tính toán:
S gap =
K P
 cos 
E
n
=
n
1n
0.97*5.5*103
= 7493 (VA)
0.89*0.8
3
với KE = 0.98 – 0.005p1=0.97
Từ các kinh nghiệm quá khứ, hệ số λ được cho như trong bảng 1:
Bảng 1. Hệ số tỉ lệ λ
Theo Figure 1, với số cực bằng 4, Sgap tính được ở trên ta tìm được C0 = 145J/dm3 và
chọn λ = 1.32. Từ đó tính được đường kính trong stato Dis là:
2 p1 p1S gap
Dis = 3
f1C0
= 0.1259m
Hình 1. C0 với SgapS
• Chiều dài tác dụng của lõi sắt là:
L=
 Dis
= 0.1305m
2 p1
=
 Dis
= 0.0989m
2 p1
• Bước cực:
Chọn số rãnh /1 pha/ 1 cực :q = 3, thông thường q lớn làm giảm sóng hài bậc cao và
giảm tổn hao.
4
• Bước rãnh stato τs là:
s =

= 0.011m
3q
• Từ kinh nghiệm thực tiễn, tỷ lệ giữa đường kính trong và ngoài stato Dis /Dout
đối với động cơ dưới 100kW được cho dưới bảng sau:
Bảng 2. Tỉ lệ đường kính trong/đường kính ngoài
Với 2p = 2 ta chọn Dis /Dout = KD = 0.62. Suy ra Dout = 0.203 m
• Kích thước khe hở không khí đối với máy có
(
2p
1
2
)
g = 0.1 + 0.012 3 Pn 10−3 = 0.3110−3 m
Ở đây ta chọn g=0.35mm.
2. Dây quấn stato
•
Số rãnh stato là: N s = 2 p1qm = 36
• Số rãnh stator/bước cực: n =
N
2* p
=9
s
1
• Chọn dây quấn 2 lớp bước ngắn, số cạnh tác dụng y=7 → bước dây quấn:
=
y 7
=
n 9
• Góc lệch pha sức điện động 2 rãnh kề nhau:  ec =
2 p
N
s
1
=
2 2 
=
36
9
ƯCLN của số rãnh và số đôi cực(36,2) là 2 do đó số vector sức điện động là
Ns/t=36/2=18. Hình sao sức điện động có 18 vector và bố trí dây quấn trong các
rãnh ở hình sau:
5
Hình 2: Hình sao sức điện động và bố trí dây quấn trong các rãnh
• Hệ số quấn rải:
K q1 =
sin(
q
ec
2
)


q sin   ec 
 2 
= 0.9598
• Hệ số bước ngắn là:
K y1 = sin
 y
2 
= 0.9397
• Hệ số dây quấn là:
K w1 = K q1 K y1 = 0.9598*0.9397 = 0.9019
• Từ thông khe hở không khí được tính theo công thức:
 =  i LBg
Chọn mật độ từ thông khe hở không khí Bg = 0.78 T
6
Hệ số  i và hệ số hình dáng K f phụ thuộc vào hệ số bão hòa của răng 1 + K st theo hình
sau:
Hình 3: Hệ số hình Kf và hệ số hình dạng mật độ từ thông αi so với độ bão hòa răng
Ta lấy 1 + K st =1.5 suy ra K st =0.5,  i = 0.74, K f =1.08
Từ đó ta tính được  = i LBg = 0.00745Wb
• Số vòng dây 1 pha dây quấn stator:
400
K EV1 ph
3
W1 =
=
= 154.45
4 K f K w1 f1 4*1.08*0.9019*50*0.00745
0.97 *
• Số lượng thanh dẫn tác dụng của 1 rãnh là với số mạch nhánh song song a1 = 1
là:
ns =
a1W1
= 25.74
p1q
ns phải là một số chẵn vì có 2 cuộn dây riêng biệt trên mỗi rãnh trong cuộn dây hai lớp.
Do đó chọn ns =26. Suy ra W1 = p1qns =156 vòng.
7
• Ta tính lại mật độ từ thông khe hở không khí thực tế là Bg = 0.78
154.45
= 0.772T
156
• Dòng điện pha định mức:
I1n =
Pn
n cos n 3V1
=
5.5*1000
= 11.15 A
0.89*0.8. 3.400
Mật độ dòng điện tham khảo đối với động cơ hiệu suất cao
2
J cos = (4…7) A/ mm đối với 2 p1 =2,4
2
J cos = (5…8) A/ mm đối với 2 p1 =6,8
2
Tuy nhiên ta lấy J cos = 3.0 A/ mm để đáp ứng các yêu cầu đầu ra
• Tiết diện dây dẫn:
Aco =
I1n
2
= 3.716 mm
J cos a1
dco =
4 Aco
=2.175 mm

• Đường kính dây là:
Do đường kính tính toán lớn(>1.3mm) nên ta chọn số sợi chập ap=3
'
Tính lại đường kính mỗi sợi: dco =
4 Aco
= 1.255mm
 ap
Từ bảng kích thước dây dẫn phía dưới ta chọn đường kính mỗi sợi d=1.26mm
Vậy mỗi cuộn dây gồm 13 vòng, mỗi vòng gồm 3 sợi đơn chập lại.
8
Bảng 3. Đường kính dây theo tiêu chuẩn
9
3. Kích thước rãnh Stato
Vậy ta đã có số vòng trên mỗi rãnh ns và số sợi chập song song ap với đường kính sợi
đơn dCo’, ta có thể tính diện tích tác dụng của rãnh Asu với hệ số điền đầy rãnh Kfill. Với
dây dẫn tròn, ta chọn Kfill = 0.4
Asu =
 .dCo '.a p .ns
4.K fill
= 241.58mm2
Ở đây ta chọn kiểu rãnh hình thang có các kích thước kí hiệu như sau:
Hình 4: Kiểu rãnh stator và các kích thước rãnh
• Chiều cao miệng rãnh: hos = 0.5 mm
• Độ mở miệng rãnh: bos = 2.5 mm
• Chiều cao nêm: hw = 1mm
Giả sử từ thông KHKK dưới 1 bước rãnh bằng từ thông qua răng dưới 1 bước răng
Bg s L = Bts bts LK Fe
• Chọn ép chặt lõi sắt KFe ≈ 0.96, Bts=1.6T, bề rộng răng stato bs1 là:
bts =
Bg s
Bts K Fe
= 5.52mm
• Độ rộng rãnh phía nhỏ hơn:
10
bs1 =
 ( Dis + 2hos + 2hw )
Ns
− bts = 5.72mm
• Đường kính lớn của rãnh:
bs 2 = 4 Asu tan

Ns
+ bs21 = 10.83mm
• Chiều cao tác dụng của rãnh:
hs =
2 Asu
= 29.19mm
bs1 + bs 2
• Bây giờ chúng ta tiến hành tính toán hệ số bão hòa răng 1 + Kst :
1 + K st = 1 +
Fmts + Fmtr
Fmg
• Sức từ động khe hở không khí Fmg với Kc=1.3 là:
Fmg  K c .g.
Bg
0
= 279.61A.vòng
Với mật độ từ thông trên răng Bts=1.60T và đặc tính BH của thép M19 ở bảng sau:
11
Bảng 4: đặc tính BH của thép M19
Ta có cường độ từ trường trên răng H ts =2460 A/m
• Sức từ động răng stato Fmts là:
Fmts = H ts (hs + hos + hw ) = 75.5 A.vòng
• Sức từ động sơ bộ tương ứng răng roto Fmtr là:
Fmtr = K st Fmg − Fmts = 64.32 A.vòng
Giá trị này gần với trên răng stator nên ta tiếp tục tính toán.
• Chiều dày gông
hcs =
•
Dout − ( Dis + 2(hos + hw + hs )) 203 − (126 + 2(0.5 + 1 + 29.19))
=
= 7.88mm
2
2
Mật độ từ thông trên gông stator tương ứng Bcs là:
Bcs =

= 3.62T
2 Lhcs
Ta thấy giá trị Bcs quá lớn (1.4-1.7T). Để giải quyết ta sẽ điều chỉnh đường kính ngoài
của stator thành Dout’= 0.225m ta có
12
• Chiều dày gông sau điều chỉnh
hcs =
Dout − ( Dis + 2(hos + hw + hs )) 225 − (126 + 2(0.5 + 1 + 29.19))
=
= 18.88mm
2
2
• Mật độ từ thông trên gông sau điều chỉnh:
Bcs =

= 1.511T
2 Lhcs
• Cường độ từ trường trên gông sau điều chỉnh: H cs = 1432 A/m
13
4. Rãnh rotor
Bảng 5: Bảng chọn số rãnh rotor theo số rãnh stator
Với 2p1=4, ta lựa chọn số lượng rãnh roto là Nr=30
Ta có:
K I  0.8  cos 1n + 0.2 = 0.84
• Dòng điện trong thanh dẫn roto là:
Ib = K I
2mW1 K w1
I1n = 263.55 A
Nr
• Chọn mật động dòng điện trong thanh dẫn roto là Jb = 3.05 A/mm2. Diện tích
tác dụng của rãnh roto Ab là:
Ab =
Ib
= 86.41mm2
Jb
• Dòng điện vành ngắn mạch Ier là:
I er =
Ib
p
2sin 1
Nr
= 633.80 A
• Chọn mật độ dòng điện trong vành ngắn mạch là Jer =0.8. Jb =2.44A/mm2
14
Từ đó ta tính được tiết diện vành ngắn mạch Aer là:
Aer =
I er
= 259.8mm2
J er
Dựa trên yêu cầu momen khởi động lớn, chọn kiểu rãnh tròn với các kích thước dưới đây:
Hình 5: Sơ đồ hình học rãnh rotor
• Chiều cao miệng rãnh: hor = 1 mm
• Độ mở miệng rãnh: bor = 2,5 mm
• Bước răng roto τr là:
r =
 ( Dis − 2 g )
= 13.11mm
Nr
• Chọn mật độ từ thông trong răng roto Btr = 1.6T, bề rộng răng roto btr là:
btr 
Bg
 r = 6.59mm
K Fe Btr
• Đường kính ngoài roto Dre là:
Dre = Dis − 2 g = 126 − 2  0.35 = 125.3mm
15
• Tính được đường kính lớn d1 từ công thức:
d1 =
 ( Dre − 2hor ) − N r btr
= 5.71mm
 + Nr
• Với đường kính nhỏ của rãnh, ta có hệ phương trình:
Ab =

8
(d12 + d 2 2 ) +
d1 − d 2 = 2hr tan
(d1 + d 2 )hr
2

Nr
Từ đó ta rút ra được:
d2 =

1
Ab − d12 ( +
)
8 4 tan 
Nr
= 1.39mm

1
( −
)
8 4 tan 
Nr
• Và chiều cao tác dụng của rãnh là:
hr =
d1 − d 2
= 20.55mm

2 tan
Nr
• Giờ thì ta sẽ kiểm tra lại suất từ động răng roto Fmtr với Btr=1.6T, Htr=2460A/m :
Fmtr = H tr (hr + hor +
d1 + d 2
) = 61.74 A.vòng
2
Kết quả này gần với giá tri Fmtr sơ bộ (64.32 A.vòng) nên thiết kết này là chấp nhận
được
• Chọn Bcr = 1.60T, chiều cao gông roto là:
hcr =
 1

= 17.83mm
2 L Bcr
• Đường kính tối đa của trục quay Dshaft là:
16
( Dshaft ) max  Dis − 2 g − 2(hor +
d1 + d 2
+ hr + hcr ) = 39.3mm
2
• Momen định mức xấp xỉ bằng:
Ten =
Pn
f
2 1 (1 − Sn )
p1
= 35.97 Nm
Kích thước vành ngắn mạch được mô tả như hình
Hình 6: Mặt cắt vòng ngắn mạch
Chênh lệch
Dre − Der = (3 − 4)mm
Suy ra Der = Dre − 2  3 = 125.3 − 6 = 119.3mm
• Chiều rộng a vành ngắn mạch:
b = 1.1 (hr + hor +
d1 + d 2
) = 27.61mm
2
• Chiều cao b vành ngắn mạch:
a=
Aer
= 9.41mm
b
17
5. Dòng điện từ hoá
• Sức từ động từ hoá F1m được tính theo công thức :
F1m = 2( K c g
Bg
+ Fmts + Fmtr + Fmcs + Fmcr )
0
Trong đó ta sẽ tính các thông số của hệ số khe hở không khí như sau :
bos 2
2.52
1 =
=
= 1.471mm
5 g + bos 5  0.35 + 2.5
bor 2
2.52
2 =
=
= 1.471mm
5 g + bor 5  0.35 + 2.5
K c1 =
s
=
11.0
= 1.155
11.0 − 1.471
 s − 1
r
13.11
Kc 2 =
=
= 1.126
 r −  2 13.11 − 1.471
• Từ đó ta tính được hệ số khe hở không khí là:
K c = K c1 K c 2 = 1.3004
Giá trị này xấp xỉ 1.3 ban đầu nên ta tiếp tục tính toán.
• Sức từ động ở gông stato Fmcs và roto Fmcr được tính như sau:
Fmcs = Ccs
Fmcs = Ccr
 ( Dout − hcs )
2 p1
H cs
 ( Dshaft + hcr )
2 p1
H cr
Trong đó Ccs và Ccr là hệ số thực nghiệm, có giá trị xấp xỉ bằng:
Ccs ,r  0.88  e
−0.4 Bcs ,r 2
Với Bcs = 1.511T, Bcr = 1.60T tương ứng với Hcs = 1432 A/m, Hcr = 2460 A/m, ta
tính được:
18
•
Fmcs = 0.88  e −0.4 Bcs
2
Fmcs = 0.88  e −0.4 Bcr
2
 ( Dout − hcs )
2 p1
H cs = 81.86
 ( Dshaft − hcr )
2 p1
H cr = 34.90
Cuối cùng, từ các số liệu trên ta tính được tổng sức từ động mạch từ F1m:
F1m = 1067.18 A.vòng
• Hệ số bão hoà răng Ks được tính như sau:
Ks =
F1m
1067.18
−1 =
− 1 = 0.90
2 Fmg
2  279.61
• Dòng điện từ hoá I là:
I =
 p1 ( F1m / 2)
3 2W1 K w1
= 5.62 A
Tính theo tỉ lệ phần trăm ta được:
i =
I
I1n
= 50.37%
19
6. Tính toán điện trở và điện kháng
Điện trở và điện cảm được mô phỏng dưới dạng mạch tương đương như hình dưới đây:
Hình 7 Sơ đồ mạch tương đương
Chiều dài phần đấu cuối dây quấn stato phụ thuộc vào bước cuộn dây y, số đôi cực,
hình dáng cuộn dây và số lớp dây quấn.
Thông thường, nhà sản xuất tính toán dựa trên công thức sau:
lend = 2 y − 0.04 m với 2 p1 = 2
lend = 2 y − 0.02 m với 2 p1 = 4
lend =

2
y + 0.018 m với 2 p1 = 6
lend = 2.2 y − 0.012 m với 2 p1 = 8
y

=  với  là hệ số bước ngắn. Thông thường,
7
9
2
y 7
   1 ,với =
3
 9
7
9
Ta có y =  =  0.0989 = 0.0769m
Với 2 p1 = 4 , lend = 2 y − 0.02 = 2  0.0769 − 0.02 = 0.1338m
• Chiều dài 1 vòng dây của dây quấn stato:
lc = 2( L + lend ) = 0.529m
Điện trở suất của đồng ở 20°C là:
( Co ) 20o C = 1.78 10−8 m
Điện trở suất của đồng ở 80°C là:
20
( Co )80o C = ( Co )20o C (1 +
1
(80 − 20)) = 2.1712 10−8 m
273
• Như vậy, điện trở dây quấn stato ở 80 độ C:
Rs = ( Co )80o C
lc W1
= 0.482
Aco a1
• Chiều dài vành ngắn mạch:
ler =
 ( Der − b)  (119.3 − 27.6)
=
= 9.59mm
Nr
30
Điện trở suất của nhôm ở 20°C là:
(  Al ) 20o C = 3.110−8 m
Điện trở suất của nhôm ở 80°C là:
(  Al )80o C = (  Al ) 20o C (1 +
1
(80 − 20)) = 3.7813 10−8 m
273
Tần số góc:
1 = 2 f = 100 (rad / s)
Ta có với hệ số trượt S = 1:
s =
10
= 79.8(m)−1
2(  Al )20 C
o
 =  s hr S = 1.64
• Hệ số điện trở tản hiệu ứng bề mặt cho thanh dẫn hình chữ nhật
KR = 
(sinh 2 + sin 2 )
  = 1.64
(cosh 2 − cos 2 )
• Điện trở vòng ngắn mạch với S = 1 ở 80°C:
21
S =1
Rbe80
o = (  Al ) o
80 C


L

ler
 KR +
 = 1.1 10 −4 

p
 Ab
2 Aer sin 2 ( 1 ) 

N r 
• Điện trở roto đã quy đổi ở 80 độ C với hệ số trượt
( Rr ') S =1 =
S =1:
4m
S =1
(W1 K w1 ) 2 Rbe80
o = 0.870
Nr
• Hệ số từ dẫn tản rãnh stato:
2
h
h   1 + 3
4
2h
s
w
s = 
+
+ os  
 3 bs1 + bs 2 bos + bs1 bos  

 = 1.349

• Hệ số từ dẫn tản tạp:
ds 
0.9 s q 2 K w21Cs ds
K c g (1 + K st )
trong đó:
bos2
Cs = 1 − 0.033
g s
 ds = (0.11sin 1 + 0.28)  10−2 với q =8
 ds = (0.11sin 1 + 0.41)  10−2 với q = 6
 ds = (0.14sin 1 + 0.76) 10−2 với q = 4
 ds = (0.18sin 1 + 1.24)  10−2 với q = 3
 ds = (0.25sin 1 + 2.6)  10−2 với q = 2
 ds = 9.5  10−2 với q = 1
1 =  (6 − 5.5)
Với q = 3, ta có hệ số:



7



 ds = 0.18sin   (6 − 5.5)  + 1.24  10−2 = 1.15 10−2
9


22
Cs = 1 − 0.033
bos 2
= 0.946
g s
Hệ số từ dẫn tản tạp stato:
ds 
0.9 s q 2 K w12Cs ds
= 1.154
K c g (1 + K st )
• Hệ số từ tản phần đầu nối stato:
q
L
ec = 0.34 (lend − 0.64 ) = 0.661
• Điện kháng dây quấn stato:
X s1 = 201 L
W12
(s + ds + ec ) = 1.322
p1q
• Hệ số từ dẫn tản rãnh roto:
r  0.66 +
h
2hr
+ or = 2.99
3(d1 + d 2 ) bor
• Hệ số từ dẫn tản tạp roto:
2
 6p 
 dr = 9  1  .10−2 = 0.0144
 Nr 
2
0.9 r  dr  N r 
dr =

 = 2.334
Kc g  6 p1 
• Hệ số từ tản phần đầu nối roto:
er =
2.3( Der − b)
 4.7( Der − b) 
 log 
 = 0.301
 b + 2a 
2   p1 
N r L.4sin 

 Nr 
• Hệ số điện kháng tản hiệu ứng bề mặt:
KX =
3 (sinh 2 − sin 2 ) 3

= 0.915
2 (cosh 2 − cos 2 ) 2
23
• Điện kháng tản trên thanh dẫn roto với S = 1:
( X be ) S =1 = 2 f10 L(r K X + dr + er ) = 2.77 10 −4 
Điện kháng roto quy đổi với S = 1:
(W1 K w1 ) 2
( X r1 ) S =1 = 4m
( X be ) S =1 = 2.19
Nr
• Ở hệ số trượt S = 1, cả điện kháng tản trên stato và roto đều giảm do từ thông
tản bão hòa:
S =1
( X s1 ) sat
= X s1 (0.7 − 0.8) = 1.322  0.7 = 0.93
S =1
( X r1 ) sat
= ( X r1 ) S =1 (0.6 − 0.7) = 2.19  0.6 = 1.31
Điện trở roto tại hệ sô trượt định mức S n ( K R = K X = 1 ) ở 80°C:
Sn
Rbe80
o = (  Al ) o
80 C




ler
L K +
 = 7.32 10 −5
 Ab R


p 
2 Aer sin 2  1  


 N r  
• Điện trở roto quy đổi khi hệ số trượt định mức Sn:
( Rr ') Sn = ( Rr ') S =1 
Sn
Rbe80
o
S =1
Rbe80
o
= 0.580
• Điện kháng tản trên thanh dẫn roto với hệ số trượt định mức S n ( K R = K X = 1 ):
( X be ) Sn = 2 f10 L(r K X + dr + er ) = 2.90 10 −4 
• Điện kháng roto quy đổi với hệ số trượt định mức S n :
( X r1 ) Sn = ( X r1 ) S =1 
( X be ) Sn
= 2.30
( X be ) S =1
• Điện kháng mạch từ hóa:
24
2
 V ph 
X 'm = 
− Rs 2 − X s1 = 39.79
 I 
  
Thông thường, các rãnh roto sẽ được làm nghiêng. Độ nghiêng sẽ bằng một bước rãnh
stato c = τs. Hệ số rãnh nghiêng:
K skew
 c 
sin   
 2   = 0.9949
=
 c

2 
• Điện kháng mạch từ hóa rãnh nghiêng:
X m = X 'm K skew = 39.59
• Điện kháng tản roto rãnh nghiêng:
X 'r1skew = X 'm (1 − K skew2 ) = 0.40
• Điện kháng tản roto với S = 1, rãnh nghiêng:
S =1
S =1
( X r1 ) skew
= ( X r1 ) sat
+ X 'r1skew = 1.72
• Điện kháng tản roto với Sn, rãnh nghiêng:
Sn
( X r1 ) skew
= ( X r1 ) Sn + X r1skew = 2.59
25
7. Tính toán tổn hao và hiệu suất
• Tổn hao trên cuộn dây stato:
pCo = 3Rs I1n 2 = 179.63W
• Tổn hao trên roto tại hệ số trượt định mức S n :
p Al = 3( Rr ') Sn K I 2 I1n 2 = 152.62W
Tổn hao cơ khí/ thông gió pmv = 0.03Pn với p1 = 1, pmv = 0.012Pn với p1 = 2, và pmv =
0.008Pn với p1 = 3, 4.
• Với p1 = 2, ta có:
pmv = 0.012 Pn = 66W
• Trọng lượng răng stato với iron = 7800:
Gt1 =  iron N s bts (hs + hw + hos ) LK Fe = 5.96 Kg
Hệ số tổn hao do gia công cơ khí của răng chọn bằng Kt = 1.8
Tổn thất của loại thép M19 dày 0.35mm ở 1T, 50Hz với p1 = 2.5 W/kg
• Tổn thất trên răng stato:
1.3
 f 
pt1  Kt p10  1  Bts1.7Gt1 = 59.6W
 50 
• Trọng lượng gông từ stato:
Gy1 =  iron

 Dout 2 − ( Dout − 2hcs )2  LK Fe = 11.95Kg
4
Hệ số tổn thất trên gông chọn bằng Ky = 1.9
• Tổn thất trên gông stato:
1.3
 f 
p y1 = K y p10  1  Bcs1.7Gy1 = 114.45W
 50 
26
• Tổn hao sắt trong lõi sắt stato:
1
piron
= pt1 + p y1 = 174.1W
Hệ số tổn hao đập mạch trên răng stator
K ps 
1
= 1.67
2.2 − Bts
Hệ số tổn hao đập mạch trên răng rotor
K pr 
1
= 1.67
2.2 − Btr
Mật độ từ thông đập mạch trên răng stator
B ps  ( K c 2 − 1) Bg = 0.0975T
Mật độ từ thông đập mạch trên răng rotor
B pr  ( K c1 − 1) Bg = 0.119T
Trọng lượng răng roto:
Gtr =  iron LK Fe N r (hr +
d1 + d 2
)btr = 4.66 Kg
2
• Tổng tổn hao sắt do từ thông đập mạch trên răng stator và rotor:
s
iron
p
2
2





f1
f1
 0.5 10  N r
K ps B ps  Gt1 +  N s
K pr B pr  Gtr  = 11.90W
p1
p1





−4
• Tổng tổn hao sắt từ:
piron = pir1 on + pirs on = 186W
• Tổn hao do lệch rãnh: Pstray = 0.01Pn = 0.01 5500 = 55W
• Tổng tổn hao:
 losses = p
Co
+ p Al + piron + pmv + pstray = 639.2W
27
• Hiệu suất đạt yêu cầu >89%:
n =
Pn
5500
=
= 89.6%
Pn +  losses 5500 + 642.6
28
8. Tính toán đặc tính làm việc
• Dòng điện không tải:
I0a =
piron + pmv + 3I  2 Rs
3Vph
= 0.430 A
• Hệ số trượt định mức:
Sn =
p Al
= 0.0264
Pn + p Al + pmv + pstray
• Momen định mức đạt yêu cầu 36Nm:
Tn =
Pn
f
2 1 (1 − S n )
p1
= 35.96 Nm
• Momen cực đại:
V ph 2
3 p1
Tbk =
= 115.05 Nm
21  R + R 2 + ( X + ( X ) Sn ) 2 
s
s1
r 1 skew
 s

• Dòng điện khởi động:
I LR =
Vph
S =1
S =1 2
( Rs + ( Rr ) S =1 )2 + (( X s1 ) sat
+ ( X r1 ) skew
)
= 77.82 A
• Momen khởi động:
TLR =
3( Rr ) S =1 I LR 2
1
p1 = 100.53Nm
• Hệ số công suất đạt yêu cầu 0.8:
cos 1n =
Pn
= 0.795  0.8
3Vph I1nn
• Bội số momen cực đại đạt yêu cầu >3.2:
29
tbk =
Tbk
= 3.20
Tn
• Bội số momen khởi động đạt yêu cầu >2.2:
t LR =
TLR
= 2.8
Tn
• Bội số dòng điện khởi động đạt yêu cầu <7.1:
iLR =
I LR
= 6.98
I1n
30
9. Tính toán nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu cách điện:
ins = 0.25W / mK
Chiều dày cách nhiệt từ rãnh giữa đến vách răng:
hins = 0.3 10−3 m
Độ cách nhiệt của khe hở:
 cond =
ins
hins
= 833.3W / m2 K
Diện tích phần bên của rãnh stato:
Als  (2hs + bs 2 ) LN s = 0.325m2
• Độ chênh nhiệt giữa dây dẫn trong rãnh và thành rãnh:
co 
pCo
= 0.66 C
 cond Als
Ta thiết kế máy điện có bộ tản nhiệt đặt bên ngoài động cơ (dưới 100kW) có hệ số tản
nhiệt được cho bởi:
60  2 p1 = 2
50  2 p = 4

1
2
 conv (W / m K ) = 
40

2
p
1 =6


32  2 p1 = 8
Với 2 p1 = 4 thì  conv = 50W / m 2 K
Hệ số của cánh tản nhiệt K fin = 3
Diện tích khung máy điện (bao gồm cả cánh tản nhiệt):
Aframe =  Dout ( L +  ) K fin = 0.486m2
• Độ tăng nhiệt của khung máy với môi trường:
31
 frame =
 losses
 conv Aframe
= 26.43 C
• Với nhiệt độ môi trường amb = 40oC, nhiệt độ thực tế của dây quấn đạt yêu cầu
với độ tăng nhiệt cấp B:
Co =  amb + Co +  frame = 67.1 C  80 C
32
III. Kết quả mô phỏng Ansys Maxwell
Sau các bước thiết kế ở mục 2, tiến hành khảo sát bằng phần mềm Ansys Maxwell
16.0.
1. Nhập thông số của động cơ vào phần mềm
Hình 8 Nhập thông số kích thước chủ yếu Stator
Hình 9 Nhập kích thước rãnh Stator
33
Hình 10 Nhập thông số dây quấn Stator
Hình 11 Nhập thông số kích thước chủ yếu rotor
34
Hình 12 Nhập kích thước rãnh rotor
Hình 13 Nhập thông số thanh dẫn rotor
35
2. Kết quả mô phỏng
• Các thông số đầu ra
Các thông số định mức ra xấp xỉ với kết quả thiết kế ban đầu
▪ Dòng điện pha định mức: 11.13 so với 11.15A
▪ Dòng điện từ hóa: 5.69 so với 5.62A
▪ Momen định mức trên trục: 35.89 so với 35.96 N.m
▪ Hiệu suất động cơ: 88.04 so với 89.6%
▪ Hệ số công suất: 0.80 so với 0.795
▪ Tốc độ trên trục định mức: 1463 so với 1460 vòng/phút
Hình 14 Các thông số đầu ra chế độ định mức
36
Các thông số ở chế độ hoạt động khác lại có sự sai khác khá nhiều so với thiết kế ban đầu.
▪ Tốc độ không tải: 1499.6 so với 1500 vòng/phút
▪ Momen lớn nhất trên trục: 150.3 so với 115.1 N.m
➔Hệ số momen max lớn hơn thiết kế: 4.18 so với 3.2
▪ Momen khởi động: 98.8 so với 100.5 N.m
➔xấp xỉ thiết kế ban đầu
▪ Hệ số dòng điện khởi động lớn hơn ban đầu: 8.0 so với 7.0
Hình 15 Thông số ở chế độ không tải, Mmax, khởi động
37
• Mô phỏng đồ thị tín hiệu đầu ra
Hình 16 Dòng điện pha stator
Hình 17 Sức điện động cảm ứng dây quấn stator
38
Hình 18 Momen trên trục động cơ
Hình 19 Các loại tổn hao của máy
39
3. Nhận xét các kết quả đạt được
-
Ở chế độ hoạt động định mức các tham số đầu ra hầu như đạt so với thiết kế ban
đầu.
-
Ở chế độ hoạt động khởi động hay công suất max thì các tham số đầu ra chênh
lệch khá nhiều so với thiết kế ban đầu. Nguyên nhân là do các thông số điện trở,
điện kháng của động cơ ở các chế độ này sai khác so với thiết kế. Em đã kiểm
tra lại kĩ có thể phần mềm không tính toán các hiệu ứng bão hòa mạch từ cũng
như hiệu ứng mặt ngoài xảy ra trên rotor!
40