ỏn tt nghip: Thit k ng c ng c khụng ng b ba pha rụto lng súc

LễỉI NOI ẹAU
ng c khụng ng b (KB) ba pha rụto lng súc c dựng ph bin
trong cụng nghip (vỡ cú u im l tin cy cao, giỏ c thp, trng lng nh, kt
cu chc chn v d bo dng), vi di cụng sut t hng trm Watts n vi
Megawatts v l b phn chớnh trong cỏc h truyn ng.
Ngy nay, hiu sut ca ng c ó dn tr thnh mt trong nhng tiờu
chớ c ỏp dng trong cụng nghip. Vn ny t ra cho lnh vc thit k v ch
to ng c in khụng ngng nghiờn cu, thit k to ra sn phm t nhng
ch tiờu v kinh t - k thut nhm ỏp ng yờu cu phỏt trin ca nn kinh t quc
dõn. Chớnh vỡ vy em c Khoa v B mụn giao nhim v thc hin ti :
Thit k ng c in khụng ng b ba pha rụto lng súc cho ỏn tt nghip
cui khoỏ ca mỡnh.
Ni dung ỏn gm 7 chng:
Chng 1: Tng quan v ng c khụng ng b v yờu cu thit k ng
c khụng ng b ba pha rụto lng súc.
Chng 2: Xỏc nh cỏc kớch thc ch yu.
Chng 3: Thit k stato.
Chng 4: Thit k rụto.
Chng 5: Xỏc nh tham s ca ng c in ch nh mc.
Chng 6: Tớnh toỏn c tớnh lm vic v khi ng.
Chng 7: Xỏc nh trng lng vt liu tỏc dng v ch tiờu s dng.
Em xin by t lũng bit n cỏc Thy, Cụ giỏo m c bit l cỏc Thy cụ
giỏo trong khoa K thut & Cụng Ngh ó giỳp ch bo em tn tỡnh trong nhng
nm hc tp ti trng i Hc Quy Nhn. Cho em gi li cm n chõn thnh n
thy giỏo Th.S on c Tựng l ngi trc tip hng dn em hon thnh bn
ỏn tt nghip ny.
Trong mt khong thi gian ngn chc rng ỏn tt nghip s khụng trỏnh
khi nhng thiu sút. Em rt mong c s ch dn ca Thy giỏo, Cụ giỏo v cỏc
bn. Em xin chõn thnh cm n.

Theo kết cấu vỏ, động cơ điện không đồng bộ (KĐB) có thể chia thành
các kiểu chính sau: kiểu hở, kiểu bảo vệ, kiểu kín, kiểu phòng nổ, v.v…
Theo kết cấu của rôto, động cơ điện không đồng bộ chia làm hai loại:
loại rôto kiểu dây quấn và loại rôto kiểu lồng sóc.
Theo số pha trên dây quấn stato có thể chia thành các loại : một pha,
hai pha và ba pha.
1.1.3. Kết cấu
Giống như các động cơ điện quay khác, động cơ điện KĐB gồm các bộ
phận chính như hình 1.2.

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

-2-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

Vỏ Stato
Dây quấn Stato
Rôto

Hình 1.2 Kết cấu của ĐC KĐB
a) Phần tĩnh (stato)
Trên stato có vỏ, lõi sắt và dây quấn
 Vỏ máy
Vỏ máy có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm
mạch dẫn từ. Ngoài ra vỏ máy còn dùng để truyền nhiệt làm mát. Thường vỏ
máy làm bằng gang. Đối với máy có công suất tương đối lớn (1000kW)

với lõi sắt. Kiểu dây quấn, hình dạng và cách bố trí dây quấn ở phần dưới.
Dây quấn của động cơ không đồng bộ gồm nhiều phần tử nối với nhau
theo một quy luật nào đó. Phần tử là các bối dây được đặt trong các rãnh phần
ứng. Bối dây chỉ có thể là một vòng dây (dây quấn kiểu thanh dẫn) hoặc cũng
có thể gồm nhiều vòng dây (dây quấn kiểu vòng dây). Số vòng dây của mỗi
bối và số vòng dây của mỗi pha và cách nối phụ thuộc vào công suất, điện áp,
tốc độ, điều kiện làm việc của máy.
 Dây quấn một lớp

Hình 1.4 Dây quấn một lớp
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

-4-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

• Dây quấn đồng khuôn :

10 11 12

1 2 3

q=3

Hình 1.5 Dây quấn đồng khuôn
Là loại dây quấn đối xứng vì do những bối dây giống nhau hợp lại. Dây
quấn đồng khuôn có thể chia làm ba loại :

Loại dây quấn này có các phần tử kích thước khác nhau nên khi nối
thành các mạch nhánh song song để đảm bảo các yêu cầu điện trở, điện
kháng của các mạch nhánh song song là bằng nhau thì số phần tử tương ứng
và kích thước của các phần tử trong các mạch nhánh tương ứng phải giống
nhau.

3 mÆt

2 mÆt

Hình 1.7
Phần đầu nối của các phần tử có chiều dài không giống nhau cho nên
khi bố trí trong máy người ta có thể bẻ các phần đầu nối theo các mặt. Có hai
kiểu dây quấn đồng tâm là dây quấn đồng tâm hai mặt và ba mặt.
Khi mà nối các nhóm phần tử thành các pha thì thường là có các pha
không hoàn toàn đối xứng cũng vì lí do kích thước của các phần tử ở trong
các pha không hoàn toàn giống nhau. Trong trường hợp số rãnh một pha dưới
một cực từ là số chẵn thì một phần tử gồm q phần tử có thể chia làm hai
nhánh song song về hai phía tạo thành dây quấn phân tán có kích thước của
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

-6-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

phần tử giảm bớt tiết kiệm được vật liệu dây dẫn nhưng vẫn giữ được tính
năng.

là số nguyên .
a

-7-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

• Dây quấn sóng
Mỗi phần tử có một vòng dây (2 thanh dẫn ) cách nối giữa các phần tử
có cùng vị trí tương ứng trong từ trường .
Dây quấn có q là phân số do cấu tạo phức tạp nên chỉ dùng trong những
máy có kích thước nhỏ.
b) Phần quay (rôto)
Phần này có hai bộ phận chính là lõi sắt và dây
quấn.
Rôto lồng sóc
Thanh dẫn Rôto

Hình 1.10 Rôto
 Lõi sắt
Nói chung thì người ta dùng các lá thép kỹ thuật điện như ở stato. Lõi
sắt được ép trực tiếp lên trục máy. Phía ngoài của lá thép có xẻ rãnh để đặt
dây quấn.
 Rôto và dây quấn rôto
Rô to có hai loại chính: rôto kiểu dây quấn và rôto kiểu lồng sóc.
+ Loại rôto kiểu dây quấn: Rôto có dây quấn giống như dây quấn stato.
Trong động cơ điện cỡ trung bình trở lên thường dùng dây quấn kiểu sóng hai

năng mở máy, trong máy công suất tương đối lớn, rãnh rôto có thể làm thành
dạng rãnh sâu hoặc làm thành hai rãnh lồng sóc gọi là lồng sóc kép. Trong
động cơ điện cỡ nhỏ, rãnh rôto thường được làm chéo đi một góc so với tâm
trục.
c) Khe hở
Vì rôto là một khối tròn nên khe hở đều. Khe hở trong máy điện không
đồng bộ rất nhỏ (từ 0,2 đến 1mm trong máy điện cỡ vừa và nhỏ) để hạn chế
dong điện từ hóa lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể làm cho hệ số công
suất của máy cao hơn.
Ngoài hai bộ phận chính là stato và rôto trong kết cấu động cơ không
đồng bộ rôto lồng sóc còn có quạt, trục động cơ và gối trục.
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

-9-

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

d) Quạt gió
Nhiệm vụ của quạt gió là tạo ra một áp suất đủ lớn để đưa dòng khí cần
thiết qua hệ thống thông gió của máy để làm mát máy. Quạt được gắn trên
trục động cơ, tốc độ của quạt là tốc độ của động cơ, kích thước của quạt bị
giới hạn bởi kết cấu của động cơ, trong máy điện thường có ba loại quạt
thường dùng: Quạt ly tâm, quạt hướng trục và quạt hổn hợp ly tâm và hướng
trục, nhưng thông dụng nhất vẫn là quạt ly tâm. Ở quạt ly tâm khi cánh quạt
quay không khí ở giữa khe các cánh quạt bị đẩy ra ngoài dưới tác dụng của
lực ly tâm, do đó ở vùng vòng trong của cánh quạt nơi lỗ gió vào tạo thành
vùng không khí loãng còn vùng ngoài của vòng ngoài cánh quạt nơi thoáng

kích thước nhỏ, kết cấu gọn, độ mài mòn không lớn, bảo dưỡng đơn giản, tổn
hao ma sát nhỏ, điều này rất quan trọng đối với những máy thường xuyên
khởi động.
1.1.4. Nguyên lý hoạt động:
Nguyên lý làm việc của động cơ không đồng dựa vào hai định luật điện
từ cơ bản. Định luật thứ nhất là định luật sức điện động cảm ứng được trong
1 thanh dẫn có chiều dài l chuyển động với tốc độ v trong một từ trường đứng
yên có từ cảm B. Đó là định luật cơ sở của máy phát điện biến đổi cơ năng
thành điện năng. Định luật thứ hai là định luật về lực điện từ tác dụng lên
thanh dẫn có chiều dài l khi nó có dòng điện I và nằm trong từ trường có từ
cảm B.
Vì hai định luật điện từ cơ bản nói trên là thuận nghịch nên bất kỳ một
máy điện quay nào cũng có thể làm việc thuận nghịch, nghĩa là có thể làm
việc như máy phát điện hoặc như động cơ điện.
Khi ta cho dòng điện ba pha tần số f vào ba dây quấn stato, sẽ tạo ra từ
trường quay p đôi cực, quay với tốc độ n 1 =

60 f
. Từ trường quay cắt các
p

thanh dẫn của dây quấn rôto, cảm ứng ra các sức điện động. Vì dây quấn rôto
nối ngắn mạch, nên sức điện động cảm ứng sẽ sinh ra dòng trong các thanh
dẫn rôto. Lực tác dụng tương hổ giữa từ trường quay của máy với thanh dẫn
mang dòng điện rôto, kéo rôto quay cùng chiều quay từ trường với tốc độ n.
Hình vẽ từ trưòng quay tốc độ n 1, chiều sức điện động và dòng điện
cảm ứng trong thanh dẫn rôto, chiều các lực điện từ Fđt.
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 11 -

Hình 1.13

Hình 1.14

Tốc độ n của máy nhỏ hơn tốc độ của từ trường quay n 1 vì nếu tốc độ
bằng nhau thì không có sự chuyển động tương đối, trong dây quấn rôto không
có sức điện động và dòng điện cảm ứng, lực điện từ bằng không.
Độ chênh lệch giữa tốc độ của từ trường quay và tốc độ máy gọi là tốc
độ trượt n2.
n2 = n1 – n
Hệ số trượt của tốc độ là

s=

n2 n1 − n
=
n1
n1

Khi rôto đứng yên ( n = 0), hệ số trượt s = 1; khi rôto quay điịnh mức
s = 0,02 ÷ 0,06. Tốc độ động cơ là:

n = n1.(1 − s ) =

60 f
(1 − s )
p

Sau đây sẽ nghiên cứu tác dụng của chúng trong 3 phạm vi tốc độ
 Trường hợp rôto quay thuận với từ trường quay nhưng tốc độ nhỏ hơn

Vì một nguyên nhân nào đó rôto quay ngược chiều với chiều từ trường quay
thì lúc đó chiều của sức điện động, dòng điện và mômen vẫn giống như lúc ở
chế độ động cơ điện. Vì mômen sinh ra ngược chiều quay của rôto nên có tác
dụng hãm rôto đứng lại. Trong trường hợp này, máy vừa lấy điện năng ở lưới
điện vào, vừa lấy cơ năng từ phía rôto. Chế độ làm việc như vậy gọi là chế độ
hãm điện từ.

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 13 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

1.1.5. Các đại lượng định mức
Cũng như tất cả các loại động cơ điện khác, động cơ điện không đồng bộ
có các trị số định mức đặc trưng cho đều kiện kỹ thuật của máy. Các trị số
này do nhà máy thiết kế, chế tạo quy định ghi trên nhãn máy. Vì động cơ điện
không đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ động cơ điện nên trên nhãn máy ghi
các trị số định mức của động cơ điện khi tải định mức. Các trị số đó thường
bao gồm:
Công suất có ích trên trục

Pđm

Điện áp dây stato

U1đm

hầm mỏ dùng làm máy tời hay máy quạt gió. Trong nông nghiệp dùng để làm
máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hàng ngày, động
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 14 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

cơ điện không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió
máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh… Tóm lại, theo sự phát triển của nền sản
xuất điện khí hoá, tự động hoá và sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứng dụng của
động cơ điện không đồng bộ ngày càng rộng rãi.
Tuy vậy, nhược điểm của loại này là dòng điện khởi động lớn. Để bổ
khuyết cho nhược điểm này, người ta chế tạo ra động cơ điện 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 được tốc
độ trong một chừng mực nhất định, có thể tạo ra mômen khởi động lớn mà
dòng điện không lớn lắm, nhưng chế tạo có khó hơn loại rôto lồng sóc, do đó
giá thành cao hơn và bảo quản cũng khó hơn.
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 của rôto động cơ điện. Trong các rôto lồng sóc đúc nhôm
thì cánh quạt nhôm được đúc trực tiếp lên vành ngắn mạch. Loại động cơ theo
cấp bảo vệ IP44 thường nhờ vào đặc ở ngoài vỏ máy, do đó tản nhiệt kém hơn
so với loại IP23 nhưng bảo dưỡng máy dễ dàng hơn.
1.2 YÊU CẦU CỦA THIẾT KẾ ĐỘNG CƠ KĐB BA PHA

- Thiết kế rôto.
- Xác định tham số của động cơ điện ở chế độ định mức.
- Tính toán đặc tính làm việc và khởi động.
b. Thiết kế kết cấu:
Trong giai đoạn này phải tiến hành tính toán nhiệt để xác định kết cấu
cụ thể về phương thức thông gió và làm nguội, kết cấu cụ thể về cách bôi trơn
ổ đỡ, kết cấu thân máy và nắp máy.
Để chế tạo được động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc còn phải qua các
khâu thiết kế sau :
+ Thiết kế thi công, có nhiệm vụ vẽ tất cả các bản vẽ lắp ráp và chi tiết.
+ Thiết kế khuôn mẫu và gá lắp dùng trong gia công các chi tiết của
máy.
+ Thiết kế công nghệ, dùng để kiểm tra công nghệ trong quá trình gia
công.
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 16 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

1.2.3. Vật liệu thường dùng trong thiết kế
Khi thiết kế động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc, vấn đề chọn vật liệu
để chế tạo động cơ có một vai trò rất quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến giá
thành và tuổi thọ làm việc của nó.
Ta có các loại vật liệu sau:
a. Vật liệu dẫn từ:
Để chế tạo các phần của hệ thống mạch từ của động cơ, người ta

(với cường độ từ trường H = 25A/cm, mật độ từ thông B có thể đạt 1,71,85T), suất tổn hao nhỏ, nhưng theo chiều vuông góc với chiều cán thì tính
năng kém đi nhiều, có khi không bằng cả tôn cán nóng.
b. Vật liệu dẫn điện:
Trong ngành chế tạo máy điện, người ta chủ yếu dùng đồng tinh khiết
với tạp chất không quá 0,1% làm vật liệu dẫn điện vì điện trở suất của đồng
chỉ kém bạc. Ngoài đồng ra còn dùng nhôm với tạp chất không quá 0,5%,
đồng thau và đồng đen.
c. Vật liệu kết cấu :
- Kim loại đen:
Kim loại đen thường dùng là gang và thép. Gang vừa rẻ tiền lại dễ đúc,
do đó được dùng nhiều, nhất là dùng để đúc các hình mẫu phức tạp như vỏ và
nắp máy điện không đồng bộ.
Thép dùng làm vật liệu kết cấu thường là thép định hình. Thép có tiết
diện tròn dùng để chế tạo trục máy và các chi tiết khác có tiết diện tròn. Tùy
theo lực tác dụng lên từng chi tiết của máy mà người ta dùng nhiều loại thép
khác nhau.
- Kim loại màu:
Thường dùng hợp kim nhôm để chế tạo các chi tiết và bộ phận của máy
mà trọng lượng cần giảm tối đa.
-Vật liệu chất dẻo:
Chất dẻo hiện nay được dùng nhiều để chế tạo các chi tiết trong máy
điện ít chịu lực cơ học và nhiệt. Chất dẻo có ưu điểm là nhẹ, dễ gia công và
không bị gỉ.
d. Vật liệu cách điện:

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 18 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU
Những kích thước chủ yếu của động cơ điện không đồng bộ là đường
kính trong stato D và chiều dài lõi sắt l. Mục đích của việc chọn kích thước
này là để chế tạo ra máy kinh tế hợp lý nhất mà tính năng phù hợp với tiêu
chuẩn nhà nước. Tính kinh tế của máy không chỉ là vật liệu sử dụng đểû chế
tạo ra máy mà còn xét đến quá trình chế tạo trong nhà máy, như tính thông
dụng của các khuông dập ,vật đúc, các kích thước và chi tiết tiêu chuẩn hoá
…
2.1. Số đôi cực từ ( p ):
p=

60. f 60.50
=
=2
n1
1500

trong đó:
- n1 : Tốc độ đồng bộ (vòng/phút)
- f : tần số (Hz)
2.2. Đường kính ngoài stator (Dn):
Đường kính ngoài Dn có liên quan mật thiết với kết cấu động cơ, cấp
cách điện và chiều cao tâm trục h đã được tiêu chuẩn hóa. Vì vậy thường
chọn Dn theo h. Ở nước ta hay dùng quan hệ giữa đường kính ngoài và chiều
cao tâm trục h của các động cơ điện không đồng bộ Hungary dãy VZ cách
điện cấp E và của Nga dãy 4A cách điện cấp F.

SVTH: Nguyễn Đinh Huy


Trong đó kE là hệ số công suất định mức. Chọn kE = 0,975 theo hình 10-2 [1].
2.5. Chiều dài của lõi sắt stato (l1):
Chiều dài của lõi sắt stato được xác định:

6,1.10 7.P '
l1 =
αδ .k s .k d . A.Bδ .D 2 .n
trong đó:
- kd : hệ số dây dẫn
- ασ : hệ số cung cực từ
- ks : hệ số dạng sóng
- A : Tải điện từ
- Bδ :Mật độ từ thông khe hở không khí
Chọn sơ bộ :
kd = 0,92

αδ =

2

π

, theo trang 231 [1]

= 0, 64

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 21 -


= 15,26 (cm)
Chọn

l1 = 15 (cm)

Do lõi sắt ngắn nên làm thành 1 khối nên chiều dài lõi sắt stato, rôto
bằng: l1 = l2 = lδ = 15 (cm)
2.6. Bước cực (τ):

τ=

π .D π .13
=
= 10, 205 (cm)
2. p
2.2

2.7. Dòng điện pha định mức:
P.103
5,5.103
I1 =
=
= 11,33 ( A)
3.U1.η .cos φ 3.220.0,855.0,86
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 22 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


làm tăng tổn hao phụ.
Số rãnh stato :
Z1 = 6. p.q1
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 23 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

trong đó:
- q1 : số rãnh của một pha dưới mỗi cực. Lấy q1 = 3
- p : số đôi cực từ, p = 2
thay vào ta được:
Z1 = 6. p.q1 = 6.2.3 = 36 (rãnh)
3.2. Bước rãnh stato (t1):

t1 =

π .D π .13
=
= 1,134(cm)
Z1
36

3.3. Số thanh dẫn tác dụng của một rãnh (ur1):

ur1 =

J1' =
SVTH: Nguyễn Đinh Huy

A.J 1425
=
= 6, 477( A
)
mm 2
A
220
- 24 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng


Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế động cơ động cơ không đồng bộ ba pha rôto lồng sóc

trong đó: n1: số sợi chập, chọn n1 = 2 sợi
S1 =

I1
11,4
=
= 0,44 (mm 2 )
'
a1 .n1 .J 1 2.2.6,477

Theo bảng VI.1 [1]. Chọn dây đồng tráng men PETV có các thông số:
d/dcđ = 0,75/0,815 (mm); S = 0,442 (mm2)
Với: - d: đường kính dây không kể cách điện (mm)

8
= 0,889
9

=

3.7. Hệ số dây quấn (kd):
- Hệ số bước ngắn : ky = sin β .

8 π
π
= sin( . ) = 0,984
2
9 2

- Hệ số bước rải:

SVTH: Nguyễn Đinh Huy

- 25 -

GVHD: Ths. Ðoàn Đức Tùng