1
Thiết kế động cơ không đồng bộ một pha

MỞ ĐẦU
Động cơ công suất nhỏ ngày nay được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều
lĩnh vực như trong công,nông nghiệp,trong tự động hoávà máy tính,trong
hàng không,trong sinh hoạt gia đình...Động cơ công suất nhỏ rất đa dạng và
phong phú về chủng loại và chức năng.... Tất cả động cơ không đồng bộ một
pha công suất nhỏ đều có nhược điểm là luôn có chốt li tâm hoặc rơ
le chuyên
dụng để ngắt phần tử khởi động. Điều đó dẫn tới làm tăng giá thành động cơ
và làm giảm độ tin cậy của chúng.Trong trường hợp khi độ tin cậy của động
cơ đóng vai trò quan trọng nhất còn yêu cầu mô men khởi động không quá
cao, người ta thường dùng động cơ một pha với tụ làm việc mắc cố định.
Nghĩa là cả hai dây quấn luôn được nố
i với nguồn một pha .Cuộn chính nối
trực tiếp với nguồn(Cuộn A), cuộn phụ(Cuộn B) nối với nguồn qua tụ C. Các
cuộn dây A và B chiếm số rãnh như nhau trên stato.
Như vậy động cơ điện dung đóng một vị trí rất lớn,bởi vì nó có ưu điểm là
dùng nguồn cấp một pha, hệ số cosϕ cao, độ tin cậy cao….
Do những ứng dụng rộ
ng rãi trên nên đặt ra vấn đề là phải cải tiến công
nghệ nhằm tạo ra những sản phẩm có chất lượng cao hơn, giá thành rẻ hơn và
thích hợp với người tiêu dùng. Cùng với sự phát triển của nền kinh tế và nhu
cầu về máy điện, trong đó động cơ điện dung được sử dụng ngày càng nhiều
với số lương ngày càng lớn. Đặt ra yêu cầu là phải tìm ra phương án thiết k
ế
tốt nhất. Nhờ có máy tính mà ta có thể tính toán được nhiều phương án và
chọn ra phương án tốt nhất.
3

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU

PHẦN I THUẬT TOÁN THIẾT KẾ
SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN ĐỘNG CƠ ĐIỆN DUNG
Chương I Xác định kích thước chủ và thông số pha chính
Chương II Xác định kích thước răng rãnh stato
Chương III Xác định kích thước răng rãnh roto
Chương IV Tính toán trở kháng stato , roto
Chương V Tính toán mạch từ
Chương VI Tính toán chế độ định mức
Chương VII Tính toán dây quấn phụ
Chương VIII Tính toán tổn hao sắt và dòng điện phụ
Chương IX Tính toán chế độ khởi động
PHẦN II CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ B
ẰNG NGÔN NGỮ C VÀ C
++

PHẦN III CHUYÊN ĐỀ MÔMEN PHỤ
PHẦN IV TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHÍNH

Yêu cầu của bài toán là thiết kế động cơ kiểu kín, cách điện cấp B.
Kích thước chủ yếu ở đây là đường kính trong D (đường kính ngoài Dn) và
chiều dài tính toán l của lõi sắt Stato. A
C
B
I
B
I
A U
l 5
Khi xác định kích thước chủ yếu, người ta thường quy đổi công suất
máy một pha ra máy ba pha có cùng kích thước. Lúc đó công suất máy ba pha
quy đổi là:
1.Công suất đẳng trị P
đmIII
= β


3000
1
50.60.60
===
p
f
n
db
vg/p
4.Đường kính ngoài Stato được xác định theo công thức
D
n
=
3
....
.
44
db
SIII
D
nAB
PP
k
λ
δ
=
484,11
3000.9,0.115.5,0
1.184,459

( 0,485 ÷ 0,615 ) : hệ số giữa đường kính trong và
đường kính ngoài, chọn
55,0=
k
D Dựa vào bảng 26 theo tài liệu [1] 6
Ta quy chuẩn: D
n
= 116 mm
Chiều cao tâm trục: H =71 mm
5.Đường kính trong Stato
D =k
D
. D
n
=0,55.116 =63,8 mm
6.Bước cực của Stato
τ =
p
D
2
.
π
=
1.2

= 19 7
12.Chọn dây quấn:
Ta chọn dây quấn một lớp bước đủ đồng khuôn phân tán hai mặt phẳng.

13.Động cơ điện dung người ta thường chọn số rãnh pha chính (pha A)
bằng số rãnh pha phụ (pha B)
Z
A
=Z
B
=
12
2
24
2
==
S
Z
rãnh
14.Số rãnh dưới một đôi cực của mỗi pha
q
A
=q
B
=
==
1.2.2

17.Hệ số cung cực từ
α
δ
=0,66 ÷ 0,73 ; Chọn α
δ
=0,66
S¬ ®å khai triÓn d©y quÊn ®éng c¬ K§B 1 pha ®iÖn dung
Víi Zs = 24; p = 1; qA = qB =6;AX pha chÝnh; BY pha phô
2123221817 19
15
14 16 2010 121169873
5
4132124
A
X
B
Y8
Hệ số này phụ thuộc vào độ bão hoà răng Stato và Roto
18.Từ thông khe hở không khí
φ
δ
= α
δ
.τ.l .B
δ
.10
-4

E
=
dm
U
E
= (0,7÷0,9) ; Chọn K
E
= 0,82
20. Số thanh dẫn trong rãnh
u
rA
=a.
qp
W
SA
.
=1.
6.1
480
=80 thanh
Chọn a=1: số mạch nhánh song song
21. Dòng điện định mức
I
đmA
=
Udm
Pdm
IIII
.2cos
ϕη

Quy chuẩn S
SA
=0,246 mm
2

Suy ra:
- Đường kính chuẩn của dây dẫn không cách điện: d=0,56mm 9
- Đường kính chuẩn kể cả cách điện: d
cđ
=0,615 mm
Căn cứ vào tiết diện dây, ta chọn loại dây có kí hiệu
π∋
B-2
23.Bước răng Stato
t
s
=
==
24
8,63.
ππ
S
Z
D
8,347 mm
24.Bước răng Roto



CHƯƠNG 2
XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC RĂNG RÃNH STATO
1.Ta chọn thép cán nguội mã hiệu 2312 có oxy hoá bề mặt và chiều dà
y
lá thép 0,5 mm, do đó có hệ số ép chặt K
C
=0,97
2.Xác định dạng rãnh Stato 10

Stato của động cơ điện dung có thể dùng các dạng rãnh sau:
 Hình quả lê
 Hình nửa quả lê
 Hình thang
- Rãnh hình quả lê: có khuôn dập đơn giản nhất, từ trở ở đáy rãnh so
với 2 rãnh kia nhỏ, vì vậy giảm được suất từ động cần thiết trên
răng.
- Rãnh hình nửa quả lê: có diện tích lớn hơn dạng rãnh hình quả lê
- Diện tích rãnh hình thang lớn nhấ
t nhưng tính công nghệ kém hơn
hai dạng rãnh trên
3.Ta chọn dạng rãnh hình quả lê
4.Chiều cao miệng rãnh
h
4s
= (0,5 ÷0,8) mm ; Chọn h
4s

sức từ đông rơi trên stato là nhỏ nhất.
8.Đây thực chất là bài toán tối ưu hoá tìm chiều cao rãnh stato
(Trên đồ thị là điểm h
*
rs
) sao cho sức từ động rơi trên stato là nhỏ nhất.
*)Hàm mục tiêu:
F
s
= F
zs
+ F
gs
→ min
Trong đó:
F
s
là tổng sức từ động rơi trên stato
F
zs
là sức từ động rơi trên răng stato
F
gs
là sức từ động rơi trên gông stato
*)Các rằng buộc:
- Hệ số lấp đầy:
0,7[ K
ld
[ 0,75
- Mật độ từ thông trong răng B

tlB
..
..
max
δδ
=
97,0.742,5.6,1
347,8.742,5.5,0
=2,689 mm
b
zsmax
=
=
cszs
s
klB
tlB
..
..
min
δδ

97,0.742,5.2,1
347,8.742,5.5,0
=3,586 mm
h
gsmin
=
=
csgs

; h
gsmax
thì h
rsmin
; Vậy ta có giới hạn trên và giới hạn dưới
của chiều cao rãnh stato như sau:
h
rsmin
=
2
DD
n
−
- h
gsmax
=
2
8,63116
−
- 18,932 = 7,168 mm
h
rsmax
=
2
DD
n
−
- h
gsmin
=

zs↓ →
B
zs ↓ →
H
zs ↓ →
F
zs ↓

Miền giới hạn của biến số độc lập là:
7,168= h
rsmin
[ h
zs
[ h
rsmax
=12,994 mm
*)Phương pháp giải bài toán:
Vì số biến độc lập không lớn (n = 1) và miền giới hạn G không rộng
nên ta chọn phương pháp duyệt toàn bộ trên lưới đều.
Trên miền giới hạn G phủ lưới với bước xác định
Δh
rs
=
M
hh
rsrs minmax
−
mm
Tại các mắt lưới trong không gian hai chiều xác định véc tơ X:


.
δ
Φ
=
=
2
4
10.97,0.42,57.91,0.2
10.0018981,0
−
=18,9 mm
10.Đường kính phía trên Stato

π
π
−
−+
=
S
SZSs
s
Z
ZbhD
d
.).2(
4
1
=
14,324
24.6,3)5,0.28,63(14,3

hDD
h
−−
=
=
2
9,18.28,63116
−−
=7,2 mm
13.Chiều cao phần thẳng rãnh
h
12S
= h
rs
- 0,5(d
1s
+d
2s
–2.h
4s
) =7,2 – 0,5(5,9+5,6)=1,9 mm
14.Vì rãnh hình quả lê nên chiều cao tính toán răng Stato khác với chiều
cao rãnh Stato (h
zs
≠ h
rs
)
h
zs
= h

+
+ 0,5.1,9(5,6 +5,9) = 36,98 mm
2

16.Kiểm tra hệ số lấp đầy: 14

)(4
..
2
cdrs
cdrA
ld
SS
du
k
−
=
π
=
)06,498,36(4
615,0.80.14,3
2
−
=0,723
Trong đó : S
cđ
=c.(d

−
=21,62

A
19.Tổng sức từ động Stato min
F
S
=F
ZS
+F
gS
=6,56 + 21,62 = 28,18

A
20.Khi thực hiện tính toán ta chọn M=80
Vậy ta có kích thước răng, rãnh Stato như sau:
d
1s
= 5,6 mm h
rs
= 7,2 mm h
zs
= 6,6 mm F
Smin
= 28,18 A
d
2s
= 5,9 mm h
gs
= 18,9 mm B

=24 có lợi cho việc
đúc nhôm bằng áp lực vào Roto .
3.Chọn rãnh hình quả lê để đảm bảo độ bền khuôn dập và tiện cho việc
đúc nhôm
4.Để đảm bảo độ bền của khuôn dập thì chiều cao miệng rãnh phải nhỏ.
h
4R
= (0,3÷0,4) mm; Chọn h
4R
=0,3 mm
5.Chiều rộng miệng rãnh
b
4R
= (1÷1,5) mm; Chọn b
4R
= 1,5 mm
6.Làm rãnh nghiêng ở Roto và chọn thanh dần bằng nhôm nhằm làm
giảm tiếng ồn và Mômen ký sinh
7.Hệ số dây quấn Roto:

n
n
Sin
kK
dqRn
α
α
2
2
==

h12r
hr
R16

R
n
n
t
b
=
β
=
445,10
347,8
=0,7991: Độ nghiêng rãnh biểu thị bằng phân số của
bước răng Roto
b
n
: Độ nghiêng rãnh tính theo cung tròn của Roto
8.Dòng điện tác dụng trong thanh dẫn Roto:

dqRR
dqASAdmI
td
kz
kwmIk
I

+ F
gR
→ min
Trong đó:
F
R
là tổng sức từ động rơi trên Roto
F
zR
là sức từ động rơi trên răng Roto
F
gR
là sức từ động rơi trên gông Roto
0
F
FZR
FR
FgR
h*rR
§å thÞ FR = f(hrR)
hrR17
*) Các rằng buộc:
Mật độ dòng cho phép trong thanh dẫn lồng sóc
2[ J
ld
[ 3 A/mm
2

3,054 mm
b
zRmax
=
=
cRzR
R
klB
tlB
..
..
min
δδ
=
97,0.742,5.8,1
445,10.742,5.5,0
5,479 mm
h
gRmin
=
=
cRgR
klB ...2
10.
max
4
φ

=
97,0.742,5.5,1.2

=
2
DD
n
−
- h
gRmax
=
2
8,63116
−
- 21,298 =4,802 mm
h
rRmax
=
2
DD
n
−
- h
gRmin
=
2
8,63116
−
- 11,358 =14,742 mm
Điều kiện công nghệ: b
zR
/ 1,8 mm
Đáy rãnh Roto d

18
Miền giới hạn G của biến số độc lập là:
4,802=h
rRmin
[ h
rR
[ h
rRmax
=14,742 mm
*) Phương pháp :
Vì số biến độc lập không lớn (n = 1) và miền giới hạn G không rộng
nên để đơn giản và dễ lập trình chọn phương pháp duyệt toàn bộ trên lưới
đều. Trên miền giới hạn G phủ lưới với bước xác định
Δh
rR
=
K
hh
rRrR
minmax
−
mm
Tại các mắt lưới trong không gian hai chiều xác định véc tơ Y:
Y = ( d
1R
, d
2R
, h
rR
, h

14,319
19.6,4)3,0.23,0.28,63(14,3
+
−−−
=4,9 mm
13.Đường kính phía dưới Roto:Điều kiện công nghệ d
2R
≥ 2,5 mm
d
2R
=
π
π
−
−+
R
RzRgR
z
zbhdt .).2(
=
14,319
19.6,4)6,12.214,19(14,3
−
−+
=3,2 mm
Trong đó h
gR
: chiều cao gông Roto
h
gR

dbZ
hdD
2
41
'
.2.5,0
19
=0,5.[63,2- 4,9- 2.0,3 -
]
14,3
)2,36,4(19
+
= 5,1 mm
15.Chiều cao rãnh Roto
h
rR
= h
12R
+ 0,5(d
1R
+d
2R
) +h
4R

= 5,1+0,5(4,9 + 3,2) +0,3 =9,5 mm
16.Vì rãnh hình quả lê nên chiều cao tính toán của răng Roto khác

8
14,3
22
+++
= 34,27 mm
2
18.Sức từ động ở răng Roto
F
ZR
=2. H
ZR
.h
ZR
= 2.5,08.0,92 = 9,34 A
Dựa vào bảng quan hệ H=f(B) ở phụ lục I trang 268 theo tài liệu[1]
19.Sức từ động ở gông Roto p
hdt
gR
gRgR
HF
.2
).( +
=
π

= 12,6 mm B
zR
= 1,165 T S
rR
=34,27
mm
2

h
12R
= 5,1 mm b
zR
= 4,6 mm B
gR
= 1,355 T I
td
=102,739 A
20
22.Dòng điện trong vành ngắn mạch
I
v
=
=
R
td
Z
p

=
3,2
225,312
=135,75 mm
2

25.Chiều cao vành ngắn mạch
b
V
≥ 2.h
12R
=2.5,1=10,2 mm ; chọn b
v
=11 mm

v
v
v
b
S
a =
=
11
75,135
=
12,34 ; chọn a
v
=12 mm
26.Tiết diện vành ngắn mạch sau khi đã làm tròn
S

1
.τ
Y
+2B =1,2.8,185 +2.1= 11,822 cm
Trong đó: Hệ số kinh nghiệm: k
1
= 1,2
Hệ số kinh nghiệm: B = (0,5÷1,5); chọn B =1
τ
y
=
p
hrsD
2
).2(
+
π
.β =
1.2
)72,0.238,6(
+
π
.
3
2
=8,185 cm
2.Chiều dài trung bình 1/2 vòng dây quấn Stato
l
tb
= l


1.246,0
61,168
=14,6 Ω
Trong đó:

ρ
75
o
=2,13.10
-2

Ωmm
2
/m: Điện trở suất của kim loại bằng
đồng dùng trong động cơ
5.Điện trở Stato tính theo đơn vị tương đối

dm
SA
SA
R
R
R =
*
=
71,154
6,14
=0,09436 Ω
Trong đó:

1
2
1.2
4
d
h
d
sb
+
+
sb
sh
4
4
).kβ
1
]
=[
6,5.3
11,3
.1

+( 0,785 -
6,5
6,0
6,5.2
2
−
+
2

-h
4s
-
2
1
S
d
-b
cđ
-h
2
-
10
2
S
d

=7,2 - 0,5 - 2,8 – 0,2 – 0,59 =3,11 mm
7.Hệ số từ dẫn của từ tản tạp: λ
t

Xét đến ảnh hưởng từ trường bậc cao (sóng điều hoà răng và sóng điều
hoà dây quấn) gây lên từ thông móc vòng tản trong dây quấn Stato, có khi còn
gọi là từ tản trong khe hở không khí, và từ trường tương ứng chủ yếu phụ
thuộc vào sự dẫn từ của các đường sức từ trong khe hở không khí
Hệ số λ
t
phụ thuộc vào kích thước máy điện (bước răng, khe hở không
khí) và các số hiệu dây quấn. Bề rộng miệng rãnh Stato và Roto cùng có ảnh
hưởng nhất định đến từ tản tạp.

5
4
4
4
S
SS
z
S
t
bt
b
b
−
++
+
δ
δ
=
)
347,8
2347,8
(
3,0
2
5
3,0
2
5
−
+

5
3,0
5,1
5
−
+
+
=1,0774
8.Hệ số từ tản phần đầu nối dây cuốn Stato
Dùng dây quấn đồng khuôn phân tán hai mặt phẳng một lớp bước đủ
λ
đS
= 0,27.
.64,0( −
d
ld
l
l
q
τ)
= 0,27.
12.64,0822,11(
822,11
6
−
) = 0,568
9.Tổng hệ số từ dẫn Stato

dstsrs
S

480
(
100
50
2
= 11,887 Ω

11.Điện trở kháng tản dây quấn chính Stato tính theo đơn vị tương đối

U
I
XX
dm
dm
SASA
.
*
=
=
220
422,1
.887,11
=0,0768 Ω
12.Điện trở tác dụng của Roto lồng sóc
r
R
=
)
2
(

2
22
.
..4
dRR
dSS
kZ
kwm
=
2
22
998,0.19
903,0.480.2.4
= 77,375.10
3
:Hệ số quy đổi điện
trở Roto sang dây quấn Stato
k
ds
=0,903
k
dqR
=k
n
=0,998: Hệ số dây quấn Roto lồng sóc khi cần làm rãnh
nghiêng
13.Điện trở của phần trở Roto lồng sóc

R
v

r
t
=
rR
R
S
l
S .
0
75
:Điện trở thanh dẫn Roto
r
v
:Điện trở vành ngắn mạch
S
t
: tiết diện thanh dẫn Roto mm
2

l
R
: chiều dài thanh dẫn Roto mm
r
v
=
vvR
v
baZ
D
..

U
I
rr .
*
=
220
422,1
.704,13=
= 0,0885 Ω
15.Hệ số từ tản rãnh Roto

λ
rR
= [
R
r
rR
R
R
R
d
b
S
d
d
h
1
4
2
2

k
μ
=1: Hệ số cản
16.Hệ số từ tản tạp Roto 25

λ
tR
=
R
R
k
t
δ
δ
..9,11
=
2843,1.3,0.9,11
445,10
=2,278
17.Hệ số từ dẫn phần đầu nối
λ
đR
=
)
2
(2
.7,4

⎜⎟
⎝⎠
)125,5(2
6,50.7,4
lg
+
=2,661
18.Tổng hệ số từ tản Roto

∑
++=
λλλλ
rRtRdRR
=2,661+2,278+0,969 =5,908

∑∑
=
2
'
)(
.
.
.
dqR
dqA
RS
SR
RR
k
k

XX
dm
dm
RR
.
*
=
=12,07.
220
422,1
=0,078 Ω