Đồ án tốt nghiệp
Thiết kế động cơ điện
không đồng bộ một pha
điện dung dùng cho quạt
Đ
ồ án tốt nghiệp

1
đồ án này là thiết kế động cơ không đồng bộ một
pha điện dung dùng cho quạt


+ ít tiến ồn
Đ
ồ án tốt nghiệp

2
+ Sử dụng đơn giản và chắc chắn
Song nhược điểm của động cơ Roto lồng sóc là có đặc tính điều chỉnh
tốc độ thấp.


mức từ trường quay gần tròn nhất để đảm bảo các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ
thuật người ta dùng hai điện dung(một để mở máy và một để làm việc).
Động cơ điện dung được cấp điện từ lưới một pha với hai cuộn dây
trên stato gồm cuộn chính(Cuộn A) nối trực tiếp với nguồn và cuộ
n
phụ(Cuộn B) nối với nguồn qua tụ điện.Chúng được đặt lệch nhau 90
0
. Động cơ với tụ làm việc có đặc tính làm việc tương đối tốt : η = 0,5 –
0,9; Cosϕ = 0,8 –0.95; M
max
= (1,6 – 2,2)M
đm
; song nhược điểm của loại
động cơ này là momen khởi động nhỏ M
K

toán lại từ đầu. Mô hình toán học của máy điện xoay chiều ở chế độ xác lậ
p
được trình bày bởi hệ thống các phương trình cân bằng điện áp ở dạng phức
số và biểu thức mômen điện từ ở dạng trị số hiệu dụng.
Động cơ đang nghiên cứu thuộc loại động cơ không đồng bộ một pha
điện dung thông dụng. Trên stato có hai cuộn dây đặt lệch nhau một góc 90
0

điện trong không gian. Góc lệch pha về thời gian được tạo nên nhờ điện
dung C nối vào một trong hai cuộn. Động cơ được cung cấp điện từ lưới một
pha. Roto có cấu tạo kiểu lồng sóc. Hai cuộn dây trên stato là hai pha A và B
có tiết diện dây và số vòng dây không đối xứng. Cả hai cuộn dây đều tham
gia làm việc trong suốt quá trình quá độ và quá trình xác lập. Có hai phương
pháp diễn tả toán học động cơ không đồng bộ
điện dung một pha là: phương
pháp phân lượng đối xứng và phương pháp trực tiếp tự nhiên.
1.2.1. phương pháp phân lượng đối xứng
Nguyên lý xây dựng mô hình này xuất phát từ dòng điện một pha tạo
ra từ trường đập mạch có thể phân tích thành hai từ trường quay thuận và
ngược. Trong động cơ điện dung, trên stato có hai cuộn dây tương ứng với
bốn động cơ đối xứng, trong đó có một động c
ơ quay thuận và một động cơ
quay ngược. Gọi U
A
,

U
B
là điện áp đóng vào hai cuộn dây stato thì phân
lượng thuận và ngược của σđiện áp được xác định:

5
-
Tổng trở từ hoá Z
σA
, Z
σB
;

- Điện trở và điện kháng của roto tương ứng với các pha A và B là
r
rA
, r
rB,
X
σ2A
, X
σ2B
;
- Tỷ số giữa tốc độ quay của roto
ω
và tốc độ quay của từ trường
ω
1

là
γ
:

1
ω

BB
III
B
+=

Để xác định được I
A(1,2)
và I
B(1,2)
đối với động cơ điện dung thì các
phương trình điện áp của nó có dạng:
U
A(1,2)
=
)()1(
2
1
.
2
.
1
A
AcA
IIjXjU −mm

U
B(1,

I
rA(1,2

σ
B
B
rB
jX
r
2
1
σ
γ
+
±
Hình vẽ: Mạch điện thay thế ứng với các thành phần thuận và ngược
của các pha A và B
Đ
ồ án tốt nghiệp

6
U
B(1,2)
=
)()1(
2
1
.
2
.
1
B
BcA

I
2
rB2
]
Tính toán các đặc tính làm việc của động cơ điện dung theo phương
pháp này khá cồng kềnh, số lượng phép tính lớn. Vì thế trong thời gian gần
đây người ta đưa ra phương pháp xây dựng mô hình trực tiếp, không sử dụng
phương pháp phân lượng đối xứng.
1.2.2. Phương pháp trực tiếp
Phương pháp trực tiếp là phương pháp không sử dụng nguyên lý xếp
chồng từ trường quay thuận và ngược trong khe hở không khí. Phương pháp
này cho phép thu g
ọn số lượng các phương trình và biểu thức tính toán trong
thiết kế động cơ điện dung.
Từ hệ thống bốn phương trình vi phân của máy điện tổng quát được
viết trong hệ toạ độ quay α, β sau khi chuyển về phức số ở trạng thái xác lập
có dạng:

U
α
= Z
A
σ
.
I
α
+Z
0A
(
.

2
1
γ
γ
−
r
(
.
I
rα
-j
.
I
r
β

)
jU
α
=Z
σB
j
.
I
β
+Z
0B
(j
.
I

) j
.
I
r
β
+
2
2
1
γ
γ
−
r
( j
.
I
r
β
-
.
I
rα
)
Từ hệ thống bốn phương trình này vẽ được mạch điện thay thế trên hình 2-2:
Z
oA
jI

1
γ
r
Z
A
σ

γ
+1
2
r
γ
+1
2
r
jX
2
σ
Z
B
σ

JX
C

jX
2
σ

Đ

I
rα
,
.
I
rβ
. Giải hệ thống bốn phương trình này sẽ tìm được dòng điện trong các
cuộn dây. Khi đó mô men điên từ được tính theo biểu thức sau:
M
dt
=
0
2
ω
r
[γ(I
2
r
α
+I
2
r
β
) + 2I
r
α
I
r
β
sin

CHƯƠNG 1
XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC CHỦ YẾU VÀ THÔNG SỐ PHA
CHÍNH
- Các yêu cầu đặt ra cho động cơ không đồng bộ công suất nhỏ
thường mâu thuẫn với nhau, vì vậy việc xác định kích thước chủ
uếu trở nên phức tạp. Kích thước chủ yếu ở đây là đường kính
trong D, đường kính ngoài D
n
và chiều dài tính toán l của lõi sắt
stato.
1. Tốc độ đồng bộ của động cơ
n
đb=

1500
2
50.60.60
==
p
f
vòng/phút
trong đó :
p :Số đôi cực p= 2
f: Tần số nguồn
2. Đường kính ngoài stato
Trong thực tế hiẹn nay đối với loại quạt công suất này người ta thường chế
tạo với dường kính :
Dn=7,9 cm.
3. Đường kính trong stato
D = k

===
ππ
≈ 36 (mm)

5. Chiều dài tính toán của stato
l = λ.D = 0,391.46 = 18 (mm)

Trong đó:
λ:Hệ số kết cấu, là tỷ lệ chiều dài lõi sắt stato với đường kính trong
λ = (0,22 – 1,57) :Theo tài liệu I
Trong tính toán trên ta chọn λ = 0, 391;

6. Chiều dài khe hở không khí
Để giảm nhỏ dòng điện không tải và nâng cao cosϕ ,khe hở không
khí thường chọn nhỏ, nhưng khe hở không khí càng nhỏ thì vấn đề công
nghệ không đáp ứng được và làm tăng sóng bậc cao lên.
Khe hở không khí trong máy điện công suất nhỏ thường chọn trong
khoảng sau:
δ =0,2-0,3 (mm).
Ta dùng kết cấu ổ đỡ là bạc đỡ,do có khả năng bị lệch tâm nên lấy lớn
một ít
ta chọn δ = 0,3 mm.
7. Đường kính ngoài lõi sắt rôto
D’ = D – 2.δ = 1046– 2.0,3 = 45,4 (mm)
8. Đường kính trục rôto
d
t
= 0,3.D = 0,3.46 = 13,8 (mm)
Chọn d
t

2.2.2
16
..2
====
pm
Z
qq
s
BA11. Chọn dây quấn
Chọn dây quấn 1 lớp, đồng tâm phân tán hai mặt phẳng
Dây quấn bước đủ y=τ = Z
s
/2.p =16/4 = 4

1
2
3
45

k
dq

ở đây :
ν
= 1- bậc của sóng cơ bản
13. Từ thông khe hở không khí
φ
δ
= α
δ
.τ.l.B
δ
.10
-4
= 0,64.3,6.1,8.0,5.10
- 4
= 2,0736.10
-4
(Wb)
Trong đó:
α
γ
:Hệ số cung cực từ, α
γ
=0,64
B
δ
- từ thông khe hở không khí: B
δ

s
= 1,11 là trị số ở sóng cơ bản
k
E
=
dm
dm
U
E
= (0,7 ÷ 0,9); ở đây ta chọn k
E
= 0,7;

15. Số thanh dẫn trong rãnh

13,905
2.2
52,3620
.1
.
. ===
qp
W
au
sA
sA
(vòng)
quy chuẩn u
aA
= 905 (vòng)

(A)
Theo yêu cầu thiết kế:
η
II
.cosϕ
II
= 0,38
17. Tiết diện dây quấn chính sơ bộ

)(031,0
6.1
186,0
.
2
mm
Ja
I
S
dm
sA
===

Trong đó:
I
dm
- Dòng điện pha định mức.
a:số mạch nhánh song song , a=1.
J - mật độ dòng điện J = (6 ÷ 8,5) A/mm
2
, ở đây ta chọn J = 6 A/mm

17
4,45.'.
mm
Z
D
t
r
r
===
ππ

CHƯƠNG 2

XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC RĂNG RÃNH STATO

Đ
ồ án tốt nghiệp

13
1. Chọn loại thép
Ta chọn thép cán nguội kí hiệu 2211. Chiều dày lá thép là 0,5 mm có
hệ số ép chặt k
c
= 0,97.

2. Xác định dạng rãnh stato
Stato của động cơ điện dung có thể dùng cho các dạng rãnh sau:

Trong đó:
d
cd
là dường kính dây dẫn kể cả cách điện của dây quấn stato
d1s
b4s
h4s
hrs
h12s
b2
Đ
ồ án tốt nghiệp

14
Ta lấy b
4s
= 1,5 mm.
6. Kết cấu cách điện rãnh
Dùng giấy cách điện có bề dày c = 0,5 mm.
7. Chiều rộng răng stato ( Sơ bộ)
Được xác định theo kết cấu, tức là xét đến:
• Độ bề của răng;
• Giá thành của khuôn dập; độ bền của khuôn;
• Đảm bảo mật độ từ thông qua răng nằm trong phạm vi cho phép,
thường B
zs
≤ 2 T.

b
zs

b
zs
===

Chọn h
gs
=5,3 (mm).
9. Đường kính phía trên stato
Đối với rãnh hình nửa quả lê: ()
( )
)(49,7
16
16.32,38,0.246.
..2.
4
1
mm
Z
ZbhD
d
s
szss
s
=
−
−+
=

=
π
π

Đ
ồ án tốt nghiệp

15
11. Chiều cao rãnh stato.
Đối với rãnh hình nửa quả lê: )(2,11
2
3,5.24679
2
.2
mm
hDD
h
gsn
rs
=
−−
=
−−
=

12. Chiều cao phần thẳng của rãnh.
h

rsn
gs
=
−−
=
−−
=

b2=10.1
h12s=6.65
hrs=11.2
h4s=0.8
b4s=1.5
d1s=7.5
Đ
ồ án tốt nghiệp

16
14. Bình quân bề rộng răng stato:

b’
zs

()
( )
)(3134,35,7
16
8,0.25,746.
.2.
1

=−
−
=−
−
π
π

Bình quân:
b
zs
=
)(32,3
2
3235,33134,3
2
zs'b' zsb'
mm=
+
=
+

15. Diện tích rãnh stato

()
)(6,801,105,7.65,6.5,0
8
5,7.
).(.5,0
8
.

du
k

Trong đó:
Diện tích cách điện rãnh
S
cd
= c.(d
2s
+ 2.h
rs
)= 0,5.(10,1 + 2.11,2)=6,5 (mm
2
)
Diện tích rãnh có ích
S
r
= S
rs
– S
cd
= S
rs
– c.(d
2s
+ 2.h
rs
) =
= 80,6 – 6,5 = 74,1 (mm
2

b
4r
= (1 ÷ 1,5) mm
Chọn b
4r
= 1 mm

5. Làm rãnh nghiêng ở rôto và chọn thanh dẫn bằng nhôm nhằm làm
giảm tiếng ồn và mômen ký sinh.

bn
h4r
b4r
d2r
d1r
h12r
Đ
ồ án tốt nghiệp

18
6. Hệ số dây quấn rôto

9974,0
795,0

α
: góc ở tâm rãnh nghiêng )(328,047,0.
18
.2.2
.
..2
radian
Z
p
n
r
n
===
π
β
π
α

β
n
:Độ nghiêng rãnh biểu thị bằng phân số của bước răng stato

076,1
39,8
03,9
====
r

dqAsAdmI
td
===

Ta có quan hệ k
I
= f(cosϕ), cosϕ = 0,9 , tra hình 10.5 tài liệu [I] ta có
k
I
= 0,92.
8. Bề rộng răng rôto
b
zr
)(3,3
97,0.3,1
39,8.5,0
.
.
mm
kB
tB
czr
r
===
δ

Trong đó :

αn
bnnnnnnnnbnn

r
rzrr
r
=
+
−−−
=
+
−−−
=
π
π
π
δπ

Chọn d
1r
=4,2 (mm)
10. Đường kính phía dưới rôto
Chọn d
2r
=2,4 (mm)
11. Chiều cao phần thẳng rãnh rôto

( )
()
)(77,4
4,23,3.18
2,43,0.246.5,0
.

Chọn h
12r
=4,8 (mm).
12. Chiều cao rãnh rôto
h
rr
= h
12r
+ 0,5.(d
1r
+ d
2r
) + h
4r
= (mm)
= 4,8 + 0,5.(4,2 + 2,4) + 0,4 = 8,5 (mm) 13. Vì rãnh hình quả lê nên chiều cao tính toán của răng rôto khác với
chiều cao tính toán của rãnh rôto (h
zr
# h
rr
).
h
zr
= h
rr
– 0,1.d
2r


15. Diện tích rãnh rôto.

()
()
()
()
)(02,254,22,4.8,4.5,04,22,4.
8
..5,0.
8
222
2112
2
2
2
1
mm
ddhddS
rrrrrrr
=+++=
=+++=
π
π16. Dòng điện trong vòng ngắn mạch

)(191
17

π
π17. Mật độ dòng điện trong vòng ngắn mạch
J
v
= (0,6 ÷ 0,8)J
td
= (0,6 ÷ 0,8).(2 ÷ 3) A/mm
2

Chọn J
v
= 2,5 A/mm
2

18. Tiết diện vành ngắn mạch

)(4,76
5,2
191
2
mm
J
I
S
v
v
v

v
= a
v
.b
v
= 7.11= 77 (mm
2
)
Đ
ồ án tốt nghiệp

21
21. Mật độ dòng điện lúc này

)A/mm(48,2
77
191
2
===
v
v
v
S
I
J

22. Đường kính vành ngắn mạch
D
v
= D – a

+2.B =1,3.3,37 +2.1 =6,38 (cm)
Đ
ồ án tốt nghiệp

22
trong đó:
k
I
- hệ số kinh nghiệm, k
I
= 1,3 khi 2p =4
B – hệ số kinh nghiệm B = (0,5 ÷ 1,5), ở đây ta chọn B = 1
Vì là dây quấn đồng khuôn nên:
.τ
y

( )
( )
)(37,3
4
3
.
2.2
12,16,4.
.
.2
.
. cm
p
hD

= 592,3 (m)
4. Điện trở tác dụng của dây quấn stato

)(8,401
0314,0
3,592
.10.13,2
.
.
2
75
0
Ω===
−
aS
l
R
sA
sA
sA
ρ

trong đó ρ
75
= 2,13.10
-2
Ω.mm
2
/m - điện trở suất của kim loại bằng đồng
dùng trong động cơ ở nhiệt độ 75

rs

Nó phụ thuộc vào kích thước và hình dạng rãnh cũng như loại dây
quấn(một lớp hay hai lớp). Khi ta tính toán chỉ xét đến từ tản ở miệng rãnh
và thành rãnh; không xét đến từ tản ở ngoài rãnh
Hệ số từ dẫn rãnh hình nửa quả lê được xác định theo công thức:
Đ
ồ án tốt nghiệp

23

189,11.
5,1
8,0
5,7
55,3
5,7.2
5,1
785,01.
5,7.3
10
.
.2
785,0.
.3
1
4
4
1
2

⎜
⎝
⎛
++−+=
ββ
λ
k
b
h
d
h
d
b
k
d
h
s
s
ss
s
s
rs

trong đó:
Ta sử dụng dây quấn một lớp bước đủ nên ta có hệ số k
β
= k
β1
= 1;
h

Hệ số λ
t
phụ thuộc vào kích thước máy điện( bước răng, khe hở
không khí) và số liệu dây quấn.Bề rộng miệng rãnh stato và rôto cũng có
ảmh hưởng nhất định đến từ tản tạp (hệ số khe hở không khí k
δ
phụ thuộc
vào bề rộng miệng rãnh).

788,181,0.
3,0.146,1.9,11
03,9
.
..9,11
===
s
s
ts
k
t
ζ
δ
λ
δ

Trong đó:
t
s
= 9,03 mm;
δ = 0,3 mm – bề rộng khe hở không khí;

+
+
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
+
+
=
s
sss
s
s
t
btb
b
k
δ
δ
δ

Đ
ồ án tốt nghiệp


⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
+
+
=
r
rrr
r
r
t
btb
b
k
δ
δ
δ

Có: Z
s
/Z
r
=16/17 và Z
s
/2p=16/4=4
Theo hình 4-9 tài liệu I.Tra ra
s

10. Điện kháng tản dây quấn chính stato
)(66,1952,4.
2.2
8,1
.
100
3620
.
100
50
.158,0..
.
.
100
.
100
.158,0
2
2
Ω=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
⎟
⎠
⎞


pt
r
v
t
drr
dssA
r
rk
Z
p
r
r
kZ
kWm
r .
.
sin.2
.
.
...4
12
2
2
22
=
⎟
⎟
⎟
⎟

k
ds
= 0,924-Hệ số dây quấn stato
k
dqr
= k
n
= 0,974 – Hệ số dây quấn rôto lồng sóc khi làm rãnh nghiêng