Chương 4 THIẾT KẾ KHE HỞ KHÔNG KHÍ VÀ LÕI SẮT RÔTO Sự khác nhau giữa các kiểu máy điện không đồng bộ là ở rôto. Tính năng của máy tốt hay xấu cũng là ở rôto. Để thỏa mãn các yêu cầu khác nhau có thể chế tạo thành loại rôto quấn dây, rôto lồng sóc đơn, rôto rãnh sâu, rôto lồng sóc kép Loại rôto quấn dây không có yêu cầu về mở máy chỉ phải thỏa mãn tiêu chuNn nhà nước về hiệu suất, cos, trong điều kiện làm việc định mức. Đối với loại rôto lồng sóc tính năng của máy còn phải thỏa mãn tiêu chuNn về dòng điện khởi động I K và mômen M K khởi động. max M Động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc loại thông dụng công suất đến 100kW đều có lồng sóc đúc nhôm . Lồng sóc đúc nhôm so với lồng sóc làm bằng thanh đồng hàn lại thì có nhiều ưu điểm hơn: chế tạo đơn giản, chắc chắn, đỡ tốn đồng (là vật liệu quý và kiếm). Thiết kế rôto động cơ điện không đồng bộ bao gồm các khâu: xác định khe hở không khí, số rãnh rôto Z 2 và dạng rãnh. 4-1. Xác định khe hở không khí. Khi chọn khe hở không khí  ta cố gắng chọn trị số nhỏ để cho dòng điện không tải nhỏ và hệ số công suất cos cao. Nhưng khe hở không khí nhỏ làm cho việc chế tạo và máy làm việc thêm khó khăn, stato rất dễ chạm vào rôto, làm tăng thêm tổn hao phụ, điện kháng tản tạp cũng tăng lên. Khi chọn khe hở không khí có thể tham khảo kinh nghiệm chế tạo của các nhà m áy. Theo kết cấu thì khe hở phụ thuộc vào kích thước của đường kính ngoài rôto, khoảng cách giữa hai ổ bi và đường kính của trục. Nguyên nhân là đường kính trong stato D ảnh hưởng đến các dung sai lắp ghép của vỏ, nắp, lõi sắt, từ đó quyết định độ lệch tâm cho phép và lực từ một phía của máy. Đường kính trục và khoảng cách giữa hai ổ bi quyết định độ võng của trục. Theo quá trình chế tạo mà xét thì độ đồng t âm, độ ô van của các chi tiết gia công, độ lệch tâm do lắp ghép, khe hở trong ổ bi và độ mòn của ổ bi sau một thời gian làm việc cũng ảnh hưởng rất lớn đến việc quyết định khe hở không khí. Có thể dùng những công thức sau để chọn một cách hợp lý trị số của khe hở không khí. Với những máy công suất không lớn P  20kW và : Khi 2p  4 : 1000 25,0δ D  ,mm (4-1a) Khi 2p = 2 : 666 D5,1 25,0  ,mm (4-1b) Với máy công suất trung bình và lớn P > 20kW: ) p2 9 1( 1200 D  ,mm (4-1c) trong các công thức trên D là đường kính rôto, tính theo milimet. Trị số của  tính được phải quy con số thứ hai sau dấu phNy thành 0 hoặc 5. Với những động cơ điện rôto lồng sóc đúc nhôm có 2p = 2 và D = 14  30cm, khe hở không khí phải lấy lớn hơn 1,3 lần so với trị số tính theo công thức (4-1b) hay (4-1c) để giảm tổn hao phụ không tải và có tải. Với những động cơ điện công suất nhỏ (P < 1,1 kW) thường chọn =0 ,25mm. Với những động cơ điện làm việc trong điều kiện nặng nề phải tăng khe hở không khí lên. Nếu tăng 1,3  1,5 lần trị số bình thường thì cos sẽ bị giảm đi 0,04  0,06. Các nhà máy của Liên Xô dùng trị số  gần giống như  tính theo công thức trên. Cụ thể với dãy máy 4A, các trị số như trong bảng 4-1. Khe hở khô ng khí của dãy máy 4A Bảng 4.1 (mm) khi số cực từ 2p (mm) khi số cực từ 2p Ch.cao h(mm) 2 4 6, 8 10,12 Ch. cao h (mm) 2 4 6, 8 10,12 50 56 63 71,80 90 100 112 132 160 180 0,25 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,60 0,80 0,90 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,30 0,30 0,35 0,50 0,60 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,30 0,30 0,35 0,50 0,45 200 225 250 280 315 H315 355 H355 400 450 0,90 1,00 1,20 1,30 1,30 1,50 1,50 1,80 2,00 2,00 0,70 0,85 1,00 0,90 0,90 1,00 1,00 1,20 1,40 1,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,80 0,90 0,90 1,00 1,20 1,20 - - - 0,70 0,70 0,80 0,80 0,90 1,00 1,00 4-2.Chọn số rãnh rôto. Khi thiết kế máy điện không đồng bộ, việc chọn số rãnh rôto là một vấn đề rất quan trọng vì khe hở của máy rất nhỏ, khi mở máy mômen phụ do từ trường sóng bậc cao gây nên ảnh hưởng rất lớn đến quá trình mở máy và ảnh hưởng đến cả đặc tính làm việc. Vì vậy để có tính năng tốt, khi chọn Z 2 phải tuân theo một sự hạn chế nhất định để giảm mômen phụ. Trong động cơ điện rôto quấn dây, vì có điện trở mở máy và dây quấn rôto đấu thành 3 pha cho nên sự hạn chế về số rãnh so với loại rôto lồng sóc ít hơn nhiều. Thường chọn số rãnh của một pha dưới một cực của dây quấn rôto bằng q 2 = q 1  1 và tuyệt đối không chọn q 2 = q 1 để tránh khi mở máy sinh ra mômen đồng bộ lớn quá làm cho máy không chạy được. Cũng rất ít gặp q 2 = q 1  2 vì q 1 , q 2 khác nhau quá nhiều sẽ làm tổn hao phụ trong lõi sắt tăng lên. Chỉ trong trường hợp đặc biệt (máy nhỏ hay tốc độ chậm) mới cho phép dùng q 2 = 2 2 1 hay q 2 = 1 2 1 . Các nhà máy của Liên Xô ngày nay đã chế tạo động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc với dãy máy 4A, các trị số Z 1 /Z 2 như trong bảng 4-2. Bảng 4-2. Số rãnh stato trên số rãnh rôto, Z 1 /Z 2 Z 1 /Z 2 khi số cực 2p Chiều cao h (mm) 2 4 6 8 10 12 50-63 71 80-100 112-132 160 180-200 225 250 280-355 400-450 24/19 24/19 24/19 24/19 36/28 36/28 36/28 48/40 48/38 - 24/18 24/18 36/28 36/34 48/38 48/38 48/38 60/50 60/70 60/70 36/28 36/28 36/28 54/51 54/51 72/58 72/56 72/56 72/82 72/84 - 36/28 36/28 48/44 48/44 72/58 72/56 72/56 72/86 72/86 - - - - - - - - 90/106 90/106 - - - - - - - - 90/106 90/106 Việc chọn số rãnh rôto của động cơ điện rôto lồng sóc có quan hệ rất lớn đến mômen phụ. Mômen phụ có ba loại: mômen phụ không đồng bộ, mômen phụ đồng bộ và mômen sinh ra rung máy. Những mômen này đều do từ thông sóng bậc cao của stato và rôto gây ra. Để tránh các loại mômen phụ này, về lý luận đã dẫn ra rất nhiều công thức cần phải theo, nhưng những công thức này không thể thỏa mãn hết tất cả các điều kiện và trong t hực tế sản xuất nhiều khi kết quả không hoàn toàn giống như trong lý thuyết. Vì vậy trong thiết kế sản xuất khi chọn số rãnh Z 2 thường căn cứ vào kinh nghiệm vận hành của các động cơ điện đã chế tạo để chọn. Sự phối hợp giữa số rãnh stato và rôto ghi trong bảng 4-3 là tài liệu thiết kế của nhà máy “Điện lực” Liên Xô. Có thể sử dụng để tham khảo khi chọn Z 2 . Để giảm bớt biên độ của một số sóng bậc cao mà dùng những biện pháp trên không thể trừ khử hết được, trên rôto (hay stato) có thể làm thành rãnh nghiêng. Hiệu quả của phương pháp này rất rõ rệt, vì vậy khi dùng rãnh nghiêng có thể dùng nhiều kiểu phối hợp rãnh stato và rôto hơn. Độ nghiêng tốt nhất của rãnh rôto thường bằng bước rãnh stato: 1 rn Z D b   , cm (4-2) Nhưng làm rãnh nghiêng thì mômen cực đại và cos sẽ bị giảm thấp vì vậy không nên lấy b rn quá lớn. 4-3.Thiết kế dạng rãnh rôto. Sau khi chọn số rãnh rôto phải thiết kế dạng rãnh, cũng là xác định diện tích rãnh (tức là tiết diện thanh dẫn đối với rôto lồng sóc). Do điện trở r 2 và điện kháng x 2 của rôto có quan hệ với dạng rãnh rôto và khi stato đã thiết kế xong thì yêu cầu về tính năng của động cơ điện như hiệu suất, cos, M max , M K , I K chủ yếu do tham số của rôto quyết định; vì vậy việc chọn dạng rãnh trực tiếp ảnh hưởng đến tính năng của máy. Ngày nay, với những máy có chiều cao tâm trục h = 50- 355mm thường thì rôto lồng sóc được đúc bằng nhôm, trong đó khi h = 50- 250mm thường đúc bằng áp lực, khi h  280mm thì đúc rung hay trọng lực. Hình 4-2 là một vài dạng rãnh rôto thông dụng để tham khảo khi thiết kế. Máy càng lớn, tốc độ càng cao thì h 1 chọn càng sâu. Động cơ có chiều cao tâm trục h ≤ 160mm thì thường dùng rãnh quả lê (hình 4-2a) và lấy như sau: b 42 = 1,0mm; h 42 = 0,50mm khi h < 100mm b 42 = 1,5mm; h 42 = 0,75mm khi h = 112-132 mm Kích thước rãnh (hình 4-2a):      2 2242 1 2 Z bZ)hD( d z (4-3) 2 4 2 2 2 2 1 2         Z S) Z (d d td (4-4)   2 2 211 Z )dd(h (4-5) Với S td là tiết diện ngang thanh dẫn rôto Động cơ có chiều cao tâm trục h ≥ 180mm thì thường dùng rãnh sâu ôvan như hình 4-2b, hoặc là c và lấy như sau: b 42 = 1,5mm; h 42 = 0,501,5mm, d 1 = d 2 = b r2 = 3,5  6 mm và h r2 = 25  45 mm. Máy càng lớn tốc độ càng cao thì h r2 càng sâu. Hình 4.2 Vài dạng rãnh rotor Diện tích tiết diện rãnh : 121 2 2 2 12 2 1 8 h)dd()dd(S r    (4-6) Rãnh của rôto quấn dây cũng theo các dạng trên nếu dây dẫn tiết diện tròn. Chỉ khác là miệng rãnh b 4 phải đủ rộng để cho được dây dẫn vào như đối với rãnh stato. Nếu dây quấn kiểu thanh dẫn thì rãnh như hình 4-2 trong đó b 42 = 1  1,5mm dây dẫn sẽ là những thanh dẫn dài luồn qua và uốn lại. Bảng phối hợp răn g stato và rôto Bảng 4-3 Số rãnh rôto Z 2 Số cực 2p Số rãnh stato Z 1 Rãnh thẳng Rãnh nghiêng 1 2 3 4 2 18 24 30 36 42 48 15, 21, 22 15,17, 19, 32 22, 38 26, 28, 44, 46 32, 34, 50, 52 38, 40, 56, 58 19, 22, 26, 28, 31, 33, 34, 35 19, 26, 31, 33, 34, 35 20, 21, 23, 37, 39, 40 25, 27, 28, 29, 43, 45, 47 37, 39, 41, 55, 57, 59 4 24 36 48 60 72 16, 17 26, 38, 44, 46 34, 38, 56, 58, 62, 64 50, 52, 68, 70, 74 62, 64, 80, 82, 86 16, 18, 28, 30, 33, 34, 35, 36 27, 28, 30, 34, 38, 45, 48 38,40, 57, 59 48, 49, 51, 56, 64, 69, 71 61, 63, 68, 76, 81, 83 6 36 54 72 90 26, 42, [48] 44, 64, 66, 68 56, 58, 62, 82, 84, 86, 88 74, 76, 78, 80, 100, 102, 104 28, 33, 47, 49, 50 42, 43, 51, 65, 67 57, 59, 60, 61, 83, 85,87,90 75, 77, 79, 101, 103, 105 8 36 48 72 84 96 34, 62, [64] 58, 86, 88, 90 66, 70, 98, 100, 102, 104 78, 82, 110, 112, 114 28 35, 61, 63, 65 56, 57, 59, 85, 87, 89 79, 80, 81, 83, 109, 111, 113 10 60 90 120 120 44, 46, 74, 76 68, 72, 74, 76, 104, 106 108, 110 86, 88, 92, 94, 96, 98,102,104 57, 63, 77, 78,79 70, 71, 73, 87, 93, 107, 100 99, 101, 103, 117, 123, 137 12 72 90 108 144 56, 64, 80, 88 68, 70,74, 88, 98, 106, 108,110 86, 88, 92, 100, 116, 124, 128, 130, 132 124, 128, 130, 152, 160, 164, 166, 168, 170, 172 69, 75, 80, 89, 91, 92 86, 87, 93, 94 84, 89, 91, 104, 105, 111, 112, 125, 127 125, 127, 141, 147, 161, 163 Ghi chú: 1. Với những rãnh stator miệng hở nên dùng quan hệ 0,8Z 1  Z 2  1,25Z 1 2. Trong điều kiện mở máy nặng nên chọn Z 2 < Z 1 . Thiết kế rãnh rôto phải làm sao cho mật độ từ thông ở răng B z2 và gông B g2 nằm trong phạm vi thích hợp như đã ghi trong bảng 3-3. Muốn như vậy trước khi thiết kế phải sơ bộ định kích thước tối thiểu của răng và gông. Cách tính như sau: - Đường kính ngoài rôto :    2D'D , cm ; (4-7) - Bước răng rôto : 2 2 Z 'D t   , cm ; (4-8) - Sơ bộ tính chiều rộng của răng rôto: c22z 2 ' 2 klB t lB b   , cm (4-9) Đối với máy điện công suất nhỏ hơn 100kW thường các lá tôn của lõi sắt rôto không phủ sơn cách điện nên hệ số ép chặt k c = 0,95. Chiều dài lõi sắt rôto l 2 thường thiết kế bằng chiều dài lõi sắt stato l 1 hoặc dài hơn 25 mm. Trong công thức trên B z2 chọn theo bảng 4-3. Bảng 4-3. B Z2 (T) với động cơ có cấp bảo vệ h, mm 2p IP44 IP23 50  132 2; 4; 6; 8 1,60 – 1,80 1,85 - 2,05 160  250 2 4; 6; 8 1,75 – 1,95 1,70 – 1,90 1,85 – 2,05 1,75 – 1,95 280  350 2 4 6; 8; 10; 12 1,60 – 1,80 1,80 – 2,00 1,70 – 1,90 1,80 – 2,00 2,00 – 2,20 1,80 – 2,00 - Sơ bộ thính chiều cao gông rôto: c22g ' 2g klB2 h   , cm; (4-10) trong đó chọn the o bảng 4-4. 2g B Bảng 4-4. B g2 (T) với động cơ có cấp bảo vệ 2p IP44 IP23 2 ≤ 1,45 ≤ 1,55 4 ≤ 1,25 ≤ 1,35 6 ≤ 1, 15 ≤ 1, 25 8-12 ≤ 0,85 ≤ 0,95 Đối với máy rôto lồng sóc, do tiết diện rãnh rôto đồng thời là tiết diện thanh dẫn nên tiết diện rôto phải thiết kế sao cho mật độ dòng điện trong rôto nằm trong phạm vi thích hợp. Mật độ dòng điện trong thanh dẫn J td khi thanh dẫn bằng đồng chọn trong khỏang 5,5  8 A/mm 2 , còn bằng nhôm thì J td = 2,5  3,5 A/mm 2 trong đó trị số nhỏ dùng cho máy điện kiểu kín, trị số lớn dùng cho những máy công suất hơn 40kW. Để có mômen mở máy nhất định không nên chọn J tđ lớn quá. Mật độ dòng điện ở vành ngắn mạch J vn c Hình 4.3 Hệ số k I theo cos họn thấp hơn J tđ khoảng 20  25%. Dòng điện thanh dẫn bằng: 2 11 1 222 111 12 6 Z k N I kNm k Nm IkII dq đm dq dq đmItd  , A ; (4-11) trong đó: hệ số k I xem ở hình 4-3. Tiết diện thanh dẫn sơ bộ có thể tính theo công thức: td td td J I S ,mm 2 ; (4-12)  Dòng điện trong vành ngắn mạch đư ợc tính theo công thức sau: 2 td 2 tdvn Z p 2 l I Z p 2 l II     sin ,A (4-13) Tiết diện sơ bộ của vành ngắn mạch. vn vn vn J I =S , mm 2 ; (4-14) Căn cứ vào tiết diện sơ bộ của rãnh và kích thước tối thiểu của răng, gông rôto mà thiết kế dạng rãnh rôto cho thích hợp. Thường chiều cao của vành ngắn mạch lấy cao hơn rãnh một ít mà thôi. Hình 4.4 Vành ngắn mạch Có thể lấy chiều cao của và nh ngắn mạch như sau: h V = (1,1 - 1,2) h r2 . (4-15) Đường kính trung bình của vành ngắn mạch : D tb.V = D’ - h V Đối với rôto quấn dây thì số vòng dây của dây quấn rôto N 2 được thiết kế sao cho sức điện động dây bên rôto E 2 khi rôto không chuyển động nằm trong khoảng 40  230V (với máy đến 100kW). Có thể tính N 2 theo công thức sau:   12dqs 3 2 2 fkk4 10.E N ; (4-16,a) trong đó k dq2 là hệ số dây quấn rôto. Các tham số khác giống như ở bên stato. Nếu rôto có dây quấn loại thanh dẫn (mỗi rãnh chỉ có hai thanh dẫn) thì số vòng dây của một pha sẽ bằng: 2 22 a 1 pq2N  ; (4-16,b) Dòng điện trong thanh dẫn dây quấn rôto cũng được tính theo công thức trên. Sau khi thiết kế xong rãnh rôto cần tính toán lại chính xác các kích thước vntdgz JJ h b ,,, 22 và lấy đó làm số liệu chính xác để tính các tham số khác sau này. Điều chú ý là khi tính chiều cao gông h g2 cần biết đường kính lỗ trục. Trục phải thiết kế sao cho độ võng của trục không vượt quá 10% khe hở không khí. Do đó muốn thiết kế chính xác cần phải tính độ võng của trục. Khi thiết kế lõi sắt mà chưa cần thiết kế trục, có thể xác định đường kính trục d t theo công thức kinh nghiệm như sau: ntt D k d  , cm (4-17) Hệ số k t lấy theo bảng 4-5. Bảng 4-5 h, mm 50 63 71 250 280 355 400 500 2p 2  6 2 8 2 412 4 6 812 k t 0,19 0,23 0,22 0,23 0,20 0,23 0,25 Khi rôto ép trực tiếp trên trục, thường mật độ từ thông ở gông tính ra thấp hơn phạm vi cho phép rất nhiều. Khi rôto có giá đỡ trục, đường kính trong rôto được thiết kế theo yêu cầu đảm bảo mật độ từ thông ở gông nằm trong phạm vi cho phép. Tóm lại cách tính chính xác chiều cao gông h g2 như sau (hình 4-2): Khi rãnh đáy phẳng: g2r t 2g d 3 2 h 2 d'D h    , cm ; (4-18,a) Khi rãnh đáy tròn: gr t g ddh d'D h 3 2 6 1 2 222    , cm; (4-18,b) Khi rãnh như hình 4-2, c. g2r t 2g d 3 2 h 3 1 h 2 d'D h    , cm (4-18,c) trong đó = đư ờng kính của lỗ thông gió dọc trục nếu có; g d h r2 = chiều cao của rãnh rôto. Chú ý là đối với máy hai cực từ (2p = 2) thì dùng t d 3 1 , để thay cho d t hay cho rằng d t = 0 nếu máy có công suất nhỏ. Khi rôto có giá đỡ trục thì d t được thay bằng đường kính trong của rôto . t D . 280-355 40 0 -45 0 24/ 19 24/ 19 24/ 19 24/ 19 36/28 36/28 36/28 48 /40 48 /38 - 24/ 18 24/ 18 36/28 36/ 34 48 /38 48 /38 48 /38 60/50 60/70 60/70 36/28 36/28 36/28 54/ 51 54/ 51 72/58. dạng rãnh. 4- 1. Xác định khe hở không khí. Khi chọn khe hở không khí  ta cố gắng chọn trị số nhỏ để cho dòng điện không tải nhỏ và hệ số công suất cos cao. Nhưng khe hở không khí nhỏ làm. 16, 17 26, 38, 44 , 46 34, 38, 56, 58, 62, 64 50, 52, 68, 70, 74 62, 64, 80, 82, 86 16, 18, 28, 30, 33, 34, 35, 36 27, 28, 30, 34, 38, 45 , 48 38 ,40 , 57, 59 48 , 49 , 51, 56, 64, 69, 71 61,