ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROMECHANIKY A VÝKONOVÉ ELEKTRONIKY DIPLOMOVÁ PRÁCE

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROMECHANIKY A VÝKONOVÉ ELEKTRONIKY DIPLOMOVÁ PRÁCE Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Abstrakt Předkládaná diplomová práce je zaměřena na návrh vysokootáčkového asynchronního stroje v pevném závěru. Konstrukci kruhového diagramu a sestrojení momentové a proudové charakteristiky, kontrolu namáhání zubové části rotoru pomocí metody konečných prvků. Dále porovnává výpočet klasickou metodou návrhu s výstupem z firemního softwaru KING. Klíčová slova 3-f asynchronní motor, pevný závěr, vysokootáčkový motor, vinutí, elektromagnetický výpočet, kruhový diagram, momentová charakteristika, proudová charakteristika MKP, redukované napětí, deformace

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Abstract This Master's thesis deals with project of highspeed asynchronous machine in nonexplosive cover, circular diagram, torque and current characteristics. Furthermore, it deals with checking effort of rotor's gear section by using FEM (Finite Element Method). And also it compares a classical method of design with a result from a corporate software KING. Key words 3 fases asynchronous machine, non-explosive cover, highspeed machine, winding, electromagnetic calculation, circular diagram, torque characteristics, current characteristics MKP, reduced voltage, deformation

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně, s použitím odborné literatury a pramenů uvedených v seznamu, který je součástí této diplomové práce. Dále prohlašuji, že veškerý software, použitý při řešení této diplomové práce, je legální.... podpis V Plzni dne.5.05 Jan Brázda

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Poděkování Tímto bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce Ing. Romanovi Pechánkovi, Ph.D. za cenné profesionální rady, připomínky a metodické vedení práce a Ing. Jakubovi Švaříkovi za cenné konzultace a podporu.

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Obsah OBSAH... CHYBA! ZÁLOŽKA NENÍ DEFINOVÁNA. SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK... 0 ÚVOD... 3 ELEKTROMAGNETICKÝ VÝPOČET... 4. SPECIFIKACE ZADÁNÍ... 4. STANOVENÍ HLAVNÍCH PARAMETRŮ STROJE... 5.3 NÁVRH STATORU... 5.3. Návrh vinutí statoru... 5.3. Návrh drážky statoru... 8.3.3 Návrh čel vinutí statoru... 0.3.4 Výpočet úbytku napětí statorového vinutí....3.5 Návrh magnetického obvodu statoru....4 NÁVRH ROTORU....5 MAGNETICKÝ OBVOD... 5.5. Magnetický výpočet... 5.5. Magnetická napětí... 5.6 PARAMETRY NÁHRADNÍHO SCHÉMATU... 7.6. Odpor vinutí statoru... 7.6. Odpor vinutí rotoru... 8.6.3 Rozptylová reaktance statoru... 9.6.4 Rozptylová reaktance rotoru... 30.6.5 Přepočet rotorových veličin na stator... 30.6.6 Příčná větev... 3.7 ZTRÁTY... 3 Ztráty dělíme na ztráty hlavní, které se počítají pouze pro stator, dodatečné, které vznikají při chodu naprázdno, Jouleovy a mechanické.... 3.7. Povrchové ztráty... 3.7. Pulzní ztráty... 3.7.3 Celkové ztráty v železe... 34.7.4 Ztráty ve vinutí... 34.7.5 Mechanické a ventilační ztráty... 34.7.6 Účinnost... 34.8 VÝPOČET PROUDU NAPRÁZDNO A NAKRÁTKO... 35 Tyto hodnoty jsou potřebné pro sestrojení kruhového diagramu.... 35.8. Proud naprázdno... 35.8. Proud nakrátko... 35.9 VÝPOČET OTEPLENÍ... 36 VYTVOŘENÍ KRUHOVÉHO DIAGRAMU A VYNESENÍ PROUDOVÉ A MOMENTOVÉ CHARAKTERISTIKY... 39. KRUHOVÝ DIAGRAM... 39. VYNESENÍ MOMENTOVÉ A PROUDOVÉ CHARAKTERISTIKY... 39.. Vzorové výpočty pro vynesení proudové a momentové charakteristiky... 39 8

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 3 KONTROLA MECHANICKÉ PEVNOSTI ZUBOVÉ ČÁSTI... 43 3. POČÁTEČNÍ PODMÍNKY... 43 3. REDUKOVANÉ NAPĚTÍ... 45 3.3 VÝSLEDNÁ DEFORMACE... 46 4 POROVNÁNÍ VÝSLEDKŮ S VÝSTUPY ZE SOFTWARU KING... 47 ZÁVĚR... 50 SEZNAM LITERATURY A INFORMAČNÍCH ZDROJŮ... 5 PŘÍLOHY... 9

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Seznam symbolů a zkratek S... Zdánlivý výkon [ VA ] P... Činný výkon [ W ] cos j... Účiník U f... Fázové napětí [ V ] I... Fázový proud [ A ] U S... Sdružené napětí [ V ] t p... Pólová rozteč [ m ] D... Vrtání statoru [ m ] p... Počet pólů q... Počet drážek na pól a fázy Q... Počet drážek statoru t d... Mezidrážková rozteč statoru N S... Počet závitů jedné fáze v sérii m... Počet fází A... Obvodová proudová hustota [ A/ m] n d... Počet vodičů v drážce a stř... Počet paralelních větví každé fáze střídavého vinutí Q p... Počet drážek na pól y d... Cívkový krok b... Poměrné zkrácení kroku y k... Krok na komutátoru y... Přední cívkový krok y... Zadní cívkový krok k v... Činitel vinutí m... Počet matematických fází é C... Essonův činitelê ëm 3 kva ù ot / minú û B d... Indukce ve vzduchové mezeře [ T ] 0

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 l e... Efektivní délka stroje[ m ] L... Celková délka induktu[ m ] z... Šířka zubu statoru[ m ] B z... Sycení v hlavě zubu statoru[ T ] b d... Šířka drážky statoru[ m ] s... Proudová hustota[ A / mm ] cu h č... Výška čela[ m ] R / 0... Odpor pro stejnosměrný proud[ W ] z... Vliv skinefektu u r... Úbytek napětí na odporu[ %] F... Magnetický tok[ Wb ] d... Velikost vzduchové mezery[ m ] Q... Počet drážek rotoru t d... Mezidrážková rozteč rotoru I... Proud tyčí rotoru[ A ] I kr... Proud kruhem rotoru[ A ] k c... Carterův činitel U d... Magnetické napětí ve vzduchové mezeře[ A ] I m... Magnetizační proud [ A ] l č... Délka čel vinutí[ m ] R... Odpor jedné fáze[ W ] l dif... Činitel magnetické vodivosti diferenčního rozptylu statoru l d... Činitel magnetické vodivosti drážky statoru l č... Činitel magnetické vodivosti čel statoru statoru X s... Rozptylová reaktance statoru[ W ] R... Přepočtený odpor rotoru[ W ] X s... Přepočtená rozptylová reaktance rotoru[ W ] D P Feh... Hlavní ztráty v železe statoru[ W ]

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 D P dp... Celkové povrchové ztráty statoru[ W ] D P dp... Celkové povrchové ztráty rotoru[ W ] b 0... Náhradní otevření drážky statoru[ m ] D P p... Pulzní ztráty v zubu statoru[ W ] D P p... Pulzní ztráty v zubu rotoru[ W ] D P Fe... Celkové ztráty v železe[ W ] D P j... Jouleovy ztráty ve vinutí statoru[ W ] D P j... Jouleovy ztráty ve vinutí rotoru[ W ] D P mech... Mechanické a ventilační ztráty[ W ] D P... Celkové ztráty [ W ] h... Účinnost[ %] I 0... Proud naprázdno[ A ] I k... Proud nakrátko[ A ] cosj 0... Účiník naprázdno cos j k... Účiník nakrátko J pov D... Oteplení vnitřního povrchu statoru nad teplotu stroje[ C] D... Teplotní spád v drážkové části statorového vinutí[ C] J id D... Teplotní spád v čelech statorového vinutí[ C] J ič D... Oteplení vnějšího povrchu čel vinutí nad teplotu uvnitř stroje[ C] J povč D J... Střední oteplení statorového vinutí nad teplotu uvnitř stroje[ C] D... Oteplení vzduchu uvnitř stroje nad teplotu prostředí[ C] J v D... Střední oteplení statorového vinutí nad teplotu okolního vzduchu[ C] J s n... Jmenovitý skluz M n... Jmenovitý moment[ Nm ] s z... Skluz zvratu M max... Maximální moment[ Nm ] E... Modul pružnosti[ MPa ] R P0... Mez kluzu[ MPa ]

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Úvod Předkládaná práce se zabývá elektromagnetickým návrhem vysokootáčkového asynchronního motoru a vynesením jeho charakteristik, dále pak simulací namáhání zubu a konečně také porovnáním vlastního návrhu s výsledky zadavatele z programu KING. Vysokootáčkové motory začínají být v posledních letech stále používanější pohon průmyslových zařízení. Je to z části dané jednoduchou konstrukcí, dále pak pokrokem v oblasti polovodičových řídících struktur, které motor pohání. V tomto případě se jedná o pohon kompresoru výbušných plynů. Standardní pohon je složen z konvenčního motoru na síťové frekvence, mechanické převodovky a vlastního kompresoru. Tento pohon má však několik nevýhod, jehož hlavním problémem je mechanická převodovka, která je drahá na výrobu a vznikají v ní mechanické ztráty. Moderní koncepce používá vysokootáčkový motor napájený měničem, který přímo pohání kompresor. Tím klesla nejen cena dodávaného systému, ale také klesly jeho ztráty. Tento návrh se týká motoru o výkonu 6MW pro pohon kompresoru výbušných plynů, proto je motor proveden s pevným závěrem, což se v návrhu projevilo omezením vnějšího průměru statoru. Závěr také klade nároky na konstrukci pláště a jeho utěsnění. Zadavatel, firma Howden s.r.o., získal grant ministerstva průmyslu a obchodu k výrobě prototypu o výkonu 3MW a 4800 ot/min. Z jeho koncepce vychází i můj návrh. 3

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Elektromagnetický výpočet. Specifikace zadání Typ: Jmenovitý výkon: jmenovité sdružené napětí: Asynchronní motor s kotvou nakrátko 6 MW 6 kv počet pólů: napájecí frekvence: způsob chlazení: tvar: krytí: teplota okolí: ochrana nevýbušnosti: typ statorového vinutí: typ vodiče statoru: 80Hz IC55 (trubkový výměník tepla vzduch-vzduch okolo stroje) IM00 IP55 +5 +40 C II G Ex d IIA T3 smyčkové nekřížené dvouvrstvé pásový Cu třída izolace: F (oteplení ve třídě B) typ izolace: vnější průměr plechů statoru: vrtání statoru: tvar statorové drážky: tvar rotorové drážky: RESIN-RICH (zesílená pro napájení z FM) 00 mm 580 mm obdélníková J dle standardu Howden ČKD Compressors s.r.o. Pokud z technického řešení vzejde požadavek na trvalou regulaci otáček turbokompresoru do maxima 4800 ot/min pomocí frekvenčního měniče. Je možné při použití vysokootáčkového motoru vyjmout ze soustrojí převodovku a výrazně tak snížit cenu zakázky. Howden ČKD Compressors s.r.o.v minulosti vyvinula a vyrobila prototyp vysokootáčkového asynchronního motoru (3MW / 4800rpm /6kV), který je navíc v pevném závěru a tudíž vhodný pro umístění ve výbušné atmosféře. Účelem tohoto zadání je získat návrh porovnatelný s dalšími nabízenými stroji vycházejícími z koncepce již vyrobeného prototypu. 4

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05. Stanovení hlavních parametrů stroje Zdánlivý výkon při odhadovaném účiníku: P 6 S 6, 67 MVA cosj 0,9 () Fázové napětí: U 6000 U f 3464V () 3 3 Fázový proud: I 3 S 6670 0 668 A (3) U 3 6000 3 S Mezipólová rozteč: pd p 0,58 t p 0, 9m p (4).3 Návrh statoru Stator je tvořen statorovými plechy, mezi kterými jsou ventilační kanálky, vnější rozměr statorového plechu je omezen zadáním. Do drážek statoru je založeno statorové vinutí..3. Návrh vinutí statoru Počet drážek na pól a fázi (zvoleno): q 8 (5) Počet drážek statoru: Q pmq 3 8 48drážek (6) Mezidrážková rozteč pd p 0,58 t d 0, 03796m Q 48 (7) 5

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Předběžný počet závitů jedné fáze v sérii: pd A p 0,58 60000 N S 6, 7 závitů mi 3 668 (8) kde obvodová proudová hustota A 60 000 A/m Počet vodičů v drážce: astř N S 6,7 nd 6,8 & 7 (9) pq 8 Skutečný počet závitů: nd pq 7 8 N S 8 závitů (0) a stř Skutečná hodnota obvodové proudové hustoty: N S mi A pd Parametry vinutí: 8 3 668 660 A/ m p 0,58 () Počet drážek na pól: Q 48 Q p 4drážek () p Cívkový krok: y b 4 0,833 0 (3) d Q p Poměrné zkrácení kroku y d 0 b 0,833 (4) Qp 4 6

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Krok na "komutátoru": ek+ a 0 96+ y k p (5) Přední cívkový krok: y uy + 0+ (6) d Zadní cívkový krok: y yk - y - 9 (7) - Činitel vinutí v. harmonické: Obr. Úsečkové schéma vinutí k v p sinn æ p ö sin ç m n nb 0,9 (8) è ø p nsinn m n Skutečná hodnota Essonova činitele elektromagnetického využití stroje: p p kva C ABd kv 660, 0,9 7,588 (9) 3 60 60 m ot / min kde indukce ve vzduchové mezeře B δ, T. Efektivní délka stroje: S 6670 l e 0, 5687 m (0) CD n 7,59 0,58 4800 Šířka paketu: š p 0, 0405 m 7

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Šířka kanálku: š p 0, 0 m Počet paketů: le 0,5687 i 4 () š 0,0405 p Celková délka induktu včetně větracích kanálů: L le+ škik 0,5687+ 0,0 4 0, 70878m ().3. Návrh drážky statoru Na statoru je navržena drážka typu M. Šířka zubu zvolena s ohledem na poměr zub/drážka, dle doporučení Howden: z 0, 94 mm Hodnota magnetické indukce v hlavě zubu, k Fe je činitel plnění železa: Bd td, 37,96 B z, 67T z k 0,94 0,9 Fe (3) Šířka drážky: bd td - z 37096-0,94 7, 0 mm (4) Proudová hustota kde K je napěťová konstanta s hodnotou K90 K 90 A mm s Cu 4,065 / (5) bv,5 Průřez vodiče: S I 668 Cu 8, astřs Cu 4,065 mm (6) 8

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Výška vodiče: S Cu 8, hv 7, 5 mm (7) b,5 v Původní vodič bude rozdělen na výšku i vodičů o rozměrech,5x3 mm a jeho skutečný průřez S 34,5 mm. Důvodem je potlačení vlivu skinefektu. Výsledný průřez vodičů tvořící jeden závit: S Cu 65 is 34,5 mm (6) Skutečná proudová hustota: I 668 s Cu 4,84 A/ mm (7) astř SCu 65 Tab. Složení jedné drážky Název Šířka Hloubka Polovodivý nátěr 0,0 0,0 0,0 0,04 Izolace proti železu,5 5 4,5 0 Izolace vodičů 0,5 0,5 0,5 4 4 Vložka mezi závity - - 6 0,, Mezivrstva - - 4 4 Součet izolace 5,5 9,4 Holý vodič,5,5 3 7 84 Vložka na dno - - Vložka pod klín - - Rozměr drážky bez klínu bd 7,0 h 5,4 Zapuštění klínu - - 0,5 0,5 Klín - - 4 4 Konečný rozměr drážky bd 7,0 hd 0,74 9

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05.3.3 Návrh čel vinutí statoru Výška čela h č ( h - m) (5,4-3) 56, mm (8) Úhel sklonu čel válcového vinutí: bč ( bd ) + c 7,0+ 7 sina č 0,6377 a č 39, 55 (9) t 37,96 d kde vzdálenost mezi čely se volí v závislosti na velikosti napětí podle vztahu: U[ kv] 6 c 4 + 4+ 7 mm (30) Délka šroubovice čela: bt p x cosa č 0,833 9,06 490 mm cos39,5 (3) Střední poloměr oka: hč 56, R r+ 0+ 38,06 mm (3) Délka oka pr p 38,06 o 59, 784 mm (33) Délka čela, kde ν je výběh cívky pro 6kV 0,05m: l č ( v+ x+ o) (0,05+ 0,49+ 0,06), m (34) Délka vodiče: lv L+ lč 0,7088+,, 908m (35) 0

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Délka oka: e hč + r 56,+ 0 66, mm (36) Průmět x do osového směru bt p y tga č 0,833 9 tg39,55 309,46 mm (37) Vyložení v podélném směru: E v+ y+ b 0,05+ 0,66+ 0,309 0, 45 m (38).3.4 Výpočet úbytku napětí statorového vinutí Elektrický odpor pro stejnosměrný proud (bez uvažování skinefektu): lv N s,908 8 R / 0 r Cu 0, 035W (39) a S 56 69 stř Cu kde ρ Cu je měrný odpor měděného vodiče při teplotě 0 C. Vliv skinefektu: bv f -7,5 80-7 x ph v 0 p 3 0 0,38 (40) b r d 7,0 56 Činitel zvýšení elektrického odporu: k Cu 0,06 Odpor při střídavém proudu při 0 C: R + k Cu ) (+ 0,6) 0,035 0, 033W (4) / 0 ( R/ 0 Odpor při 90 C: R,8,8 0,033 0, 07W (4) / 90 R/ 0

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Procentní hodnota úbytku napětí na ohmickém odporu: R/ 90I 0,07 668 u r 0,38% (43) U 3464, f.3.5 Návrh magnetického obvodu statoru Magnetický tok: U f 3464, f 0,378Wb (44),44 fn k 4,44 80 8 0,9 4 s v Velikost vzduchové mezery podle empirického vztahu: 3 d 0,+ 0,5 3 P n 0,+ 0,5 6000 4, mm (45) Výška jha statoru (omezena maximálním rozměrem plechů statoru) D- D,- 0,58 h j - hd - 0,074 0, 89 m (46).4 Návrh rotoru Zvolen rotor s nenatočenými drážkami, který je složen z plechů do kterých jsou vyraženy rotorové drážky pro vodiče. Rotorové plechy mají otvor pro hřídel o průměru 60 mm. Počet drážek rotoru (musí být menší než počet drážek statoru): Q 40 drážek Počet fází rotoru: m Q 40 fází Počet cívek rotoru na fázi: Q 40 q 0, 5 závitů (47) pm 40

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Vnější průměr rotoru: D D - d 0,58-0,004 0, 576m (48) Délka rotoru: l r L 0, 7088m (49) Drážková rozteč rotoru: pd p 0,576 t d 0, 0449m Q 40 (50) Výška jha rotoru (omezena vrtáním rotorových plechů D r 0,6 m) D- Dr 0,576-0,6 h j 0, 558m (5) Převod: p i mn s k Q n 3 8 0,9 3,868 40 (5) Proud tyčí: I,9 I pi 0,9 668 3,868 378 A (53) 0 Průřez tyče (odhadovaná proudová hustota v tyči J 5 000 000 A/m ): I J -3 S t 0,4774 0 m (54) 378 5000000 Pootočení proudu v tyčích: p p p a 0,57 Q 40 (55) 3

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Proud kruhem nakrátko: I 378 I kr 556, 5 A (56) D 0,569 kde p p D sin Q p sin 0,569 40 (57) Proudová hustota v kruhu: J kr J 0,85 5000000 0,85 450000A/ m (58) Průřez kruhu: S kr I J 556,5 450000 kr -3 3,56 0 m (59) kr Šířka zubu (Indukce v zubu rotoru B z,8 T) B td le, 0,0449 0,5688 bz d 0, 074 m B l,8 0,5688 z e (60) 4

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05.5 Magnetický obvod Magnetický obvod slouží k vedení magnetického toku strojem, je tvořen železem statoru, rotoru a vzduchovou mezerou. U asynchronních strojů je stator vždy složen ze statorových plechů kvůli omezení vířivých proudů, v mém návrhu je z plechů tvořen i rotor pro zjednodušení výroby..5. Magnetický výpočet Tab.. Tabulka indukcí a intenzit v mag. obvodu stroje - odečteno z Magnetizační charakteristiky pro plechy Ei 3 Indukce [T] Intenzita [A/m] Zub rotoru,8 00 Zub statoru 6000 Jho rotoru,5 00 Jho statoru,8 800.5. Magnetická napětí Koeficienty potřebné k výpočtu Carterova činitele: k k td æ b0 ö ç èd - ø d t b0 5+ d 0,038 c t d d td æ b0 ö ç èd - ø d t b0 5+ d æ 0,070ö ç 0,004 - è ø 0,004 0,070 5+ 0,004 0,0449 c t d d æ 0,006 ö ç 0,004 - è ø 0,006 5+ 0,004 0,004,03636,0306 (6) (6) Carterův činitel: k k k,03636,0306,068 (63) c c c 5

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Magnetické napětí ve vzduchové mezeře: Ud Bd d kc, 0,004,03636 760, 3 A (64) -7 m 4 p 0 0 Magnetické napětí v zubu statoru: U z hz H z 0,074 6000 678, 48 A (65) Magnetické napětí v zubu rotoru: U z hz H z 0,074 00 90, 94 A (66) Délka střední indukční čáry statoru: p ( D- h j) p (, - 0,89) l j + h j + 0,89, 776 m p (67) Délka střední indukční čáry rotoru: p ( D- h j) p (0,576-0,558) l j + h j + 0,558 0, 767 m p (68) Magnetické napětí ve jhu statoru: U j l j H j,776 800 4A (69) Magnetické napětí ve jhu rotoru: U j l j H j 0,767 00 90, 94 A (70) Výsledné magnetické napětí na jednu pólovou dvojici : Fm U d U z U j U z U j 760,3 678,5 90,94 4 90,94 750, 95 A (7) Magnetizační proud: p Fm 4 750,95 Im 46,3 A (7),9 m N k 0,9 3 8 0,9 0 s n 6

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Poměrný magnetizační proud: Im 46,3 im 0,369 (73) I 668.6 Parametry náhradního schématu Parametry náhradního schématu jsou důležité pro sestrojení momentové a proudové charakteristiky a stanovení proudu naprázdno a nakrátko..6. Odpor vinutí statoru Koeficienty potřebné k výpočtům: b+ S 0,05+ 0,007 m 0,487 (74) 0,03796 t d K č,45 (75) - m - 0,487 K v K čm,45 0,487 0,79 (76) Střední šířka cívky: p ( D hd b ) + p (0,58+ 0,074) c b 0,833 0, 97 m p (77) Délka čela závitu: lč Kčbc + B+ hd,45 0,97+ 0,05+ 0,074, 7 m (78) Délka vyložení čel: lv Kvbc + B- 0,5hd 0,79 0,97+ 0,05-0,5 0,074 0, 45m (79) Střední délka závitu: lav ( L+ lč ) (0,709+,7) 3, 959 m (80) 7

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Celková délka vodičů jedné fáze: Lv lav N s 3,959 8 0, 855 m (8) Odpor jedné fáze vinutí: - L 0 6 v 0,855 R r n 0,0959W (8) S a 4 0,000069 ef.6. Odpor vinutí rotoru Střední průměr kruhu nakrátko: Dkn» D - akn 0,576-0,094 0, 56m (83) Odpor části kruhu: -6 pdkn 0 p 0,56-7 R kn r kn,8 0 W (84) Q S 4 40 0,0036 kn Odpor tyče: -6 lt 0 0,709-5 R t rt b 3,634 0 W (85) S 4 0,000476 t Odpor rotorového vinutí: -7 R -5,8 0-5 R R + kn t 3,634 0 + 5,9 0 W (86) D 0,569 8

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05.6.3 Rozptylová reaktance statoru Činitelé potřebné k výpočtu: k 0,5(+ 3b ) 0,5(+ 3 0,833) 0,87475 (87) b k 0,5(+ 3k ) 0,5(+ 3 0,87475) 0,906 (88) b b x æ t ç è t t - t ö k ø - k d d D z b n d d æ 0,0449 ç - è 0,038 æ t ç è t d d ö ø 0,038 ö æ 0,0449ö 0,3 0,906-0,9ç 0,0449 ø è 0,038 ø 0,6787 m (89) Činitel magnetické vodivosti diferenčního rozptylu statoru: td 0,038 ldif x 0,6787 0,4786 dk 0,004,068 c (90) Činitel magnetické vodivosti rozptylu čel vinutí statoru: q 8 l č 0,34 ( lč - 0,64bt p ) 0,34 (,7-0,64 0,833 0,9) 4,95 (9) l 0,63 i kde l i L- 0,5nvk bvk 0,709-0,5 3 0,0 0, 644 m (9) Činitel magnetické vodivosti drážky statoru: l d h - h 3b d m k b h + b d hm k b + 4b d 0,08-0,009 0,0055 0,009 0,906+ 0,875+,75 3 0,070 0,070 4 0,070 (93) Rozptylová reaktance statoru: f æ N s ö L X s 5,8 ç ( ld+ lč+ ldif ) 00 è00ø pq 80 æ 8 ö 0,709 5,8 ç (,75+ 4,59+ 0,4786) 0,66W 00 è00ø 8 (94) 9

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05.6.4 Rozptylová reaktance rotoru Činitel magnetické vodivosti drážky rotoru: l d h h h æ 3 ö k h h4 + + + ç + 0 3 b + b b + b bk è bd + b bd ø 0,006 0,00 0,008 æ 3 0,00 0,0 ö + + + ç + 3,49 0,033+ 0,006 0,033+ 0,0 0,009 è 0,06+ 0,033 3 0,06ø (95) Činitel magnetické vodivosti diferenčního rozptylu rotoru: td 0,0449 ldif x 0,94 0,00997 dk 0,004,068 c (96) kde x æppö + 5 ç è Qø D z - æ p ö - ç è Qø æpö + ç 5è 40ø 0,06 - æ ö -ç è 40ø 0,94 (97) Činitel magnetické vodivosti rozptylu čel vinutí rotoru:,3dkn 4,7Dkn,3 0,56 4,7 0,56 l č log log 0,33 (98) Q l D ( a + b ) 40 0,644 0,569 (0,05+ 0,07) i kn kn Rozptylová reaktance rotoru: X 7,9 f ( l + l + l s l i d č dif ) 0 7,9 80 0,644 (3,49+ 0,00997+ 0,33) 0 6 6 0,005546W (99).6.5 Přepočet rotorových veličin na stator Přepočtený odpor rotoru: R ( N k s n -5 R 4m 5,9 0 Q ) (8 0,9) 4 3 40 0,08W (00) 30

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Přepočtená rozptylová reaktance rotoru: ( N skn ) (8 0,9) X s X s 4m 0,66 4 3 0, 3W (0) Q 40.6.6 Příčná větev Odpor příčné větve: DPFe 44847,3 RFe 0, 7957W (0) m 3 46,34 I m Vzájemná indukčnost statoru a rotoru: X m U N 3464,0 - Xs - 0,66 3, 7W I 46,34 m (03).7 Ztráty Ztráty dělíme na ztráty hlavní, které se počítají pouze pro stator, dodatečné, které vznikají při chodu naprázdno, Jouleovy a mechanické..7. Povrchové ztráty Hmotnost železa jha statoru: m j p ( D- h j ) h j l Fe k p (, - 0,89) 0,89 0,56 0,99 7,8 0 Fe r Fe 3 639,5 kg (04) Hmotnost zubů statoru: m z h b Q l k r z zav Fe 0,074 0,0885 48 0,56 0,99 7,8 0 Fe Fe 3 733,48 kg (05) Hlavní ztráty v železe statoru: DP Feh Dp,0 æ 80ö,5 ç è 50ø æ f ö ç è 50ø 0,833 b ( k dj B j m j + k dz B zav m (,4,8 639,5+,7 733,48) 39060W z ) (06) 3

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Amplituda pulzací ve vzduchové mezeře: B b kcb 0,7,068, 0, 37T (07) 0 0 d B b kcb 0,075,068, 0, 088T (08) 0 0 d Ztráty vztažené na m povrchu hlav zubů statoru a rotoru: p dp 0,5 k 0 æ Qn ö ç è0000ø æ 40 4800ö 0,5,9 ç è 0000 ø,5,5 ( B t 0 d 0 (0,37 0,0449 0 3 ) 3 ) 663W (09) p dp 0,5 k 0 æ Qn ö ç è0000ø æ 48 4800ö 0,5,9 ç è 0000 ø,5,5 ( B t 0 d 0 (0,088 0,038 0 3 ) 3 ) 893,7 W (0) Celkové povrchové ztráty ve statoru: Dpd p pd p ( td-b0 ) Q lef 663 (0,038-0,070) 48 0,56 997, 88W () Celkové povrchové ztráty v rotoru: Dpd pd t -b ) Q l 893,7 (0,0449-0,006) 40 0,56 790, W () p p ( d 0 ef 8.7. Pulzní ztráty Náhradní otevření drážky statoru: b b æ ç+ è t 0,5t d b +H ö ø 0,070 0,5 0,038 0 0 3 ç + d 0 d 3 0,038 0,070+, æ è ö ø 0,055m (3) 3

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Vliv drážkování statoru a rotoru: æ b 0ö ç è d g» ø b 0 5+ d æ 0,055ö ç 0,004» è ø 0,055 5+ 0,004» 8,75 (4) æ b0 ö ç è d g» ø b0 5+ d æ 0,006 ö ç 0,004» è ø 0,006 5+ 0,004»,48 (5) Amplituda pulzací ve středním průřezu zubu statoru a rotoru: g d,48 0,004 B p» B av»,9» 0, 5T t 0,038 d (6) g d 0,75 0,004 B p» Bav»,75» 0, 73T t 0,0449 d (7) Hmotnost zubů rotoru m z h b Q l k r z zav 0,0,4 0,030 40 0,56 0,99 7,8 0 Fe Fe Fe 3 7,5 kg (8) Pulzní ztráty v zubu statoru: æ Qn ö æ 40 4800 ö D Pp» 0,ç Bp mz» 0,ç 0,5 733,48 67059, 3W (9) è000 ø è 000 ø Pulzní ztráty v zubu rotoru: æ Qn ö æ 48 4800 ö D Pp» 0,ç Bp mz» 0,ç 0,73 7,5 8639, W (0) è000 ø è 000 ø Dodatečné ztráty v železe: DP Fed Dp dp +Dp dp +DP +DP 997,9+ 790,8+ 67059,3 + 8639, 05787, W p p () 33

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05.7.3 Celkové ztráty v železe Celkové ztráty v železe: D P DP +DP 39060 + 05787, 44847, W () Fe Feh Fed 3.7.4 Ztráty ve vinutí Jouleovy ztráty ve vinutí statoru: D P j m R I 3 0,096 668 646, 4W (3) Jouleovy ztráty ve vinutí rotoru: -5 DP j m R I 40 5,9 0 378 337W (4).7.5 Mechanické a ventilační ztráty Tření v ložiskách a ventilační ztráty 3 3 3 ( n + ) 0, 0,9 ( 3+ ) 0 4537, W 3 D Pmech, pt p vk 7 (5).7.6 Účinnost Celkové ztráty zvětšeny o Přídavné ztráty DP ( DPFe +DPj+DPj +DP mech ),005 (44847,3 + 646, + 337+ 4537,7),005 30986,4 W (6) Účinnost æ DPö æ 30986,4 ö h ç - 00 ç - 00 96,5 % (7) è P ø è 6000000ø 34

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05.8 Výpočet proudu naprázdno a nakrátko Tyto hodnoty jsou potřebné pro sestrojení kruhového diagramu..8. Proud naprázdno Ztráty ve statorovém vinutí DP j m R Im 3 0,096 46,3 3566, 37W (8) 0 Jalová složka proudu naprázdno I j 0 I m 46, 3 A (9) Činná složka proudu naprázdno DPFe +DPmech +DPj 0 44847,3 + 4537,7 + 3566,37 I č 0 0, 766 A (30) m U 3 3464, n Proud naprázdno: I I č 0 + I j0 0,766 + 46,3 46, 56 A (3) 0 Účiník při chodu naprázdno: I č 0,766 cos j 0 0 0,044 (3) I 46,56 0.8. Proud nakrátko Odpor nakrátko: R k R + R 0,096+ 0,08 0, 034W (33) Reaktance nakrátko: X k X s + X 0,66+ 0,3 0, 97W (34) s Impedance nakrátko: Z R + X 0,034 + 0,97 0, 97W (35) k k k 35

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Proud nakrátko: I U n 3464, 356, A (36) Z 0,97 k 4 k Účiník při chodu nakrátko: Rk 0,034 cos j k 0,03 (37) Z 0,97 k.9 Výpočet oteplení Důležitý výpočet, který zkoumá zda oteplení stroje dovoluje použít zvolenou izolaci. V případě, že by oteplení překročilo mezní teplotu izolace (pro třídu F 5 C), muselo by se přikročit ke změně třídy izolace. Jouleovi ztráty v drážkách vinutí statoru, kde činitel zvýšení ztrát pro třídu F k ρ,07: L 0,709 DP jd kr DPj,07 646, 0055, 3W (38) l 3,96 av Jouleovi ztráty v čelech vinutí statoru: lč,7 DP jč kr DPj,5 646, 808W (39) l 3,96 av Oteplení vnitřního povrchu statoru nad teplotu stroje: DP jd +DP Feh + D J 0055,3 808 pov K 0, 53, 5 C pdla p 0,58 0,709 493 (40) Obvod drážky statoru: ( h + b ) ( 0,074+ 0,070) 0, m Od d d 75 (4) Jednostranná tloušťka izolace: ( b + b ) 0,5 ( 0,0,70+ 0,05) 0, m bi 0,5 d v 0076 (4) 36

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Teplotní spád v drážkové části statorového vinutí, kde λ ekv 0,3 W.m.K: DP jd æ b ö i 0055,3 æ 0,0076ö DJ id ç C Q Od L ç 9, 87 (43) èlekv ø 48 0,75 0,709 è 0,3 ø Teplotní spád v čelech statorového vinutí: DP jč æ b ö i 80,8 æ 0,0076ö DJ ič ç C Q Od l ç 4, 49 (44) č èlekv ø 48 0,75,7 è 0,3 ø Oteplení vnějšího povrchu čel vinutí nad teplotu vzduchu uvnitř stroje: KDP jč D J 0, 808 povč 5, 7 C pd l a p 0,58,7 50 (45) č v Střední oteplení statorového vinutí nad teplotu uvnitř stroje: DJ ( DJ +DJ ) L+ ( DJ +DJ ) pov ( 53,5+ 9,87) 0,709+ ( 5,7+ 4,49) l av l id povč ič č 3,96,7 9,53 C (46) Součet ztrát motoru při jmenovitém chodu a pracovní teplotě: å DPDPFe +DPmech +DPp 44867,3+ 45,37,7 + 68,6 0769, 34W (47) å DP å DP+ 0769,34 + ( k - )( DP +DP ) r j j (,07- ) ( 646, + 337) 0454,55 W (48) å DP v ådp - jč Feh (49) 0454,55 + ( - K)( DP +DP ) ( - 0,) ( 808+ 39060) 6003,8 W Oteplení vzduchu uvnitř stroje nad teplotu prostředí: ådp v 6003,8 DJ v 60, C (50) S 5,4 493 Ta 37

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Střední oteplení statorového vinutí nad teplotu okolního vzduchu: DJ DJ +DJv 60,+ 9,53 89, 63 C (5) Činitel uvažující změnu chladících podmínek: n 4800 k m m D 3,3, 5 (5) 00 00 Požadovaný průtok vzduchu: å DP v 6003,8 3 Qv,6 m / s 00 DJ 00 89,6 v (53) [], [], [3], [4] 38

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Vytvoření kruhového diagramu a vynesení proudové a momentové charakteristiky. Kruhový diagram Kruhový diagram je geometrické místo proudových vektorů za předpokladu, že jsou všechny odpory a reaktance motoru stálé. U velkých a málo sycených strojů s vinutou kotvou je kruhový diagram přesný. Pro stroje s kotvou nakrátko je přibližný a pro stroj, jako je tento, nemá velkou vypovídací hodnotu, zejména díky faktu, že fázory proudu nakrátko a naprázdno jsou téměř ve fázi. Kružnicový diagram je zařazen v přílohách, jelikož byl vytvářen v programu AutoCAD, který dovoluje kreslit ve skutečných hodnotách bez použití měřítka je kruhový diagram také kreslen v měřítku m i A/mm. Pro přehlednost byl do výkresu vložen detail používané části kružnice k.. Vynesení momentové a proudové charakteristiky Momentová a proudová charakteristika jsou závislosti, které popisují chování motoru v závislosti na skluzu. V tomto případě ovšem nemají takový význam, protože motor bude napájen měničem a nikdy se nebude rozbíhat přímo s jmenovitou frekvencí.. Vzorové výpočty pro vynesení proudové a momentové charakteristiky Jmenovitý skluz: I 668 s n R 0,08 0,007 (54) U 3464 f Jmenovitý moment: M P w (- sn ) p 6000000 50,65 (- 0,007) n 963, 8 Nm (55) 39

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Skluz zvratu: R 0,08 s z 0,0 (56) R + ( X + X ) 0,096 + (0,66+ 0,3) s s Hopkinsonův činitel rozptylu: X s 0,66 c - -,08 (57) X 3,7 m Maximální moment: M max p m p f R + 3 p 80 0,096+ R U + ( X f s 3464, + c X ) s 0,096 + (0,66+,08 0,3) 35797, Nm (58) Následující vztahy jsou řešeny pro skluz s Klossův vztah: M M max 35797, 868, Nm (59) s sz 0,0 + + s s 0,0 ( s) 4 z Poměrný moment: M ( s) 868,4 m( s ) 0,076 (60) M 35797, max Proudová charakteristika byla vynesena pomocí tabulkových výpočtů uvedených ve zdroji []. Ke stejnému výsledku lze dojít i dosazením do následujících vztahů: Skluzová úhlová rychlost: w( s ) p f s 40

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Impedance náhradního obvodu: Z R + æ ç ç j ç X ç è s + X s + + X X j w m m R Fe ö ws ø Absolutní hodnota impedance Z R + X Proud obvodem v závislosti na skluzu I ( s ) U Z Poměrný proud f i ( s) I ( s) I N Tab.. Tabulka výpočtu momentové a proudové charakteristiky Skluz [-] Moment [Nm] Proud [A] Absolutní hodnota Poměrná hodnota Absolutní hodnota Poměrná hodnota 0,00 0 0,383989 0,68879 0,0 3746,33554,65354649 5,743746 0,853584 0,04 9884,494,660949 35,033870 0,35768 0,06 3906,94897,64548 38,634555 0,4979835 0,08 06,5697 0,887053396 45,4590073 0,636695957 0,0 8559,35 0,754305 5,9897578 0,78649935 0,0 436,79836 0,36649858 995,6468435,489977434 0,30 890,366 0,459906 49,447658,499 0,40 69,33977 0,833436 78,80033,66794638 0,50 736,033499 0,4506753 085,4864 3,0906379 0,60 446,954695 0,0944036 333,3584 3,49843 0,70 40,38354 0,03677557 534,930607 3,7935035 0,80 085,40066 0,0907446 698,705 4,038584945 0,90 964,85550 0,080647666 83,33706 4,370380,00 868,39994 0,07585404 940,03354 4,39970663 4

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 6 5 Poměrné jednotky 4 3 i m 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 Skluz Obr. Momentová a proudová charakteristika 4

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 3 Kontrola mechanické pevnosti zubové části Metoda konečných prvků je univerzální numerická metoda k řešení složitých pevnostních a deformačních problémů na principu diskretizace spojitého kontinua. Vznikla v roce 947, kdy ji matematik Courant publikoval jako matematický postup k řešení problému krutu válce. Další vývoj šel velmi pomalu, až do nástupu výpočetní techniky. Velkou výhodou metody konečných prvků je její univerzálnost, nejčastěji se používá právě pro řešení problémů mechaniky deformovatelných těles. [6] 3. Počáteční podmínky Před řešením dané simulace bylo potřeba stanovit si počáteční podmínky: Rotace rychlostí 5760 ot/min. Zahřátí vodičů na provozní teplotu 00 C Tlak od klínů stanoven na 000 N Rychlost rotace byla oproti synchronním otáčkám 4800 ot/min navýšena na 0% kvůli bezpečnosti provozu. Pro potřeby simulace je do modelu zahrnuta i osa rotace jako nedeformovatelný objekt. Teplota vodičů je také navýšena o bezpečnost, kromě toho měnič bude rozbíhat motor systémem Soft Start. Tlak od drážkových klínů bylo potřeba stanovit odhadem, neboť pracovní postup zakládání klínů a jejich utažení je založen čistě na zkušenostech zaměstnanců a záleží mimo jiné na přesnosti složení rotorového svazku, která se však může lišit. Protože klíny slouží pouze k vymezení vůlí při sestavování, byla stanovena síla, kterou působí klín na vodič na 000 N, což by mělo pokrývat jak skutečnou sílu tak i přírůstek v rámci provozní bezpečnosti. 43

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Pro simulaci je použita pouze výseč rotoru, neboť situace se periodicky opakuje na každém zubu rotoru. Proto byly zavedeny okrajové podmínky. Byla použita posuvná vazba po stranách výseče, která dovoluje pohyb podél vazby, ale nedovoluje pohyb skrz vazbu tak jako je tomu v reálných podmínkách. A pevná vazba na kontaktní ploše s hřídelí, na kterou bude svazek nalisován. V simulaci je pouze vzorek z celé délky svazku, což ovšem nevadí, jelikož se simulace zabývá pouze situací ve směru kolmém na osu rotoru. Svazek je také pro zjednodušení reprezentován masivním kusem oceli, ten však také dostačuje podmínkám simulace ze stejného důvodu. Obr. 3. Počáteční podmínky 44

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 3. Redukované napětí Z výsledku simulace je patrné namáhání u hřídele, což je způsobeno pevnou vazbou. Avšak ve skutečnosti je rotor rotačně souměrný, takže toto namáhání ignorujme. Dále je patrné namáhání v místě drážkových klínů. Toto napětí je již skutečné a je způsobeno složitým tvarem drážky pro klín. Zub rotoru je v tomto místě nejužší, navíc jsou všude v drážce pro klín ostré rohy, kde vznikají singularity. Ve skutečnosti však přechod není ostrý, proto napětí bude menší než v simulaci. Obr. 4. Redukované napětí 45

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 3.3 Výsledná deformace Výsledná deformace zobrazuje jak situaci v rotorovém plechu, tak i ve vodiči přesně tak,jak se očekávalo. Díky větší tvárnosti mědi se deformuje vodič daleko více než samotný tvar drážky. Tato deformace je přenášena na šikmou část drážky, která navazuje na vršek drážky. Zmíněná část je nejvíce deformována, ovšem deformace je těžko postřehnutelná a dá se považovat za nulovou. Obr. 5. Deformace rotorového svazku Tab. 3. Tabulka použitých materiálů Díl motoru Modul pružnosti E [MPa] Mez kluzu R P0 [MPa] Plech M30-50A 90000 390 Vodič pro drážku J0x34-7/6 48000 60 46

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 4 Porovnání výsledků s výstupy ze softwaru KING Tab. 4. Tabulka porovnání návrhů Veličina Howden ČKD Můj výpočet Aktivní délka včetně radiálních kanálů 650 mm 708,8 mm Rozměry radiálních kanálů 0 x 0 mm 3x0 mm Počet drážek statoru 60 48 Počet drážek rotoru 5 40 Rozměr drážky statoru 4 x 93 mm 7x mm Rozměr holého vodiče,8 x 8,5 mm 3x,5 mm Počet paralelních drátů 4 Počet závitů v serii 30 8 Krok vinutí v počtu drážek 5 0 Počet vodičů v drážce 6 4 Hmotnost statorového svazku plechů 38 kg 3373 kg Hmotnost rotorového svazku plechů 86 kg 936 kg Hmotnost Cu statoru 64 kg 05 kg Hmotnost Cu rotoru 8 kg 34 kg Činný odpor jedné fáze statorového vinutí při 0 C 0,066 Ω 0,096 Ω Sycení zubů na vrcholu,5 T,7 T Sycení jha,59,8 T Sycení ve vzduchové mezeře,, T Obvodová proudová hustota 65 000 A/m 660,83 A/m Essonův činitel 7,70 7,588 Proud naprázdno 70 A 47 A Jmenovitý proud 658, A 668, A Proud nakrátko 3898 A (59 %) 356 A (533%) Celkové ztráty 86 380 W 30 986 W Účiník 0,904 0,866 Maximální moment 30 747 Nm (57 %) 35 797, Nm (99 %) Jmenovitý moment 964 N*m Celková účinnost 97,0% 96,5% Z přehledu sledovaných parametrů návrhu je jasně patrná zkušenost se stavbou tohoto typu motorů a znalost limitů materiálu, které společnost používá pro stavbu svých motorů. 47

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Hned v prvním kroku návrhu, volby počtu drážek statoru, Howden zvolil jemnější drážkování, a tím pádem i menší počet vodičů v drážkách. Dále je vidět, že firma zvolila větší šířku paketů a menší počet větracích kanálků, což se projevuje kratším strojem, avšak zvyšuje nároky na odvod tepla ze stroje. Vyšší počet drážek se také projevil mělčí a užší drážkou, a tím i menším počtem vodičů v drážce. Zvoleným počtem drážek a drážkovým krokem se však prodlužují čela vinutí, a dochází tak k vyšším ztrátám v čelech Dalším sledovaným parametrem je hmotnost stroje, což určuje jeho cenu. Zde se opět projevuje menší délka statorového svazku, stejně jako odpor vinutí. Sycení strojů je srovnatelné, avšak můj návrh vlivem užší a hlubší drážky pracuje s vyšším sycením statorového zubu. Proudová hustota obou návrhů je srovnatelná, avšak Essonův činitel elektromagnetického využití stroje má návrh softwaru KING vyšší. Je to způsobeno mírně zvýšenou hodnotou obvodové proudové hustoty. Proud naprázdno má můj návrh znatelně vyšší zásluhou výše zmíněných skutečností. Jmenovitý proud mají oba návrhy srovnatelný, avšak můj návrh má citelně nižší proud nakrátko, který reprezentuje ztráty ve vinutí. Celkové ztráty má návrh v softwaru KING menší o cca 45 kw, což však může být způsobeno jiným výpočtem celkových ztrát. Dalším podstatným rozdílem je o 50% větší maximální moment. Jelikož se motor bude rozbíhat s měničem, existuje vysoká pravděpodobnost, že měnič bude držet motor v pásmu blízkému maximálnímu momentu. Díky tomuto faktu bude motor dříve v provozním stavu. Hodnota jmenovitého momentu je pro oba stroje stejná, a to 964 Nm. Bohužel díky vyšším ztrátám má můj návrh i menší účinnost. Vycházíme-li však z faktu, že můj návrh byl proveden 50 let starým postupem, není ještě rozdíl 0,8 % nijak dramatický. 48

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Můj návrh stroje nevychází ze zpětných měření a zkušeností společnosti, jedná se o univerzální návrh dnes již klasickým způsobem. Z výše uvedených parametrů plyne, že můj návrh má měkčí momentovou charakteristiku. Jedná se však o stroj určený pro napájení z měniče, vynesení momentové charakteristiky tak ztrácí vypovídací hodnotu. 49

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Závěr Cílem této práce bylo vytvořit návrh vysokootáčkového asynchronního motoru s kotvou nakrátko, vynést proudovou a momentovou charakteristiku a sestrojit kružnicový diagram. Dále provést kontrolu pevnosti zubové části rotoru metodou konečných prvků a porovnat výsledky s výstupy výpočetního softwaru KING. Při tvorbě návrhu jsem byl omezen venkovním rozměrem statorových plechů a vrtáním statoru. Můj návrh klasickou metodou výpočtu obsahuje počty drážek rotoru a statoru, složení statorové drážky, stanovení rozměrů magnetického obvodu, výpočet parametrů náhradního schématu, stanovení ztrát a zjednodušený výpočet oteplení. Výsledkem je stroj s účinností 96,5 %. Kruhový diagram, který je zařazen v přílohách, nemá vysokou vypovídací hodnotu, protože fázory proudů nakrátko a naprázdno jsou ve fázi, a značně tak deformují celý diagram. Dále platí, že kruhový diagram postihuje přesně motory s vinutou kotvou a nízkým sycením. Pro motory s kotvou nakrátko a s vysokým sycením použitým v návrhu je diagram velice nepřesný. Stejně špatnou vypovídací hodnotu mají momentové a proudové charakteristiky. Motor bude napájen z měniče a nebude se rozbíhat přímým připojením na síť. V simulaci namáhání zubové části rotoru jsem se potýkal s několika problémy. Howden používá pro svou drážku drážkové klíny, které jsou proti sobě založeny do drážky pro klín pod vodič. Pro sílu, kterou jsou proti sobě klíny zaraženy,však firma nemá žádné předpisy a spoléhá se výhradně na zkušenosti svých zaměstnanců. Protože však klíny slouží jen k vymezení vůle, můžeme jejich příspěvek stanovit asi na 000 N, což je asi % síly působící na šikmé stěny drážky pro vodič. Tato hodnota zahrnuje též provozní bezpečnost. Po srovnání výsledků mého návrhu a návrhu generovaného softwarem KING, který společnost Howden používá, lze pozorovat trend posouvání možností materiálů. Návrh používá vyšší obvodovou proudovou hustotu, a dává tak možnost provést drážky menší a mělčí než můj návrh. Pro stanovení ztrát zřejmě používá společnost také jiný postup. Tento fakt se projevuje též do stanovené účinnosti, kterou má návrh firmy Howden vyšší o 0,8%. Můj návrh má však nižší proud na krátko a vyšší maximální moment. Celkově má můj návrh měkčí momentovou charakteristiku. 50

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Štítkové hodnoty mého návrhu: Typ: Výkon: Napětí: Proud : Frekvence: Asynchronní motor s kotvou nakrátko 6 000 kw 6 kv 668 A 80 Hz Krytí: IP 55 Účiník: 0,866 Otáčky: Třída izolace: 4800 ot/min F Konstrukční uspořádání: IM 00 Druh chlazení: IC 55 Ochrana nevýbušnosti: II G Ex d IIA T3 5

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Seznam literatury a informačních zdrojů [] CIGÁNEK, Ladislav. Stavba elektrických strojů. Praha: SNTL, 958. 76 s. [] KOPYLOV, Igor Petrovič. Stavba elektrických strojů. Praha: SNTL, 988. 688 s. [3] ČERVENÝ, Josef. Stavba elektrických strojů. Učební materiály k předmětům KEV/SES,. Plzeň, 00. 48 s. [4] ČKD, Informační zdroje ČKD [5] PYRHONEN, JOKINEN, HRABOVCOVA. Design of Rotating Electrical Machines. nd Edition, Wiley, 03. 6 s. [6] ZEMEK, Pavel. Využití metody konečných prvků pro návrh otočného sloupového jeřábu, Diplomová práce. UTB ve Zlíně, 0, 9 s. 5

Návrh vysokootáčkového asynchronního motoru v pevném závěru Bc. Jan Brázda 05 Přílohy