Proiect Masini Electrice

Universitatea “Politehnica” din Timișoara Facultatea de Electrotehnică și Electroenergetică

Proiect Mașini Electrice II Proiectarea Motorului Asincron

Profesor coordonator:Dragoș Ursu

Student:Ioan-Marius Florea

An III ET Grupa 1.1


Proiect Mașini Electrice II

1

CUPRINS

1.Introducere..............................................................................................................2

2.Tema de proiectare.................................................................................................4

2.1.Cerințe.......................................................................................................4

2.2.Obiective...................................................................................................4

3.Notă de prezentare..................................................................................................5

4.Fișierul de intrare și cel de ieșire al programului de proiectare.............................6

5.Caracteristicile motorului.....................................................................................13

6.Alegerea gabaritului.............................................................................................19

7.Concluzii..............................................................................................................20

8.Bibliografie...........................................................................................................21



2

1.Introducere

Maşina de inducţie trifazată

(sau maşina asincronă trifazată)

este cea mai folosită în acţionările

electrice de puteri medii şi mari, în

regim de motor. Din punct de

vedere constructiv maşina de

inducţie este formată din:

- Stator, având rolul inductorului, realizat din tole în care sunt ştanţate crestăturile în

interiorul cărora este introdus bobinajul trifazat;

- Rotor, cu rol de indus, fiind realizat tot din tole ştanţate, în crestăturile acestora

putându-se regăsi bare de aluminiu (maşină de inducţie cu rotor în colivie) sau un bobinaj trifazat

ale cărui capete sunt conectate prin interiorul axului la 3 inele colectoare (maşină de inducţie cu

rotor bobinat). Accesul la inele dinspre cutia de borne se realizează prin intermediul a 3 perii.

- Intrefierul-distanta radiala dintre stator si rotor – are valori in intervalul (0.15-3) mm,

valorile mici ale intrefierului corespund puterilor de ordinul watilor, iar cele mari se refera la

motoare mari cu conditii grele de functionare.

- Crestaturile sunt, in general, semiinchise si pe stator si pe rotor. Numai la tensiuni

mari, crestaturile din stator sunt deschise pentru a permite introducerea bobinelor executate

separat in exterior. La puteri mici se utilizeaza crestaturi trapezoidale si dinti dreptunghiulari, in

timp ce la puteri mari crestaturile au peretii paraleli pentru a se putea introduce bobinele formate

in exterior.

Carcasa se executa din otel sau fonta, iar la puteri sub 100 kW, adesea din aluminiu sau

fara carcasa, scuturile in care se plaseaza rulmentii fiind executate din aluminiu si fixate direct la

capatul miezului magnetic statoric a carui forma exterioara este poligonala. In vederea reducerii

zgomotului trebuie reduse armonicile campului magnetic in intrefier,deci trebuie reduse

deschiderile crestaturilor.

La alimentarea bobinajului statoric cu un sistem trifazat de tensiuni se va forma un sistem

de curenţi ce vor produce un câmp magnetic învârtitor. Acesta va induce în conductoarele din

rotor o tensiune electromotoare. În circuitul închis din rotor se vor forma curenţi ce vor produce

un câmp magnetic în acelaşi sens cu cel al câmpului statoric. Interacţiunea celor două câmpuri va

pune în mişcare rotorul în sensul câmpului magnetic învârtitor. Motorul se numeşte asincron

pentru că turaţia rotorului este întotdeauna mai mică (pentru regimul de motor) decât turaţia

câmpului magnetic învârtitor, denumită şi turaţie de sincronism. Dacă turaţia rotorului ar fi egală



3

cu turaţia de sincronism atunci nu ar mai avea loc fenomenul de inducţie electromagnetică, nu s-

ar mai induce curenţi în rotor şi motorul nu ar mai dezvolta cuplu.

Turaţia câmpului magnetic învârtitor este dată de frecvenţa de alimentare şi numărul de perechi

de poli ce se formează în stator:

p

fn

601

unde: f – frecvenţa de alimentare;

p – numărul de perechi de poli.

Pentru o frecvenţă de alimentare de 50 Hz, se vor obţine următoarele turaţii în funcţie de

numărul de perechi de poli:

P 1 2 3 4 …

1n 3000 1500 1000 750 …

O mărime specifică acestui tip de maşină electrică este alunecarea, notată cu „s”, fiind

dată de diferenţa între turaţia motorului şi turaţia câmpului magnetic învârtitor statoric:

1

1

n

nns

unde: 1n – turaţia de sincronism;

n – turaţia rotorului.

Modificarea turaţiei se poate face prin modificarea frecvenţei tensiunii de alimentare, a

numărului de perechi de poli sau prin modificarea alunecării. Modificarea sensului de rotaţie al

rotorului se face prin schimbarea succesiunii fazelor (prin schimbarea a două faze ale tensiunii de

alimentare între ele).



4

2.Tema de proiectare

Să se proiecteze un motor asincron care să aibă urmatoarele caracteristici:

Puterea nominală : =2.2 [kW];

Viteza de rotație sincronă : = 1000 [rpm] ;

Tensiunea de alimentare : = 400 [V] ;

Frecvența tensiunii : f = 50 [Hz] ;

Numărul de faze : m=3 ;

Tipul conexiunilor fazelor : Y;

Clasa de izolație : F;

Clasa de creștere a temperaturii :B;

2.1.Cerințe

Se cere ca motorul să respecte următoarele date funcționale:

- Factorul de putere: cos φ = 0.73;

- Randamentul: ηN =0.83 ;

- Curentul de pornire raportat: Ip/In = 5.5;

- Cuplu de pornire raportat: Mp/Mn = 2;

- Cuplu maxim raportat: Mmax/Mn = 2.2;

2.2.Obiective

Randamentul și factorul de putere, au un interval de eroare acceptat de +/-

4%. Curentul de pornire raportat trebuie să fie mai mic decât cel specificat, iar

cuplurile electromagnetice raportate (atât cel de pornire cât și cel maxim) obținute

în urma proiectării, trebuie să aibă valori egale sau mai mari decât cele specificate.



5

3.Notă de proiectare

Mărime

Valoare prescrisă

Valoare obținută

Eroare

η

0.83

0.85

+2.4%

cos

0.73

0.75

+2.7%

IP/IN

5.5

4.89

-11.09%

Mp/Mn

2

2.63

+31.5%

MNmax/Mn

2.2

3.4

+54%

n[rpm]

1000

954

-13.5%



6

4.Fișierul de intrare și cel de ieșire al programului de proiectare

Fișierul de intrare:

%filename m1.m %input parameter for induction machine design % %Used in idesign.m % %Lucian Tutelea Aug. 1999

Pn=2.2; %kW, rated Power nb=1000; %rpm, rated (base) sped nmax=2*nb; Vn=400; %V, rated line Votage m=3; % Phase number conex='y'; % Stator windings conections % y for star and d for poligon conection poles=6; % numbers of poles etaSpec=0.83; % rated eficiency cosPhiSpec=0.73; % rated power factor rpos='i'; % rotor position: i -iner rotor, o - outer rotor rwkind='s'; % kind of rotor windings: s - shortchircuit designAs='m'; % Design as: m-motor, g-generator

lg=0.25; %mm length of airgap;

% Stator slots - Primary dimensions sSlotShape = ['b']; % Stator slot shape sMs=1.5; % Mouth of stator slot mm. sh4=0.5; % height of slot mouth mm. sAlpha=22.5; % degrees sh2=0; % in this case as winding fills slot

%Rotor slots - Primary dimensions %rSlotSkew=27; % Rotor skew = 1/rSlotSkew of rotor periphery rSlotShape= ['b']; % Rotor slot shape rMs=1.8; % Mouth of rotor slot mm. rh1=0.3;

%charge of materials Js=2.5; %A/mm^2 Stator current density Jr=2; %A/mm^2 Rotor current density Jendring= 0.85* Jr; %A/mm^2 Current denssity in rotor end ring of rotor

cage elsp=13; %kA/m Specificate electric load sBToothsp=2; %T Specificate magnetic inductin in stator Tooth sBYokesp=1; %T Specificate magnetic inductin in stator yoke rBToothsp=2; %T Specificate magnetic inductin in rotor Tooth rBYokesp=1; %T Specificate magnetic inductin in rotor yoke Bagsp=0.8; %T Specificate magnetic inductin in air gap sSlotFills=.45;% Specificate stator sllot fill



7

%*******************************************************************

%Secondary data prescriptin ParallelPaths=1; lcpertau=0.7; sSlotsPerPolPerPhase=4; % Slots per pole per phase layers=2; sStep=(m*sSlotsPerPolPerPhase-1)/(m*sSlotsPerPolPerPhase); % Stator

coill step sOvehang_ins=2; %mm Stator overhang insulated, minimum distance between axe

and overhang delcmax=.75; %mm Maximum diameter for

elementary conductor in stator rSlots=62; sDeltaT =100; % Temperature rise in stator winding rDeltaT =140; % Temperature rise in rotor winding BoltHoles = 1; % Factor to allow for bolt holes in stator core % = 1 if no bolt holes % = 1.05 if bolt holes FW = 5*Pn; %W Friction and windage loss at full load % Assumed 0.5% from Pn M0=30*FW/(pi*nb); constant; % get constant dk66_35; % get magnetc features of lamination

file_results='florea_out.m'; trun_file='tm1'; %Files in 'mat' format to save results for diffrent speed

and voltage

Fișierul de ieșire:

% Parameters of Electrical machine % This is a results file generated by e7_or.m using save_par.m % Generated at: 28-May-2014 21:44:32

% Rated parameters

Pn=2.200000; % kW rated Power nb=1000.000000; % rpm rated synchronous (base) speed Vn=400.000000; % V rated line Voltage m=3.000000; % Phase number conex='y'; % Stator windings connections poles=6.000000; % numbers of poles rpos='i'; % rotor position: i -inner rotor, o - outer rotor rwkind='s'; % kind of rotor windings: s - shortcircuit cage designAs='m'; % Design as: m-motor, g-generator Vfn=230.940108; %V In=6.338908; %A Rated Current fn=50.000000; %Hz Rated frequency Torq=21.008452; %Nm Rated Torque Mmax=72.138590; %Nm Peak Torque nn=954.049000; %rpm Rated speed nslip=0.045951; % Rated slip kslip=0.405224; % critical slip



8

rJ=0.183848; %kg*m^2 Inertial moment of rotor Tmn=0.874268; %s Mechanical time constant (rated tork) Tmk=0.266882; %s Mechanical time constant (peak torq) P1n=2.590185; %kW Rated Electric power etan=0.849360; % Rated efficiency cosphin=0.589788 % Rated power factor etamax=0.853462; % Maximum of efficiency cosphimax=0.757519 % Maximum of power factor lcpertau=0.700000; % length per pole tau (for start design) sDeltaT=100.000000; %C Temperature rise in stator winding rDeltaT=140.000000; %C Temperature rise in rotor winding BoltHoles =1.000000; % Factor to allow for bolt holes in stator core FW = 11.000000; %W Friction and windage loss at full load speed

% Stator windings N1=132; % Turns per stator phase ParallelPaths=1; layers=2; sSlotsPerPolPerPhase=4;% Stator Slots Per Pole Per Phase sStep=0.916667; % Stator coil step sb_c=11.127266; % Turns per coils in stator windings from calculus sb=11.000000; % Chose turns per coils in stator windings as

integer number CpS=22.000000; % Conductors per slot in stator fws=0.995247; % Distribution factor for stator winding fchs=0.999978; % Shorting factor fw=0.949469; % Stator windings factor sOverhangLength=215.818722; %mm, Stator over hang length MLC=367.818722; %mm, Length of the mean conductor sdelcc=0.730635; %mm, diameter of elementary conductor from

calculatin selc=5; % Stator elementary conductor on coil sdelc=0.750000; %mm, it is standard diameter around sdelcc sdelc_ins=0.832000; %mm, diameter of insulated elementary conductor sacu=2.208932; % area of stator equivalent conductor sacu_ins=2.718357; % area of insulated stator equivalent conductor sWireBareD =1.677051; % equivalent diameter of stator wire sWireCovD =1.860409; % equivalent diameter of insulated stator wire

% Rotor windings rWireBareD=9.540848e+00; %mm Diameter of rotor bare rEndRingCSA =260.063937; %mm^2 End of ring area rhRing =18.000000; %mm radial ring height fwr =0.956000; % Winding factor for squirrel-cage motor

% Stator main dimensions sDo=311.000000; %mm, Stator OD sDi=205.000000; %mm, Stator bore diameter sSlots=72.000000; % No. of stator slots BoltHoles=1.000000; % There are not exactly bolt holes lc=152.000000; %mm, Core length lcEff=141.360000; %mm, Effective iron length tauPole=107.337749; %mm, pole pitch C0=68.912657; %kVAs/m^3 Machines constant, used for design start lgMin=0.420161; %mm minimum length of air-gap from calculus lg=0.250000; %mm, air-gap length



9

% Stator slots - Primary dimensions sMs=1.500000; %mm, Mouth of stator slot sh4=0.500000; %mm, height of slot mouth sW3=5.213052; %mm, width of top slots sh3=0.768998; %mm sW2=5.213052; %mm sh2=0.000000; %mm sW1=6.866720; % bottom slots width mm sh1=18.915078; %mm sR1=3.433360; %mm, radius of bottom of stator slot sht=18.937606; %mm, distance from bottom circle center to air gap shOA=23.617436; %mm, over all slot height sAlpha=22.500000; %degrees sSlotAlpha=0.087266; %rad, angle between two stator slots tauSslot=8.944812; %mm, stator slot pitch at bore sSlotArea=137.520229; %mm^2 sSlotWindingArea=129.997073; %mm^2, Slot area need for windings

% Stator slot insulation slotInsulThick=0.150000; %mm, Thickness of slot insulation slotClosureThick=0.500000; %mm, Thickness of slot closure (wedge)

% Rotor main dimension rSlots=62.000000; % Number of rotor slots rDi=118.000000; %mm, rotor bore diameter rDo=204.500000; %mm, rotor outer diameter rrJ=88.348516 %mm, rotor inertial radius

% Rotor slots dimensions rMs=1.800000; %mm rh4=2.291989; %mm, height of mouth of rotor slot rh3=8.814723; %mm rh1=0.300000; %mm rhOA=14.057729; %mm rW1=5.592060; %mm rW2=4.822342; %mm

% Stator magnetic circuit dimensions sToothTop=3.839486; %mm, width at tooth root sToothBot=3.842501; %mm, width nearest air-gap sCoreDepth=29.382564; %mm Dx=271.823248; %mm, effective diameter of magnetic length path in

stator core

% Rotor magnetic circuit dimensions rToothTop=4.739726; %mm, width of root of rotor Tooth rToothBot=4.115213; %mm, width of rotor tooth nearest air-gap Dy=156.923028; %mm, effective diameter of magnetic length path in

rotor core rCoreDepth=29.192271; %mm

% Stator weight WeightIronUsed=106.645348; %kg, Weight of iron used WeightStCoreIron=28.662907; %kg



10

WeightStTeethIron=7.201616; %kg WeightStIron=35.864523; %kg, Weight of stator Iron WeightStCu=11.492721; %kg, Copper weight WeightSt=47.357244; %kg, Stator weight % Rotor weight WeightRtIron=19.270384; %kg, Weight of Rotor Iron WeightCage=4.283375; %kg, Rotor Copper weight WeightRt=23.553759; %kg, Rotor weight

WeightM=70.911004; %kg, Generator weight

% Electrical parameter sR=2.161979; %Ohm, Stator resistance at 120.000000 grade C rR=2.242658; %Ohm, Rotor resistance at 160.000000 grade C rm=12473.194975; %Ohm, Equivalent iron loss resistance lh=0.132441; %H k_Carter=1.338092; % Carter Factor k_sat=1.982297; % Saturated Factor Js=2.372568; %A/mm^2 Stator current density Jr=2.000000; %A.mm^2 Rotor current density sSlotFill=0.585741; % fill factor for stator

% Magnetic induction Bg_max=0.539844; %T air-gap magnetic induction sBTooth=1.478641; %T magnetic induction in stator tooth sBCore=0.924633; %T magnetic induction in stator yoke rBTooth=1.397457; %T magnetic induction in rotor rBCore=0.842967; %T magnetic induction in rotor yoke

% Losses spcu=260.616309; %W, Stator windings losses IronLoss=12.603221; %W, Iron Loss IronLossCore=6.673215; %W, Iron Loss IronLossTeeth=5.930005; %W, Iron Loss stLoss=273.219529; %W, Stator Loss rpcu=106.471100; %W, Rotor windings Loss pmec=10.494539; %W, Mechanical loss

% Rotor mechanical stress vmax=21.415190; %m/s Maximum value of periphery speed sigma_yoke=2.403894; %N/mm^2 Yoke stress under itself weight sigma_max=3.701950; %N/mm^2 Maximum stress in rotor yoke

% Torkue and power density Tdn=0.310548; %Nm/kg Rated torque per kilo Tdk=1.017312; %Nm/kg Peak torque per kilo Pd=0.031025; % kW/kg Power per kilo

%This outputs was produced using the next data as input: %filename m1.m %input parameter for induction machine design % %Used in idesign.m %



11

%Lucian Tutelea Aug. 1999

Pn=2.2; %kW, rated Power nb=1000; %rpm, rated (base) sped nmax=2*nb; Vn=400; %V, rated line Votage m=3; % Phase number conex='y'; % Stator windings conections % y for star and d for poligon conection poles=6; % numbers of poles etaSpec=0.83; % rated eficiency cosPhiSpec=0.73; % rated power factor rpos='i'; % rotor position: i -iner rotor, o - outer rotor rwkind='s'; % kind of rotor windings: s - shortchircuit designAs='m'; % Design as: m-motor, g-generator

lg=0.25; %mm length of airgap;

% Stator slots - Primary dimensions sSlotShape = ['b']; % Stator slot shape sMs=1.5; % Mouth of stator slot mm. sh4=0.5; % height of slot mouth mm. sAlpha=22.5; % degrees sh2=0; % in this case as winding fills slot

%Rotor slots - Primary dimensions %rSlotSkew=27; % Rotor skew = 1/rSlotSkew of rotor periphery rSlotShape= ['b']; % Rotor slot shape rMs=1.8; % Mouth of rotor slot mm. rh1=0.3;

%charge of materials Js=2.5; %A/mm^2 Stator current density Jr=2; %A/mm^2 Rotor current density Jendring= 0.85* Jr; %A/mm^2 Current denssity in rotor end ring of rotor

cage elsp=13; %kA/m Specificate electric load sBToothsp=2; %T Specificate magnetic inductin in stator Tooth sBYokesp=1; %T Specificate magnetic inductin in stator yoke rBToothsp=2; %T Specificate magnetic inductin in rotor Tooth rBYokesp=1; %T Specificate magnetic inductin in rotor yoke Bagsp=0.8; %T Specificate magnetic inductin in air gap sSlotFills=.45;% Specificate stator sllot fill

%*******************************************************************

%Secondary data prescriptin ParallelPaths=1; lcpertau=0.7; sSlotsPerPolPerPhase=4; % Slots per pole per phase layers=2; sStep=(m*sSlotsPerPolPerPhase-1)/(m*sSlotsPerPolPerPhase); % Stator

coill step sOvehang_ins=2; %mm Stator overhang insulated, minimum distance between axe

and overhang



12

delcmax=.75; %mm Maximum diameter for

elementary conductor in stator rSlots=62; sDeltaT =100; % Temperature rise in stator winding rDeltaT =140; % Temperature rise in rotor winding BoltHoles = 1; % Factor to allow for bolt holes in stator core % = 1 if no bolt holes % = 1.05 if bolt holes FW = 5*Pn; %W Friction and windage loss at full load % Assumed 0.5% from Pn M0=30*FW/(pi*nb); constant; % get constant dk66_35; % get magnetc features of lamination

file_results='florea_out.m'; trun_file='tm1'; %Files in 'mat' format to save results for diffrent speed

and voltage



13

5.Caracteristicile motorului

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200Induction machine - Inner rotor

118

311

205

lc= 152

[mm]

[mm

]



14

-1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400-600

-400

-200

0

200

400

600Performance Curves - Catalogue style

Mechanical Power [% of nominal load]

Ele

ctr

ical P

ow

er

[%]

GENERATOR MOTOR

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 3000

5

10

15

20


Output Power [% of nominal load]

Input

Pow

er

[kW

]

Electrical Power Mechanical Power



15

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 3000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8Performance Curves - Catalogue style


Pow

er

facto

r


-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 3000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9Performance Curves - Catalogue style


Eff

icie

ncy [

%]




16

-500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 3000

5

10

15

20

25

30

35

40



Curr

ent

[Am

p]


0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000-150

-100

-50

0

50

100Performance Curves - Torque/speed

Speed [rpm]

Torq

ue [

Nm

]

MOTOR GENERATOR



17

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45-15

-10

-5

0

5

10

15

20Performance Curves - Real(I1)/Imag(I1)

Imag (I1) [A]

Real (I

1)

[A]

-1 -0.5 0 0.5 1-40

-20

0

20

40Performance Curves - Slip related

Slip

Input

Pow

er

[kW

]

-1 -0.5 0 0.5 10

0.5


Slip

Pow

er

facto

r and e

ffic

iency

-1 -0.5 0 0.5 10

20

40


Slip

Curr

ent

[Am

p]

-1 -0.5 0 0.5 1-200

-100

0


Slip

Torq

ue [

Nm

]



18

-1 -0.5 0 0.5 10.005

0.01

0.015

0.02

Slip

Leakage I

nducta

nces [

H]

st

rt

-1 -0.5 0 0.5 10.12

0.14

0.16

0.18

Slip

Lin

k I

nducta

nce [

H]

-1 -0.5 0 0.5 10

0.5

1

1.5

Slip

Satu

rate

d f

acto

rs

all

sc

st

rt

rc

0 20 40 600.01

0.02

0.03

0.04

Stator current [A]

Leakage I

nducta

nce [

H]



19

6.Alegerea gabaritului

H=

Din tabelul de mai sus am ales carcasa de aluminiu careia ii corespunde H=180mm cu

codul:M2AA180M



20

7.Concluzii

Motoarele asincrone trifazate formează cea mai mare categorie de consumatori de energie

electrică din sistemul energetic, fiind utilizate în toate domeniile de activitate:maşini-unelte,

poduri rulante,macarale, pompe, ventilatoare etc. Până de curând, motoarele asincrone erau

utilizate ca motoare de antrenare în acţionările cu turaţie constantă; prin dezvoltarea electronicii

de putere, acţionările reglabile cu motoare asincrone au căpătat o extindere remarcabilă, datorită

fiabilităţii lor net superioare, în comparaţie cu motoarelede curent continuu.

În acest proiect pentru obținerea valorilor apropiate de cele impuse,prin modificarea

parametrilor am observat următoarele:

Pentru stabilirea numărului de crestături este necesară alegerea unui număr de crestături

pe pol și fază.Numărul de crestături pe pol și fază este bine să fie cât mai mare pentru a

obține o variație în spațiu a câmpului magnetic cât mai apropiată de o sinusoidă.Dacă

numărul de poli este mare, se va alege pentru q o valuare mai mică astfel ca numărul de

crestături să nu rezulte prea mare.

Este de preferat ca întrefierul să fie cât mai mic deoarece permeabilitatea magnetică a

fierului este de ordinul miilor pe când permeabilitatea magnetică a aerului este

aproximativ 1.Astfel câmpul magnetic din stator se transmite mult mai ușor spre rotor

creându-se mult mai ușor câmpul învârtitor si motorul pornește mult mai ușor.

Dacă crestăturile statorice și rotorice sunt prea înalte factorul de putere este

mic,deasemenea dacă reactanța de dispersie este mare factorul de putere este mic.

Reactanța de dispersie este mare atunci când întrefierul este prea mare



21

8.Bibliografie

1.” Transformatoare si mașini electrice “–Ion Boldea

2. “Proiectarea Mașinilor Electrice “ - Cioc I., Nica. C

3.”Îndrumător de proiectare a mașinii asincrone ” –Madescu Gheorghe

Date post:	15-Jan-2016
Category:	Documents
Upload:	marius37
View:	46 times
Download:	2 times

Proiect Masini Electrice

Documents