Электрические машины. Проектирование асинхронных двигателей общего назначения и взрывозащищенных исполнений

В. Н. Полузадов, А. В. Дружинин, Е. А. Волкова 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ 
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 
ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ И ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННЫХ  
ИСПОЛНЕНИЙ 
Учебное пособие 
2-е издание, переработанное и дополненное
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 
1 

УДК 621.313 
ББК 31.261 
П53  
Печатается по решению редакционноиздательского совета Уральского 
государственного горного университета 
Рецензенты: 
доктор экономических наук, кандидат технических наук, профессор кафедры 
экономики производственных и энергетических систем ВШЭМ УрФУ  
им. Б. Н. Ельцина, директор ООО «Уральский центр энергосбережения  
и экологии» В. П. Ануфриев; 
кандидат технических наук, генеральный директор АО Центр диагностики 
и экспертизы «Цветметналадка» В. А. Макаров 
П53  
Полузадов, В. Н. 
Электрические машины. Проектирование асинхронных двигателей 
общего назначения и взрывозащищенных исполнений : учебное пособие / 
В. Н. Полузадов, А. В. Дружинин, Е. А. Волкова. – 2-е изд., перераб. 
и  доп. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 316 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0824-0 
Приведены алгоритмы электромагнитных расчетов асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором общего назначения и взрывозащищенных исполнений. Изложены принципы конструирования асинхронных двигателей общего назначения и взрывозащищенных исполнений по полученным расчетным 
данным. 
Для студентов и аспирантов горно-технологических и электроэнергетических направлений подготовки. Может быть полезно специалистам в области 
электроэнергетики и электротехники. 
УДК 621.313 
ББК 31.261 
ISBN 978-5-9729-0824-0 
” Полузадов В. Н., Дружинин А. В., Волкова Е. А., 2022 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022 
2 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 5 
Критерий оптимизации, используемый при разработке  
асинхронных двигателей ...................................................................................... 6 
Краткая характеристика проектируемых асинхронных двигателей 
.............. 11 
Структура компьютерной учебной программы «Проектирование  
трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором» ......... 15 
Методические указания к выполнению курсового проекта ........................... 15 
Содержание курсового проекта ......................................................................... 17 
ГЛАВА 1. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ГЛАВНЫХ РАЗМЕРОВ  
ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ  
(первый фрагмент программы) ................................................................................ 25 
ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА РАЗМЕРОВ ЗУБЦОВОЙ  
ЗОНЫ СТАТОРА. КОНСТРУИРОВАНИЕ ОБМОТКИ СТАТОРА  
(второй фрагмент программы) ................................................................................. 42 
ГЛАВА 3. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ВЕЛИЧИНЫ ВОЗДУШНОГО  
ЗАЗОРА И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ЗУБЦОВОЙ ЗОНЫ РОТОРА 
(третий фрагмент программы) ................................................................................. 78 
ГЛАВА 4. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА МАГНИТНОЙ ЦЕПИ  
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ (четвертый фрагмент программы) 
................ 97 
ГЛАВА 5. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ  
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ НОМИНАЛЬНОГО РЕЖИМА  
(пятый фрагмент программы) ................................................................................ 120 
ГЛАВА 6. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ В АСИНХРОННОМ 
ДВИГАТЕЛЕ (шестой фрагмент программы) 
...................................................... 138 
ГЛАВА 7. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА РАБОЧИХ ХАРАКТЕРИСТИК 
ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ  
(седьмой фрагмент программы) 
............................................................................. 152 
ГЛАВА 8. АЛГОРИТМ ТЕПЛОВОГО И ВЕНТИЛЯЦИОННОГО  
РАСЧЕТОВ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ  
(восьмой фрагмент программы) 
............................................................................. 180 
ГЛАВА 9. КОНСТРУИРОВАНИЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ  
ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ ...................................................................................... 196 
Станины двигателей со степенью защиты IP44, IP54, IP55 ......................... 203 
Станины двигателей со степенью защиты IP23 
............................................. 206 
Коробки выводов 
............................................................................................... 209 
Подшипниковые щиты ..................................................................................... 209 
Подшипниковые узлы 
....................................................................................... 211 
Конструкция вентиляционного узла ............................................................... 212 
3 

Расход электротехнических материалов, необходимых  
для изготовления асинхронного двигателя» ........................................................ 216 
ГЛАВА 10. КОНСТРУИРОВАНИЕ ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО  
АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ......................................................................... 218 
Общие положения ............................................................................................. 218 
Уровни взрывозащиты электрооборудования 
................................................ 221 
Основные принципы конструирования взрывозащищенных  
асинхронных двигателей .................................................................................. 222 
Маркировка взрывозащиты электрооборудования........................................ 257 
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАЩИТЕ КУРСОВОГО ПРОЕКТА 
........ 262 
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ................................................. 265 
ПРИЛОЖЕНИЯ ....................................................................................................... 266 
Приложение 1. Технические характеристики асинхронных двигателей  
с короткозамкнутым ротором серий 7AVE, 5A, ............................................. 266 
Приложение 2. Внешний вид частотно-регулируемых асинхронных  
двигателей различных конструктивных исполнений 
.................................... 275 
Приложение 3. Технические характеристики взрывозащищённых  
асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором серии  
АИУ 90–280 ....................................................................................................... 276 
Приложение 4. Машины электрические вращающиеся.  
Перечень стандартов 
......................................................................................... 283 
Приложение 5. Таблица сравнения рассчитанного двигателя  
с аналогичными двигателями серии 4А и серий 7AVE, (5А, 6А)  
или серии АИУ (для взрывозащищённого двигателя) .................................. 285 
Приложение 6. Расчет и конструирование трехфазных однослойных  
обмоток 
............................................................................................................... 287 
Приложение 7. Расчет и конструирование трехфазных двухслойных 
обмоток 
............................................................................................................... 292 
Приложение 8. Диаметры и площади поперечного сечения круглых  
медных проводов 
............................................................................................... 298 
Приложение 9. Подшипники качения 
............................................................. 301 
Приложение 10. Конструкция, основные узлы и детали асинхронных  
двигателей с короткозамкнутым ротором серии ВА со степенью  
защиты IP54, IP55 (Владимирский электромоторный завод) ...................... 308 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

ВВЕДЕНИЕ 
 
В настоящее время в организации учебного процесса все большее 
предпочтение отдается самостоятельной работе студентов при сокращении 
часов аудиторных занятий. В связи с реорганизацией учебного процесса 
возникла необходимость адаптации учебной и методической литературы к 
реалиям времени.  
В предлагаемом учебном пособии предпринята попытка разработки 
адаптированного к современным требованиям методического продукта, 
при создании которого в качестве базового выбран учебник «Проектирование электрических машин» [1], написанный коллективом кафедры электромеханики Московского энергетического института (МЭИ – ТУ) и завоевавший большую известность у нас в стране.  
Отличительной особенностью предложенной методики является расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя по Т-образной электрической схеме замещения, что позволило проектировать двигатели для частотно-регулируемого электропривода. 
В пособии сформулированы основные требования, предъявляемые к 
асинхронным двигателям, используемым в системах частотного регулирования, и рассмотрены особенности конструкции таких двигателей.  
Даны рекомендации, позволяющие скорректировать методику расчёта при проектировании асинхронных двигателей повышенной энергоэффективности классов IE1, IE2 и «Premium».  
Во втором издании настоящего учебного пособия исключён раздел 
«Расчёт пусковых характеристик трёхфазных асинхронных двигателей с 
короткозамкнутым ротором» в связи с тем, что это издание ориентировано 
на проектирование асинхронных двигателей для частотно-регулируемого 
электропривода, где не используется способ пуска при номинальных напряжении и частоте сети. 
В связи с тем, что в горной промышленности на предприятиях, опасных по газу и (или) горючей пыли, применяется взрывозащищенное оборудование, в учебном пособии рассмотрены особенности расчета и конструирования взрывозащищенных асинхронных двигателей.  
С целью сокращения времени на выполнение курсового проекта при 
сохранении основного требования курсового проектирования – углубленного изучения физических процессов, протекающих в электрической машине, взаимосвязей между ее параметрами и характеристиками и оптимизации по заданным критериям качества, в учебном пособии приведен полный алгоритм решения задачи. Алгоритм представлен в виде девяти фраг5 

ментов (количество разделов курсового проекта). В пределах каждого фрагмента материал разделен на кванты, которые оформлены в виде информационных окон.  
При разработке алгоритма особое внимание уделено «опорным точкам», в которых производится оценка допустимости отклонений промежуточных результатов расчета от их рациональных значений и даются рекомендации по коррекции расчета в нужных направлениях. 
Представление алгоритма расчета асинхронного двигателя в таком 
виде позволяет студенту самостоятельно без большой затраты времени создавать компьютерные программы в пределах каждого фрагмента и проектировать асинхронный двигатель с применением компьютера. 
Учебное пособие не может содержать все данные, необходимые для 
расчета и конструирования асинхронного двигателя, поэтому предполагается, что студенты при выполнении курсового проекта будут пользоваться 
справочниками, каталогами и атласами чертежей. 
 
Критерий оптимизации, используемый при разработке 
асинхронных двигателей 
 
Электродвигатели, выпускаемые предприятиями СССР, разрабатывались по критерию минимальных затрат на изготовление и эксплуатацию, следовательно, основные размеры и характеристики двигателей зависели от соотношения цен на материалы и электроэнергию. Во времена 
СССР была дешёвая электроэнергия и дорогие электротехнические материалы, поэтому асинхронные двигатели серий 4А, 4АМ и АИ имели низкую материалоёмкость, значительное электропотребление, небольшой ресурс (18–22 тыс. часов) и высокий уровень шума. 
В настоящее время на первый план вышли следующие показатели: повышенная энергоэффективность, увеличенный ресурс эксплуатации, низкие шумовые характеристики, способность работать в составе частотно-регулируемого электропривода и высокая эргономичность. В связи с этим 
значительно возросли значения весовых коэффициентов в критерии оптимизации для вышеперечисленных показателей. 
Выпускаемые в настоящее время асинхронные двигатели серий 5А, 
6А, АД, RA разработаны исходя из критерия повышенной энергоэффективности и увеличенного ресурса (не менее 30000 часов) при заданных значениях пусковых и максимальных вращающих моментов, что позволяет их 
эксплуатировать с сервис-фактором 1,15. 
В соответствии с ГОСТ Р 51689-2000 сервис-фактор определяется как 
допустимая перегрузка электродвигателя при номинальных напряжении и 
частоте. При этом превышение температуры обмотки не должно быть 
6 

больше допустимого для данного класса нагревостойкости изоляции более 
чем на 10 %. 
Сервис-фактор характеризует температурный резерв двигателя и может быть реализован потребителем: 
- во избежание переустановленной мощности, если потребляемая по 
расчёту мощность двигателя превышает номинальную не более чем 
на 5 %; 
- при эксплуатации двигателя с периодическими перегрузками, не 
превышающими значение сервис-фактора; 
- при эксплуатации двигателя при температуре окружающей среды 
до 50 °С без снижения мощности; 
- при работе двигателя от сети с колебаниями напряжения ±10 %. 
Современные двигатели имеют изоляционную систему класса нагревостойкости F (температурный индекс 155 °С). При этом превышение температуры обмоток статора над температурой окружающей среды двигателей, имеющих сервис-фактор 1,15, – не более 83 °С, а двигателей, имеющих 
сервис-фактор 1,1, – не более 90 °С. 
Концерн «РУСЭЛПРОМ» создал первый в России энергоэффективный двигатель общепромышленного назначения в двух классах энергоэффективности, применяемых в Европе и Америке: IE1 и IE2 по ЕС 60034_30 
с возможностью модификации в класс энергоэффективности «Premium» 
(IE3), внедряемый сегодня в США [2]. 
Серия 7 AVE создана с применением российского стандарта ГОСТ Р 
51689-2000, вариант I, и европейского стандарта CENELEC, IEC 60072-1, 
что позволит устанавливать новые энергосберегающие электродвигатели 
как на отечественное оборудование, так и на импортное, где в настоящее 
время используются двигатели иностранного производства. 
Серия 7 АVE предусматривает повышение КПД от 1,1 % (старшие габариты) до 5 % (младшие габариты) и охватывает самый востребованный 
диапазон мощностей от 1,5 до 500 кВт. 
Создание серии энергоэффективных двигателей серии 7АVE гармонизируется и с таким важнейшим направлением в деле энергосбережения, 
как разработка двигателей для частотно-регулируемого привода, поскольку 
энергоэффективный двигатель обладает лучшими регулировочными свойствами, в частности, большим запасом по максимальному моменту. Здесь 
действует простое правило: чем выше класс энергоэффективности общепромышленного двигателя, тем шире его зона применения в частотно-регулируемом приводе. 
Технологические преимущества двигателей классов энергоэффективности IE2 и IE3: 
7 

– двигатели новой серии обладают низкими шумовыми характеристиками (на 3–7 дБ ниже, чем у двигателей предыдущей серии), т. е. более эргономичны. Снижение уровня шума на 10 дБ означает снижение его фактического значения в 3 раза; 
– двигатели 7AVE обладают более высокими показателями надежности за счет снижения рабочих температур. Данные двигатели изготавливаются с классом нагревостойкости «F», при фактических температурах, соответствующих более низкому классу изоляции «B». Это позволяет работать машинам с повышенным значением сервис-фактора, т. е. обеспечить 
надежную работу при длительных перегрузках на 10–15 %; 
– двигатели имеют сниженные значения нарастания температуры при 
заторможенном роторе, что позволяет обеспечить надежную работу в системе привода механизмов с частыми и тяжелыми пусками и реверсом. 
Двигатели серии 7AVE (IE2, IE3) адаптированы к работе в составе частотно-регулируемого электропривода. За счет высокого сервис-фактора 
двигатели могут работать в составе частотно-регулируемого электропривода без принудительной вентиляции. 
Технические характеристики асинхронных двигателей серии 7АVE и 
серий 5А и 6А приведены в приложении 1. 
Несмотря на постоянное совершенствование асинхронных двигателей, одним из основных их недостатков продолжает оставаться потребление из сети реактивного тока (cosij < 1), что ведёт к дополнительным потерям электроэнергии.  
В настоящее время разработаны компенсированные асинхронные 
электродвигатели (КЭ), работающие с cosij  § 1. КЭ состоит из обычного 
асинхронного двигателя и встроенного устройства компенсации реактивной мощности. Стоимость КЭ по сравнению с обычным асинхронным двигателем увеличивается не более чем 10 %. 
Встроенное устройство компенсации ведёт к повышению мощности 
на валу на 3–3,5 % и к увеличению пускового и максимального моментов 
на 15–20 %. 
Асинхронные двигатели для частотно-регулируемого привода разрабатываются и изготавливаются следующих основных конструктивных исполнений: 
- специальное исполнение асинхронного двигателя без дополнительных элементов; 
- асинхронный двигатель с независимой системой охлаждения; 
- асинхронный двигатель с пристроенным датчиком обратной связи 
и независимой системой охлаждения; 
- асинхронный двигатель с пристроенным электромагнитным тормозом и обдувом наружной поверхности вентилятором, установленным на 
валу двигателя; 
8 

- асинхронный двигатель с пристроенным электромагнитным тормозом и независимой системой охлаждения; 
- асинхронный двигатель с пристроенным электромагнитным тормозом, с пристроенным датчиком обратной связи и независимой системой 
охлаждения. 
Двигатели изготавливаются на номинальные мощности от 0,25 до 
315 кВт, номинальное напряжение 380 В при частоте 50 Гц. Соединение 
фаз треугольник или звезда. Питание осуществляется от преобразователя 
частоты. 
Степень защиты двигателей – IP54, IP55, климатические исполне- 
ния – У2, У3, Т2. По согласованию с заказчиком двигатели могут изготавливаться в других конструктивных исполнениях и на другие номинальные 
напряжения. 
Асинхронные двигатели всех исполнений имеют усиленную изоляцию обмоток, встроенные термодатчики, комплектуются подшипниками 
SKF, балансировка роторов по категории R. 
Внешний вид частотно-регулируемых асинхронных двигателей показан в приложении 2. 
Институт НИПТИЭМ проводит разработку первой в РФ и СНГ полномасштабной серии частотно-регулируемых асинхронных электродвигателей широкого применения, в которую закладываются решения для новой 
серии энергоэффективных двигателей 7А. Работы инициированы все возрастающей потребностью современной промышленности в двигателях для 
частотно-регулируемого электропривода. Разрабатываемые асинхронные 
электродвигатели предназначены, в частности, для электроприводов кранов и механизмов металлургической промышленности, буровых станков и 
экскаваторов, вентиляторов, насосов и др. [2]. 
Для защиты двигателей в аварийных режимах, следствием которых 
может быть нагрев обмотки до недопустимой температуры, по заказу потребителя двигатель может быть укомплектован встроенными температурными датчиками. В качестве датчиков используются полупроводниковые 
терморезисторы с положительным температурным коэффициентом – позисторы. 
Датчики встраиваются в лобовые части обмотки статора со стороны, 
противоположной вентилятору наружного обдува, по одному в каждую 
фазу и соединяются последовательно. Концы цепи датчиков выводятся на 
специальные клеммы в коробке выводов. К этим клеммам подключают реле 
или иной аппарат, реагирующий на сигнал датчиков. 
Датчики реагируют только на температуру, и их действие не зависит 
от причин возникновения опасного нагрева. Поэтому такая система обеспе9 

чивает защиту двигателя как в режимах с медленным нагреванием (перегрузка, работа на двух фазах), так и в режимах с быстрым нагреванием (заклинивание ротора, выход из строя подшипников и другое).  
В качестве датчиков встроенной температурной защиты для изоляции 
класса нагревостойкости F используются позисторы типа СТ14А-2-145 с 
пороговой температурой срабатывания 145 °С. 
В настоящее время выпускается широкая гамма взрывозащищённых 
асинхронных двигателей.  
1. Для химической, газовой и нефтеперерабатывающей промышленностей выпускаются взрывозащищённые асинхронные двигатели: 
- серии AB, AC c видами взрывозащиты  «d» и «de»;серии DB, DC, 
HB, HC c видами взрывозащиты «d» и «de» с тормозом; серии AN, AQ, 
AP; cерии F c видами взрывозащиты «d» и «de» (Завод взрывозащищенного оборудования ООО «КОРТЕМ-ГОРЭЛТЕХ», г. Санкт-Петербург, 
www.cortemgroup.ru); 
- серии ВА (Владимирский электромоторный завод (ВЭМЗ), г. Владимир); 
- серии АИМ, АИММ (ОАО «Южэлектромаш» (Новокаховский 
электромашиностроительный завод), Украина, Херсонская обл., Новая Каховка). Аналогами двигателей серии АИМ являются двигатели серии 
АИМК (HYOSUNG, Ю. Корея). 
2. Для горной промышленности выпускаются рудничные взрывозащищённые асинхронные двигатели, предназначенные для использования в 
качестве приводов различных механизмов в шахтах, рудниках и различных 
подземных помещениях, опасных по газу (метаносодержащих смесей) и 
угольной пыли: 
- серии АМ, исполнение PB ExdI или PП ExdeI, защита IP65  
(завод взрывозащищенного оборудования ООО «КОРТЕМ-ГОРЭЛТЕХ»,  
г. Санкт-Петербург); 
- серии АИУ (ОАО «Южэлектромаш» (Новокаховский электро-машиностроительный завод), Украина, Херсонская обл., Новая Каховка). Технические характеристики асинхронных двигателей серии АИУ климатического исполнения У2 приведены в приложении 3. Технические характеристики двигателей серии АИУ других климатических исполнений (У5, Т2, 
Т5) смотри каталог электродвигателей серии АИУ (http://www.roel-etk.ru). 
Аналогами двигателей серии АИУ являются двигатели серии АИУК 
(HYOSUNG, Ю. Корея).  
Все взрывозащищённые электродвигатели могут быть адаптированы 
для управления от преобразователя частоты и включают в себя самый широкий набор опций, аксессуаров и исполнений. 
Во взрывозащищённых электродвигателях новых серий потери электроэнергии снижены не менее чем на 10 % по сравнению с производимыми 
10