【正文】 大初步設(shè)計(jì)階段。 異步電動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo) 異步電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)有： （ 1） 效率：電動(dòng)機(jī)輸出機(jī)械功率與輸入電功率之比，通常用百分?jǐn)?shù)表示。 （ 2） 功 率因素：電動(dòng)機(jī)輸入有效功率與視在功率之比。 （ 3） 起動(dòng)電流：電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率和轉(zhuǎn)子起動(dòng)時(shí)從供電回路輸入的最大穩(wěn)態(tài)方均根電流。 （ 4） 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：電機(jī)在額定電壓、額定頻率和轉(zhuǎn)子起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的最小測(cè)得值。 （ 5） 最大轉(zhuǎn)矩：電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率下所能產(chǎn)生的最大穩(wěn)態(tài)異步轉(zhuǎn)矩。 （ 6） 噪聲：電機(jī)在空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的 A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)（ dB），以及在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)超過(guò)空載運(yùn)行的噪聲聲功率級(jí)增量。 （ 7） 振動(dòng)：電動(dòng)機(jī)在空載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)速率有效值。 6 2 Ansoft RMxprt 簡(jiǎn)介 Ansoft RMxprt 概述 RMxprtTM 是旋轉(zhuǎn)電機(jī)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件，能快速計(jì)算各種電機(jī)（感應(yīng)電機(jī)、同步電機(jī)、電子或機(jī)械換向電機(jī)等）的性能指標(biāo)。 RMxprtTM 還能快速地對(duì)成百上千種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估，并可對(duì)預(yù)選方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的方案可根據(jù)模型的對(duì)稱(chēng)性，自動(dòng)生成合理的二維 /三維電磁場(chǎng)有限元分析模型。 RMxprtTM 為工程人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中及時(shí)地評(píng)估和平衡設(shè)計(jì)方案提供了有效工具。 隨著電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，工程設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品小型化、高效率以及高性能方面面臨越來(lái)越多的挑戰(zhàn)。 RMxprtTM 幫助電機(jī)制造者，在設(shè)計(jì)過(guò)程的初始階段制定成百 上千種方案，同時(shí)對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估，從中優(yōu)選出最佳、合理的設(shè)計(jì)方案。 RMxprt 與 Ansoft 的 Maxwell 集成在同一設(shè)計(jì)環(huán)境中，設(shè)計(jì)者可單獨(dú)使用RMxprtTM，也可將其優(yōu)選出的設(shè)計(jì)方案自動(dòng)生成二維 /三維有限元分析模型，用Maxwell 對(duì)電機(jī)進(jìn)行更精確的電磁場(chǎng)分析設(shè)計(jì) , 實(shí)現(xiàn)電機(jī)解析 有限元自動(dòng)設(shè)計(jì)流程。 RMxprt 具有以下特點(diǎn)： （ 1） Windows 風(fēng)格介面，模版化參數(shù)輸入 : 工作條件 ,幾何尺寸 , 材料特性等 （ 2） 基于經(jīng)典的電機(jī)分析理論和等效磁路法的快速解析分析 （ 3） 提供美國(guó)、中國(guó)材料庫(kù)和 公制、英制單位 （ 4） 自動(dòng)排列多種繞組型式或用戶(hù)自定義任意繞組連接方式 （ 5） 無(wú)刷電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)和永磁同步電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路類(lèi)型、控制方式及開(kāi)關(guān)管參數(shù)可設(shè)定 （ 6） 直流電機(jī)詳細(xì)的換向器和電刷參數(shù)可設(shè)定 （ 7） 輸入數(shù)據(jù)自動(dòng)驗(yàn)證功能 （ 8） 提供豐富的預(yù)設(shè)計(jì)電機(jī)模型庫(kù) （ 9） 自動(dòng)設(shè)計(jì)功能 : 槽形尺寸、線(xiàn)圈匝數(shù)、線(xiàn)規(guī)、起動(dòng)電容等 （ 10） 求解時(shí)考慮材料非線(xiàn)性Ｂ – Ｈ特性、三維斜槽和端部效應(yīng) （ 11） 參數(shù)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)功能：尺寸等參數(shù)無(wú)需指定，可用一定變化范圍的變量表示 （ 12） 數(shù)據(jù)、圖形、自定義 結(jié)果輸出模式 7 （ 13） 多種負(fù)載種類(lèi) Ansoft RMxprt 使用說(shuō)明 RMxprt 一般流程 圖 RMxprt一般流程 RMxprt 在三相感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 感應(yīng)電機(jī) 分析方法 三相感應(yīng)電機(jī)的定子繞組通常連接到對(duì)稱(chēng)的三相電源 上。 定子繞組由 p 對(duì)極，在空間成正弦分布。定子電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子繞組一般為鼠籠型，其極數(shù)自動(dòng)與定子繞組保持一致。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中感應(yīng)的電流反過(guò)來(lái)又產(chǎn)生第二個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生合成磁場(chǎng) 。 氣隙合成磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子按磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)有大小相同方向相反的轉(zhuǎn)矩作用于定子上。 定子繞組分為 p 組線(xiàn)圈，每一組都按三相對(duì)稱(chēng)分布，在電機(jī)中 占據(jù) π D/2p 空間，此處 D 為氣隙直徑。 因而氣隙磁場(chǎng)有 p 個(gè)周期，定子繞組具有 p對(duì)極。 由于 8 三相對(duì)稱(chēng) ， 可建立如圖一所示的一相等值電路 ,對(duì)三相感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行性能分析。 圖 異步電機(jī)等效電路 圖中， R1和 R2 分別為定子電阻和轉(zhuǎn)子電阻； X1 為定子漏電抗包括槽漏抗、端部漏抗和諧波漏抗； X2為轉(zhuǎn)子漏電抗包括槽漏抗、端部漏抗、諧波漏抗和斜槽漏抗。由于漏磁場(chǎng)有飽和現(xiàn)象， X1 和 X2為非 線(xiàn)性參數(shù)。等值電路的各項(xiàng)參數(shù)均與定子電流、轉(zhuǎn)子電流有關(guān)。由于集膚效應(yīng) R2和 X2 均為由圖 效值，且隨轉(zhuǎn)差率 s 變化。所有轉(zhuǎn)子參數(shù)都折算到定子側(cè)。 圖 分布參數(shù)等效電路 在激磁支路中， Xm為激磁電抗， RFe 為鐵心損耗所對(duì)應(yīng)的電阻。 Xm 是經(jīng)過(guò)線(xiàn)性化處理的非線(xiàn)性參數(shù)，其數(shù)值隨主磁場(chǎng)的飽和程度而變化。 外施相電壓 U1 時(shí)，可方便地由電路分析得出定子電流 I1 和折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子電流 I2。電磁功率（或稱(chēng)氣隙功率）可 由下式確定： mP = 3* 22I * 2R /s 電磁轉(zhuǎn)矩為： mT = mP /? 式中ω為同步轉(zhuǎn)速，單位： rad/s 9 軸端輸出機(jī)械轉(zhuǎn)矩為： 2T =mT fwT 式中 fwT 為風(fēng)阻和摩擦轉(zhuǎn)矩 輸出功率為： 2P =2T * 2? 式中 2? =? *（ 1s）為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位 ： rad/s 輸出功率： 1P =2P + fwP + 2CuP + FeP + 1CuP +sP 式中， fwP 為風(fēng)摩損耗， 2CuP 為轉(zhuǎn)子銅損耗， FeP 為鐵心損耗， 1CuP 為定子銅損耗， sP 為雜散損耗。 功率因素由下式確定： PF =1P / (3* 1U *1I ) 效率由下式確定： eff = 2P /1P *100% RMxprt 設(shè)計(jì)感應(yīng)電機(jī)的主要特點(diǎn) （ 1） 線(xiàn)圈和繞組的排布優(yōu)化設(shè)計(jì) 當(dāng)設(shè)計(jì)者采用全極式單層繞組式 RMxprt將自動(dòng)對(duì)繞組按鏈?zhǔn)?(當(dāng) q=2)或交叉式(當(dāng) q≥ 3的奇數(shù) ) 進(jìn)行排布，以減少繞組端部長(zhǎng)度。 （ 2） 支持任何單、雙層繞組設(shè)計(jì)的繞組編輯器 對(duì)于具有交流多相繞組的電機(jī)，除常用的鏈?zhǔn)?、疊式、同心式和交叉式單、雙層繞組外 ， RMxprt 還提供一種非常靈活的繞組編輯器，使用戶(hù)可以根據(jù)自己的 需要，設(shè)計(jì)出各種特殊繞組，如單雙層混合繞組、大小相待變極多速繞組、三相正弦繞組等。 在繞組編輯器中，通過(guò)改變每個(gè)線(xiàn)圈的相屬 Phase、匝數(shù) Turns、入邊槽號(hào) Out Slot，可排布出任意所需的單、雙層繞組分布形式。 （ 3） 支持二十多種槽型單、雙層鼠籠轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì) 將鼠籠轉(zhuǎn)子槽分為 1 圓肩梨形、 2斜肩梨形、 3斜肩梯形、 4圓肩梯形等四種槽型，配以雙層式（上層 Top、下層 Bottom）和半槽式 (Half Slot) 處理，可設(shè)計(jì)出二十多種槽型。 10 （ 4） 任何運(yùn)行工況下都考慮非線(xiàn)性參數(shù)和分布參數(shù)的影響 由于主磁場(chǎng)存在飽和現(xiàn)象，激磁 電抗 Xm 為非線(xiàn)性參數(shù)。漏磁場(chǎng)亦有飽和現(xiàn)象，定、轉(zhuǎn)子漏電抗 X1和 X2 也為非線(xiàn)性參數(shù)。由于集膚效應(yīng)， R2和 X2 均為由分布參數(shù)電路導(dǎo)出的等效值，且隨轉(zhuǎn)子滑差 s變化。 RMxprt 對(duì)電機(jī)的任何運(yùn)行工況都考慮了飽和與集膚效應(yīng)的影響，因而非線(xiàn)性參數(shù)計(jì)算和分布參數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確度高。 RMxprt 設(shè)計(jì)輸入 （ 1） 主要性能設(shè)計(jì) 在相關(guān)窗口中輸入額定輸出功率、額定電壓、極數(shù)、頻率、額定轉(zhuǎn)速、雜散損耗、風(fēng)磨損耗、鐵心長(zhǎng)度、鐵心疊壓系數(shù)、硅鋼片牌號(hào)與其 BH曲線(xiàn)、電機(jī)工作溫度、繞組聯(lián)結(jié)方式和負(fù)載類(lèi)型。 （ 2） 設(shè)計(jì)定子鐵心和定子繞組 在定子選項(xiàng)中輸入定子內(nèi)徑、定子外徑、槽數(shù)、槽型、槽型尺寸、繞組類(lèi)型、槽絕緣厚度、線(xiàn)圈伸出鐵心直線(xiàn)部分長(zhǎng)度、并聯(lián)支路數(shù)、每槽導(dǎo)體數(shù)、線(xiàn)圈跨距、并繞根數(shù)、導(dǎo)線(xiàn)漆膜厚度、導(dǎo)線(xiàn)直徑和線(xiàn)規(guī)代號(hào)。 （ 3） 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子鼠籠繞組 在轉(zhuǎn)子選項(xiàng)中輸入徑向氣隙長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)子內(nèi)徑、轉(zhuǎn)子槽數(shù)、槽型與槽形尺寸、轉(zhuǎn)子材料、槽型的組合變化、通風(fēng)槽形式、斜槽（轉(zhuǎn)子槽距的倍數(shù)）、導(dǎo)條伸出鐵心長(zhǎng)度、端環(huán)徑向高度、端環(huán)軸向?qū)挾?、?dǎo)條電阻率和端環(huán)電阻率。 RMxprt 設(shè)計(jì)輸出 點(diǎn)擊 RMxprt 的 Analyze All 選項(xiàng)，觀(guān)察仿真結(jié)果。 仿真結(jié)果包括： （ 1）主要性能數(shù)據(jù) （ 2）定子數(shù)據(jù) （ 3）轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù) （ 4）額定運(yùn)行數(shù)據(jù) 包括定子電阻、定子漏抗、轉(zhuǎn)子電阻、轉(zhuǎn)子漏抗、鐵損等效電阻、激磁電抗、定子相電流、鐵損電流、激磁電流、轉(zhuǎn)子相電流、定子繞組銅損、轉(zhuǎn)子繞組銅損、鐵心損耗、風(fēng)摩損耗、雜散損耗、輸入功率、輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩、效率、功率因素、額定轉(zhuǎn)差率和額定轉(zhuǎn)速。 （ 5）空載運(yùn)行數(shù)據(jù) 11 包括空載定子電阻、空載定子電抗、空載轉(zhuǎn)子電阻、空載轉(zhuǎn)子漏抗、空載定子電流、空載鐵心損耗、空載輸入功率、空載功率因數(shù)、空載轉(zhuǎn)差率和空載轉(zhuǎn)速。 （ 6） 最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)數(shù)據(jù) 包 括最大轉(zhuǎn)差率、最大轉(zhuǎn)矩、最大轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩比和最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)的相電流。 （ 7）堵轉(zhuǎn)數(shù)據(jù) 包括堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)據(jù)、堵轉(zhuǎn)相電流、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩與額定轉(zhuǎn)矩比、堵轉(zhuǎn)電流與額定電流比、堵轉(zhuǎn)定子電阻、堵轉(zhuǎn)定子漏電抗、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子電阻和堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子漏電抗。 （ 8） 額定工況下的電機(jī)參數(shù) 包括 定子槽漏抗 、 定子繞組端部漏抗 、 轉(zhuǎn)子槽漏抗 、 轉(zhuǎn)子繞組端部漏抗 、 轉(zhuǎn)子繞組諧波漏抗 、 斜槽漏抗 、 槽滿(mǎn)率 、 定子繞組系數(shù) 、 定子齒磁通密度 、 轉(zhuǎn)子齒上部磁通密度 、 轉(zhuǎn)子齒部磁通密度 、 轉(zhuǎn)子軛部磁通密度 、 氣隙磁通密度 、 定子齒安匝 、轉(zhuǎn)子齒部安匝 、 定子軛部安匝 、 轉(zhuǎn)子軛部安匝 、 氣隙安匝 、 定子 軛部磁路長(zhǎng)度修正系數(shù) 、 轉(zhuǎn)子軛部磁路長(zhǎng)度修正系數(shù) 、 齒飽和系數(shù) 、 感應(yīng)電壓系數(shù) 、 定子電流密度 、定子線(xiàn)負(fù)荷 、 定子熱負(fù)荷 、 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流密度 、 轉(zhuǎn)子端環(huán)電流密度 和 定子繞組半匝長(zhǎng) 。 （ 9）性能曲線(xiàn) 包括轉(zhuǎn)速 輸入電流曲線(xiàn)、轉(zhuǎn)速 效率曲線(xiàn)、轉(zhuǎn)速 功率因數(shù)曲線(xiàn)、轉(zhuǎn)速 輸出功率曲線(xiàn)、轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)。 設(shè)計(jì)者可根據(jù)設(shè)計(jì)輸出確定電機(jī)的修正或優(yōu)化方案。 12 3 異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì) 概述 本文設(shè)計(jì)的 電機(jī)額定頻率為 150Hz。為了加工方便 ， 參考頻率為 50Hz 的 Y2 系列電機(jī) 的相關(guān)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì) 本文參考的電機(jī)型號(hào)為 Y2280M4。采用的主要尺寸及相關(guān)參數(shù)如下： 鐵心長(zhǎng)度： 270mm 氣隙長(zhǎng)度： 定子沖片外徑： 445mm 定子沖片內(nèi)徑： 300mm 轉(zhuǎn)子沖片 內(nèi) 徑： 100mm 并聯(lián)支路數(shù)： 4根， △ 聯(lián)結(jié) 繞組型式： 雙層疊繞 線(xiàn)圈跨距 ： 15 頂轉(zhuǎn)子槽數(shù)（ Z1/Z2） : 60/50 為了設(shè)計(jì)方便，定子槽型及尺寸參考已有電機(jī)。 由于電機(jī)的額定 頻率不同，其功率發(fā)生了變化。本文所設(shè)計(jì)電機(jī)的功率定為200kW。 根據(jù)異步電機(jī)定子端感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)公式： 1 1 1 14 .4 4 mE j f N k?? ? ? 在定子電流頻率 1f 增加的情況下，要保證電機(jī)內(nèi)部主磁通 m? 基本不變，則需減少定子線(xiàn)圈匝數(shù) 1N 。 為 保證一定的槽滿(mǎn)率，需增加定子線(xiàn)徑。 由于減少了每條導(dǎo)體數(shù)，起動(dòng)電流增加。同時(shí)由于額定頻率增加，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)大幅下降。本設(shè)計(jì)通過(guò)改變轉(zhuǎn)子槽型，達(dá)到改善起動(dòng)性能的目的。 電機(jī)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。除上述問(wèn)題外，設(shè)計(jì)中還牽涉到電機(jī)各部 分磁密、電流密度、效率、輸出轉(zhuǎn)矩、功率因數(shù)等諸多方面的限制。要 使所設(shè)計(jì)的電機(jī) 性能更加優(yōu)越，則需要一系