【正文】 23 參數(shù)計(jì)算 .............................................................................................. 24 繞組電阻的計(jì)算 ....................................................................... 24 主電抗計(jì)算 ............................................................................... 25 漏電抗計(jì)算 ............................................................................... 25 工作性能的計(jì)算 .................................................................................. 27 起動(dòng)性能的計(jì)算 .................................................................................. 31 第 4 章 用 MATLAB 進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)仿真 ........................................................ 33 計(jì)算機(jī)技術(shù)在電機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與發(fā)展 .......................................... 33 應(yīng)用 MATLAB 在電機(jī)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì) ............................................... 34 應(yīng)用 MATLAB 軟件進(jìn)行編程的流程圖 ............................................ 35 用 CAD 軟件繪制電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子沖片圖 ........................................ 36 MATLAB 程序中的查表程序示例 ..................................................... 36 計(jì)算結(jié)果和分析 ................................................................................... 37 第 5 章 總結(jié) ....................................................................................................... 39 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................. 40 致 謝 ............................................................................................................. 42 附 錄 ............................................................................................................. 43 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1 章 緒論 國(guó)內(nèi)外電機(jī)制造工業(yè)的差距 國(guó)外注重新產(chǎn)品的開發(fā)，并且對(duì)電機(jī)的安全、噪聲、電磁兼容等方面要求比較高。國(guó)外的先進(jìn)水平主要體現(xiàn)在：電機(jī)的可靠性高，壽命長(zhǎng)，通用化程度高，電機(jī)效率不斷提高，噪聲低，重量輕，電機(jī)外形美觀，而且也考慮了電機(jī)制造成本的降低等要求。國(guó)內(nèi)部分產(chǎn)品已達(dá)國(guó)際水平，但相當(dāng)部分的產(chǎn)品可靠性差，效率低，重量重，體積大和噪聲大，其主要原因是制造工藝落后，關(guān)鍵材料的質(zhì)量和品種不能滿足要求，科研和設(shè)計(jì)工作 沒有跟上 [1]。 國(guó)外電機(jī)設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，對(duì)于電機(jī)采用計(jì)算機(jī)分析技術(shù)，運(yùn)用多功能分析軟件，如電磁計(jì)算分析軟件、結(jié)構(gòu)仿真分析軟件等，產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)水平高。而國(guó)內(nèi)電機(jī)企業(yè)設(shè)計(jì)手段傳統(tǒng)、缺乏先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和手段，對(duì)于基本系列電機(jī)研發(fā)與衍生電機(jī)開發(fā)的分工比較模糊，產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長(zhǎng) [2]。 電機(jī)的分類 我國(guó)目前生產(chǎn)的三相異步電動(dòng)機(jī)按電機(jī)尺寸分成大、中、小型。 大型：中心高 H 630mm，定子鐵心外徑 1D 1000mm；功率范圍在 400kW以上 ，電壓為 3000V 和 6000V。 中型：中心高 H =（ 355~630） mm，定子鐵心外徑 1D =（ 500~1000） mm；功率范圍在（ 45~1250） kW 以上，電壓為 380 V 和 3000V 和 6000V。 小型：中心高 H =(80~315)mm，定子鐵心外徑 1D =（ 120~500） mm,功率范圍在（ ~132） kW，電壓為 380 V。 Y（ IP44）系列的中心高 H =（ 80~280）mm，定子鐵心外徑 1D =（ 120~445） mm，共 11 個(gè)機(jī)座，功率范圍為（ ~90）kW，電壓 380V[3]。 中型高壓異步電動(dòng)機(jī)的介紹 本文中講述的是中型高壓異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方法。 中型 高壓電動(dòng)機(jī)是指額定電壓在 1000V 以上 ，中心高在（ 355~630） mm，定子鐵心外徑在（ 500~1000） mm 的電動(dòng)機(jī)。常使用的 有 6000V 和 10000V 兩種沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 電壓 等級(jí) [4]。本文中所研究電機(jī)的額定電壓為 6000V。 由于電機(jī) 功率與電壓和電流的乘積成正比，因此 當(dāng) 電機(jī)功率增大 時(shí)，如果電機(jī)電壓不產(chǎn)生變化，那么導(dǎo)線中的電流必然增大。導(dǎo)線中通過電流后會(huì) 受到 電磁力的作用。當(dāng)電流增加到一定程度，電磁力的大小會(huì)超過 導(dǎo)線的允許承受能力的限制 [5]，所以 需要通過提高電壓實(shí)現(xiàn)大功率輸出 [6]。 本文中設(shè)計(jì)的電機(jī)是 YR 系列繞線式電機(jī)。 YR 系列電動(dòng)機(jī)系是 Y 基本系列上派生出來的 [7]。 YR 系列電動(dòng)機(jī)采用雙層短矩波繞組繞線轉(zhuǎn)子，接法均為 Y 聯(lián)結(jié)。電機(jī)轉(zhuǎn)子通過滑環(huán)及電刷裝置與外加的啟動(dòng)（調(diào)速）電阻相連接，通過調(diào)節(jié)外加電阻的數(shù)值，可獲得大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，較小的啟動(dòng)電 流，并能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 [8]。 對(duì)于大中型電動(dòng)機(jī)帶重載啟動(dòng)的工況，可采用繞線式異步電動(dòng)機(jī) [9]。對(duì)于大中型電動(dòng)機(jī)容量大，起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊較大 [10]；又因帶重載，負(fù)載要求電動(dòng)機(jī)提供較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這種情況下繞線式異步電動(dòng)機(jī)就顯出明顯的優(yōu)勢(shì)。只要轉(zhuǎn)子回路串的電阻合適，就既可減少起動(dòng)電流又可增加起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因而電動(dòng)機(jī)容量大、重載這兩個(gè)要求可同時(shí)滿足 [11]。 電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)任務(wù)與過程 電機(jī)電磁設(shè)計(jì)是根據(jù)用戶提出的產(chǎn)品規(guī)格（如功率、電壓、轉(zhuǎn)速等）、技術(shù)要求（如效率、參數(shù)、溫升限度、機(jī)械 可靠性要求等），運(yùn)用有關(guān)的電磁計(jì)算方法進(jìn)行電機(jī)的電磁計(jì)算。通過正確處理設(shè)計(jì)時(shí)遇到的各種矛盾，確定出所設(shè)計(jì)電機(jī)合適的主要尺寸和電機(jī)性能 [12]。 電機(jī)電磁設(shè)計(jì)中需要考慮的因素和確定的尺寸、數(shù)據(jù)很多，這就難免會(huì)遇到錯(cuò)綜復(fù)雜的矛盾所以設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜。因此設(shè)計(jì)人員必須全面地、綜合的看待和分析問題。感應(yīng)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)通常給定下列數(shù)據(jù)：額定功率、額定電壓（線電壓）、功率因數(shù)、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速。 課題研究的過程及目的 本課題是對(duì)中型高壓異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)和仿真。首先應(yīng)學(xué)習(xí)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)和設(shè)計(jì)方法。然后根 據(jù)設(shè)計(jì)要求手算電機(jī)電磁設(shè)計(jì)程序。計(jì)沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 算的主要參數(shù)有：定（轉(zhuǎn)）子鐵心尺寸；定（轉(zhuǎn)）子繞組結(jié)構(gòu)；電機(jī)的磁路、運(yùn)行性能和起動(dòng)性能等。最后應(yīng)用 MATLAB 軟件進(jìn)行整個(gè)計(jì)算過程的仿真。電磁計(jì)算相當(dāng)于求解一項(xiàng)比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算題 [13]，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為電磁計(jì)算創(chuàng)造了有利條件，利用計(jì)算機(jī)編寫程序進(jìn)行求解是解決這類問題的有效途徑。通過電磁計(jì)算所得的電機(jī)性能指標(biāo)必須符合設(shè)計(jì)要求，否則應(yīng)進(jìn)行調(diào)整。改變重要的參數(shù)得到不同的方案，比較這些方案并進(jìn)行分析，從它們中選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 基本工作原理 本文中所介紹的 中型高壓異步電動(dòng)機(jī)所用的為繞線式轉(zhuǎn)子。繞線式繞組是與定子繞組相似的對(duì)稱三相繞組。一般接成星形。將三個(gè)出線端分別接到轉(zhuǎn)軸的三個(gè)滑環(huán)上，在通過電刷引出電流。繞線式轉(zhuǎn)子的特點(diǎn)是可以通過滑環(huán)電刷在轉(zhuǎn)子回路中接入附加電阻，以改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能、調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速，其接線如圖 21 所示。 圖 21 繞線式轉(zhuǎn)子電機(jī)接線圖 當(dāng)異步電機(jī)定子繞組接到三相電源上時(shí)，定子繞組中將流過三相對(duì)稱電流，氣隙中將建立基波旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其同步轉(zhuǎn)速取決于電網(wǎng)頻率和繞組的極對(duì)數(shù)，即 pfn 11 60? (21) 這個(gè)基波旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在短路的轉(zhuǎn)子繞組（若是籠型繞組則其本身就是短路的，若是繞線式轉(zhuǎn)子則通過電刷短路）中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生相應(yīng)的電流，該電流與氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。為了描述轉(zhuǎn)速，引入?yún)⑸蜿?yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 數(shù)轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)差率為同步轉(zhuǎn)速 1n 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 n 之差 ）（ nn?1 對(duì)同步轉(zhuǎn)速 1n 之比值，以 s 表示，即 11n nns ?? (22) 當(dāng)異步電機(jī)的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率隨之變化，使得轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的電勢(shì)、電流和電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生相應(yīng)的變化，因此異步電機(jī)轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的變化而變動(dòng)。轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組的電動(dòng)勢(shì)、電流的頻率取決于氣隙中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)子繞組中電動(dòng)勢(shì)和電流的頻率為 12 sff ? (23) 異步電機(jī)在作電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)， s 值很小，一般在 ~ 范圍內(nèi)變化。當(dāng)Hz501?f 時(shí)， Hz2~ ?f ，可見此時(shí)轉(zhuǎn)子鐵心中主磁通交變的頻率很低，轉(zhuǎn)子鐵耗很小，可以忽略不計(jì) [14]。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 3 章 中型高壓異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì) 電機(jī)設(shè)計(jì)要求 這一章主要討論中型三相繞線轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)電磁計(jì)算中的幾個(gè)主要部分，包括：主要尺寸與氣隙的確定；定轉(zhuǎn)子繞組的設(shè)計(jì)；工作性能的計(jì)算 [15]。繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)適用于要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩高而起動(dòng)電流低、起動(dòng)頻繁或在窄范圍內(nèi)調(diào)速的場(chǎng)合。 本文中電機(jī)設(shè)計(jì)的要求如表 31 中所示： 表 31 電機(jī)設(shè)計(jì)要求 PN/kW UN/V f /Hz ηN/% cosφN n Tmax* Tst* Tst* 500kW 6000V 50Hz % 1480 r/min 主要尺寸與氣隙的確定 主要尺寸和計(jì)算功率 定子鐵心內(nèi)經(jīng) Di1及有效長(zhǎng)度 efl 是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的主要尺寸，主要尺寸確定后，其他尺寸就可以大體確定。電機(jī)的重量、價(jià)格、工作特性和運(yùn)行可靠性等也都和主要尺寸以及它們的比值有密切關(guān)系。所以確定主要尺寸是電機(jī)的第一步。 決定電機(jī)主要 尺寸的基本關(guān)系式： nPCnPABKKalD39。A39。δdp1Nm39。pef2i1 ?? (31) 由上式可得出下列重要結(jié)論： 電機(jī)的主要尺寸由其計(jì)算功率 P? 和轉(zhuǎn)速 n 之比 nP/? 或計(jì)算轉(zhuǎn)矩 T? 所決定。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 電磁負(fù)荷 A 和 ?B 不變時(shí)，相同功率的電機(jī)，轉(zhuǎn)速較高的，尺寸較?。怀叽缦嗤碾姍C(jī)，轉(zhuǎn)速高的，則功率較大。 轉(zhuǎn)速一定時(shí)，若直徑不變而采用不同長(zhǎng)度，則可得到不同功率的電機(jī)。 系數(shù) p?? 、 NMK 、與 dp1K 的數(shù)值一般變化不大，因此電機(jī)的主要尺寸在很大程度上和選用的電磁負(fù)荷 A、 ?B 有關(guān)。電磁負(fù)荷選的越高，電機(jī)的尺寸就越小。 計(jì)算功率： NE c os1 PKP ???? (32) 對(duì)于中型異步電機(jī)滿載電勢(shì)標(biāo)幺值 0 NE ???? PK (33) 利用上述公式并假設(shè)表 32 中的參數(shù)，初步估算電機(jī)的體積： 表 32 假設(shè)的各個(gè)參數(shù) Kdp1 KE αp KNM Bδ A 46000A/m 電磁負(fù)荷的選擇 本次電機(jī)設(shè)計(jì)中取 δB =， A=46000A/m。我們可以對(duì)它們進(jìn)行調(diào)整來改變電機(jī)的性能。 在電機(jī)中 p? 、 NMK 、與 dp1K 等各量一般 只在較小的范圍內(nèi)變化，因此對(duì)功率和轉(zhuǎn)速一定的電機(jī)，其主要尺寸 i1D 和 efl 基本上將由電磁負(fù)荷 A 和 δB 值的大小來確定。電磁負(fù)荷 A 和 δB 的值決定了利用系數(shù)，直接影響電機(jī)的有效材料的耗用量，更為重要的是 A 和 δB 的值與電機(jī)運(yùn)行參數(shù)、性能和可靠性有密切關(guān)系。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 電磁負(fù)荷的選擇要考慮的因素很多，應(yīng)綜合考慮電機(jī)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，其選擇要點(diǎn)如下