【正文】 密級：內(nèi)部 中型高壓異步電動機(jī)設(shè)計及仿真Design and Simulation ofMediumSized High Voltage Induction Motor 學(xué) 院： 專 業(yè) 班 級：學(xué) 號：學(xué) 生 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 年月IV摘 要對中型高壓異步電動機(jī)的電磁設(shè)計方法進(jìn)行了研究。并且提出了應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行電機(jī)電磁計算過程仿真的優(yōu)勢和方法。首先說明了國內(nèi)外電機(jī)制造工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，電機(jī)的分類情況和選用方法，并對中型高壓異步電動機(jī)的特點和用途進(jìn)行了簡單的敘述。分析了三相異步電動機(jī)的基本工作原理，講述了電機(jī)設(shè)計的主要任務(wù)和主要過程。為電機(jī)設(shè)計做好了必要理論知識的準(zhǔn)備。然后詳細(xì)介紹了中型高壓異步電動機(jī)的電磁設(shè)計步驟與設(shè)計方法。電機(jī)設(shè)計中所需要考慮的因素和確定的尺寸、數(shù)據(jù)很多，這就難免會遇到錯綜復(fù)雜的矛盾。因此設(shè)計者必須針對具體的情況采取適合的解決方法，全面地、綜合的看待問題。本階段的任務(wù)是根據(jù)設(shè)計要求，手算電機(jī)電磁計算程序。確定所設(shè)計電機(jī)有關(guān)的尺寸和參數(shù)，并核算其電磁性能。最后應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行整個計算過程的仿真。計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為復(fù)雜的電磁計算創(chuàng)造了有利條件；計算機(jī)輔助工具的應(yīng)用，給電機(jī)設(shè)計和優(yōu)化帶來了新的契機(jī)。利用計算機(jī)編寫電磁計算程序進(jìn)行電磁計算的求解已經(jīng)成為必然的趨勢。通過電磁計算所得的電機(jī)性能指標(biāo)必須符合設(shè)計要求，否則應(yīng)對計算過程中的某些參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。改變某些參數(shù)得到不同的電機(jī)設(shè)計方案，通過比較這些方案，確定出最佳的設(shè)計方案。利用計算機(jī)軟件（MATLAB）編寫電機(jī)設(shè)計程序進(jìn)行電機(jī)的電磁計算能夠提高工作效率和設(shè)計的精確度。關(guān)鍵詞：中型高壓異步電動機(jī)；電機(jī)設(shè)計；電磁計算AbstractStudy the electromagnetic design methods of mediumsized high voltage induction motor, and propose advantages and methods of applying MATLAB software in simulation process of electromagnetic calculation.First, state the development of motor manufacturing industry at home and abroad, the classification of motor and way of selection. Simply narrate the feature and use of mediumsized high voltage motor. Analyze working principle of threephase induction motor, and state the main task and process of electrical machine design. Prepare the necessary theory to electrical machine design.Then introduce the electromagnetic design steps and methods of mediumsized high voltage induction motor in detail. There are many uncertain factors, size and data in the process of electrical machine design, which means intricacy contradictions unavoidable. Therefore, the designers are supposed to look at problems in the general and synthetically and adjust measures to local conditions. Task of this stage is to base on the rules of design, and calculate electromagnetic calculation program of size and factors related to the motor to be designed and check its electromagnetic property. Finally, use MATLAB software to simulate the whole process of calculation. The development of puter science offers advantages to electromagnetic calculation. Application of puter aided software brings new chances to electrical machine design and optimization. It is inevitable to use puter to write electromagnetic calculation program when making electromagnetic calculation. The performance index of motor obtained by electromagnetic calculation is obliged to fit in national standard or request in Assignment of Technical Design, otherwise some factors needs adjustment in the process of calculation. Change important parameters to get different design schemes and pare each scheme with others to elect optimal design scheme. Using MATLAB software to write program of electrical machine design when making electromagnetic calculation improves work efficiency and accuracy of design.Keywords: mediumsized high voltage induction motor。 electrical machine design。 electromagnetic calculationIII目 錄摘 要 IAbstract II第1章 緒論 1 國內(nèi)外電機(jī)制造工業(yè)的差距 1 電機(jī)的分類 1 中型高壓異步電動機(jī)的介紹 1 電機(jī)的電磁設(shè)計任務(wù)與過程 2 2第2章 基本工作原理 4第3章 中型高壓異步電動機(jī)的電磁設(shè)計 6 電機(jī)設(shè)計要求 6 主要尺寸與氣隙的確定 6 主要尺寸和計算功率 6 電磁負(fù)荷的選擇 7 主要尺寸比λ的選擇 8 主要尺寸的確定 9 空氣隙的確定 10 定子繞組與鐵心的設(shè)計 11 定子槽數(shù)的選擇 11 定子繞組型式和節(jié)距的選擇 11 每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)，每槽導(dǎo)體數(shù)的計算 12 電流密度的選擇及線規(guī)、并繞根數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)的確定 14 定子沖片的設(shè)計 15 轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計 15 轉(zhuǎn)子槽數(shù)的選擇 15 轉(zhuǎn)子繞組的特點及設(shè)計方法 16 磁路計算 17 概述 17 空氣隙磁壓降的計算 18 齒部磁壓降的計算 21 軛部磁壓降的計算 22 勵磁電流和空載特性計算 23 參數(shù)計算 24 繞組電阻的計算 24 主電抗計算 25 漏電抗計算 25 工作性能的計算 27 起動性能的計算 31第4章 用MATLAB進(jìn)行電機(jī)設(shè)計仿真 33 計算機(jī)技術(shù)在電機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用與發(fā)展 33 應(yīng)用MATLAB在電機(jī)設(shè)計中的優(yōu)勢 34 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 37第5章 總結(jié) 39參考文獻(xiàn) 40致 謝 42附 錄 43沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）第1章 緒論 國內(nèi)外電機(jī)制造工業(yè)的差距國外注重新產(chǎn)品的開發(fā)，并且對電機(jī)的安全、噪聲、電磁兼容等方面要求比較高。國外的先進(jìn)水平主要體現(xiàn)在：電機(jī)的可靠性高，壽命長，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。國內(nèi)部分產(chǎn)品已達(dá)國際水平，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)計工作沒有跟上[1]。國外電機(jī)設(shè)計理念先進(jìn)，對于電機(jī)采用計算機(jī)分析技術(shù)，運(yùn)用多功能分析軟件，如電磁計算分析軟件、結(jié)構(gòu)仿真分析軟件等，產(chǎn)品綜合設(shè)計水平高。而國內(nèi)電機(jī)企業(yè)設(shè)計手段傳統(tǒng)、缺乏先進(jìn)的設(shè)計理念和手段，對于基本系列電機(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)計周期長[2]。 電機(jī)的分類我國目前生產(chǎn)的三相異步電動機(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 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=（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=（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=（120~445）mm，共11個機(jī)座，功率范圍為（~90）kW，電壓380V[3]。 中型高壓異步電動機(jī)的介紹本文中講述的是中型高壓異步電動機(jī)的電磁設(shè)計方法。中型高壓電動機(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的電動機(jī)。常使用的有6000V和10000V兩種電壓等級[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，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現(xiàn)大功率輸出[6]。本文中設(shè)計的電機(jī)是YR系列繞線式電機(jī)。YR系列電動機(jī)系是Y基本系列上派生出來的[7]。YR系列電動機(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（調(diào)速）電阻相連接，通過調(diào)節(jié)外加電阻的數(shù)值，可獲得大的啟動轉(zhuǎn)矩，較小的啟動電流，并能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速[8]。 對于大中型電動機(jī)帶重載啟動的工況，可采用繞線式異步電動機(jī)[9]。對于大中型電動機(jī)容量大，起動電流對電網(wǎng)的沖擊較大[10]；又因帶重載，負(fù)載要求電動機(jī)提供較大的起動轉(zhuǎn)矩。這種情況下繞線式異步電動機(jī)就顯出明顯的優(yōu)勢。只要轉(zhuǎn)子回路串的電阻合適，就既可減少起動電流又可增加起動轉(zhuǎn)矩，因而電動機(jī)容量大、重載這兩個要求可同時滿足[11]。 電機(jī)的電磁設(shè)計任務(wù)與過程電機(jī)電磁設(shè)計是根據(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)的電磁計算方法進(jìn)行電機(jī)的電磁計算。通過正確處理設(shè)計時遇到的各種矛盾，確定出所設(shè)計電機(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，這就難免會遇到錯綜復(fù)雜的矛盾所以設(shè)計過程比較復(fù)雜。因此設(shè)計人員必須全面地、綜合的看待和分析問題。感應(yīng)電機(jī)設(shè)計時通常給定下列數(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。本課題是對中型高壓異步電動機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計和仿真。首先應(yīng)學(xué)習(xí)電機(jī)電磁設(shè)計的基礎(chǔ)知識和設(shè)計方法。然后根據(jù)設(shè)計要求手算電機(jī)電磁設(shè)計程序。計算的主要參數(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)行性能和起動性能等。最后應(yīng)用MATLAB軟件進(jìn)行整個計算過程的仿真。電磁計算相當(dāng)于求解一項比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算題[13]，計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為電磁計算創(chuàng)造了有利條件，利用計算機(jī)編寫程序進(jìn)行求解是解決這類問題的有效途徑。通過電磁計算所得的電機(jī)性能指標(biāo)必須符合設(shè)計要求，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)計方案。52第2章 基本工作原理 本文中所介紹的中型高壓異步電動機(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稱三相繞組。一般接成星形。將三個出線端分別接到轉(zhuǎn)軸的三個滑環(huán)上，在通過電刷引出電流。繞線式轉(zhuǎn)子的特點是可以通過滑環(huán)電刷在轉(zhuǎn)子回路中接入附加電阻，以改善電動機(jī)的起動性能、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，定子繞組中將流過三相對稱電流，氣隙中將建立基波旋轉(zhuǎn)磁動勢，從而產(chǎn)生基波旋轉(zhuǎn)磁場，其同步轉(zhuǎn)速取決于電網(wǎng)頻率和繞組的極對數(shù)，即 (21)這個基波旋轉(zhuǎn)磁場在短路的轉(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)電動勢并在轉(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)磁場相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。為了描述轉(zhuǎn)速，引入?yún)?shù)轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)差率為同步轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之差對同步轉(zhuǎn)速之比值，以表示，即