【正文】 號(hào)： 學(xué) 生 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： 年月 密級(jí)：內(nèi)部 I 摘 要 對(duì)中型高壓異步電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。分析了三相異步電動(dòng)機(jī)的基本工作原理，講述了電機(jī)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)和主要過(guò)程。因此設(shè)計(jì)者必須針對(duì)具體的情況采取適合的解決方法，全面地、綜合的看待問(wèn)題。計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，為復(fù)雜的電磁計(jì)算創(chuàng)造了有利條件； 計(jì)算機(jī)輔助工具的應(yīng)用，給電機(jī)設(shè)計(jì)和優(yōu)化帶來(lái)了新的契機(jī) 。利用計(jì)算機(jī)軟件（ MATLAB）編寫(xiě)電機(jī)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行電機(jī)的電磁計(jì)算能夠提高工作效率和設(shè)計(jì)的精確度。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。 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。 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]。本文中所研究電機(jī)的額定電壓為 6000V。 本文中設(shè)計(jì)的電機(jī)是 YR 系列繞線式電機(jī)。 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]。 電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)任務(wù)與過(guò)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。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。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。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。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(guò)電刷引出電流。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)。 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]。所以確定主要尺寸是電機(jī)的第一步。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。電磁負(fù)荷選的越高，電機(jī)的尺寸就越小。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。 （ 3）選擇較高的 A 或?qū)w電流密度 J，繞組電阻將增加，使繞組溫升升高。 （ 5） A 和 δB 應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)谋戎?。通常主要參考電機(jī)工業(yè)長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分析對(duì)比設(shè)計(jì)電機(jī)與已有電機(jī)在使用材料、結(jié)構(gòu)、技術(shù)條件和要求等方面的異同后進(jìn)行選取。為了反映電機(jī)這種幾何形狀關(guān)系，通常采用主要尺寸比 ?? /efl?這一 概念。然后選擇適當(dāng)?shù)?λ 值，便可求出 3i1 p2??VD ? (34) 最后，根據(jù)調(diào)整的1iD求出 21ief DVl ? (35) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果按照定子內(nèi)外徑比求出定子外徑的初算值，從表中查出與其接近的標(biāo)準(zhǔn)直徑 1D ，從表 33 中查得，再根據(jù) 1D 計(jì)算i1D。 氣隙 δ的數(shù)值基本上決定于定子內(nèi)徑、軸的直徑和軸承 間的轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度。本次電機(jī)設(shè)計(jì)中所選用的氣隙大小為 δ=。 一方面每槽導(dǎo)體數(shù)減少，使槽漏抗減??；另一方面槽數(shù)多了，槽高和槽寬的比值相應(yīng)增大，使槽漏抗增大，但這方面影響較小。對(duì)于一般感應(yīng)電機(jī)，每極每相槽數(shù) 1q 可在 2~6 間選取，而且盡量選取整數(shù)，因分?jǐn)?shù)槽容易引起振動(dòng)和噪聲。本次電機(jī)設(shè)計(jì)中采用的是雙層疊繞組。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 對(duì)雙層繞組應(yīng)從電機(jī)具有良好的電氣性能和節(jié)約導(dǎo)線材料兩方面來(lái)考慮節(jié)距的選擇。 分布系數(shù) 2sin2sin111d ??qqK ? (37) 其中， 12Zp??? (38) ? 為用電角度表示的槽距角； 短距系數(shù) 2sin1p ???K (39) 其中， 111p qmyZy ??? (310) y 為以槽數(shù)表示的繞組節(jié)距； 基波繞組系數(shù) 1p1d1dp KKK ? (311) 每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)，每槽導(dǎo)體數(shù)的計(jì)算 每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)： 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 kW11i1 mc os I ADN ???? ? (312) 在確定電機(jī)的定子內(nèi)徑 1iD 后，從上式可以求出定子繞組的每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)1?N 。 如果定子繞組采用的并聯(lián)支路數(shù)為 1? ，則每槽導(dǎo)體數(shù) 1sN 為 11111s Z NmN ??? (313) 對(duì)雙層繞組， 1sN 應(yīng)取偶數(shù)，此時(shí)每個(gè)線圈匝數(shù)： 21sc NN ? 最后可算出定子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)： 211 ?NN ? (314) 上面計(jì)算出的是初步數(shù)據(jù)，待磁路、參數(shù)、性能計(jì)算后，如必要還須進(jìn)一步調(diào)整。對(duì)于中型電機(jī)， 1J 可以在 ~ ?）（ 2/mA 范圍內(nèi)選用。選擇時(shí)主要根據(jù)工藝條件考慮。這時(shí)應(yīng)注意：（ 1）導(dǎo)線的寬厚比 ab/ 在~ 范圍內(nèi)，并要與電機(jī)的槽口、槽寬和槽高尺寸相適應(yīng)；（ 2）每根導(dǎo)線的截面最好小于 15 2mm ，導(dǎo)線截面太大會(huì)引起較大的渦流損耗，并在制造線圈時(shí)，較難于脹形及整形。開(kāi)口槽增大了氣隙磁場(chǎng)中的磁導(dǎo)齒諧波分量，為了避免因此引起較大的空載附加損耗，可采用磁性槽楔，但此時(shí)槽漏抗將增大。 表 37 定子開(kāi)口槽尺寸 bs b01 hs0 hs1 hs2 α1 30176。 本次電機(jī)設(shè)計(jì)中根選取 2q =4 求出 2Z =48。這種繞組系由半繞組元件組成，元件采用扁導(dǎo)線彎制，僅一端預(yù)先成型；除末端外，導(dǎo)線全長(zhǎng)都預(yù)先絕緣好，嵌線時(shí)由槽的一端穿入，再把這端的端接部分彎成適當(dāng)?shù)男螤?，最后用并頭套將半繞組元件的“末端”部分聯(lián)接，再經(jīng)焊接便成。 有了 2?N 后，可按 112220dpdpN KN KNUE???? (319) 核算空載轉(zhuǎn)子相電勢(shì)，看是否超過(guò)常用的電壓范圍。 表 39 轉(zhuǎn)子繞組的有關(guān)計(jì)算結(jié)果 Kdp2 Nφ 2 N2 a2 Ns2 Nc2 Nt2 J2 Ac2 E20 I2 16 8 1 2 1 6 7 A/mm2 mm2 6V 1032.5A 磁路計(jì)算 概述 當(dāng)繞組中通過(guò)電流，在電機(jī)的有效部分、端部及部分結(jié)構(gòu)零件中就激發(fā)了磁場(chǎng)。 為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常把電機(jī)各部分的磁場(chǎng)化成等效的各段磁路。 空氣隙磁壓降的計(jì)算 在電機(jī)中，沿電樞圓周方向氣隙磁場(chǎng)不是均勻分布的。 一、計(jì)算極弧系數(shù) p?? 的確定 計(jì)算極弧系數(shù) p?? 表示氣隙磁密表 示氣隙磁密平均值 avB? 與最大之 ?B 之比。齒部越飽和，氣隙磁場(chǎng)波形越平， p?? 越大。 圖 31 感應(yīng)電機(jī)的 p?? 與 sK 的關(guān)系曲線 在磁路計(jì)算開(kāi)始時(shí)， ?F 、 t1F 、 t2F 以及 sK 均為未知數(shù)。若 sK 與原來(lái)預(yù)計(jì)的 sK? 相差較大，則須重新假定 sK? 并進(jìn)行計(jì)算，直至 sK 與 sK? 接近到相差不超過(guò) %1? 為止。 三、氣隙系數(shù) ?K 氣隙系數(shù) ?K 是略大于 1 的系數(shù)，通常把 ??K 稱為有效氣隙長(zhǎng)。實(shí)際上轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的， ?K應(yīng)取這兩種極端情況的平均值，即可取 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 21 ??? KKK ? 或 )1( 21 ??? ??? KKK 齒部磁壓降的計(jì)算 每極齒部磁壓降可用下式計(jì)算： ttt LHF? (330) 其中， tH 為齒的磁場(chǎng)強(qiáng)度，對(duì)應(yīng)于齒磁密 tB ，可由所用硅鋼片的磁化曲線查得； tL 為齒的磁路計(jì)算長(zhǎng)度。 一般來(lái)說(shuō)， tA 的計(jì)算公式為 ttFet blKA ?? (333) 其中， tl? 為鐵心長(zhǎng)度（不包括通風(fēng)道）； FeK 為鐵心疊壓系數(shù)，對(duì)厚 的涂漆硅鋼片， FeK 約為 到 ； tb 為計(jì)算齒寬。 jjjj LHCF ? (335) 其中， jH 為相應(yīng)于最大切向磁密處的場(chǎng)強(qiáng)，按 jB 及材料的磁化曲線查??；jC 為軛部磁壓降校正系數(shù)，與軛尺寸、極對(duì)數(shù)及 jB 有關(guān)。這時(shí)須先計(jì)算該兩種工作狀態(tài)時(shí)的定子 感應(yīng)電勢(shì) 1E 和 10E 。 參數(shù)計(jì)算 電阻、電抗是電機(jī)的重要參數(shù)。感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子電阻的大小對(duì)其轉(zhuǎn)矩特性影響特別突出。 繞組電阻的計(jì)算 感應(yīng)電機(jī)定子繞組每相電阻等于 1111 2 aA lNKRccF ???? (339) 其中， FK? 表示由于集膚效應(yīng)導(dǎo)致的電阻增加系數(shù)； ?? 為基準(zhǔn)工作溫度時(shí)導(dǎo)體的電阻率； 1N 為每相串聯(lián)的匝數(shù)； cl 為線圈半匝平均長(zhǎng)度； 1cA 為導(dǎo)體的截面積； 1a 為相繞組的并聯(lián)支路數(shù)。 主電抗計(jì)算 我們把電抗區(qū)分為主電抗和漏電抗。在感應(yīng)電機(jī)中，習(xí)慣上稱主電抗為勵(lì)磁電抗。 漏抗公式可以用下式來(lái)表示： ?? ???? eflpqNfX 204 (343) ? ???? Ets ????? ? (344) 其中， s? 、 ?? 、 t? 、 E? 為槽比漏磁導(dǎo)、諧波比漏磁導(dǎo)、齒頂比漏磁導(dǎo)、端部比漏磁 導(dǎo)。表 311 中記錄了各項(xiàng)漏抗。相應(yīng)的電流相量圖也由圖 33(a)簡(jiǎn)化為 33(b)。 定子電流有功分量的標(biāo)幺值 ??? 112111 ???????????? NNNKWPP PPUm UmIII (350) 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 其中， ?— 電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的效率，正是我們?cè)诠ぷ餍阅苤幸?jì)算的一個(gè)性能指標(biāo)。 三、效率 ?的計(jì)算 感應(yīng)電機(jī)的效率寫(xiě)成標(biāo)幺值便是： %10011%10011????????? ????????????? ??? ??? ? ppP pN? (354) 其中， ??p — 電動(dòng)機(jī)所有的損耗標(biāo)幺值之和 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 ?????? ?????? FefwsCuCu pppppp 21 (355) 其中， ?1Cup 、 ?2Cup 、 ?sp 分別是額定負(fù)載下定子繞組銅損耗、轉(zhuǎn)子繞組銅（鋁）損耗和附加損耗的標(biāo)幺值； ?fwp 為通風(fēng)和摩擦損耗的標(biāo)幺值 ?Fep 為空載時(shí)定子鐵耗的標(biāo)幺值，按理應(yīng)根據(jù)額定負(fù)載時(shí)定子齒部和軛部的磁密來(lái)計(jì)算鐵損耗，但因?qū)崪y(cè)鐵耗是通過(guò)空載試驗(yàn)分析計(jì)算得出，考慮空載附加損耗和加工等因素的系數(shù) 1k 和 2k 也由實(shí)測(cè)鐵耗來(lái)確定，所以 eFp 用空載時(shí)定子齒部和軛部的磁密來(lái)計(jì)算。脈振損耗和表面損耗在定子和轉(zhuǎn)子上都會(huì)產(chǎn)沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 生，這里假定輸入的有功功率扣除定子銅損耗和基本鐵耗以后，其余 的全部傳遞給了轉(zhuǎn)子。繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性隨轉(zhuǎn)子回路中串接的外部電阻的大小而不同 [21]。 通常用起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù) stk 來(lái)描述起動(dòng)性能，即Nstst TTk ? 對(duì)于一般異步電動(dòng)機(jī)，~?stk 。利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)的程序可以分成“設(shè)計(jì)分析”、“設(shè)計(jì)綜合”和“設(shè)計(jì)優(yōu)化”三種類型 [22]。 “設(shè)計(jì)綜合”程序是根據(jù)已知的性能要求，決定電機(jī)各設(shè)計(jì)參量的程序。而在設(shè)計(jì)綜合程序中，這些過(guò)程都在計(jì)算機(jī)內(nèi)自動(dòng)地進(jìn)行，因此大大地縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。目前，生產(chǎn)部門(mén)較多使用的是“設(shè)計(jì)分析”；但它與“設(shè)計(jì)綜合”已經(jīng)不能截然分開(kāi)。 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 無(wú)論是那一種類型的設(shè)計(jì)程序，計(jì)算過(guò)程中都不可避免地要出現(xiàn)按湊試法進(jìn)行疊代運(yùn)算的情況，如中小型異步電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)中的滿載電勢(shì)系數(shù)、磁路飽和系數(shù)、效率、起動(dòng)電流等