【正文】 電氣與信息工程系 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 設(shè)計(jì)（論文）題目： 無(wú)感繞組諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的研究 一、 基本任務(wù)及要求：諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子為無(wú)刷、無(wú)環(huán)結(jié)構(gòu)繞組，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本低廉，具有繞線型電機(jī)的高啟動(dòng)性能的特點(diǎn)，又有籠型電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)其諧波進(jìn)行了分析,并推導(dǎo)了諧波繞組參數(shù)計(jì)算公式。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)區(qū)別于其它類型電動(dòng)機(jī)，在于其轉(zhuǎn)子繞組不需要與其它電源相連接，而定子電流直接取自交流電網(wǎng)。上述傳統(tǒng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)存在嚴(yán)重缺點(diǎn)的根本原因在于“起動(dòng)”、“運(yùn)行”和“可靠性”三者之間存在難以調(diào)和的矛盾，因此勢(shì)必顧此失彼，不可兼得。 圖11 轉(zhuǎn)子繞組中一個(gè)的兩路并聯(lián)線圈組a) 兩線圈組的空間分布情況 b) 兩路并聯(lián)線圈組構(gòu)成的電路圖c) 用等效電路代替并聯(lián)線圈組后的電路圖設(shè)轉(zhuǎn)子繞組由若干個(gè)兩路并聯(lián)線圈組構(gòu)成，每個(gè)并聯(lián)線圈組的情況如圖11所示。當(dāng)定子繞組按“起動(dòng)方式”聯(lián)結(jié)而接入電網(wǎng)時(shí)，定子產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的磁場(chǎng)波，其極數(shù)與基波的不同，這就是前面說(shuō)的起動(dòng)諧波。但無(wú)論哪一種，都是轉(zhuǎn)子上無(wú)集電環(huán)、無(wú)電刷、無(wú)觸點(diǎn)，其優(yōu)缺點(diǎn)視制造廠的條件、電動(dòng)機(jī)應(yīng)用情況和用戶要求而定?！半p波起動(dòng)”電動(dòng)機(jī)的定子繞組常采用3Y/Δ聯(lián)結(jié)，轉(zhuǎn)子繞組采用并聯(lián)接法，其最重要特點(diǎn)是從起動(dòng)工況過(guò)渡到運(yùn)行工況為不斷電轉(zhuǎn)換。而消除上述“爬行”的好辦法，就是依靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組對(duì)諧波來(lái)說(shuō)的電阻，來(lái)移動(dòng)上述負(fù)轉(zhuǎn)矩最大值出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到起動(dòng)時(shí)基波產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的最大值，而利用前者來(lái)把后者抵消掉。1，177。定子等效電流 轉(zhuǎn)子電流求出后，仿照主波電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式，即可求出次諧波產(chǎn)生的異步寄生轉(zhuǎn)矩為式中 進(jìn)一步計(jì)算次諧波寄生轉(zhuǎn)矩的最大值。（對(duì)所分析的諧波極對(duì)數(shù)）。為一對(duì)稱三相繞組。3）克服副諧波產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩 但轉(zhuǎn)速上升到超過(guò)副諧波的同步轉(zhuǎn)速以后，副諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)的。槽好分配方案一經(jīng)設(shè)計(jì)出來(lái)，副諧波的極數(shù)是多少便已固定不變了。相帶繞組運(yùn)行時(shí)的磁動(dòng)勢(shì)諧波含量最少，只存在非3倍數(shù)的奇數(shù)整數(shù)次諧波，即5次、7次、11次、13次……等，其他的一切諧波皆不存在，因此由諧波引起的附加損耗最小，使電動(dòng)機(jī)具有高的效率和運(yùn)行穩(wěn)定。但不宜偏離三相對(duì)稱太大，因?yàn)槔@組的磁動(dòng)勢(shì)諧波是按三相電流對(duì)稱進(jìn)行分析的，若實(shí)際電流三相很不對(duì)稱，則諧波分析結(jié)果與實(shí)際情況差別很大，導(dǎo)致電磁計(jì)算不可靠。相帶繞組所需的每個(gè)線圈的磁動(dòng)勢(shì)的方向（即安匝數(shù)的正、負(fù)）。我們可從72槽8極電動(dòng)機(jī)大小雙星 /聯(lián)結(jié)的方案可知：大星三相、所占槽號(hào)和小星、所占槽號(hào)如表44所示。176。=+180176。把定子繞組按正規(guī)60176。由于原來(lái)繞組為60176。 大小雙星聯(lián)結(jié) /起動(dòng)全過(guò)程的各種特性曲線為保證電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，其轉(zhuǎn)速能一直上升而到達(dá)額定轉(zhuǎn)速附近，尚須從電磁計(jì)算所得數(shù)據(jù)檢驗(yàn)：在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，三波起動(dòng)產(chǎn)生的總轉(zhuǎn)矩是否出現(xiàn)最小轉(zhuǎn)矩，如果小于電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，則當(dāng)滿載起動(dòng)時(shí)，起轉(zhuǎn)速將在出現(xiàn)凹坑處“爬行”，而無(wú)法繼續(xù)上升。為三波起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性曲線，與比較可見，三波起動(dòng)將起動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步提高。將每相第一組所占個(gè)等相帶串聯(lián)成一路而構(gòu)成第一個(gè)星行。且互差120176。對(duì)72槽8極電動(dòng)機(jī)，故得=3，=1（整數(shù)槽繞組），每相最大并聯(lián)支路數(shù)=/=8/1=8。因此按照三波起動(dòng)的要求，具體設(shè)計(jì)的任務(wù)是當(dāng)大星單獨(dú)接于電網(wǎng)起動(dòng)時(shí)，除基波外產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的6極主諧波，和一個(gè)有一定強(qiáng)度的10極副諧波，并要求三波聯(lián)合起動(dòng)時(shí)能使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一直升速而達(dá)到電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速附近。 72槽8極定子繞組 /聯(lián)結(jié)接線圖圖45 72槽8極定子繞組 /接線圖定子繞組采用3Y/4Y接法，其接線圖如圖45所示。 2）為簡(jiǎn)化制造工藝和提高起動(dòng)和運(yùn)行的可靠性，轉(zhuǎn)子繞組由許多“復(fù)合線圈”構(gòu)成，而不在轉(zhuǎn)子繞組上焊接起動(dòng)電阻。它具有如下特征：首先，定子基波磁場(chǎng)感應(yīng)于轉(zhuǎn)子繞組中的電流通過(guò)電阻很小的幾個(gè)閉合回路，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)具有高效率。對(duì)于三波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)8/10極，=6或4為最佳。另外三波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)8/10極，運(yùn)行時(shí)基波為8極，起動(dòng)時(shí)三個(gè)波，除基波8極外還有兩個(gè)起動(dòng)諧波6極和10極。在起動(dòng)后期，則依靠轉(zhuǎn)子繞組對(duì)定子主、副諧波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩曲線最大值（正的和負(fù)的）出現(xiàn)的轉(zhuǎn)速的控制作用，使基波和主諧波聯(lián)合產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩能夠有效地克服副諧波產(chǎn)生的負(fù)轉(zhuǎn)矩，從而消除出現(xiàn)“爬行”現(xiàn)象的危險(xiǎn)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速順利地達(dá)到額定轉(zhuǎn)速附近。其次，為使不存在對(duì)起動(dòng)不利的反轉(zhuǎn)向6極負(fù)序諧波，所取、三相槽號(hào)應(yīng)依次位移對(duì)6極來(lái)說(shuō)的120176。（3）應(yīng)用Y6 Y2/Y6聯(lián)結(jié)時(shí)可能采用的每相匝數(shù)：對(duì)72槽8極的Y6 Y2/Y6聯(lián)結(jié)，前面已指出：大星Y6每個(gè)線圈的匝數(shù)必須等于小星Y2每個(gè)線圈匝數(shù)的1/3。已得、三個(gè)數(shù)列，具體設(shè)計(jì)三相槽號(hào)時(shí)就在該數(shù)列上進(jìn)行。相帶繞組分配的三相所占槽號(hào)，如下表41所示。相帶繞組劃分三相所占槽號(hào)時(shí)，每相所占槽號(hào)構(gòu)成/=個(gè)相帶，每個(gè)相帶占有個(gè)槽號(hào)。從圖中的曲線可看到兩點(diǎn)：第一是最大轉(zhuǎn)矩（即過(guò)載能力）點(diǎn)特別高，比額定轉(zhuǎn)矩高出很多倍，這是三波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)。對(duì)采用整數(shù)槽繞組的8極電動(dòng)機(jī)，=8，是三種常用極數(shù)中值最大的一個(gè)，因此符合+==8條件的組合方案數(shù)最多。起動(dòng)時(shí)操作過(guò)程為：在U、V、W三點(diǎn)從電網(wǎng)斷開的條件下，把、三點(diǎn)投入電網(wǎng)，電動(dòng)機(jī)便開始起動(dòng)和升速，當(dāng)轉(zhuǎn)速升到額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，再把U、V、W三點(diǎn)分別投入、三點(diǎn)所接入的電網(wǎng)，便完成起動(dòng)過(guò)程。 定子繞組聯(lián)結(jié)方式的選擇三波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子繞組共有五種聯(lián)結(jié)方式，其中大小雙星聯(lián)結(jié)法是實(shí)現(xiàn)三波起動(dòng)定子繞組聯(lián)結(jié)法中最好的一種，其接線簡(jiǎn)單，用途廣泛。（176。例如，%?？梢?，若起動(dòng)時(shí)單獨(dú)接入電網(wǎng)的一部分繞組產(chǎn)生起動(dòng)所需諧波，則起動(dòng)時(shí)被丟棄的另一部分繞組，如果接入電網(wǎng)，就必須也產(chǎn)生同樣極數(shù)的諧波，其幅值（絕對(duì)值）與上述的相同，但在空間相位上恰好反相位（即對(duì)該諧波相差180176。當(dāng)電流從線圈的首端進(jìn)入，而從其末端出來(lái)時(shí)，線圈的安匝數(shù)為正，反之，則線圈的安匝數(shù)為負(fù)。這是由于起動(dòng)所需諧波越強(qiáng)，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，并且起動(dòng)電流越小，因此起動(dòng)品質(zhì)因數(shù)顯著提高。 定子繞組設(shè)計(jì)的基本要求諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的定子繞組采用“運(yùn)行方式”和“起動(dòng)方式”兩種聯(lián)結(jié)方式。前面已經(jīng)指出，副諧波的極數(shù)比基波的多2個(gè)極或者4個(gè)極。主諧波磁動(dòng)勢(shì)是一個(gè)比基波極數(shù)少2個(gè)極的與基波同轉(zhuǎn)向的磁動(dòng)勢(shì)波。其結(jié)構(gòu)特征為：所有槽數(shù)為、極數(shù)為的三相雙層、等元件、整數(shù)槽繞組（即=整數(shù)的繞組）都可設(shè)計(jì)成正規(guī)60176。矢量分析法的基本概念是：電流通過(guò)單根導(dǎo)體便產(chǎn)生所有極對(duì)數(shù)為整數(shù)的磁動(dòng)勢(shì)諧波，而每個(gè)諧波都在空間上按正弦函數(shù)分布，因此可用一根空間矢量作代表，電流的大小決定矢量的長(zhǎng)度，而導(dǎo)體在空間的位置表示為矢量的空間相位。 [3]圖21 異步寄生轉(zhuǎn)矩對(duì)～曲線的影響圖22表示考慮諧波磁場(chǎng)的作用時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)的等效電路。相帶繞組而言，磁勢(shì)中既有奇次又有偶次諧波；若為雙層60176。此時(shí)若控制柜的開關(guān)跳閘電流整定得不夠大，或供電變壓器的容量不大，則勢(shì)必引起開關(guān)跳閘，而導(dǎo)致起動(dòng)失敗。圖13 單諧波起動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的通用接線圖“斷電切換”是第一代諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)嚴(yán)重缺點(diǎn)，其后果是切換時(shí)產(chǎn)生很大沖擊電流，引起開關(guān)跳閘。而王雪帆博士則把“電工原理”中的“無(wú)感繞組”應(yīng)用于新型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組上，而提出在轉(zhuǎn)子上采用不等匝并聯(lián)構(gòu)成的“復(fù)合線圈”，來(lái)達(dá)到取消與轉(zhuǎn)子繞組焊接在一起的起動(dòng)電阻。起動(dòng)諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的電流所經(jīng)電路具有較大電阻，而基波磁場(chǎng)產(chǎn)生的電流所經(jīng)電路的電阻則很小。顯然，這樣的電動(dòng)機(jī)從起動(dòng)和運(yùn)行性能看，未能取代有集電環(huán)和電刷的繞線型電動(dòng)機(jī)。（3）起動(dòng)電流很大，增加了所需供電變壓器的容量，從而增加大量投資。課題主要遵循以下思路進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，而且根據(jù)設(shè)計(jì)需要，本文具體對(duì)72槽8極電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)：1) 諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的概況；2) 三相異步電動(dòng)機(jī)中諧波的分析和計(jì)算；3) 定子繞組方案的確定及分析；4) 無(wú)感轉(zhuǎn)子繞組方案的確定及分析；5) 等效電路的建立、電磁設(shè)計(jì)程序分析及電磁設(shè)計(jì)；6) 控制線路的設(shè)計(jì)，確定控制線路器件。相帶繞組的“等安匝定理” …………23 …………………………………24 定子繞組聯(lián)結(jié)方式的選擇 …………………………………………26 ………………………………………26 …………………………………27 …………………………………28 /起動(dòng)全過(guò)程的各種特征曲線 ………28 ……………………………30 72槽8極電動(dòng)機(jī)定子繞組設(shè)計(jì)示例 ……………………………31 ………………………31 72槽8極電動(dòng)機(jī)定子繞組聯(lián)結(jié)的基本情況 ……………………32 72槽8極電動(dòng)機(jī)定子繞組具體設(shè)計(jì) ……………………………33 72槽8極電動(dòng)機(jī)定子繞組/接線圖 …………………35第5章 轉(zhuǎn)子繞組的確定及分析 …………………………………………………36 轉(zhuǎn)子繞組設(shè)計(jì)的基本要求 …………………………………………36 八極電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)感繞組的設(shè)計(jì) …………………………………37 ……………………………………37 “復(fù)合線圈”的構(gòu)成 ……………………………………………38 “無(wú)感繞組”的形成 ……………………………………………38 96槽8極電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)感繞組連接圖…………………………39第6章 諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)控制線路設(shè)計(jì) …………………………………………40 控制線路常用器件介紹 ……………………………………………40 控制線路設(shè)計(jì) ………………………………………………………40參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………42結(jié)束語(yǔ) ………………………………………………………………………………43附 錄（A、B） …………………………………………………………………………………44無(wú)感繞組諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的研究摘 要：論文將現(xiàn)代電機(jī)理論及設(shè)計(jì)方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，研究出一種新型繞組電機(jī)。 3月7日3月27日：查閱資料，撰寫文獻(xiàn)綜述，撰寫開題報(bào)告。alternating current dynamo 前 言針對(duì)傳統(tǒng)三相籠型電機(jī)起動(dòng)電流大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小及繞線型電機(jī)集電環(huán)和電刷易出故障，不適應(yīng)在水泥、煤炭等帶式輸送機(jī)等場(chǎng)合應(yīng)用而存在的問(wèn)題，本課題將現(xiàn)代電機(jī)理論及設(shè)計(jì)方法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，研究出新型繞組的電機(jī)（又稱諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)）設(shè)計(jì)方案。主要用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通中作為動(dòng)力設(shè)備。其次是，雖然起動(dòng)電流減小了，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)降低，難以滿足生產(chǎn)需要。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)理論中的戴維南定理推導(dǎo)，適用于基波極對(duì)數(shù)為奇數(shù)、而起動(dòng)諧波極對(duì)數(shù)為偶數(shù)的諧波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。[2]此外，從交流電動(dòng)機(jī)的其本原理可知，上述定子產(chǎn)生的起動(dòng)諧波為電動(dòng)機(jī)內(nèi)部相對(duì)于基波磁場(chǎng)而言的磁場(chǎng)諧波，它感應(yīng)于定子繞組的電動(dòng)勢(shì)頻率仍為電網(wǎng)頻率，因此對(duì)電網(wǎng)絕對(duì)沒(méi)有任何污染。顯然，只允許一個(gè)三相開關(guān)接入電網(wǎng)，若兩個(gè)三相開關(guān)同時(shí)接入電網(wǎng)，則必定燒毀繞組而造成事故。多極數(shù)諧波起動(dòng)能獲得較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，并且起動(dòng)電流也較小。 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)中諧波的影響感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的氣隙中除了存在基波磁場(chǎng)之外，還有一系列高次的空間諧波磁場(chǎng)，這些諧波磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流相互作用，將會(huì)產(chǎn)生一系列諧波轉(zhuǎn)矩（亦稱為寄生轉(zhuǎn)矩），并對(duì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)帶來(lái)影響。2，177。23．雙層線圈端部軸向投影長(zhǎng) 按同類型型號(hào)電機(jī)取，小型電機(jī)按中小型電機(jī)程序公式取。[1][6]畫槽號(hào)相位表時(shí)，首先要確定所需表格每一槽行的最少小格數(shù)，其次是確定號(hào)碼連續(xù)兩個(gè)槽號(hào)在表中的位移的小格數(shù)。正規(guī)60176。正因?yàn)檫@樣，設(shè)計(jì)三波起動(dòng)電動(dòng)機(jī)定子繞組的聯(lián)結(jié)方案時(shí)，就是從主諧波下手的，利用主諧波的槽號(hào)相位表，在其下面排列出定子三相所占槽號(hào)，然后以獲得最強(qiáng)主諧波為目的進(jìn)行繞組設(shè)計(jì)。上述副諧波的負(fù)作用，使起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線下陷，嚴(yán)重時(shí)則出現(xiàn)凹坑，出現(xiàn)最小轉(zhuǎn)矩（凹坑之底）。相帶繞組。另一方面是開關(guān)太多則控制操作太復(fù)雜，大大降低其運(yùn)行的可靠性。相帶繞組每相所有的安匝數(shù)都相等。相應(yīng)地，由于計(jì)算機(jī)求得的諧波幅值都表示為基波幅值的百分?jǐn)?shù)，因此計(jì)算機(jī)求得的、產(chǎn)生的一切諧波的幅值都應(yīng)除以3，表41中所列數(shù)據(jù)已作了這種修改。=176。按常規(guī)，起動(dòng)所需主、副諧波是由大星產(chǎn)生的，因此應(yīng)直接從大星下手設(shè)計(jì)，通過(guò)眾多的方案比較，求得最佳方案。這時(shí)和對(duì)應(yīng)相的電動(dòng)勢(shì)必定滿足同相位、同大小的并聯(lián)條件，因此電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，可把大小雙星并聯(lián)地接于電網(wǎng)，它們聯(lián)合產(chǎn)生基波磁動(dòng)勢(shì)。按“串—并聯(lián)互相轉(zhuǎn)換理論”，將上述兩并聯(lián)組分別用和替換，則流入和的電流仍然分別保持原值和。當(dāng)轉(zhuǎn)速升到10極副諧波的同步轉(zhuǎn)速n=600r/min以后，10極波產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)值。這說(shuō)明無(wú)論是基波起動(dòng)還是三波起動(dòng)，轉(zhuǎn)子電流的大小和變化情況基本上是一樣的，兩者沒(méi)有什么大差別。 72槽8極電動(dòng)機(jī)定子繞組設(shè)計(jì)示例 當(dāng)前水泥廠和礦山大量應(yīng)用的球磨機(jī)、筒磨機(jī)和破碎機(jī)等一類負(fù)載普遍采用帶集電環(huán)和電刷的8極傳統(tǒng)繞線型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在獲得第一個(gè)繞組方案之后，可稍微降低主諧波幅值來(lái)獲得幾個(gè)不同繞組方案。在線圈結(jié)構(gòu)上，Y6 與Y2的線圈匝數(shù)之比應(yīng)為，即大星Y6的線圈匝數(shù)應(yīng)為小星者的1/3。由于所需的主、副諧波是6極和10極，即6/8次、10/8次諧波，都屬于大小雙星并聯(lián)時(shí)（