【文章內(nèi)容簡介】 ration characteristics, designed for the motor to make the necessary preparations for the theory. It put forward the end of the optimized design, and gives the theoretical analysis which is about the direction of research. Keyword: Threephase asynchronous motor。 design。 electromagic parameters。 performance。 optimization program 1 前 言 電動機是作為使用電能的動力源進步和發(fā)展起來的，在今天，電動機技術(shù)仍然是支撐人們?nèi)粘Ｉ畹年P(guān)鍵技術(shù)。電動技術(shù)機械設(shè)備的關(guān)鍵組成部分。 三相異步電動機又稱為三相感應(yīng)電動機，感應(yīng)電動機是基于氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的一 種交流電動機。由于轉(zhuǎn)子繞組電流是感應(yīng)產(chǎn)生的，因此稱為感應(yīng)電動機。感應(yīng)電動機與其它電動機相比，具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用和維護方便，運行可靠及重量輕成本低等優(yōu)點。此外感應(yīng)電動機還還便于派生各防護型式以使用不同環(huán)境條件的需要，也有較高的效率和較好的工作特性。由于感應(yīng)電動機具有上述許多優(yōu)點，它是電動機領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種電動機。例如 :中小型軋鋼設(shè)備 ,礦山機械 ,機床 ,起重運輸機械 ,鼓風機 ,水泵 ,和農(nóng)副產(chǎn)品加工機械等都大部分采用三相異步電動機來拖動。 2 第 1 章 概 述 我國電機制造工業(yè)發(fā)展近況與發(fā)展趨勢 隨著我國改革開放的進一步深入以及 WTO 的加入，我國小功率電機又迎來了一個全新的發(fā)展階段，這一階段大量的外資企業(yè)進入我國，在為我們帶來先進的管理經(jīng)驗的同時也帶來了先進的技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備。國內(nèi)企業(yè)借機吸收引進國外先進的技術(shù)，投入大量資金進行技術(shù)改造，引進不少先進制造設(shè)備和測試設(shè)備，大大提升了國內(nèi)小功率電機行業(yè)的技術(shù)水平。 隨著 CAD/CAM 等軟件進行計算機輔助設(shè)計、輔助制造技術(shù)的大量應(yīng)用以及以計算機控制的柔性制造系統(tǒng)、主體倉庫、機器人進行裝配等的組合，由計算機控制材料、部件的供應(yīng)管理達到全廠高效率、高質(zhì)量的全自 動化均衡生產(chǎn)的實現(xiàn)，產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期大大縮短，制造成本顯著降低；電子計算機和電力電子技術(shù)的發(fā)展使小功率電機產(chǎn)品進入了一個新時期，交流變頻調(diào)速已經(jīng)逐步取代直流電機調(diào)速，逆變器與異步電機結(jié)合一體，有標準的電機安裝尺寸、調(diào)速比 10∶ 1的逆變器電動機已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)，有程序控制功能的智能電動機、開關(guān)磁阻電動機等已經(jīng)應(yīng)用于各個領(lǐng)域，顯示出顯著的技術(shù)優(yōu)勢，無刷直流電動機、盤式永磁直流電動機、薄型穩(wěn)速電動機等產(chǎn)品也以較高速度發(fā)展；再加上新型稀土磁鋼的使用，使小功率電機本機制作體積越來越??；再則電機與整體結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)的引入進一步縮小了體積，簡化了結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)精度和可靠性，集電子技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)于一體的小功率電機不僅可實現(xiàn)多功能，而且可借助計算機記憶、運算、處理功能提高電機控制精度和靈敏度，成為智能化產(chǎn)品。所有這些新材料、新技術(shù)的應(yīng)用都不斷促使小功率電機日益朝著薄型化、智能化和機電一體化方向發(fā)展。 據(jù)統(tǒng)計，我國電機耗電占全國耗電量的 60%以上，其中小型三相異步電機耗電約占 35%， 中國各類電動機的裝機容量已超過 4 億 kW，其中異步電動機約占90%，中小型電動機約占 80%，拖動風機水泵及壓縮機類機械的電動 機約 億kW。 所以在我國開發(fā)推廣高效電機是提高能源利用率的重要措施之一，也符合國際發(fā)展趨勢。 我國目前已具備了生產(chǎn)高效電機的技術(shù)條件，但由于市場條件不夠成熟，產(chǎn)量和市場容量都較小。 1999 年高效電機國內(nèi)市場占有率僅 2%， 2020 年為%； 2020 年也只有 %，其中 70%以上為出口。 3 異步電機的種類 ： (1) Y(IP44)系列異步電動機 電 動機容量從 ～ 200kW， B級絕緣，防護等級 IP44，達到國際電工委員會 (IEC)標準，產(chǎn)品達到 20 世紀 70 年代末國際水平，全系列加 權(quán)平均效率比 JO2 系列提高 %，年產(chǎn)量約 2020 萬 kW。 (2) Yx 系列高效電動 該類電機由上海電器科學研究所組織電機行業(yè)研制成功，容量 ～ 90kW，有 2， 4， 6 等 3 種極數(shù)。全系列電動機效率平均比 Y(IP44)系列高 3%左右，接近國際先進水平。適用于單方向運行，年工作時間在 3000h 以上。負載率大于50%的場合，節(jié)電效果顯著。該系列電動機產(chǎn)量不高，年產(chǎn)量約 1萬 kW。 近十多年來， 國家 致力于推廣電動機調(diào)速技術(shù)，各行各業(yè)都在一定程度上采用了電動機調(diào)速。據(jù)石油、電力、建材、鋼鐵、有色、煤炭、 化工、造紙、紡織等部門最近對企業(yè)抽樣調(diào)查結(jié)果，石油、建材、化工行業(yè)電動機調(diào)速應(yīng)用較好。在目前 4 億 kW的電機負載中，約有 50%是負載變動的，其中的 30%可以通過電機調(diào)速解決其負載變動問題。因此僅就目前的市場容量考慮，約有 6000萬 kW 的調(diào)速電機市場。 國 家已明令不再生產(chǎn) JO2 系列異步電機， “ 九五 ” 期間將生產(chǎn) Y系列、 Yx系列及其它通用或?qū)Ｓ酶咝Ч?jié)能電動機約 kW(未包括更換現(xiàn)有 JO2 型用的新型電動機 )。估計 2020 年和 2020 年 Y和 Yx系列電機的市場占有率將分別達到50%， 90%和 10%， 30%左右。由高 效電機替代 JO2 電機所形成的節(jié)電量將分別為，114 億 kWh 和 366 億 kWh 。 異步電機在國外的發(fā)展狀況 歐洲市場的中國電機銷售主要以小型電機為主，功率最大是 100 多千瓦，最小功率甚至還不到 1千瓦，而大型電機還是一個空缺。 歐洲市場對電機效率的標準要求高于西亞，東南亞而低于美國，不但適合于我國企業(yè)生產(chǎn)和出口，而且在合理和有序開發(fā)的前提下還能保證出口企業(yè)獲得適當?shù)睦麧?，同時該市場多以歐元結(jié)算，在目前歐元堅挺的情況下應(yīng)該是出口企業(yè)首選的開發(fā)目標。 取得了一定的成效。這些節(jié)能產(chǎn)品主要分成 兩大類：一類是提高電動機效率的高效電動機，另一類是調(diào)速電動機。調(diào)速電動機的代表產(chǎn)品根據(jù)其調(diào)速方式可以劃分為： 4 (1) 變極調(diào)速電機 主要產(chǎn)品有已批量生產(chǎn)的 YD(～ 160kW)， YDT(～ 160kW)，YDB(～ 82kW)， YD(～ 24kW)， YDFW(630～ 4000kW)等 8 個系列產(chǎn)品，達到國際平均應(yīng)用水平。 (2) 電磁滑差調(diào)速電機 國 外 已批量生產(chǎn) YCT(～ 90kW)， YCT2(15～ 250kW)， YCTD(～ 90kW)，YCTE(～ 630kW)， YCTJ(～ 15kW)等 8個系列產(chǎn)品，達到國際平均應(yīng)用水平，其中 YCTE 系列的技術(shù)水平最高，最有發(fā)展前途。 (3) 變頻調(diào)速電機 主要用于風機、水泵、壓縮機等負載變化較大場合和精密機械等需要過程控制的場合。 高效電機 以 Y系列交流異步電動機替代 JO2型電機基本不受機型限制，因此，所有應(yīng)用交流異步電動機的場合都可以用 Y 系列電機取代 JO2系列電機。Yx 系列電機的市場潛力受到其容量的制約。原則上， 90kW 以下的交流異步電動機可以由 Yx 系列的高效電機取代。 90kW 以下的交流異步 電動機裝機容量約占交流異步電動機總量的 30%左右。 電機的分類 電機是以磁場為媒介進行電能與機械能相互轉(zhuǎn)換的電力機械。 電機在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。需要的電機的種類各不相同，性能各異。電機的分類方法也用很多，故電機的種類也有很多。 1）按工作電源分類： 根據(jù)電動機工作電源的不同，可分為直流電動機和交流電動機。 2）按結(jié)構(gòu)及工作原理分類： 根據(jù)電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理的不同，可分為直流電動機，異步電動機和同步電動機。直流電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無刷直流電動機和有刷直流電動機。 3)按轉(zhuǎn)子的結(jié) 構(gòu)分類： 根據(jù)電動機按轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)不同，可分為籠型感應(yīng)電動機和繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機。 4)按用途分類： 可分為驅(qū)動用電動機和控制用電動機。 我國目前生產(chǎn)的三相異步電動機月 100 個系列額， 500多個品種， 500 多個規(guī)格。按電機尺寸分成大、中、小型。 5 大型：中心高 H ,定子鐵心外徑 iD 1m,功率范圍在 400KW 以上，電壓為 300 V 和 600 V。 中型：中心高 H =(—— )m,定子鐵心外徑 iD =（ —— ） m,功率范圍在（ 45—— 1250） KW以上，電壓為 380 V 和 3000 V 和 6000 V。 小型：中心高 H =(—— )m,定子鐵心外徑 iD =（ —— ） m,功率范圍在（ —— 132） KW 以上，電壓為 380 V。 Y（ IP44）系列的中心高 H =(—— )m,定子鐵心外徑 iD =（ —— ） m，共 11 個機座，功率范圍為（ —— 90） KW， 電壓 380V。 三相異步電動機的結(jié)構(gòu)和原理 三相異步電動機由兩個基本部分構(gòu)成：固定部分 — 定子和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子按其結(jié)構(gòu)可分為鼠籠型和繞線型兩種。 定子由定子鐵心、機座、定子繞組等部分組成，定子鐵心是異步電動機磁路的一部分，一般由 毫米厚的硅鋼片疊壓而成，用壓圈及扣片固緊，各片之間相互絕緣，以減少渦流損耗。 定子繞組是由帶有絕緣的鋁導線或銅導線繞制而成的，小型電機采用散下線圈或稱軟繞組，大中型電機采用成型線圈，又稱為硬繞組。 圖 1 定子鐵心 轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)軸和風扇等部分組成，轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心一樣，也是由 毫米硅鋼片疊壓而成。鼠籠型轉(zhuǎn)子的繞組是由安放在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)的裸導條和兩端的環(huán)形端環(huán)連接而成，如果去掉轉(zhuǎn)子鐵心，繞組 6 的形狀象一個籠子；繞線型轉(zhuǎn)子的繞組與定子繞組相似，做成三相繞組，在內(nèi)部星型或三角型。 圖 2 鼠籠轉(zhuǎn)子 工作原理 當定子繞組接至三相對稱電源時，流入定子繞組的三相對稱電流，在氣隙內(nèi)產(chǎn)生一個以同步轉(zhuǎn)速 n1旋轉(zhuǎn)的定子旋轉(zhuǎn)磁場，設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向為 逆時針，當旋轉(zhuǎn)磁場的磁力線切割轉(zhuǎn)子導體時，將在導體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 e2，電動勢的方向根據(jù)右手定則確定。 N 極下的電動勢方向用 ? 表示， S極下的電動勢用 ? 表示，轉(zhuǎn)子電流的有功分量 i2a與 e2同相位，所以 ??和 既表示電動勢的方向，又表示電流有功分量的方向。轉(zhuǎn)子電流有功分量與氣隙旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力 fem,根據(jù)左手定則，在 N 極下的所有電流方向為 ? 的導體和在 S 極下所有電流流向為 ? 的導體均產(chǎn)生沿著逆時針方向的切向電磁力 fem,在該電磁力作用下，使轉(zhuǎn)子受到了逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩 Mem 的驅(qū)動作用，轉(zhuǎn)子將沿著旋轉(zhuǎn)磁場相同的方向轉(zhuǎn)動。驅(qū)動轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子軸端拖動的生產(chǎn)機械的制動轉(zhuǎn)矩相平衡，轉(zhuǎn)子將以恒速 n拖動生產(chǎn)機械穩(wěn)定運行，從而實現(xiàn)了電能與機械能之間的能量轉(zhuǎn)換，這就是異步電動機的基本工作原理。 異步電動機存在的缺點 （ 1）起動轉(zhuǎn)矩不大，難以滿足帶負載起動的需要。當前社會上解決該問題的多數(shù)辦法是提高電動機的功率容量（即增容）來提高其起動轉(zhuǎn)矩，這就造成嚴重的“大馬拉小車”，既增加購買設(shè)備的投資，又在長期的應(yīng)用中因處于低負荷運行而浪費大量電量，很不經(jīng)濟。第二種辦法是增購液力偶合器，先讓電動機空載起動，在由液力偶合器驅(qū)動負載。這種辦法同樣要增加添購設(shè)備的投資，并因液 7 力偶合器的效率低于 97%，因此至少浪費 3%的電能，因而整個驅(qū)動裝置的效率很低，同樣浪費電量，更何況添加液力偶合器之后，機組的運行可靠性大大下降，顯著增加維護困難，因 此不是一個好辦法。 （ 2）大轉(zhuǎn)矩不大，用于驅(qū)動經(jīng)常出現(xiàn)短時過負荷的負載，如礦山所用破碎機等時，往往停轉(zhuǎn)而燒壞電動機。以致只能在輕載狀況下運行，既降低了產(chǎn)量又浪費電能。 （ 3）起動電流很大，增加了所需供電變壓器的容量，從而增加大量投資。另一辦法是采用降壓起動來降低起動電流，同樣要增加添購降壓裝置的投資，并且使本來就不好的起動特性進一步惡化。 繞線性感應(yīng)電動機正常運行時，三相繞組通過集電環(huán)短路。起動時，為減小起動電流，轉(zhuǎn)子中可以串入起動電阻，轉(zhuǎn)子串入適當?shù)碾娮?，不僅可以減小起動電流 ，而且由于轉(zhuǎn)子功率因數(shù)和轉(zhuǎn)子電流有功分量增大，起動轉(zhuǎn)矩也可增大。這種電動機還可通過改變外串電阻調(diào)速。繞線型電動機雖起動特性和運行特性兼優(yōu)，但仍存在下列缺點： （ 1）由于轉(zhuǎn)子上有集電環(huán)和電刷，不僅增加制造成本，并且降低了起動和運行的可靠性，集電環(huán)和電刷之間的滑動接觸，是這種電動機發(fā)生故障的主要原因。特別是集電環(huán)與電刷之間會產(chǎn)生火花，使傳統(tǒng)繞線型電動機在礦山、井下、石油、華工等防爆要求的場所，對于灰土、粉塵濃度很高的地方，也不敢使用，這就限制了其應(yīng)用范圍。 （ 2）當前的傳統(tǒng)繞線型電動機為了提高可靠性，多數(shù)不提刷 ，因此運行時存在下列電能浪費：集電環(huán)和電刷間的摩擦損耗和接觸電阻上的電損耗，電刷至控制柜短路開關(guān)間三根電纜的電損耗，若電動機與控制柜之間距離很長，則該損耗將非常嚴重。并且由于