【導(dǎo)讀】對中型高壓異步電動機的電磁設(shè)計方法進行了研究。MATLAB軟件進行電機電磁計算過程仿真的優(yōu)勢和方法。首先說明了國內(nèi)外電機制造工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r，電機的分類情況和選用方法，分析了三相異步電。動機的基本工作原理，講述了電機設(shè)計的主要任務(wù)和主要過程。好了必要理論知識的準(zhǔn)備。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。計電機有關(guān)的尺寸和參數(shù)，并核算其電磁性能?；瘞砹诵碌钠鯔C。通過電磁計算所得的電機性能指標(biāo)必須符合設(shè)計要求，否則應(yīng)。通過比較這些方案，確定出最佳的設(shè)計方案。利用計算機軟件編。寫電機設(shè)計程序進行電機的電磁計算能夠提高工作效率和設(shè)計的精確度。

　　

【正文】 其中， 1m 、 2m 為定子、轉(zhuǎn)子相數(shù)； 1N 、 2N 為定子、轉(zhuǎn)子繞組每相串聯(lián)匝數(shù)； 1dpK 、 2dpK 為定子、轉(zhuǎn)子基波繞組系數(shù)。 本次電機設(shè)計中計算得到： R1=， R2=。 主電抗計算 我們把電抗區(qū)分為主電抗和漏電抗。多相交流電機電樞電流產(chǎn)生的氣隙磁場中，有基波磁場，亦有諧波磁場。相應(yīng)于基波磁場的電抗，屬于主電抗。相應(yīng)于諧波磁場的電抗，則是整個電機的漏抗的一部分，稱為諧波漏抗。在感應(yīng)電機中，習(xí)慣上稱主電抗為勵磁電抗。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 在頻率 f 、相數(shù) m 、極數(shù) p2 一定的情況下，感應(yīng) 電機的主電抗主要與繞組每相匝數(shù) N 、基波繞組系數(shù) 1dpK 、電樞的軸向計算長度 efl 及極距與氣隙之比 ??/有關(guān)。 主電抗： mefm lpqNfX ???204? (341) 其中， efdpmqKm ??? 2 12? (342) 漏電抗計算 由于繞組電流在電機中不同位置所建立的漏磁場情況、因而其產(chǎn)生的磁鏈情況不同，繞組的漏抗通常分為：（ 1）槽漏抗，（ 2）諧波漏抗，（ 3）齒頂漏抗和（ 4）端部漏抗等四部分進行計算，然后相加得到總漏抗值。感應(yīng)電機的氣隙較小，一般不再計算齒頂漏抗。 漏抗公式可以用下式來表示： ?? ???? 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)。 一、槽漏抗計算 雙層短距繞組的槽漏抗 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 LLUUs KK ??? ?? (345) 其中， sU bh0?? 為槽口比漏磁導(dǎo)；sL bh3?? 為安放導(dǎo)體的槽下部的比漏磁導(dǎo)； 4 13 ?? ?UK 為由于短距對槽口比漏磁導(dǎo)的影響引入的節(jié)距漏抗系數(shù)；16 79 ?? ?LK 為由于短距對槽下部比漏磁導(dǎo)的影響引入的節(jié)距漏抗系數(shù)。 二、 諧波漏抗計算 ?? sqm ef????? 2 (346) 其中， 2?? ????????? ? ?dpKs 三、端部漏抗計算 對于雙層疊繞組，端部比漏磁導(dǎo) ）（ 2 ??? efE lq? (347) 對于雙層波繞組，上式中的 ? ?13? 取 2。上列公式亦同樣適用于繞線轉(zhuǎn)子繞組。表 311 中記錄了各項漏抗。 表 311 各項漏抗的計算結(jié)果 Xs1* Xδ 1* XE1* Xs2* Xδ 2* XE2* 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 工作性能的計算 在主要尺寸、氣隙以及定轉(zhuǎn)子繞組和鐵心設(shè)計好以后，就要進行工作性能的計算 和起動性能的計算，以便與設(shè)計要求中的性能指標(biāo)相比較，在此基礎(chǔ)上對前面的設(shè)計進行必要的調(diào)整。 圖 32(a)是較準(zhǔn)確的 ?形等效電路，其中參數(shù) ?1R 、 ?2R 、 ?1?X 、 ?2?X 和 ?mX 可按有關(guān)公式計算得到；勵磁電阻 ?mR 是代表定子鐵耗的等效電阻； ?21 Rss是代表總機械功率的等效電阻；校正系數(shù)???? ????mm XXZZ 111 11 ?? 。 為了方便分析，將圖 32(a)進一步簡化：在勵磁支路中略去勵磁電阻 ?mR 和 定子漏阻抗 ?1R 和 ?1?X ；近似認為 ???212 II?,便有等效電路圖 32(b)。相應(yīng)的電流相量圖也由圖 33(a)簡化為 33(b)。圖 32(b)和 33(b)便是我們進行工作性能計算所用的等效電路和相量圖。 通常三相感應(yīng)電動機工作性能的計算只需要計算額定數(shù)據(jù)，即額定電流、額定功率因數(shù)、額 定效率、額定轉(zhuǎn)差率和最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)。 圖 32 異步電動機等效電路 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 圖 33 異步電動機等效電流相量圖 一、定子電流 1I 的計算 由圖 33b 可見： 21211 ??? ?? QP III (348) 由于作了前面的簡化，定轉(zhuǎn)子電流的有功分量相等，定轉(zhuǎn)子電流的有功分量相等 [18]，定轉(zhuǎn)子無功分量的關(guān)系如下： ??? ?? mXQ III1 (349) 其中， ?XI 為額定負載時轉(zhuǎn)子電流無功分量的標(biāo)幺值，又稱滿載電流電抗標(biāo)幺值； ?mI 為額定負載時磁化電流的標(biāo)幺值，根據(jù)磁路計算的結(jié)果求出。 定子電流有功分量的標(biāo)幺值 ??? 112111 ???????????? NNNKWPP PPUm UmIII (350) 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 其中， ?— 電動機額定負載時的效率，正是我們在工作性能中要計算的一個性能指標(biāo)。在開始計算時，可以先假定一個效率值 ?? 。 轉(zhuǎn)子電流無功分量標(biāo)幺值 ? ?? ?2211211 1 PPX IXIXI ???? ?? ?? ?? (351) 其中， ??? ?? 21 ??? XXX 這樣在假設(shè)了電機的效率 ?? 以后，便可以求出 ?1I ,于是 KWIII ?? 11 (352) 二、功率因數(shù) ?cos 的計算 2121 111c o s ???????? QP PP IIIII? (353) 從上式可見，功率因數(shù)的高低與定子電流無功分量 QI1 的大小直接有關(guān)。若功率因數(shù)太低，不能滿足技術(shù)條件中規(guī)定的指標(biāo)，應(yīng)設(shè)法降低 mI （縮小定子轉(zhuǎn)子槽面積，降低各部分磁密；減小氣隙；增加每槽導(dǎo)體數(shù) 1sN ；增大 1iD ，放長 tl ）或降低 XI （增大定轉(zhuǎn)子槽寬、減小槽高以降低 ?X ） ,使它們的和 QI1 降低。 三、效率 ?的計算 感應(yīng)電機的效率寫成標(biāo)幺值便是： %10011%10011????????? ????????????? ??? ??? ? ppP pN? (354) 其中， ??p — 電動機所有的損耗標(biāo)幺值之和 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 ?????? ?????? FefwsCuCu pppppp 21 (355) 其中， ?1Cup 、 ?2Cup 、 ?sp 分別是額定負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 為空載時定子鐵耗的標(biāo)幺值，按理應(yīng)根據(jù)額定負載時定子齒部和軛部的磁密來計算鐵損耗，但因?qū)崪y鐵耗是通過空載試驗分析計算得出，考慮空載附加損耗和加工等因素的系數(shù) 1k 和 2k 也由實測鐵耗來確定，所以 eFp 用空載時定子齒部和軛部的磁密來計算。 負載時附加損耗計算比較困難，我國有關(guān)生產(chǎn)和科研部門對大量不同型號和規(guī)格的感應(yīng)電機進行了負載附加損耗的測定，得到統(tǒng)計的結(jié)果，規(guī)定在無實測值做參考時，對銅條轉(zhuǎn)子 ??sp [19]。 效率是電機 的主要性能指標(biāo)之一，近幾年來世界各國電機行業(yè)在設(shè)計和制造高效節(jié)能感應(yīng)電動機方面采取的措施除增加有效材料用量和選用優(yōu)質(zhì)材料以降低銅（鋁）損耗和鐵損耗外（有一定限度，因為材料的增加也意味著能源消耗的增加），在分析和降低附加損耗和機械損耗方面進行了不少研究，主要的措施有：選用合適的槽配合，設(shè)計新型繞組以降低諧波引起的附加損耗，改進加工工藝，設(shè)計高效風(fēng)扇等 [20]。 四、額定轉(zhuǎn)差率 Ns 的計算 感應(yīng)電機的轉(zhuǎn)差率是轉(zhuǎn)子銅（鋁）耗與電磁功率之比，寫成標(biāo) 幺值便有 ??????????? sfwCu CuemCuN ppp ppps 2 22 1 (356) 生產(chǎn)實踐中往往在式（ 366）的分母中加上鐵心中的附加損耗（空載附加損耗）一項，其大小等于全部鐵損耗減去定子齒部和軛部的基本損耗? ???? ? Fe jFe tFe ppp ，叫做旋轉(zhuǎn)鐵耗，是指由于定轉(zhuǎn)子都有齒和槽的存在，當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時便產(chǎn)生脈振損耗和表面損耗。脈振損耗和表面損耗在定子和轉(zhuǎn)子上都會產(chǎn)沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（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。 五、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù) ? ?22112 1 ???? ?? ?? ?XRR sT Nm (357) 就一般中型感應(yīng)電機而言， ??X 比 ?1R 大得多，而 ? ?Ns?1 的變化不大，因而影響最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的主要因素是漏抗 ??X ,設(shè)計中常對電磁負荷 A 和 ?B （ ??X 正比于A / ?B ）以及槽型作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以符合設(shè)計要求中提出的最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)指標(biāo)。 起動性能的 計算 三相感應(yīng)電動機的起動性能主要是指起動轉(zhuǎn)矩和起動電流對相應(yīng)額定值的倍數(shù)。我國國家標(biāo)準(zhǔn)對各種類型異步電動機的起動性能都有具體規(guī)定。繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機的起動特性隨轉(zhuǎn)子回路中串接的外部電阻的大小而不同 [21]。 起動轉(zhuǎn)矩：起動時轉(zhuǎn)差率 1?s 。 ? ? ? ?? ?2212211 22112 ??? XXRRf RpUmT st ????? ?? (358) 若要求起動時，電磁轉(zhuǎn)矩達到最大，可令式（ 25）中 1?ms ，則轉(zhuǎn)子回路電阻增加為 ?? 212 XXRR st ?????? 。 這就是說，對于繞線式異步電動機，當(dāng)轉(zhuǎn)子回路串入啟動電阻 stR ，且滿足 ?? 212 XXRR st ?????? 時，起動轉(zhuǎn)矩就等于最大電磁轉(zhuǎn)矩。 通常用起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù) stk 來描述起動性能，即Nstst TTk ? 對于一般異步電動機，~?stk 。 起動電流：當(dāng)異步電機直接投入電網(wǎng)起動時，在 t=0 時刻 n=0， s=1。異步電動機對電網(wǎng)呈現(xiàn)短路阻抗 Zk 流過它的穩(wěn)態(tài)電流稱為起動電流。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 ? ? ? ?221221 1st ?? XXRR UI ?????? (359) 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 第 4 章 用 MATLAB 進行電機設(shè)計仿真 計算機技術(shù)在電機設(shè)計中的應(yīng)用與發(fā)展 在電機設(shè)計中應(yīng)用電子 計算機是從 50 年代開始的，至今仍在進行廣泛的研究和探索。利用計算機進行電機設(shè)計的程序可以分成“設(shè)計分析”、“設(shè)計綜合”和“設(shè)計優(yōu)化”三種類型 [22]。 “設(shè)計分析”程序是按設(shè)計人員事先估計好的若干設(shè)計參量，依一定程序步驟來計算產(chǎn)品的性能，相當(dāng)于通常的設(shè)計核算。計算機僅用來對設(shè)計方案進行計算分析，而對計算結(jié)果的評價以及設(shè)計方案的調(diào)整仍需由設(shè)計者決定。但設(shè)計分析程序仍是十分重要的，它是設(shè)計綜合和設(shè)計優(yōu)化的基礎(chǔ)。 “設(shè)計綜合”程序是根據(jù)已知的性能要求，決定電機各設(shè)計參量的程序。它與“設(shè)計分析”的區(qū)別主要是：它可在 規(guī)定的產(chǎn)品性能和技術(shù)條件下，自動選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，從而得出可行的設(shè)計方案。不難看出，“設(shè)計綜合”程序?qū)嵸|(zhì)上就是自動修改并重復(fù)分析設(shè)計，最終得到適合給定要求的設(shè)計方案的程序。在使用設(shè)計分析程序時，設(shè)計人員必須花一定時間去分析各個方案的計算結(jié)果，然后人為地調(diào)整某些設(shè)計數(shù)據(jù)，為下一次計算做準(zhǔn)備，經(jīng)過多次反復(fù)后才能得到滿意的設(shè)計方案。而在設(shè)計綜合程序中，這些過程都在計算機內(nèi)自動地進行，因此大大地縮短了設(shè)計時間。要得到一個較典型的、通用性較強的設(shè)計綜合程序并不是輕而易舉的，因此從 60 年代就已開始發(fā)展的這類 程序，至今仍在不斷完善之中。 “設(shè)計優(yōu)化”程序是對設(shè)計問題提出明顯的數(shù)學(xué)模型，然后依據(jù)現(xiàn)代數(shù)學(xué)的尋優(yōu)理論并采用優(yōu)化方法，自動得到較優(yōu)或最優(yōu)方案的程序。這是近 10 年來才開始在實際問題中應(yīng)用且仍在進行多方面探索的一種程序。目前，生產(chǎn)部門較多使用的是“設(shè)計分析”；但它與“設(shè)計綜合”已經(jīng)不能截然分開。 應(yīng)用電子計算機設(shè)計電機大致可分為以下幾個步驟：選定目標(biāo)、數(shù)學(xué)描述、數(shù)值處理、編制程序、整理輸入數(shù)據(jù)、校驗程序和輸出結(jié)果分析。對于優(yōu)化設(shè)計程序，首要的是明確優(yōu)化目標(biāo)，其次是選定優(yōu)化方法。對于綜合設(shè)計程序則必須確定以哪 些參數(shù)作為主要變量，其變化范圍以及性能的合格標(biāo)準(zhǔn)和容差。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 無論是那一種類型的設(shè)計程序，計算過程中都不可避免地要出現(xiàn)按湊試法進行疊代運算的情況，如中小型異步電動機電磁設(shè)計中的滿載電勢系數(shù)、磁路飽和系數(shù)、效率、起動電流等。為了使一個多重循環(huán)的程序更為合適、簡練，在編制程序時不僅需要慎重考慮設(shè)計的邏輯性，而且應(yīng)比較準(zhǔn)確地確定疊代初值（即假定的初值）、疊代方法（即恰當(dāng)?shù)卮_定假定值的再設(shè)值）以及疊代的收斂條件（即提出合理的設(shè)計精度等）。 本次設(shè)計的異步電機電磁計算程序?qū)⑹褂?MATLAB 語言。 應(yīng)用 MAT