【正文】 機(jī)設(shè)計(jì) I 10kw 高頻交流電動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì) 摘 要 : 高頻 電機(jī)現(xiàn)正成為電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 3. 4月 18日 至 6 月 1 日： 畢業(yè)設(shè)計(jì) (1). 4 月 18 日 5月 7日 分析高頻交流電機(jī)的基本 特點(diǎn)及基本原理 (2). 5 月 8 日 5 月 20日 分析 高頻交流電機(jī)的基本方法 (3). 5 月 21 日 6月 1日 完成 高頻交流電機(jī)的電磁設(shè)計(jì) 4. 6 月 1 日至 6 月 8 日： 撰寫(xiě) 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 5. 6 月 8 日至 6 月 9 日 ：指導(dǎo)老師評(píng)閱、電子文檔上傳 FTP。 二 、進(jìn)度安排及完成時(shí)間： 1. 2 月 21 日 至 3 月 13 日：查閱資料；撰寫(xiě)文獻(xiàn)綜述和開(kāi)題報(bào)告；確定總體方案。 3. 分析 和掌握高頻 交流電動(dòng)機(jī) 的工藝 特點(diǎn) 。 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下： 1. 分析 高頻 交流電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)及基本原理 。 畢 業(yè) 論 文 題 目 ： 10kw 高頻交流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及工藝分析 系 ： 電氣與信息工程系 專業(yè) ： 電 氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí) ： 0708 學(xué)號(hào) ： 學(xué)生姓名 ： 導(dǎo)師 姓名 ： 完成日期 ： 2021年 6 月 10 日 湖南工程學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 設(shè)計(jì)（論文）題目： 10kw 高頻交流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及工藝分析 姓名 何旭峰 系別 電氣信息學(xué)院 專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班級(jí) 電氣 0708 學(xué)號(hào) 202101010829 指導(dǎo)老師 彭 曉 教研室主任 謝衛(wèi)才 一、基本任務(wù)及要求： 三相交流電動(dòng)機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域有廣泛的用途。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)要求學(xué)生熟悉及掌握該技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)，為學(xué)生今后的工作打下良好的基礎(chǔ)。 2. 掌握高頻 交流電動(dòng)機(jī) 設(shè)計(jì)的基本方法 。 4. 完成高頻 交流電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì) 。 2. 3 月 14日 至 4 月 15 日：畢業(yè)實(shí)習(xí) 、撰寫(xiě)實(shí)習(xí)報(bào)告 。 6. 6 月 10 日至 6 月 12 日：畢業(yè)設(shè)計(jì) 答辯 。其主要特點(diǎn)有兩個(gè)：一是轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)；二是 定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率。 本文 討論了高頻 異步電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù) :電磁設(shè)計(jì)問(wèn)題 。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題 。這些關(guān)鍵技術(shù)不同于普通異步電機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù) ,對(duì) 于高頻 異步電機(jī)的正常運(yùn)行和控制有重要的指導(dǎo)意義。電機(jī) 設(shè)計(jì) 。 bearing design 。 thermal design are discussed this paper. These key technologies are different from the design of standard AC motors and such technologies are very important to control and apply the high frequency induction motors better. Keywords: highfrequency asynchronous motor 。 key technology. 高頻交流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 概述 高頻 電機(jī)現(xiàn)正成為電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。由此決定了不同于普通電機(jī)的高速電機(jī)特有的關(guān)鍵技術(shù)。 高頻 電機(jī)要求轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組、無(wú)電刷和滑環(huán) ,鼠籠式異步電機(jī)、無(wú)刷直流電機(jī)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)等均適合于高速運(yùn)轉(zhuǎn)。高頻驅(qū)動(dòng)電源、高強(qiáng)度低損耗電磁材料及計(jì)算機(jī)技術(shù)的 發(fā)展使電機(jī)能高速運(yùn)行。高 頻電機(jī)已經(jīng)在渦輪機(jī)械、高速加工中心、飛輪儲(chǔ)能、電動(dòng)工具等許多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用，并且這個(gè)領(lǐng)域仍在不斷的擴(kuò)大。這些都對(duì)異步電機(jī)的特性研究提出了新的 課題，特別是高頻電機(jī)在各個(gè)行業(yè)得到應(yīng)用使得電機(jī)特性分析更加有必要。高 頻電機(jī)運(yùn)行在高頻 狀態(tài)下，無(wú)論是工作狀態(tài)還是材料性質(zhì)都發(fā)生了很大的變化，同時(shí)高 頻電機(jī)均為變頻器供 電，運(yùn)行在大量的諧波下?，F(xiàn)在對(duì)高頻電機(jī)的研究更多的集中在對(duì)高頻電機(jī)的損耗計(jì)算和溫 升分析 [1]，由于高頻 電機(jī)的供電中含有多次諧波使得鐵耗的計(jì)算更為復(fù)雜。文獻(xiàn) [3]提出考慮鐵損的異步電機(jī) 高速性能的矢量模型，為研究高 頻電機(jī)特性和設(shè)計(jì)提供了新思路．總之對(duì)電機(jī)的高速性能研究現(xiàn)在還在初級(jí)階段，還沒(méi)能找到行之有效的方法，還有很長(zhǎng)的一段路要走。所謂高 頻高速電機(jī)通常是指頻率超過(guò) 400Hz 的電機(jī)。二是可與原動(dòng)機(jī)相連，取消了傳統(tǒng)的減速機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)效率高，噪音小。 基于以上優(yōu)點(diǎn)，高頻 電機(jī)在以下各方面具有廣闊的應(yīng)用前景： （ 1） 高頻 電機(jī)在空調(diào)或冰箱的離心式壓縮機(jī)等各種場(chǎng)合得到應(yīng)用 ［ 6］ ，而隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特殊要求越來(lái)越多，它的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。 （ 3）由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的高頻 發(fā)電機(jī)體積小，具有較高的機(jī)動(dòng)性，可用于一些重要設(shè)施的備用電源，也可作為獨(dú)立電源或小型電站，彌補(bǔ)集中式供電的不足，具有重要的 實(shí)用價(jià)值。 軸承的研究也是與高頻 電機(jī)密不可分的內(nèi)容，因?yàn)槠胀ㄝS承難以承受在高速系統(tǒng)中承受長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，必須采用新材料和新結(jié)構(gòu)的軸承。 高頻 電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的離心力很大，當(dāng)線速度達(dá)到 200m/s 以上時(shí)，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，需要采用特殊的高強(qiáng)度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子。 有限元法的運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)方式簡(jiǎn)潔，規(guī)范，在求解轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題或轉(zhuǎn)子和周圍結(jié)構(gòu)一起組成的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的問(wèn)題時(shí)，有很多優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，給有限元法提供了良好的硬件技術(shù)，目前，有限元方法得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)高頻 電機(jī)的研究還不是很多，基本上限于功率較小的發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)。在額定運(yùn)行時(shí) ,轉(zhuǎn)子材料將承受很大的 切向應(yīng)力 ,所以不能采用 50Hz 供電的普通異步電機(jī)的磁性材料 ,而應(yīng)選用其他性能更好的磁性材料。高強(qiáng)度軟磁合金— 鈷鐵合金也非常適用于作高頻 異步電機(jī)的磁性材料 ,鈷鐵合金比較昂貴 ,但是經(jīng)過(guò)特殊的熱處理 ,這種材料的屈服強(qiáng)度可以達(dá)到 600mN/m2(如 49Co/ 49Fe/ 2V 合金 ) ,電磁性能較好。非晶態(tài)磁性材料也是一類研究和開(kāi) 發(fā)中的新材料 ,高飽和型非晶態(tài)軟磁材料很薄 (～ ) ,電阻率比晶態(tài)合金高 3 到 4 倍 ,具有優(yōu)良的軟磁特性 ,可取代硅鋼片作為鐵心材料 ,損耗只有硅鋼片的 1/3～ 1/6 。與硅鋼片相比 ,非晶態(tài)磁性材料的缺點(diǎn)是飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 (最大值是 2T) 和鐵心占空比系數(shù)較低 ,機(jī)械加工性差 ,在較高溫度下性能不穩(wěn)定 ,但是此種材料的高電阻率和高機(jī)械強(qiáng)度很適合 高頻電機(jī)的特點(diǎn)。 (2)定子和轉(zhuǎn)子鐵心材料可都采用軟磁合金材料 。 鼠籠式轉(zhuǎn)子的槽型和導(dǎo)條材料選擇 一般高頻 異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的鼠籠被設(shè)計(jì)成圓形閉口槽 ,以防止由于電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將導(dǎo)條拋出 ,發(fā)生危險(xiǎn)。定子電密 度 可達(dá) 16A/ mm2(普通異步 電機(jī)是 7～ 11A/mm2) ,轉(zhuǎn)子電密 度 達(dá) 20A/mm2(普通異步電機(jī)是 10～ 15A/ mm2) 。轉(zhuǎn)子端環(huán)可采用整體銅環(huán)并經(jīng)銀焊與導(dǎo)條牢固地焊在一起 ,可以進(jìn)一步減小轉(zhuǎn)子電阻降低轉(zhuǎn)子電損耗。研究表明 ,傳統(tǒng)的異步電機(jī)疊層轉(zhuǎn)子的圓周線速度最高可達(dá) 200m/s ,但是超過(guò)這一速度 ,疊層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度就不夠了 [8]。實(shí)心轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與普通電機(jī)相同。在實(shí)際運(yùn)行時(shí) ,由于集膚效應(yīng) ,轉(zhuǎn)子電流 (渦流 ) 和磁通主要集中在轉(zhuǎn)子表面較薄的滲透層內(nèi) ,其電流及磁場(chǎng)的分布情況與普通異步電機(jī)中的情況迥然不同 ,因而形成了實(shí)心轉(zhuǎn)子異步電機(jī)的特有性能。而氣隙諧波的產(chǎn)生是由于定子繞組在槽中位置的不連續(xù)性 (繞組諧波 )以及不光滑的定子表面的導(dǎo)磁率的變化(導(dǎo)磁諧波 ) 。一是盡可能減小定子槽開(kāi)口的尺寸 ,利用有限元方法研究新的定子齒形。二是采用半磁性材料去封閉定子的槽開(kāi)口 ,半磁性材料顯著地減小了槽開(kāi)口下方磁密分布的變化從而減小轉(zhuǎn)子表面的損耗。 (3)可以在實(shí)心轉(zhuǎn)子表面覆蓋一層合適的材料來(lái)減小轉(zhuǎn)子表面的損耗 ,這種做法增加了轉(zhuǎn)子的表面阻抗。一般用鋁鐵合金或純銅。 (4)為了改善實(shí)心轉(zhuǎn)子異步高頻 電機(jī)的電氣性能 ,可以在轉(zhuǎn)子表面軸向或周向開(kāi)槽。 定子槽型和繞組問(wèn)題 高頻 異步電機(jī)定子槽型的選擇和繞組線規(guī)的選擇可類似于普通異步機(jī)的設(shè)計(jì) ，對(duì)于高頻 感應(yīng)電機(jī) ,定子槽可采用半閉口槽 ,但采用較寬的槽口 ,以減小槽漏抗 ,提高運(yùn)行特性的硬度及過(guò)載能力 ,最好在三相繞組端部串聯(lián)三個(gè)溫度傳感器 (熱敏電阻 )進(jìn)行過(guò)載保護(hù) (散熱系統(tǒng)和供電系統(tǒng)故障可能引起電流過(guò)載 ) 。 高頻異步電機(jī)的參數(shù)計(jì)算 問(wèn)題 [10] 高速頻電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的內(nèi)容是計(jì)算電機(jī)參數(shù) ,通過(guò)電機(jī)參數(shù)可以計(jì)算得到高頻電機(jī)的機(jī)電特性 (如轉(zhuǎn)矩 /速度曲線 ,轉(zhuǎn)矩 /電流曲線 ,效率 /輸出功率曲線等 ) 。特別要考慮 :主磁通的飽和 。定子和轉(zhuǎn)子繞組的集膚效應(yīng)。但是文獻(xiàn) [10]研究表 明 ,一般高頻異步電機(jī)定子繞組由于線徑很小 ,對(duì)集膚效應(yīng)不很敏感 ,用直流電阻值代替交流電阻 ,對(duì)高頻異步電機(jī)的性能計(jì)算精度影響不大。 (2) 定子漏抗 Xs Xs = X1s + X1c + X1a (5) 對(duì)于高頻異步電機(jī)來(lái)說(shuō) ,定子的槽漏抗 X1s 和氣隙漏抗 X1a受磁飽和的影響 ,但受集膚效應(yīng)的影響不大 ,因此其定子的槽漏抗和氣隙漏抗的設(shè)計(jì)值可以利用普通異步電機(jī)相應(yīng)的計(jì)算公式獲得 ,但還要乘上 相應(yīng)飽和系數(shù) ,槽漏抗對(duì)應(yīng)的飽和系數(shù) Kal = 11/2 q,氣隙漏抗對(duì)應(yīng)的飽和系數(shù) Kal≈ 0. 9 ,上式中 q 表示每極每相槽數(shù)。 (3) 轉(zhuǎn)子電阻 (折算到定子側(cè) ) 一般高頻異步電機(jī)被設(shè)計(jì)成鼠籠型轉(zhuǎn)子 ,導(dǎo)條的截面積較定子導(dǎo)線截面積大得多 ,且在額定轉(zhuǎn)差率下 ,轉(zhuǎn)子的滑差頻率較高 (例如同步轉(zhuǎn)速 30000r/ min ,2 對(duì)極 ,轉(zhuǎn)差 時(shí) ,轉(zhuǎn)子的工作頻率就是 100Hz) ,因此轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的集膚效應(yīng)就不能忽略了 ,集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻增大。由于轉(zhuǎn)子的槽被閉合 ,閉口槽的齒橋高很易飽和 ,而且受到?jīng)_剪加工的影響 ,晶格受到破壞 ,因此齒橋的磁導(dǎo)率也就大大降低 ,從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子電阻和電抗的非線性特征。由以上分析可知 ,轉(zhuǎn)子電阻 (折算到定子側(cè) ) 的計(jì)算要考慮集膚效應(yīng)系數(shù) Kr 和飽和效應(yīng)。另外 ,受飽和的影響 ,轉(zhuǎn)子的實(shí)際漏抗要減小 ,將轉(zhuǎn)子閉口槽的等效開(kāi)口槽尺寸定為原閉口槽直徑尺寸的 %～ % ,用所對(duì)應(yīng)的半閉口圓形槽的計(jì)算公式 ,以此來(lái)模擬閉口圓形槽的飽和效應(yīng)。一般用下面的方法計(jì)算 : 首先計(jì)算不考慮集膚效應(yīng)的轉(zhuǎn)子直流電阻 Rrdc和轉(zhuǎn)子槽漏抗 Xrdc ,由 Xrdc/Rrdc= 2(βh) 2/3 (7) 可求得 h (等效矩形導(dǎo)條的高度 ) ,則 Kr=βh {[sin h(2βh)+sin (2βh) ]/[cosh(2βh) cos (2βh) ]} Kl=3{[sin h(2βh) sin(2βh) ]/[cos h(2βh) cos(2βh) ]}/2βh (8)其中 :β =(ω μ 0c/2ρs )1/2