第十章感应电机的电磁设计

第十章感应电机的电磁设计,10-1概述主要内容：主要尺寸与气隙的确定；定转子绕组与冲片设计；工作性能的计算；起动性能的计算；深槽式、双笼转子感应电机的设计特点。,一、我国感应电机主要系列100个系列，500多个品种，5000多个规格大型：,中型：,小型：,基本系列：Y（IP44）小型三相感应电动机J2，JO2小型三相感应感应电动机JS三相笼型转子感应电动机（中型）JR三相绕线转子感应电动机（中型）JS2，JSL2三相感应电动机（中型、低压）JR2，JRL2三相感应电动机（中型、低压）Y三相笼型转子感应电动机（大型）YR三相绕线转子感应电动机（大型）YK大型高速感应电动机,派生、专用系列：YQ高起动转矩感应电动机（小型）YH高转差率感应电动机（小型）YD变极多速感应电动机YZ起重及冶金用感应电动机YQS潜水感应电机YLB立式深井泵用感应电动机,二、感应电动机的主要性能指标和额定数据（一）主要性能指标,效率,起动电流倍数,功率因数,绕组、铁心温升,最大转矩倍数,起动过程中最小转矩,起动转矩倍数,额定电压,额定频率,额定转速,基值：,（二）额定数据,额定功率,电压：,电流：,功率：,阻抗：,转矩：,10-2主要尺寸与气隙的确定,主要尺寸和计算功率,计算功率：,额定功率：,由前推导（相量图）：,引入电势系数,设计方法：,已知，,未知，需先假定一个,值。,预估,，完成磁路参数计算后，偏差,2极小型：,经验公式估算：,非2极小型：,中型：,二、电磁负荷的选择磁化电流：,每极磁势,主要用来克服,，,决定于,，,选取方法：中小型：,大型：,可略高,三、主要尺寸比的选择对于一定的极数，定子铁心外径,与内径,存在一定比例（表10-3）,变动范围在5%左右。,四、主要尺寸的确定,1、,KNm气隙磁场波形系数，当气隙磁场正弦分布时；,计算极弧系数；,2、参考表10-2选择,值，,初步计算,五、空气隙的确定,1、影响：,2、气隙,基本上决定于定子内径、轴直径、轴承间的转子长度。,3、经验公式：小功率电机：,大、中型电机：,10-3定子绕组与铁心的设计,定子槽数的选择,1、值大小对电机的参数、附加损耗、温升、绝缘材料耗量等有影响,大,定子谐波磁场减小，,每槽导体数减少，,槽中线圈边总散热面积，利于散热,绝缘材料用量、工时，槽利用率,2、,一般感应电动机：,=（26）取整数,极数少，功率大电机：,取大些（2极取,=（69）,极数多电机：,取小些,二、定子绕组型式和节距的选择（一）单层绕组优点：槽内无层间绝缘，槽利用率高；同槽内导线同相，不会发生相间击穿；线圈总数比双层少一半，嵌线方便。缺点：不易做成短距，磁势波形较双层为差；电机导线粗时，绕组嵌放和端部整形较困难。,同心式绕组：嵌线容易，易实现机械化，,=4，6，8,二极电机；端部用铜多，一极相组中各线圈尺寸不同，制作复杂；,链式绕组：各线圈大小相同，嵌线困难，,=2的4，6，8极电机；,交叉式绕组：,可以节省端部接线，,为奇数电机。,（二）双层绕组适用于功率较大的感应电动机优点：可选择有利的节距以改善磁势、电势波形，使电机电气性能好；端部排列方便；线圈尺寸相同，便于制造。缺点：绝缘材料多，嵌线麻烦,（三）单双层绕组和Y-混合绕组1、单双层绕组：短距时，某些槽内上下层导体属于同一相，而某些槽内上下层属于不同相。把属于同相上下层导体合起来，用单层绕组代替，而不同相的仍保持原来的双层，按同心式绕组端部形状将端部连接起来。2、Y-混合绕组：把普通60相带三相绕组分成两套三相绕组；其空间相位互差30电角度，一套Y，一套；电流在时间相位上互差30。,（四）绕组节距的选择,双层绕组,正常电机：,削弱5、7次谐波,两极电机：,便于嵌线，缩短端部长度,单层绕组：一般用整距,分布系数：,短距系数：,基波绕组系数：,三、每相串联导体数、每槽导体数计算,大小影响,、,数值。,，,设计时常通过改动,来取得若干不同设计方案进行优化。,每槽导体数：,四、电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定1、电密：,大、中、小型铜线电机：,对大型电机：参考极距,的大小来选择,（热负荷）。,2、线规：,3、并联支路数：双层：条件,=整数，,单层：,小型电机：线径,根，极数少电机取较大；,大型电机：扁导线导线宽厚比,，槽口、槽宽、槽高尺寸适当；,每根导线截面积15,步骤：计算导线截面,查标准线规表选标准导线圆线直径、扁线宽厚,五、定子冲片的设计（一）槽形：半闭口槽（梨形槽、梯形槽）半开口槽开口槽,（二）槽满率：导线有规则排列所占的面积与槽有效面积之比。,（三）槽形尺寸的确定考虑因素：槽满率,齿部和轭部磁密要适当；齿部有足够机械强度，轭部有足够刚度；槽形尺寸深宽比对电机参数的影响。,1、半闭口槽假定一个齿距内的气隙磁通全部进入齿内，则定子齿宽,每极磁通经齿部后分两部分进入轭部，定子轭部计算高度,槽口宽度：,机械嵌线时，槽口还需适当放宽。,=2.5-4.0mm，比线径大1.2-1.6mm；,槽口高度：,=0.52.0mm,角：,30左右,根据估算和选用数据，作图确定尺寸，核算槽满率，必要调整,2、平行槽槽形尺寸和扁线尺寸及绝缘结构尺寸结合考虑，不须核算槽满率。,最后需核验齿部最小磁密,10-4转子绕组与铁心的设计一、笼型转子的设计计算（一）转子槽数的选择及定转子槽配合问题1、槽配合对附加损耗的影响2、槽配合对异步附加转矩的影响3、槽配合对同步附加转矩的影响4、槽配合对振动和噪声的影响5、感应电机定、转子槽配合的选择,原则：为减小附加损耗，应采用少槽近槽配合；为避免起动过程中较强的异步附加损耗，使；为避免起动过程中较强的同步附加损耗、振动和噪声，应避免（表10-7）中的槽配合。,（二）转子槽形的选择和槽形尺寸的确定1、转子槽形,铸铝转子：,平行齿,平行槽,凸形槽,刀形槽,闭口槽,双笼转子槽,梯形槽,铜条转子：半闭口平行槽,2、转子槽形尺寸的确定影响：,其中对,关系最密切,笼型转子尺寸的确定另须着重考虑起动性能的要求。对于铸铝转子，槽面积和铝条面积认为相等，先估算转子导条电流,对于中小型铸铝转子：,槽形：槽面积初定后，进一步确定尺寸,槽口部分尺寸可参考相近规格的电机来决定。,3、端环的设计端环电流：,端环面积：,端环外径：比转子外径小（38）mm（以便铸铝模定位）,端环内径：略小于转子槽底所在圆直径端环厚度：按所需截面积并考虑加工工艺要求决定,二、绕线转子的设计计算（一）转子槽数的选择为了减少噪声和振动，一般采用整数槽绕组。为了减少附加损耗，考虑转子开路电压的控制数字，槽数不宜太多，。当采用分数槽,时，宜选取,的分数槽。,（二）转子绕组的特点及设计方法1、功率较小的电机一般用圆导线一根或数根做成单层多匝绕组；转子槽形：平行齿的半闭口槽每相串联导体数：,2、功率较大电机和中型电机采用双层整距波绕组（省去极间边线，使转子易达平衡）转子槽形：半闭口的平行槽结构：每个线圈做成一匝，绕组系由半绕组元件组成，元件采用扁线弯制，仅一端预先成型；除末端外，导线全长预先绝缘，嵌线由槽一端穿入，再弯形端接，最后用头套将半绕组元件“端接”部分联接，再经焊接便成。,转子绕组：Y或,则：,核算空载转子相电势或集电环开路电压,估算,导体截面积,选线规,校验,10-5工作性能的计算,较准确型等效电路,简化电路（略去,）,校正系数：,工作性能计算：,、,、,、,、,一、定子电流,的计算,由简化可知：定转子有功分量相等定转子电流无功分量：,定子电流有功分量：,转子电流无功分量：,整理得：,求解此二次代数方程，采用近似计算法迭代法，忽略高次项,在假定效率,二、功率因数,的计算,调整方法：,若,太低：,三、效率,的计算,提高效率、减小损耗的主要措施：选用合适槽配合，设计新型绕组以降低谐波引起的附加损耗；改进加工工艺，设计高效风扇。,四、额定转差率,的计算,生产实践中，分母加上铁心中附加损耗一项，大小等于,五、最大转矩倍数,影响,最大的主要因素是：,调整,及槽形。,10-6起动性能的计算,感应电动机起动时的两个显著特点：起动电流,大，使定转子漏磁路高度饱和；,转子电流频率等于电源频率（,高很多，使导条电流产生集肤效应。,），比运行时,一、感应电动机起动时漏磁路饱和效应对漏抗的影响1、漏磁路饱和效应：起动瞬间，电机处于短路状态，定、转子电流大大增加。由于定转子绕组磁势正比于电流，所以磁势大为增加，以致漏磁路铁心高度饱和。,2、漏磁路饱和的影响：转子漏抗减小（只在槽漏抗,、谐波漏抗,和斜槽漏抗,中考虑）,3、计算：起动电流假定值：,定子每槽磁势幅值：,转子每槽磁势幅值：,根据绕组计算，忽略磁化电流，取,，则,起动时产生漏磁的定转子槽磁势平均值,式中，,近似修正前面假定,所带来的误差。,该漏磁通经过齿顶铁心和两个气隙。忽略铁心部分磁阻，则,全部落在气隙部分，则有虚拟磁密,引入起动时漏磁饱和系数,（,，越饱和，,比例越小，,）,起动时定转子谐波漏抗：,起动时斜槽漏抗：,对于漏抗的减小，等效看作是定转子槽口宽度加大计算。槽口宽度：,齿顶宽度：,漏磁路饱和引起的定转子齿顶宽度减少为：,由于齿顶宽度减小，起动时槽口比漏磁导分别减少,如：开口槽,半闭口槽,起动时定子槽比漏磁导：,定子绕组节距漏抗系数,起动时转子槽比漏磁导：,考虑集肤对比漏磁导减小系数,起动时定转子槽漏抗：,起动时定转子漏抗和总漏抗：,二、集肤效应及其对转子参数的影响1、集肤效应：槽内导体有效高度,2、,起动时考虑集肤效应的转子导条相对高度,以梯形槽为例：令转子导条高度，导条电阻等效长度，槽漏抗等效高度,若有径向通风道：,起动时总电阻：,3、充分利用集肤效应改善起动性能：双笼槽、凸形槽、刀形槽,三、起动电流和起动转矩的计算1、起动时，,可忽略不计。从等效电路看,起动电流倍数：,若,（假定值），则假定,偏小，,，低估了饱和的影响，,。再次假设时，取,，重新计算，误差不超过,2、,起动转矩倍数：,算例中：,低于标准值，进一步调整的方法,（1）减少每槽导体数，