三相电机设计

第一章 绪 论中型三相异步电动机在机械制造、矿山、冶金、电力等行业，作为各设备的拖动工具应用的非常广泛，生产高压电机的企业也相当的多，产量也较大。异步电动机消耗的能源所占电力的比例最高。本文以一个机座号的一个极数简要地介绍在设计异步电动机的四个计算步骤，磁路计算、参数计算、损耗和运行性能的计算、起动性能计算。在这四个计算中，电磁感应定律贯穿整个全过程。在中型高压电机的电磁设计过程中，现在的企业大多采用的电磁计算的核算程序，通过计算机进行计算，对于数据调整实际采用试探法。这就要求电机设计人员要对电机设计四个步骤的计算内容有很好的理论理解，要清楚参数之间的相互关系，以便在电磁计算过程中对于性能不合适的地方确定调整方向。电机的电磁程序虽然各企业的编制都不一样，在大致的所使用方法还是基本相同，就计算机应用的电磁程序编制过程中经常用到的一些常用方法和一些原始的计算公式，尤其电机需迭代的四个参数饱和系数KT、电势系数KE、效率、起动电流倍数在整个电磁计算过程中形成四个循环，但又互相影响，它们初值取的好坏以及控制的计算精度直接影响着计算的速度和计算的准确度。三相异步电动机的设计中，在磁密取值即不能不饱和又不能过饱和，定转子电密高低直接影响着电机的温升、效率、电机使用铜铝材料等。电机在保证性能参数的方案可以为多铁方案（铁心长）也可以为多铜方案（多匝数，短铁心方案），在电机设计过程中要在保证电机力能指标，又要在温升允许的情况下，进行多方案比较，以节约原材料为优化方向，尽可能降低电机成本。第二章 电机设计理论本次的设计题目就是我公司下达的设计项目，本次设计它所依据的主要理论是三相异步电动机的原理及试验以及三相异步电动机的计算程序，将手算程序改编成计算机程序来进行本次设计项目Y560 IP23 6kV 10P电机的三个规格、710kW、800kW、900kW进行电磁计算，以确定参数，计算的目的是要保证电机的力能指标满足JB/T7593-94的标准规定，根据电磁计算结果来设计绘制出工作图满足生产需要。2.1 电机设计的理论分析以及主要的计算公式2.1.1 电机的磁路计算。异步电机的磁路计算通常是从等效电路出发，求出电机的空载电流或其主要组成部分磁化电流、各种参数和损耗。磁路计算的主要目的是为了求出磁化电流，同时要校核电机磁路系统的尺寸，如电机的齿部和轭部的磁路不过分饱和以影响电机性能，又是电机的齿部和轭部太不饱和，造成电机的原材料的增加，以使电机的生产成本上升。电机的磁路计算还要给电机的性能计算提供数据。由于电机的磁路计算是对称的，所以只计算一对磁极的磁路就可以了，又由于一对极的磁路对称于中心线，我们可以进行一个极的磁路计算，就是求出一个极磁路各段磁路所需磁势之和即： (2-1)-空气隙所需磁势；-定子齿所需磁势；-转子齿所需磁势；-定子轭所需磁势；-转子轭所需磁势；电机的磁路计算就是分别对上述磁路进行计算，以确定定转子冲片槽形尺寸是否合适，铁心的长度是否满足要求。计算采用的步骤如下：（1） 根据定子每相电势E1，求出每极磁通；（2） 确定通过各段磁路的磁通x；（3） 根据电机尺寸确定各段磁路的截面积Sx 和磁密Bx;（4） 由Bx和选用的材料查取磁场强度Hx;（5） 确定各段磁路的长度Lx;（6） 由Fx=Hx*Lx，将各段磁路的磁势相加就可得出一个极所需磁势F，如果电机绕组的匝数已知，那么磁化电流的大小便可求出。电机在设计时，一般电机的力能指标在相关的标准上都已给出，作为电机的重要组成部定转子铁心的长度，定转子冲片的内径，外径一般情况下都是参考已有的同功率同级数的电机来取，如Y系列电机可参考JS系列电机等，或别的厂家来取，定转子冲片的槽形尺寸的初步确定的方法在后有介绍。2.1.2 空气隙的磁路计算在各段磁路计算前，首先必需计算每极磁通，由电机学定子绕组电压平衡关系可得知，产生与额定电压U1相平衡的满载电势E1； (2-2)于是可得到产生满载电势E1所需的磁通 (2-3)在上述计算中，f为给定的频率，我们国家使用的电机，就是给定的电网频率50Hz，或按用户要求的用电频率。E1可以用额定电压U1乘以满载电势降系数（1-L），其中电势系数是表示定子电流在定子绕组及漏抗中产生的电压降所占额定电压的比值，在计算时可先假定一个数，一般取值在0.850.95之间，在功率大者和极数少者取较大值。在以后的计算中算出一个（1-L）值，计算值应和假定值相符（一般相差正负1%），若不相符，则要重新假定重新计算。在计算出磁通后，就可以计算出气隙磁密B (2-4)对于不饱和电机，气隙磁密分布为正弦分布，对于饱和电机磁密分布的波形不在为正弦，而变为平顶形，则KS1称作气隙系数，它是与定转子槽口深度和宽度以及电机气隙的大小有关，本次电机是高压大功率电机，用的是成型绕组，所以只能用开口槽，转子采用铜条转子，选用半闭口槽。气隙系数的计算公式 (2-8)t-齿距b0-槽口宽2.1.3 齿部和轭部所需磁势齿部和轭部所需磁势相比气隙所需磁势地位次之，但它对电机的漏抗影响较大，如果计算不准确，将对电机的性能的计算的准确度有较大的影响，电机定转子齿部和轭部的磁密取的过高会造成电机的铁耗增加，使得电机的温升过高，同时还可造成电机的效率下降。因此对于电机定转子铁心的齿部和轭部的磁势计算必须有足够的准确度。电机齿部所需磁势的计算与气隙所需的磁势的计算相类似，也是有每极的磁通除以齿部所需的面积。 (2-9)ST是一个极的齿部截面积，定转子齿部截面积计算如下： (2-10) (2-11)LFE 、QP1 、QP2 分别为定子铁心定长，定转子每极每相槽数。BT1、BT2 分别为定转子的齿宽，由于本次电机所取的槽形为非平形槽，在计算时取靠近最窄的三分之一处的齿宽进行计算。定转子轭部不同截面上的磁密是不相等的，大体上是在磁极的中心线气隙磁密最大处轭部磁密为零，而在极间中心线的截面上，轭部磁密最高，因为磁通经过齿部后分两路进入轭部，所以轭部磁通仅为齿部磁通的一半，所以轭部的磁密计算为： (2-12) (2-13)与气隙磁势计算相类似，由计算得到的磁密查相对应材料的磁化曲线得到相应的磁场强度，由磁场强度乘以齿部和轭部相对应的磁路长度,就得到了齿部和轭部所需的磁势。在计算轭部所需的磁势时注意，因为轭部磁通沿轭部的磁路分布是不均匀的，因此轭部的磁密在整个轭部的磁路上分布是不均匀的，为了计算上的简化，在计算轭部所需磁势时要乘上一个小于1的轭部磁路较下第系数C。在计算出气隙、定转子齿部和轭部所需的磁势后就可以计算出电机每极磁路所需的总磁势F (2-14)计算出每极磁路所需的总磁势后，就可得到相应的满载磁化电流的计算： (2-15)激磁电抗 (2-16)2.2三相异步电动机的参数计算异步电动机的参数计算主要是定子绕组的电阻，转子绕组的电阻，定子绕组漏抗，转子绕组漏抗，激磁电抗五个参数的计算，这五个参数为电机的运行性能和损耗的计算提供数据依据。2.2.1定子绕组和转子绕组的电阻计算电阻的计算与金属导条的电阻计算相同。定子电阻 (2-17) 式中lz-定子线圈平均半匝长 a1-并联支路数S1-导线截面积 N1-导线并绕根数转子电阻包括导条电阻和端环电阻，然后再折算到定子侧。导条电阻 (2-18)端环电阻 (2-19)端环电阻首先折算到转子导条电阻，再折算到定子电阻，导条电阻折算到定子电阻，将导条电阻和端环电阻相加就为转子折算到定子边的电阻。2.2.2定转子绕组的电抗计算定子漏抗包括定子槽漏抗、定子谐波漏抗、定子端部漏抗。转子漏抗有转子槽漏抗、转子谐波漏抗，转子端部漏抗，由于是直槽转子，所以不计算转子斜槽漏抗。在上述漏抗的计算中，它们都有一个共同部分，称为漏抗系数CX (2-19)漏抗系数集中地反映了电磁负荷对漏抗大小的影响，漏抗系数正比于线负荷A，反比与磁负荷B，由此可以看出，电磁负荷的选择对电机的漏抗影响致关重要，漏抗的大小直接影响电机的功率因数，最大转矩，起动转矩，起动电流等性能指标。定子槽漏抗的计算定子槽漏抗的计算分为槽口漏抗的计算和槽内漏抗的计算，在槽漏抗的计算中把与定子槽形有关的部分归结为槽单位漏磁导s1，槽单位漏磁导又分为槽口单位漏磁导和槽内单位漏磁导，把叫槽口单位漏磁导；令叫槽内部分单位漏磁导，由上可以看出，槽单位漏磁导是一个与槽几何形状和尺寸有关的一个没有单位的量。对于相同槽面积来说，槽形深而窄的比浅而宽的槽内单位漏磁导要大，因而漏抗也大，对于不同的槽形来说有不同的槽口漏磁导和槽内单位漏磁导。在大功率电机设计中，电机的绕组一般都设计为短矩以为消除谐波，在电机定子槽中的上下两层线圈有的不属于同一相，这时与属于同一相的相比，槽内的总电流减少了，磁势减小了，槽漏磁通少了，因而漏抗也小了，把漏抗的减少归结为槽单位漏磁导的减少，给槽口漏磁导乘以系数KU1，给槽内单位漏磁导乘以系数KL1，这两个系数的多少与节距比有关，可以查相关的资料。 (2-20)定子每相绕组有p*q个槽导体组成，如并联支路数为a1,则定子每相绕组的漏电抗为 (2-21)槽漏抗标么值 (2-22)l1-定子铁心长 l-定子铁心有效长 m1-相数为3定子谐波漏电抗的计算定子绕组通以三相电流时，除了产生基波旋转磁势外，还产生一定谐波磁势，这些谐波磁通虽然也通过气隙进入转子，但不会产生有用的转矩，所以把它作为漏磁通处理，其相应的漏抗称为谐波漏抗。其表达式为： (2-23)定子端部漏电抗计算定子端部漏电抗与定子绕组形式和端部结构有关，本次设计为双层叠绕组，其漏抗的经验计算公式为： (2-24)则定子总漏抗： （2-25）总得来说，漏抗一般与绕组的匝数平方成正比，绕组的端部越长，漏抗也就越大。转子漏电抗的计算与定子漏电抗的计算基本相同，也分为槽漏电抗，转子谐波漏电抗，转子端部漏电抗。转子槽漏电抗 （2-26）（转子槽单位漏磁导，也是由转子槽口单位漏磁导和槽内单位漏磁导相加）转子端部漏电抗 （2-27）转子谐波漏抗 （转子谐波漏磁导） （2-28）因为转子采用直槽，所以没有斜槽漏电抗转子漏电抗： （2-29）总漏电抗： （2-30）2.3三相导步电机的损耗和性能计算电机的损耗分为定子铜损耗、转子铝（铜）损耗、铁损耗、机械损耗、杂散损耗，通过各部分的损耗计算可以计算出电机运行的效率，同时也可以分析电机温升高主要是由哪部分损耗引起来的，可以为电机的设计调整数据提供依据。2.3.1定转铜（铝）损耗：定转子铜（铝）损耗是由定转子电流流过定转子绕组时，由于定转子绕组有电阻引起的，这部分消耗在定转子绕阻上的功率最后都产生了热量，是定子升温的一个主要的热源。定子铜损： （2-31）其标么值： （2-32）同理转子损耗标么值 (2-33)2.3.2 铁损耗铁损耗分为基本铁损耗和旋转铁损耗，基本铁损耗主要由涡流损耗和磁滞损耗，旋转铁损耗由脉振损耗和表面损耗。电机的损耗计算中，只计算基本铁损耗，而旋转铁损耗一般不计算，在计算总铁损耗时在基本铁损耗的基础上乘以一个经验系数。基本铁损耗主要为定子齿损耗，定子轭损耗。定子齿损耗： (2-34)定子轭损耗： (2-35)VT1 、 Vc1 为定子铁心的齿部体积和轭部体积，PT1、PC1分别为所使用的导磁铁心材料的齿部和轭部的单位损耗。电机总铁损耗 其中k1、 k2 就是考虑到旋转铁损耗乘以一个经验系数。对于半闭口槽 中k1=2.5, k2=2 ,对于开口槽 k1=3.0 ,k2=2.5。2.3.3机械损耗机械损耗包括轴承磨擦损耗、转子和空气的磨擦损耗、以及通风损耗，机械损耗很难用公式准确计算出，一般都是参照输出功率、转速结构形式等。根据我们的设计经验，对中型电机机械损耗一般取额定输出功率的0.015倍。2.3.4 杂散损耗异步电机的杂散损耗又称为附加损耗，是电机除了上述以外的其它所有损耗，包括负载时有高次谐波磁势在定转子绕组中引起的脉振损耗、表面损耗，脉振损和表面损耗主要发生在转子。高次谐波引起的损耗与定转子槽口尺寸和定转子的槽配合关系较大。由于异步电机的漏磁场的产生，在负载情况下，漏磁通穿过导线、铁心等电机部件，在其中形成涡流造成能量的损失，形成涡流损耗，另外由于鼠笼转子的导条与转子铁心接触，从而形成横向电流，产生横向电流损耗，所有这此损耗都归结为杂散损耗，因为这些损耗很难通过理论进行计算，通常都是采用参考相似结构相近规格的电机的杂散损耗实测值估算，根据我们的经验，对于杂散损耗一般对铜转子取输出额定功率的0.005倍，对于铸铝转子一般取输出额定功率的0.010.03倍。2.3.5 运行性能计算电动机在运行性中主要考察的是电机的效率,功率因数,额定转差率,额定转数,最大转矩的倍数,电机的这些性能设计的优劣直接影响电机在使用过程中的能耗、力能批标。电机效率的计算：电动机的效率就是输出功率与输入功率的比值，输出功率等于输入功率减去所有电机损耗，具体计算功式 (2-36)电机损耗包括电机定转子的铜（铝）损耗，铁损耗、机械损耗、杂散损耗。功率因数计算：电机功率因数是电动机从电网吸收的有功功率与视在功率的比值。 (2-37)因为： 所以： （2-38）定子电流分有功电流和无功电流 ，无功电流又分为磁化电流和电抗电流，。其中 （2-39） （2-40）从上可以看出，功率因数与无功电流关系校大，而无功电流与电磁负荷的选择有关，因此如果功率因数如不合格，除了注意气隙尺寸以及铁心各部位的磁密外，还必须考虑电磁负荷值是否合适。额定转差率与额转数的计算转差率S等于转子绕组的铜(铝)损耗与电磁功率的比值,而电磁功率PDC等于输出功率P2、机械损耗Pj、转子铜（铝）损耗PAL2、杂散损耗PZ ，故 (2-41)额定转数: （转/分） (P 为极数) (2-42)最大转矩倍数 (2-43)对于异步电动机来说，定子电阻相对于电机漏电抗要小的多，影响电机最大转矩的主要是电机漏抗，而 因而 2.4起动性能计算；三相异步电机在起动时，起动电流很大，一般为额定电流的4到7倍，电流很大，因而使得每槽产生的磁势也很大，这就使得漏磁路的铁心部分出现饱和现象。起动性能主要是计算起动电流和起动转矩这两个参数，以下就直接给出了起动电流和起动转矩的计算公式：起动电流： (2-44)是电机起动时阻抗标么值，它是起动时电机的定绕组电阻和转子绕组相加为起动电阻，起动时定子漏电抗和起动时转子漏电抗相加为起动漏抗。起动电阻和起动漏电抗按矢量相加就是起动阻抗。 (2-45)起动转矩： （2-46）第三章 电机设计中的计算机辅助设计算法利用计算机进行电磁计算的辅助设计可大大缩短电磁计算的时间，便于电磁方案的调整和多方案的比较，从中取得最优化的设计。计算机的电磁辅助设计所用程序分为综合设计程序和分析设计程序，现在大多企业应用得都是分析设计程序，我们本次电机设计采用电磁程序也是分析设计程序，它是由手工计算程序改编而成。它的设计数据都要设计者事先凭经验计算好，然后输入计算机进电磁计算来核算电机产品的性能，实际上就是一个核算程序，在设计三相异步电动机分析设计程序时要解决的问题和所用的方法。3.1 对数据表格和函数曲线的处理。在用手工进行电磁计算时存在大量的曲线和数据表格，如由饱和系数KT查取波幅系数曲线来获得波幅系数KS，定转子的谐波单位漏磁导等。如查取硅钢片的磁化曲线表格来获得单位磁场强度，通过硅钢片的损耗表格来获得铁心材料的单位损耗来计算电动机的铁损耗等一系列表格。用手算时可以查曲线、查表，但对于计算机就无能为力了，因此在设计计算机分析程序时就必须事先进行事先处理。3.1.1 数学公式。对于本来就是由比较复杂的数学公式计算后得到的图表一律还原成数学公式，使得计算结果更准确。（1） 定子谐波单位漏磁导对于三相600相带整数槽绕组当 时项式 （3-1）当 时（3-2）对于分数槽600相带绕组是要根据谐波分析方法,把谐波分为相谐波和齿谐波,分别计算后相加得到,对于齿谐波有为。 （3-3）在以上各式中:-绕组短矩或长矩槽数。-短矩比；y为绕组节距，为极距。-定子每极每相槽数。（2） 笼形转子谐波漏磁导。 （3-4）Q2-转子槽数(3) 节距漏抗系数 Ku 、KL对于600相带绕组当 时 （3-5） （3-6）当 时 （3-7） （3-8）当 时 （3-9） （3-10）（4） 槽下部漏磁导对于矩形槽： （3-11）其它槽形这里不在介绍，可查电机工程手册。（5） 转子挤流效应系数1）计算电阻的挤流效应系数 （3-12）2）计算漏抗挤流效应系数 （3-13）式中 （是考虑到挤流效应的转子导条相对高度。）（3-14） （3-15）3）考虑挤流效应后，转子导条电阻增加的比值（r/r0） （3-16）4) 考虑挤流效应后，转子槽漏抗减少的比值（X/X0） （3-17）函数，当时， b1、b2为槽的两个宽度尺寸， ，3.1.2 曲线图表的线性插值法。3.1.2.1 线性插值法 （3-18）采用线性插值的图表曲线1） 查硅钢片磁化曲线，由定转子的和各部磁密B查取相应的磁场强度H。2） 由起动时的虚构磁密求其漏抗饱和系数KZ。3） 由饱和系数查取波幅系数。3.1.2.2 曲线族插值法。轭部磁位较正系数Cj1 Cj2。3.1.3 迭代计算在三相异步电动机的电磁分析计算过程中,其中饱和系数KT、效率、满载电势系数KE、起动电流Ist 等这四个参数在计算中迭代计算，这四个参量又不是相互独立的，而是通过磁路相互制约相互关联，对于上述这四个参量的初值取的好坏直接引影到计算的速度。在取上述四个参量的初值可参照下列公式取值。1） KT0 （3-19）2） KE0 对于两极小型电机 （3-20） 对于两极以上小型电机 （3-21） 对于中型异步电动机 （3-22）3） （3-23）4） Ist0 （3-24）P2-电机额定功率（kW）；P-电机极数；-设计时要求达到的效率；TM-最大转矩倍数，按技术条件确定；IKW-功电流（A）： （3-25）在确定假定值时，计算值与假定值不符时，进行假定值的在设值时可按下式处理：1）饱和系数KT0 （3-26）2)满载电势系数 （3-27）3）效率 （3-28）4）起动电流 （3-29）迭代计算中的精度确定 （3-30） （3-31） （3-32） （3-33）第四章 710kW电机设计结果输入数据的确定方法以本次设计的710KW电机为主，以及系列设计采用的方法。 额定数据的输入，额定数据的输入一般按给定的设计任务书的规定或按相应的执行标准来确定。本次的额定数据的输入按相应的国家标准确定如下表：1) 额定数据 表一功率(kW)额定电压（v）频率f(Hz)极数P接法绝缘等级节距材料71060005010YB8DW47080060005010YB8DW47090060005010YB8DW4702)根据标准得到的输入数据: 表二功率(kW)cosTMTSTIST71094%0.821.80.76.080094.2%0.821.80.76.090094.3%0.821.80.76.03)根据据已制成品和技术资料获得数据： 表三功率(kW)槽配合Z1/z2槽楔高气隙铁心外径定子内径转子轴孔71090/11441.490067042380090/11441.490067042390090/11441.49006704234)定转子槽形，定转子铁心长度，每槽导体数，定子线径，端环面积，导条尺寸的初步确定。（1）铁心长度确定 （4-1）Pe 额定输出功率。KW1根据每极槽数和节距查得 取KW1=0.945。Ks 取1.45 (一般取值为1.401.52)取任务书给定值 94% 功率因数任务书给定 0.82A线负取 450安/厘米 （一般为150500） 取 0.8T(8000高斯) （50009000高斯）KE0取0.92 (一般为0.850.95)（cm3）（cm）铁心长 130mm为取13个径向通风道，每个通风道宽10mm。(2)每相串联导体数和每槽导体数的初步确定 （4-2）每槽导体数 （4-3）取sn1=12（3）定子线径确定线径面积 （4-4）J1取4.7,定子电密对于中型电机一般取45 A/mm2确定线面积后，就可根据生产工艺，槽形确定线的长宽并绕根数。（5）定转子槽形的初步确定定转子槽形的初步确定，由于中型高压电机一般都用成型线圈，转子采用铜制导条，一般无特殊要求，定转子都用矩形槽。确定槽形时，主要是初步确定定转子槽形的齿宽和轭高。定子槽形定子齿宽 （4-5） KFE铁心压装系数取0.96BT1 取14000高斯， （1000017000） （4-6）转子槽形转子槽形的确定同定子槽形尺寸基本相同转子齿宽 （4-7） （4-8）（5）端环截面积和导条截面积初步确定。对于导条和端环截面积的确定一般是先确定转子槽形尺寸，转子导条的尺寸比转子槽形小0.3mm，转子电密一般要根据经验取值，一般比定子电密低，取（23.7）A./mm2，对于端环截面积的计算可按下式估算。转子导条电流（A） （4-9） KI与的关系： 表四0.650.700.750.800.850.900.950.740.770.820.860.900.950.985端环电流（A） （4-10）转子端环电密取2.5/mm2,则端环截面积5）电机系列设在确定完710kW的电机和参数后，对于其它两个规格的电机的参数的设定可采用相似比初步确定。对于定转子槽形，转子端环截面积转子导条尺寸一般同一机座号同一极数的电机设计都相同，这样可以减少模具的数量，有利于降低生产成本。所变化的参数主要是铁心的长度，每槽导体