电机设计--感应电机的电磁设计

第十章感应电机的电磁设计101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VUKWPMDH603401630中型0,8125551小型VUKWP332003801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NSTI功率因数绕组、铁心温升COSFECU,最大转矩倍数起动过程中最小转矩NMTMINT起动转矩倍数ST（二）额定数据额定功率NP额定电压U额定频率NF额定转速N基值电压NU功率P电流NKWMI1阻抗NKPUIZ21转矩NNNT950102主要尺寸与气隙的确定一、主要尺寸和计算功率NPCABKLDADPNMPEF162计算功率1IEP额定功率COSUNP1由前推导（相量图）引入电势系数0,1NELLQPNEXIRUK111NLPCOS设计方法已知，未知，需先假定一个值。COS,1,XR1L预估，完成磁路参数计算后，偏差95081L501L经验公式估算L2极小型NLPLN086921非2极小型P01313中型NLL二、电磁负荷的选择磁化电流1092DPMKNFI每极磁势主要用来克服，决定于，0FFMIBAIKWMCOS,MIABBUXNKWSTSTIT,MAX选取方法中小型TBAA805/105133大型可略高B,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103）1D1I变动范围在5左右。1ID四、主要尺寸的确定EFINLLDBANPP21,021COS1选择表参考图1、VNKLDDPNMPEFI621KNM气隙磁场波形系数，当气隙磁场正弦分布时；1NMK；双层单层定子基波绕组系数92061DP计算极弧系数；P饱和正弦不饱和710632BAVP2、参考表102选择值，DLIEF21VPDLIIEFI313121231VI初步计算2111313102IEFIIIDVLDPD按标准外径调整达式参考表五、空气隙的确定1、影响；COSMI。温升损耗影响机械可靠性过小,MAXTXST2、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铁心长度1074033TTILLD大、中型电机MPI3129103定子绕组与铁心的设计一、定子槽数的选择PMZQ211、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定子谐波磁场减小，ADPX大1Q每槽导体数减少，SSSXBHZX,1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1Q极数少，功率大电机取大些（2极取（69）1Q极数多电机取小些1二、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1Q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；1交叉式绕组可以节省端部接线，为奇数电机。Q（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）绕组节距的选择正常电机削弱5、7次谐波6Y两极电机便于嵌线，缩短端部长度32单层绕组一般用整距分布系数槽距电角1122SINZPQKD短距系数11IQMYP基波绕组系数11PDPK三、每相串联导体数、每槽导体数计算KWIKWIIMADNIDMA1111COSCOS线负荷大小影响、数值。，。1NB1ABCSMAXTSTSTI设计时常通过改动来取得若干不同设计方案进行优化。N每槽导体数每相串联匝数双层单层11112NZAMSS四、电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定双层绕组1、电密寿命和可靠性降低降低成本节省材料PAJC,1大、中、小型铜线电机2661/1054MAJ对大型电机参考极距的大小来选择（热负荷）。J2、线规并联支路数导线并绕根数定子额定相电流1111ANIJAIATTC3、并联支路数双层条件整数，12PP2MAX1单层QAX11奇数偶数小型电机线径根，极数少电机取较大；8,6TND大型电机扁导线导线宽厚比，槽口、槽宽、槽高尺寸适当；0451AB每根导线截面积15。2M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11JNAIATC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。槽绝缘所占面积槽面积槽有效面积绝缘导线直径ISIEFFEFSTFADSADNS8075102122112112RHIABRBRSIISS单层双层（三）槽形尺寸的确定考虑因素槽满率；FS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TBKZDTTBKTBTFEIFET614950,211111定子齿磁密不涂漆涂漆铁心叠压系数定子齿距每极磁通经齿部后分两部分进入轭部，定子轭部计算高度6805121111PPTJJFEPJTBBBKH计算极弧系数定子轭部磁密槽口宽度2540MM，比线径大1216MM；机械嵌线时，槽口还需适当放01B宽。槽口高度0520MM01H角30左右1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。11536204SSBHTB最后需核验齿部最小磁密。TBTMAX104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107）中的槽配合。（二）转子槽形的选择和槽形尺寸的确定1、转子槽形平行齿平行槽凸形槽铸铝转子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,COS,2MAXCUSTPSTI曲线形状其中对关系最密切ST,A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。2I有关与引入的系数考虑转子电流相位不同COS,22112IDPIKNMKBDPIJIAZ22112223导条截面积对于中小型铸铝转子266/10540MA,2CUBBSTPSJJRT则太大不能太小不能太小为了足够槽形槽面积初定后，进一步确定尺寸TJT01625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PZIIR2SIN12端环面积BRRJJJIA8045端环电密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。2DCBQ2D（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21102DPKNE空载定子相电势转子静止时开路相电势转子基波绕组系数1021001XIUEMN2、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2A则转子每槽导体数222SSNMNZ核算空载转子相电势或集电环开路电压1202DPNKUE估算导体截面积XMIDP221226622/1054MAJAIAC选线规校验2,JTB105工作性能的计算较准确型等效电路简化电路（略去）211,IRXM校正系数111MXZ工作性能计算、NICOSNSAXT一、定子电流的计算1I21QPI由简化可知定转子有功分量相等定转子电流无功分量1MXQII值额定负载磁化电流标么分量标么值额定负载转子电流无功MXI定子电流有功分量先假定一个1211NKWPUI转子电流无功分量1212122SINXIXIZIQPX212111IZZ负载支路总阻抗负载支路总电抗整理得211PXXIII求解此二次代数方程，采用近似计算法迭代法，忽略高次项2121PPXIII在假定效率NKWUM1二、功率因数的计算COS211QPII调整方法若太低COSQTISMILDNBAI,12SXXHB1三、效率的计算211010FEFWSCUNPPP55误差不符与提高效率、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NS221SFWCUEMCUPP生产实践中，分母加上铁心中附加损耗一项，大小等于FEJETFEPP五、最大转矩倍数MAXT2112412412121XRSIPUMSFXRFPTSFIFPUMNKWNNNMKWN时影响最大的主要因素是调整及槽形。MBA,106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；STI转子电流频率等于电源频率（），比运行时高很多，使导条电流产生集肤效应。12F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）SXSKX3、计算起动电流假定值与定子槽形有关最大转矩倍数532261532MKWMSTTITI定子每槽磁势幅值考虑槽口节距漏抗系数11112UUSTSKNAIF转子每槽磁势幅值12222SSTSTSNII笼型转子根据绕组计算，忽略磁化电流，取，则STT2112ZKNMIFDPSTS起动时产生漏磁的定转子槽磁势平均值021110217ZKANIPDUSTST式中，近似修正前面假定所带来的误差。021I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，STF则有虚拟磁密LSTFB20引入起动时漏磁饱和系数1虚拟磁密实际磁密总磁势气隙磁势ZK（，越饱和，比例越小，）LBFX起动时定转子谐波漏抗11XKSTZ22起动时斜槽漏抗SKZSKT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SCB000SCBTT10齿顶宽度之比BTCTKSSZ漏磁路饱和引起的定转子齿顶宽度减少为10221ZSKBTC由于齿顶宽度减小，起动时槽口比漏磁导分别减少U如开口槽00SSUCBHBH半闭口槽51800S起动时定子槽比漏磁导11LUUSKKT定子绕组节距漏抗系数,起动时转子槽比漏磁导222LXUST考虑集肤对比漏磁导减小系数K起动时定转子槽漏抗111SSSXTTX222SSSTT起动时定转子漏抗和总漏抗1111ESXSTTXT2222STKS1STTT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STTSITXR,2、导条材料电阻率有关与转子槽形尺寸槽漏抗减小系数电阻增加系数,2FKXF起动时考虑集肤效应的转子导条相对高度转子电流频率导条电阻率转子槽宽转子导条宽度转子导条实际高度FBHFBHBSBBS22310987以梯形槽为例令转子导条高度，导条电阻等效长度，槽漏抗等效高度槽漏抗集肤时导条槽漏抗导条直流电阻集肤时导条交流电阻磁电00001XHXKAXRHRRBPRSP