毕业论文10kw高频交流电动机设计及工艺分析

1、毕业 论 文题 目：10kw高频交流电动机设计及工艺分析系：电气与信息工程系专业： 电气工程及其自动化班级：0708学号：学生姓名：导师姓名：完成日期：2011年6月10日湖南工程学院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：10kw高频交流电动机设计及工艺分析姓名 何旭峰 系别 电气信息学院 专业 电气工程及其自动化 班级 电气0708 学号 200701010829指导老师 彭 晓 教研室主任 谢卫才 一、基本任务及要求： 三相交流电动机在工业领域有广泛的用途。通过毕业设计要求学生熟悉及掌握该技术领域的相关知识，为学生今后的工作打下良好的基础。设计的主要内容如下：1. 分析高频交流电动机特点

2、及基本原理;2. 掌握高频交流电动机设计的基本方法;3. 分析和掌握高频交流电动机的工艺特点;4. 完成高频交流电动机电磁设计。二、进度安排及完成时间：1.2月 21日至3月 13日：查阅资料；撰写文献综述和开题报告；确定总体方案。 2. 3月 14日至4 月15日：毕业实习、撰写实习报告。 3. 4月 18日至6 月 1日：毕业设计(1). 4月18日-5月7日分析高频交流电机的基本特点及基本原理(2). 5月8日-5月20日分析高频交流电机的基本方法(3). 5月21日-6月1日完成高频交流电机的电磁设计4.6 月 1 日至 6 月 8日：撰写毕业设计论文5. 6 月 8 日至 6 月 9

3、日：指导老师评阅、电子文档上传FTP。 6. 6 月 10 日至 6 月12 日：毕业设计答辩。 目 录摘 要Abstract第1章 绪论11.1 概 述11.2 高频电动机的研究现状11.3 高频电动机的应用1第 2 章 高频电动机设计特点32.1 磁性材料的选择32.2鼠笼式转子的槽型和导条材料选择32.3定子槽型和绕组问题42.4 高频异步电机的参数计算问题42.5 高频电机散热设计问题6第 3 章高频异步电机的轴承分析83.1 机械轴承设计83.2 无摩擦轴承技术83.3非机械接触式高速轴承的分类8第4章 10kw高频交流异步电动机电磁设计104.1额定数据和主要尺寸104.2 磁路计

4、算154.3参数计算194.4工作性能计算244.5 起动性能计算29结束语34参考文献35致谢37附录3810kw高频交流电动机设计摘 要:高频电机现正成为电机领域的研究热点之一。其主要特点有两个：一是转子的高速旋转；二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率。由此决定了不同于普通电机的高频电机特有的关键技术。本文讨论了高频异步电机设计的关键技术:电磁设计问题;轴承设计问题;转子结构强度、结构稳定性问题;散热设计问题。这些关键技术不同于普通异步电机的设计技术 ,对于高频异步电机的正常运行和控制有重要的指导意义。关键词:高频异步电机;电机设计;关键技术10kw High-frequency ac m

5、otor designAbstract :The high- frequency electrical motors are now becoming one of the hot areas of research. There are two main features: First, the rotor high-speed rotation and the other is the stator windings current and iron hearts of the high-frequency magnetic flux. This decision is different

6、 from the ordinary high-speed electrical motor unique key technologies. The key technology for design of highfrequency asynchronous motor : electromagnetic design ; bearing design ;structural strength design of rotor ; thermal design are discussed this paper. These key technologies are different fro

7、m the design of standard AC motors and such technologies are very important to control and apply the high frequency induction motors better.Keywords: high-frequency asynchronous motor ; Design of Electrical Motor ; key technology.第1章绪论1.1 概述高频电机现正成为电机领域的研究热点之一。其主要特点有两个：一是由于输入频率高使转子高速旋转；二是定子绕组电流和铁心中磁

8、通的高频率。由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。高频电机在机械工业(如高速磨床、铣床) 、国防工业 等各方面获得了广泛的应用 ,它对于减少装置体积重量 ,提高设备性能有重要的意义。高频电机要求转子上无绕组、无电刷和滑环 ,鼠笼式异步电机、无刷直流电机、开关磁阻电机等均适合于高速运转。在高速电机应用中 ,异步电机由于成本低、结构简单和控制技术成熟,是高速电机选择的主要类型。高频驱动电源、高强度低损耗电磁材料及计算机技术的发展使电机能高速运行。随着材料技术、控制技术、电机设计技术以及制造业的发展，高频电机的优越性。高频电机已经在涡轮机械、高速加工中心、飞轮储能、电动工具等许多领域获得

9、广泛的应用，并且这个领域仍在不断的扩大。与电网供电不同，变频器供电电压、电流中含有大量的谐波，对电机的性能会产生显著的影响，如电机电流增大，损耗增加，效率、功率因数降低，温升增加，还会出现转矩脉动，使振动和噪声增大。这些都对异步电机的特性研究提出了新的课题，特别是高频电机在各个行业得到应用使得电机特性分析更加有必要。1.2 高频电机的研究现状近年来，高频电机在各个领域得到了广泛的应用，对电机在高速运行状态下的特性分析越来越显得重要。高频电机运行在高频状态下，无论是工作状态还是材料性质都发生了很大的变化，同时高频电机均为变频器供电，运行在大量的谐波下。要考虑谐波对电机性能的影响。现在对高频电机的

10、研究更多的集中在对高频电机的损耗计算和温升分析1，由于高频电机的供电中含有多次谐波使得铁耗的计算更为复杂。文献2使用了谐波分析法对高频电机进行研究取得一定成果。文献3提出考虑铁损的异步电机高速性能的矢量模型，为研究高频电机特性和设计提供了新思路总之对电机的高速性能研究现在还在初级阶段，还没能找到行之有效的方法，还有很长的一段路要走。1.3 高频电机的应用高频高速电机正成为电机领域的研究热点。所谓高频高速电机通常是指频率超过400Hz的电机。它们具有以下优点：一是由于频率高转速高，所以电机功率密度高，而体积远小于功率普通的电机，可以有效的节约材料。二是可与原动机相连，取消了传统的减速机构，传动效

11、率高，噪音小。三是由于高频高速电机转动惯量小，所以动态相应快4-5。基于以上优点，高频电机在以下各方面具有广阔的应用前景：（1） 高频电机在空调或冰箱的离心式压缩机等各种场合得到应用6，而随着科学技术的发展，特殊要求越来越多，它的应用也会越来越广泛。（2） 随着汽车工业混合动力汽车的发展，体积小，重量轻的高频发电机将会得到充分的重视，并在混合动力汽车，航空，船舶等领域具有良好的应用前景。（3）由燃气轮机驱动的高频发电机体积小，具有较高的机动性，可用于一些重要设施的备用电源，也可作为独立电源或小型电站，弥补集中式供电的不足，具有重要的实用价值。由于高频电机转子上的离心力与线速度的平方成正比，高频

12、电机要求具有很高的机械强度；又由于高频电机频率高，铁耗大，在设计时应适当降低铁心中的磁密，采用低损耗的铁心材料。轴承的研究也是与高频电机密不可分的内容，因为普通轴承难以承受在高速系统中承受长时间运行，必须采用新材料和新结构的轴承。目前人们正在研究的类型有气动轴承及磁力轴承。高频电机在高速旋转时的离心力很大，当线速度达到200m/s以上时，常规叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力，需要采用特殊的高强度叠片或实心转子。在转子动力学发展的近百年的历史中，出现过很多计算方法，发展到今天，现代的计算方法主要可以分为两大类：传递矩阵法和有限元法。有限元法的运动方程表达方式简洁，规范，在求解转子动力学问题或

13、转子和周围结构一起组成的复杂机械系统的问题时，有很多优点。有限元法对复杂转子系统剖分庞大，计算结果比传递矩阵法准确，然而计算耗时长，占用内存大。现代计算机技术的发展，给有限元法提供了良好的硬件技术，目前，有限元方法得到了广泛的应用。总而言之，国外对高频电机及相关技术的研究比较早，已经取得了很多的研究成果，而且随着新材料的不断出现，加工工艺的不断改进，技术必将以更快的速度向前推进。国内对高频电机的研究还不是很多，基本上限于功率较小的发电机或电动机。第2章 高频异步电机的设计特点2.1 磁性材料的选择高频异步电机供电频率在几百赫兹到几千赫兹 ,随着频率的提高,铁心损耗会迅速增加,铁心损耗将占高频异

14、步电机总损耗的比重较大(与普通异步机相比) ,而且高频异步电机的转速要比普通异步电机的转速快几倍到几十倍,在旋转过程中,必然产生比普通异步机高得多的离心力。在额定运行时 ,转子材料将承受很大的切向应力,所以不能采用 50Hz 供电的普通异步电机的磁性材料,而应选用其他性能更好的磁性材料。为了减少铁心损耗和在低磁场强度下产生高饱和磁通密度 ,可选用各向同性3 %硅含量的 0.18mm 厚硅钢片。高强度软磁合金钴铁合金也非常适用于作高频异步电机的磁性材料,钴铁合金比较昂贵 ,但是经过特殊的热处理 ,这种材料的屈服强度可以达到 600mN/m2(如 49Co/ 49Fe/ 2V 合金) ,电磁性能较

15、好。钴铁合金已经被应用于航空发电机和磁轴承上 ,取得了较好的效果7。非晶态磁性材料也是一类研究和开发中的新材料 ,高饱和型非晶态软磁材料很薄(0.030.05mm) ,电阻率比晶态合金高 3 到 4倍,具有优良的软磁特性 ,可取代硅钢片作为铁心材料 ,损耗只有硅钢片的 1/31/6 ;另外,这种材料的抗拉强度是普通硅钢片的 3 倍。与硅钢片相比 ,非晶态磁性材料的缺点是饱和磁感应强度(最大值是 2T) 和铁心占空比系数较低,机械加工性差 ,在较高温度下性能不稳定 ,但是此种材料的高电阻率和高机械强度很适合高频电机的特点。从上面的分析可知 ,高频异步电机可以采用三种方案 : ( 1 ) 定子铁心

16、材料采用各向同性3 %硅含量的0.18mm厚的硅钢片,转子铁心则采用软磁合金叠装; (2)定子和转子铁心材料可都采用软磁合金材料; (3) 定子铁心采用传统叠层结构的硅钢片或软磁合金材料 ,而转子为了提高强度、刚度、均匀度可设计成实心的。2.2 鼠笼式转子的槽型和导条材料选择一般高频异步电机转子的鼠笼被设计成圆形闭口槽,以防止由于电机高速旋转产生的离心力将导条抛出 ,发生危险。为了减小转子的热损耗 ,提高电机的效率 ,导条要选用铜甚至银材料 ,这样电流密度可做大。定子电密度可达16A/ mm2(普通异步电机是 711A/mm2) ,转子电密度达 20A/mm2(普通异步电机是 1015A/ m

17、m2) 。另外,如果转子槽闭口 ,转子的圆柱表面可以制作得比较光滑,可以减小电机的风阻损耗等附加损耗。转子端环可采用整体铜环并经银焊与导条牢固地焊在一起 ,可以进一步减小转子电阻降低转子电损耗。在高频异步电机的设计中 ,转子的结构强度是一个重要的问题。研究表明 ,传统的异步电机叠层转子的圆周线速度最高可达 200m/s ,但是超过这一速度,叠层结构的转子机械强度就不够了8。采用实心转子的异步电机由于结构简单 ,转子的机械可靠性高 ,适宜于高速甚至超高速运行。实心转子异步电机的定子结构与普通电机相同。转子为实心铁磁圆柱或圆筒 ,它既是磁路的铁心部分,又兼作电路的绕组 ,二者合二为一 ,这是实心转

18、子异步电机区别于普通异步电机的关键。在实际运行时 ,由于集肤效应 ,转子电流(涡流) 和磁通主要集中在转子表面较薄的渗透层内 ,其电流及磁场的分布情况与普通异步电机中的情况迥然不同 ,因而形成了实心转子异步电机的特有性能。研究表明,高速光滑有限长实心转子异步电机效率较一般鼠笼异步电机要小很多 ,其主要原因是电机中的气隙谐波引起的9。而气隙谐波的产生是由于定子绕组在槽中位置的不连续性(绕组谐波)以及不光滑的定子表面的导磁率的变化(导磁谐波) 。减小高速实心转子异步电机的损耗的方法总结出来有:(1)减小磁导谐波。一是尽可能减小定子槽开口的尺寸,利用有限元方法研究新的定子齿形。另外增加气隙长度可以减

19、小转子表面的磁通波动。二是采用半磁性材料去封闭定子的槽开口 ,半磁性材料显著地减小了槽开口下方磁密分布的变化从而减小转子表面的损耗。(2) 用分层理论方法对 48000r/ min 的实心转子电机的分析计算表明 ,含铜量在 25%30%的铜铁合金作高速实心转子电机具有较高的电气性能。(3)可以在实心转子表面覆盖一层合适的材料来减小转子表面的损耗 ,这种做法增加了转子的表面阻抗。覆盖在转子表面层的材料一般要求高导磁性和低导电性。一般用铝铁合金或纯铜。要减小转子的基本阻抗 ,可以在外层材料和转子本体之间加一层有很好导电性的材料,这样做可以得到更大的转矩。(4)为了改善实心转子异步高频电机的电气性能

20、 ,可以在转子表面轴向或周向开槽。在一些应用中 ,在实心转子中加入导条(类似于叠层结构转子) 以提高电机性能,但是其等值电路要修正 ,实心转子的参数作为等值电路中新加入的并联支路。2.3 定子槽型和绕组问题高频异步电机定子槽型的选择和绕组线规的选择可类似于普通异步机的设计，对于高频感应电机 ,定子槽可采用半闭口槽 ,但采用较宽的槽口 ,以减小槽漏抗 ,提高运行特性的硬度及过载能力 ,最好在三相绕组端部串联三个温度传感器(热敏电阻)进行过载保护(散热系统和供电系统故障可能引起电流过载) 。为了得到较好的正弦波形,消除和减少高次谐波的影响 ,减小振动,定子一般采用双层短距或整距绕组 ,定子斜槽。2

21、.4 高频异步电机的参数计算问题10高速频电机电磁设计的一个很重要的内容是计算电机参数,通过电机参数可以计算得到高频电机的机电特性(如转矩/速度曲线,转矩/电流曲线,效率/输出功率曲线等) 。但是高频异步电机有其特殊的电磁规律 ,原来用于普通异步电机的电机参数计算方法显然不能用于高频异步电机。特别要考虑:主磁通的饱和;漏磁通的饱和;定子和转子绕组的集肤效应。(1) 定子电阻 Rs实际工作状态下 ,定子绕组的频率很高 ,由于集肤效应的影响,定子的交流电阻必然发生变化 ,其值是直流电阻乘以集肤效应系数。但是文献10研究表明,一般高频异步电机定子绕组由于线径很小 ,对集肤效应不很敏感 ,用直流电阻值

22、代替交流电阻 ,对高频异步电机的性能计算精度影响不大。因此该电阻的计算公式和普通异步电机的计算公式完全一致。(2) 定子漏抗 XsXs = X1s + X1c + X1a(5)对于高频异步电机来说 ,定子的槽漏抗 X1s和气隙漏抗 X1a受磁饱和的影响,但受集肤效应的影响不大 ,因此其定子的槽漏抗和气隙漏抗的设计值可以利用普通异步电机相应的计算公式获得 ,但还要乘上相应饱和系数 ,槽漏抗对应的饱和系数 Kal = 1-1/2 q,气隙漏抗对应的饱和系数 Kal0. 9 ,上式中 q 表示每极每相槽数。端部漏抗X1c就采用普通异步电机的计算公式。(3) 转子电阻(折算到定子侧)一般高频异步电机被

23、设计成鼠笼型转子 ,导条的截面积较定子导线截面积大得多 ,且在额定转差率下 ,转子的滑差频率较高(例如同步转速 30000r/ min ,2 对极,转差0.1 时,转子的工作频率就是100Hz) ,因此转子导条的集肤效应就不能忽略了 ,集肤效应使转子电阻增大。另外,转子的电阻还受到转子槽闭合饱和的影响。由于转子的槽被闭合,闭口槽的齿桥高很易饱和 ,而且受到冲剪加工的影响,晶格受到破坏,因此齿桥的磁导率也就大大降低,从而导致转子电阻和电抗的非线性特征。对于高频异步电机来说 ,这个现象可以用等效开槽来模拟10,此槽的的开口尺寸是原闭口槽直径尺寸的 2.5 %3.5 %比较合适(与实验结果吻合得较好

24、) 。由以上分析可知 ,转子电阻(折算到定子侧) 的计算要考虑集肤效应系数 Kr和饱和效应。(4) 转子漏抗转子的槽漏感受集肤效应的影响 ,使槽漏感减小,其集肤效应系数为 Kl ;另外,受饱和的影响,转子的实际漏抗要减小,将转子闭口槽的等效开口槽尺寸定为原闭口槽直径尺寸的2.5 %3.5 % ,用所对应的半闭口圆形槽的计算公式,以此来模拟闭口圆形槽的饱和效应。(5) 转子的槽漏抗集肤效应系数 Kl 和转子的电阻集肤效应系数 Kr 的计算Kr =Rac/Rdc> 1 Kl =Lac/Ldc< 1(6)转子的电阻集肤效应系数和槽漏抗集肤效应系数的计算比较困难 ,这是因为目前为止对圆形槽

25、里的圆形导体的特性研究得不是很深入 ,不可能用简单的关系式来计算。一般用下面的方法计算:首先计算不考虑集肤效应的转子直流电阻 Rrdc和转子槽漏抗 Xrdc ,由Xrdc/Rrdc= 2(h)2/3(7)可求得 h (等效矩形导条的高度) ,则Kr=hsinh(2h)+sin(2h)/cosh(2h)-cos(2h)Kl=3sin h(2h)-sin(2h)/cos h(2h)-cos(2h)/2h(8)其中:=(0c/2s )1/2 (9) 式中:为电角速度(对应于导条内电流的频率) , c 为导条宽, s 为槽宽, h 为等效矩形导条高,为材料的电阻率。对于一个圆形槽来说, c/ s 等于

26、1。(6) 激磁电抗电机参数的激磁电抗是非线性的 ,这种非线性归因于高频异步电机磁性材料的饱和 ,因此用一个精确的关系式来计算它是不可能的。然而 ,仅考虑高频异步电机等效气隙的基波磁场的话 ,不饱和激磁电抗可以用下面的关系式来计算:Xm=16msf(NsKws)2L/p×10-7 （10） 式中:- 考虑狭槽效应的等效气隙长度。从工业用高速电机的大量使用后的统计数据来看 ,高频异步电机的实际激磁电抗必须要在不饱和的激磁电抗的基础上乘上一个考虑饱和效应的系数: Xm=(0.70.8) Xm(11)(7) 铁耗等效电阻电机的铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗两部分，它与电机铁心的结构参数、电压频

27、率以及磁通密度有关，从理论上很难推导出精确计算铁损的公式。在动态分析时参考文献11提出的电机物理模型思路，根据铁耗产生机理，将电机损耗用一等效的纯电阻损耗来表示。对于异步电机，铁耗主要产生于定子铁心中，即在模型中只在定子侧有铁耗等效绕组。铁耗等效电阻的精确计算一般很困难 ,因为需要知道铁心内部的磁通密度的分布。在电机性能计算中忽略铁耗等效电阻,计算得到的机电特性不受影响。2.5 高频电机散热设计问题在高频电机应用系统中 ,主要的热源是高频电机本身和轴承。高频电机的发热和散热状况 ,不仅影响电机的效率,也影响电机绝缘材料的性能 ,从而影响电机的使用寿命。研究表明轴承高 NDm 值引起的轴承损耗占

28、了高频电机的总损耗的相当大的比例 ,约30 %40 %。转子与空气间的摩擦损耗是高频电机要特殊考虑的热源12。转子的散热主要依靠气隙中的气流 ,气隙中的摩擦损耗使转子的温度升高 ,气隙中的轴向冷却气流可以降低气隙温度。除了摩擦损耗 ,转子的温升还依赖于转子表面的热交换系数 ,这一参数决定于转子圆周线速度和冷却气流的轴向速度。许多学者和研究人员提出了相应的计算摩擦损耗的公式 ,但这些公式只能用在气隙表面光滑的条件下。除了转子速度外 ,气隙中的摩擦转矩还受高频电机轴向冷却气流速度的影响。另外 ,目前还没有用来评估定子转子轴向开槽对摩擦转矩的影响。电机在低速运转时 ,气隙流是层流状的,并且气隙中的热

29、交换是通过导体进行的 ,其热交换率与转速无关。电机超过一定的转速 ,在其气隙中就会产生环形涡流(泰勒涡流) ,它影响气隙中摩擦的产生和热交换。此时 ,热交换率随着转速的提高而增大 ,电机产生的热量是从定子和转子向气隙传递的 ,热交换率发生了变化 ,与热量沿转子到气隙再到定子路径传递时不一样了。研究表明 ,表面粗糙的转子与光滑的转子相比 ,最高可增加热交换率70%。为了减小温升和高频电机的体积 ,将电机运行时产生的热量有效散发出去 ,采用封闭的液体散热系统。设计时,定子表面都用外隔循环水冷却。这种散热系统采用常温的乳化水作为致冷剂 ,水就在定子的水槽中流动。高频电机的散热设计既要考虑有利于电机尺

30、寸的减小和控制轴承的温升,又要考虑不影响轴的性能。转子的散热是比较困难的事情 ,因为转子和轴承内部不能用水冷系统直接进行散热。转子、轴和轴承可以用润滑系统的油雾进行局部散热。对高频电机进行散热设计时应注意以下问题:(1) 水冷系统不能带走转子随输出功率升高而增加的损耗热量。(2) 不能被水冷系统带走的损耗热量 ,可通过润滑油雾和转轴空气的热交换带走。(3) 在电磁设计阶段 ,要考虑水冷系统对转子损耗散热作用不大这种情况。(4) 在总损耗不变时 ,设计中应尽量增加定子产生的损耗,而减少转子损耗。(5) 设计良好的散热系统必须使电磁结构和机械轴承的温升限度同时到达。如果在电磁系统未达到额定温升的时

31、候轴承已达到额定温升的话 ,那么在电磁系统达到额定温升时轴承可能超过了额定温升 ,电机就不能正常工作了。第3章 高频异步电机的轴承设计分析3.1 机械轴承设计轴承是高频电机的核心部件。高频异步电机好的轴承选择能够提高系统寿命、减小摩擦温升、改善动态特性、缩短维护时间以及降低维护成本。轴承设计时要考虑:最大转速;轴向和径向的刚度;机械负载的方向和大小;轴的尺寸;使用的轴承数目。一般来说 ,轴承都标有最大转速值 ,但是 NDm 值是选择轴承的主要参数。NDm 定义为:最大转速( r/min)与轴承内外径平均值(mm)的乘积。那么,轴承的选择并不依赖于最大转速,而是由所要求的转矩决定的。由于轴承的尺

32、寸不同,即使是转速相同,内部圆周速度也不同,所以不能单纯用转速的高低来表示电机的转速水平 ,而要用 NDm 值来表示。一般把 NDm > 1000000 作为高速范围,此值还直接反映高频电机的刚度特性。在高速电机的应用中 ,角接触球轴承用得比较广泛 ,因为在高频异步电机有实际机械负载的条件下 ,这种轴承显示了很好的速度和刚度的折中。一般情况下 ,超高频的电机的轴承要用弹性材料进行预负载。3.2 无摩擦轴承技术为克服机械轴承的性能不足 ,近二十年来发展起来了气浮轴承、磁轴承 ,特别是磁轴承具有无接触、无润滑、无磨损、无机械噪声和结构简单的特点 ,在高速运转领域获得较为广泛的运用。采用磁轴承

33、的高频电机在其两端分别配置一个磁轴承单元 ,每个磁轴承单元含有环绕着转轴的电磁体 ,利用带反馈的径向位置控制器来控制电磁体的励磁电流即电磁体的径向磁力 ,使转轴保持悬浮运转。在实际运用中 ,磁轴承电机存在着如下问题: 输出功率难以进一步提高。为了提高电机的输出功率 ,电机的轴向长度和径向长度必然要随之加大。由于电机两端磁轴承本身占有一定的轴向长度 ,为了在高速时能避开转轴的临界转速(以免引起转轴的共振) ,只能尽量控制电机本身的轴向长度;而电机转轴径向尺寸(半径) 则受电磁体材料机械强度的限制。磁轴承需要一定数量的励磁线圈、变换器和造价不菲的传感器。近年来兴起的无轴承交流电机13是高频电机领域

34、的一项重大突破 ,一方面它在保持磁轴承电机长寿命的优点外 ,还突破更高转速和大功率的限制 ,拓宽了高频电机的应用范围。3.3非机械接触式高速轴承的分类普通的机械轴承在高频电机中应用寿命很短 ,一般需要采用非机械接触式轴承 ,主要有三类14:1) 充油轴承。通过在转动体与非转动体之间形成一层油膜使转子悬浮 ,需要一套油循环系统。由于存在漏油问题和损耗较大 ,因此逐渐被先进的气悬浮和磁悬浮技术所代替。2) 空气轴承。空气轴承的结构原理如图6所示。用压缩空气代替油膜实现气悬浮 ,漏气比漏油问题容易解决。与磁悬浮轴承比 ,空气轴承的体积较小 ,控制简单;其缺点是用很薄的一层压缩空气(25nm)支撑转子

35、 ,承受负载能力有限 ,同时对轴承材料的性能与加工精度要求极高。图 6 空气轴承结构原理示意图3) 磁悬浮轴承。通过磁力耦合实现定转子之间的非接触悬浮 ,可进行动态悬浮力控制 ,不存在漏油和漏气问题 ,在高频高速电机中应用较多。第4章 10KW高频交流异步电动机电磁计算已知数据：输出功率 额定电压 相数 频率 极数 B级绝缘，连续运行4.1 额定数据和主要尺寸：1. 额定功率：2. 额定电压： （接）3. 功电流：4. 效率：5. 功率因素：6. 极对数：7. 定转子槽数 每相每极槽数取整数 则并采用转子斜槽8. 定转子每极槽数9确定电机主要尺寸 主要尺寸来确定和计算功率 初选，可取，取，假定

36、。取 则 按定子内外径比求出定子冲片外径 取 铁心的有效长度： 取铁心长10气隙的确定于是铁心有效长度转子外径转子内径先按转轴直径：11极距 12定子齿距 转子齿距 13定子绕组采用单层绕组，交叉式，节距1-9，2-10，11-1814为了削弱齿谐波磁场的影响，转子采用斜槽，一般斜一个定子齿距，于是转子斜槽宽15.设计定子绕组 并联支路.每槽导体数16.每相串联匝数 每相串联匝数 17.绕组线规设计 初选定子电密，计算导线并绕根数和每根导线截面积的乘积。 其中定子电流初步估计值 选用截面积相近的铜线：高强度漆包线，并绕根数，线径，绝缘后直径，截面积，18. 设计定子槽形取19. 槽在面积 按槽

37、绝缘采用DMDM复合绝缘，槽楔为，复合板，槽绝缘占面积。槽满率 20. 绕组系数 其中 每相有效串联导体数21.设计转子槽形与转子绕组 预计转子导条电流： 其中由资料查出。 初步取转子导条电密，于是导条的截面积：导条截面积（转子槽面积）估计端环电流端环所需面积其中 端环电密得端环所需面积为4.2 磁路计算22. 满载电势 初设23. 每极磁通初设由图3-5查得为计算磁路各部分磁密，需先计算磁路中各部分的磁导截面24. 每极下齿部截面积25. 定子轭部高度转子轭部高度 轭部导磁截面积26. 一极下空气隙截面积27.波幅系数28. 气隙磁密计算29. 定子齿部磁密：30. 转子齿部磁密31. 从D

38、23磁化曲线找出对应上述磁密的磁场强度：32. 有效气隙长度 其中气隙系数为33. 齿部磁路计算长度34. 轭部磁路计算长度35. 气隙磁压降36. 齿部磁压降37. 饱和系数 误差=，合格38. 定子轭部磁密39. 转子轭部磁密40. 从D23磁化曲线找出对应上述磁密的磁场强度：41. 轭部磁压降：其中轭部磁位降校正系数由资料的附图查出, 于是，于是42. 每极磁势43. 满载磁化电流：44. 磁化电流标么值45. 励磁电抗4.3 参数计算46. 线圈平均半匝长 单层线圈 =0.195+1.2×0.09929=0.336m=0.165+2×0.015=0.185my=0.

39、17+2(0.8+1.09)+(15.2-1.09)×10-3+5.1×10-3/2×2=0.129×10-3m节距比 2/31,取=0.8其中d1是线圈直线部分伸出铁心的长度，取1030mm。kc是经验系数取1.247单层线圈端部平均长 2×0.015+1.2×0.109=0.186m48漏抗系数Cx=4××50×0.4×10-7（0.9598×174）2×0.153×1.1×10-3/3×2×3802=0.0436149定子槽比漏磁

40、导=1×0.410+1×0.765=1.17=0.41=0.765 因=1.37=0.76其中Ku1=KL1=150定子槽漏抗= =0.4207Cx51定子谐波漏抗=0.77Cx 其中S=0.00952定子端部漏抗单层交叉式绕组的端部漏抗与分组的单层同心式绕组相近则：=0.3367Cx53定子漏抗=（0.4214+0.775+0.336）Cx=1.533Cx=0.0669154转子槽比漏磁导=2.23h/b2=7.6， b1/b2=1.83查表得L=1.8655转子槽漏抗=1.28Cx56转子谐波漏抗=1.09Cx 查表得R=0.01957转子端部漏抗XE2*=0.156C

41、x58转子斜槽漏抗=0.273Cx59转子漏抗=(1.26+1.09+0.15+0.27)Cx=2.7633Cx=0.120860总漏抗 =0.18861定子直流电阻 R1=0.9662定子相电阻标幺值 R1*=0.0245763有效材料定子导线重量=1.05×0.34×29×36×1.329×10-6×8.9×103=8.9 kg式中C为考虑导线绝缘和引线重量的系数，漆包圆铜线取1.05为导线密度硅钢片重量GFe=0.95×0.155×（0.26+0.005）2×7.8×10-3=8

42、0.7 kg式中为冲剪余量，取7.8×10-3m64转子电阻导条电阻折算值RB=0.684式中KB是叠片不整齐造成导条电阻增加的系数端环电阻折算值RR=0.1837导条电阻标幺值RB*=0.00174端环电阻标幺值RR*= =0.0047转子电阻标么值R2* =RB* +RR*=0.02254.4 工作性能计算65. 满载时定子电流有功分量标么值I1p*=66. 满载时转子电流无功分量标么值Ix*=* I1p*21+(* I1p*)2=1.0216×0.13944×(1.1236)2×1+(1.0216×0.1394×1.1236)2

43、 =0.181=1+ =1.021667满载时定子电流无功分量标么值I1Q*=Im*+ Ix*=0.469+0.143=0.6568 满载电势标么值KE=1=1(I1p*R1 *+ I1Q*)=1(1.1236×0.0207+0.65×0.0491)=0.942与22项初设值KE相符69. 空载时电势标么值 1=1Im*=10.309×0.0419 =0.97670. 空载时定子齿磁密 Bt10=1.637T 71. 空载时转子齿磁密 Bt20=1.658T 72空载时定子轭磁密 Bj10=1.502T 73. 空载时转子轭磁密 Bj20=1.287T 74. 空

44、载时气隙磁密 =0.748T75. 空载时定子齿部磁压降 Ft10 =Ht10Lt1=46.8×102×15.97×10-3=74.74A76. 空载时转子齿部磁压降 Ft20=Ht20Lt2=53.4×102×23×10-3=122.82A77. 空载时定子轭部磁压降 Fj10=Cj1Hj10Lj1=0.40 ×20.1×102×78.81×10-3=63.36A78. 空载时转子轭部磁压降 Fj20=Cj2Hj20Lj2=0.43 ×8.90×102×27.69

45、×10-3=10.597A79. 空气隙磁压降 =244.05A 80. 空载总磁压降 =74.74+122.82+63.36+10.597+244.05=504.97A 81. 空载磁化电流 =4.36A （四）工作性能计算82. 定子电流标么值 =1.316定子电流实际值 1.319×9.58=12.61A 83. 定子电流密度 J1=84. 线负荷 A1=85. 转子电流标么值 I2*=1.1536转子电流实际值 I2 =429.65A 端环电流实际值 IR=A86. 转子电流密度 导条电密 端环电密 87. 定子电气损耗 =1.3232×0.0257=0.

46、04470.0447×10×103=447W88. 转子电气损耗=1.172×0.022=0.0301 PAl2= PAl2* PN=0.0301×10×103=301W89. 附加损耗铜条转子 Ps*=0.02 Ps= Ps* PN=0.02×10×103=200W90. 机械损耗 二级封闭自扇冷式 Pf w= (3/p)2(D1)4×104= (3/2)2×(0.26)4×104=102.7W机械损耗标么值 Pfw*= Pf w/ PN=102.7/10×103=0.0102791

47、. 定子铁耗(1) 定子轭重量 Gt=4pAt1Lt1=4×2×3.77×10-3×92×10-3×7.8×103=21.65(2) 定子齿重量 Gj=2pAj1Lj1=4×2×98.73×10-3×16.97×10-3×7.8×103=5.211(3) 损耗系数 Phet=5.388 Phej=3.765(4) 定子齿损耗 PFet= K1 Phet Gt=2.5×5.388×5.21=70.2W(5) 定子轭损耗 PFej= K2P

48、hej Gj =2×3.80×21.6=163W(6) 定子铁耗 PFe= PFet+PFej=163+70.2=233.2W 对于半闭口槽按经验取K1=2K2=2.5铁耗标么值 PFe*= PFe/ PN=233.2/10×103=0.02392. 总损耗标么值 p*= Pcu1* +PAl2*+Pfw*+Ps*+PFe*=0.12393. 输出功率 PN1*=1+p*=1+0.123=1.122794. 效率 =1p*/PN1*=10.1227/1.1227=89.07% (89.07%89%)/89.07%=0.08%<0.5%95. 功率因数 =I1

49、p*/I1*=1.1236/1.309=0.8696. 转差率 SN=0.0275PFer*=0.0113497. 转速 nN=(60f/p)(1SN)=60×60/2×(10.0275)=1750r/min98. 最大转矩倍数 Tm*=2.2744.5 起动性能计算99. 起动电流假设值 Ist=(2.53.5) Tm*Ikw=74A 100. 起动时定转子槽磁势平均值Fst= Ist(Ns1/a1)0.707Ku1+Kd12Kp1(Z1/Z2) =74×32×0.707×1+0.95982×1×(36/26)×

50、=3404A101空气隙中漏磁场的虚拟磁密BL=0Fst/2=0.4×10-6×3022/2×0.5×10-3×0.9377=4.538T =0.64+2.5=0.64+2.5=0.9377由BL查得漏抗饱和系数Kz=0.46102齿顶漏磁饱和引起的定子齿顶宽度的减少CS1=(t1b01)(1Kz)=()×(10.46)=5.96×10-3m 103.齿顶漏磁饱和引起的转子齿顶宽度的减少CS2=(t2b02)(1Kz)=(20.421)×(10.46)=10.5×10-3m104.起动时定子槽比漏磁导=K

51、u1()+KL1= (0.407-0.1865)+ 0.765=0.9762 = =0.195105.起动时定子槽漏抗Xs1(st)* =()Xs1*=(1.055/1.124)×0.440CX=0.3510CX106.起动时定子谐波漏抗X1(st)*=KZ X1*=0.51×0.77 CX =0.3577CX107.起动时定子漏抗X1(st)*= Xs1(st)*+ X1(st)*+XE1*=(0.3510+0.3577+0.3350) CX =0.0455108.考虑集肤效应转子导条相对高度=1.987×10-3hB=1.987×10-3×

52、28×10-360/0.0434×10-6 =1.915hB转子导条高度 hB=284×10-3mbB/bS2导条宽和槽宽之比 bB/bS21109.转子电阻增加系数和电抗减少系数KF=1.8KX=0.778110.起动时转子槽比率磁导=（）+0.778×2.239=1.785=(h02/b02)CS2/(CS2+b02)=(0.5/1)×9.52/(9.52+1)=0.4565111.起动时转子槽漏抗Xs2(st)* =()Xs2*=(1.7854/2.739)×1.256 CX=0.8187CX112.起动时谐波漏抗X2(st)*=KZ X2* =0.51×1.08CX =0.4982CX113.起动时转子斜槽漏抗XSK(st)