电机电磁计算说明

1、鼠笼型转子三相异步电动机电磁计算说明一、 主要性能数据电动机五个重要的性能指标效率 、功率因数 cos 、最大转矩倍数 Tst 、堵转转矩倍数 Tst 、堵转电流倍 数 Ist 。电动机的额定值额定功率：电动机在额定情况运行下，由轴端输出的机械功率，单位 kW 。 额定电压：电动机额定运行时外加于定子绕组上的线电压，单位 V 。 额定频率：电动机额定运行时电频率，单位Hz。额定电流：电动机在额定电压、额定频率下、轴端有额定功率输出时，通过定子绕组的 线电流单位 A 。r /min。在电磁计算中什么是标幺值？怎么表示？ 标幺值是一种比值，它表示的是实际值与基值的11I i i I 111IKW楚

2、的反映各参数之间的关系。电磁计算中基值有那些。功率基功率基值 ： 值：额定输出功率 P ，单位 kW2额定相电压 U ，单位 V1电流基值：IKW，单位 A阻抗基值：U ，单位1IKW输出功率的计算过程2111P 3 Icos U （IU 2111YU3 U，接时 I3 I （用相量计算可证明 ）1N121N123UIcosNN2P1023功电流： IK2KW，单位 A 。U1二、 三相交流绕组对三相交流绕组的要求在一定的导体数下，获得较大的基波电势和基波磁势。三相电势和磁势必须对称，即三相大小相等相位互差 120。电势和磁势波形尽可能接近正弦波，谐波分量要小。用铜量少，绝缘性能和机械性能可靠

3、。三相绕组的分类按槽内层数分类，可分为双层绕组和单层绕组。按每极每相槽数分类，可分为整数槽绕组和分数槽绕组。按排列方式可分为，双层绕组可分为迭绕组、波绕组；单层绕组可分为等元件 绕组、单层交叉绕组和单层同心绕组。每极每相槽数 q 为了使三相电势相等，每相在每极下应占有相等的槽数，该槽数成为每极每相槽数。一 般用 q表示， qZ （Z为槽数， p为极数）。q可以是整数，也可以是分数。 为分 mp数时 q ab 中 c 不能是 3 或 3 的倍数。c最大并联支路数 a对于整数槽 amax p ，对于分数槽 q ab ，amax p。cc极距 和节距 y极距 Z （槽），当线圈的节距 y 时成为等距

4、绕组，当 y 时成为短距绕组。在p电动机设计中一般采用短距绕组来降低高次谐波的影响。三相交流电机的磁路计算感应电势m当磁通密度幅值为B的正弦磁场以速度 v切割长度为 l 的导体时，会在导体内部感应度为幅值E的电势，即E lv当Bm的单位为T，l的单位为m，v的单位为mm/sm/sEV。导体电势根据电路基础，导体电势得有效值EEc1 2E c1m2.22 f（推导过程省略） ，其中 f为频率， 为每极磁通。匝电势t1线圈得两条边在不同极下，感应电势的大小相等、方向相反，且在时间上相故 整距线 圈的 匝电势 E2E4.44 f ，考 虑到短 距对电 势的 影 响 t1180 ，t1E2E4.44t

5、1线圈电势K，其中 Ksin( y 90 成为短距系数。p1p1y1Et1y1E线圈组电势考虑到线圈的分布对电势的影响（存在电角度差），线圈组（ q个线圈）的电势qaEq1 q Ey1 K d1，其中 Kd1sin p2 ，称为绕组的分布系数。 ( a p )q sina Q11 2E 4.44Kdp1f ，其中 kdp1kd1 kp1， 为每极磁通量， 为每相串联导体数。在电磁计算中一般要先假定电势求磁通，即1E （0.85 0.95）U ，其中 U为定子绕组每相电压12.22 fK1dp1K1磁通密度、磁势的计算电机的每极磁路通过了 2 个定子齿、 1 个定子轭、 2 个转子齿、1 个转子

6、轭、 2 个气隙。Bt1FsSt1st1转子齿部磁密 Bt2 Fs St21定子轭部磁密 B c1 12 Sc1c1转子轭部磁密 Bc 2 1c2 2 Sc2gFs气隙磁密 BgFsSgsgF其中 sF是反应磁路饱和影响的波幅系数， S 为各部分磁路面积。 在求得磁路各部分磁通密度后，根据铁心的磁化曲线可获得各部分的单位长度磁势 at ， 用 at 乘以各部分磁路长度 l可得到各部分磁路的磁势，但气隙磁势求法不同。ggeec1AT 0.8 B g ， 其 中g gKK为有效气隙长度。将各部分磁路的磁势加可得每极所需磁势 ATggeec1磁密的单位为 Tesla(国际单位制)或 Gauss， 1

7、T 10000G 磁势的单位为 A 或 A T(Amp Turn)。磁化电流满载磁化电流m 2.22 AT p 单位 A。ImKdp1满载磁化电流标么值kw满载磁化电流标么XU )激磁电抗标么值 xmmI1Im0m101 m11空载电势标么值 e 1ix (E U IX)，其中 x 为考虑定子槽漏磁、 端0m101 m11p1 r11p1 r1e 1 (i r i x )(E U (I R I Xp1 r11p1 r11 i1cos1r为定子电流中的无功分量rir im ix i1 si n ，ix 为满载电抗电流其大小反应了电机的漏磁、 谐波影响的程度， 可用电路法直接求解出。利用电机空载电

8、势和满载电势的比值可轻松求出空载磁路特性（如t10e Bt1 ），根0e0据空载磁路可得空载磁化电流I2.22 AT p0m K0m0dp1电机的电流 电流是电机计算中的最关键参数，电磁计算其实就是计算电机各部分电流。 有功电流概念：有功电流是指定子电流中以做功（发热或产生机械能）形式消耗掉的部表示。I分，用pIr无功电流概念： 无功电流是指定子电流中用于能量转换 （激励磁通、 电抗电流） 的部分， 其本身不产生热量，用 I 表示。r1定子电流是有功电流分量和无功电流分量的矢量和，用I表示。112 r2 ，转子电流（导条电流）i22 2i2i2I2 m1IKW1Kdp1dp1，试中2px 2

9、2KW Q2mK1dp1是将转子电流折算到定子侧的电流变比，由于铸铝转子绕组是一个对称的dp1Q2多相绕组（每根导条为一相） ，实际上转子绕组共有 N 根导体，其绕组系数为 1。I RI22端环电流Q，即表示将端环电流按电角度 （ I RI222R2流计算。四、电动机的功率方程平衡方程21cu1fecu2sP P PPPP P21cu1fecu2s额定功率2NP3UIcos2N输入功率P13UNINcos是输入电机的有功电功率。定子铜耗cu11cu11定子铁耗2fe0fe0心磁路各部分磁通密度查到对应的每单位损耗值，再乘以铁心总重量，在通过校 正系数得到的。 铁耗的大小与最大磁密、 额定频率、

10、 材料用量、 单片厚度成正比。 注意， 实际中还存在转子铁耗，但转子频率非常低 f 2 s f1，故可忽略不计。转子铜耗cu2222cu2222杂散损耗sP 是反应漏磁通、 谐波磁通、 磁谐波磁通产生的有害附加转矩对电机的损耗，一般按验或标准选取。s机械损耗fwP是考虑风扇和轴承对电机的损耗，一般按经验取。fw转差率SP PfePPs表示为铜耗占总电磁功率的比例，式中Pfefe为旋转铁耗约占铁耗的 65。效率2P 为输出功率与输入功率的比值。2P1功率因数cosIKWIp1五、最大转矩 cosIKWIp1六、起动计算 鼠笼型转子电动机的起动计算十分复杂，因为起动时，起动电流很大，导致磁路饱和，

11、 磁路的各个参数改变，不能按原磁路参数计算。另外由于转子导条有集肤效应（又称挤 流效应） 使转子的有效槽高变短， 又改变了转子参数。 下面简单介绍一下这些关键参数。ZK起动时由于磁路饱和引起漏抗变化系数。ZK R 考虑集肤效应使转子电阻增加系数。一般大于1KX 考虑集肤效应使转子电抗减小系数。一般小于 111比。U1，表示起动电流与额定电压成正比与起动阻抗成反ZI zist 1 st 1r（1rst 2s2t z，所以要想明显的增大起动转矩，就需要增大转子起动s2t电阻在总起动阻抗中的占有率。七、电磁计算中关键尺寸及其影响冲片、槽形尺寸 在相同磁密的情况下冲片尺寸越大其磁通越大，也就是出力越大

12、。 B 。S 在相同冲片的下，定子槽形越大，其能容纳的导体面积越大，可以降低电密，减小热负 荷，减小电阻（匝数不变）和定子铜耗，降低槽满率（匝数、线规不变） ，但定子齿部 磁密升高，激磁电流增大导致定子电流增大（满载时影响不大） ，铁耗增大。 在相同冲片的下，转子槽形增大，可降低导条电密，减小热负荷，减小转子电阻和转子 铜耗，但转子齿部磁密升高，激磁电流增大导致定子电流增大（满载时影响不大） ，无 转子铁耗故铁耗不受影响。但影响最大的是起动性能，使起动转矩大幅下降。 调整转子冲片槽形可以在起动转矩减小不大的情况下，有效的降低起动电流；采用短槽 形可以增大起动转矩和转差率，适用于高转差电机。所以

13、说，转子槽形的合理性是十分 重要的。气隙尺寸气隙是电机中机电能量转换的重要部分，其尺寸十分重要。空气的磁导率要远低于铁磁 材料（相关知识见电磁场教材） ，所以虽然气隙很小但所需的激磁磁势却是最大的，于激磁电流为无功电流，所以说减小气隙可以显著提高功率因数，但会导致气隙中的附加矩增强，影响电机的转矩，杂散损耗增大，装配困难。长 铁心的最明显缺点是浪费材料，和可能造成端部紧张。绕组匝数 这是个十分重要的参数，在感应电势一定时，匝数越少，产生的磁通就越大2.22 fE ，减小匝数可以提高电流，但磁密也相应提高，堵转转矩、最1Kdp11K大转矩增大，堵转电流也随之提高。同需求 采用不同的材料。普通低压

14、鼠笼型电机和高转速高压电机一般采用铸铝鼠笼。其优点是工艺简 单， 机械性能可靠，价格便宜，能满足一般。部分低转速的高压电机，和热容量要求大的低压电机一般采用铜条转子。其优点是， 转子电阻小， 产生的热量小， 可提高效率， 材料材质均匀不会出现细条、 断条、气孔等缺陷。其缺点也很明显，价格高，工艺性差（导条与端环焊接） ， 转矩低，易受离心力影响。对于对起动转矩要求高的电机（如起重及冶金用电动机） ，转子鼠笼用铝锰合 金铸成，其特点是转子电阻率高，起动转矩大。但缺点是转子电阻大，转子发 热大，电机效率低。 （铜耗是普通铸铝的大约 2 倍）。八、电磁计算时各主要参数和常见问题定子电流、定子电流密度

15、1定子相电流用 I 表示， 是电磁计算中至关重要的物理量。定子电流的大小取决于激磁 电流和转子电流，一般设计合理的电机不同方案的额定电流基本在一定范围内。定子电 流密度11JI 其中 S 11a S11注意取值应在合理范围（2.54.0A/mm22），太高则导致电机温升过高，太低则浪费材料。激磁电流m0m0激磁电流 I m （空载时为 I， IIm0m0电流过大会导致功率因数降低、定子损耗过大、效率降低。降低 I m 的方法有减小气隙、 采用磁化性能更好的铁磁材料（具体可参考铁磁材料的磁化曲线） 、在磁通密度 B 合理 的条件下尽量减小磁路体积。其中减小气隙可有效的降低激磁电流提高功率因数，但

16、会 导致转子装配困难、增大寄生转矩和杂散损耗。转子电流2转子电流 I 基本上是有功电流 （还包含无功的电抗电流）转子电流的有功部分基本不变（转子电流的有功分量与负载大小成正比） ，其无功部分 的与电机的等效电抗和有功电流的乘积成正比。2定子电阻 定子电阻就是定子每相绕组的电阻，计算时是根据材料的电阻率算出，试验时是用直流 电桥测出。电动机的定子电阻一般都很小，对磁路的影响也不大，但如果合理的控制绕组端部尺寸可减小定子电阻，从而降低定子铜耗提高效率。等效电抗等效电抗 X 是综合反应电机由于槽漏磁、 绕组端部漏磁、 谐波影响、 斜槽设计对电机磁路的影响。等效电抗过大会增大无功电流使电机效率、功率因

17、数降低。采用合理的节距可有效降低谐波影响。转子采用斜槽设计（也可采用定子斜槽）可有效降低齿谐波的影 响。采用磁性槽楔或闭口槽设计可减少槽漏磁。减小端部尺寸可降低端部漏磁。磁通密度（磁感应强度）磁通密度 B 再磁路计算中一般分为 5 部分，其中气隙磁密一般取值 0.5 0.8T ，定子齿部磁密冷轧片一般不要高于 1.6T ，热轧片一般不要高于 1.5T （最好仔细研究材料的磁 化曲线找出最佳磁密点） 。因为转子频率非常低，转子磁密可以略高，但转子磁密太高 会增大激磁电流和电抗电流，使转子铜耗增加。为了提高电机的效率，并使材料充分利 用，定子磁密选在 1.48T1.52T（硅钢片 50W470 ）

18、为最佳点，其它类型硅钢片需进一 步试验总结。磁场强度铁磁材料的磁场强度 H 与磁通密度 B 并非线性关系，需要根据铁磁材料的磁化曲线来B查 。而 空 气 隙 的 磁场 强 度 与 磁通 密 度有 如下 关 系 H ， 其 中 004 100（H /m）为真空磁导率。7效率效率 是输出功率与输入功率的比值。要提高效率必须降低输入功率，实际上是降低各 部分损耗。降低定子电流、定子电阻可降低定子铜耗；降低转子电流、转子电阻可降低 转子铜耗；降低磁通密度、选择低损耗的硅钢板可降低铁耗。功率因数功率因数 cos是定子电流的有功分量与定子电流的比值 cos I，想提高功率因数p1I 就必须降低额定电流中无功分量（激磁电流、电抗电流） ，减小气隙和降低磁密可有效 的提高功率因数。1起动电流、起动转距st起动电流I与起动转距T成正比关系。要增大起动转矩，需增大起动时转子电阻占起 动阻抗的比例，采用高电阻率材料制造转子绕