毕业论文-Ф90-550W单相串励电动机电磁设计

=69.5362%电枢绕组平均半匝长式中电枢绕组电阻==3.0589计算功率式中旋转电动势实槽节距短距系数每极磁通（5）换向性能换向器节距换向器片距电刷尺寸电刷电流密度换向区域宽度式中电枢齿距电枢齿顶宽电枢齿宽上部齿宽：下部齿宽：平均尺宽：电枢槽宽电枢槽形系数式中电枢单位漏磁导电枢每元件匝数换向元件电抗电动势换向元件反应电动势换向元件变压器电动势（6）磁路计算定子轭高电枢轭高式中转轴采用双重绝缘，。定子轭部磁密电枢轭部磁密定子磁极磁密气隙磁密电枢齿磁密根据和查附录表得，根据和查附录表得，定子轭部磁路长度电枢轭部磁路长度电枢齿部磁路长度气隙系数气隙磁压降定子轭部磁压降电枢轭部磁压降定子磁极磁压降电枢齿部磁压降去磁磁动势换向增磁磁动势电枢反应磁动势式中(查附录图)总磁压降定子每极匝数定子导线线规导线截面积定子绕组电流密度（7）工作性能计算定子绕组线模宽度定子绕组线模长度定子绕组线模高度定子绕组线模每层匝数式中定子绕组宽度定子绕组平均每匝长度定子绕组电阻定子绕组电阻电压降电枢绕组电压降定子绕组漏抗电压降电枢绕组漏抗电压降定子绕组自感电动势电枢绕组交轴电动势电枢绕组变压器电动势定子轭部重量定子磁极重量电枢轭部重量电枢齿部重电枢旋转频率95.基本铁耗式中、，可查表得零速时电枢磁滞损耗式中、查表可得电枢谐波损耗总损耗换向损耗式中（按查附录图）电压有功分量;电压无功分量端电压功率因数，与24项相符定子铜耗电枢铜耗机械损耗和附加损耗（根据电枢外径和转速查附录图）。总损耗效率，与24项相符。（8）有效材料硅钢片重量定子绕组铜重量电枢然组铜重量4.2电机调整方案电机的重要数据可以通过前面的章节初步确定，但是欲得到合理的方案设计数据，则需要通过计算机调试来获得，实验结果如果不能满足要求，则需要进行再次方案调整，直至符合国家标准和用户要求。电机方案的调整和优化是一项非常复杂的工作，要综合考虑电机主要参数对电机性能的影响。下面我们把计算中可能遇到的问题、调整方法以及调试方案所得分析介绍如下。现象原因调整方法注意事项一、效率η低1、定子铝（铜）损耗大降低定子绕组电阻：（1）增大导线面积（2）减少每相串联导体数（即减少每槽导体数）（3）减少绕组端部长度（1）槽满率增高，嵌线困难（2）用铝（铜）量增加（1）漏抗减小，起动电流增高（2）齿、轭部磁密增高，铁耗增加，功率因数可能下降（1）嵌线困难2、转子铝（铜）损耗大降低转子绕组电阻：（1）增大转子槽面积（2）端环尺寸放大（特别是两极电机）（1）齿、轭部磁密增高，功率因数下降（2）转子电阻减小，引起起动转矩下降（1）过厚可能引起裂纹、缩孔3、铁耗大降低定子铁心成磁密：（1）减小定子内径（中圆）、改变定子槽形，适当地降低定子磁密，使定、转子齿、轭磁密和损耗分配合理（2）增加铁心长（特别是设法增加净铁心长，如采取氧化膜、退火等工艺措施，注意提高涂漆质量）降低旋转铁耗：（3）减少定转子槽口宽度以及采用闭口槽（一般用于转子）和磁性楔（一般用于定子）调整铝（铜）耗与铁耗分配：（4）增加定子绕组匝数（1）转子齿、轭部磁密增高（1）用铁量增加（1）漏抗增加，起动转矩、最大转矩下降（1）铝（铜）损耗增加4、机械损耗大（1）减小风扇尺寸（2）轴承润滑油适合（3）提高装配质量（1）温升升高5、杂散损耗大（1）工艺处理（转子脱壳、硅钢片退火等）减少横向电流损耗（2）选择合适槽配合（3）适当增大气隙（4）采用磁性槽楔、闭口槽和合适的转子槽斜度等（1）注意附加转矩、振动和噪声（1）功率因数下降（1）漏抗增加，起动转矩、最大转矩下降二、功率因数低1、磁化电流大（1）增加定子绕组每槽导体数，使磁通密度下降（2）增加铁心长（3）减小气隙（4）调整槽形尺寸，使定转子齿、轭磁密分布合理（1）电抗电流有所上升（2）漏抗增大，起动转矩、最大转矩下降（1）用铁量增加（1）杂散损耗增加（2）可靠性下降（3）谐波漏抗增加2、漏电抗大（1）减少每槽导体数（2）减少铁心长（3）改变槽形尺寸，减少槽漏抗（1）磁化电流增加三、起动电流大1、漏电抗小（1）增加每槽导体数（2）改变定转子槽形，使槽变成深而窄（3）减小槽口，肩部斜度增加（即α角增大）使漏磁磁路不致过分饱和（1）定子铝（铜）损耗增加、效率降低（2）漏抗大，起动转矩降低（1）轭部磁密过饱和，功率因数下降四、起动转矩和最大转矩小1、漏电抗大（1）适当减少定子绕组每槽导体数（2）改变定转子槽形，增加槽宽、减小槽高（1）起动电流增大（1）定转子齿磁密过饱和，引起功率因数下降2、转子电阻不够大（1）改变转子槽形，使槽变深，增加挤流效应（2）适当缩少转子槽面积和端环面积（1）降低功率因数（1）增加损耗、降低效率五、温升高1、线负荷A大（1）减小每槽导体数（1）起动电流增加（2）功率因数下降2、电流密度过大（1）增大导线面积（1）槽满率增高（2）用铝（铜）量增加3、损耗大调整方法如前述4.3方案结果分析方案一：节省材料节省材料无非是节省硅钢片和铜的用量，但还必须保证效率和功率因数满足规定的标准。调整参数的方法可以按以下过程进行：减小铁心长，由原核算时的L=5.2cm4.7cm，此时由于槽满率和感应电动势的限制，每极下的气隙磁通必须保持基本不变，也就是在143600Gs左右，此时必须增加气隙磁密的值。由电机主要尺寸计算公式可知，要使电枢计算长度在4.7cm左右，必须使线负荷和极弧系数必须为一个合适的值，大概为A=129，=0.72。为了让齿部不会过于饱和，可以将槽数从原来的Z=19变为Z=17，从而增大齿的宽度。然后进行总磁势的计算，从而算出励磁绕组的匝数，再计算出端电压的大小，和效率的大小，此时发现效率和端电压的不满足要求，效率过小端电压过大，此时可以减小总磁势的大小，观察各部分的磁密饱和程度可以知道，定子轭部饱和程度比较大，因此可以增大的大小，从=1cm增大到=1.03cm，此时总磁势减小了，励磁绕组匝数减小导致激磁绕组匝数减小，由激磁绕组漏电抗压降和激磁绕组变压器电动势可知，其值都会减小，相应的端电压减小了，而效率也由于定子轭部磁密的减小导致铁耗减小而提高。这样就达到了减小材料损耗的要求。结果数据：项目核算时调整后节约材料原因Gfe(kg)2.73342.47060.2628铁芯长减少；Gcu(kg)0.11550.09930.0162线径不变，但由于铁芯长度的增加，电枢用铜减小了槽满率69.5362%70.2878%线径不变，但每槽导体数增加由结果数据表明，经过电机参数的一些调整后，电机的材料消耗有了明显的减小，硅钢片用量有原来的2.7334kg减小为2.4706kg，铜的用量由原来的0.1155kg减小为0.0162kg，而且效率和功率因数还维持在原来的，。方案二：提高效率在不改变铁芯材料的前提下，可以增加铁芯的长度以减小磁密，从而降低铁芯损耗，增加导线的直径以减小电流密度，从而降低铜耗。这样就可以达到减小损耗的目的，但出于经济上的考虑，材料消耗不能过大，否则会照成造价过高。调整参数的方法按以下过程进行。增大铁芯长度，由核算时的L=5.2cm增加到L=5.7cm，此时因为还有增大电枢绕组的线径，为了保证槽满率符合要求，可以增大槽的面积，可以把R=0.16cm增大到R=0.17cm，h1=0.67cm增大到h1=0.68cm，把电枢绕组线规从d1/d2=0.49/5.5cm改为d1/d2=0.51/0.58cm。结果数据：主要指标核算时调整后偏差百分比原因0.9170.931.4%端电压无功分量减小效率0.6820.725.57%损耗减小端电压E221.626220.9160.32%电压降增加Gfe(kg)2.73342.99629.61%铁心长增加Gcu(kg)0.11570.132214.2%线径加大此时每槽导体数基本不变，为了使感应电动势E不变，每极气隙磁通必须基本不变，因为铁芯长度变长了，所以气隙磁密必须减小，可以使=4990Gs，这样电机每个部分的磁通密度减小了，从而铁耗减小了，电枢线径增大了，虽然铜线长度增加，但电阻还是减小了，以致铜耗减小。然后计算总的磁动势的大小，从而可以算出励磁绕组和励磁电流的大小，最后进行电机参数的计算和核算，因为总的磁动势基本不变，导致励磁绕组匝数基本不变，所以励磁绕组变压器电势基本不变，以致于端电压不会太大，刚好符合要求，功率因数也提高了，效率也提高了，核算也满足要求。分析结果：1）增加铁心长，电机每个部分的磁通密度减小，导致铁损耗减小；2）铁心长增加，使用的铁量由2.7334kg增加为2.9962kg，线径增大，铜损耗Pcu有所下降。线径增大，用铜量上升，由原来的0.1157kg增为0.1322kg，槽满率上升，由原核算时的Sn=69.5362%Sn=72.9751%,从而使槽的利用率得到了提到，但相应嵌线难度加大过高嵌线困难，劳动量及工时增加，容易损伤绝缘。4.4提高电机工作性能的其他措施提高电机工作性能还可以采用一些其他措施。合理选取近槽配合，采用少槽-近槽配合，同时增加定转子槽数，可以降低电机系数损耗。采用较好的导磁材料，可以降低电机的铁耗。合理设计风扇，进一步解决温升的问题，可以提高电机的效率。采用正弦绕组，可减少电机的相带谐波，改善气隙磁势曲线，以接近正弦分布，提高基波分布系数，从而减少电机导致损耗，提高效率。总结本次毕业设计是大学教学计划的重要环节，也是大学最后的学习阶段和综合训练阶段，是对学生学习与实践成果的全面总结，更是对大学四年教学计划和培养目标的全面检验。毕业设计不仅对所学知识起到深化和提高的作用，也是毕业资格认定的重要依据。通过这次毕业设计，使我对所学的专业知识得到了一个总结，也解决了许多以往学习中还不太明白的问题，让我对异步电动机的设计有了一个更直观的认识，也提高了我对所学专业知识的应用能力。因为一直都是在学理论知识，所以欠缺知识的实际运用，一开始老是觉得比较难，而且大四又有很多外来的因素干扰，使得毕业设计中遇到了蛮多的困难，还好在老师和同学们的帮助下坚持下来，之后发现其实也没想象中的难，什么事情只要钻进去了，就会觉得豁然开朗。在毕业设计过程中，我发现我对以往所学知识的掌握还不够彻底，还存在着许多问题，于是又反复看了几遍《电机学》、《电机设计》等基本专业书籍，对于这几门专业课程有了更深的认识。通过毕业设计的学习和实践，我收获了很多，也扩大了我的视野，进一步认识到自己的水平。通过毕业设计，夯实了我在学校所学的专业基础知识，提高了实践能力，使我能尽快地处理和解决做毕设过程中遇到的问题，特别是提高自学能力和独立思考并解决问题的能力。当然经过这么长时间的准备、酝酿，终于把论文写好了，这也就意味着毕业设计也快要落下帷幕了。其中的酸甜苦辣也只有自己体验出来，从刚刚开始一步一步手算程序，了解到各个公式中参数的含义及每一步骤计算的目的。然后一遍又一遍的对电磁设计程序进行修改优化。一开始的确有些茫然，面对诸多的数据，不知道改哪些也不敢随便乱改，只有自己一遍一遍的尝试，结合理论知识和老师的指导，经过几十次的修改，才最后得到最优化的程序。最后，为了画好定转子冲片图和装配图，自己自学了AUTOCAD。总而言之，这次是大学最后一次考验，也是对大学四年的考察，总的来说还比较满意吧。参考文献[1]孙旭东，王善铭.电机学[M].北京：清华大学出版社，2006年[2]戴文进，徐龙权.电机学[M].北京：清华大学出版社，2008年[3]陈世坤.电机设计（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2000年[4]张国华.单相交流串励电动机温升计算和振动分析[D].南京:东南大学，2004年[5]焦志强.带换向器的单相串励电动机调速控制系统谐波问题研究[D].西安：西安电子科技大学，2009年[6]罗洪.单相串励换向器电机异常噪声故障原因和排除方法[D].瑞安：瑞安长城换向器有限公司，2003年[7]彭亦胥.单相串励电动机的换向及其改善方法[D].丽水：丽水职业技术学院，2004年附图外文翻译APreliminaryInvestigationofComputer-AidedSchwarz-ChristoffelTransformationforElectricMachineDesignandAnalysisAbstract-Analternativemethodtofiniteelementanalysis(SC)conformalmappingtheoryusingtheSCToolboxforMATLAB®thathasappearedinthedevelopedmachinecross-sectiondomainismappedviaSCfortheelectromagnetic(EM)fieldsareknown.Thesesolutionsaremappedbacktotheoriginaldomain,thussolvingtheExamplesaregiveninwhichtheprocedureisusedtocalculatetheEMfieldintheairgapofandtheforceontherotorofvarious2Ddevelopedmachinecross-sections.Thenumericalaccuracyoftheresultsisverifiedbycomparingthesolutionsastheairgapgetssmallwithmagneticequivalentcircuit(MEC)-I.INTRODUCTIONThemostgeneralelectricmachinedesignproblemcanbedescribedasfollowsgivenasetofdesiredmachineoutputcharacteristics,findtheoptimummachinegeometry,materials,andinputsourcecharacteristicsthatwillachieveform,especially-consideringtherecentincreaseintheavailabilityofinverters,exoticpermanentmagnetUsuallyseveral-assumptionsandbasicaprioridesigndecisionsmustbemadetorendertheproblemtractable.AaroughdesignwhichmightincludethetypeofmachineaniterativeprocessusingFEAsoftwareuntilanacceptablematchtothedesiredoutputisfound.WhileFEAisapowerfulanalysistoolthatisfairlyeasytouseandwidelyavailableinanumberofcommercialsoftwarepackages,itsutilityindesignislessobvious.UsingFEA,itisoftendifficulttoseetherelationshipsbetweenvariousinputandoutputparameterswithoutextensiveandtime-consumingiterations.Frequently,thenecessaryaccuracyneededforagivenproblemcannotbeachievedwithoutunreasonabletodesign,canbeausefuladditiontothemachinedesigner’sThispaperinvestigatestheutilityoftheMATLAB®SCToolbox,afreeadd-ontoolboxdevelopedbyT.Driscoll[1-3]thatautomatestheprocessofcalculatingSCmaps.TheSCmethodisa2Dcomplexanalysistoolthatallowsonetocircumventmanyofthedifficultiesencounteredwhensolvingaboundaryvalueproblemonadomaindefinedbyaeasilysolvetheproblem,andthenmapthesolutionbacktotheoriginalgeometry.ThekeytosuccessfullyapplyingtheSCSCToolboxmakesthisstepmucheasierthanithasbeenThetorque(force)onthemoveablememberofanelectricmachineisusuallyfoundbyapplyingeithertheCoulombvirtualwork(CVW)method[4,5]ortheMaxwellstresstensor(MST)method[6]totheEMfields[7-10].Ineitheranyerrorsinthecalculatedfieldsarecompoundedwhenmachinearetypicallyconcentratedatsharpcorners(i.e.atpoleteethcorners)whereFEAsolutionsareleastaccurate.WhenusinganFEAfieldsolution,bothCVWandMSTaresensitivetothemeshchoicebecausethefieldsaremeshnodes.Incontrast,SCconformalmappingtheorycancalculateanaccuratesolutionforthefieldsateverypoint.SCmappingdoesnotsufferatsharp-corners.TheSCToolboxmakesitmucheasierthanpreviouslypossibletofindtheEMfieldsaccuratelyusingconformalmapping.WithanaccuratefieldsolutionforcecalculationalsoTheutilityofSCmappingisexploredhereforthenotsuffernearsharpcorners;(iii)thesolutionsallowanII.BACKGROUNDEarlymachinedesignersquicklysawthedifficultiesofTesla’sseminalinductionmachinepaper[11]therearealmostnoequations.MuchofhisdesignwasbasedonatocreatemotionBehrend[12]developedseveralgraphicalandteeth,allofwhichsignificantlychangedtheboundaryconditionsandfielddistributionsinmachines.Conformalmapping,ofwhichtheSCmethodisasubset,wasusedby14].However,duetothemathematical-complexitiesheforallbutthesimplestcases.SignerssubsequentlyusedmeasurementsandobservationstodevelopempiricaldesignThesuccessofthesemethodsiswellIn1929,Hague[16]notedtherewasinsufficientliteratureequations.HepresentedatheoryfordeterminingtheEMofelectricalmachines.Haguefounditsurprisingthatonlyonepersonbeforehim(Searle,in1898[17])hadconsideredthegapbetweenfundamentalfield-basedmachineanalysisandcircuit-basedmodels,itdidnotpresentausefulalternativetothewell-establishedmethodsbecauseHague’ssolutionswereintheformofinfiniteseries.Infact,hissolutionshaveremainedvirtuallyunusedsincehepublishedthem.AquickliteraturesearchrevealsthatlessthantwentyauthorshavecitedHague’sworkintheirresearchoverthepast80years.Conversely,othertextbookmethodsdatingTraditionally,conformalmappinghasbeenusedtosolveconformalmappinghasbeenused,amongotherthings,fortheanalysisanddesignofpolygonalresistors[19],magnetic[23].TheutilityoftheMSTethosformachineforcealkylationhasbeeninvestigatedrecently,butwiththelocalEMfieldsgeneratedusingFEAtousetheMSTmethodonEMfieldscalculatedbySCmappingtoexamineelectricMachines.ThisworkisapreliminaryinvestigationintoboththeSCmethod’sutilityformachinedesignandtheSCToolbox’sutilityinandinterioranglesĮ1ʌ,…,ĮnʌincounterClockwiseorder.Letfbeanyconformalmapfromtheupperhalf-planeH+toPwithf(f)=wn.Then,forsomecomplexconstantsAandThistheoremstatesthataconformalmap(acomplexmapthatpreservesangleslocally)canalwaysbeconstructedthat(exterior)ofanypolygon,andthatthemappingfwillhave’sinallowingtheusertosolveadifficultboundaryvalueproblemonanarbitrarypolygon-shapeddomainbyfirstunlesstheyaresymmetric,ingeneraltheSCintegralin(1)sizethelocationsofpointszk,calledpreventives,areunknownapriori.Inotherwords,thetargetpolygonistoitsverticesarenot.Thus,theSCmethodrequiresthreenumericalsteps:(a)findingpoint’szk;thisisknownasthe(c)invertingthemap.Historically,thesestepshavebeendifficulttoimplementnumericallyformeaningfulproblems.Butrecently,eachof(a)-(c)hasbeencodedintotheSCdomains,andtheToolboxcalculatestheSCmap.TheSCTheSCToolboxwasoriginallyreleasedin1994.ThecurrentVersion2.3werereleasedinAkeyimprovementinVersion2.3istheadditionoftheCRDA27].Thisalgorithmfacilitatesmappingtotomapduetocrowding1.Mosttypicalmotorairgapslots,sothisnewfunctionalityiskeyinmakingtheToolboxusefulformotordesign.TheToolboxprovidesalibraryofcommandlinefunctionsaswellasagraphicaluserinterface中文翻译应用计算机辅助施瓦兹—克里斯托菲尓变换电机设计和分析的初级研究摘要：借助已经出现在以前文献中的MATLABSC工具箱应用施瓦兹-克里斯托菲尔保角映射理论进行电机设计和分析的有限元分析替代方法已经问世。使用这一方法，以使用SC映射把二维开发的机械横截面区域变换为在那进行电磁场求解的同轴圆筒区域而出名。这些解决方案再映射到原始区域，这样就解决了原始问题。所有的映射都是借助工具箱进行的。在给出的例子中，那些程序都被用作计算二维开发机械截面气隙中的电磁场和转子上的力矩。磁性等效电路数值计算的结果通过方案比较进行验证，因为气隙得到小磁等效电路进而导出同能方案。最普遍的电机设计问题可以记述于如下，给出一组要求达到的电机输出特性，找出能达到这些目标的电机最佳几何形状、材料和输入电源特点，在其最普遍的形式上这是一个棘手的问题,尤其考虑到最近在变换器应用、独特的永磁材料、低成本精密的制造业上新增的问题。通常几个假定和基本的先验的设计方案必须达到使问题便于决。一个标准的技术是使用机械理论产生一个粗糙的可以包括电机类型（同步的，电磁感应，永磁等等）、极数和材料的设计。在一个使用有限元分析软件的迭代过程中一个基本的设计方案被分析和优化出，直到找到可以接受的与预期相匹配的结果。尽管有限元分析软件是一个很强大的，相对比较容易使用和在很多商业软件里相对应用比较广泛的分析工具，但在设计方面的实用性不那么明显。使用有限元分析软件，没有大量的费时的迭代，它通常很难找到各种各样的输入输出参数之间的联系。通常，没有不切实际的计算机运行时间，对一个给定问题的必要的精度要求将不能达到。因此，一个更加适合设计的有限元的替代物，能成为机械设计师技能的一个有用的新增物。这篇论文研究MATLABSC工具箱的应用，由T.Drisoll【1—3】开发的能使计算SC图过程自动进行的扩展工具箱。SC