Y160M1-8电机设计(题目5)

PAGEPAGE1电机设计任务书三相笼型感应电动机电磁设计及其运行性能的计算周璟瑜2020年6月一、课程设计的性质与目的《电机课程设计》的是电气工程及其自动化专业电机电器及其控制方向（本科）、电机制造（专科）专业的一个重要实践性教学环节，通过电机设计的学习及课程设计的训练，为今后从事电机设计工作、维护的人才打下良好的基础。电机设计课程设计的目的：一是让学生在学完该课程后，对电机设计工作过程有一个全面的、系统的了解。另一个是在设计过程培养学生分析问题、解决问题的能力，培养学生查阅表格、资料的能力，训练学生的绘图和阅图能力，为今后从事电机设计技术工作打下坚实的基础。二、设计内容1.在查阅有关资料的基础上，确定电机主要尺寸、槽配合，定、转子槽形及槽形寸。2.确定定、转子绕组方案。3.完成电机电磁设计计算方案。4.画出定、转子冲片图。5.完成说明书（16开，计算机打印或课程设计纸手写，计算机打印需提供纸质计算原稿）6.对已经完成的电磁设计方案建立有限元模型，利用ANSOFT软件进行运行性能的仿真计算，给出性能分析图表等。三、课程设计的基本要求1．求每位同学独立完成一种型号规格电机的全部电磁方案计算过程，并根据所算结果绘出定、转子冲片图。2．要求计算准确，绘出图形正确、整洁。3．要求学生在设计过程中能正确查阅有关资料、图表及公式。四、设计题目题目5：Y160M1-8额定数据与性能指标1、电机型号Y160M1-82、额定功率PN=4千瓦3、额定频率fN=50赫4、额定电压及接法UN=380伏1-Δ5、极数2P=86、绝缘等级B7、力能指标：效率8、功率因数cos9、最大转矩倍数起动性能：起动电流倍数,起动转矩倍数主要尺寸；定子槽形采用斜肩园底梨形槽：转子采用斜肩平底槽：五、说明书格式1．课程设计封面；2．课程设计任务书；3．三相感应电动机电磁设计特点及设计思想；三相感应电动机是由定子绕组形成的旋转磁场与转子绕组中感应电流的磁场相互作用而产生电磁转矩驱动转子旋转的交流电动机。由于转子方的电动势和电流是靠电磁感应作用产生的，故这种电动机称为感应电动机，如果转子转速与旋转磁场的同步转速相同，转子导条中就不会出现感应电动势，也就没有电磁力和电磁转矩了，所以感应电动机正常运行时转子转速与旋转磁场转速之间总是有差异的，因此三相感应电动机也称为三相异步电动机。确定产生主磁场的磁化力是磁路计算的主要工作，进而根据磁力计算励磁电流，并确定电机的空载特性。此外，通过磁路计算还可以校核电机各部分磁通密度是否合适。参数计算的主要目的是计算电机定、转子的电阻及漏抗。电阻、电抗是电机的重要参数。电阻的大小不仅影响电机的经济性，而且与电机的运行性能有极密切的关系。转子电阻的大小对其转矩特性影响特别突出。因此正确选定及计算这些参数是非常重要的。电磁设计主要包括：eq\o\ac(○,1)电磁计算，额定数据及主要尺寸(1)输出功率(2)额定电压(3)功电流(4)效率(5)功率因数(6)极对数(7)频率(8)定、转子槽数(9)定、转子每极槽数(10)定、转子冲片尺寸(11)极距(12)定、转子齿距(13)绕组节距(14)每相串联(6)定子轭磁密(7)转子轭磁密(8)空气隙磁密(9)各部分磁路所需单位安匝数(10)有效空气隙长度(11)定、转子齿部磁压降(12)定、转子轭部磁压降(13)空气隙磁压降(14)饱和系数(15)每极磁势(16)计算满载磁化电流(17)磁化电流标幺值(18)励磁电抗标幺值等。4.三相感应电动机定、转子绕组方案；eq\o\ac(○,1)对定子绕组的基本要求（1）绕组通过电流之后，必须形成规定的磁极对数，这由正确的连线来确定。（2）三相绕组在空间布置上必须对称，以保证三相磁动势及电动势对称。这不仅要求每相绕组的匝数、线径及在圆周上的分布情况相同，而且要求三相绕组的轴线在空间互差120°电角度，因此一对磁极范围内六个相带的顺序为U1,W2,V1,U2,W1,V2。（3）三相绕组通过电流所建立的磁场在空间的分布应尽量为正弦分布且旋转磁场在三相绕组中的感应电动势必须随时间按正弦规律变化。（4）在一定的导体数之下，建立的磁场最强而且感应电动势最大。（5）用铜量少，嵌线方便，绝缘性能好，机械强度高，散热条件好。异步电动机定子绕组的种类很多，按相数分，有单相、两相和三相绕组；按槽中绕组数量的不同，有单层、双层和单双层混和绕组；按绕组端接部分的形状分，单层绕组有同心式、交叉式和链式之分；双层绕组有叠绕组和波绕组之分；按每极每相所占的槽数是整数还是分数，有整数槽和分数槽之分等。但构成原则是一致的。eq\o\ac(○,2)转子设计电机的转动部分，其作用是导磁、产生感应电动势、产生转矩并拖动负载。由转子铁芯、转子绕组和转轴三部分构成。轴端外接负载，整个转子靠轴承和端盖支承。转子铁芯也是磁路的一部分，通常也由0.5mm厚的硅钢片叠成。转子硅钢片铁芯外圆也冲有均匀分布的齿与槽，槽内安放转子绕组。转子绕组构成转子电路，其作用是流过电流和产生电磁转矩。根据转子绕组的不同，三相异步电动机转子分绕线转子和笼型转子两大类。（1）绕线转子。绕线转子绕组做成对称绕组，极数与定子绕组相同，但不一定要求有相同的相数，而在实际中常常制成相同的相数，故通常所用的三相异步电动机的转子均采用对称的三相绕组。转子绕组多为双层短距波绕组，一般接成星形，它的三相引出线接到固定在转轴上的三个相互绝缘的滑环上，有三组安装在滑环上的电刷与滑环接触，转子绕组通过电刷与外电路接通。（2）笼型转子。笼型转子的铁芯外圆也有均匀分布的槽，每个槽中安放一个导体并伸出铁芯以外，然后用两个端环把所有导条的两端分别连接起来。笼型转子每根导条的感应电动势并不大，导条与铁芯叠片间的接触电阻却不小，所以不需槽绝缘。普通鼠笼转子铁芯的槽型如图所示。通常采用半闭口槽。槽形的选择主要决定于对运行性能和起动性能的要求。小功率电机的起动并非主要矛盾，可以选用平行齿，槽面积相对来讲较大，转子电阻较小，运行性能较好。如需改善起动性能，可选用平行槽，槽面积相对来讲较小，转子电阻较大，提高了起动转矩。如需进一步提高起动转矩、改善起动性能，则需采用深槽和双鼠笼。鼠笼转子中的导条可以是铜或铝。如果是铜材料，就是事先把做好的裸铜条插入转子铁芯槽中，再用铜端环在两端铜条的头上，并用铜焊或银焊把它们焊在一起。对中、小型电机一般都采用铸铝转子，是用熔化了的铝液直接浇铸在转子铁芯槽内，连同端环和风扇一次铸出。有时我们故意使转子槽与转轴倾斜一定角度，此种布置称为斜槽。理由是由于转子齿和槽的存在使空气的磁导不均匀，而产生齿谐波，由于齿谐波的存在，会使某一转子磁场和某一定子磁场有相同的次数时，它们之间相互作用产生同步转矩，同步转矩的存在使机械特性曲线出现较大的下陷，严重地影响起动。为避免定子齿谐波和转子齿谐波间产生同步转矩，定子槽数与转子槽数不应相等，它们之间的差数也不应等于极数。为消除或减小由齿谐波引起的附加转矩，可在转子上应用斜槽，转子条的两端应斜过一定距离，使其等于定子齿距。这样，在同一转子导条中，由于切割定子齿谐波而产生的感应电动势为零，可使定子齿谐波与转子齿谐波不易胶着，可以大大减小转子的振动以及伴随而来的噪音。5．电磁设计设计单；见“八、电机设计具体方案”。6．定、转子冲片图；eq\o\ac(○,1)定子。异步电动机定子铁心是电动机磁路的一部分，由0.35mm～0.5mm厚表面涂有绝缘漆的薄硅钢片叠压而成，如图3.2所示。由于硅钢片较薄而且片与片之间是绝缘的，所以减少了由于交变磁通通过而引起的铁心涡流损耗。铁心内圆有均匀分布的槽口，用来嵌放定子绕圈。1.定子铁芯2.定子冲片示意eq\o\ac(○,2)转子。转子铁心是用0.5mm厚的硅钢片叠压而成，套在转轴上，作用和定子铁心相同，一方面作为电动机磁路的一部分，一方面用来安放转子绕组。转子冲片示意定转子冲片图7．总结与体会；通过本次的《电机设计技术与CAD》课程的课程设计，我对电机的结构和原理等有了一个更加层次的了解。在整个设计过程中，虽然有许多地方都是计算，但还是有一定的难度。由于原本对电机结构并不知晓太深，以至于对一些参数很是陌生。通过不断地学习和一次次的查阅资料来扩展自己的知识面，最终对这些不认识的参数有了一定的认识。在不断的认识和学习的过程中，同时也获得了不少的乐趣，受益匪浅。完成了这次的电机设计对今后的学习和工作将会有很大的帮助。在以后的其他课程当中可能就需要电机的设计，而此次的学习无形当中就为后续的课程打下了基础，也许在今后的工作当中也会涉及到电机的设计，因此完成本次课程设计受益匪浅。六、参考文献1.《电机设计》,陈世坤,第二版2.《中小型电机设计手册》，上海电器科学研究所《中小型电机设计手册》编写组，机械工业出版社.1994年3.《小型三相异步电动机技术手册》，季杏法主编，机械工业出版社19874.《电机设计》，李隆年主编，清华大学出版社5.《电机学》，汤蕴璆主编，机械工业出版社七、软件仿真1.参数设置如图1；图1电机参数2.建立模型如图2；图2电机2D模型理想空载仿真实验（1）转速图像如图3，转速由零速起动，经过一段超调后稳定；图3理想空载转速（2）转矩图像如图4，启动时转矩脉动大，稳定后转矩为零；图4理想空载转矩（3）磁链图像如图5；图5理想空载磁链（3）感应电动势图像如图6；图6理想空载感应电动势（4）电流图像如图7，由图看出，启动时电流较大，稳定后电流减小；图7理想空载电流恒速起动仿真实验（1）转速图像如图8，转速稳定不变；图8恒速起动转速（2）转矩图像如图9，转矩经过稳定后保持恒值；图9恒速起动转矩零速起动后突加负载仿真实验（1）转速图像如图10，突加负载后转速经过脉动后有所下降；图10转速（2）转矩图像如图11，突加负载后转矩上升；图11转矩（3）磁链图像如图12，突加负载后，磁链减小；图12转矩（4）感应电动势图像如图13，突加负载后，感应电动势减小；图13感应电动势（5）电流图像如图14，突加负载后，电流增大；图14电流八、电机设计具体方案（一）额定数据和主要尺寸：额定功率：PN=4KW额定电压及接法：功电流：IKW=P效率：η'功率因数：cosφ'极数：定转子槽数：；定转子每极槽数：；确定电机主要尺寸：K求出计算功率：P初选，，可取，取，假定。V=6.1αp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、气隙确定：取于是铁心有效长度：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、定子绕组采用单层叠绕，线圈节距=6，即1-7。14、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：每相串联导体数：N取并联支路，则每槽导体数N取NS1=38，于是每线圈匝数为38。16、每相串联导体数：N每相串联匝数：N17、绕组线规设计：初选定子电密，由下式计算得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I查附录A表A1选用截面积相近的铜线：高强度漆包线，并绕根数，线径，漆膜厚度～，取，故绝缘后直径,截面积,。18、设计定子槽型：估计定子轭部计算高度：式中，——定子轭部磁密；因轭部磁路较长，体积较大，因此一般取得比略低，以保证合理的铁心损耗和空载电流。一般在～之间。本设计中初选。一般取槽口宽～。为了嵌线方便，应比线径大1.2～1.6mm。槽口高度～。按齿宽和定子轭部计算高度的估算值作出定子槽形如图15，槽形尺寸参考类似产品决定，取，。图15定子槽型图齿宽计算如下：齿部基本平行，齿宽（平均值）。19、计算槽满率：槽面积：槽绝缘采用DMDM复合绝缘,,槽楔为h=5mm层压板,槽绝缘占面积:槽有效面积槽满率符合要求20、绕组系数：其中每相有效串联导体数K21、设计转子槽型与转子绕组：转子采用斜肩平底槽：初步取,估算转子轭部计算高度槽形的齿宽计算如下:导条截面积（转子槽面积）其中由资料查出。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（二）磁路计算1、计算满载电势：初设,由下式,得2、计算每极磁通：初设,Ks`=1.10由图16查得,由下式得图16感应电机的及曲线Φ3、每极下齿部截面积：4、定转子轭部计算高度：定子：转子：轭部导磁面积5、一极下空气隙截面积：6、磁路计算所选的是通过磁极中心线的闭合回路,该回路上的气隙磁密是最大值。由此计算极弧系数,此求得波幅系数：。7、计算气隙磁密：B8、对应气隙磁密最大值处的定子齿部磁密B9、转子齿部磁密B10、对应上述磁密的磁场强度;11、有效气隙长度其中气隙系数按下式计算12、齿部磁路计算长度按下式计算：13、按下式计算轭部磁路计算长度14、计算气隙磁压降：F15、齿部磁压降：16、饱和系数：K与初设值相比较,误差，合格。17、定子轭部磁密：B18、转子轭部磁密：B19、对应上述磁密强度：20、计算轭部磁压降,其中轭部磁位降校正系数如图3.4所示。，，于是，，于是21、每极磁势：F22、计算满载磁化电流：23、磁化电流标幺值：24、励磁电抗按下式计算：XX（三）参数计算1、线圈平均半匝长：定子线圈节距定子线圈图其中节距比：直线部分长度：其中，是线圈直线部分伸出铁心的长度，取10～30mm，本设计中0.02m。平均半匝长：其中是经验系数，2极取1.16，4、6极取1.2，8极取1.25。2、端部平均长：3、漏抗系数：4、定子槽比漏磁导：其中：5、定子槽漏抗6、定子谐波漏抗：其中由，可查表得。7、定子端部漏抗：8、定子漏抗标幺值：9、转子槽比漏磁导：其中：由、得。10、转子漏抗标幺值：11、转子谐波漏抗标幺值：其中：。12、转子绕组端部漏抗标幺值：13、转子斜槽漏抗：14、转子漏抗标幺值15、定转子漏抗标幺值之和：16、定子绕组直流电阻：R其中为B级绝缘平均工作温度75°时铜的电阻率。17、定子绕组相电阻标幺值：R18、有效材料的计算：定子铜的重量其中C是考虑导线绝缘和引线重量的系数，漆包圆铜线C=1.05，是铜的密度。硅钢片重量其中是冲剪余量;是硅钢片密度。19、转子电阻：导条电阻折算值RR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R导条电阻标幺值端环电阻标幺值转子电阻标么值工作性能计算1、满载时定子电流有功分量标么值2、满载时转子电流无功分量标么值3、满载时定子电流无功分量标么值4、满载电势标么值与22项初设值KE相符5、空载时电势标么值6、空载时定子齿磁密7、空载时转子齿磁密Bt20==1.3157T8、空载时定子轭磁密Bj10==0.6656T9、空载时转子轭磁密Bj20==0.5293T10、空载时气隙磁密==0.7061T11、空载时定子齿部磁压降Ft10=Ht10Lt1=46.8×102×15.97×10-3=74.74A12、空载时转子齿部磁压降Ft20=Ht20Lt2=53.4×102×23×10-3=122.82A13、空载时定子轭部磁压降Fj10=Cj1Hj10Lj1=0.40×20.1×102×78.81×10-3=63.36A14、空载时转子轭部磁压降Fj20=Cj2Hj20Lj2=0.43×8.90×102×27.69×10-3=10.597A15、空气隙磁压降=244.05A16、空载总磁压降=74.74+122.82+63.36+10.597+244.05=504.97A17、空载磁化电流=2.56A工作性能计算1、定子电流标么值===1.527定子电流实际值1.527×4.82=7.36A2、定子电流密度J1=3、线负荷A1=m4、转子电流标么值I2*===1.2293转子电流实际值I2==237.253A端环电流实际值IR=I5、转子电流密度导条电密J端环电密J6、定子电气损耗=0.0898359.2W7、转子电气损耗=1.22932×0.0328=0.0496PAl2=PAl2*PN=0.0496×5.5×103=272.6W8、附加损耗铜条转子Ps*=0.02Ps=Ps*PN=0.02×5.5×103=80W9、机械损耗二级封闭自扇冷式Pfw=(3/p)2(D1)4×104=(3/4)2×(0.27)4×104=29.89W机械损耗标么值Pfw*=Pfw/PN=0.0074710、定子铁耗(1)定子轭重量Gt=4pAt1Lt1=4×2×0.006362×25×10-3×7.8×103=19.85㎏(2)定子齿重量Gj=2pAj1Lj1′=4×2×4.063×10-3×47.92×10-3×7.8×103=24.30㎏(3)损耗系数Phet=6.8Phej=5.1(4)定子齿损耗PFet=K1PhetGt=2×5.10×19.85=202.47W(5)定子轭损耗PFej=K2PhejGj=2.5×6.80×24.30=413.1W(6)定子铁耗PFe=PFet+PFej=202.47+413.1=615.57W对于半闭口槽按经验取K1=2K2=2.5铁耗标么值PFe*=PFe/PN=0.15411、总损耗标么值Σp*=Pcu1*+PAl2*+Pfw*+Ps*+PFe*=0.1648112、输出功率PN1*=1+Σp*=1.1648113、效率=1－Σp*/PN1*=0.8485(84%－84.85%)/84%=-1%<0.5%14、功率因数=I1p*/I1*=0.72315、转差率SN===0.0455PFer*===0.0154

16、转速nN=(60f/p)(1－SN)=60×50/4×(1－0.04545)=715r/min17、最大转矩倍数Tm*===1.8516起动性能计算1、起动电流假设值Ist′=(2.5~3.5)Tm*Ikw=3×1.8516×4.82=26.77A2、起动时定转子槽磁势平均值Fst=Ist′(Ns1/a1)0.707[Ku1+Kd12Kp1(Z1/Z2)]=26.77×（40/0.69）×0.707×[1+0.96592×1×(48/44)]×=2144.03A3、空气隙中漏磁场的虚拟磁密BL=μ0Fst/2=0.4π×10-6×2144.03/2×0.4×10-3×0.6824=3.9542T=0.64+2.5=0.64+2.5=0.6824由BL查得漏抗饱和系数Kz=0.444、齿顶漏磁饱和引起的定子齿顶宽度的减少CS1=(t1－b01)(1－Kz)=(11.3-3.2)×(1－0.44)=4.536×10-3m5、齿顶漏磁饱和引起的转子齿顶宽度的减少CS2=(t2－b02)(1－Kz)=(12.3－1)×(1－0.44)=6.102×10-3m6、起动时定子槽比漏磁导=Ku1(－)+KL1=(0.25-0.2359)+0.367=0.3811==0.23597、起动时定子槽漏抗Xs1(st)*=()Xs1*=(0.3811/0.617)×0.3291CX=0.2033CX8、起动时定子谐波漏抗Xδ1(st)*=KZXδ1*=0.44×1.9447CX=0.855668CX9、起动时定子漏抗Xσ1(st)*=Xs1(st)*+Xδ1(st)*+XE1*=(0.2033+0.855668+0.2702)CX=0.052810.考虑集肤效应转子导条相对高度=1.987×10-3hB=1.987×10-3×