基于MATLAB的异步电机电磁核算程序设计

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1、 毕 业 设 计题 目： 基于MATLAB的异步电机电磁核算程序设计 学 院： 电气信息学院 学生姓名： 导师姓名： 完成日期： 诚 信 声 明本人声明：1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果；2、据查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料；3、我承诺，本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计（论文）任务书题目：基于Matlab的异步电机电磁核算程序设计姓名 学院电气信息学院专业电气工程班级 学号 指导老

2、师 职称讲师/博士教研室主任 一、 基本任务及要求：设计内容：掌握计算辅助电机设计的基本原理和方法，掌握用计算机查表、读图常用方和基本算法。利用MATLAB，编写异步电机的电磁计算程序。主要内容如下：1、掌握异步电机的电磁设计方案和方法；2、电机设计的计算机辅助设计的一般问题如（曲线、表格等的处理）及解决的方法；3、电磁计算的MATLAB编程； 4、利用Matlab设计异步电机电动机的电磁设计程序；特性曲线等的绘制。设计要求：1、绘制规范的程序流程图；2、计算准确（与商业设计程序进行对比）；3、编程规范（程序要添加必要的注释说明内容）、易维护。4、人机界面（用户界面）友好；二、 进度安排及完成

3、时间：1、1月 3 日1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20日4月20日：毕业实习、撰写实习报告；3、4月21日5月20日：毕业设计；4、5月21日6月 5 日：撰写毕业设计论文；5、6月 6 日6月10日：指导老师评阅、电子文档上传FTP；6、6月11日6月12日：毕业设计答辩；目 录摘要IAbstract.II第1章 电机设计概述11.1 电机制造工业的发展概况与发展趋势11.2 电机设计的任务与过程21.3 电机设计的国家标准31.4 电机设计的国际标准4第2章 电子计算机在电机设计中的应用62.1 电子计算机在电机设计中的应用概述62.2 MATLAB

4、与电机设计6第3章 电机设计和电机电磁核算83.1电机设计的步骤和内容93.1.1 电机设计步骤93.1.2电机设计流程93.2 电磁计算步骤与内容103.3 额定数据与主要尺寸103.4 磁路计算143.5 参数计算173.6 工作性能计算223.7 起动性能计算25第4章 电动机的计算机辅助设计284.1 电动机的计算机辅助设计程序设计中相关问题284.2 电动机计算机辅助设计程序编制294.3 电动机的计算机辅助设计程序设计中相关问题处理294.4 图表、曲线的数学处理30第5章 基于MATLAB的电磁设计程序315.1 程序设计思路315.1.1 概述315.1.2 电磁计算的程序设计

5、流程315.2 电磁计算程序设计流程图335.3 电机额定数据和主要尺寸程序分析345.3.1 电机的额定数据345.3.2 额定数据和主要尺寸程序分析345.4 磁路计算与参数计算的程序编写405.5 工作性能与起动性能的程序计算425.5.1 工作性能计算程序425.5.2 起动性能计算44结束语46参考文献47致谢48附录 主程序49基于MATLAB的异步电机电磁核算程序设计基于MATLAB的异步电机电磁核算程序设计摘要：近年来，电子计算机已逐步在电机设计中广泛应用，它不仅作为高速运算工具代替繁复的手工计算，使设计分析水平大大提高，不断发挥其存储和逻辑判断功能，逐步应用到设计综合和设计优

6、化中。而MATLAB是电子计算机应用中最常用的一种软件。根据MATLAB语言在电机设计中的算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等优点，故本文主要应用MATLAB语言来对异步电机电磁核算程序进行设计。异步电机又称感应电机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电机。电磁核算程序设计是电机设计的核心。按照相关标准和技术协议，通过电磁计算，确定电机的主要尺寸、电机参数、工作性能和起动性能。电磁核算程序设计有几种典型方法。它们是有限元法、矩量法、时域有限差分法。关键词： MATLAB；异步电动机；电磁核算程序设计。Asynchronous

7、 Machine Electromagnetism Calculation Programming Based on MATLABAbstract：In recent years, the electronic computer has been widely used in motor design, it not only as the high speed computing tools instead of heavy and complicated, make a design manual calculation analysis level greatly improved, a

8、nd bring into play the storage and the logic function, gradually applied in the comprehensive and design optimization design. And MATLAB is computer applications in a kind of the most commonly used software.MATLAB language in motor design according to the method of development, data visualization, d

9、ata analysis and numerical calculation and other advantages, so in this main application MATLAB language of asynchronous motor to electromagnetic accounting procedures design.Asynchronous motor also called induction motor, is a rotating magnetic field by the air gap and the rotor winding induction c

10、urrent interact to produce electromagnetic torque, so as to realize the mechanical and electrical energy into mechanical energy of a kind of ac motor.Electromagnetic accounting program design is the core of the motor design. According to the relevant standards and technical agreement, through the el

11、ectromagnetic computing, determine the main dimensions of the motor, electrical parameters, working performance and starting performance. Electromagnetic accounting program design have several typical method. They are the finite element method, the method of moments is, the finite difference time me

12、thod.Keywords： MATLAB; Asynchronous Motor; Electromagnetic accounting program design.II第1章 电机设计概述1.1 电机制造工业的发展概况与发展趋势一、 单机容量迅速增长1 单机容量要增加的原因：从制造角度看，功率大，材料越省，效率高，电机材料选用率提高；从运行角度看，功率大，机组数目少，运行人员少，维修费用减小。2 国内单机容量：发电机方面：第一台10MW空冷水轮发电机（1955）、6MW空冷汽轮发电机（1956)和12M双水内冷汽轮发电机（1958）诞生后，又制成100MW双水内冷和氢内冷、125MW与2

13、00MW双水内冷，200MW水氢冷和300MW双水内冷与水氢冷汽轮发电机，225MW空冷、300MW双水内冷与空冷水轮发电机和600MW水氢冷汽轮发电机。国产汽轮发电机在不长时间内就从空冷、氢冷发展到双水内冷和水氢冷，从而掌握了大型汽轮发电机除全氢冷以外的各种发电机技术。其次通过大小水电站的建设，基本上掌握了主要类型水电机组的设计和制造技术，最大的单机容量达到300MW。在大型交直流电机方面，已经制成的重大产品有：6300KW、2极笼形转子感应电动机，4000KW、2极绕线型转子感应电动机、16000KW、16极同步电动机，6300KW、1500r/min整块磁极同步电动机等。3 国外单机容量

14、 汽轮发电机产品方面：上个世纪50年代，大型发电机的单机容量多在100-200MW，60年代增至300-600MW,70年代，已经制成800-1300MW的机组。二、 向多品种发展我国中小型电机系列有72个系列，531个品种 J、JO 第一次统一设计 J2、JO2 第二次统一设计 Y、YO 第三次统一设计（性能好，效率高，噪声小） 基本系列：异步电机 JS2 笼型 JR2 绕线型 T2 同步电机 Z3 直流电机 防爆、船用、潜水派生和专用系列： 单绕组多速、力矩、起重冶金等 单绕组多速、力矩、起重冶金等三、 积极采用新技术、新材料、新结构和新工艺 应用电子计算机进行电磁计算、磁场、温度场和零部

15、件机械计算 异步电机单绕组多速和Y-混合绕组 新技术 同步电机的无刷励磁，静止半导体励磁、谐波励磁和整块磁极 直流机的可控硅供电、无槽电枢 双水内冷却技术、直线电机先后投入生产 绝缘材料：主要采用E、B级，向B、F级过渡 环氧玻璃粉云母带 无溶剂浸渍漆 新材料 聚酰亚胺 DMD复合绝缘（中间为涤纶薄膜，两面为涤纶纤维纸） 玻璃钢（即高强度玻璃纤维增强塑料） 电工材料：向冷轧方面发展 自动化：自动下线、端部开槽 半自动化：总装自动线 新工艺 静电喷漆 中型电机转子导条环氧粉末涂敷 机座射压造型四、 标准化、系列化、通用化程度不断提高五、 积极开展电机理论、测试技术和新型发电方式的研究近年来，我国

16、加大了对电机绕组、附加损耗、附加转矩、电机冷却、大型电机的端部磁场的研究力度并取得了一定的成功。除此之外我们科技人员对原子能、磁流体、地热、太阳能、风力和燃气轮机用于发电开展研究、测试，先后建成了一些大型发电站如大亚湾核电站并投入电网运行。还有对电机测试技术以及超导电技术在电机中的应用开展了研究，并取得了不少成果。1.2 电机设计的任务与过程1、电机设计的任务 根据用户提出的产品规格（功率、电压、转速）和技术要求（效率、参数、温升、机械可靠性）； 结合技术经济方面国家的方针政策和生产实际情况； 运用有关的理论和计算方法； 正确处理设计中遇到的多种矛盾；设计出性能好，体积小、结构简单、运行可靠、

17、制造和使用、维修方便的先进产品。2、设计依据给定：额定功率、额定电压、相数、相间连接法、额定频率、额定转速、额定功率因数3、电机设计过程 准备阶段： 熟悉国家标准； 收集相近电机样本和技术资料； 听取生产使用单位的意见要求； 编制技术任务或技术建议书。 电磁设计：根据技术条件或技术任务书的规定，参照生产实践经验，通过计算方案比较来确定与所设计电磁性能有关的一些尺寸和数据，选定有关材料，并核算电磁性能。 结构设计：机械结构、零部件尺寸、加工要求、材料；机械计算；通风计算；温升计算。4、对设计人员的要求 了解国家的技术经济政策； 本厂的工艺要了解； 要了解用户提出的规格要求； 要熟悉前人的经验知识

18、。1.3 电机设计的国家标准 电机的国家标准是国家有关部门在总结以往电机设计、制造和使用经验的基础上，从当时实际情况出发，并考虑今后发展的需要面对电机提出一定要求的文件。它是电机生产的依据，也是评判的电机质量优劣的准则。国家标准所规定的各项要求是综合考虑了产品的实用性、技术上的先进性，经济上的合理性、使用上的可靠性和生产上的可能性提出的。这些要求之间是密切相关、不可分割的。 我国关于电机的国家标准有国家颁发（代号为GB）和中央各部颁发的（例如原机械工业部颁发的标准代号为JB）两种，后者也称为“部颁标准”。 国家标准（代号GB）：对电机的一般要求规定和技术要求；GB755-87 电机基本技术要求

19、：各类电机技术要求、铭牌、线端标志；GB997-81 电机结构形式及其代号：规定各类电机安装和外形尺寸的代号。 部颁标准（代号JB）：对某一类电机的技术要求、额定数据、使用条件；JB3074-82（IP-44） Y系列（IP-44）三相异步电动机技术条件；JB1104-68 Z2系列小型直流电机技术条件。 各类电机试验方法：GB755-87 中小型三相异步电动机试验。1.4 电机设计的国际标准 国际标准：指国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）所制订的有关标准。IEC的第二技术委员会（简称TC2）是专门制订旋转电机标准的机构，它目前设有6个分技术委员会，分管汽轮发电机，尺寸和功率等

20、级，电刷、刷握、换向器和集电环，试验方法和程序，外壳防护、冷却方式和安装以及电机绝缘分级等工作。 此外，NEMA标准是现在在我国通用度比较高的另外一种电机设计制造准则。目前两岸三地的很多电机制造企业都在应用NEMA标准来指导电机的设计制造和生产。NEMA标准名称：美国全国电气制造商协会标准（NEMA Standards Publications）。NEMA是美国电气制造商协会（National Electrical Manufacturers Association）的英文缩写。美国电气制造商协会为1926年电力俱乐部与供电设备制造商协会合并成立的机构，由美国560家主要电气制造厂商组成，主要

21、是由发电、输电、配电和电力应用的各种设备和装置的制造商。NEMA积极支持与参加美国国家标准学会（ANSI）的标准化活动，并向美国政府与军用标准化组织提供情报资料和建议。标准制订的目的是消除电气产品制造商和用户之间的误解并且规定这些产品应用的安全性。它的标准化活动所涉及的范围非常广泛，除上述电气产品外，还包括X射线装置等，标准化活动多数是与其他组织联合进行的。 NEMA标准种类有以下几种：1正式标准（Adopted Standards）：系用于已正式成批生产的标准化产品；2 推荐标准（Recommended Standards）3供将来设计用的推荐标准（Suggested Standards f

22、or Future Design）：系用于正在研制中的重要工程产品，对在销产品不作规定而仅适用于今后开发的产品；4经认可的工程情报（Authorized Engineering Information）：其内容为说明性的资料或者其他情报资料。标准编号：NEMA+字母符号（多数来自标准主题的两个英文字母，或三个英文字母）+序号（或无字母符号）+年份。例：NEMA HV 2-1974（R 1979）。第2章 电子计算机在电机设计中的应用2.1 电子计算机在电机设计中的应用概述在电机设计中应用电子计算机是从上世纪50年代开始的，至今仍在进行广泛的研究和探索。利用电子计算机进行电机设计的程序可以分成“

23、设计分析”、“设计综合”和“优化设计”三种类型。“设计分析”程序是按设计人员事先估计好的若干设计参量，以一定程序步骤来计算产品的性能，相当于常规的设计核算。电子计算机仅仅用来对设计方案进行计算分析，而对计算结果的评价以及设计方案的调整仍需设计人员决定。但是设计分析程序是很重要的，它是设计综合和设计优化的基础。“设计综合”程序是根据已知的性能要求，决定电机各设计参量的程序。在使用设计分析程序时，设计人员必须花费一定的时间去分析各个方案的计算结果，然后人为地调整某些设计数据，为下一次计算准备，经过多次反复比较计算后才能得到满意的设计方案。而在这些设计综合程序中，这些过程都在计算机内部进行，因此大大

24、缩短了设计时间。“设计优化”程序是对设计问题提出明确的数学模型，然后依据现代数学的寻优理论并采用优化方法，自动获得较优或最优方案的程序。 应用计算机设计电机大致可以分为以下几个步骤：选定目标、数学描述、数值处理、编制程序、整理输入数据、检验程序和结果分析。对于优化设计程序必须明确优化目标，其次是优化方法。对于综合设计则需要明确以哪些参数作为主要变量，其变化范围以及性能的合格标准和容差。目前用于电机设计及分析仿真的软件有BASIC、MATHCAD、Ansoft、INFOLYTICA、南牛软件和MATLAB等。2.2 MATLAB与电机设计 MATLAB 是美国MathWorks公司出品的商业数学

25、软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）的简称。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，以

26、解决这些应用领域内特定类型的问题。MATLAB的主要特点：（1）语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由，利用起丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。（2）运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。（3）MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环，while循环，break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。（4）程序限制不严格，程序设计自由度大。例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。（5）程序的可移植性很好

27、，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。（6） MATLAB的图形功能强大。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。异步电机设计中电机电磁计算程序设计主要是根据设计任务书的规定，参照生产实践经验，计算确定定转子铁心各部分尺寸、槽数配合；定转子绕组设计；电机的磁路、参数、运行性能和起动性能的计算。通过电磁计算所得的电机性能指标必须符合国家标准或设计任务书的要求，否则应进行调整。在电机磁算过程中一般选择若干个不同的方案同时进行，然后通过分析比较选择最佳方案。电机电磁计算程序设计相当于求解一项

28、比较复杂的数学计算题，随着计算机技术的发展，为电机电磁计算程序设计创造了有利条件，利用计算机并应用数值方法进行求解是解决这类问题的有效途径。电机电磁计算程序设计一般是先根据电机理论建立起问题的数学模型，然后对数学模型进行数学上的推导、演算，得出解决方案，MATLAB的应用使繁琐的数学处理工作的效率大大加快了。从异步电机电磁设计的手算程序转变为计算机软件设计，使用Windows平台下的MATLAB进行电机设计软件的开发，该软件具有友好的工作平台和编程环境、简单易用的程序语言、强大的科学计算机数据处理能力、出色的图形处理功能、应用广泛的模块集合工具箱、实用的程序接口和发布平台、友好的人机界面等优点

29、，简单易用，功能强大，方便运算和程序操作，设计出的操作界面清晰明了，便于人机交流，并且使用了数据的存储管理上较为先进的数据库技术，可以方便存储和读取数据，加强了数据管理的结构化和安全性，也可以实现数据查询的功能，极大地方便了用户，提高了工作效率和设计的精确度。第3章 电机设计和电机电磁核算3.1电机设计的步骤和内容3.1.1 电机设计步骤电机设计人员首先需要深刻理解电机设计的具体步骤和基本内容。电机设计的一般步骤是根据给定的电机数据(通常包括输出功率、额定电压、接线方式、相数、频率、极对数)、电机的冷却方式、运行条件、绝缘等级和主要性能指标按照哪一种技术条件的规定来计算电机的主要尺寸、磁路、电

30、机参数、工作性能、起动性能以及发热计算结构设计和机械设计。除发热计算、结构设计和机械设计之外，其他计算统称为电磁计算。电机设计的一般步骤是先进行电机的电磁计算，再考虑电机在给定冷却条件下采用哪一种冷却系统，选定电机的结构型式，计算出机座、转轴、换向器和厚壁圆筒。3.1.2 电机设计流程给定电机数据，冷却方式运行条件给定运行条件，绝缘等级 一 准备阶段 给定性能指标，技术规定 确定主要尺寸，设计绕组槽型 磁路计算 参数计算 二 电磁设计 工作性能计算 起动性能计算 确定电机总体结构型式 确定零部件的技术要求 三 结构设计确定某些零部件连接方式，配合种类 核算零部件的机械性能3.2 电磁计算步骤与

31、内容 本次电磁设计根据文献1计算。设计电机时依靠已知数据首先计算额定数据和主要尺寸。已知数据如下：额定功率额定电压功电流效率根据设计任务书给定功率因数根据设计任务书给定。极对数具体步骤内容如下：1 额定数据与主要尺寸2 磁路计算3 参数计算4 工作性能计算5 起动性能计算3.3 额定数据与主要尺寸1）定转子槽数再根据文献1表10-8选定定转子每极槽数。2）确定电机主要尺寸。一般参考类似电机的主要尺寸来确定Di1和lef 。有经验公式文献110-8求出满载电势标幺值，再计算功率,最后求出和。3) 确定气隙于是铁心的有效长度转子外径4) 极距定子齿距转子齿距5) 设定定子绕组型式，选定节距Y，以槽

32、数计。6) 为了削弱齿谐波磁场的影响，转子采用斜槽，一般斜一个一个定子齿距，得转子斜槽宽7) 设计定子绕组。求取每相串联导体数毎槽导体数8) 绕组线规设计，初选定子电流密度，由文献1式（10-16），计算导线并绕根数 和每根导线截面积的乘积其中为定子电流估算值9) 设计定子槽型。采用梨形槽，齿部平行。初步取按文献1式（10-18）估算定子齿宽，再选按照文献110-19估算定子轭部计算高度.取。齿宽计算如下：两个数据进行比较，若数值差别不大，则齿部基本平行，齿宽取其平均值。10） 计算槽满率 槽面积按照1附录三，槽绝缘采用DMDM复合绝缘，不同，不同槽楔为（单位为毫米）层压板，槽绝缘占面积槽有效

33、面积槽满率11） 绕组系数其中每相串联导体数为12） 设计转子槽型与转子绕组，按照文献1式10-39，预计转子导条电流其中由文献1表10-10查出。选定导条电密计算出导条截面积，转子齿宽转子轭部计算高度为了获得较好的起动性能，采用平行槽，槽口尺寸导条截面积按照文献1式10-41估计 端环电流端环所需面积3.4 磁路计算13) 计算满载电势 初设14) 计算每极磁通 初设由文献1表3-5查得由文献1式3-9，得为了计算磁路各部分磁密，需要先计算磁路中各部分得导磁截面15) 每极下齿部截面积16) 定子轭部计算高度由文献1式3-37即转子轭部计算高度由文献1式3-38即轭部导磁截面积17) 一极下

34、空气隙截面积18) 磁路计算选择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。求得波幅系数19) 气隙磁密由文献1式3-7计算20) 由文献1式3-26，对应于气隙磁密最大值处的定子齿部磁密21) 转子齿部磁密22) 从文献1附录五的D23查得对应于上述磁密的磁场强度23) 有效气隙长度为气隙系数，24) 齿部磁路计算长度25) 轭部磁路计算长度26) 按照文献1式3-6计算气隙磁压降27) 齿部磁压降28) 饱和系数按照文献1式3-15计算与初设值相比较，若是误差比较大就从14）重新计算。29) 定子轭部磁密按照文献1式3-36计算30) 转子轭部磁密31) 从文献1附录五的D2

35、3查处对应的上述磁密的磁场强度：32) 按照文献1式3-42计算轭部磁压降，轭部磁压降校正系数见文献1附图1-3b 33) 每极磁势34) 按照文献1式3-57计算满载磁化电流35) 磁化电流标幺值36) 励磁电抗按照文献1式4-149计算3.5 参数计算37) 线圈平均半匝长 定子线圈节距图3.1线圈尺寸定子线圈节距其中节距比为为平均值，直线部分长度 其中是线圈直线部分伸出铁芯的长度，一般取10至30mm，机座大者，极数少者取较大值。平均半匝长式中是经验系数，2极时取1.16，4、6极取1.2，8极取1.25。38) 端部平均长39) 由文献1式4-38可知感应电机定子绕组的漏抗为除以阻抗基

36、值即可得定子漏抗标幺值，式中为漏抗系数，40）按照文献1附录四计算定子槽比漏磁导。节距漏抗系数为41）只有在铁心部分有槽漏抗，因此在计算槽漏抗时要乘上42) 考虑到饱和的影响，定子谐波漏抗按文献1式4-76代入文献1式4-38计算，43) 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，将文献1式4-92代入文献14-38求出：44) 定子漏抗标幺值45) 转子漏抗标幺值的计算与定子漏抗标幺值计算相似，但是要将转子漏抗折算到定子 边。将转子数据 代入文献1式4-38乘以折算系数 除以阻抗基值，便有46) 转子槽漏抗标幺值：47) 考虑饱和影响的谐波比漏磁导由文献1式4-95求出，于是转子谐

37、波漏抗标幺值48) 转子绕组端部比漏磁导按文献1式4-95计算，转子绕组端部漏抗标幺值49) 转子斜槽漏抗按文献1式4-162计算50) 转子漏抗标幺值之和51) 定转子漏抗标幺值之和52) 定子绕组直流电阻按文献1式4-5计算为B级绝缘平均工资温度75摄氏度时铜的电阻率。53) 定子绕组相电阻标幺值54） 有效材料的计算。感应电机的有效材料是指定子绕组导电材料和定转子铁芯导磁材料，电机的成本主要由有效材料的用量决定。 定子铜的重量：C是考虑导线绝缘和引线重量的系数，漆包圆铜线C=1.05；硅钢片重量其中是冲剪余量，是硅钢片的密度。55） 转子电阻 导条电阻折算值其中 是考虑转子因叠片不整齐，

38、造成槽面积减小，导条电阻增加，为电阻率。导条电阻标幺值端环电阻折算值端环电阻标幺值 转子电阻标幺值56）定子电流有功分量标么值按照文献1式10-48计算：57）转子电流无功分量标 ： 其中58) 定子电流无功分量标么值：59) 满载点势标么值：60） 空载电势标幺值：61） 空载时定子齿部磁密：62） 空载时转子齿部磁密：63) 空载时定子轭部磁密：64) 空载时转子轭部磁密：65) 空载气隙磁密： 66) 空载时定子齿部磁压降：67) 空载时转子齿部磁压降68) 空载时定子轭部磁压降69）空载时转子轭部磁压降：70） 空载时气隙磁压降：71） 空载时每极磁势：72) 空载磁化电流：3.6 工

39、作性能计算73) 计算定子电流标幺值74) 定子电流密度：75) 定子线负荷76) 转子电流标幺值及导条电流实际值端环电流实际值77) 转子电密导条：端环电密：78) 定子损耗标幺值79) 转子铝损耗的标幺值80) 附加损耗：81) 由试验值二极封闭自扇冷式：机械损耗82) 铁耗：先计算基本铁耗，再乘以经验系数就得全部铁损耗。定子轭部铁耗由文献1式5-15计算式中按照经验值取，式中为轭部铁损耗系数是轭部铁损耗系数，依据从文献1附录六查得。定子齿部铁耗由文献1式5-15计算式中对于半闭口按经验取，齿部重量是齿部铁损耗系数，根据从文献1附录六查得，于是全部铁耗83) 由文献1式10-53总损耗标幺

40、值 84) 输入功率标幺值85) 效率：如果效率误差小于0.005则计算合格，否则应该再次假设取合适的值重新计算第56-86项的有关各项。86) 功率因数87) 额定转差率式中88) 额定转速89) 最大转矩倍数由文献1式11-55计算：3.7 起动性能计算90) 假设起动电流91) 起动时产生漏磁的定转子槽磁势平均值由文献1式10-59计算：因此产生的虚拟磁密由文献1式10-60计算 其中为修正系数92) 起动时漏抗饱和系数由文献1图10-18查出93) 漏磁路饱和引起的定子齿顶宽度的减小：漏磁路饱和引起的转子齿顶宽度的减小 ：94) 起动时转子槽比漏磁导按文献1式10-68计算：95) 起

41、动时定子槽漏抗96) 定子谐波漏抗起动时值97) 起动时定子漏抗98) 按文献1式10-75计算考虑集肤效应的转子导条相对高度： 为导条高度。 集肤效应引起的电阻增加系数和漏抗减小系数。 从文献1图4-23查出。99) 由文献1附录四计算起动时转子槽比漏磁导的减小于是起动时转子槽比漏磁导100) 起动时转子槽漏抗101) 起动时转子谐波漏抗102) 起动时转子斜槽漏抗103) 起动时转子漏抗104) 起动时总漏抗105) 起动时转子电阻106) 起动时总电阻107) 起动时总阻抗108) 起动电流如果误差大于0.05，则需要再次假设时取并重新计算从91项起的有关各项。109) 起动电流倍数11

42、0) 按照文献1式10-85计算起动转矩倍数第4章 电动机的计算机辅助设计4.1 电动机的计算机辅助设计程序设计中相关问题 电机设计中，由手算转变到机算的最突出问题是曲线和图表的处理，在工程设计中经常要根据曲线或图表查定某一设计参量的数值。手算程序中除定型的计算公司外，有许多参量和选择项的计算由设计人员决定，因此手算程序在设计人员使用时候、具有极大的灵活性。只要在计算过程中作适当处理，同一份程序可以适应不同的计算要求。而计算机程序是按照自身严格的逻辑关系自动进行的，因此程序的一切功能和处理方法都必须在编制程序时完全考虑好，因此将手算程序编程计算机程序时必须处理好以下几个方面问题： 1）无论手算

43、程序还是计算机程序都将遇到各种不同形式的参量，这些参量均用一定的变量符号来表示。在手算程序中，允许用英文字母、非英文字母及其与数字组合来表示每个参量，而且可以用同一个字符或字符串仅以大小写的区别来表示不同的意义的参量。如常见的有表示定子齿部磁场强度，而则表示定子齿部计算长度；而表示定子齿磁密，而则表示定子齿宽。在计算机程序中，这是绝对不允许的，因为在计算机程序中与或与只能代表同一个参量。 2）在手算程序中不必考虑查取曲线、图表的方法。而在计算机程序中要编制一个适宜的查曲线和表格的子程序。 3）在手算程序中，存在选择计算项，即同一个计算项中含有几个不同的计算公司。如不同的槽型选择，电动机类型选择

44、，冷却方式的选择等。这些在人工计算时，设计人员可以根据不同的要求直接选取其中的某个公式计算，而在计算机程序中必须设置逻辑判断功能。 4）在电磁计算过程中，有时由于某些参数设置不当，即使数学计算中未发现任何差错，也会使得到的结果毫无意义，特别在循环计算时可能出现死循环的现象。设计人员用手算程序计算时，可以及时对这类问题作出处理，但计算机却不能发现这类问题。因此，在计算机程序中应设置检查错误及防止死循环的措施。5）手算程序由人自己执行，因而不存在已知数据的输入和计算结果的输出问题。设计人员可以根据具体问题的要求，在运算中适时地给出某些参量，一旦计算出来，其结果就保留在纸面上了。而计算机程序的执行是

45、由人和机器共同完成的，因此必须增设人机交换信息环节，即数据输入接口和数据输出接口。4.2 电动机计算机辅助设计程序编制计算机负责设计由以下几个环节完成：选择对象、数学描述、数值处理、编制程序、数据整理、程序检验、运算及输出结果，计算机虽是一种能自动、高速计算的工具，具有很强的存储功能和逻辑判断功能，但 它毕竟还只是人类的一种工具，本身不能进行创造性思维，只会按照人的意志，一步步地按人们事先编好的程序去执行。因此，编制程序是计算机辅助设计中的一个关键。1.选定计算机机型和程序语言2.正式编制程序之前需要准备好的原始资料3.构思程序的总框图4.编写源程序5.检查源程序6.调试源程序7.分析计算结果

46、4.3 电动机的计算机辅助设计程序设计中相关问题处理 1.标识符的命名法 程序设计一开始就要规定统一符合作为各参量的标识符。标识符的命名方法应注意以下四个方面。1）标识符必须为计算机所接受。按照算法语言的规定，标识符是以英文字母打头的字母和数字组成的字符串，例如、等都是标识符。构成一个标识符所用的字符可多可少，但应注意对不同的语言，所能识别标识符的有效数是不同的。2）标识符应尽可能与手算程序中的变量名称相同。手算程序中，参数的变量名称是英文字母或英文字母与数字组合时，可直接引用它们作为计算机程序中的标识符，这样可方便其他人阅读源程序。原变量名 标识符 alpha mu deltalambda

47、eta Phi tau pi原变量名 标识符 Nph_p Ii Ij_p Hi1 Bi1Lj1_pXB1starcosphi_p3）手算程序中，参数的变量名称不是英文字母与数字的组合，最好选用在读音、字形或含义上与之接近的英文字母与数字组合作为计算机程序中的标识符，见表41：表41 MATLAB软件中原变量名和相关标识符对应表4.4 图表、曲线的数学处理电机设计中用到的一些图表和曲线主要用两种方法处理。一种是插值法，一种是公式法。而在电机设计中要用到很多类型的曲线，本设计主要采用函数插值法来处理。其处理途径如下：函数插值法的基本思想是构造一个函数p(x)来近似表达列表函数f(x)，然后，对应于

48、所求的 点上的函授值，就由计算 来得到在这点上的近似值。常用的插值法有两种，即线性插值与抛物线插值，抛物线插值精确度较高。线性插值是给定n+1个插值结点及其对应的函数值，则计算x点处的函数值y(x)的线性插值公式如下：式中： 将整条曲线分段用直线代替。段数分得越多，即插值点数选得越多，精度越高。所谓抛物插值，是拿三个已知函数点来构造函数关系例：教材图3-5，电机设计中将极弧系数与齿饱和系数之间的曲线关系图，转换成矩阵的形式输入到计算机程序中。 运用windig25软件，先在图3-5中定义原点、横坐标和纵坐标，然后任意取12个点，将12个点的坐标输入到MARLAB软件中进行仿真，输出矩阵： 0.

49、0222 0.1308 0.1302 0.2052 0.2471 0.2641 0.3360 0.3131 0.5235 0.3898 0.7403 0.4626 1.0661 0.5337 1.3297 0.5754 1.6078 0.6172 1.9655 0.6611 2.4166 0.71112.9620 0.7614第5章 基于MATLAB的电磁设计程序5.1 程序设计思路5.1.1 概述基于MATLAB的异步电机的电磁核算程序设计其主要内容是通过设计一个具体的异步电机，利用MATLAB软件来进行其电磁核算程序设计，从而确定电机的主要尺寸和气隙、定子的设计（包括定子槽数的选择、定子绕

50、组型式和节距的选择，计算出每相串联导体数、每槽导体数、电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定，以及定子冲片的设计）、转子的设计选择（包括笼型转子与绕线转子的选择）、工作性能的计算（包括定子电流、因数功率、效率、额定转差率、最大转矩倍数的计算），起动性能的计算（包括起动电流和起动转矩的计算）。要求设计的电机的主要尺寸在允许的范围内，起动电流要尽可能小，起动转矩达到最大值即起动性能优化，工作性能比较理想。5.1.2 电磁计算的程序设计流程1 计算感应电动机的额定数据和主要尺寸设定变量表示电机接法、槽绝缘占面积、定转子径向通风道交错不交错、有无径向通风道的净铁心长度、单双层线圈、圆底槽或平

51、底槽、槽口开或半开、几级防护。估算定子电流初步值，计算槽有效面积、槽满率、铁芯长、绕组系数。2 磁路计算按照MATLAB的变量原则选取变量，编程计算满载电势、每极磁通、每极下齿部截面积、定子轭部、空气隙截面积及磁密、定转子齿部磁密、有效气隙长度、气隙系数、齿部轭部磁路计算、齿部轭部磁压降计算、每极磁势、磁化电流、励磁电抗。3 参数计算参数的计算主要有线圈平均半匝长、端部平均长、定子绕组漏抗、定转子槽比漏磁导、定转子槽漏抗、定子谐波漏抗、谐波比漏磁导、斜槽漏抗、定子绕组电阻、有效材料、定转子电流、空载时定转子齿部轭部磁密及磁场强度及磁压降、空载时气隙磁压降、空载时每极磁势、空载时磁化电流。针对这

52、些参数的计算过程需要合理选择编程所需语句，循环结构。4 工作性能的计算假定起动电流、再计算定转子电流密度、定子线负荷、定子铜耗、转子铝耗、全部铁耗、功率因数、额定转差率、效率、最大转矩倍数、额定转速。若是效率假设值太低，则需要重新选定效率，重复计算。5 起动性能计算编程时首先必须假设起动电流，与此基础上计算定转子槽磁势，并考虑起动时漏抗饱和引起的转子齿顶宽度的减小，接下来再计算起动时定转子槽比漏磁导、定转子槽漏抗、定转子谐波漏抗、定转子漏抗、转子电阻、起动总阻抗、起动总电阻、计算出来的起动电流与原假设值的误差 。假如误差比较大，说明原来假设的起动电流比较小，这时需要重新选定起动电流，重新计算起

53、动性能。本次程序设计以设计一个额定输出功率为11KW，额定电压380V(采用三角形接法)，相数为3，额定频率50Hz，4极，B级绝缘，连续运行条件下采用封闭型自冷式的中小型异步电动机为例。5.2 电磁计算程序设计流程图确定的初值 磁路计算 重新假定 重新假定 计算值与初值比较 误差大时误差小时 正常运行时阻抗计算 满载电流计算 和漏抗计算 重新假定误差大时 计算值与初值比较误差小时 效率计算误差大时 的计算值与初值比较 误差小时 计算 假定的初值起动时阻抗计算 重新假定 计算误差大时计算值与初值比较误差小时 计算 结束 图5.1 流程图5.3 电机额定数据和主要尺寸程序分析5.3.1 电机的额

54、定数据电机的额定数据主要有：1）给定的一些数据比如说电机型号、额定电压、额定输出功率、频率、极对数、相数、绝缘等级、运行条件、冷却方式、功率因数等等。2）需要计算的数据。这些数据需要运用一些定理定律和经验公式，查阅相关的图形和表格。通常我们计算的有定转子槽数、定转子毎极槽数，电机的主要尺寸和铁芯的有效长度，转子的内外径、气隙、极距的大小、定转子齿距,设计定子绕组（包括每相串联导体数、并联支路数、每槽导体数、每相串联导体数、每相串联匝数、定子线规设计、槽型设计、计算槽满率和绕组系数）、设计转子槽型（具体做法是首先估算转子导条电流，算出导条截面积，再估算转子齿宽和转子轭部计算高度，并估算端环电流和

55、端环所需面积）。其中定转子槽型的选择意义重大，原因有二：其一定子槽有圆底槽和平底槽之分，开口形式有半闭口、半开口、开口三种，转子采用的槽型可以是梨形槽、凸形槽、闭口槽、平行槽、平行齿等；其二采用不同各种槽型会使槽型比漏磁导计算有较大的差异。5.3.2 额定数据和主要尺寸程序分析定子铁心内径及有效长度是感应电动机的主要尺寸。决定电机主要尺寸的基本关系式其中感应电动机的计算功率为由于感应电动机额定功率为比较上两式，则有其中为感应电机定子绕组“满载电势”的标幺值。由感应电机的基本方程可知其中、为定子电流的有功分量和无功分量。在一般情况下，相量图所示的与两相量间夹角，因此可以近似地认为定子绕组满载相电势和外施相电压之间存在着下列关系：两边除以，得式中，,即等于定子绕组的漏阻抗压降标幺值，而（）则等于满载电势的标幺值，称为电势系数。则有：式中效率和功率因数可取设计任务书中规定的数据。它随功率增加或极数减少而略有增大，可用下列经验公式先作估算： 2极小型电机 非2极小型电机 中型电机