电机设计感应电机的电磁设计

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1、第十章 感应电机的电磁设计10-1 概述主要内容： 主要尺寸与气隙的确定； 定转子绕组与冲片设计； 工作性能的计算； 起动性能的计算； 深槽式、双笼转子感应电机的设计特点。一、 我国感应电机主要系列 100个系列，500多个品种，5000多个规格 大型： 中型： 小型： 基本系列：Y（IP44） 小型三相感应电动机J2，JO2 小型三相感应感应电动机JS 三相笼型转子感应电动机（中型）JR 三相绕线转子感应电动机（中型）JS2，JSL2 三相感应电动机（中型、低压）JR2，JRL2 三相感应电动机（中型、低压）Y 三相笼型转子感应电动机（大型） YR 三相绕线转子感应电动机（大型）YK 大型高

2、速感应电动机派生、专用系列： YQ 高起动转矩感应电动机（小型） YH 高转差率感应电动机（小型） YD 变极多速感应电动机 YZ 起重及冶金用感应电动机 YQS 潜水感应电机 YLB 立式深井泵用感应电动机二、 感应电动机的主要性能指标和额定数据（一） 主要性能指标 效率 起动电流倍数 功率因数 绕组、铁心温升最大转矩倍数 起动过程中最小转矩 起动转矩倍数（二） 额定数据 额定功率 额定电压 额定频率 额定转速 基值： 电压： 功率： 电流： 阻抗： 转矩： 10-2 主要尺寸与气隙的确定一、 主要尺寸和计算功率 计算功率： 额定功率： 由前推导（相量图）： 引入电势系数 设计方法：已知，未

3、知，需先假定一个值。预估，完成磁路参数计算后，偏差经验公式估算：2极小型： 非2极小型： 中型： 二、 电磁负荷的选择 磁化电流： 每极磁势主要用来克服，决定于， 选取方法： 中小型： 大 型： 可略高三、 主要尺寸比的选择对于一定的极数，定子铁心外径与内径存在一定比例（表10-3）变动范围在5%左右。四、 主要尺寸的确定 1、 KNm 气隙磁场波形系数，当气隙磁场正弦分布 时； ； 计算极弧系数；2、参考表10-2选择值， 初步计算五、 空气隙的确定1、 影响：； 。2、 气隙基本上决定于定子内径、轴直径、轴承间的转子长度。3、 经验公式：小功率电机： 大、中型电机： 10-3 定子绕组与铁

4、心的设计一、 定子槽数的选择 1、 值大小对电机的参数、附加损耗、温升、绝缘材料耗量等有影响大 定子谐波磁场减小， 每槽导体数减少， 槽中线圈边总散热面积，利于散热 绝缘材料用量、工时，槽利用率2、 一般感应电动机： =（26） 取整数 极数少，功率大电机：取大些 （2极取=（69） 极数多电机： 取小些二、 定子绕组型式和节距的选择（一） 单层绕组优点： 槽内无层间绝缘，槽利用率高； 同槽内导线同相，不会发生相间击穿； 线圈总数比双层少一半，嵌线方便。缺点： 不易做成短距，磁势波形较双层为差； 电机导线粗时，绕组嵌放和端部整形较困难。 同心式绕组： 嵌线容易，易实现机械化， =4，6，8二极

5、电机；端部用铜多，一极相组中各线圈尺寸不同，制作复杂； 链式绕组： 各线圈大小相同，嵌线困难，=2 的4，6，8极电机； 交叉式绕组： 可以节省端部接线， 为奇数电机。（二） 双层绕组适用于功率较大的感应电动机 优点： 可选择有利的节距以改善磁势、电势波形，使电机电气性能好； 端部排列方便； 线圈尺寸相同，便于制造。 缺点：绝缘材料多，嵌线麻烦（三） 单双层绕组和Y-混合绕组1、单双层绕组：短距时，某些槽内上下层导体属于同一相，而某些槽内上下层属于不同相。把属于同相上下层导体合起来，用单层绕组代替，而不同相的仍保持原来的双层，按同心式绕组端部形状将端部连接起来。2、 Y-混合绕组：把普通60相

6、带三相绕组分成两套三相绕组；其空间相位互差30电角度，一套Y，一套；电流在时间相位上互差30。（四）绕组节距的选择双层绕组 正常电机： 削弱5、7次谐波 两极电机： 便于嵌线，缩短端部长度 单层绕组： 一般用整距分布系数： 短距系数： 基波绕组系数： 三、 每相串联导体数、每槽导体数计算 大小影响、数值。，。设计时常通过改动来取得若干不同设计方案进行优化。每槽导体数：四、 电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定1、 电密： 大、中、小型铜线电机：对大型电机：参考极距的大小来选择（热负荷）。2、 线规： 3、 并联支路数：双层： 条件 =整数， 单层： 小型电机：线径根，极数少电机取较

7、大 ； 大型电机：扁导线 导线宽厚比，槽口、槽宽、槽高尺寸适当； 每根导线截面积 15。步骤：计算导线截面 查标准线规表 选标准导线 圆线直径、扁线宽厚五、 定子冲片的设计（一） 槽形：半闭口槽（梨形槽、梯形槽）半开口槽开口槽（二） 槽满率： 导线有规则排列所占的面积与槽有效面积之比。 （三） 槽形尺寸的确定考虑因素： 槽满率； 齿部和轭部磁密要适当； 齿部有足够机械强度，轭部有足够刚度； 槽形尺寸深宽比对电机参数的影响。1、 半闭口槽 假定一个齿距内的气隙磁通全部进入齿内，则定子齿宽 每极磁通经齿部后分两部分进入轭部，定子轭部计算高度 槽口宽度： =2.5-4.0mm，比线径大1.2-1.6

8、mm；机械嵌线时，槽口还需适当放宽。 槽口高度： =0.52.0 mm 角：30左右根据估算和选用数据，作图确定尺寸，核算槽满率，必要调整。2、 平行槽槽形尺寸和扁线尺寸及绝缘结构尺寸结合考虑，不须核算槽满率。最后需核验齿部最小磁密 。10-4 转子绕组与铁心的设计一、 笼型转子的设计计算（一） 转子槽数的选择及定转子槽配合问题1、 槽配合对附加损耗的影响2、 槽配合对异步附加转矩的影响3、 槽配合对同步附加转矩的影响4、 槽配合对振动和噪声的影响5、 感应电机定、转子槽配合的选择原则： 为减小附加损耗，应采用少槽近槽配合； 为避免起动过程中较强的异步附加损耗，使 ； 为避免起动过程中较强的同

9、步附加损耗、振动和噪声，应避免（表10-7）中的槽配合。（二） 转子槽形的选择和槽形尺寸的确定1、 转子槽形平行齿 平行槽 凸形槽铸铝转子： 刀形槽 闭口槽 双笼转子槽梯形槽铜条转子： 半闭口平行槽2、 转子槽形尺寸的确定 影响： 其中对关系最密切 笼型转子尺寸的确定另须着重考虑起动性能的要求。对于铸铝转子，槽面积和铝条面积认为相等，先估算转子导条电流。 对于中小型铸铝转子： 槽形：槽面积初定后，进一步确定尺寸 槽口部分尺寸可参考相近规格的电机来决定。3、 端环的设计端环电流： 端环面积： 端环外径： 比转子外径小（38）mm （以便铸铝模定位）端环内径： 略小于转子槽底所在圆直径端环厚度：

10、按所需截面积 并考虑加工工艺要求决定二、 绕线转子的设计计算（一） 转子槽数的选择为了减少噪声和振动，一般采用整数槽绕组。为了减少附加损耗，考虑转子开路电压的控制数字，槽数不宜太多， 。当采用分数槽 时，宜选取 的分数槽。（二） 转子绕组的特点及设计方法1、 功率较小的电机 一般用圆导线一根或数根做成单层多匝绕组； 转子槽形：平行齿的半闭口槽 每相串联导体数： 2、 功率较大电机和中型电机 采用双层整距波绕组 （省去极间边线，使转子易达平衡） 转子槽形：半闭口的平行槽结构：每个线圈做成一匝，绕组系由半绕组元件组成，元件采用扁线弯制，仅一端预先成型；除末端外，导线全长预先绝缘，嵌线由槽一端穿入，

11、再弯形端接，最后用头套将半绕组元件“端接”部分联接，再经焊接便成。转子绕组： Y或 则： 核算空载转子相电势或集电环开路电压 估算 导体截面积 选线规 校验10-5 工作性能的计算较准确型等效电路 简化电路 （略去）校正系数： 工作性能计算： 、一、 定子电流的计算 由简化可知：定转子有功分量相等定转子电流无功分量： 定子电流有功分量： 转子电流无功分量： 整理得： 求解此二次代数方程，采用近似计算法迭代法，忽略高次项 在假定效率 二、 功率因数的计算 调整方法： 若太低： 三、 效率的计算 提高效率、减小损耗的主要措施：选用合适槽配合，设计新型绕组以降低谐波引起的附加损耗；改进加工工艺，设计

12、高效风扇。四、 额定转差率的计算 生产实践中，分母加上铁心中附加损耗一项，大小等于五、 最大转矩倍数影响最大的主要因素是： 调整及槽形。10-6 起动性能的计算感应电动机起动时的两个显著特点：起动电流大，使定转子漏磁路高度饱和； 转子电流频率等于电源频率（），比运行时高很多，使导条电流产生集肤效应。一、 感应电动机起动时漏磁路饱和效应对漏抗的影响1、 漏磁路饱和效应：起动瞬间，电机处于短路状态，定、转子电流大大增加。由于定转子绕组磁势正比于电流，所以磁势大为增加，以致漏磁路铁心高度饱和。2、 漏磁路饱和的影响： 转子漏抗减小 （只在槽漏抗、谐波漏抗和斜槽漏抗中考虑）3、 计算： 起动电流假定值

13、： 定子每槽磁势幅值： 转子每槽磁势幅值： 根据绕组计算，忽略磁化电流，取，则 起动时产生漏磁的定转子槽磁势平均值 式中，近似修正前面假定所带来的误差。 该漏磁通经过齿顶铁心和两个气隙。忽略铁心部分磁阻，则全部落在气隙部分，则有虚拟磁密 引入起动时漏磁饱和系数 （，越饱和，比例越小，）起动时定转子谐波漏抗： 起动时斜槽漏抗： 对于漏抗的减小，等效看作是定转子槽口宽度加大计算。 槽口宽度： 齿顶宽度： 漏磁路饱和引起的定转子齿顶宽度减少为： 由于齿顶宽度减小，起动时槽口比漏磁导分别减少 如：开口槽 半闭口槽 起动时定子槽比漏磁导： 定子绕组节距漏抗系数起动时转子槽比漏磁导： 考虑集肤对比漏磁导减

14、小系数起动时定转子槽漏抗： 起动时定转子漏抗和总漏抗： 二、 集肤效应及其对转子参数的影响1、 集肤效应： 槽内导体有效高度2、 起动时考虑集肤效应的转子导条相对高度以梯形槽为例：令转子导条高度 ，导条电阻等效长度 ，槽漏抗等效高度 若有径向通风道： 起动时总电阻： 3、 充分利用集肤效应改善起动性能：双笼槽、凸形槽、刀形槽三、 起动电流和起动转矩的计算1、起动时， 可忽略不计。从等效电路看 起动电流倍数： 若（假定值），则假定偏小，低估了饱和的影响，。再次假设时，取，重新计算，误差不超过。2、 起动转矩倍数： 算例中：低于标准值，进一步调整的方法（1） 减少每槽导体数，使漏抗减小，起动总阻抗减小，可达到提高起动转矩的目的；但起动电流有所增加，功率因数略有降低；（2） 缩小转子槽面积，使转子电阻增加，但效率有些下降；（3） 采用较深的槽形或凸形槽等，利用集肤效应使起动时转子电阻增加，但功率因数降低。四、 小结1、 性能指标 效率 起动电流倍数 功率因数 绕组、铁心温升最大转矩倍数 起动过程中最小转矩 起动转矩倍数2、主要内容： 主要尺寸与气隙的确定； 定转子绕组与冲片设计； 工作性能的计算； 起动性能的计算；