三相异步电动机的设计计算.doc

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EquationChapter2Section1.

题目：

Y160-M4型三相异步电动机设计

姓名________

学号_____

年级_____

专业_电气工程及其自动化

38

目录

目录 I

摘要 II

第一章异步电动机的概述 1

1.1异步电动机的用途及分类 1

1-2.定子的结构组成及工作原理 1

1.3电机设计的过程 2

1.4异步电动机主要性能指标 3

第二章电机设计计算准备 4

2.1电机主要尺寸，绕组构成和原理 4

2.2主磁路 5

2.3电抗 6

2.4损耗与效率 7

2.5通风散热 8

2.6电机设计要求 8

第三章电机设计计算程序 10

3.1额定数据和主要尺寸 10

3.2磁路计算 14

3.3参数的计算 18

3.4启动性能的计算 29

3.5电机设计的分析比较 33

第四章总结 35

参考文献 36

摘要

三相异步电动机又称为三相感应电动机。

感应电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组中感应电流相互作用产生电磁转矩，从而实现能量转换的一种交流电动机。

由于转子绕组电流是感应产生的，因此称为感应电动机。

与其它电动机相比，感应电动机具有结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠及重量轻成本低等优点。

此外，感应电动机还还便于派生各防护型式以使用不同环境条件的需要，也有较高的效率和较好的工作特性。

由于感应电动机具有上述许多优点，它是工业领域中应用最广泛。

在中小型轧钢设备、矿山机械、机床、起重运输机械、鼓风机、水泵和农副产品加工机械大多采用三相异步电动机来拖动。

三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。

相比于单相异步电动机，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。

按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。

笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用，其主要缺点是调速困难。

绕线式三相异步电动机的转子和定子一样也设置了三相绕组并通过滑环、电刷与外部变阻器连接。

调节变阻器电阻可以改善电动机的起动性能和调节电动机的转速。

关键词：

三相异步电机感应电动机电机设计

第一章异步电动机的概述

1.1异步电动机的用途及分类

根据电机的可逆原理，异步电机既可用作电动机，也可用作发电机。

但其作发电机运行时性能较差，故很少采用。

而用作电动机时具有较好的工作特性，故其主要用作电动机。

异步电动机结构简单，价格低廉，运行可靠，坚固耐用，易于控制，因而是电动机中应用得最为广泛的一种。

异步电动机是一种交流电机，主要用作电动机，拖动各种生产机械，广泛应用于交通运输、农业生产以及国防、文教、医疗和日常生活中。

异步电动机具有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。

异步电动机还便于派生成各种防护型式，以适应不同环境条件的需要。

随着电力电子器件以及交流变频调速技术的发展，由异步电动机和变频调速器组成的交流调速系统的调速性能以及经济性已可与直流调速系统相媲美，且使用维护简便，因而应用愈来愈广泛。

由于异步电动机在运行过程中必须从电网吸收感性无功功率，因此其功率因素较差，总是小于1，此外，异步电动机空载电流大，起动和调速性能都不够理想，是异步电机的主要缺点[2]。

异步电动机的种类很多，从不同的角度考虑，有不同的分类方法。

按照相数来分，有单相异步电动机，三相异步电动机。

大功率机械拖动时，一般都用三相异步电动机，日常生活和工业控制装置则多用单相异步电动机。

按转子结构分，有鼠笼试异步电动机和绕线式异步电动机两种，其中，鼠笼式异步电动机，又包括单鼠笼式异步电动机、双鼠笼式异步电动机和深槽式异步电动机。

按机壳的保护方式分，有防护式异步电动机、封闭式异步电动机，以及防爆式异步电动机[3]。

1-2.定子的结构组成及工作原理

三相异步电动机由定子和转子两个基本部分构成。

转子按其结构可分为鼠笼型和绕线型两种。

定子由定子铁心、机座、定子绕组等部分组成，定子铁心是异步电动机磁路的一部分，一般由0.5毫米厚的硅钢片叠压而成，用压圈及扣片固紧，各片之间相互绝缘，以减少涡流损耗。

定子绕组是由带有绝缘的铝导线或铜导线绕制而成的，小型电机采用散下线圈或称软绕组，大中型电机采用成型线圈，又称为硬绕组。

转子由转子铁心、转子绕组、转子支架、转轴和风扇等部分组成，转子铁心和定子铁心一样，也是由0.5毫米硅钢片叠压而成。

鼠笼型转子的绕组是由安放在转子铁心槽内的裸导条和两端的环形端环连接而成，如果去掉转子铁心，绕组的形状象一个笼子；绕线型转子的绕组与定子绕组相似，做成三相绕组，在内部星型或三角型。

当定子绕组接至三相对称电源时，流入定子绕组的三相对称电流，在气隙内产生一个以同步转速n1旋转的定子旋转磁场，设旋转磁场的转向为逆时针，当旋转磁场的磁力线切割转子导体时，将在导体内产生感应电动势e2，电动势的方向根据右手定则确定。

N极下的电动势方向用⊕表示，S极下的电动势用⊙表示，转子电流的有功分量i2a与e2同相位，所以⊕和⊙既表示电动势的方向，又表示电流有功分量的方向。

转子电流有功分量与气隙旋转磁场相互作用产生电磁力fem,根据左手定则，在N极下的所有电流方向为⊕的导体和在S极下所有电流流向为⊙的导体均产生沿着逆时针方向的切向电磁力fem,在该电磁力作用下，使转子受到了逆时针方向的电磁转矩Mem的驱动作用，转子将沿着旋转磁场相同的方向转动。

驱动转子的电磁转矩与转子轴端拖动的生产机械的制动转矩相平衡，转子将以恒速n拖动生产机械稳定运行，从而实现了电能与机械能之间的能量转换，这就是异步电动机的基本工作原理。

1.3电机设计的过程

按照一般工业界的编程电机设计的过程可分为三个阶段：

准备阶段、电磁设计与结构设计。

准备阶段：

通常抱过两方便内容：

首先是熟悉国家标准，收集相近电机的产品样本和技术资料，并听取生产和使用单位的意见与要求；然后在国家标准有关规定及分析相应资料的基础上，编制技术任务或技术建议书。

电磁设计：

本阶段的任务是跟据技术任务书的规定，参相生产实践经验，通过计算和方案比较，来确定与所设计电机电磁性有关的尺寸和数据，选定有关材料，并核算电磁性能。

结构设计：

结构设计的任务是确定电机的机械结构，零部件尺寸，加工要求与材料的规格及性能要求，包括必要的机械计算及通风和升温计算。

1.4异步电动机主要性能指标

异步电动机性能指标有：

（1）效率：

电动机输出机械功率与输入电功率之比。

（2）功率因素：

电动机输入有效功率与视在功率之比。

（3）起动电流：

电动机在额定电压、额定频率和转子起动时从供电回路输入的最大稳态方均根电流。

（4）起动转矩：

电动机在额定电压、额定频率和转子起动时说产生的转矩的最小测得值。

（5）最小转矩：

电动机在额定电压、额定频率下，在零转速与对应于最大转矩的转速之间所产生的稳态异步转矩的最小值。

（6）最大转矩：

电动机在额定电压、额定频率下说能产生的最大稳态异步转矩。

（7）噪声：

电动机在空载稳态运行时A计权声功率级（dB），以及在额定负载运行是时超过空载运行的噪声声功率级增量。

（8）振动;电动机在空载稳态运行时振动速率有效值。

第二章电机设计计算准备

首先应根据产品通用标准、技术条件设计原始数据，然后进行电磁设计和结构设计。

电磁设计是根据设计技术要求确定电机的电磁负荷，计算转子、定子冲片和铁心各部分尺寸及绕组数据，进而核算电机各项参数及性能，并对设计数据做必要的调整，直到达到要求，提出电磁设计单。

结构设计是根据设计技术要求及电磁设计确定的有关数据，确定电机总体结构、零部件尺寸、材料及加工要求，绘制总装图及零部件图，进行必要的机械计算及热计算，提出全套生产图样。

电机设计要进行多种方案的分析、比较，或采用优化设计方法，以权衡电机性能、运行费用、制造成本、运行可靠性等因素，决定最优的设计。

中小型电机生产量大，使用面广，品种规格繁多，一般都成系列设计及制造。

设计时，应充分考虑到标准化、通用化、系列化的要求。

2.1电机主要尺寸，绕组构成和原理

EquationSection（Next）主要尺寸指定子铁心外径、内径以及铁心长度。

在已知电机的视在功率及转速情况下，可借助利用系数的经验值或通过适当地选择电磁负荷，由式（2.1）计算的分别求得主要尺寸与。

参照定子内外径比的经验值可估算定子外径。

（2.1）

对应于系列电机的每一机座中心高，根据合理利用机座径向空间及考虑硅钢片的合理套裁等要求，确定合理的定子冲片外径。

设计时按估算值或直接按电机功率及转速，选定某一中心高的机座及与之相适应的外径。

电机绕组要求各并联支路具有相同的电动势及阻抗。

三相交流绕组要求各相相轴在空间互差电角度，并有相同的有效匝数，以保正各相电动势对称（即大小相等、相位互差电角度）。

同时要求绕组感应电动势和产生磁动势的基波分量尽可能大，而谐波分量尽可能小。

交流绕组有多种分类方法，按绕组布置分类，有集中绕组及分布绕组；按相带分类，有、、相带绕组及混相绕组；按每极每相槽数q分类，有整数槽绕组及分数槽绕组（q为整数或分数）；按槽内线圈边层数分类，有单层绕组、双层绕组及单双层绕组；按线圈形状和端部连接方式分类，有叠绕组、波绕组以及同心式、链式、交叉式绕组。

直流电枢绕组一般按绕组元件与换向片之间连接规律不同而分为叠绕组、波绕组和蛙绕组。

绕组由多个按一定规律连接的线圈构成，每一线圈包括置于于槽中的有效部分及端接部分。

若各相带的某些槽的线圈有规则地改属另一相，即为混相绕组。

双层绕组每槽分上下两层放两个线圈边，双层绕组所有线圈的形状、几何尺寸相同，端部排列整齐，可选择有利节距以改善电动势和磁动势波形。

2.2主磁路

空载气隙磁场在直流电机和同步电机中由磁极绕组的直流励磁磁动势建立，而在异步电机中则由定子绕组的交流磁动势建立。

直流电机主极极弧形状通常可分为以下三种：

（1）均匀气隙；

（2）偏心气隙，极弧与电枢外圆不同心，使气隙从中心至极尖逐渐增大；

（3）极尖削角的均匀气隙，气隙从极弧两端约1/6长度处至极尖逐渐增大。

后两种电枢形状可抑制电枢反应所引起的气隙磁场畸变。

凸极同步电机的磁极极弧形状大致有两种：

（1）沿极弧范围内气隙是变化的，得到接近正弦的磁场分布；

（2）气隙均匀，得到近似矩形的磁场分布。

磁路计算是按给定的电机端电压求得每极磁通，进而求取磁路各部分磁通密度（磁密）和磁位降，计算所需的磁动势、励磁电流以及空载特性。

磁路计算方法的依据是全电流定律，即总磁动势为磁场强度的线积分。

实际计算是通过求各段磁路，如气隙、齿、轭、极身等部分磁位降的总和代替积分求得总磁动势。

气隙的一边或两边有齿和槽，因此，实际的气隙磁密分布是不均匀的，气隙磁位降较假定气隙光滑时的大，它的影响用气隙系数对气隙长度加以修正，设齿宽为t,槽口宽为，则气隙系数

（2.2）

式中——对开口槽，；

对半闭口或半开口槽，

径向通风道使磁通通过气隙的轴向长度减小，计算气隙磁密时的实际长度为铁心的有效长度，式中为铁心总长，及为通风道数及其宽度，。

如定转子均有通风道，两者交错时应分别考虑；两者对齐