電機設計感應電機的電磁設計

1、第十章 感應電機的電磁設計§10-1 概述主要內容： 主要尺寸與氣隙的確定； 定轉子繞組與沖片設計； 工作性能的計算； 起動性能的計算； 深槽式、雙籠轉子感應電機的設計特點。一、 我國感應電機主要系列 100個系列，500多個品種，5000多個規(guī)格 大型： 中型： 小型： 基本系列：y（ip44） 小型三相感應電動機j2，jo2 小型三相感應感應電動機js 三相籠型轉子感應電動機（中型）jr 三相繞線轉子感應電動機（中型）js2，jsl2 三相感應電動機（中型、低壓）jr2，jrl2 三相感應電動機（中型、低壓）y 三相籠型轉子感應電動機（大型） yr 三相繞線轉子感應電動機（大型）

2、yk 大型高速感應電動機派生、專用系列： yq 高起動轉矩感應電動機（小型） yh 高轉差率感應電動機（小型） yd 變極多速感應電動機 yz 起重及冶金用感應電動機 yqs 潛水感應電機 ylb 立式深井泵用感應電動機二、 感應電動機的主要性能指標和額定數據（一） 主要性能指標 效率 起動電流倍數 功率因數 繞組、鐵心溫升最大轉矩倍數 起動過程中最小轉矩 起動轉矩倍數（二） 額定數據 額定功率 額定電壓 額定頻率 額定轉速 基值： 電壓： 功率： 電流： 阻抗： 轉矩： §10-2 主要尺寸與氣隙的確定一、 主要尺寸和計算功率 計算功率： 額定功率： 由前推導（相量圖）： 引入電勢

3、系數 設計方法：已知，未知，需先假定一個值。預估，完成磁路參數計算后，偏差經驗公式估算：2極小型： 非2極小型： 中型： 二、 電磁負荷的選擇 磁化電流： 每極磁勢主要用來克服，決定于， 選取方法： 中小型： 大 型： 可略高三、 主要尺寸比的選擇對于一定的極數，定子鐵心外徑與內徑存在一定比例（表10-3）變動范圍在5%左右。四、 主要尺寸的確定 1、 knm 氣隙磁場波形系數，當氣隙磁場正弦分布 時； ； 計算極弧系數；2、參考表10-2選擇值， 初步計算五、 空氣隙的確定1、 影響：； 。2、 氣隙基本上決定于定子內徑、軸直徑、軸承間的轉子長度。3、 經驗公式：小功率電機： 大、中型電機：

4、 §10-3 定子繞組與鐵心的設計一、 定子槽數的選擇 1、 值大小對電機的參數、附加損耗、溫升、絕緣材料耗量等有影響大 定子諧波磁場減小， 每槽導體數減少， 槽中線圈邊總散熱面積，利于散熱 絕緣材料用量、工時，槽利用率2、 一般感應電動機： =（26） 取整數 極數少，功率大電機：取大些 （2極取=（69） 極數多電機： 取小些二、 定子繞組型式和節(jié)距的選擇（一） 單層繞組優(yōu)點： 槽內無層間絕緣，槽利用率高； 同槽內導線同相，不會發(fā)生相間擊穿； 線圈總數比雙層少一半，嵌線方便。缺點： 不易做成短距，磁勢波形較雙層為差； 電機導線粗時，繞組嵌放和端部整形較困難。 同心式繞組： 嵌線容

5、易，易實現機械化， =4，6，8二極電機；端部用銅多，一極相組中各線圈尺寸不同，制作復雜； 鏈式繞組： 各線圈大小相同，嵌線困難，=2 的4，6，8極電機； 交叉式繞組： 可以節(jié)省端部接線， 為奇數電機。（二） 雙層繞組適用于功率較大的感應電動機 優(yōu)點： 可選擇有利的節(jié)距以改善磁勢、電勢波形，使電機電氣性能好； 端部排列方便； 線圈尺寸相同，便于制造。 缺點：絕緣材料多，嵌線麻煩（三） 單雙層繞組和y-混合繞組1、單雙層繞組：短距時，某些槽內上下層導體屬于同一相，而某些槽內上下層屬于不同相。把屬于同相上下層導體合起來，用單層繞組代替，而不同相的仍保持原來的雙層，按同心式繞組端部形狀將端部連接起

6、來。2、 y-混合繞組：把普通60°相帶三相繞組分成兩套三相繞組；其空間相位互差30°電角度，一套y，一套；電流在時間相位上互差30°。（四）繞組節(jié)距的選擇雙層繞組 正常電機： 削弱5、7次諧波 兩極電機： 便于嵌線，縮短端部長度 單層繞組： 一般用整距分布系數： 短距系數： 基波繞組系數： 三、 每相串聯導體數、每槽導體數計算 大小影響、數值。，。設計時常通過改動來取得若干不同設計方案進行優(yōu)化。每槽導體數：四、 電流密度的選擇及線規(guī)、并繞根數和并聯支路數的確定1、 電密： 大、中、小型銅線電機：對大型電機：參考極距的大小來選擇（熱負荷）。2、 線規(guī)： 3、 并聯

7、支路數：雙層： 條件 =整數， 單層： 小型電機：線徑根，極數少電機取較大 ； 大型電機：扁導線 導線寬厚比，槽口、槽寬、槽高尺寸適當； 每根導線截面積< 15。步驟：計算導線截面 查標準線規(guī)表 選標準導線 圓線直徑、扁線寬厚五、 定子沖片的設計（一） 槽形：半閉口槽（梨形槽、梯形槽）半開口槽開口槽（二） 槽滿率： 導線有規(guī)則排列所占的面積與槽有效面積之比。 （三） 槽形尺寸的確定考慮因素： 槽滿率； 齒部和軛部磁密要適當； 齒部有足夠機械強度，軛部有足夠剛度； 槽形尺寸深寬比對電機參數的影響。1、 半閉口槽 假定一個齒距內的氣隙磁通全部進入齒內，則定子齒寬 每極磁通經齒部后分兩部分進入

8、軛部，定子軛部計算高度 槽口寬度： =2.5-4.0mm，比線徑大1.2-1.6mm；機械嵌線時，槽口還需適當放寬。 槽口高度： =0.52.0 mm 角：30°左右根據估算和選用數據，作圖確定尺寸，核算槽滿率，必要調整。2、 平行槽槽形尺寸和扁線尺寸及絕緣結構尺寸結合考慮，不須核算槽滿率。最后需核驗齒部最小磁密 。§10-4 轉子繞組與鐵心的設計一、 籠型轉子的設計計算（一） 轉子槽數的選擇及定轉子槽配合問題1、 槽配合對附加損耗的影響2、 槽配合對異步附加轉矩的影響3、 槽配合對同步附加轉矩的影響4、 槽配合對振動和噪聲的影響5、 感應電機定、轉子槽配合的選擇原則： 為

9、減小附加損耗，應采用少槽近槽配合； 為避免起動過程中較強的異步附加損耗，使 ； 為避免起動過程中較強的同步附加損耗、振動和噪聲，應避免（表10-7）中的槽配合。（二） 轉子槽形的選擇和槽形尺寸的確定1、 轉子槽形平行齒 平行槽 凸形槽鑄鋁轉子： 刀形槽 閉口槽 雙籠轉子槽梯形槽銅條轉子： 半閉口平行槽2、 轉子槽形尺寸的確定 影響： 其中對關系最密切 籠型轉子尺寸的確定另須著重考慮起動性能的要求。對于鑄鋁轉子，槽面積和鋁條面積認為相等，先估算轉子導條電流。 對于中小型鑄鋁轉子： 槽形：槽面積初定后，進一步確定尺寸 槽口部分尺寸可參考相近規(guī)格的電機來決定。3、 端環(huán)的設計端環(huán)電流： 端環(huán)面積：

10、端環(huán)外徑： 比轉子外徑?。?8）mm （以便鑄鋁模定位）端環(huán)內徑： 略小于轉子槽底所在圓直徑端環(huán)厚度： 按所需截面積 并考慮加工工藝要求決定二、 繞線轉子的設計計算（一） 轉子槽數的選擇為了減少噪聲和振動，一般采用整數槽繞組。為了減少附加損耗，考慮轉子開路電壓的控制數字，槽數不宜太多， 。當采用分數槽 時，宜選取 的分數槽。（二） 轉子繞組的特點及設計方法1、 功率較小的電機 一般用圓導線一根或數根做成單層多匝繞組； 轉子槽形：平行齒的半閉口槽 每相串聯導體數： 2、 功率較大電機和中型電機 采用雙層整距波繞組 （省去極間邊線，使轉子易達平衡） 轉子槽形：半閉口的平行槽結構：每個線圈做成一匝，

11、繞組系由半繞組元件組成，元件采用扁線彎制，僅一端預先成型；除末端外，導線全長預先絕緣，嵌線由槽一端穿入，再彎形端接，最后用頭套將半繞組元件“端接”部分聯接，再經焊接便成。轉子繞組： y或 則： 核算空載轉子相電勢或集電環(huán)開路電壓 估算 導體截面積 選線規(guī) 校驗§10-5 工作性能的計算較準確型等效電路 簡化電路 （略去）校正系數： 工作性能計算： 、一、 定子電流的計算 由簡化可知：定轉子有功分量相等定轉子電流無功分量： 定子電流有功分量： 轉子電流無功分量： 整理得： 求解此二次代數方程，采用近似計算法迭代法，忽略高次項 在假定效率 二、 功率因數的計算 調整方法： 若太低： 三、

12、 效率的計算 提高效率、減小損耗的主要措施：選用合適槽配合，設計新型繞組以降低諧波引起的附加損耗；改進加工工藝，設計高效風扇。四、 額定轉差率的計算待添加的隱藏文字內容2 生產實踐中，分母加上鐵心中附加損耗一項，大小等于五、 最大轉矩倍數影響最大的主要因素是： 調整及槽形。§10-6 起動性能的計算感應電動機起動時的兩個顯著特點：起動電流大，使定轉子漏磁路高度飽和； 轉子電流頻率等于電源頻率（），比運行時高很多，使導條電流產生集膚效應。一、 感應電動機起動時漏磁路飽和效應對漏抗的影響1、 漏磁路飽和效應：起動瞬間，電機處于短路狀態(tài)，定、轉子電流大大增加。由于定轉子繞組磁勢正比于電流，

13、所以磁勢大為增加，以致漏磁路鐵心高度飽和。2、 漏磁路飽和的影響： 轉子漏抗減小 （只在槽漏抗、諧波漏抗和斜槽漏抗中考慮）3、 計算： 起動電流假定值： 定子每槽磁勢幅值： 轉子每槽磁勢幅值： 根據繞組計算，忽略磁化電流，取，則 起動時產生漏磁的定轉子槽磁勢平均值 式中，近似修正前面假定所帶來的誤差。 該漏磁通經過齒頂鐵心和兩個氣隙。忽略鐵心部分磁阻，則全部落在氣隙部分，則有虛擬磁密 引入起動時漏磁飽和系數 （，越飽和，比例越小，）起動時定轉子諧波漏抗： 起動時斜槽漏抗： 對于漏抗的減小，等效看作是定轉子槽口寬度加大計算。 槽口寬度： 齒頂寬度： 漏磁路飽和引起的定轉子齒頂寬度減少為： 由于齒

14、頂寬度減小，起動時槽口比漏磁導分別減少 如：開口槽 半閉口槽 起動時定子槽比漏磁導： 定子繞組節(jié)距漏抗系數起動時轉子槽比漏磁導： 考慮集膚對比漏磁導減小系數起動時定轉子槽漏抗： 起動時定轉子漏抗和總漏抗： 二、 集膚效應及其對轉子參數的影響1、 集膚效應： 槽內導體有效高度2、 起動時考慮集膚效應的轉子導條相對高度以梯形槽為例：令轉子導條高度 ，導條電阻等效長度 ，槽漏抗等效高度 若有徑向通風道： 起動時總電阻： 3、 充分利用集膚效應改善起動性能：雙籠槽、凸形槽、刀形槽三、 起動電流和起動轉矩的計算1、起動時， 可忽略不計。從等效電路看 起動電流倍數： 若（假定值），則假定偏小，低估了飽和的影響，。再次假設時，取，重新計算，誤差不超過。2、 起動轉矩倍數： 算例中：低于標準值，進一步調整的方法（1） 減少每槽導體數