第十章-異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)分解

第十章--異步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)分解第一頁(yè)，共73頁(yè)。第十章感應(yīng)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)10.1、概述10.2、主要尺寸與氣隙的確定10.3、定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)10.4、轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)10.5、工作性能的計(jì)算10.6、起動(dòng)性能的計(jì)算第二頁(yè)，共73頁(yè)。10.1概述一、我國(guó)感應(yīng)電機(jī)主要系列

100個(gè)系列，500多個(gè)品種，5000多個(gè)規(guī)格。按照電機(jī)尺寸分成大（H>0.63,D1>1m,P>400Kw,U=3000V或6000V）、中（H>0.355-0.63,D1>0.5m-1m,P>45-132kW,U=380V、3000V或6000V）、小型（H>0.08-0.315,D1>0.12m-0.5m,P>0.55-90kW,U=380V。Y（IP44）小型三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)J2，JO2小型三相感應(yīng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)JS三相籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（中型）JR三相繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（中型）JS2，JSL2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（中型、低壓）JR2，JRL2三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（中型、低壓）Y三相籠型轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（大型）YR三相繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（大型）YK大型高速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)第三頁(yè)，共73頁(yè)。概述一、我國(guó)感應(yīng)電機(jī)主要系列

派生、專用系列：

YQ高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（小型）

YH高轉(zhuǎn)差率感應(yīng)電動(dòng)機(jī)（小型）

YD變極多速感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

YZ起重及冶金用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

YQS潛水感應(yīng)電機(jī)

YLB立式深井泵用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)第四頁(yè)，共73頁(yè)。概述二、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)和額定數(shù)據(jù)

效率起動(dòng)電流倍數(shù)功率因數(shù)繞組、鐵心溫升最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)起動(dòng)過(guò)程中最小轉(zhuǎn)矩起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

（1）主要性能指標(biāo)

第五頁(yè)，共73頁(yè)。概述二、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)和額定數(shù)據(jù)

（2）額定數(shù)據(jù)

額定功率

額定電壓

額定頻率

額定轉(zhuǎn)速

基值推導(dǎo)：

電壓：

功率：

相電流：

阻抗：

轉(zhuǎn)矩：

第六頁(yè)，共73頁(yè)。10.2主要尺寸與氣隙的確定

一、主要尺寸和計(jì)算功率

計(jì)算功率：

額定功率：

第七頁(yè)，共73頁(yè)。由前推導(dǎo)(P228頁(yè)，相量圖）：

引入電勢(shì)系數(shù)

10.2主要尺寸與氣隙的確定

第八頁(yè)，共73頁(yè)。設(shè)計(jì)方法：

已知，

未知，需先假定一個(gè)

預(yù)估

完成磁路參數(shù)計(jì)算后，偏差

2極小型：

經(jīng)驗(yàn)公式估算：

非2極小型：

中型：

10.2主要尺寸與氣隙的確定

額定功率的單位為：kW第九頁(yè)，共73頁(yè)。二、電磁負(fù)荷的選擇

磁化電流：

（1）每極磁勢(shì)主要用來(lái)克服，決定于，（2）選取方法：

中小型：

大型：可略高

10.2主要尺寸與氣隙的確定

第十頁(yè)，共73頁(yè)。10.2主要尺寸與氣隙的確定

三、主要尺寸比的選擇

對(duì)不同內(nèi)型電機(jī)主要尺寸比選擇見(jiàn)表10-2。對(duì)于一定的極數(shù)，定子鐵心外徑與內(nèi)徑存在一定比例（表10-3）

變動(dòng)范圍在5%左右。

第十一頁(yè)，共73頁(yè)。10.2主要尺寸與氣隙的確定

四、主要尺寸的確定

（1）第十二頁(yè)，共73頁(yè)。10.2主要尺寸與氣隙的確定

2、參考表10-2選擇值，

初步計(jì)算

第十三頁(yè)，共73頁(yè)。五、空氣隙的確定

1、影響：

2、氣隙基本上決定于定子內(nèi)徑、軸直徑、軸承間的轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度。

經(jīng)驗(yàn)公式：

小功率電機(jī)：

大、中型電機(jī)：

10.2主要尺寸與氣隙的確定

第十四頁(yè)，共73頁(yè)。10.3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)一、定子槽數(shù)的選擇

二、定子繞組型式和節(jié)距的選擇

三、每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)、每槽導(dǎo)體數(shù)計(jì)算

四、電流密度的選擇及線規(guī)、并繞根數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)的確定

五、定子沖片的設(shè)計(jì)

第十五頁(yè)，共73頁(yè)。3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

一、定子槽數(shù)的選擇

值大小對(duì)電機(jī)的參數(shù)、附加損耗、溫升、絕緣材料耗量等有影響（P231頁(yè)）

定子諧波磁場(chǎng)減小，，↓

每槽導(dǎo)體數(shù)減少，

槽中線圈邊總散熱面積↑，利于散熱

絕緣材料用量、工時(shí)↑，槽利用率↓

大

一般感應(yīng)電動(dòng)機(jī)：=（2~6）

取整數(shù)

極數(shù)少，功率大電機(jī)：取大些

（2極取=（6~9））

極數(shù)多電機(jī)：

取小些

第十六頁(yè)，共73頁(yè)。二、定子繞組型式和節(jié)距的選擇

（一）單層繞組

優(yōu)點(diǎn)：①槽內(nèi)無(wú)層間絕緣，槽利用率高；②同槽內(nèi)導(dǎo)線同相，不會(huì)發(fā)生相間擊穿；③線圈總數(shù)比雙層少一半，嵌線方便。缺點(diǎn)：①不易做成短距，磁勢(shì)波形較雙層為差；②電機(jī)導(dǎo)線粗時(shí)，繞組嵌放和端部整形較困難。

3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

第十七頁(yè)，共73頁(yè)。3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

鏈?zhǔn)嚼@組：

各線圈大小相同，嵌線困難，=2的4，6，8極電機(jī)；同心式繞組：

嵌線容易，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，=4，6，8二極電機(jī)；端部用銅多，一極相組中各線圈尺寸不同，制作復(fù)雜；

交叉式繞組：

可以節(jié)省端部接線，為奇數(shù)電機(jī)。

單層繞組第十八頁(yè)，共73頁(yè)。NNSSZAXBYC單層疊繞組第十九頁(yè)，共73頁(yè)。AXBYCZNSNS單層鏈?zhǔn)嚼@組第二十頁(yè)，共73頁(yè)。第二十一頁(yè)，共73頁(yè)。NSNSAX同心式繞組第二十二頁(yè)，共73頁(yè)。交叉式繞組第二十三頁(yè)，共73頁(yè)。3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

(二）雙層繞組

適用于功率較大的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)

優(yōu)點(diǎn)：

①可選擇有利的節(jié)距以改善磁勢(shì)、電勢(shì)波形，使電機(jī)電氣性能好；②端部排列方便；③線圈尺寸相同，便于制造。缺點(diǎn)：絕緣材料多，嵌線麻煩

第二十四頁(yè)，共73頁(yè)。3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

(三）單雙層繞組和Y-Δ混合繞組（P233頁(yè)）

1、單雙層繞組（

具備單雙層繞組的優(yōu)點(diǎn)）短距時(shí)，某些槽內(nèi)上下層導(dǎo)體屬于同一相，而某些槽內(nèi)上下層屬于不同相。把屬于同相上下層導(dǎo)體合起來(lái)，用單層繞組代替，而不同相的仍保持原來(lái)的雙層，按同心式繞組端部形狀將端部連接起來(lái)。

2、Y-Δ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Δ；電流在時(shí)間相位上互差30°。第二十五頁(yè)，共73頁(yè)。3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

（四）繞組節(jié)距的選擇

雙層繞組

正常電機(jī)：

削弱5、7次諧波兩極電機(jī)：

便于嵌線，縮短端部長(zhǎng)度

單層繞組：

一般用整距

第二十六頁(yè)，共73頁(yè)。分布系數(shù)：

短距系數(shù)：

基波繞組系數(shù)：

3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

第二十七頁(yè)，共73頁(yè)。3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

三、每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)、每槽導(dǎo)體數(shù)計(jì)算

大小影響、數(shù)值?！?/p>

，↑

，↓，↑，↑，↑。

∴設(shè)計(jì)時(shí)常通過(guò)改動(dòng)來(lái)取得若干不同設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

第二十八頁(yè)，共73頁(yè)。3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

四、電流密度的選擇及線規(guī)、并繞根數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)的確定

1、電密：

大、中、小型銅線電機(jī)：

對(duì)大型電機(jī)：參考極距的大小來(lái)選擇（熱負(fù)荷）。極距大，意味著轉(zhuǎn)子圓周速度較高，通風(fēng)冷卻效果較好，因而可選擇較大的熱負(fù)荷。第二十九頁(yè)，共73頁(yè)。2、線規(guī)：

3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

第三十頁(yè)，共73頁(yè)。3、并聯(lián)支路數(shù)：

雙層：

條件=整數(shù)，

單層：小型電機(jī)：線徑根，極數(shù)少電機(jī)取較大

；

大型電機(jī)：扁導(dǎo)線

①導(dǎo)線寬厚比，槽口、槽寬、槽高尺寸適當(dāng)；

②每根導(dǎo)線截面積<15。

3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

第三十一頁(yè)，共73頁(yè)。步驟：計(jì)算導(dǎo)線截面

→查標(biāo)準(zhǔn)線規(guī)表→選標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線→圓線直徑、扁線寬厚

3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

第三十二頁(yè)，共73頁(yè)。3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

五、定子沖片的設(shè)計(jì)

（一）槽形：①半閉口槽（梨形槽、梯形槽）②半開口槽③開口槽

（二）槽滿率：

導(dǎo)線有規(guī)則排列所占的面積與槽有效面積之比。

第三十三頁(yè)，共73頁(yè)。3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

（三）槽形尺寸的確定

考慮因素：①槽滿率；②齒部和軛部磁密要適當(dāng)；③齒部有足夠機(jī)械強(qiáng)度，軛部有足夠剛度；④槽形尺寸深寬比對(duì)電機(jī)參數(shù)的影響。

第三十四頁(yè)，共73頁(yè)。（1）半閉口槽

3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

①假定一個(gè)齒距內(nèi)的氣隙磁通全部進(jìn)入齒內(nèi)，則定子齒寬

如何確定半閉口槽尺寸？第三十五頁(yè)，共73頁(yè)。3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

②每極磁通經(jīng)齒部后分兩部分進(jìn)入軛部，定子軛部計(jì)算高度

第三十六頁(yè)，共73頁(yè)。3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

③槽口寬度：=2.5-4.0mm，比線徑大1.2-1.6mm；機(jī)械嵌線時(shí)，槽口還需適當(dāng)放寬。

④槽口高度：=0.5~2.0mm

角：30°左右

根據(jù)估算和選用數(shù)據(jù)，作圖確定尺寸，核算槽滿率，必要調(diào)整。

第三十七頁(yè)，共73頁(yè)。2、平行槽

3定子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)

槽形尺寸和扁線尺寸及絕緣結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)合考慮，不須核算槽滿率。

最后需核驗(yàn)齒部最大磁密。

第三十八頁(yè)，共73頁(yè)。4轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)一、籠型轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)計(jì)算

（一）轉(zhuǎn)子槽數(shù)的選擇及定轉(zhuǎn)子槽配合問(wèn)題

1、槽配合對(duì)附加損耗的影響（少槽——近槽配合）

當(dāng)定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)很接近時(shí)，轉(zhuǎn)子齒頂?shù)膶挾葘⑹纸咏ㄗ育X諧波的波長(zhǎng)，因此轉(zhuǎn)子齒中由定子齒諧波磁通引起的脈振較小2、槽配合對(duì)異步附加轉(zhuǎn)矩的影響（近槽）定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)中含有的不同極數(shù)的諧波以不同速度和轉(zhuǎn)向在旋轉(zhuǎn)。并在鼠籠中感生電流，產(chǎn)生一個(gè)與其次數(shù)相同、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向相同的諧波磁場(chǎng)，這兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩稱為異步附加轉(zhuǎn)矩。（圖10-11）第三十九頁(yè)，共73頁(yè)。3、槽配合對(duì)同步附加轉(zhuǎn)矩的影響（不講）4、槽配合對(duì)振動(dòng)和噪聲的影響（不講）5、感應(yīng)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子槽配合的選擇4轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)原則：①為減小附加損耗，應(yīng)采用少槽近槽配合；②為避免起動(dòng)過(guò)程中較強(qiáng)的異步附加損耗，使；③為避免起動(dòng)過(guò)程中較強(qiáng)的同步附加損耗、振動(dòng)和噪聲，應(yīng)避免（表10-7）中的槽配合。

第四十頁(yè)，共73頁(yè)。4轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)（二）轉(zhuǎn)子槽形的選擇和槽形尺寸的確定

1、轉(zhuǎn)子槽形

(P247頁(yè)比較)①鑄鋁轉(zhuǎn)子：

平行齒平行槽凸形槽刀形槽

閉口槽雙籠轉(zhuǎn)子槽

梯形槽

②銅條轉(zhuǎn)子：

半閉口平行槽

第四十一頁(yè)，共73頁(yè)。2、轉(zhuǎn)子槽形尺寸的確定

①影響：（P247頁(yè)）

其中對(duì)關(guān)系最密切籠型轉(zhuǎn)子尺寸的確定另須著重考慮起動(dòng)性能的要求。

4轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)第四十二頁(yè)，共73頁(yè)。②對(duì)于鑄鋁轉(zhuǎn)子，槽面積和鋁條面積認(rèn)為相等，先估算轉(zhuǎn)子導(dǎo)條電流。

對(duì)于中小型鑄鋁轉(zhuǎn)子：4轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)第四十三頁(yè)，共73頁(yè)。4轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)③槽形：槽面積初定后，進(jìn)一步確定尺寸

槽口部分尺寸可參考相近規(guī)格的電機(jī)來(lái)決定。

第四十四頁(yè)，共73頁(yè)。4轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)3、端環(huán)的設(shè)計(jì)

端環(huán)電流：

端環(huán)面積：

端環(huán)外徑：比轉(zhuǎn)子外徑小（3~8）mm（以便鑄鋁模定位）端環(huán)內(nèi)徑：

略小于轉(zhuǎn)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第四十五頁(yè)，共73頁(yè)。4轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)二、繞線轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)計(jì)算

（一）轉(zhuǎn)子槽數(shù)的選擇

為了減少噪聲和振動(dòng)，一般采用整數(shù)槽繞組。為了減少附加損耗，考慮轉(zhuǎn)子開路電壓的控制數(shù)字，槽數(shù)不宜太多。當(dāng)采用分?jǐn)?shù)槽

時(shí)，宜選取

的分?jǐn)?shù)槽。

第四十六頁(yè)，共73頁(yè)。4轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)（二）轉(zhuǎn)子繞組的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法（不講）

1、功率較小的電機(jī)

一般用圓導(dǎo)線一根或數(shù)根做成單層多匝繞組；

轉(zhuǎn)子槽形：平行齒的半閉口槽

每相串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)：

第四十七頁(yè)，共73頁(yè)。4轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)2、功率較大電機(jī)和中型電機(jī)

采用雙層整距波繞組

（省去極間邊線，使轉(zhuǎn)子易達(dá)平衡）

轉(zhuǎn)子槽形：半閉口的平行槽結(jié)構(gòu)：每個(gè)線圈做成一匝，繞組系由半繞組元件組成，元件采用扁線彎制，僅一端預(yù)先成型；除末端外，導(dǎo)線全長(zhǎng)預(yù)先絕緣，嵌線由槽一端穿入，再?gòu)澬味私?，最后用頭套將半繞組元件“端接”部分聯(lián)接，再經(jīng)焊接便成。

第四十八頁(yè)，共73頁(yè)。轉(zhuǎn)子繞組：

Y或Δ

則：

核算空載轉(zhuǎn)子相電勢(shì)或集電環(huán)開路電壓

估算

導(dǎo)體截面積

選線規(guī)

校驗(yàn)

4轉(zhuǎn)子繞組與鐵心的設(shè)計(jì)第四十九頁(yè)，共73頁(yè)。5工作性能的計(jì)算（略去）

較準(zhǔn)確Γ型等效電路

→

簡(jiǎn)化電路

校正系數(shù)：

工作性能計(jì)算：

第五十頁(yè)，共73頁(yè)。一、定子電流的計(jì)算

5工作性能的計(jì)算由簡(jiǎn)化可知：定轉(zhuǎn)子有功分量相等

定轉(zhuǎn)子電流無(wú)功分量：

定子電流有功分量：

第五十一頁(yè)，共73頁(yè)。5工作性能的計(jì)算轉(zhuǎn)子電流無(wú)功分量：

整理得：

求解此二次代數(shù)方程，采用近似計(jì)算法——迭代法，忽略高次項(xiàng)

∴在假定效率

第五十二頁(yè)，共73頁(yè)。5工作性能的計(jì)算二、功率因數(shù)的計(jì)算

第五十三頁(yè)，共73頁(yè)。5工作性能的計(jì)算三、效率的計(jì)算

提高效率、減小損耗的主要措施：選用合適槽配合，設(shè)計(jì)新型繞組以降低諧波引起的附加損耗；改進(jìn)加工工藝，設(shè)計(jì)高效風(fēng)扇。

第五十四頁(yè)，共73頁(yè)。5工作性能的計(jì)算4、額定轉(zhuǎn)差率的計(jì)算

生產(chǎn)實(shí)踐中，分母加上鐵心中附加損耗一項(xiàng)，大小等于

第五十五頁(yè)，共73頁(yè)。5工作性能的計(jì)算5、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)

影響最大的主要因素是：

調(diào)整及槽形。

第五十六頁(yè)，共73頁(yè)。6起動(dòng)性能的計(jì)算

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的兩個(gè)顯著特點(diǎn)：①起動(dòng)電流大，使定轉(zhuǎn)子漏磁路高度飽和；②轉(zhuǎn)子電流頻率等于電源頻率（），比運(yùn)行時(shí)高很多，使導(dǎo)條電流產(chǎn)生集膚效應(yīng)。

第五十七頁(yè)，共73頁(yè)。一、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)漏磁路飽和效應(yīng)對(duì)漏抗的影響

6起動(dòng)性能的計(jì)算

1、漏磁路飽和效應(yīng)：

起動(dòng)瞬間，電機(jī)處于短路狀態(tài)，定、轉(zhuǎn)子電流大大增加。由于定轉(zhuǎn)子繞組磁勢(shì)正比于電流，所以磁勢(shì)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(zhuǎn)子漏抗減小

（只在槽漏抗、諧波漏抗和斜槽漏抗中考慮）

第五十八頁(yè)，共73頁(yè)。一、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)漏磁路飽和效應(yīng)對(duì)漏抗的影響

6起動(dòng)性能的計(jì)算

3、計(jì)算：

①起動(dòng)電流假定值：

定子每槽磁勢(shì)幅值：

第五十九頁(yè)，共73頁(yè)。一、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)漏磁路飽和效應(yīng)對(duì)漏抗的影響

6起動(dòng)性能的計(jì)算

轉(zhuǎn)子每槽磁勢(shì)幅值：

根據(jù)繞組計(jì)算，忽略磁化電流，取，則

∴起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生漏磁的定轉(zhuǎn)子槽磁勢(shì)平均值

式中，近似修正前面假定所帶來(lái)的誤差。

第六十頁(yè)，共73頁(yè)。6起動(dòng)性能的計(jì)算

②該漏磁通經(jīng)過(guò)齒頂鐵心和兩個(gè)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(dòng)時(shí)漏磁飽和系數(shù)

（，越飽和，比例越小，）

∴起動(dòng)時(shí)定轉(zhuǎn)子諧波漏抗：

起動(dòng)時(shí)斜槽漏抗：

第六十一頁(yè)，共73頁(yè)。6起動(dòng)性能的計(jì)算

③對(duì)于漏抗的減小，等效看作是定轉(zhuǎn)子槽口寬度加大計(jì)算。

槽口寬度：

齒頂寬度