电机设计第3部分

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1、,3.1 三相异步电机的电磁设计 3.2 三相感应电动机电磁设计例题 3.3 变频调速专用三相感应电动机的设计方法（简介）,第3部分 异步或感应电机设计,异步电机也称感应电机主要作为电动机运行，按使用电源的相数分为三相异步电机和单相异步电机，其中三相异步电机应用最多，主要介绍三相异步电机。变频异步电机是在适应于变频电源性能要求，对三相异步电机的局部设计参数微调的情况下应运而生的。这部分重点介绍三相异步电机的设计，最后简单介绍变频异步电机的设计特点。,3.1 三相异步电机的电磁设计,主要介绍中小型三相异步电动机的主要尺寸与气隙的确定，定、转子绕组与冲片的设计，工作性能和起动性能的计算等。,3.1

2、.1概述,1、我国异步电机的主要系列：我国目前生产的三相异步电动机约有100个系列，按电机尺寸分为大、中、小型。,大型：中心高 ，定子铁心外径,；功率范围在,以上，电压为,。,中型：中心高,，定子铁心外径,；功率范围为,，电压有,、,。,小型：中心高,，定子铁心外径,；功率,范围为,，电压为,。基本系列：,-,3.1 三相异步电机的电磁设计,小型三相感应或异步电动机，,；,三相感应电动机，,小型,机（中型）,；派生和专用系列：,三相笼型转子感应电动,；,高起动,转矩感应电动机（小型）；,变极多速感应电动机；,感应电动机,。,潜水,电机的系列及主要技术数据可查找有关电机,设计手册。,2、感应电动

3、机的主要性能指标和额定数据,1）感应电动机的主要性能指标,电机设计时应满足设计任务书规定的各项技术要求。三相感应电动机的各项主要性能要达到一定指标-主要性能指标，,有效率,； 功率因数,；最大转矩倍数,；,3.1 三相异步电机的电磁设计,起动转矩倍数,；起动电流倍数,和铁心温升,；绕组,；对笼型转子电动机还有起动过程中,的最小转矩,。,2）感应电动机的额定数据和标幺值,设计任务书中常常给定下列额定数据：额定功率,额定运行时转轴上输出的机械功率；额定电压 电动机在,电动机在,额定运行时所接的电源电压；额定频率 电动机在额定运行时的电源频率；额定转速 电动机在额定运行时的转速。,电机设计时，广泛地

4、采用标幺值。三相感应电动机电磁设计时，选用的基（准）值为： 电压的基值为电动机的额定相电压,功率的基值为电动机的额定功率 ；电流的基值为每相的,3.1 三相异步电机的电磁设计,功电流 。 ；阻抗的基值为,转矩的基值为电动机的额定转矩,；,。,；注意,标幺值是在物理量相应符号的右上角加 表示，如,。,3.1.2 主要尺寸与气隙的确定,1、主要尺寸和计算功率,感应电动机的主要尺寸为定子铁心内径 及铁心有效长度 。,其主要尺寸关系式：,。,感应电动机的计算功率,。,3.1 三相异步电机的电磁设计,由电机学知感应电动机定子电压方程式为：,对应的相量图如右图。其中,，,-分别为定子相电流,的有功分量和无

5、功分量；一般认为,两相量间的夹角,，得定子绕组满载,电势,。,。,-电势系数；,。,3.1 三相异步电机的电磁设计,。由于电机设计计算之前，,都未知，即电势系数 不能确定，电机设计计算前按经验,公式先估算一个电势系数 ：,2极小型电机,非2极小型电机,；,中型电机,单位用,。,-极对数；,。,2、电磁负荷的选择,电磁负荷 的大小对电机的性能和经济性都有影响，其值是依据制造和运行经验所积累的数据来选取的。对于中小型感应电动机：线负载 、气隙磁密,范围；对于大型感应电动机，电磁负荷可略高些。,3.1 三相异步电机的电磁设计,3、主要尺寸比 的选择,国产的感应电动机的主要尺寸比 值范围可从手册查出：

6、,系列，,；,。,国产感应电动机定子铁心外径 已规定了标准外径，见前面第,2部分。当 时，定子铁心采用扇型冲片。国产感应电动机给定了 的值及和极对数的关系。比值 的变动范围一般在 左右。 系列，,，,；,，,；,，,3.1 三相异步电机的电磁设计,4、主要尺寸的确定,，,前面已求出或估算,出。,，气隙波形系数,的有效值、平均值；气隙磁场正弦分布时，,-气隙磁密,磁路饱和时，气隙磁场波形不再是正弦分布，有扁平的趋势，磁场的平均值增加的较快，波形系数是微微下降的。一般工厂设计时不考虑波形系数减少，仍用1.11处理。计算极弧系数,，气隙磁密正弦分布时,。一般磁路,略有饱和，,。绕组系数,可根据绕组型

7、式计算出。,3.1 三相异步电机的电磁设计,这样,。再从有关手册选择,适当的主要尺寸比,，推导得,，,得,，,再从给定的,值求出定子铁心外径,。,根据标准的外径值，最后确定取接近外径计算值的标准值,再由给定的,，,值求出,。主要尺寸就确定了。,5、空气隙的确定,气隙 的大小要取的合适；气隙 取小了，可降低空载电流，提高电机的功率因数，但影响机械可靠性，不利于装配。并且,会增强谐波磁场，增加附加损耗等。气隙的大小已根据生产经验和所设计的电机给定的范围了。 系列：1号机座号，,3.1 三相异步电机的电磁设计,；,，,。,3.1.3 定子绕组与铁心的设计,1、定子槽数的选择,定子槽数,。对一般感应电

8、动机，定子每极每相槽数,在 范围内选取，且尽量选取整数。对于极数少，功率,大的电机， 可取大些；对于极数多的电机， 取小些。,2、定子绕组型式和节距的选择,1）定子绕组型式 定子绕组主要分为单层绕组和双层绕组。单层绕组 按线圈连接方式又分为链式绕组（ ）、 交叉式绕组（ ）及同心式绕组（ ）。单层绕组主要用在10kW以下的电机中，其优点是槽内只有一个线圈边，无层,3.1 三相异步电机的电磁设计,间绝缘，槽的利用率高；槽中的组成线圈边的串联导线都属于同一相，在槽内不会发生相间击穿；嵌线比较简单。缺点是绕组不能做成短距削弱谐波磁场，从而电磁性能比双层绕组的差。双层绕组 分为双层叠绕组和双层波绕组，

9、用在10kW以上的电机中。它可利用短距改善气隙磁场，使电机的电气性能较好。 除了感应电动机采用单、双层绕组外，在一些中大型高效节能感应电动机还采用 混合连接绕组，主要,为串联方式。,就是把每相 相带所占,槽的绕组分为两部分，一部分组成该相,连接绕组，另一部分组成该相 连接绕组,连接绕组和 连接绕组在空间上相距,电角，在串联起来，如图。该类绕组,3.1 三相异步电机的电磁设计,绕组系数高，谐波含量少，电磁性能好，其缺点是工艺复杂。,2）绕组节距的选择 对双层绕组，主要削弱五次谐波和七次谐波磁场，节距（跨距） 。其绕组系数,，,，,。双层绕组,对单层绕组,。,，,。,3、每相串联导体数，每槽导体数

10、的计算,设定子绕组每相串联导体数 ，每相电流 ，支路数 。则每相每条支路电流即线圈电流或每相串联导体电流为 ，每相总导体电流为,，线负荷,。考虑到,，得,。感应电机设计时常常通过,3.1 三相异步电机的电磁设计,改动 来取得若干不同的设计方案进行选优。每槽导体数,，,。对单层绕组， 应圆整为整数，而每线圈匝数：,对双层绕组， 应为偶数，每线圈匝数 。,；,再得到 。,4、电流密度的选择及线规、并绕根数和并联支路数的确定,一般对铜线感应电机，定子电密,在,范,围。工厂一般用热负荷 控制电机的温升， 级绝缘 系列小型,感应电动机 在,范围。故电流密度,通常根据选定的热负荷及线负荷确定。确定好电流密

11、度 后，,估算出导线的截面积,。,-定子并联支路数；,-导线并绕根数。,采用圆形导线的小型感应电动机，其单根圆,3.1 三相异步电机的电磁设计,导线的线径不要超过 ，即较粗的单根圆导线用 根较细的圆导线并绕组成。这 根圆导线截面积可以不相等，但截面积要求相差不大。功率较大的电机，采用扁导线。 注意，算出导线截面积后，查标准线规表，选用截面积相近的标准导线，得到圆导线的直径或扁导线的宽和厚,。,5、定子冲片的设计,1）槽形,感应电动机的,定子槽形常用的有四种，,如图。梨形槽和梯形槽,绕成的散嵌绕组。,是半闭口槽，齿壁基本上,平行。用在功率在100kW,以下，电压在500V以下的感应电动机中，定子

12、绕组为圆导线,3.1 三相异步电机的电磁设计,低压中型感应电动机采用半开口槽，定子绕组为分爿（pan）式成型绕组，为分爿（pan）式成型绕组的线圈的线圈边分为两半。中型高压（3000V、6000V）感应电动机采用开口槽。,2）槽满率,为了反映导体嵌入槽中的合理程度，用槽满率,来表示。槽满率是导线有规律排列所占的面积与槽的有效面积之比。,。 -绝缘导线的直径，采用绝缘,聚酯漆包圆线，,线规表示,，,；,，,，,，,，此时导线所占面积为,。,-槽有效面积。,-槽面积。,，,3.1 三相异步电机的电磁设计,对梨形槽如图。,-槽绝缘所占面积。,对于双层绕组,对于单层绕组,。,；,-槽绝缘厚度，,-槽楔

13、高度。,一般槽满率 在 范围。,3）槽形尺寸的确定,半闭口槽,和轭部的磁密要适当；齿部有足够的机械强度，轭部有足够的刚度。具体确定方法：定子齿宽 ， -定子,确定槽形尺寸时，要求齿部,3.1 三相异步电机的电磁设计,齿距，,， -铁心叠压系数，对厚 的硅钢片 ，,涂漆，,不涂漆（ 及以下的电机铁心，靠,氧化膜绝缘），定子齿磁密,；,定子轭部计算高度,，定子轭部磁密,，计算,极弧系数 在0.68左右取值；,槽口尺寸,从电气性能和工,艺制造考虑，,槽口宽,槽口高度,3.1 三相异步电机的电磁设计,斜角 取 。平行槽,平行槽槽形中导线截面积为,矩形。定子槽宽,，槽高,。,3.1.4 转子绕组与铁心的

14、设计,1、笼型转子的设计计算,1）转子槽数的选择及定转子槽配合问题,笼型转子感应电机转子槽数和定子槽数的配合，称槽配合,用,表示。,槽配合对附加损耗的影响,时，附加损耗最少，但对,起动性能造成极不利的影响。为此，槽配合采用少槽-近槽配合，即定、转子槽数相近，转子槽数略小于定子槽数；,3.1 三相异步电机的电磁设计,槽配合对异步附加转矩的影响,三相感应电机定子绕组,产生的磁场中有一系列谐波，它们分别在转子绕组中感生电流，相互作用产生一系列谐波转矩，称异步附加转矩。定、转子槽数接近时，产生的异步附加转矩小些。为限制一阶齿谐波产生的异步附加转矩，转子槽数,。,槽配合对同步附加转矩的影响,同步附加转矩

15、是由独立,来源的的极对数相同的定、转子两个谐波磁场在某一特定的转速下，此两个谐波磁场相对静止，从而产生的转矩（详细见电机学教材）。同步附加转矩会使电机的在那一特定的转速附近的转矩急剧下降，影响电机起动性能。为避免产生同步附加转矩，,；,3.1 三相异步电机的电磁设计,感应电机定、转子槽配合的选择,损耗及产生对电机起动不利的影响。根据已有的经验及实践验证，工程上已做出了感应电动机的槽配合数值的推荐表格，以供设计时查选（见电机工程手册（第二版）电机卷）。,为了避免产生过大的附加,2）转子槽形的选择和槽形尺寸的确定,转子槽形,中小型感应电动机笼型铸铝转子常用的槽形 如,图，见后一页。图a、b是平行齿的槽形；图c、d是平行槽；图e、 f是