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1、密级：高温异步电机设计与性能分析High Temperature Induction Motor Design and Performance Analysis学 院：电气工程学院专 业 班 级：学 号：学 生 姓 名：指 导 教 师： （教授）2012年 6 月摘 要Abstract目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 引言11.2 课题背景及意义1课题研究背景、目的及意义1课题国内外研究现状及趋势4第2章 三相单鼠笼异步电动机电磁计算62.1 额定数据及主要尺寸6参数的选择6电机的主要尺寸7定子绕组的计算9定子槽型的计算10转子绕组的计算112.2 磁路计算1
2、32.3 参数计算18线圈长度计算18电机定子绕组漏抗计算19电机转子绕组漏抗的计算21有效材料的计算22空载特性242.4 工作性能计算26电负荷计算26电机损耗计算27主要性能计算确定292.5 起动性能计算30起动时定子参数30起动时转子参数31起动参数的确定332.6 MATLAB语言结构34第3章 异步电机通过matlab的温度场分析353.1 matlab在电机设计和仿真中的应用353.2温度对异步电机的性能影响363.2.1. 温升363.2.2 发热373.2.3 环境温度对电动机的影响383.3 异步电动机温度场特性仿真结果38第4章 异步电机的ansoft仿真404.1.
3、ansoft maxwell的介绍404.1.1 三维静电场分析(3D Electrostatic Field)404.1.2 三维直流磁场分析(3D DC Magnetic)404.1.3 涡流场分析(Eddy Current Field)404.1.4 瞬态场(Transient Field）404.2 Maxwell 仿真一般步骤404.3 Maxwell的仿真结果与分析41建立电机模型414.3.2 Rmxprt导入至Maxwenll 2D有限元模块424.4本章小结43第5章 结论44参 考 文 献45致 谢48附 录495.1 附录1495.2 附录261第1章 绪论1.1 引言随
4、着四个现代化的发展，工业生产的自动化程度提高，还需要大量各种各样具有高性能的控制电机作为自动化系统的控制元件或执行元件。在生活各个行业中，电机的应用也越来越广泛。电机是各个行业生产过程及日常生活中普遍使用的基础设备，它是进行电能量和机械能量转换的主要器件。它在现代工业、现代农业、现代国防、交通运输、科学技术、信息传输和日常生活中都得到最广泛的应用。随着电机设计的日益成熟，以及冷却方式、材料和制造工艺的改进，作为电力生产和使用的主要设备，起单机容量呈现增大的趋势。随着单机容量的增大，电机对人们的日常生活、社会经济活动的影响作用日益增大，人们对电机的安全、可靠和经济运行提出了越来越高的要求。对电机
5、运行行为的研究已逐步成为电机学科领域里的重要课题。随着电气化和自动化程度的不断提高，异步电动机将占有越来越重要的地位。而随着电力电子技术的不断发展，由异步电动机构成的电力拖动系统也将得到越来越广泛的应用。异步电动机与其它类型电机相比，之所以能得到广泛的应用是因为它具有结构简单、制造容易、运行可靠、效率较高、成本较低和坚固耐用等优点。众所周知，电机单机容量的增加，主要是通过大幅度提高电机电磁负荷和改善冷却条件来实现的。随着现代计算机技术的迅猛发展和新型计算机技术的不断涌现，应用现代电磁场数值计算方法解决电机运行中存在的一系列重要理论和技术难题已成为可能。现代电磁场数值技术的出现已有30多年的历史
6、，现已逐步发展成为一个独立的学科分支。该学科分支之所以能够迅速发展，主要基于以下两个重要事实：一方面是电磁场数值计算能从定量角度解决经典电磁学所无法解决的电机内部复杂电磁场计算问题，在对实际问题的计算上可以得到相当高精度的解，能为提高和改善电机运行性能提供重要的理论参考依据，从而满足实际工程应用的需要；另一方面，随着计算机技术迅速发展、应用与普及，应用现代物理场数值计算方法可以仿真电机的性能，缩短研制周期，减少试制成本。1.2 课题背景及意义1.2.1课题研究背景、目的及意义异步电动机(asynchronous motor) 又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转
7、矩，从而实现机电能量转换为机械能量的一种交流电动机。异步电动机按照转子结构分为两种形式:有鼠笼式、绕线式异步电动机。因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60%多1。异步电动机的转子绕组不需与其他电源相连，其定子电流直接取自交流电力系统；与其他电机相比，异步电动机的结构简单，制造、使用、维护方便，运行可靠性高，重量轻，成本低。以三相异步电动机为例，与同功率、同转速的直流电动机相比，前者重量只及后者的二分之一，成本仅为三分之一。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒
8、速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电机），因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。此外,异步电动机运行时,从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如用同步电动机合理2。异步电动机的种类很多，从不同的角度有不同的分类法。按定子相数分有单相异步电动机、三相异步电动机；按转子绕组形式，一般可分为绕线式和鼠笼式两种类型。鼠笼式异步电动机中，又 有单鼠笼、双鼠笼和深槽式之
9、分； 按电机尺寸或功率，分为大型、中型、小型和小功率电机；按电机的防护形式分为开启式、防护式、封闭式3。异步电机主要用作电动机，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电动机，为多种机械设备和家用电器提供动力。例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等，大都采用三相异步电动 机拖动；电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器中则广泛使用单相异步电动机。异步电机也可作为发电机，用于风力发电厂和小型水电站等。1985年我国大部分地区迅速推广了全封闭自冷式鼠笼型三相异步电动机y 系列及其派生系列产品，其功率范围为0.55250Kw，机座中心高为80
10、315mm。 通过引进消化美国西屋公司和瑞士BBC公司的技术，自行研发的Y系列 6kv、2202800Kw中型高压三相异步电动机，采用新颖的箱式结构，是目前国内中型高压电机的主导产品，以后又随着 我国电网电压由6Kv升高到10Kv，又研发了10Kv 系列中小型高压异步电动机。1996年以电科所为首组织有关厂家完成了Y2系列的开发，功率范围为0.12315Kw，机座中心高为63355mm。该系列产品显著降低了空载噪声，有效抑制了负载噪声。2003年电科所组织有关厂家又完整地建立了全系列采用冷轧硅钢片的Y3系列，其能耗达到国标GB181632002中能耗限定值的规定，同时也达到欧洲eff2效率标准
11、，并且主要性能指标达到国际同类产品的先进水平4 。1992年美国能源部发布了新的能源法规，提出了高效率三相异步电动机的效率标准，并规定从1997年10月24日开始，凡制造和进口一般用途电动机效率必须符合这一标准。以后又更进一步提出超高效率电机。1999年欧洲电机和电力电子制造商协会制定了eff1、eff2、eff3三个等级的效率标准，并决定到2003年削减50低于eff3标准水平的电机生产，2006年以后不再生产11。我国也于2002年8月正式实施 中小型三相异步电动机能效限定值及节能评定值的国标（GB18163-2002）。因此借着节能的规划和“以冷代热”的法令，应该大力推广Y3新系列，使之
12、成为我国低压三相异步电动机的主导产品，且新一轮的派生系列产品也应在Y3新系列上展开 5-7。计算机控制技术和现代控制理论应用与交流调速系统后为其发展创造了更加有利的条件。使交流调速系统成为当前发展和研究的重点。采用微机控制后用软件实现矢量控制算法。使硬件电路规范化。从而降低了成本，提高了可靠性。而且还有可能进一步实现更复杂的动力。交流传动正逐步取代支流传动而成为机电传动的主流。异步电动机的调速方法：1) 绕线式电动机转子串电阻调速方法：绕线式异步电动机转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。串入的电阻越大，电动机的转速越低。此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的
13、形式消耗在电阻上。属有级调速，机械特性较软。2) 变极对数调速方法这种调速方法是用改变定子绕组的接线方式来改变笼型电动机定子极对数达到调速目的，本方法适用于不需要无级调速的生产机械，如金属切削机床、升降机、起重设备、风机、水泵等。3) 定子调压调速方法：当改变电动机的定子电压时，可以得到一组不同的机械特性曲线，从而获得不同转速。由于电动机的转矩与电压平方成正比，因此最大转矩下降很多，其调速范围较小，使一般笼型电动机难以应用。为了扩大调速范围，调压调速应采用转子电阻值大的笼型 电动机，如专供调压调速用的力矩电动机，或者在绕线式电动机上串联频敏电阻。为了扩大稳定运行范围，当调速在2：1以上的场合应
14、采用反馈控制以达到自动调节转速目的。调压调速的主要装置是一个能提供电压变化的电源，目前常用的调压方式有串联饱和电 抗器、自耦变压器以及晶闸管调压等几种。晶闸管调压方式为最佳。调压调速一般适用于100Kw以下的生产机械。4) 串级调速方法：串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。大部分转差功率被串入的附加电势所吸收，再利用产生附加的装置，把吸收的转差功率返回电网或转换能量加以利用。根据转差功率吸收利用方式，串级调速可分为电机串级调速、机械串级调速及晶闸管串级调速形式，多采用晶闸管串级调速，本方法适合于风机、水泵及轧钢机、矿井提升机、挤压机上使用。
15、5) 变频调速方法：变频调速是改变电动机定子电源的频率，从而改变其同步转速的调速方法。变频调速系统主要设备是提供变频电源的变频器，变频器可分成交流直流交流变频器和交流交流变频器两大类，目前国内大都使用交直交变频器。本方法适用于要求精度高、调速性能较好场合8-12。1.2.2课题国内外研究现状及趋势耐高温材料包括耐火材料和耐热材料，有无机化合物，也有高分子聚合物材料。耐火材料通常是指能耐1580以上温度的无机物材料。它们是修建窑炉、燃烧室和其他需耐高温的建筑材料。一般用石英砂、粘土、菱镁矿、白云石等作原料而制成，耐高温隔热保温涂料志盛，是一种组份无机涂料，耐温幅度在-801800，可抑制高温物体和低温物体的热辐射和传导热，对于高温物体可以保持70%的热量不损失。志盛涂料在1100的物体表面涂上8mm耐高温隔热保温涂料，物体表面温度就能从1100降低到100以内。另外耐高温隔热保温涂料还有绝缘、重量轻、施工方便、使用寿命长等特点，也可用做无机材料耐高温耐酸碱胶联剂使用，附着物体牢固。如耐火水泥、镁砖等13。从广义上讲
