电机课设第一阶段报告

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电机学课程设计第一阶段

小组编号：7-1

小组成员：白雷031210335、张娜031220710

汪泽031220723、赵泽箐031220734

一、普通异步电动机电磁设计过程特点

普通异步电动机主要考虑的性能参数包括过载能力、启动性能、效率和功率因数。具体内容如下：
启动性能：
1.普通异步电动机对启动的主要要求：

提高生产效率。即要求电动机的启动转矩大于负载转矩，否则电动机不能启动。 （1）有足够大的启动转矩，保证生产机械能正常启动。一般场合下希望启动越快越好，以

（4）启动设备安全可靠，力求结构简单，操作方便。

（5）启动过程中的功率损耗越小越好。

2.普通异步电动机实际启动特性：
（1）定子电流大，Ist=(5~7)IN
（2）启动转矩小，Tst=(0.8~1.5)TN
3.鼠笼式异步电动机的启动方法：
直接启动（全压启动）、电阻或电抗器降压启动、Y- 降压启动、自耦变压器降压启动4.线绕式异步电动机的启动方法：
逐级切除启动电阻法、频敏变阻器启动法

过载能力： 最大转矩Tmax 与额定转矩TN 之比，表示为K=Tmax/TN 一般电动机K 取2 左右。若K 过
大，则电动机未充分利用；若K 取小了，则电动机工作可靠性差。

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效率：
普通异步电动机的效率η在电机输出额定功率是达到最大值，航空感应电动机的效率比民用的低，但也不小于60%.

功率因数：
额定功率因数：是指电动机在额定负载时定子边的功率因数。

对电源而言，感应电动机相当各感性阻抗，功率因数总是滞后的。空载时，定子电流基本上是励磁电流，主要用于无功励磁，因此功率因数很低。当负载增加时，转子电流的有功分量增加，定子电流的有功分量随之增加，致使功率因数逐渐提高。在接近额定负载时，功率因数达到最大。当超过额定负载时，功率因数降低。

二、变频异步电动机的特点及设计改进和要求

变频异步电动机的优缺点：
优点：当前，变频调速技术已迅速发展并得到了广泛的应用，对于整个变频调速系统而

言，其执行机构是变频电机。变频电机并不是在变频器驱动下的普通异步电机，它是用于各类变频传动系统，根据系统的特点和性能要求而特别设计的，具有良好的匹配性，且满足系统品质要求的一类交流电机的总称。变频调速异步电动机不但具有结构简单、制造方便、价 些调速范围广、点如下：

（1）结构简单、制造方便：
变频调速异步电动机的转子一般不需要绕线，省去了集电环、电刷等装置，结构非常简单，维护方便。

（2）调速效果好、性能稳定：
由电机学可知，异步电动机有如下关系式：

U

1

?

E 1

?

4.44f 1

K

dp1

N

1?（式）m

式中f ---1 电源频率 K dp1

---绕组系数 N 1

---定子绕组匝数

?m

---气隙磁通

在电源频率f1 一定时，定子绕组感应电动势E1 与产生它的气隙磁通φm成正比。由（式 a）中看出，若U1 不变，f1 与φm 成反比。如果f1 下降，则φm 增加，使磁路过饱和，励 磁电流迅速上升，铁耗增加，电动机效率降低，同时功率因数也减小。如果f1 上升，则φ

m 减小，电磁转距减小，电动机的过载能力下降。可见，在调节f1的同时，还要协制

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其它两个量，才能够使电动机具有较好的调速性能。

变频调速实现了异步电动机的无级平滑调速，其良好的起制动性能大大提高了交流调速系统的稳定性。因此而被国内外公认为最具有发展前途的技术之一。

（3）良好的起动特性：
由电机学可知，最大转距Tmax为：

T max

?

4?f 1

c [r 1 1

?

3

pU

2

?

c 1

X )] 2 2

(式b)

1

r 1 2

?

(X 1

对于要求调速范围大的恒转距负载，希望在整个调速范围内，保持最大转距不变，即φm不变，由式（a）看出，能够采用E1/f1＝常数的恒磁通控制方式。由于异步电动机的感应电动势E1不好测量和控制，因此一般变频器在实际应用中，是采取补偿的办法，即随着f1的降低，适当提高U1，以补偿r1上的压降，等效地满足E1/f1＝常数，以达到维持最大转距不变的目的，可是，必须注意，U1/f1值太大会造成轻载时的过激励，使电路饱和，励磁电流增加。这时电动机在整个调速过程中就能够在较低的频率和电压下义最大转速起动，不

击。 会像恒频恒压供电时那样由于全压起动，而给电网带来数倍于电机额定电流的启动电流的冲 性能。

（4）节能效果明显：
变频调速异步电动机能够根据负载的变化实现自动平滑的增速和减速，从而大幅度地提高了工作效率，达到节约能源的效果。一般情况下，调速范围越广，节约能源的效果越明显。

在实际生活生生产中采用变频器对三相异步电动机实行变频变压调速,在额定频率以下可得恒转矩特性;在额定频率以上可得恒功率特性。可是,无论何种形式的变频器,其输出电压或电流中均含有高次谐波,与一般电网供电的正弦波有着较大的差别。而且,由于调速过程中,供电频率须在一个较大的范围内变化,因而电机的运行特性和设计参数都得相应有所改变。

但实际生产生活中多采用变频器为变频异步电机供电。采用变频器对三相异步电缺点：

动机实行变频变压调速,在额定频率以下可得恒转矩特性;在额定频率以上可得恒功率特性。 可是,无论何种形式的变频器,其输出电压或电流中均含有高次谐波,与一般电网供电的正弦 波有着较大的差别。而且,由于调速过程中,供电频率须在一个较大的范围内变化,因而电机

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的运行特性和设计参数都得相应有所改变。

（1）电动机的效率和温升问题：
不论何种型式的变频器,在工作中均会产生不同程度的谐波电压和谐波电流,使异步电机在非正弦电压、电流下运行。以现今比较普遍使用的正弦波PwM变频器为例,其低次谐波

基本上为零,剩下的是比载波频率(晶体管开关频率)大一倍左右的高次谐波分量

2 +1

（

?

为调制比)。

高次谐波会引起定子铜耗、转子铝耗、铁耗及附加损耗的增加,其中最为显著的是转子铝耗。因为,异步电机是以接近于基波频率所对应的同步转速旋转的,因而,高次谐波电压以较大的转差切割转子导条后便产生很大的转子损耗。除此以外,还须考虑因集肤效应所产生的附加铜耗。若是异步电动机为改进起动性能而采用了深槽、刀形槽或瓶型槽等转子槽形 这些损耗都会使电机额外发热,效率降低,输出下降,如将普通异时,转子铝耗的增加将更大。

步电机运行于变频器输出的非正弦电源条件下,其温升一般约增加10~20%。

（2）电动机绝缘结构承受冲击电压的能力： 十几kHz,这就使电动机线圈需要承受很高的电压上升率,即du/dt 值很高,相当干电动机线 当前中小容量变频器,绝大多数都是采用PWM 的控制方式。它的载波频率约为几kHz 到 绝缘形成威胁,对地绝缘在高电压的重复冲击下会加速老化。

（3）谐波电磁噪声与振动：
当采用变频器供电时,普通异步电动机上由电磁、机械和通风等原因所引起的振动和噪音,将变得更加复杂。变频器电源中含有的各次时间谐波与电机电磁部分的固有空间谐波相互干涉,形成各种电磁激振力。当电磁力波的频率和结构件固有振动频率一致或接近时将产生共振现象加大噪声。由于电机工作的频率范围宽,转速变化范围大,各种电磁力波的频率很难避开电机各种结构件的固有频率。普通异步电动机用变频器供电时的噪声比用电网供电时一般约增加10~1d5B左右。

（4）电动机对频繁起制动的适应能力：
由干采用变频器供电后,电动机能够在很低的频率和电压下以无冲击电流的方式起动,并能够利用变频器所提供的各种制动方式进行快速制动,为实现频繁起制动创造了良好的件。如使用在钢厂辊道上的变频电动机,起制动或正反转的次数可达数百上千次,因而电动机的

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结构系统和电磁系统处于循环交变的作用下,给电机的机械结构和绝缘结构带来疲劳和加速老化问题。

（5）低速时的冷却问题：
在电源频率较低时,因普通异步电动机的阻抗不尽理想,使电源中高次谐波所引起的损耗显得较大。再者,自带风扇的普通异步电动机在转速降低时,冷却风量将与转速的三次方成比例减少,这必将使电机的低速温升急剧增加,而难以实现恒转矩输出。

变频异步电动机设计的改进
经过上面分析能够看到,普通异步电动机不太适宜运行在变频调速系统下,为此需研究和设计新的供变频调速专用的异步电机系列。它与传统异步电机的设计有一定的差别。

（1）电磁设计改进：
对于恒频恒压供电的普通异步电动机,在电磁设计中,主要考虑的性能参数是过载能力、起动特性、效率和功率因数。在变频变压调速的异步电动机中,由于临界转差反比干电源频率,因此,只要适当选择转子参数八和从就可经过降低频率,在临界转差接近于1时直接起动,

弦电源波形的适应能力,为此,应考虑: 故过载能力和起动特性不再需要多加考虑,要解决的关键问题,就是如何改进电动机对非正
和高次谐波所产生的转子铝耗,还可依靠	L 2	'	/ r 2	' 的加大,在一定程度上抑制低速时的转矩脉

动。

(b)当前一般市售通用变频器,以电压型居多,为抑制电流中的高次谐波,都需适当增加电机的电感量。但量,转子槽漏抗较大的槽形,集肤效应也大,故高次谐波铜耗也增大。而且,具有较大转子电感的电动机,在恒功率调速区域,最大转矩将随电源频率的增加而降低,有可能使电机难以维持恒功率运行。因此,电机漏电感的大小要兼顾到整个调速范围内阻抗匹配的合理性。

(c)变频调速异步电动机的主磁路设计一般均不十分饱和,这一方面是考虑到电源中的高次谐波会加深磁路饱和;另一方面也考虑到低频时为了提高输出转矩而需适当提高变频器

的输出电压。 （2）结构设计改进：

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由于电源的非正弦波特性对变频电机的绝缘结构、振动、噪音、冷却方式等都有影响。

因此,在结构设计中必须考虑下列几方面:
(a)除了把耐热等级提高外,还必须对对地绝缘强度和导线匝间绝缘的耐冲击电压能有充分的考虑。

(b)在振动和噪声的间题上,除了选择合适的定、转子槽配合之外,对定、转子部件的加工和装配精度也应有较高的要求,以提高气隙均匀度、转子的动平衡精度和电磁对称性,对结构件要充分考虑刚性问题。

(c)采用供电的鼓风机,对电机进行强迫冷却。

(d)防止轴电流措施，对容量超过160KW电动机应采用轴承绝缘措施。主要是易产生磁路不对称，也会产生轴电流，当其它高频分量所产生的电流结合一起作用时，轴电流将大为增加，从而导致轴承损坏，因此一般要采取绝缘措施。

三、变频异步电动机相关计算

1、主要尺寸计算： 主要尺寸包含：定子铁芯内径（1.1）定子铁芯内径?1，铁芯长度： ?1 ?1 注：①感应电动机气隙磁场可认为空间正弦分布，又考虑实际电机总稍有饱和，因此??宜

取稍大，如0.7；
②初步选择定子绕组的分布和短距，则可初步确定??1；
③实践经验线电流A选择范围为（18~35）×103??，电机功率小则尺寸小，散热条 件差，因此应取较小值；

④适宜选择??的范围为0.6~0.86T；			cos ?	根据设计给定指标确
⑤计算功率	?? P = ???cos ?,电势比	??可取0.85~0.95，η、

定；

⑥同步转速?1可取额定转速??。		2??1
（1.2）定子铁芯内径?1，铁芯长度：?1
	λ =	??1

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注：极对数p、细长比λ为可选量（λ应取较小值）
（2）气隙长度：

δ= 0.3 ?（0.4+ 7 ?1?1）×10?3 m

2、磁路计算：
（1）气隙磁路计算：

气隙磁路长：??=???δ
（2）齿磁路计算：
定转子齿部磁感应强度：

定转子轭部最大磁感应强度：

由此查磁化曲线的?a1、?a2
轭部磁路长度：

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	??0
磁化电流：?0 =	0.9?1?1??1

3、参数计算：

（1）定子绕组电阻计算：

端度：

l

L

?

?1.5 ~ 2

?

y

'

，为以距离表示的节距?‘

平均匝长：

l av

?

2(l 1

?

l ) L

，为有效长度?1

导线总长：

l

?

W l 1 av

相绕组电阻：

r 1

?

1

l? S c

，a 为并联支路数，电阻率要折合成热态值：

a

??

?0

[1

?

?(t

?

t )] 0

（2）转子绕组电阻计算:

r 2

?

r 0

+2

r R 2 ?p (2sin Z 2

)

折合到定子侧的转子绕组电阻： 注：?0为每一根导条的电阻，??为每一段端环的电阻

x?1

?

x

?

x

?

x?v

?

4??

f

W 1 2

l 1

(?

????

)

?R

?l

0

pq

R 1

l 1

v 1

注：???、???、???分别为槽漏抗、端部漏抗、谐波漏抗

（4）转子漏抗计算：

x????

0

fl 2

?

?

，

?

???

R

2

??l

2

??

v

2

注：转子铁芯长度?2= ?1
折合到定子绕组的转子漏抗：

	x		'?	4	m 1	(W K 1		W		1	)	2	x
（5）励磁电阻与电抗计算：	?	2				Z	2						?	2

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r

?

P F e

Z

?

E 1

注：铁耗

P F e= K

O

p

O V

m

m I 1 0

2

，

m

I

0

，

x m

?

Z

m

2

?

r m

2

?1、?0即可计算

，V 为铁芯体积，?0为铁芯单位体积铁耗；由

4、性能计算：

（1）额定运行参数计算：

额定工况下机械功率： 额定转矩：	P ?M		(1.05 ~1.12)P N
	T N	30 P N ??n N

（2）过载能力计算：

最大转矩：

T max

?

4

?fc [r 1

m pU 1

N

2

f

，式中C 为计算系数，

c

??

x?1

?

r 1 2

?

(x?1

?

cx?2 '

' ) ] 2

x m

过载能力：

K

T

?

T max

T N

（3）起动性能计算：

起动电流：