電機(jī)課設(shè)第一階段報告

1、電機(jī)學(xué)課程設(shè)計第一階段小組編號：7-1小組成員：白雷 031210335 、張娜 031220710 汪澤 031220723 、趙澤箐 031220734一、普通異步電動機(jī)電磁設(shè)計過程特點普通異步電動機(jī)主要考慮的性能參數(shù)包括過載能力、啟動性能、效率和功率因數(shù)。具體內(nèi)容如下：啟動性能：1.普通異步電動機(jī)對啟動的主要要求：（1） 有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，保證生產(chǎn)機(jī)械能正常啟動。一般場合下希望啟動越快越好，以提高生產(chǎn)效率。即要求電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，否則電動機(jī)不能啟動。（2） 在滿足啟動轉(zhuǎn)矩要求的前提下，啟動電流越小越好。因為過大啟動電流的沖擊，對于電網(wǎng)和電動機(jī)本身都是不利的。（3） 要求啟動

2、平滑，即要求啟動時加速平滑，以減小對生產(chǎn)機(jī)械的沖擊。（4） 啟動設(shè)備安全可靠，力求結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。（5） 啟動過程中的功率損耗越小越好。2. 普通異步電動機(jī)實際啟動特性：（1）定子電流大，Ist=(57)IN（2） 啟動轉(zhuǎn)矩小，Tst=(0.81.5)TN3. 鼠籠式異步電動機(jī)的啟動方法： 直接啟動（全壓啟動）、電阻或電抗器降壓啟動 、Y- 降壓啟動、自耦變壓器降壓啟動 4. 線繞式異步電動機(jī)的啟動方法 ：逐級切除啟動電阻法 、頻敏變阻器啟動法 過載能力：最大轉(zhuǎn)矩Tmax與額定轉(zhuǎn)矩TN之比，表示為K=Tmax/TN一般電動機(jī)K取2左右。若K過大，則電動機(jī)未充分利用；若K取小了，則電動機(jī)工作

3、可靠性差。效率：普通異步電動機(jī)的效率在電機(jī)輸出額定功率是達(dá)到最大值，航空感應(yīng)電動機(jī)的效率比民用的低，但也不小于60%.功率因數(shù)：額定功率因數(shù)：是指電動機(jī)在額定負(fù)載時定子邊的功率因數(shù)。對電源而言， 感應(yīng)電動機(jī)相當(dāng)各感性阻抗，功率因數(shù)總是滯后的?？蛰d時，定子電流基本上是勵磁電流，主要用于無功勵磁，所以功率因數(shù)很低。當(dāng)負(fù)載增加時，轉(zhuǎn)子電流的有功分量增加，定子電流的有功分量隨之增加，致使功率因數(shù)逐漸提高。在接近額定負(fù)載時，功率因數(shù)達(dá)到最大。當(dāng)超過額定負(fù)載時，功率因數(shù)降低。二、變頻異步電動機(jī)的特點及設(shè)計改進(jìn)和要求變頻異步電動機(jī)的優(yōu)缺點：優(yōu)點：目前，變頻調(diào)速技術(shù)已迅速發(fā)展并得到了廣泛的應(yīng)用，對于整個變頻調(diào)

4、速系統(tǒng)而言，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)是變頻電機(jī)。變頻電機(jī)并不是在變頻器驅(qū)動下的普通異步電機(jī)，它是用于各類變頻傳動系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的特點和性能要求而特別設(shè)計的，具有良好的匹配性，且滿足系統(tǒng)品質(zhì)要求的一類交流電機(jī)的總稱。變頻調(diào)速異步電動機(jī)不僅具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格便宜、運行可靠等優(yōu)點，而且在變頻器驅(qū)動下實現(xiàn)了性能優(yōu)良的無級調(diào)速。變頻電機(jī)在那些調(diào)速范圍廣、速度控制精度高的場合更是得到了廣泛應(yīng)用。變頻調(diào)速異步電動機(jī)的主要優(yōu)點如下： （1） 結(jié)構(gòu)簡單、制造方便：變頻調(diào)速異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)子一般不需要繞線，省去了集電環(huán)、電刷等裝置，結(jié)構(gòu)非常簡單，維護(hù)方便。 （2）調(diào)速效果好、性能穩(wěn)定：由電機(jī)學(xué)可知，異步電動機(jī)有如下關(guān)系

5、式：在電源頻率f1 一定時，定子繞組感應(yīng)電動勢E1 與產(chǎn)生它的氣隙磁通m成正比。由（式a）中看出，若U1 不變，f1 與m成反比。如果f1 下降，則m 增加，使磁路過飽和，勵磁電流迅速上升，鐵耗增加，電動機(jī)效率降低，同時功率因數(shù)也減小。如果f1 上升，則m減小，電磁轉(zhuǎn)距減小，電動機(jī)的過載能力下降。可見，在調(diào)節(jié)f1 的同時，還要協(xié)調(diào)控制其他兩個量，才可以使電動機(jī)具有較好的調(diào)速性能。變頻調(diào)速實現(xiàn)了異步電動機(jī)的無級平滑調(diào)速，其良好的起制動性能大大提高了交流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此而被國內(nèi)外公認(rèn)為最具有發(fā)展前途的技術(shù)之一。 （3） 良好的起動特性：由電機(jī)學(xué)可知，最大轉(zhuǎn)距Tmax為：對于要求調(diào)速范圍大的恒

6、轉(zhuǎn)距負(fù)載，希望在整個調(diào)速范圍內(nèi)，保持最大轉(zhuǎn)距不變，即m 不變，由式（a）看出，可以采用E1/f1常數(shù)的恒磁通控制方式。由于異步電動機(jī)的感應(yīng)電動勢E1 不好測量和控制，所以一般變頻器在實際應(yīng)用中，是采取補(bǔ)償?shù)霓k法，即隨著f1 的降低，適當(dāng)提高U1，以補(bǔ)償r1 上的壓降，等效地滿足E1/f1常數(shù)，以達(dá)到維持最大轉(zhuǎn)距不變的目的，但是，必須注意，U1/f1 值太大會造成輕載時的過激勵，使電路飽和，勵磁電流增加。這時電動機(jī)在整個調(diào)速過程中就可以在較低的頻率和電壓下義最大轉(zhuǎn)速起動，不會像恒頻恒壓供電時那樣由于全壓起動，而給電網(wǎng)帶來數(shù)倍于電機(jī)額定電流的啟動電流的沖擊。由此知變頻調(diào)速異步電動機(jī)由于采用了變壓變

7、頻電源供電，能夠保證電動機(jī)在起動時具有較大的起動轉(zhuǎn)矩和較低的起動電流，所以在變頻電機(jī)的設(shè)計時無需過多的考慮電機(jī)的起動性能。 （4）節(jié)能效果明顯：變頻調(diào)速異步電動機(jī)可以根據(jù)負(fù)載的變化實現(xiàn)自動平滑的增速和減速，從而大幅度地提高了工作效率，達(dá)到節(jié)約能源的效果。通常情況下，調(diào)速范圍越廣，節(jié)約能源的效果越明顯。在實際生活生生產(chǎn)中采用變頻器對三相異步電動機(jī)實行變頻變壓調(diào)速,在額定頻率以下可得恒轉(zhuǎn)矩特性;在額定頻率以上可得恒功率特性。但是,無論何種形式的變頻器,其輸出電壓或電流中均含有高次諧波,與通常電網(wǎng)供電的正弦波有著較大的差別。而且,由于調(diào)速過程中,供電頻率須在一個較大的范圍內(nèi)變化,因而電機(jī)的運行特性和

8、設(shè)計參數(shù)都得相應(yīng)有所改變。缺點：但實際生產(chǎn)生活中多采用變頻器為變頻異步電機(jī)供電。采用變頻器對三相異步電動機(jī)實行變頻變壓調(diào)速,在額定頻率以下可得恒轉(zhuǎn)矩特性;在額定頻率以上可得恒功率特性。但是,無論何種形式的變頻器,其輸出電壓或電流中均含有高次諧波,與通常電網(wǎng)供電的正弦波有著較大的差別。而且,由于調(diào)速過程中,供電頻率須在一個較大的范圍內(nèi)變化,因而電機(jī)的運行特性和設(shè)計參數(shù)都得相應(yīng)有所改變。（1）電動機(jī)的效率和溫升問題：不論何種型式的變頻器,在工作中均會產(chǎn)生不同程度的諧波電壓和諧波電流,使異步電機(jī)在非正弦電壓、電流下運行。以現(xiàn)今比較普遍使用的正弦波PwM變頻器為例,其低次諧波基本上為零,剩下的是比載波

9、頻率(晶體管開關(guān)頻率)大一倍左右的高次諧波分量 （為調(diào)制比)。高次諧波會引起定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗、鐵耗及附加損耗的增加,其中最為顯著的是轉(zhuǎn)子鋁耗。因為,異步電機(jī)是以接近于基波頻率所對應(yīng)的同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的,因而,高次諧波電壓以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條后便產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)子損耗。除此以外,還須考慮因集膚效應(yīng)所產(chǎn)生的附加銅耗。若是異步電動機(jī)為改善起動性能而采用了深槽、刀形槽或瓶型槽等轉(zhuǎn)子槽形時,轉(zhuǎn)子鋁耗的增加將更大。這些損耗都會使電機(jī)額外發(fā)熱,效率降低,輸出下降,如將普通異步電機(jī)運行于變頻器輸出的非正弦電源條件下,其溫升一般約增加1020%。（2）電動機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)承受沖擊電壓的能力：目前中小容量變頻器,絕大多數(shù)

10、都是采用PWM的控制方式。它的載波頻率約為幾kHz到十幾kHz,這就使電動機(jī)線圈需要承受很高的電壓上升率,即du/dt值很高,相當(dāng)干電動機(jī)線圈上反復(fù)施加電壓陡度極大的沖擊電壓,使申機(jī)的匝間絕緣承受嚴(yán)酷的考驗。另外,由PWM變頻器產(chǎn)生的矩形斬波沖擊電壓疊加在電機(jī)運行電壓上,會對電機(jī)的對地絕緣形成威脅,對地絕緣在高電壓的反復(fù)沖擊下會加速老化。（3）諧波電磁噪聲與振動：當(dāng)采用變頻器供電時,普通異步電動機(jī)上由電磁、機(jī)械和通風(fēng)等原因所引起的振動和噪音,將變得更加復(fù)雜。變頻器電源中含有的各次時間諧波與電機(jī)電磁部分的固有空間諧波相互干涉,形成各種電磁激振力。當(dāng)電磁力波的頻率和結(jié)構(gòu)件固有振動頻率一致或接近時將

11、產(chǎn)生共振現(xiàn)象加大噪聲。由于電機(jī)工作的頻率范圍寬,轉(zhuǎn)速變化范圍大,各種電磁力波的頻率很難避開電機(jī)各種結(jié)構(gòu)件的固有頻率。普通異步電動機(jī)用變頻器供電時的噪聲比用電網(wǎng)供電時一般約增加101d5B左右。（4）電動機(jī)對頻繁起制動的適應(yīng)能力：由干采用變頻器供電后,電動機(jī)可以在很低的頻率和電壓下以無沖擊電流的方式起動,并可以利用變頻器所提供的各種制動方式進(jìn)行快速制動,為實現(xiàn)頻繁起制動創(chuàng)造了良好的件。如使用在鋼廠輥道上的變頻電動機(jī),起制動或正反轉(zhuǎn)的次數(shù)可達(dá)數(shù)百上千次,因而電動機(jī)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)處于循環(huán)交變的作用下,給電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和絕緣結(jié)構(gòu)帶來疲勞和加速老化問題。（5）低速時的冷卻問題：在電源頻率較低時,因

12、普通異步電動機(jī)的阻抗不盡理想,使電源中高次諧波所引起的損耗顯得較大。再者,自帶風(fēng)扇的普通異步電動機(jī)在轉(zhuǎn)速降低時,冷卻風(fēng)量將與轉(zhuǎn)速的三次方成比例減少,這必將使電機(jī)的低速溫升急劇增加,而難以實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩輸出。變頻異步電動機(jī)設(shè)計的改進(jìn)通過上面分析可以看到,普通異步電動機(jī)不太適宜運行在變頻調(diào)速系統(tǒng)下,為此需研究和設(shè)計新的供變頻調(diào)速專用的異步電機(jī)系列。它與傳統(tǒng)異步電機(jī)的設(shè)計有一定的差別。（1）電磁設(shè)計改進(jìn)：對于恒頻恒壓供電的普通異步電動機(jī),在電磁設(shè)計中,主要考慮的性能參數(shù)是過載能力、起動特性、效率和功率因數(shù)。在變頻變壓調(diào)速的異步電動機(jī)中,由于臨界轉(zhuǎn)差反比干電源頻率,因此,只要適當(dāng)選擇轉(zhuǎn)子參數(shù)八和從就可通過

13、降低頻率,在臨界轉(zhuǎn)差接近于1時直接起動,故過載能力和起動特性不再需要多加考慮,要解決的關(guān)鍵問題,就是如何改善電動機(jī)對非正弦電源波形的適應(yīng)能力,為此,應(yīng)考慮:(a)盡可能減小定、轉(zhuǎn)子的電阻。降低定子電阻既可減少基波銅耗,以彌補(bǔ)高次諧波引起的銅耗增加,又可減小低速時的定子電阻壓降,使最大轉(zhuǎn)矩有所上升。如前所述,調(diào)頻電機(jī)需通過采用較大的轉(zhuǎn)子電阻來獲得足夠的起動轉(zhuǎn)矩,因此,降低轉(zhuǎn)子電阻不單可以減少由基波和高次諧波所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子鋁耗,還可依靠 的加大,在一定程度上抑制低速時的轉(zhuǎn)矩脈動。(b)目前一般市售通用變頻器,以電壓型居多,為抑制電流中的高次諧波,都需適當(dāng)增加電機(jī)的電感量。但量,轉(zhuǎn)子槽漏抗較大的槽形,

14、集膚效應(yīng)也大,故高次諧波銅耗也增大。而且,具有較大轉(zhuǎn)子電感的電動機(jī),在恒功率調(diào)速區(qū)域,最大轉(zhuǎn)矩將隨電源頻率的增加而降低,有可能使電機(jī)難以維持恒功率運行。因此,電機(jī)漏電感的大小要兼顧到整個調(diào)速范圍內(nèi)阻抗匹配的合理性。(c)變頻調(diào)速異步電動機(jī)的主磁路設(shè)計一般均不十分飽和,這一方面是考慮到電源中的高次諧波會加深磁路飽和;另一方面也考慮到低頻時為了提高輸出轉(zhuǎn)矩而需適當(dāng)提高變頻器的輸出電壓。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計改進(jìn)：由于電源的非正弦波特性對變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)、振動、噪音、冷卻方式等都有影響。因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須考慮下列幾方面:(a)除了把耐熱等級提高外,還必須對對地絕緣強(qiáng)度和導(dǎo)線匝間絕緣的耐沖擊電壓能有充分

15、的考慮。(b)在振動和噪聲的間題上,除了選擇合適的定、轉(zhuǎn)子槽配合之外,對定、轉(zhuǎn)子部件的加工和裝配精度也應(yīng)有較高的要求,以提高氣隙均勻度、轉(zhuǎn)子的動平衡精度和電磁對稱性,對結(jié)構(gòu)件要充分考慮剛性問題。(c)采用獨立供電的鼓風(fēng)機(jī),對電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)迫冷卻。(d)防止軸電流措施，對容量超過160KW 電動機(jī)應(yīng)采用軸承絕緣措施。主要是易產(chǎn)生磁路不對稱，也會產(chǎn)生軸電流，當(dāng)其他高頻分量所產(chǎn)生的電流結(jié)合一起作用時，軸電流將大為增加，從而導(dǎo)致軸承損壞，所以一般要采取絕緣措施。三、變頻異步電動機(jī)相關(guān)計算1、主要尺寸計算：主要尺寸包含：定子鐵芯內(nèi)徑D1，鐵芯長度l1，氣隙長度（1.1）定子鐵芯內(nèi)徑D1，鐵芯長度l1：D12

16、l1=5.5pKw11ABPn1注：感應(yīng)電動機(jī)氣隙磁場可認(rèn)為空間正弦分布，又考慮實際電機(jī)總稍有飽和，因此P宜取稍大，如0.7； 初步選擇定子繞組的分布和短距，則可初步確定Kw1； 實踐經(jīng)驗線電流A選擇范圍為（1835）103 Am，電機(jī)功率小則尺寸小，散熱條件差，因此應(yīng)取較小值； 適宜選擇B的范圍為0.60.86T； 計算功率P=KEPNcos,電勢比KE可取0.850.95，、cos根據(jù)設(shè)計給定指標(biāo)確定； 同步轉(zhuǎn)速n1可取額定轉(zhuǎn)速nN。（1.2）定子鐵芯內(nèi)徑D1，鐵芯長度l1：=2pl1D1注：極對數(shù)p、細(xì)長比為可選量（應(yīng)取較小值）（2）氣隙長度：=0.3*（0.4+7D1l1）10-3m2

17、、磁路計算：（1）氣隙磁路計算：氣隙磁場強(qiáng)度：H=B0氣隙系數(shù)：K=tz1(4.4+0.75b01)tz14.4+0.75b01-b012*tz2(4.4+0.75b02)tz24.4+0.75b02-b022 注：tz1、tz2為定轉(zhuǎn)子齒距，b01、b02為定轉(zhuǎn)子槽口寬氣隙磁路長：l=K*（2）齒磁路計算：定轉(zhuǎn)子齒部磁感應(yīng)強(qiáng)度：Bz1=Btz1bz1*10.95,Bz2=Btz2bz2*10.95注：等齒寬鐵芯，沖片0.5mm，迭片是有足夠壓力，查磁化曲線圖可得定轉(zhuǎn)子磁場強(qiáng)度。定轉(zhuǎn)子齒磁路長可用齒高代替。（3）軛部磁路計算：定轉(zhuǎn)子軛部最大磁感應(yīng)強(qiáng)度：Ba1=20.95l1ba1,Ba2=20.95l2ba2ba1、ba2為定轉(zhuǎn)子軛部磁路寬度，l2=l1由此查磁化曲線的Ha1、Ha2軛部磁路長度：la1=Da2p*Ca、la2=da2p*CaDa、da分別為定轉(zhuǎn)子軛部平均直徑，Ca=（0.40.7），極數(shù)多、飽和程度高，Ca取小值。（4）磁化電流：總磁勢：F0=2Hl+2Hz1lz2+2Hz2lz2+Ha1la1+Ha2la2磁化電流：I0=pF00.9m1W1K13、參數(shù)計算：（1）定子繞組電阻計算：端部長度：，y為以距離表示的節(jié)距平均匝長：，l1為有效長度導(dǎo)線總長：相繞組電阻