單繞組雙速異步電機設計.doc

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湖南工程學院應用技術學院 畢業(yè)設計說明書 題 目： 單繞組雙速異步電機設計 專業(yè)班級： 電氣工程 班 學生姓名： 學 號： 完成日期： 2012年6月 指導教師： 劉金澤 評閱教師： 謝衛(wèi)才 2012年6月 湖南工程學院應用技術學院畢業(yè)設計(論文) 誠 信 承 諾 書 本人慎重承諾和聲明：所撰寫的《單繞組雙速異步電機設計》是在指導老師的指導下自主完成，文中所有引文或引用數據、圖表均已注解說明來源，本人愿意為由此引起的后果承擔責任。 設計(論文)的研究成果歸屬學校所有。 學生(簽名) 年 月 日 畢業(yè)設計（論文）任務書 題目： 單繞組雙速異步電機設計 姓名 駱飛祥 院 應用技術學院 專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級 0882學號 200813010206 指導老師 劉 金 澤 職稱 副 教 授 教研室主任 謝 衛(wèi) 才 一、 基本任務及要求： 主要設計內容包括：1、變極電機定子繞組方案確定。2、電磁設計及參數分析。 3、實例計算。4、熟悉和掌握電磁設計程序。 通過對電動機定子繞組方案的確定及電磁計算，掌握反向變速電機的工作原理和設計方法 熟悉電磁設計程序。 二、 進度安排及完成時間 1、第一周：布置畢業(yè)設計任務，查閱收集相關設計資料 2、第二周至第三周：撰寫開題報告和文獻綜述 3、第四周至第六周：畢業(yè)實習，撰寫實習報告 4、第七周至第八周：撰寫畢業(yè)設計論文，完成設計 5、第九周至第十二周：畢業(yè)設計中期檢查 6、第十三周至第十四周：整體完善、修改畢業(yè)設計 7、第十五周：進一步完善、修改畢業(yè)設計，修正畢業(yè)設計格式 8、第十六周：指導老師批閱，電子文檔上傳ftp 9、第十七周：打印、裝訂成冊，畢業(yè)設計答辯  目 錄 摘要 Ⅰ Abstract Ⅱ 第 1 章 緒 論 1 1 .1 單繞組多速電動機的概況 1 1 .2 異步電動機調速研究的發(fā)展 1 1 .3 單繞組調速電機的應用前景 4 第 2 章 變極原理和方法 5 2 .1 變極調速原理 5 2 .2 反向變極法的原理和繞組排列 5 2 .2.1 反向變極原理 5 2 .3 反向變極法的繞組接線方法 8 第 3 章 設計特點 10 3 .1 設計數據和尺寸的選擇 10 3 .1.1 定子內徑選擇 10 3 .1.2 定子槽數的選擇 10 3 .1.3 定子節(jié)距的選擇 10 3 .1.4 轉子槽形選擇和尺寸 10 3 .1.5 轉子槽數的選擇 12 3 .1.6 定轉子槽配合問題 12 3 .2 技術參數 12 3 .3 轉矩特性和功率特性 15 第 4 章 電磁設計 17 4.1 四極電機電磁設計 17 4.1.1 額定數據和主要尺寸 17 4.1.3參數計算 24 4.1.4 工作性能 29 4.2 二極電機電磁設計 34 4.2.1 額定數據和主要尺寸 35 4.2.2磁路計算 38 4.2.3參數計算 41 4.2.4 工作性能 47 4.2.5起動性能 49 4.3 2/4極性能比較 52 第 5 章 雙速異步電動機的控制 53 5.1 對控制線路的基本要求 53 5.2 控制原理圖 53 結束語 55 參考文獻 56 致謝 57 附錄A 轉子沖片圖 58 附錄B 定子沖片圖 59 附錄C 四級電機定子繞組展開圖 60 附錄D 二級電機定子繞組展開圖 61 單繞組雙速異步電動機 摘要：隨著我國經濟的快速增長，雙速電機的應用越來越廣泛。然而現階段對異步電機進行調速有多種方法，在定子繞組上采取措施的有：改變繞組極對數（變極）；改變電源頻率（變頻）；改變電源電壓（變壓）等。這些方法都各有優(yōu)缺點，其中變極調速技術是一種最常用的方法。這種方法 雖然是有極調速，但具有簡單、可靠及高效等優(yōu)點，在對調速要求不高的許多生產機械中有著廣泛的應用。 本設計主要介紹了單繞組雙速異步電動機的變極原理、繞組排列、繞組接法、電磁設計以及雙速電動機的控制方法。 關鍵字：變極調速；反向法；雙速電動機。 Single winding double speed asynchronous motor Abstract: With Chinas rapid economic growth, more and more extensive application of double speed motor.However for asynchronous motor speed at a variety of methods in the stator winding, the measures are: Changing winding extremely logarithm; Change power frequency ; Change the power supply voltage , etc. These methods has its advantages and disadvantages, among them the change pole speed control technology is one of the most commonly used methods. This method although there is extremely control, but it is simple, reliable and efficient advantages in speed, not high demand in many production machinery in a wide range of applications. This design is mainlyintroduced the single winding doublespeed asynchronous motor variable extremely principle, windingarray, windingsmethod, electromagnetic design and the control method of a two-speed motor through examples. Key word:The change pole speed; Reverse law; double speed motor 第 1 章 緒 論 1 .1 單繞組多速電動機的概況 單繞組多速異步電動機是一種只有一套定子繞組，通過外部接線變換獲得多種轉速的電動機。它屬與有級調速設備，具有間單、可靠、高效及易于繞制的優(yōu)點，在許多工業(yè)領域的變速拖動中有著廣泛應用。 YD 系列變極多速三相異步電動機是Y（IP44）三相異步電動機的派生產品是現代 JDO2 系列變極多速三相異步電動機的更新?lián)Q代產品。全系列11個機座號，9種速比，共103個規(guī)格。目前已鑒定定型批量生產的機座號為80―180七個機座號，共65個規(guī)格。 YD系列電動機的安裝尺寸及外型尺寸、絕緣等級、防護等級、冷卻方法、結構及安裝型式、使用條件、額定電壓、額定功率等均與Y系列（IP44）電動機相同。機座號與速比、功率的關系以及力能指標均與國際同類產品的先進水平相近。 變極多速三相異步電動機由于具有可隨負載性質的要求而分級地變化轉速，從而達到功率的合理匹配和間化變速系統(tǒng)的特點。電動機用于各式萬能、組合、專用切削機床以及礦山冶金、紡織、印染、化工、農機等部門需要調速的各種傳動機構。 1 .2 異步電動機調速研究的發(fā)展 交流異步電動機調速的研究始于20世紀 60 年代，已經取得了許多可喜的成果。近年來，電力電子技術、大規(guī)模集成電路和計算機技術的飛速發(fā)展，為交流調速技術的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件 ,使交流電動機調速和控制提高到了一個新的水平。國內外都十分重視開發(fā)研究交流電動機的調速技術，目前在發(fā)達國家中，很多直流調速已經被交流調速所取代，從而避免了直流電動機換向困難、維修不便等缺點。世界上有60％左右的發(fā)電量是通過電動機消耗的。 中國各類電動機的裝機容量已超過4億 kW，其中異步電動機約占90%，中小型電動機約占80%，拖動風機水泵及壓縮機類機械的電動機約1.3億 kW。目前，中小型電動機已超過152個系列，842個品種，4000多個規(guī)格。近十多年來，機械工業(yè)等有關部門大力抓電動機的節(jié)電工作，組織領導了有關研究所及企業(yè)，先后設計制成多種節(jié)能電動機，并明令頒布淘汰63種高耗能電動機和推廣24種節(jié)能電動機，取得了一定的成效。這些節(jié)能產品主要分成兩大類：一類是提高電動機效率的高效電動機，另一類是調速電動機。高效電動機的代表產品有： (1) Y(IP44)系列異步電動機 電動機容量從0.55～200kW，B級絕緣，防護等級IP44，達到國際電工委員會(IEC)標準，產品達到20世紀70年代末國際水平，全系列加權平均效率比JO2系列提高0.43%，年產量約2000萬kW。 (2) Yx系列高效電動機 該類電機由上海電器科學研究所組織電機行業(yè)研制成功，容量1.5～90kW，有2，4，6等3種極數。全系列電動機效率平均比Y(IP44)系列高3%左右，接近國際先進水平。適用于單方向運行，年工作時間在3000h 以上。負載率大于50%的場合，節(jié)電效果顯著。該系列電動機產量不高，年產量約1萬kW。 調速電動機的代表產品根據其調速方式可以劃分為： (1) 變極調速電機 主要產品有在國內已批量生產YD(90.45～160kW)，YDT(0.17～160kW)，YDB(0.35～82kW)，YD(0.2～24kW)，YDFW(630～4000kW)等8個系列產品，達到國際平均應用水平。 (2) 電磁滑差調速電機 國內已批量生產YCT(0.55～90kW)，YCT2(15～250kW)，YCTD(0.55～90kW)，YCTE(5.5～630kW)，YCTJ(0.55～15kW)等8個系列產品，達到國際平均應用水平，其中 YCTE系列的技術水平最高，最有發(fā)展前途。 (3) 變頻調速電機 主要用于風機、水泵、壓縮機等負載變化較大場合和精密機械等需要過程控制的場合。 高效電機以Y系列交流異步電動機替代JO2型電機基本不受機型限制，因此，所有應用交流異步電動機的場合都可以用Y系列電機取代JO2系列電機。Yx系列電機的市場潛力受到其容量的制約。原則上，90kW以下的交流異步電動機可以Yx系列的高效電機取代。90kW以下的交流異步電動機裝機容量約占交流異步電動機總量的30%左右。 近十多年來，中國政府致力于推廣電動機調速技術，各行各業(yè)都在一定程度上采用了電動機調速。據石油、電力、建材、鋼鐵、有色、煤炭、化工、造紙、紡織等部門最近對企業(yè)抽樣調查結果，石油、建材、化工行業(yè)電動機調速應用較好。在目前4億kW的電機負載中，約有50%是負載變動的，其中的30%可以通過電機調速解決其負載變動問題。因此僅就目前的市場容量考慮，約有6000萬kW的調速電機市場。 調速電機主要技術有： (1) 中小容量風機、水泵、壓縮機用低壓變頻調速技術 中小容量( 指 280kW 以下) 的風機、水泵、壓縮機通常采用低壓(380，220V)電動機。該調速技術的調速范圍廣(100%～0%)，調速精度高( 0.5%)，節(jié)電效果好( 多數為 25%～50%)，總的性能是其它各種交流調速技術所不能比擬的。由于變頻器的價格高( 一般為1000～1200元/kW。容量很小時，單位價格還要高，其它交流調速技術需增加的投資一般為 50～200 元/kW)，因此初投資大。 (2) 中大容量風機、水泵、壓縮機用高壓變頻調速技術 中大容量(280～6000kW)風機、水泵、壓縮機通常采用高壓(6,10kV)電動機傳動，因此，高壓變頻調速技術的關鍵設備是高壓變頻器。該技術適用于在工藝流程中需要調節(jié)流量的用高壓交流電動機驅動的風機、水泵或壓縮機，因此適用于國民經濟的各個部門，特別是電力、冶金、煤炭、建材、機械等部門。國外應用該技術的許多實例表明，其節(jié)電率一般為 25%～40%。采用該項技術的購買變 頻器等附件的費用以及基建安裝費用超過1300元/kW。 (3) 精密機械變頻調速傳動技術 變頻調速應用范圍廣( 既適用于多種容量的異步電動機調速，也適用于各種容量的同步電動機調速，并可逐步替代直流調速 ) ，安裝容易，保護完善，易實 現生產過程控制自動化等。需精密調速的機械和場合各式各樣，采用變頻調速技術所需的初始投資和基建費用也因對象不同而異，與其它各種交流調速技術相比要高很多，一般為 1000～2000元/kW。其運行維修費用也因對象不同而不同程度地減少。 (4) 變極調速技術 變極調速技術是通過采用變極多速異步電動機實現調速的。這種多速電動機大都為籠型轉子電動機，其結構與基本系列異步電動機相似，現國內生產的有雙、三、四速等 3 類。采用該項技術需要增加的初始投資平均為 50 元/kW，年運行費用基本不變，節(jié)電率按30%計算，用戶投資回收期為三四個月。 (5) 電磁調速技術 電磁調速技術是通過電磁調速電動機實現調速的技術。電磁調速電動機(又稱滑差電機)由三相異步電動機、電磁轉差離合器和測速發(fā)電機組成。三相異步電動機作為原動機工作。該技術也是國內最成熟的交流調速技術之一。適用于容量 在0.55～630kW范圍內的風機、水泵或壓縮機。它的優(yōu)點是結構簡單，維護方便，初始投資不高(比普通籠型電動機高約220元/kW)。 (6) 液力耦合器調速技術 液力耦合器調速技術屬于機械調速范疇，它是將匹配合適的調速型液力耦合器安裝在常規(guī)的交流電動機和負載(風機、水泵或壓縮機)之間，從電動機輸入轉速，通過耦合器工作腔中高速循環(huán)流動的液體，向負載傳遞力矩和輸出轉速。只要改變工作腔中液體的充滿程度即可調節(jié)輸出轉。采用該項技術需要增加初始投資平均為120元/kW，年運行維修費用基本不變，節(jié)電率平均為18%，用戶投資 回收期為6個月。 1 .3 單繞組調速電機的應用前景 1. 高效率電機 國家已明令不再生產JO2系列異步電機，“九五”期間將生產Y系列、Yx系列及其它通用或專用高效節(jié)能電動機約1.5億kW(未包括更換現有JO2型用的新型電動機)。估計2000年和2010年Y和Yx系列電機的市場占有率將分別達到50%，90%和10%，30%左右。 2. 調速電機 目前調速電機的市場占有率約為20%，估計到2000年和2010年，其市場占有率將達到50%和85%左右。 采用上述兩類節(jié)電技術，預計到2010年年節(jié)約電力超過910億kWh。 詳見表1.1，二氧化碳減排量達到2890萬t(碳)左右。 表 1.1 電機減排潛力分析 減排技術名稱 合計 Yx系列電機 變極電機 電磁調速 變頻調速 電機基準效率 89.0% 提高后的效率 91.0% 節(jié)電率 1.7% 10．0% 10．0% 20．0% 2000 年節(jié)電量/TWh 19.47 2．2% 1．80 5．40 0．86 2010 年節(jié)電量/TWh 91．63 0．43 9．00 22．50 13．50 2000年減排量/Mt（碳） 22．57 1．8 2．09 6．26 1．00 2010年減排量/Mt（碳） 106．18 2．08 10．43 26．07 15．64 單位減排成本/元/t（CO2） -128．96 -10．28 -139．95 -130．62 -65．31 從上表可以看出：變極調速電機是目前最經濟有效的節(jié)能電機，這就是本課題研究的意義。  第 2 章 變極原理和方法 單繞組多速異步電動機是一種只有一套定子繞組，通過外部接線變換獲得多種轉速的電動機。本設計主要研究單繞組雙速異步電動機的變極原理、繞組排列、繞組接法、電磁設計以及雙速電動機的控制方法，并通過舉例敘述了普通三相鼠籠式單速異步電機改繞成雙速異步電動機的步驟和計算方法。 2 .1 變極調速原理 異步電動機定子繞組通以三相電流，就能在氣隙中產生一個以同步轉速轉動的旋轉磁場。同步轉速n1和電源頻率f 、繞組極對數p有如下關系： 由此可以看出：當頻率一定時，同步轉速n1與極對數p成反比。只要設法改變同步轉速n1，從而改變轉子轉速n 。P愈大，n愈小；P愈小，n愈大。 改變定子繞組極對數，一般有以下三種方法： ① 單一繞組，改變其不同的接線組合，得到不同的極對數； ② 在定子槽內安放兩個有不同極對數的獨立繞組； ③ 在子槽內安放兩個有不同極對數的獨立繞組，而且每個繞組又可以有不同的接線組合，得到不同的極對數。 對于工廠來說，第一種方法最簡單實用，因為它繞法簡單，出線頭較少，用銅也較省。所以單速異步電機改繞多速大多采用此法。若繞組改接前后的極對數是成倍數關系，則這種調速稱為倍極比調速，例如 2/4 極、4/8 極等；否則，稱為非倍極比調速，例如 4/6 極、6/8 極等。本設計只討論 2/4 極的變極原理和方法。 2 .2 反向變極法的原理和繞組排列 單繞組多速異步電動機的變極方法有多種：反向法、換相法和變節(jié)距法。在此我采用反向變極法來實現雙速異步電機的控制，它是單繞組雙速異步電動機變極方法中最常用的一種。 2 .2.1 反向變極原理 現以 2/4 極來說明反向法變極原理。圖 2.1（a）、（b）表示了由兩個元件成的一個相繞組在定子上的分布情況。兩個元件的聯(lián)接在圖2.1（a）和（b）中以不同方式畫出，每根元件邊產生的磁場以虛線表示。由圖 2.1可以清楚地看出，兩個元件如（a）、（c）那樣聯(lián)接將產生一對極（2 極）；兩元件接法換成圖 2.1（b）、（d）所示，就產生兩對極（4 極），極數增加了一倍。 圖 2.1 反向變極法的原理示意圖 【圖中（a）、（b）表示轉子上的極性，（c）、（d）表示極性正好相反】 比較圖 2.1 中的（a）、（c）和（b）、（d）可以知道，極數加倍的原因在于相線圈的一半電流反了向，所以這種變極方法叫作反向法。 2 .2.2 應用槽矢量圖排列雙速電動機繞組 以定子36槽2/4極單繞組雙速電動機為例。2極時，其相鄰兩槽電角度 ，每極每相槽數，可得 24 槽2極時的槽矢量圖如圖 2.2所示。 圖 2.2 36槽 2極槽矢量圖 4 極時，根據相鄰兩槽電角度。同理可可畫出它的槽矢量圖如圖 2.3所示。按照各槽相號不變原則，對照 2 極相號，在 4 極槽矢量圖上標出各槽相號。 圖 2.3 36槽 4極槽矢量圖 計算繞組系數： 節(jié)距y=10 2極時，， 分布系數為： 4極時，，每極每相槽數還是q=6 分布系數為： ， 繞組系數分布為： Kdy2 = 0.958 0.707 = 0.667 Kdy4 = 0.837 1 = 0.837 從以上此例可以看出，倍級比為 2:1 的雙速單繞組一般都是利用庶極接法獲得的，并且都是反轉向方案。2 極數為相帶繞組，兩種極數電機轉向相反。 2 .3 反向變極法的繞組接線方法 以上利用利用反向變極法獲得的雙速電動機繞組，變極時每相線圈都有一半電流反向，這個反向可以通過適當的接線變換來實現。 單繞組雙速電動機用得較多的接線方法有 2Y/△和 2Y/Y 兩種，出線頭 6 根。下面以36槽2/4極雙速電動機為例來說明具體接線方法。 在圖 2.4 中分別用虛線和實線表示不同接法時的電流方向（為比較起見，Y和△接法一律用電流正方向）。表示U相得一半線圈，V、W 兩相也如此。由圖2.4可以清楚看出，不同接法時、、也反了向。其電機的繞組排列圖如圖2.5 所示。 圖 2.4 36 槽 2/4 極 2Y／△聯(lián)結繞組接線圖 圖 2.5 電機繞組聯(lián)接圖  第 3 章 設計特點 3 .1 設計數據和尺寸的選擇 3 .1.1 定子內徑選擇 在要求兩種極數下功率接近，即所謂恒功率情況，為使低速下有合理的功率因數和較大的出力，一般宜采用低速（即極數多的）情況下的定子內徑。在要求恒轉矩設計時為保證高速下的出力宜采用相應于高速情況下的定子內徑，對于三速電機，一般采用中間速度的定子內徑。 3 .1.2 定子槽數的選擇 在極數、相數即定的情況下，定子的槽數決定于每極沒相槽數q1。q1值的大小對電機的參數、附加損耗溫升及絕緣材料消耗量等都有影響。當采用較大的q1 值時： （1）由于定子諧波磁場減小，使附加損耗降低，諧波漏抗減小。 （2）一方面每槽導體數減少，使槽漏抗減??；另一方面槽數多了，槽高與槽寬的比值相應增大，使槽漏抗增大，但這方面影響較小。 （3）槽中線圈邊的總散熱面積增加，有利于散熱。 （4）絕緣材料用量和加工工時增加，槽利用率降低。因此選擇槽數時應對各方面的因素綜合考慮，參照已有型號 YD132M-2/4 極變極電機的參數，選取定子槽數為36。 3 .1.3 定子節(jié)距的選擇 定子繞組的線圈節(jié)距自然是固定不變的，但是它的電角跨距卻取決于極數。一個等于圓周 1 ／8 的線圈節(jié)距，對于 8 極接法提供了整距，對于6 極為 2／3整距，而對于 4 極接法卻只是一半極距。應避免太窄的節(jié)距，而且對于一個2：1速比的變極繞組，可采用的方案是對大極數選用線圃節(jié)距為 1 言極距，因而對于小極數變?yōu)?2／3，而每一情況下線圈的短距系數均為0.87。節(jié)距實用上也可接近于1和1／2(短距系數為 1．O 和0.71)以便防止低速接法下漏電抗太大。 3 .1.4 轉子槽形選擇和尺寸 1. 轉子槽形 感應電動機籠型轉子槽形種類很多，有平底槽、梨形槽，對于采用鑄鋁轉子的中小型電動機，尤其是小功率電機，一般采用圖 3.1（a）所示平底槽形。 圖 3.1 轉子槽形 2. 轉子槽形尺寸的確定 轉子槽形尺寸對于電動機的一系列性能參數如:起動電流、起動轉矩、最大轉矩、起動過程中的轉矩（即T-s曲線的形狀）、轉差率、轉子銅耗、功率因數、 效率、溫升等都有相當大的影響；此外，槽的各部分尺寸對這些技術參數又有程度不同、性質不同的影響。其中起動轉矩、起動電流、最大轉矩和轉差率與轉子 槽形尺寸的關系最為密切，由于起動電流和最大轉矩之間存在一定的比例關系，因此籠型轉子槽形尺寸的確定除與定子槽形尺寸的確定有一些相似的原則之外，還必須著重考慮起動性能的要求。對于鑄鋁轉子，槽面積和鋁條的截面積可認為 是相等的。為了確定導條截面積，需要先估算轉子導條的電流 I2。 考慮到轉子電流 I2 和定子電流I1兩者的相位不同，并根據電流的折算，可寫出 式中： ——轉子每相串聯(lián)導體數； —— 轉子基波繞組系數； ——考慮定轉子電流相位不同而引入的系數，與功率因數有關。因，且籠型轉子的 對于普通中小型感應電動機鑄鋁轉子，一般取JB=2.0106～4.5106A/m2。為了保證有足夠大的起動轉矩，轉子電阻值不能太小，因此不能選取太小的 JB；但是JB太大了也不行，因為這將導致電機的轉差率增大，并且使轉子的電阻損耗大增，效率降低，發(fā)熱嚴重。槽形和槽面積初步確定后，可進一步確定轉子槽的具體尺寸，其方法與確定定子槽形的方法相似。估算時轉子齒磁密 Bi2 和 Bj2 可參考類似電機的數據，一般 Bi2 在 1.25～1.6T 之間；小型電機一般較低，約為 1.0T，這是因為轉子沖片 直接套在軸上，除 2 極電機和部分 4 極電機外，軛部導磁截面都比較富裕。槽口部分尺寸可參考相近規(guī)格的電機來決定。 3 .1.5 轉子槽數的選擇 繞線轉子感應電動機的轉子繞組通常是對稱的三相繞組，線圈的節(jié)距接近或等于基波的極距，因此定子諧波磁場一般不會引起較大的附加轉矩，并且轉子回路中可以串接外加電阻以增加起動轉矩，因而它與籠型轉子不同，無須把附加轉矩對起動的影響作為首先和必須考慮的因素。為了減少噪音和振動，一般應采用整數槽繞組。為了減少附加損耗，q2 和 q1 不宜太多，很少選用 q2 =q11。當采用 q2=（b+）分數槽時，宜選 d=2 的分數槽，所以選取轉子槽數為32。 3 .1.6 定轉子槽配合問題 籠型轉子感應電機在選取轉子槽數時，必須與定子槽數有恰當的配合，這就是所謂的槽配合。如果配合不當，會使電機性能惡化，例如有可能導致附加損耗、附加轉矩、振動與噪聲增加，從而使效率降低、溫升增高、起動性能變壞、嚴重 時甚至無法起動。因為這些原因，在選擇槽配合時必須慎重對待。通常在選擇槽 配合時主要考慮下列原則： 為了減小附加損耗，應采用少槽近槽配合。 為了避免在起動過程中，產生較強的同步附加轉矩、振動和噪聲，應避免采用下式列的槽配合: 3 .2 技術參數 1．繞組系數 與一般單速電機一樣，多速電機的繞組系數為： 其中 kq 為分布系數，ky 為短矩系數。ky 的計算與單速電機一樣，分布系數 kq 的物理意義與單速電機是相同的，但對于非60 或120 相帶繞組一般應按矢量 圖的矢量分布求得，可表示為 120 相帶繞組，計算 q1 時應計算每對極下每相的槽數，即。 2．磁路計算 磁路計算方法與普通單速電機相同，其中 （1）（ ）的選擇：一般情況下，變極繞組的繞組系數較低，故選用（ ）值比普通單速電機為小。 （2）關于兩極軛磁密問題：兩極軛磁密允許比普通單速電機高（但此時鐵耗比較大，效率相應降低），以便獲得各速度下合理的氣隙磁密比和功率分配。 3．參數計算 （1）槽漏抗計算：對于非相帶繞組槽漏磁導中的KU和KL應根據每相各槽上下層線圈邊相位差所對應的KU、KL值之平均值計算，如表 3.1 所示。 表3.1、值計算 相位差 1 0.75 0.25 0 1 0.81 0.437 0.25 （2）諧波漏抗 、 相帶繞組按一般公式計算（對相帶繞組,q1須用每對極下每相的槽數）。而對于其它各種不規(guī)則分布繞組尚無統(tǒng)一公式，可按相帶計算后按經驗適當放大1.2~1.5倍。 4．三相繞組的連接和磁密比的估計 前面分析過，改變繞組間相互連接可以實現變極的目的，這是一方面。另一方面，我們還需要通過繞組的不同連接，配合節(jié)距和匝數的選擇，調節(jié)電機在兩種極數下的磁密比，以滿足電機工作狀況對功率分配（如恒轉矩、恒功率）的要求。下面推導一下它們之間的關系。 由電勢的基本公式 式中 Φ ——每極磁通（麥麩），忽略磁路飽和的影響時 式中 ——極距（厘米）； ——鐵心有效長度（厘米）； ——定子鐵心內徑（厘米）； P——極數。 現在以通常字母代表第一種極數下的量，而以右上角帶“”符號的字母代表第二種極數下的量，則得 （3-1） 即 （3-2） 再推求與之間的近似關系，我們知道異步電動機的轉矩，其中, ,忽略與 的差別，同時近似認為兩種極數下溫升接近的條件為 故得 （3-3） 于是，電動機在兩種極數下的功率關系為 （3-4） 我們可以依照電機的工作狀況對兩種極數下的功率要求，由式（3-3）和（3-4）近似地確定兩種極數下的電磁轉矩比和磁密比，然后適當選擇繞組節(jié)距，算出繞組系數 和，再由式（3-1）推求兩種極數下的連接方式為 2Y／△、2Y／Y或是其它。反之，在確定了三相繞組的連接方式后，又可回頭去推求兩種極數下的磁密比，看其是否符合電機的工作狀況。 3 .3 轉矩特性和功率特性 一只三相單速異步電動機用變極方法經過改繞獲得了多速，由于接線方法和繞組排列的不同，電動機在不同極數( 即不同轉速) 時的輸出轉矩和輸出功率也是不同的。但是，它們之間在數量上卻大致有一定的關系，一般有恒功率、恒轉矩 和可變轉矩三種情況。恒功率是指電動機在各種極數時的輸出功率基本接近，由于輸出功率 P（瓦）=輸出轉距 M（牛米）轉速 n （轉/ 分）／9.55 因此必然轉速高時轉矩小，轉速低時轉矩大。恒轉矩是指電動機在各種板數時的輸出轉矩基本接近，所以轉速高時功串高轉速低時功率小?？勺冝D矩則是介于恒功率和恒轉矩兩者之間的一種情況。 單繞組多速電動機的這種恒功率、恒轉矩和可變轉矩的性能特點具有一定的實際意義，因為根據生產機械的特點，對于變速也有不同的要求，一般也可分為恒功率、恒轉矩和可變轉矩三種情況。例如車床用雙速電動機，它往往低速時負載重要求轉矩大,高速時負載輕，轉矩可小些因此,對于這種變速要求具有恒功率 特性。又如鼓風機或風扇類型機械 ,它需要的轉矩隨著轉速的降低而減小，這種變速要求屬于可變轉矩。另有些機械，不論轉速如何，它的負載是不變的，這就要求變速具有恒轉矩特性。 異步電動機的轉矩有以下關系： 我們以角標2表示多極數的量，角標1表示少極數的量，并忽略 和的差別，則 從式我們看出：在既定的極數比和忽略不同極數時轉子功率因數的差別以及忽略低 速通風條件較差的條件下單繞組多速電動機的性能特點將取決于繞組的接法。 YD132M4/2 極電機的特性： 1. 采用 2Y/Y 接法，此時 ,由于 2 極時為兩路并聯(lián)，4極時一路串聯(lián)，所以,則 由上可知，在這種情況下得到的是恒轉矩特性。起重機、運輸帶等機械，由于負載轉矩是恒定的，所以適宜于采用 2Y／Y 調速。 2. 2Y/△接法： 由此可知，在這種情況下得到的是可變轉矩特性。金屬切削機床在一般的情況下，低速時進行粗切削，進刀量大，需要轉矩大；高速時進行精切削，進刀量小，需要轉矩小，而在不同轉速時所需功率接近恒定值，因此適宜于采用 2Y／△接法調速。 根據機械負載的要求，我們可以選用恒功率或恒轉矩變極調速的電動機。但是對于一臺已經制好的電動機，我們應當按照它的銘牌上規(guī)定的連接方法使用，不能隨便改變接法。例如，規(guī)定是 2Y／Y 接法的電動機，如果在多極數時把Y接法改為△接法，則每相繞組的電壓將提高到 倍，感應電勢E1及主磁通也就相應地增大，使電機磁路過分飽和，激磁電流急劇增大，而使電動機損壞。  第 4 章 電磁設計 4.1 四極電機電磁設計 已知數據： 1.型號 YD132M-4/2 2.功率 6.5KW 3.額定電壓 380V 4.接法△/2Y 5.絕緣等級 B 級 6.效率 0.84 7.功率因數 0.85 8.最大轉矩倍數 2.0 9.啟動轉矩倍數 1.6 10.起動電流倍數 6.0 4.1.1 額定數據和主要尺寸 1．輸出功率： 2．額定電壓： 3．功電流： 4．效率：按照技術條件規(guī)定取 5．功率因數：按照技術條件規(guī)定取 6．極對數： P=2 7. 定轉子槽數： 36/32 8．定轉子每極槽數： 9．查《中小型電機設計手冊》確定電機的主要尺寸： 再由表 10–3，按定子內外徑比求出定子沖片外徑 根據標準直徑最后確定 D1=0.21m 定子內徑： 鐵心長度： 10． 氣隙的確定： 氣隙長度： 鐵心有效長度： 轉子外徑： 參照類似電機轉子內徑： 11．極距 12．定子齒距: 13．轉子齒距: 14．定子繞組采用雙層疊繞式，節(jié)距 1~11，Y=10. 15．為了削弱齒諧波磁場的影響，轉子采用斜槽，一般斜一個定子齒距，于是轉子斜槽寬。 16. 設計定子繞組： 每相串聯(lián)導體數： 取并聯(lián)支路數,可得每槽導體數 雙層繞組取偶數，所以 定子繞組每個線圈匝數 每相串聯(lián)導體數： 17. 每相串聯(lián)匝數： 18. 繞組線規(guī)設計： 附錄二，采用高強度漆包線，并繞根數，絕緣后 , 19. 定子槽形設計： （1）槽面積： 按附錄三，槽絕緣采用 DMDM 復合絕緣，,槽楔為 層壓板, （2）槽絕緣占面積: （3）槽有效面積: （4）槽滿率: 符合要求。 20.鐵心長度: 鐵心有效長度： 凈鐵心長： 對于不涂漆的硅鋼片取壓裝系數： 21．繞組系數： 22．每相串聯(lián)導體數 4.1.2磁路計算 23．計算每極磁通： 由于采用低諧波繞組，可得 ,初設得 24．每極下齒部截面積： 參照類似電機槽型設計?。? 槽口寬b01 =3.2mm，槽口高度 h01 =0.8mm，槽寬bs1 =5.3mm，槽高hs1 =18.0mm 采用梨形槽。 轉子齒寬： 截面積: 25．定子軛部高度計算： 轉子軛部高度計算： 軛部導磁截面積： 26．一級下空氣隙截面積： 27．波幅系數：由查得 28．氣隙磁密計算： 29．對應于氣隙磁密最大值處的定子齒部磁密： 30．轉子齒部磁密： 31．定子軛部磁密： 32．轉子軛部磁密： 33．從附錄三的D23 磁化曲線找出對應上述磁密的磁場強度： 從電機設計附錄五的D23 磁化曲線找出對應于上述磁密的磁場強度： 34．齒部磁路計算長度： 35．軛部磁路計算長度： 36．有效氣隙長度： 其中氣隙系數計算： 37．計算氣隙磁壓降： 38．齒部磁壓降： 39．飽和系數： 誤差：，合格 40．計算軛部磁壓降，并查取校正系數表: 于是 于是 41．每極磁勢: 42．計算滿載磁化電流： 43．磁化電流標幺值： 44．勵磁電抗： 4.1.3參數計算 45．線圈平均半匝長 電子線圈節(jié)距： ?。? 其中節(jié)距比： 直線部分長度： 其中d1是線圈直線部分伸出鐵心的長度，去10~30mm。 46．雙層線圈端部軸向投影長： 47．為漏抗系數： 48．按照電機設計附錄四計算定子槽比漏磁導。因為是雙層繞組且短距，機設計附錄四計算定子槽比漏磁導。因為是雙層繞組，短距，根據, 相帶查沈陽機電學院電機系編的《三相異步電動機—原理，設計與實驗》圖6—13得：節(jié)距漏抗系數: 49．只在鐵心部分有槽漏抗，因而計算槽漏抗時要乘上 50．考慮到飽和的影響，定子諧波漏抗： 其中Σs =0.015 由電機設計圖4-10 以q=6, β =1.1111 查出。 51．端部漏抗： 52．可知感應電機定子繞組漏抗為： 除以阻抗基值： 得定子漏抗標幺值: 式中： 等于定子漏抗標幺值： 53．轉子槽比漏磁導： 其中, 由西安交通大學陳世坤主編《電機設計》圖附四得到。 是由 查西安交通大學陳世坤主編《電機設計》圖附1—6 得曲線得到。 54．轉子槽漏抗標幺值： 55．考慮到飽和影響的諧波比漏磁導，于是轉子諧波漏抗標幺值： 其中，由電機設計圖4—11以查得。 56．轉子繞組端部漏抗標幺值： 57．轉子端部漏抗： 58．轉子漏抗標幺值： 59．總漏抗： 60．定子繞組直流電阻： 其中為B級絕緣平均工作在時銅的電阻率。 61．定子相電阻標幺值： 62．有效材料的計算： 定子銅的銅的重量： 其中C 是考慮導線絕緣和引線重量的系數， 漆包圓銅線C=1.05 ；是銅的密度。 硅鋼片重量： 其中δ = 0.005m 是沖減余量；是硅鋼片的密度。 63．轉子電阻的折算值： 其中 是考慮鑄鋁轉子因疊片不整齊，造成槽面積減小，導條電阻增加，通常取。 64．定子電流有功分量標么值： 65．轉子電流無功分量標： 其中： 66．轉子電流無功分量標： 67．滿載點勢標么值： 與初設相符。 68．空載電勢系數： 69．空載時定子齒部磁密： 70．空載時轉子齒部磁密： 71．空載時定子軛部磁密： 72．空載時轉子軛部磁密： 73．空載氣隙磁密： 74．空載時定子齒部磁壓降： 75．空載時轉子齒部磁壓降: 76．空載時定子軛部磁壓降： 77．空載時轉子軛部磁壓降： 78．空載時氣隙磁壓降： 79．空載時每極磁勢： 80．空載磁化電流： 4.1.4 工作性能 81．計算定子電流標幺值: 82．定子電流密度： 83．定子線負荷: 84．轉子電流標幺值及導條電流實際值: 端環(huán)電流實際值: 85． 轉子電密: 導條： 端環(huán)電密： 86．定子損耗標幺值: 87．轉子鋁損耗的標幺值： 88．附加損耗： 89．由試驗值二極封閉自扇冷式：機械損耗: 90．鐵耗： （1） 定子齒體積： （2） 轉子齒體積： （3）單位鐵耗根據：和查沈陽機電學院電機 系編的《三相異步電動機—原理，設計與實驗》表示7—6 得： ， (4）定子齒損耗： （5）定子軛損耗： （6）總損耗： 對半閉口槽取鐵耗校正系數： 91．總損耗標幺值: 92．輸入功率標幺值： 93．效率： ,合格 94．功率因數: ，合格 95．額定轉差率: 96．額定轉速: 97．最大轉矩倍數: 98．起動性能 假設起動電流: 99．起動時產生漏磁的定轉子槽磁勢平均值： 因此產生的虛擬磁密: 其中 100．起動時漏抗飽和系數Z K 由《電機手冊》圖10-18 查出: 101．漏磁路飽和引起的定子齒頂寬度的減?。? 漏磁路飽和引起的轉子齒頂寬度的減?。? 102．起動時轉子槽比漏磁導: 103．起動時定子槽漏抗： 104．定子諧波漏抗起動時值: 105．起動時定子漏抗： 106．考慮集膚效應的轉子導條相對高度： 鋁（鑄鋁轉子） ， 查《三相異步電動機-原理。設計與試驗》圖8—16 得： ， 107．由附錄四計算起動時轉子槽比漏磁導的減?。? 于是起動時轉子槽比漏磁導: 108．起動時轉子槽漏抗： 109．起動時轉子諧波漏抗: 110．起動時轉子斜槽漏抗： 111．起動時轉子漏抗： 112．起動時總漏抗： 113．起動時轉子電阻： 114．起動時總電阻: 115．起動時總阻抗: 116．起動電流： 誤差： 合格。 117．起動電流倍數: 誤差： 合格。 118．起動轉矩倍數： 誤差： 合格。 表4.1計算值與標準值的比較 標準值 計算值 偏差 是否合格 1.效率 0.84 0.843 +0.35% 合格 2.功率因素 0.86 0.869 +1.04% 合格 3.最大轉矩倍數 2.0 2.07 +3.5% 合格 4.啟動轉矩倍數 1.6 1.383 -13.5% 合格 5.起動電流倍數 6.0 5.52 -8% 合格 由此可見效率、功率因數 、最大轉矩倍數 、啟動電流倍數 這四個性能指標都有裕量，而啟動電流倍數卻低于標準值，但其值都在容差范圍之內，因此該電機合格。 進一步調整啟動轉矩可采用以下辦法： （1）減少沒槽導體數，使漏抗減少，啟動總阻抗減少，就可以達到提高啟動轉矩的目的。 （2）縮小轉子槽面積，使轉子電阻增加，也可以達到提高啟動轉矩的目的。 （3）采用較深的槽型或凸槽型等，利用集膚效應使啟動時轉子電阻增加。 4.2 二極電機電磁設計 已知數據： 1.型號 YD132M-4/2 2.功率 8KW 3.額定電壓 380V 4.接法△/2Y 5.絕緣等級 B 級 6.效率 0.80 7.功率因數 0.89 8.最大轉矩倍數 2.1 9.啟動轉矩倍數 1.8 10.起動電流倍數 5.5 4.2.1 額定數據和主要尺寸 1．輸出功率： 2．額定電壓： 3．功電流： 4．效率：按照技術條件規(guī)定取 5．功率因數：按照技術條件規(guī)定取 6．極對數： P=1 7. 定轉子槽數： 36/32 每極每相槽數： 8．定轉子每極槽數： 9．查《中小型電機設計手冊》確定電機的主要尺寸： 再由表 10–3，按定子內外徑比求出定子沖片外徑 根據標準直徑最后確定 D1=0.21m 定子內徑： 鐵心長度： 10．氣隙的確定： 氣隙長度： 鐵心有效長度： 轉子外徑： 參照類似電機轉子內徑： 11．極距 12．定子齒距: 13．轉子齒距: 14．定子繞組采用雙層疊繞式，節(jié)距 1~11，Y=10. 15．為了削弱齒諧波磁場的影響，轉子采用斜槽，一般斜一個定子齒距，于是轉子斜槽寬。 16. 設計定子繞組： 每相串聯(lián)導體數： 取并聯(lián)支路數,可得每槽導體數 取，于是定子繞組每個線圈匝數 定子繞組每個線圈匝數 每相串聯(lián)導體數： 17. 每相串聯(lián)匝數： 18. 繞組線規(guī)設計： 附錄二，采用高強度漆包線，并繞根數，絕緣后直徑 截面積：, 19. 定子槽形設計： （1）槽面積： 按附錄三，槽絕緣采用 DMDM 復合絕緣，,槽楔為 層壓板。 （2）槽絕緣占面積: （3）槽有效面積: （4）槽滿率: 符合要求。 20.鐵心長度: 鐵心有效長度： 凈鐵心長： 對于不涂漆的硅鋼片取壓裝系數： 21．繞組系數： 22．每相串聯(lián)導體數 4.2.2磁路計算 23．計算每極磁通： 由于采用低諧波繞組，可得 ,初設得 24．每極下齒部截面積： 參照類似電機槽型設計?。? 槽口寬b01 =3.2mm，槽口高度 h01 =0.8mm，槽寬bs1 =5.3mm，槽高hs1 =18.0mm 采用梨形槽。 定子齒寬： 轉子齒寬： 截面積: 25．定子軛部高度計算： 轉子軛部高度計算： 軛部導磁截面積： 26．一級下空氣隙截面積： 27．波幅系數：由查得 28．氣隙磁密計算： 29．對應于氣隙磁密最大值處的定子齒部磁密： 30．轉子齒部磁密： 31．定子軛部磁密： 32．轉子軛部磁密： 33．從附錄三的D23 磁化曲線找出對應上述磁密的磁場強度： 從電機設計附錄五的D23 磁化曲線找出對應于上述磁密的磁場強度： 34．齒部磁路計算長度： 35．軛部磁路計算長度： 36．有效氣隙長度： 其中氣隙系數計算： 37．計算氣隙磁壓降： 38．齒部磁壓降： 39．飽和系數： 誤差：，合格 40．計算軛部磁壓降，并查取校正系數表: 于是 于是 41．每極磁勢: 42．計算滿載磁化電流： 43．磁化電流標幺值： 44．勵磁電抗： 4.2.3參數計算 45．線圈平均半匝長 電子線圈節(jié)距： ?。? 其中節(jié)距比： 直線部分長度： 其中d1是線圈直線部分伸出鐵心的長度，去10~30mm。 46．雙層線圈端部軸向投影長： 47．為漏抗系數： 48．按照電機設計附錄四計算定子槽比漏磁導。因為是雙層繞組且短距，機設計附錄四計算定子槽比漏磁導。因為是雙層繞組，短距，根據, 相帶查沈陽機電學院電機系編的《三相異步電動機—原理，設計與實驗》圖6—13得：節(jié)距漏抗系數: 式中 因， 49．只在鐵心部分有槽漏抗，因而計算槽漏抗時要乘上 50．考慮到飽和的影響，定子諧波漏抗： 其中Σs =0.003由電機設計圖4-10 以q=6, β =0.5556，120相帶 查出。 51．端部漏抗： 52．可知感應電機定子繞組漏抗為： 除以阻抗基值： 得定子漏抗標幺值: 式中： 等于定子漏抗標幺值： 53．轉子槽比漏磁導： 其中, 由西安交通大學陳世坤主編《電機設計》圖附四得到。 是由 查西安交通大學陳世坤主編《電機設計》圖附1