Y160M-6電機的設計.doc

一籠型三相異步電動機基本運行原理1.1相旋轉磁場的產生 三相異步電動機的定子繞組由3個獨立的相繞組組成。當繞組中通以三相交流電時，電動機內部就產生旋轉磁場。異步電動機由靜止變化到轉動，它的根據就在于電動機內部的旋轉磁場的產生，繞組中通以三相交流電則是產生這個變化的條件。AYBZXC 現在我們來詳細的講解三相旋轉磁場的產生原理以及它與轉速有什么關系。設一只6槽2極三相異步電動機。定子繞組的三個相線圈接在三相電網上,在 0，/2、3/2、2五個瞬間，電流情況分別是iU=0、iV=-3Im/2、iW=3Im,iV=Im、iV=iW=-Im/2,iU=0、iV=-3Im/2、iW=-3Im/2,iU=-Im、iV=iW=Im/2,iU=-Im、Iv=iw=-Im/2,iU=0、iV=-3Im/2、iW=3Im/2 我們規(guī)定，定子每相繞組電流自“頭”（U1，V1 ,W1）流入為正，自“尾”（U2，V2，W2）流入為負。同時以 “”號代表流入紙面方向，“.”號表示流出紙面方向。應用前面所敘述的，可確定三相定子繞組于0，/2，3/2，2五個瞬間所產生的合成磁場。繞組中通以三相電流,電動機內部就會產生一個幅值不變的旋轉磁場.這磁場沿氣隙圓周基本上是按正弦波分布的,幅值不變指的是旋轉時磁場正弦波振幅不變。而電流在時間上變化半周,磁場在電機內部空間正好轉過半個圓周.對于2極電機,半個圓周正好正好是一個極距(沿電機氣隙圓周量得的相鄰兩極中心的距離叫極距,以符號表示).因此,電流變化一周,磁場正好轉過2個極距;電流每秒變化f周,磁場每秒即轉過2f個極距.考慮到2極電機一個圓周等于2個極距,所以2極電動機旋轉磁場的轉速n1為n1=2f/2(轉/秒) 或n1=120f/2(轉/分) 從普通情形來看,如果以P表示電機的極對數,則電機空間一個圓周將等于2P(極數)個極距.因此,旋轉磁場轉速N的普遍公式是:n1=120f/2p=60f/2p(轉/分) 通常N叫做電動機的同步轉速.以交流電頻率f=50赫(周/秒)代入,得2,4,6,8,10極異步電動機的同步轉速分別是3000,1500,1000,750,600轉/分。1.2轉矩的產生及其大小 在一個2極旋轉磁場以反時針方向轉動.籠型轉子處于磁場內,每根導條(銅或鋁制成)必然會切割磁力線而產生磁感應電勢,從而產生電流。感應電流的方向可以用右手螺旋定則確定。 轉子導條既然帶有電流,又處于磁場中，必然要受到力的作用。力的方向可以用左右定則確定。異步電動機的轉矩就是由全部導條所受作用力的總和產生的。這個轉矩將驅使轉子跟著旋轉磁場按同一方向轉動。由于這個道理,就很容易想到,電機氣隙圓周上產生的全部磁通越大,轉矩必然越大;轉子中產生力的作用的全部導條電流越大,轉矩必然越大。 我們以M表示電動機的轉矩,表示每極磁通量,m2表示轉子繞組相數,w2表示轉子繞組每相串聯匝數,I2表示導條電流,Kdy2表示轉子繞組系數.則有如下關系: M=pm2w2I2Kdy2 式中, m2w2I2Kdy2為轉子全部導條電流的有效匝數.符號“”表示正比的意思。 實際上由于漏磁通的影響,轉子電流并不能全都起力的作用。計算產生力作用的轉子電流即轉子電流的有功分量時應乘桑一個小于1的因數COS 2 (稱為轉子功率因數).再算入比例系數 ,即得到以下關系:M=pm2w2I2Kdy2上式中，m2,w2, Kdy2都是轉子繞組的參數。實際改繞時我們饒的是定子繞組,它也有相應的參數m1,w1, Kdy2。由于電動機內部定,轉子電流及其繞組參數在數量上有一定聯系,因此可把上式中m2,w2, Kdy2用m1,w1, Kdy2代替。不過由于代替后m1和w2, Kdy2數量上的不同,I2在數量上也要作一定變動。若以I2表示變動后的轉子導條電流,我們就可以得到最后的關系式:M=pm2w2I2Kdy2二三相籠型感應電動機電磁設計2.1主要尺寸和氣隙的確定主要尺寸和計算功率定子鐵心內徑Di1及有效長度lef是感應電機的主要尺寸。在前面已經導出決定電機主要尺寸的基本關系式= (2.1)其中感應電動機的計算功率P為 = 由于感應電動機的額定功率為 = (2.2)比較上式，則有 = (2.3)其中，E1/UN為感應電動機定子繞組“滿載電動勢”的標么值。由感應電機的基本方程可知 UN=-E1+I1Z1=-E1+(I1P+I1Q)(R1+jXa1)=-E1+I1PR1+jXa1Ip+I1q+j1qXaq其中，I1P、I1Q為定子電流的有功分量和無功分量。 在一般情況下，相量圖（見圖1）所示的UN與E1兩相量間的夾角a0,因此，可以近似地認為定子繞組滿載相電動勢E1和外施相電壓UN之間存在著下列關系：E1UN-(I1PR1+I1qXa1)兩邊除以UN，得KB= 1-L (2.4)式中，L=(I1PR1+I1QXa1)，即等于定子繞組的漏阻抗壓降標么值，而(1-L)則等于滿載電動勢的標么值，稱為電動勢系數。將式(2.4)代入(2.3)，則有=(1-) (2.5)式中效率和功率因數cos可取設計任務書中規(guī)定的數據。但是在電機設計計算之前，定子繞組的電阻和阻抗均為未知數，因而（1-L）還不能按式(2.4)算出，此時可假定一個(1-L) 值，它隨功率增大或極數減少而略有增大，可用下列經驗公式先作估算：2極小型電機 1-L=0.92+0.00866lnPN 非2極小型電機 1-L=0.931+0.0108lnPN-0.013p 中型電機 1-L =0.892+0.0109lnPN-0.01p上列3式中，額定輸出功率的單位為KW，p為極對數。2.2 電磁負荷的選擇式（2.1）中。P可由式（2.5）求出aP、KNM、Kdp等各量一般只在較小的范圍內變化，因而對功率和轉速一定的電機，其主要尺寸Di1和lef基本上將由電磁負荷A和B值的大小來決定。電磁負荷對電機性能和經濟性的影響在前面已做了詳細的分析。 磁化電流= 。每極磁勢FO主要來克服氣隙磁壓降Fd，也即Im主要決定于B，因而磁化電流的標么值Im/IKW正比于B/A，選取較高的 B或較低的A，則X減小，電機的起動轉矩、最大轉矩將增加。設計感應電機的時候，電磁負荷A和B值是根據制造和運行經驗所積累的數據來選取的。對于中小型電動機通常取線負荷A在15103 A/m氣隙磁密B在05范圍內；大型感應電動機的A和B可略高。2.3 主要尺寸比的選擇在前面已經對尺寸比做了詳細的介紹，同時給出了大致的數值范圍。對于中小型的感應電機，定子外徑D1也是較重要的的尺寸。D1的確定要考慮硅鋼片的利用。根據我們目前生產的硅鋼片的規(guī)格，規(guī)定了標準外徑。 對于一定的極數，定子鐵心外徑D1 與內徑Di1之間存在著一定的比例關系，表4-1列出了三相感應電動機的Di1/D1值，比值的變動范圍一般在0.5 左右。2.4主要尺寸的確定 根據電機的計算功率P和轉速n，在充分考慮采用的材料、結構、工藝等因素后，參考工廠實際生產經驗，選擇電磁負荷A和B值，從公式(2.1)可算出Di1lef，并令它等于V(單位為m3)：=V式中KNM-氣隙磁場的波形系數，是有效值與平均值之比。在一般情況下，氣隙磁場的波形決定了電動勢的波形。因此有時也稱電勢波形系數。當氣隙磁場波形為正弦波時，KNM=1.11；當氣隙磁場波形因鐵心飽和而呈非正弦時，定子繞組中也感應出非正弦的電勢，此時電勢有效值比于1.11 +1 （其中Kdp1、Kdp2為奇次諧波的繞組系數，B1、B2、B3.為奇次諧波磁密幅值，而平均值卻隨飽和而增加得較快，因而波形系數為下降曲線。A-計算極弧系數，是氣隙磁密平均值與其最大值之比，ap =，若電機鐵心不飽和，氣隙磁密分布呈正弦形時，ap=2/=0.637，考慮到一般電機鐵心稍有飽和，設計時ap可初步取為0.660.71。K-定子基波繞組系數，可根據選定的繞組型式、槽數和節(jié)距算出，在繞組設計前，對雙層短距繞組，可先假定Kdp1=0.92，對于單層繞組，可先假定Kdp1=0.96。其次，參考表2選擇適當的值，因l ef =Di1/2p ，則有 Di1lef=Di1=Di1/2p=V便可求出= (2.5)這是初步計算出的定子鐵心內徑，參考表3的D比值算出D，再按照標準外徑調整Di1。最后，根據調整的Di1求出Lef =上面是確定電機尺寸的一般過程。在實際生產中，對于感應電動機已積累了豐富的時間經驗，設計時往往只需要參考同類型、相近規(guī)格電機的尺寸，針對所設計電機的材料、結構、工藝特點等因素，直接初選其定子鐵心外徑、內徑和長度，進行核算調整，最后加以確定。2.5空氣隙的確定通常氣隙的選取盡可能的小，以降低空載電流，因為感應電動機的功率因數cos 主要取決于空載電流。但是氣隙不能過小，否則除影響機械可靠性外，還會使諧波磁場及諧波漏抗增大，導致起動轉矩和最大轉矩減小，諧波轉矩和附加損耗增加，進而造成較高溫升和較大噪聲。氣隙的數值基本上決定于定子內徑、軸的直徑和軸承間的轉子長度。因為機座、端蓋、鐵心等在加工和裝配時都有一定偏差；而軸承的直徑和軸承間的距離決定了軸的撓度；定轉子裝配在一起后，定子鐵心內圓和轉子外圓的不同心度決定了氣隙的不均勻度，其值對電機運行性能有很大影響。三三相籠型感應電動機電磁設計數據計算1.1額定數據與技術要求：電機的型號 Y160M-6額定功率 PN=7.5千瓦額定頻率 fN =50赫額定電壓及接法 UN=380 伏 1-極對數： 2p=6相數： m=3功電流 = =6.58A效率： =86%功率因數： cos=0.78絕緣等級： B級最大轉矩倍數 起動性能：起動電流倍數 ,起動轉矩倍數 主要尺寸及沖片定子外徑： D1=0.26m定子內徑： Di1=0.18m鐵心長 l=0.145m氣隙： g=0.4mm轉子內徑： Di2=d=0.06mm轉子外徑 D2=0.179mm 定子槽形采用斜肩園底梨形槽 轉子采用斜肩園底槽 確定主要尺寸滿載電勢標么值 KB=0.0108InPN-0.013P+0.931=0.914定子的每級槽數 Zp1=Z1/2p=36/6=6 Zp2=Z2/2p=33/6=5.5A取26000A/m B取0.67T ap=0.68 KNm=1.10 Kdp1=0.96氣隙的確定定子齒距t1=Di1 /Z1=0.0157m 轉子齒距t2=D2 /Z2=0.017m極距=Di1 /2p=0.0942m鐵心的有效長度 lef=V/(D1 D1)=0.144m 1.2數據計算1.2.1每相串聯導體數 I1=Ikw/=9.81A = Di1A/m1=499 取并聯支路=1可得每槽導體數=41.6于是每線圈匝數為41 定子每相串聯匝數N1=/2=249.5 取249 1.2.2設計定子槽形 定子槽采用梨形槽初步取=1.4T得定子齒寬0.0079初步取=1.25T得定子軛部計算高度 =0.032 槽滿率槽面積 =0.000160有效槽面積=0.0000145.1槽滿率0.77符合標準繞組系數 0.9112 其中=30=0.9598轉子槽形與轉子繞組轉子導條電流 380 初步取轉子導電條電密=3.5A/ mm2 于是導電要截面積 = =108.6mm2 初步取=1.3T估算轉子齒寬=0.110m初步取=1.25T估算轉子軛部計算高度 0.0480m齒壁不平行的槽齒寬計算 =0.02076m導條截面積（轉子槽面積） =0.13175 估算端環(huán)電流 =665.6A 端環(huán)所需面積 =317 mm2JR=0.6JB=2.1A/mm21.2.3磁路計算計算滿載電勢 初設=0.927得 =.52.26V計算每極磁通 初設=1.15查得=1.0975 =0.00963Wb每極下齒部截面積 =0.006529 =0.083338定子軛部計算高度 =0.0258m 轉子軛部計算高度 =0.0268m 軛部磁導截面積 0.004411 0.004582一極下空氣隙截面積 =0.01356找出計算極弧系數=0.67求波幅系數 =1.4706氣隙磁密計算 0.6797T對應于氣隙磁密最大值處的定子齒部磁密=1.442T轉子齒部磁密 =1.312T找出對應上述磁密的磁場強度 15.74A/cm 9.50A/cm有效氣隙長度 =0.00063m其中氣隙系數計算如下： =1.223m =1.027m=1.26齒部磁路計算長度 =0.0177m =0.0257m軛部磁路計算長度 =0.065m =0.227m計算氣隙磁壓降 =346.95齒部磁壓降 =26.6A =9.50A飽和系數計算 =1.1415與初設比較誤差為0.02%0.1%，合格。定子軛部磁密計算 =1.275T轉子軛部磁密 =1.235T查表得出對應上述磁密的磁場強度=8.23A/cm， =7.30A/cm算軛部磁壓降其中軛部磁位降校正系數查表得出 =0.192 ，=1.257T于是=0.577=43.75A =0.198，=1.236T于是=0.445 =10.88A每極磁勢 =452.82A計算磁化電流 =6.026A磁化電流標幺值 =1.717勵磁電抗計算 =97.251.2.4參數計算線圈平均半匝長定子節(jié)距=0.130其中節(jié)距比=0.0861直線部分長度=0.34m端部平均長=0.185m感應電機定子繞組的漏抗 除以阻抗基值，可得定子漏抗標幺值 式中=，為漏抗系數 =0.01220計算定子槽比漏磁導 =2.344其中=0.407，=0.765因為，只在鐵心部分有槽漏抗，因而計算槽漏抗時要乘上 =0.6321考慮到飽和的影響定子諧波漏抗與分組的單層同心式繞組的相近可求出 =0.4257其中=0.0195，以=7.33查表得出轉子繞組端部漏抗標幺值計算 =0.1039轉子斜槽漏抗計算 =0.2730轉子漏抗標幺值 =1.999=0. 0243定轉子漏抗標幺值之和 =0.0878定子繞組相電阻標幺值 =0.009有效材料計算定子銅重量=8.93Kg其中C是考慮導線絕緣和引線重量系數，漆包圓銅線C=1.05；=8.9kg/是銅密度硅鋼片重量=81.27Kg其中=0.005m是沖剪余量；=7.8kg/是硅鋼片密度計算轉子電阻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=1.04=0.6835=0.0061=0.1857=0.0017其中=0.0434m是B級絕緣平均工作溫度75時鋁的電阻率。 =+=0.0078定子電流有功分量標幺值計算 =1.1251轉子電流無功分量標幺值計算 =0.2548其中系數=1+=1.0301定子電流無功分量標幺值計算 =0.669滿載電勢標幺值計算 =0.9277與磁路計算中（1）初設值誤差為0.07%計算空載電勢標幺值=0.975假定飽和系數和波幅系數不邊，于是空載時定子齒部磁密和磁場強度 =1.524T； =22.52A/cm空載時轉子齒部磁密及磁場強度 =1.384T =11.86A/cm空載時定子軛部磁密及磁場強度 =1.338T； =10A/cm空載時轉子軛部磁密及磁場強度 =1.238T；=8.780A/cm空載氣隙磁密 =0.722T空載時定子齒部磁壓降=38.10A空載時轉子齒部磁壓降 =31.81A空載時定子軛部磁壓降 =49.23A空載時轉子軛部磁壓降 =12.09A空載時氣隙磁壓降 =363.68A空載時每極磁勢 =494.91A空載時磁化電流 =4.40A1.2.5工作性能計算（1）計算定子電流標幺值 =1.307 =4.64（2）定子電流密度 =1.63A/（3）轉子電流標幺值 =1.16682導條電流實際值 =161.37A端環(huán)電流實際值 =376.86A（4）轉子電流密度導條電密 =1.10A/端環(huán)電密 =0.78A/（5）定子銅損耗的標幺值 =0.042 =0.168KW（6）轉子鋁損耗的標幺值 =0.0298 =119.2W（7）負載時附加損耗按規(guī)定6極時=0.03 =120W（8）機械損耗 =45.6W =0.00114（9）鐵損耗定子軛部鐵損耗=224.5W按經驗取為2，軛部重量 =32.475kg，是軛部鐵損耗系數定子齒部鐵耗=105.3W按經驗取為2.5，齒部重量=7.815kg，是齒部鐵損耗系數于是全部鐵損耗=+=329.8W =0.08245（10）總損耗標幺值 =0.2074（11）輸入功率標幺值 =1+=1.2074（12）得=1-=82.82%誤差=0.01%0.5%（13）功率因數 =0.773（14）額定轉差率=2.80%式中=00115（15）額定轉速 =1000r/min（16）最大轉差倍數 =1.648起動性能計算（1）設起動電流 =18（2）起動時產生磁漏的定轉子槽磁勢平均值 =827.9由此磁勢產生的虛擬磁密=0.809T修正系數=0.9377（3）起動時漏抗飽和系數由表查出 =0.43， 1-=0.57（4）漏磁路飽和引起的定子齒頂寬度減小 =5.98m（5）漏磁路飽和引起的轉子齒頂寬度減小 =10.7 （6）起動時轉子槽比漏磁導計算 =0.9733其中=0.1978（7）起動時定子槽漏抗 =0.3487 （8）起動時定子諧波漏抗 =0.3538 （9）起動時定子漏抗 =0.416 （10）集膚效應的轉子導條相對高度 =1.9138其中=0.0284m是導條高（11）集膚效應引起的電阻增加系數和漏抗減小系數 =1.8， =0.778（12）起動時轉子槽比漏磁導的減小 =0.4563于是起動時轉子槽比漏磁導 =1.7852（13）起動時轉子槽