華中科技大學(xué)電機學(xué)課程設(shè)計

1、電機學(xué)課程設(shè)計單繞組變極雙速異步電機 學(xué) 院 電氣與電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 班 級 學(xué) 號 U201111954 姓 名 日 期 2014年2月20日 成 績 指導(dǎo)教師 周 理 兵 電機學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書（201107班-周理兵組19位同學(xué)用）2014.1.10課題：單繞組變極雙速三相交流繞組設(shè)計說明：一臺三相鼠籠型交流異步電動機，定子一套繞組，若采用繞組（引出線）改接變極調(diào)速實現(xiàn)雙速運行，則稱為單繞組變極雙速交流繞組。任務(wù)要求：（1）定子48槽，4/8極，采用雙層疊繞組，支路數(shù)、相帶和節(jié)距自選； （2）繞組引出線6根； （3）畫出兩種極數(shù)下對應(yīng)的槽電勢星型圖和三相繞組聯(lián)接圖；

2、 （4）根據(jù)所選節(jié)距和繞組方案，分析兩種極對數(shù)下氣隙基波磁密關(guān)系； （5）計算兩種情況下相應(yīng)的繞組系數(shù)，并分析諧波情況。*每位同學(xué)必須獨立完成設(shè)計和提交報告； 設(shè)計報告必須在下學(xué)期開學(xué)第一周五下午5點鐘之前交到電機樓202； 若設(shè)計報告出現(xiàn)雷同（含部分雷同），則相互雷同的同學(xué)均取消成績目 錄【題目分析】.1【變級原理】.1【接線方式】.2【繪制槽電動勢星型圖】.3【分相】.4【節(jié)距的分析與確定】.4【繪制繞組展開圖】.5【分析氣隙基波磁密】.8【繞組系數(shù)與諧波分析】.9【小結(jié)】.9【題目分析】 三相鼠籠型交流異步電動機，轉(zhuǎn)子是鼠籠型，其相數(shù)、極對數(shù)自動與定子保持一致，異步電動機的轉(zhuǎn)差率s=n1

3、-nn1，又因為s很小，這樣nn160f1p。由此可見，當極對數(shù)改變后，異步電動機的轉(zhuǎn)速會發(fā)生改變?！咀兗壴怼?參見課本電機學(xué)（第三版）中P262-P263有如下的變極原理。 如圖1.1有一個四級電機的A像繞組示意圖，在如圖的電流方向a1x1a2x2下，它產(chǎn)生了磁動勢基波級數(shù)2p=4。 如圖1.2 改接，即a1與x2連接作為首端A，x1與a2相連接，作為末端X，則它產(chǎn)生的磁動勢基波極數(shù)2p=2，這樣就實現(xiàn)了單繞組變極。 圖1.1 變極原理 2p=4 圖1.2 變極原理 2p=2 注：（a）（b）兩個圖 只是說明變極的原理，本題目中單繞組變極雙速要求引出線是6根，所以其接線不能按照以上的簡單方

4、式。應(yīng)該讓X，Y，Z三個末端連接起來，當處于8極時選取a=1，使其在A-X的中間引出一根導(dǎo)線作為A1，當A、B、C接三相電，此時電動機處于8極，慢速運行。當將A、B、C短接，A1、B1、C1接三相電，這樣電機就處于4極，高速運行。具體如下：【接線方式】 常用的單相變極方式有反向法變極和換相法變極，其中反向法變極的接線方式更為簡單，更為常用以Y/YY變極接線方式為例簡單說明：A相黃色B相綠色C相紅色藍色為中性 圖1.3 三相繞阻變極接線方式實例（Y/YY變極） 說明 1.圖中虛線表示可能有多個元件相串聯(lián)，此圖僅畫出兩個表示原理； 2.圖中藍色線表示將三相的末端XYZ連接起來的線。 3.圖中的箭頭

5、表示在ABC接三相電時電流的方向。 4.具體的繞組展開接線見后面的圖1.10. 參見課本電機學(xué)（第三版）中P262-P263有如下的變極接線方式。見課本P263圖 圖1.4左側(cè)Y接，2p對極，A、B、C接電源。 圖1.4右側(cè)YY接，p對極，A、B、C短接，A1、B1、C1接電源。 圖1.4 Y/YY變極法 見課本P263圖 圖1.5左側(cè)接，2p對極，A、B、C接電源。 圖1.4右側(cè)YY接，p對極，A1、B1、C1短接，A、B、C接電源。 圖1.5 /YY變極法 參見實用電機設(shè)計計算手冊中，P47頁說明了對于雙速倍極比4/8，一般采用的是單繞組，反向法變極，繞組的接線方式有YY/，YY/Y等?！?/p>

6、繪制槽電動勢星型圖】 虛槽數(shù)Zi=uZ=2×48=96 每一個元件有兩個元件邊，每一個換向片同時接有一個上元件邊和一個下元件邊，元件數(shù)S與換向片數(shù)K相等；又由于每一個虛槽亦包含上、下兩個元件邊，即虛槽數(shù)也與元件數(shù)相等：S=K=Zi=96 表1.1 極數(shù)分別為4和8時各參數(shù)槽數(shù)并聯(lián)支路a極數(shù)2p極距相數(shù)mq15171482412347.5157510548186327.530150210 圖1.6 4極槽電動勢星型圖（30°相帶） 圖1.7 8極槽電動勢星型圖（60°相帶）【分相】 表1.2 電機在4極各相帶線圈分布表（30°相帶）S1N1AZBXCY1,

7、2,25,263,4,27,285,6,29,307,8,31,329,10,33,3411,12,35,36S2N2AZBXCY13,14,37,3815,16,39,4017,18,41,4219,20,43,4421,22,45,4623,24,47,48 表1.2 電機在8極各相帶線圈分布表（60°相帶）S1N1S2N2AZBXCYAZBXCY1,23,4 5,67,89,1011,12 13,1415,1617,1819,2021,2223,24S3N3S4N4AZBXCYAZBXCY25,2627,2829,3031,3233,3435,3637,3839,4041,42

8、43,4445,4647,48【節(jié)距的分析與確定】 若接入的三相電不是標準的正弦波，可以將其傅里葉分解為：基波+3次諧波+5次諧波+7次諧波+9次諧波+，由于三相對稱繞組，所以在其繞組中不能通過3次諧波以及3的倍數(shù)次諧波，那么這個電機的設(shè)計時在第一節(jié)距的選擇的過程中主要考慮減小5次諧波和7次諧波。以下公式同樣的適用于基波。諧波相電動勢的有效值為：E=4.44NkNf第次諧波的繞組系數(shù)為：kN=kykq第次諧波的短距系數(shù)為：ky=sin（y1 2）第次諧波的分布系數(shù)為：kq=sinqa12qsina12 第次諧波的槽距電角：a1為了消除5,7次諧波，可以使得ky=siny1 2=0這樣得出y1=

9、(1-1)在4極=12時，要消除5次諧波可以使用y1=1-1=8 要消除7次諧波可以使用y1=1-110 為了同時削弱5次和7次諧波可以使用y1=56=10在8極=6時，要消除5次諧波可以使用y1=1-15 要消除7次諧波可以使用y1=1-15 為了同時削弱5次和7次諧波可以使用y1=56=5 以上說明了不能同時在4極和8極采用同一種節(jié)距來消除諧波，這就要綜合考慮，取整節(jié)距是不能減小諧波的，長距和短距相比一般選擇短距，因為長距比較浪費導(dǎo)線，選取對于極距為6時，可以考慮節(jié)距為4，5，對于極距為12的可以考慮節(jié)距為7，8，9，10，11。同時考慮到基波的幅值。使用上面的公式計算各參數(shù)如表：極數(shù)2p

10、 極距 第一節(jié)距 短距系數(shù)ky 分布系數(shù)kq 繞組系數(shù)kN 表1.2 極數(shù)、節(jié)距不同時對應(yīng)基波和諧波繞組系數(shù)表諧波次數(shù)基波(15°,30°)5次諧波（75°,150°）7次諧波（105°,210°）系數(shù)參數(shù)節(jié)距y1短距系數(shù)ky分布系數(shù)kq繞組系數(shù)kN短距系數(shù)ky分布系數(shù)kq繞組系數(shù)kN短距系數(shù)ky分布系數(shù)kq繞組系數(shù)kN極數(shù)p=4 極距=12 每極每相4 50.609 0.958 0.583 -0.131 0.205 -0.027 -0.991 -0.158 0.156 70.793 0.958 0.760 -0.991 0.205

11、-0.204 0.131 -0.158 -0.021 80.866 0.958 0.829 -0.866 0.205 -0.178 0.866 -0.158 -0.136 90.924 0.958 0.885 -0.383 0.205 -0.079 0.924 -0.158 -0.146 100.966 0.958 0.925 0.259 0.205 0.053 0.259 -0.158 -0.041 110.991 0.958 0.949 0.793 0.205 0.163 -0.609 -0.158 0.096 極數(shù)p=8 極距=6 每極每相250.966 0.966 0.933 0.25

12、9 0.259 0.067 0.259 -0.259 -0.067 70.966 0.966 0.933 0.259 0.259 0.067 0.259 -0.259 -0.067 80.866 0.966 0.837 -0.866 0.259 -0.224 0.866 -0.259 -0.224 90.707 0.966 0.683 -0.707 0.259 -0.183 -0.707 -0.259 0.183 100.500 0.966 0.483 0.500 0.259 0.129 -0.500 -0.259 0.129 110.259 0.966 0.250 0.966 0.259 0

13、.250 0.966 -0.259 -0.250 根據(jù)上表格的計算結(jié)果。首先要考慮到基波的繞組系數(shù)要較大，其次再考慮5次諧波和7次諧波的繞組系數(shù)要較小。綜合4極和8極使得其基波的繞組系數(shù)都在0.8以上，與此同時，其5次諧波和7次諧波的繞組系數(shù)在0.2左右。所以將節(jié)距定在8是最合適的?！纠L制繞組展開圖】 在本次設(shè)計中，在8極時，我選取的并聯(lián)支路數(shù)是a=1，在4極時，我選取的并聯(lián)支路數(shù)是a=2，參見上面的圖1.4和圖1.5兩種變極接線方式，這里我選取Y/YY變極接線方式來說明，根據(jù)上面分析的節(jié)距為8和選擇可以畫出其繞組展開圖。 線圈連接表可以根據(jù)槽電動勢星型圖和選取的節(jié)距來確定 單繞組變極雙速異步

14、電動機繞組展開圖可以根據(jù)線圈連接表來確定 表1.3 8極時線圈連接表（a=1） 跟據(jù)上面的接線可以順利地得到在三角形狀態(tài)下的Y/YY接線如下 圖1.8 Y接，8極，A、B、C接電源a=1 圖1.9 YY接，4極，A、B、C短接，A1，B1，C1接電源a=2 注：凡是數(shù)字左大右小是從首端連接，反之亦然。 在Y/YY接法中，三相的末端XYZ一直是連接在一起的，只不同的是在Y連接中從ABC接入三相電，在YY連接中將ABC短路，從A1、B1、C1接入三相電。下面將畫出其三相雙層疊繞組展開圖： 【分析氣隙基波磁密】 參數(shù)選擇如下： 節(jié)距 y1=8 槽數(shù) Z=48 4極并聯(lián)支路 a=2 8極并聯(lián)支路 a=

15、1 相繞組串聯(lián)匝數(shù) N=整個電機繞組總匝數(shù)3a 每個線圈的匝數(shù) NC=1 元件的個數(shù) S=48 整個電機繞組總匝數(shù)=S*NC=48 第次諧波相繞組磁動勢的幅值為:FA=22PINkN 第次諧波的繞組系數(shù)為：kN=kykq 第次諧波的短距系數(shù)為：ky=sin（y1 2） 第次諧波的分布系數(shù)為：kq=sinqa12qsina12 繞組中通入電流，電流產(chǎn)生了磁場，這個磁場是脈振磁場，多個導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場相互疊加，繼而可以產(chǎn)生合成磁動勢波形，該波形類似于正弦波，但是可以使用傅里葉分解。相繞組磁動勢波的傅里葉極數(shù)展開式可以表示為： fAt,=22NIP=1,3,51kNCOSCOSt 三相繞組流過的電流分

16、別為： iA=2Icost iB=2Icos(t-23) iC=2Icos(t-43) A、B、C各相繞組脈振磁動勢基波為 fA1=F1COSCOSt fB1=F1COS-23COS(t-23) fC1=F1COS-43COS(t-43) 三相基波磁合成磁動勢：f1t，=fA1+fB1+fC1= F1COS(t-) F1為三相基波合成磁動勢的幅值：F1=m2PINkN1 =F1=32PINkN1在4極，氣隙基波磁動勢幅值：F1=32P*U12*(R+jX)*整個電機繞組總匝數(shù)3*2kN1在8極，氣隙基波磁動勢幅值：F1=32P*UR+jX*整個電機繞組總匝數(shù)3*1kN1由此可見，兩種狀態(tài)下的氣

17、隙基波磁動勢幅值只與相繞組分布系數(shù)kN1有關(guān)， 根據(jù)上面的公式，表格中列出參數(shù)，可以看出在4極時，基波磁動勢的繞組系數(shù)為0.829，在8極時，基波磁動勢的繞組系數(shù)為0.837 ?？梢缘贸鲈?極時基波磁密稍大于在4極時的基波磁密。相差不大。 表1.2 極數(shù)、節(jié)距不同時對應(yīng)基波和諧波繞組系數(shù)表諧波次數(shù)基波(15°,30°)5次諧波（75°,150°）7次諧波（105°,210°）系數(shù)參數(shù)節(jié)距y1短距系數(shù)ky分布系數(shù)kq繞組系數(shù)kN短距系數(shù)ky分布系數(shù)kq繞組系數(shù)kN短距系數(shù)ky分布系數(shù)kq繞組系數(shù)kN極數(shù)p=4 極距=12 每極每相4 5

18、0.609 0.958 0.583 -0.131 0.205 -0.027 -0.991 -0.158 0.156 70.793 0.958 0.760 -0.991 0.205 -0.204 0.131 -0.158 -0.021 80.866 0.958 0.829 -0.866 0.205 -0.178 0.866 -0.158 -0.136 90.924 0.958 0.885 -0.383 0.205 -0.079 0.924 -0.158 -0.146 100.966 0.958 0.925 0.259 0.205 0.053 0.259 -0.158 -0.041 110.991

19、 0.958 0.949 0.793 0.205 0.163 -0.609 -0.158 0.096 極數(shù)p=8 極距=6 每極每相250.966 0.966 0.933 0.259 0.259 0.067 0.259 -0.259 -0.067 70.966 0.966 0.933 0.259 0.259 0.067 0.259 -0.259 -0.067 80.866 0.966 0.837 -0.866 0.259 -0.224 0.866 -0.259 -0.224 90.707 0.966 0.683 -0.707 0.259 -0.183 -0.707 -0.259 0.183 100.500 0.966 0.483 0.500 0.259 0.129 -0.500 -0.259 0.129 110.259 0.966 0.250 0.966 0.259 0.250 0.966 -0.259 -0.250 【繞組系數(shù)與諧波分析】 同樣的根據(jù)上面的表格可以得出諧波的繞組系數(shù)如下表： 表1.3 基波和諧波的繞組系數(shù)表繞組系數(shù)kN極數(shù)基波5次諧波7次諧波40.829-0.178-0.13680.837-0.224-0.224第次諧波相繞組磁動勢的幅值