第十章-異步電機電磁設計分解

第十章--異步電機電磁設計分解第一頁，共73頁。第十章感應電機的電磁設計10.1、概述10.2、主要尺寸與氣隙的確定10.3、定子繞組與鐵心的設計10.4、轉子繞組與鐵心的設計10.5、工作性能的計算10.6、起動性能的計算第二頁，共73頁。10.1概述一、我國感應電機主要系列

100個系列，500多個品種，5000多個規(guī)格。按照電機尺寸分成大（H>0.63,D1>1m,P>400Kw,U=3000V或6000V）、中（H>0.355-0.63,D1>0.5m-1m,P>45-132kW,U=380V、3000V或6000V）、小型（H>0.08-0.315,D1>0.12m-0.5m,P>0.55-90kW,U=380V。Y（IP44）小型三相感應電動機J2，JO2小型三相感應感應電動機JS三相籠型轉子感應電動機（中型）JR三相繞線轉子感應電動機（中型）JS2，JSL2三相感應電動機（中型、低壓）JR2，JRL2三相感應電動機（中型、低壓）Y三相籠型轉子感應電動機（大型）YR三相繞線轉子感應電動機（大型）YK大型高速感應電動機第三頁，共73頁。概述一、我國感應電機主要系列

派生、專用系列：

YQ高起動轉矩感應電動機（小型）

YH高轉差率感應電動機（小型）

YD變極多速感應電動機

YZ起重及冶金用感應電動機

YQS潛水感應電機

YLB立式深井泵用感應電動機第四頁，共73頁。概述二、感應電動機的主要性能指標和額定數(shù)據(jù)

效率起動電流倍數(shù)功率因數(shù)繞組、鐵心溫升最大轉矩倍數(shù)起動過程中最小轉矩起動轉矩倍數(shù)

（1）主要性能指標

第五頁，共73頁。概述二、感應電動機的主要性能指標和額定數(shù)據(jù)

（2）額定數(shù)據(jù)

額定功率

額定電壓

額定頻率

額定轉速

基值推導：

電壓：

功率：

相電流：

阻抗：

轉矩：

第六頁，共73頁。10.2主要尺寸與氣隙的確定

一、主要尺寸和計算功率

計算功率：

額定功率：

第七頁，共73頁。由前推導(P228頁，相量圖）：

引入電勢系數(shù)

10.2主要尺寸與氣隙的確定

第八頁，共73頁。設計方法：

已知，

未知，需先假定一個

預估

完成磁路參數(shù)計算后，偏差

2極小型：

經(jīng)驗公式估算：

非2極小型：

中型：

10.2主要尺寸與氣隙的確定

額定功率的單位為：kW第九頁，共73頁。二、電磁負荷的選擇

磁化電流：

（1）每極磁勢主要用來克服，決定于，（2）選取方法：

中小型：

大型：可略高

10.2主要尺寸與氣隙的確定

第十頁，共73頁。10.2主要尺寸與氣隙的確定

三、主要尺寸比的選擇

對不同內(nèi)型電機主要尺寸比選擇見表10-2。對于一定的極數(shù)，定子鐵心外徑與內(nèi)徑存在一定比例（表10-3）

變動范圍在5%左右。

第十一頁，共73頁。10.2主要尺寸與氣隙的確定

四、主要尺寸的確定

（1）第十二頁，共73頁。10.2主要尺寸與氣隙的確定

2、參考表10-2選擇值，

初步計算

第十三頁，共73頁。五、空氣隙的確定

1、影響：

2、氣隙基本上決定于定子內(nèi)徑、軸直徑、軸承間的轉子長度。

經(jīng)驗公式：

小功率電機：

大、中型電機：

10.2主要尺寸與氣隙的確定

第十四頁，共73頁。10.3定子繞組與鐵心的設計一、定子槽數(shù)的選擇

二、定子繞組型式和節(jié)距的選擇

三、每相串聯(lián)導體數(shù)、每槽導體數(shù)計算

四、電流密度的選擇及線規(guī)、并繞根數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)的確定

五、定子沖片的設計

第十五頁，共73頁。3定子繞組與鐵心的設計

一、定子槽數(shù)的選擇

值大小對電機的參數(shù)、附加損耗、溫升、絕緣材料耗量等有影響（P231頁）

定子諧波磁場減小，，↓

每槽導體數(shù)減少，

槽中線圈邊總散熱面積↑，利于散熱

絕緣材料用量、工時↑，槽利用率↓

大

一般感應電動機：=（2~6）

取整數(shù)

極數(shù)少，功率大電機：取大些

（2極取=（6~9））

極數(shù)多電機：

取小些

第十六頁，共73頁。二、定子繞組型式和節(jié)距的選擇

（一）單層繞組

優(yōu)點：①槽內(nèi)無層間絕緣，槽利用率高；②同槽內(nèi)導線同相，不會發(fā)生相間擊穿；③線圈總數(shù)比雙層少一半，嵌線方便。缺點：①不易做成短距，磁勢波形較雙層為差；②電機導線粗時，繞組嵌放和端部整形較困難。

3定子繞組與鐵心的設計

第十七頁，共73頁。3定子繞組與鐵心的設計

鏈式繞組：

各線圈大小相同，嵌線困難，=2的4，6，8極電機；同心式繞組：

嵌線容易，易實現(xiàn)機械化，=4，6，8二極電機；端部用銅多，一極相組中各線圈尺寸不同，制作復雜；

交叉式繞組：

可以節(jié)省端部接線，為奇數(shù)電機。

單層繞組第十八頁，共73頁。NNSSZAXBYC單層疊繞組第十九頁，共73頁。AXBYCZNSNS單層鏈式繞組第二十頁，共73頁。第二十一頁，共73頁。NSNSAX同心式繞組第二十二頁，共73頁。交叉式繞組第二十三頁，共73頁。3定子繞組與鐵心的設計

(二）雙層繞組

適用于功率較大的感應電動機

優(yōu)點：

①可選擇有利的節(jié)距以改善磁勢、電勢波形，使電機電氣性能好；②端部排列方便；③線圈尺寸相同，便于制造。缺點：絕緣材料多，嵌線麻煩

第二十四頁，共73頁。3定子繞組與鐵心的設計

(三）單雙層繞組和Y-Δ混合繞組（P233頁）

1、單雙層繞組（

具備單雙層繞組的優(yōu)點）短距時，某些槽內(nèi)上下層導體屬于同一相，而某些槽內(nèi)上下層屬于不同相。把屬于同相上下層導體合起來，用單層繞組代替，而不同相的仍保持原來的雙層，按同心式繞組端部形狀將端部連接起來。

2、Y-Δ混合繞組：把普通60°相帶三相繞組分成兩套三相繞組；其空間相位互差30°電角度，一套Y，一套Δ；電流在時間相位上互差30°。第二十五頁，共73頁。3定子繞組與鐵心的設計

（四）繞組節(jié)距的選擇

雙層繞組

正常電機：

削弱5、7次諧波兩極電機：

便于嵌線，縮短端部長度

單層繞組：

一般用整距

第二十六頁，共73頁。分布系數(shù)：

短距系數(shù)：

基波繞組系數(shù)：

3定子繞組與鐵心的設計

第二十七頁，共73頁。3定子繞組與鐵心的設計

三、每相串聯(lián)導體數(shù)、每槽導體數(shù)計算

大小影響、數(shù)值?！?/p>

，↑

，↓，↑，↑，↑。

∴設計時常通過改動來取得若干不同設計方案進行優(yōu)化。

第二十八頁，共73頁。3定子繞組與鐵心的設計

四、電流密度的選擇及線規(guī)、并繞根數(shù)和并聯(lián)支路數(shù)的確定

1、電密：

大、中、小型銅線電機：

對大型電機：參考極距的大小來選擇（熱負荷）。極距大，意味著轉子圓周速度較高，通風冷卻效果較好，因而可選擇較大的熱負荷。第二十九頁，共73頁。2、線規(guī)：

3定子繞組與鐵心的設計

第三十頁，共73頁。3、并聯(lián)支路數(shù)：

雙層：

條件=整數(shù)，

單層：小型電機：線徑根，極數(shù)少電機取較大

；

大型電機：扁導線

①導線寬厚比，槽口、槽寬、槽高尺寸適當；

②每根導線截面積<15。

3定子繞組與鐵心的設計

第三十一頁，共73頁。步驟：計算導線截面

→查標準線規(guī)表→選標準導線→圓線直徑、扁線寬厚

3定子繞組與鐵心的設計

第三十二頁，共73頁。3定子繞組與鐵心的設計

五、定子沖片的設計

（一）槽形：①半閉口槽（梨形槽、梯形槽）②半開口槽③開口槽

（二）槽滿率：

導線有規(guī)則排列所占的面積與槽有效面積之比。

第三十三頁，共73頁。3定子繞組與鐵心的設計

（三）槽形尺寸的確定

考慮因素：①槽滿率；②齒部和軛部磁密要適當；③齒部有足夠機械強度，軛部有足夠剛度；④槽形尺寸深寬比對電機參數(shù)的影響。

第三十四頁，共73頁。（1）半閉口槽

3定子繞組與鐵心的設計

①假定一個齒距內(nèi)的氣隙磁通全部進入齒內(nèi)，則定子齒寬

如何確定半閉口槽尺寸？第三十五頁，共73頁。3定子繞組與鐵心的設計

②每極磁通經(jīng)齒部后分兩部分進入軛部，定子軛部計算高度

第三十六頁，共73頁。3定子繞組與鐵心的設計

③槽口寬度：=2.5-4.0mm，比線徑大1.2-1.6mm；機械嵌線時，槽口還需適當放寬。

④槽口高度：=0.5~2.0mm

角：30°左右

根據(jù)估算和選用數(shù)據(jù)，作圖確定尺寸，核算槽滿率，必要調(diào)整。

第三十七頁，共73頁。2、平行槽

3定子繞組與鐵心的設計

槽形尺寸和扁線尺寸及絕緣結構尺寸結合考慮，不須核算槽滿率。

最后需核驗齒部最大磁密。

第三十八頁，共73頁。4轉子繞組與鐵心的設計一、籠型轉子的設計計算

（一）轉子槽數(shù)的選擇及定轉子槽配合問題

1、槽配合對附加損耗的影響（少槽——近槽配合）

當定、轉子槽數(shù)很接近時，轉子齒頂?shù)膶挾葘⑹纸咏ㄗ育X諧波的波長，因此轉子齒中由定子齒諧波磁通引起的脈振較小2、槽配合對異步附加轉矩的影響（近槽）定子繞組產(chǎn)生的磁場中含有的不同極數(shù)的諧波以不同速度和轉向在旋轉。并在鼠籠中感生電流，產(chǎn)生一個與其次數(shù)相同、轉速和轉向相同的諧波磁場，這兩個磁場相互作用產(chǎn)生的轉矩稱為異步附加轉矩。（圖10-11）第三十九頁，共73頁。3、槽配合對同步附加轉矩的影響（不講）4、槽配合對振動和噪聲的影響（不講）5、感應電機定、轉子槽配合的選擇4轉子繞組與鐵心的設計原則：①為減小附加損耗，應采用少槽近槽配合；②為避免起動過程中較強的異步附加損耗，使；③為避免起動過程中較強的同步附加損耗、振動和噪聲，應避免（表10-7）中的槽配合。

第四十頁，共73頁。4轉子繞組與鐵心的設計（二）轉子槽形的選擇和槽形尺寸的確定

1、轉子槽形

(P247頁比較)①鑄鋁轉子：

平行齒平行槽凸形槽刀形槽

閉口槽雙籠轉子槽

梯形槽

②銅條轉子：

半閉口平行槽

第四十一頁，共73頁。2、轉子槽形尺寸的確定

①影響：（P247頁）

其中對關系最密切籠型轉子尺寸的確定另須著重考慮起動性能的要求。

4轉子繞組與鐵心的設計第四十二頁，共73頁。②對于鑄鋁轉子，槽面積和鋁條面積認為相等，先估算轉子導條電流。

對于中小型鑄鋁轉子：4轉子繞組與鐵心的設計第四十三頁，共73頁。4轉子繞組與鐵心的設計③槽形：槽面積初定后，進一步確定尺寸

槽口部分尺寸可參考相近規(guī)格的電機來決定。

第四十四頁，共73頁。4轉子繞組與鐵心的設計3、端環(huán)的設計

端環(huán)電流：

端環(huán)面積：

端環(huán)外徑：比轉子外徑?。?~8）mm（以便鑄鋁模定位）端環(huán)內(nèi)徑：

略小于轉子槽底所在圓直徑

端環(huán)厚度：

按所需截面積

并考慮加工工藝要求決定第四十五頁，共73頁。4轉子繞組與鐵心的設計二、繞線轉子的設計計算

（一）轉子槽數(shù)的選擇

為了減少噪聲和振動，一般采用整數(shù)槽繞組。為了減少附加損耗，考慮轉子開路電壓的控制數(shù)字，槽數(shù)不宜太多。當采用分數(shù)槽

時，宜選取

的分數(shù)槽。

第四十六頁，共73頁。4轉子繞組與鐵心的設計（二）轉子繞組的特點及設計方法（不講）

1、功率較小的電機

一般用圓導線一根或數(shù)根做成單層多匝繞組；

轉子槽形：平行齒的半閉口槽

每相串聯(lián)導體數(shù)：

第四十七頁，共73頁。4轉子繞組與鐵心的設計2、功率較大電機和中型電機

采用雙層整距波繞組

（省去極間邊線，使轉子易達平衡）

轉子槽形：半閉口的平行槽結構：每個線圈做成一匝，繞組系由半繞組元件組成，元件采用扁線彎制，僅一端預先成型；除末端外，導線全長預先絕緣，嵌線由槽一端穿入，再彎形端接，最后用頭套將半繞組元件“端接”部分聯(lián)接，再經(jīng)焊接便成。

第四十八頁，共73頁。轉子繞組：

Y或Δ

則：

核算空載轉子相電勢或集電環(huán)開路電壓

估算

導體截面積

選線規(guī)

校驗

4轉子繞組與鐵心的設計第四十九頁，共73頁。5工作性能的計算（略去）

較準確Γ型等效電路

→

簡化電路

校正系數(shù)：

工作性能計算：

第五十頁，共73頁。一、定子電流的計算

5工作性能的計算由簡化可知：定轉子有功分量相等

定轉子電流無功分量：

定子電流有功分量：

第五十一頁，共73頁。5工作性能的計算轉子電流無功分量：

整理得：

求解此二次代數(shù)方程，采用近似計算法——迭代法，忽略高次項

∴在假定效率

第五十二頁，共73頁。5工作性能的計算二、功率因數(shù)的計算

第五十三頁，共73頁。5工作性能的計算三、效率的計算

提高效率、減小損耗的主要措施：選用合適槽配合，設計新型繞組以降低諧波引起的附加損耗；改進加工工藝，設計高效風扇。

第五十四頁，共73頁。5工作性能的計算4、額定轉差率的計算

生產(chǎn)實踐中，分母加上鐵心中附加損耗一項，大小等于

第五十五頁，共73頁。5工作性能的計算5、最大轉矩倍數(shù)

影響最大的主要因素是：

調(diào)整及槽形。

第五十六頁，共73頁。6起動性能的計算

感應電動機起動時的兩個顯著特點：①起動電流大，使定轉子漏磁路高度飽和；②轉子電流頻率等于電源頻率（），比運行時高很多，使導條電流產(chǎn)生集膚效應。

第五十七頁，共73頁。一、感應電動機起動時漏磁路飽和效應對漏抗的影響

6起動性能的計算

1、漏磁路飽和效應：

起動瞬間，電機處于短路狀態(tài)，定、轉子電流大大增加。由于定轉子繞組磁勢正比于電流，所以磁勢大為增加，以致漏磁路鐵心高度飽和。

2、漏磁路飽和的影響：轉子漏抗減小

（只在槽漏抗、諧波漏抗和斜槽漏抗中考慮）

第五十八頁，共73頁。一、感應電動機起動時漏磁路飽和效應對漏抗的影響

6起動性能的計算

3、計算：

①起動電流假定值：

定子每槽磁勢幅值：

第五十九頁，共73頁。一、感應電動機起動時漏磁路飽和效應對漏抗的影響

6起動性能的計算

轉子每槽磁勢幅值：

根據(jù)繞組計算，忽略磁化電流，取，則

∴起動時產(chǎn)生漏磁的定轉子槽磁勢平均值

式中，近似修正前面假定所帶來的誤差。

第六十頁，共73頁。6起動性能的計算

②該漏磁通經(jīng)過齒頂鐵心和兩個氣隙。忽略鐵心部分磁阻，則全部落在氣隙部分，則

有虛擬磁密

引入起動時漏磁飽和系數(shù)

（，越飽和，比例越小，）

∴起動時定轉子諧波漏抗：

起動時斜槽漏抗：

第六十一頁，共73頁。6起動性能的計算

③對于漏抗的減小，等效看作是定轉子槽口寬度加大計算。

槽口寬度：

齒頂寬度