y8024075 kw三相鼠笼式异步电动机设计Word格式.docx
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同时，随着CAD技术、数控机床、专用加工设备、冷轧矽钢片、F级、H级绝缘材料等新技术、新材料的推广，电机行业的生产方式也将出现新的重大的变化。
电机的技术发展动向是向小型化、薄型化、轻量化、无刷化、智能化、静音化、高效化、节能化、环保化、可靠化、精密化、组合化，电机采用新型磁性、导电、绝缘材料。
六、参考文献
[1]陈世坤电机设计［M］机械工业出版社2000
[2]李发海电机学［M］科学出版社1995
[3]三相异步电动机设计、原理与试验沈阳机电学院
[3]张跃峰AUTOCAD2004入门与提高清华大学出版社
摘要
本文介绍了Y系列三相鼠笼异步电动机的设计方法,文章首先从异步电机的基本理论及工作特性着手，简单介绍了异步电机的发展近况、基本特性、类型、结构、用途、技术指标、工作原理及运行特性等，为电机设计的做好必要的理论准备。
电机设计是个复杂的过程，因此需要考虑的因素、确定的尺寸和数据很多。
同时本文也详细阐述了三相鼠笼异步电动机的设计改进调整方案，以及计算机辅助工具的应用，这给电机设计和优化带来了新的契机。
关键词:
三相异步电动机；
设计；
电磁路参数；
工作性能；
优化方案
Abstract
Inthispaper,Yseriesthree-phasesquirrel-cageinductionmotordesignmethod,thearticlefirstofall,fromthebasictheoryofinductionmotorcharacteristicsandtheworktoproceed,brieflyintroducedthelatestdevelopmentoftheinductionmotor,thebasiccharacteristics,type,structure,purpose,technicalindicators,theworkingprincipleandoperationcharacteristics,前言
中小型电机行业是机械工业的重要组成部分，在国民经济中起着举足轻重的作用。
三相异步电动机在生产和交通运输中得到广泛使用，例如，在工业方面，它被广泛用于拖动各种机床。
水泵、压缩机、搅拌机、起重机械等。
在农业方面，他被广泛用于拖动排灌机械、脱粒机及各种农产品的加工机械。
在家用电器和医疗器械和国防设施中，异步电动机也应用十分广泛，作为拖动各种机械的动力设备。
随着科学技术的不断创新和工农业的迅猛发展，电气化与自动化水平不断提高，国民经济各部门对异步三相异步电动机的需求量日益增加，对其性能，质量，技术经济指标也相应地提出了越来越高的要求。
因此，对三相异步电动机性能提出了许多新的更新的要求，必须适时实地做出更新与发展，以适应各个新兴工业领域不同的特殊要求，特别是对需求量最大的中小型三相异步电动机，在保证其质量运行，寿命长和能满足使用要求的同时，进一步节约铜、铁等材料，提高效率和功率因数，以提高其经济技术指标与降低耗电。
三相异步电动机已有近20年多年的研制开发、设计和生产史。
尤其近些年来,随着研制开发技术的不断创新、迅速发展和完善，如集成化技术、智能化技术、网络化技术、虚拟技术等，设计出“更快、更精、更净”的产品。
第1章概述
我国电机制造工业发展近况与发展趋势
制造是我国机械工业中较大的行业之一，它既是关系到各行各业自动化的重要基础产品，又是与人类生活密切相关的面广量大、品种繁多的通用产品。
电动机是把电能转变为机械能的主要执行部件，国内60%～70%的发电量被所消耗。
因此，电机产品的品种、数量和质量各种性能水平的提高和发展，都会直接影响国民经济各部门的发展水平。
20世纪40年代以前，我国电机制造工业极端落后。
50年代以仿制国外产品为主，60年代起走上自行设计的道路。
在此之前只能生产一般中小型电机，而且批量小，品种单一。
我国所生产的电动机大多是六十年代发展的产品,部分是七、八十年代引进的国外移植产品,与国外同行业相比,其技术水平、产品质量、结构工艺、制造能力、自动化程度等均偏低,仍有不小的差距。
解放五十多年来，国内的电机制造业通过广大工程技术人员的不懈努力，在非常落后的基础上逐步建立起较为完整的电机制造工业体系，无论是在发展品种、提高产品质量方面，还是在数量方面，都取得了世人瞩目的成绩，为工业的发展和人民生活水平的提高做出了巨大的贡献。
我国已能独立自主地生产各种中小型电机，国内产品已经发展到100多个系列，500多个品种，年生产能力达到5500万kW以上，基本上满足了社会各个方面对电机产品的需求。
随着电机理论的不断完善，高新技术的快速发展，可以预言：
未来的电机产品将朝着高性能化、智能化、微型化和网络化的方向发展。
电机的分类
电机是以磁场为媒介进行电能与机械能相互转换的电力机械。
电机在国民经济各个领域得到广泛应用。
需要的电机的种类各不相同，性能各异。
电机的分类方法也用很多，故电机的种类也有很多。
1）按工作电源分类：
根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。
2）按结构及工作原理分类：
根据电动机按结构及工作原理的不同，可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。
直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。
3）按转子的结构分类：
根据电动机按转子的结构不同，可分为笼型感应电动机和绕线转子感应电动机。
4）按用途分类：
可分为驱动用电动机和控制用电动机。
我国目前生产的三相异步电动机月100个系列额，500多个品种，500多个规格。
按电机尺寸分成大、中、小型。
大型：
中心高H>
0.63m,定子铁心外径
>
1m,功率范围在400KW以上，电压为300V和600V。
中型：
中心高H=——m,定子铁心外径
=（——）m,功率范围在（45——1250）KW以上，电压为380V和3000V和6000V。
小型：
=（——）m,功率范围在（——132）KW以上，电压为380V。
Y（IP44）系列的中心高H=——m,定子铁心外径
=（——）m，共11个机座，功率范围为（——90）KW，电压380V。
三相异步电动机的结构和用途
1.3.1异步电动机结构
（1）固定部分有定子绕组、定子铁心、机壳、端盖、风罩。
定子绕组是电动机的电路部分，通入三相交流电产生旋转磁场的绕组。
由三个在空间互隔120°
电角度、队称排列的结构完全相同绕组连接而成，这些绕组的各个线圈按一定规律分别嵌放在定子各槽内。
定子铁心是电机磁路的一部分，并在其上放置定子绕组。
通常是用轧成厚或0.35毫米的硅钢片叠成的（如图1）。
机壳是用来支撑定子铁心和电动机端盖。
端盖是用来支撑电动机的转动部分（一般指转子）。
风罩保护风叶同时又起到通风的风路作用。
图1定子铁心
（2）转动部分有转子铁心、转子鼠笼、转轴、起动开关、轴承、风叶。
转子铁心是整个电动机磁路的一部分，一般使用硅钢片DR510-50，DR280-35。
转子鼠笼起转子绕组的作用转子的导条均由鼠笼的端环所短路，形成一个多相的电路（如图2）。
鼠笼的材料一般采用高纯铝L01～L05。
转轴是作为支撑转子铁心和传递力矩最不可缺少的结构部分。
轴承主要是连接转动部分与不动部分。
风叶主要是冷却电动机。
图2鼠笼转子
（3）其他部分有出线盒、铭牌、起动或工作电容器。
（4）三相异步电动机的总结构图
图3封闭式三相笼型异步电动机结构图
1—轴承；
2—前端盖；
3—转轴；
4—接线盒；
5—吊环；
6—定子铁心；
7—转子；
8—定子绕组；
9—机座；
10—后端盖；
11—风罩；
12—风扇
1.3.2异步电动机用途
对于小型异步电动机来说，用途是十分广泛的，常作为各类机械中的主要动力元件。
Y系列小型异步电动机根据需要，既可以用于正常的工作环境，又可在潮湿、多尘、湿热、多霉和日晒雨淋、严寒酷暑，冲击波动，有爆炸危险和腐蚀性环境中使用，既可恒速传动，又可变速传动。
这类电机既可连续工作，有可断续工作。
因此广泛用于各种机床，风机，水泵，压缩机和传输机，农业食品加工等各类机械设备。
三相异步电动机的基本工作原理和运行特性
1.4.1基本工作原理
图4
电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。
如右图4是三相交流异步电动机转子转动的原理图（图中只示出两根导条），当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。
电动势的方向由右手定则来确定。
因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。
在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。
该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。
由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。
异步电动机的工作原理用箭头式子可以简单的表示如下：
定子绕组通入三相交流电流
产生旋转磁场
切割转子绕组
转子绕组产生感应电势
转子中产生感应电流
转子电流与磁场作用
产生电磁转矩
运行。
1.4.2三相异步电动机的工作特性
异步电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量转差率，转矩电流，效率，功率因数等随输出功率变化的关系曲线。
转差率特性
通常把同步转速n1和电动机转子转速n二者之差与同步转速n1的比值叫做转差率，用s表示。
关于转差率的定义如下：
当电机的定子绕组接电源时，站在定子边看，如果气隙旋转磁通密度与转子的转向一致，则转差率s为：
；
如果两者转向相反，则：
。
式中的n1、n都理解为转速的绝对值s是一个没有单位的数，它的大小能反映电动机转子的转速。
随着负载功率的增加，转子电流增大，故转差率随输出功率增大而增大。
转矩特性
异步电动机的输出转矩：
转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降，转矩曲线为一个上翘的曲线（近似直线）。
电流特性
空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。
效率特性
其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；
铁耗和机械损耗近似不变；
效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗时，电机达到最大效率。
异步电动机额定效率载74-94%之间；
最大效率发生在倍额定效率处。
功率因数特性
空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；
随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；
在额定功率附近，功率因数达到最大值。
如果负载继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。
三相异步电动机的起动与调速
1.5.1三相异步电动机的起动
（1）直接起动
直接起动是用闸刀开关或接触器把电机的定子绕组直接接到具有额定电压的电源上。
是一种最简单而应用广泛的起动方法。
1）优点：
无需附加起动设备，操作方便；
2）缺点：
起动电流大，起动转矩小，须足够大的电源；
3）适用条件：
小容量电动机带轻载的情况起动。
（2）降压起动
用降低电机端电压的方法限制制动起动电流，待电机转速接近正常转速后，再将端电压升高到额定电压。
如果电源容量不够大，可采用降压起动。
即起动时，降低加在电动机定子绕组电压，起动时电压小于额定电压，待电动机转速上升到一定数值后，再使电动机承受额定电压，可限制起动电流。
1）Y-Δ降压起动
2）自耦变压器降压起动
3）电阻降压或电抗降压起动
4）延边三角形降压起动
（3）软起动
软起动就是在电动机（鼠笼式）定子回路串入有限流作用的电力器件来实现电机的起动。
通过这种方法降低起动电流。
软起动是采用软件控制方式来平滑起动电动机，一方面在控制方式上以软件控制强电，另一方面在控制结果上将电动机的起动特性由“硬”平滑变为“软”。
软起动过程中产生高次谐波，对周边环境要求比较高，同时起动设备投资非常大；
但它起动时无冲击电流，可保持平滑起动，并且可根据负载情况实现自由无级的起动。
软起动方式：
液阻式软起动
磁控式软起动
智能式软起动。
1.5.2三相异步电动机的调速
三相异步电动机转速公式为：
从上式可见，改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。
异步电动机的调速主要有三种方法.
1、变极调速
，异步电动机正常运行时，转子转速n略低于
，所以，一旦p改变，
改变，n也随着改变。
1）Y→YY变极调速属于恒转矩调速方式
2）Δ→YY变极调速属于恒功率调速方式
2、变频调速
异步电动机的转速：
当转差率S变化不大时，n近似正比于频率
，可见改变电源频率就可改变异步电动机的转速。
常用的异步电动机变频调速控制方式通常有两种，即恒转矩变频调速和恒功率变频调速。
（1）恒转矩变频调速。
电机变频调速前后额定电磁转矩相等，即恒转矩调速时，有
（2）恒功率变频调速。
电机变频调速前后它的电磁功率相等，即
3、转子回路串电阻调速
转子串入附加电阻，使电动机的转差率加大，电动机在较低的转速下运行。
串入的电阻越大，电动机的转速越低。
此方法设备简单，控制方便，但转差功率以发热的形式消耗在电阻上。
属有级调速，机械特性较软。
串电阻前后保持转子电流不变，则有：
，
电磁转矩为：
，保持不变，即属于恒转矩调速。
感应电动机的主要性能指标和额定参数
感应电动机的主要性能指标、基准值和额定参数。
性能指标
基准值
额定参数与标么值
额定功率
电压基准值：
额定相电UN
效率
额定电压
电流基准值：
每相功电流IKW
功率因数
额定频率
功率基准值：
额定功率PN
最大转矩倍数
额定转速
阻抗基准值：
ZKW=UN/IKW
起动转矩倍数
转矩基准值：
额定转矩TN
起动过程中的最小转矩
绕组和铁心温升
起动电流倍数
电机节能
电动机广泛应用于工业、商业、公用设施和家用电器等各个领域，作为风机、水泵、压缩机、机床等各种设备的动力。
中小型三相异步电动机是电力机械的最主要的原动机。
目前中国电动机消耗的电量约占全国用电量的60％，而中小型电动机占到全国电动机功率的75％，若把中小型电动机的效率平均提高一个百分点，一年可节电20多亿kWh。
由此可见，电动机的节能潜力巨大，提高中小型电动机的能源效率是工业终端设备节能的一个重要方面。
一般采取的节能措施如下：
1、选用节能电动机
Y系列三相异步电动机是全国统一设计的新系列小型鼠笼转子电动机。
Y系列电动机效率较高，全系列加权平均效率为%，比J02系列高%,起动转矩比J02系列平均提高30%，因此有利于用户既满足对起动转矩要求高而又可选用容量较小的电动机。
这有利于提高节电效果。
2、合理选择电动机容
一般电动机负载的系数在范围内为高效区。
电动机容量要根据生产机械需要的功率来决定。
但实际中往往会出现“大马拉小车”的现象，由于容量选择不合理，使电动机经常处于轻载状态，致使功率因数降低，增加线路损耗。
所以要根据不同负载合理选择电动机。
3、异步电动机采取调速节电
目前，风机与泵类设备常用调节阀门或挡板开启度的方法来调节流量，电能浪费很大。
而用电动机调速来调节流量，可使风机、泵长期在高效率状态运行，节电可达30%-60%a。
表1列出异步电动机几种常用的调速方式及特点。
在工农业生产中可根据电机、场地、调速要求等情况选择调速方案。
对于不同的负载类型选用不同类型的电动机，可以获得良好的节电效果。
（1）可变转矩型异步电动机。
其最大转矩和额定转矩都和转速成正比，故低速时最大转矩和额定转矩都只有高速时的一半（倍极比电动机），而额定功率只有高速额定功率的1/4。
这类电动机适合泵、风机使用，因它的特性基本上与负载特性配合。
接线方式是低速时为串联Y,高速时为并联Y。
（2）恒转矩型异步电动机。
其最大转矩和额定转矩近似地保持不变，额定功率正比于转速。
这类电动机适合传送带、压缩机和机床进给机构使用接线方式是:
低速时为串联0,高速时为并联Y
（3）恒功率型异步电动机。
其最大转矩和额定转矩反比于转速。
这类电动机适合于金属切削机床、卷扬机等。
接线方式是:
低速时为并联Y,高速时为串联△。
第2章三相鼠笼式异步电动机的设计方法
电磁负荷的选择与匹配
2.1.1电磁负荷对电机性能和经济性的影响
由于正常电机中系数
、
、与
实际上变化不大，因此在计算功率
与转速
一定时，电机的主要尺寸决定于电磁负荷
电磁负荷越高，电机尺寸将越小，重量越轻，成本也越低。
这就是在一般可能情况下，一般希望选取较高电磁负荷和
的原因。
但电磁负荷选取与众多因素有关，不但影响电机有效材料的耗用量，而且对电机参数、起动和运行性能、可靠性都有重要影响。
（1）线负荷A较高，气隙磁密
不变
电机体积和尺寸的减小，可节约钢铁材料
一定时，由于铁心重量减小，铁耗随之减小
绕组用铜量增加
增大了电枢单位表面上铜耗，绕组温升增高
影响电机参数和电机特性
（2）气隙磁密
高，线负荷A不变
电枢基本铁耗增大
气隙磁位降和磁路饱和程度增大
2.1.2电磁负荷的选择
电磁负荷与预防护等级、冷却方式、转子结构、绝缘等级及电压有直接关系。
决定电磁负荷时。
对于小型电机而言，各种产品之间磁密的波动范围不大。
只是对于断续运行电机或者最大转矩要求高、功率数允许略低的产品，磁密可以略高。
但电密及热负荷AJ1波动较大。
当磁密及J1选定后，根据电磁负荷的匹配关系，求取转子电密及调整定子齿部、轭部的磁密，电磁负荷选得高，就节省材料，但它受效率
及温升约束，不能选得过高。
在推荐的范围内：
A随功率增加而增加，减少A可提高过载能力；
随极数增加面增加，降低
可提高
J1则随功率增加而减小，随散热能力提高而提高。
同时绕线转子的J1要比笼型转子的J1选低5%——10%；
断续运行的可比连续的选的高些。
2.1.3电荷负荷的匹配
电磁负荷的匹配直接影响电机的温升（定子绕阻温升），尽管随着电机类型不同，温度场分而亦不同，但仍有一个共同的规律。
就散热而言，转子热量有很大一部分要先传给定子，再经机座或通风道，与定子热量汇集在一起传给周围介质。
对于Y系列电机而言，磁负荷亦应遵循类似的规则，转子部分损耗很小，转子部分磁密只要在推荐范围内选取，其损耗可忽略不计。
电机总的铁耗可以以为仅由定子齿部铁耗及定子轭部铁耗两部分构成。
当铁心尺寸确定后，铁耗随磁密的增加而增加。
对于4极电机而言，齿、轭磁密相近时，由于轭部体积较大，其铁耗常常是齿部好几倍。
所以设计人员常将轭部磁密选项得较低，齿部选得较高，这从计算结果看是合适的，但在散热途径中齿部的散热不如轭部；
同时，齿部磁密偏高，这会使其脉振损耗显着增加，这些从计算结果很难察觉，但却往往导致温升增高，因此齿部磁密不宜偏高。
主要尺寸、气隙长度的选取及绕组型式的选择
2.2.1主要尺寸的选择
设计的主要任务是确定电动机的主要尺
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