异步电动机毕业论文电磁设计.doc
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兰州交通大学毕业设计（论文）
异步电动机毕业论文电磁设计计算
摘要
本文主要针对Y2-200L-4型电机进行了电磁设计和计算。
首先基于设计任务书给定的参数并结合相关的技术条件确定了与Y2-200L-4电机的电磁性能有关的主要尺寸，选择定、转子的槽数及槽配合，用CAD绘制出定、转子的槽型和线圈尺寸图，槽型分布图及绕组分布图。
计算出每相串联导体数，串联匝数，槽满率等基本量，然后据此选定有关的材料。
再在MATLAB中编程进行该电机的电磁计算，反复调整有关参数，使其技术指标符合任务书的要求，最终设计出符合任务书规定技术要求的电机。
关键词：
Y2-200L-4;定转子;绕组分布;电磁设计计算
Abstract
ThisarticlemainlyaboutelectromagneticdesignandcalculationofY2-200L-4motor.FirstitdeterminedthemaindimensionsrelatedtotheelectromagneticpropertiesoftheY2-200L-4motorbasedontheparametersofdsigntaskandtechnicalconditions.Thenitselectedthenumberofslotsofstatorandrotorandrightslots.InotonlyusedCADtodrawsizechartofstator,rotorandcoilbutalsodrawdistributionofgrooveandwinding.Icalculatedsomebasicamountsuchasthenumberofconductorsinseriesperphaseandslotfillfactor.ThenIselectedtherelatedmaterials.IhavecompletedtheelectromagneticcalculationsofthismotorinMATLAB.ThenIadjustedtheparametersrepeatedly.Ididalotofworktomakeitstechnicalindicatorsmeettherequirementsofthemissionstatement.InthelastIdesignedthemotorthatmeettherequirementsofthemissionstatement.
KeyWords:
Y2-200L-4,statorandrotor,windingdistribution,electromagnetic
摘要 0
ABSTRACT 1
1绪论 4
1.1工程背景 4
1.2设计范围 4
1.3设计依据 4
1.4设计目标 4
1.5本文的主要工作 4
2三相异步电动机主要参数的确定 5
2.1主要尺寸及气隙长度的确定 5
2.2定、转子槽形及槽配合的确定 5
2.2.1定、转子槽形的选择 5
2.2.2定、转子槽形尺寸的确定 6
2.2.3槽配合的选取 6
2.3绕组型式及节距的选择 6
2.3.1绕组型式的选择 6
2.3.2绕组节距的选择 7
3电磁计算 7
3.1额定数据及主要尺寸 7
3.2磁路计算 9
3.3参数计算 12
3.4性能计算 14
3.4.1工作性能计算 14
3.4.2起动性能计算 18
3.5程序流程图 20
结论 22
致谢 22
参考文献 23
附录A 24
源程序 24
运行结果 33
附录B 33
附录C 36
1绪论
1.1工程背景
三相异步电动机具有结构简单，价格低廉，维修方便等优点，在电网的总负载中，异步电动机的容量约占整个动力负载的85%，是目前工农业生产中使用最广泛的一种电动机，可见其使用的广泛性和重要性[1]。
此外，异步电动机还派生出了各种防护型式以适应不同环境条件的需要，也具有较高的效率和较好的工作特性。
异步电动机可分为鼠笼式异步电动机和绕线式异步电动机，两者相比，鼠笼式异步电动机在运行、维护及成本方面都比绕线式异步电动机更有优势。
因此本设计对Y2-200L-4型电机进行了电磁设计计算。
1.2设计范围
包括根据相关技术手册确定与电机的电磁性能有关的主要尺寸、槽形及槽配合、绕组型式和节距、线规和材料等，用MATLAB编程进行电磁计算，用CAD画出定、转子冲片图及绕组分布图。
1.3设计依据
（1）类似电机的电磁设计资料。
（2）国家现行有关设计规程、技术手册，主要包括：
①《实用电机设计计算手册》（黄坚，郭中醒主编）
Y2系列三相异步电动机技术条件》（JB/T8680.1-1998）
②用户提出的产品规格（功率、电压、转速等）及技术要求（如效率、温升等）。
1.4设计目标
设计出电机的主要性能指标，如起动转矩、最大转矩、起动电流倍数、效率和功率因数等要满足设计任务书的要求。
在此基础上，部分性能指标最好有所改善。
1.5本文的主要工作
（1）三相鼠笼式异步电动机主要参数的确定
根据设计任务书的要求，结合相关的技术手册，确定出与电机电磁性能有关的主要尺寸、槽形及槽配合、绕组型式及节距、线规和材料。
（2）电磁计算
根据所确定出的主要参数，编程进行电磁计算，计算可分为四个模块，包括额定数据及主要尺寸计算、磁路计算、参数计算和起动计算。
在计算过程中需要反复调整相关参数，直到计算出的主要性能指标达到设计任务书的要求。
（3）MATLAB编程
本设计的电磁计算部分工作量大，采用MATLAB编程使得计算量大大减小，同时计算的精确度也得到提高。
（4）CAD画图
本设计中使用CAD画出定、转子冲片图，槽形尺寸图和定子绕组分布图。
2三相异步电动机主要参数的确定
三相异步电动机的主要参数是电机电磁计算的数据依据，只有在选择了合适的主要参数的前提下，才能够正确地进行电磁计算。
主要参数的选择是以经验公式计算出的数据为基本依据，结合相关的技术手册进行选择。
2.1主要尺寸及气隙长度的确定
电机的主要尺寸包括定子内径和铁芯有效长度，只要确定了这两个参数，其他的尺寸（包括定、转子内外径、铁芯长度和气隙长度）就可以以此为根据，参阅相关的技术手册得到。
但在一般情况下，定子内径和铁芯有效长度的计算比较麻烦，通常采用类比法来确定电机的主要尺寸，参照已生产过的同类型相近规格电机的设计和实验数据，直接初选电机的主要尺寸。
在本设计中，以厂家已经生产过的Y2系列的相近电机作为参考，结合相关技术手册得到本台电机的主要尺寸。
本台电机主要尺寸结合文献[2]中附录A进行选取，详见附录C和附录D。
2.2定、转子槽形及槽配合的确定
2.2.1定、转子槽形的选择
（1）定子槽形的选择
小型三相异步电动机的定子槽形，一般采用斜口圆底槽[3]。
槽口斜角统一规定如下：
①160机座及以下为；
②180~280机座：
2极为，4极为，6、8极为；
③315~355机座：
2极为，4~10极为。
因本台电机机座号为200，极数为4极，所以定子选圆底槽，槽口角度选。
详见附录C。
（2）转子槽形的选择
转子采用平底槽、圆底槽、梨形槽、凸形槽（对称和不对称）、刀形槽等6种槽形，槽口斜角对梨形槽和刀形槽为，其他槽形为。
采用凸形槽可以在起动转矩和运行性能两方面都有所兼顾，所以Y2系列电动机在大机座号中采用凸形槽较多。
本台电机的机座号较大，因此转子选凸形槽（不对称），槽口斜角为，详见附录D。
2.2.2定、转子槽形尺寸的确定
定子的槽形尺寸不仅影响槽满率，而且还影响定子齿部和轭部的磁密，一般在设计时要求齿部和轭部有适当的磁密，齿部有足够的机械强度，轭部有足够的刚度。
转子的槽形尺寸对电机的各项性能指标，包括起动转矩、起动电流倍数、最大转矩、转差率、效率和功率因数等都有非常大的影响；此外，槽的各部分尺寸对这些性能指标又有不同程度的影响。
在实际设计中，一般采用类比法来确定电机定、转子的槽形尺寸。
本台电机定、转子槽形尺寸详见附录C和附录D。
2.2.3槽配合的选取
槽配合就是在电机选取转子槽数时，必须与定子槽数有恰当的配合。
选择合理的槽配合对于降低电磁噪声，进而降低电动机负载噪声具有特殊的意义[4]。
槽配合对电机的性能有很大的影响，若选取不当，可能会导致附加损耗、附加转矩、振动与噪声增加，从而使效率降低，起动性能变差。
采用定、转子槽数接近的槽配合，可减小附加损耗。
4极电机一般采用24/22，36/28、48/38、60/50、72/64。
本台电机所选取的槽配合是48/38。
2.3绕组型式及节距的选择
2.3.1绕组型式的选择
考虑到目前的传统生产工艺和机械化下线的可能性，除71机座6极和80、90机座8极采用双层绕组外，对160及以下的机座仍采用单层绕组。
对180及以上机座，为了提高电机性能和降低电机噪声，在设计时全部采用双层叠绕组。
本台电机因机座号为200，所以选用双层叠绕组。
2.3.2绕组节距的选择
对双层绕组应从电机具有良好的电气性能和节约导线材料两方面来考虑节距的选择。
在正常三相异步电动机中，通常选以便消弱磁势的5次和7次谐波分量。
对于2极电机，为了便于嵌线和缩短端部长度，除铁芯长度很长的以外，一般取左右[5]。
因本设计是2极电机，所以取。
3电磁计算
3.1额定数据及主要尺寸
（1）输出功率。
（2）相电压
因为该电机为△接法，所以相电压。
（3）功电流
（4）效率标准值。
（5）功率因数标准值。
（6）极数对数。
（7）频率。
（8）定、转子槽数
定子槽数，转子槽数。
（9）定、转子每极槽数
定子每极槽数：
转子每极槽数：
（10）定、转子冲片尺寸
定子外径，定子内径，气隙长度，转子外径，转子内径。
定子槽形尺寸（见附录C）：
，，，，，。
转子槽形尺寸（见附录D）：
，，，，，，，。
（11）极距
（12）定、转子齿距
定子齿距：
转子齿距：
（13）绕组节距。
（14）每相串联导体数
其中，每槽导体数每圈匝数；并联支路数。
（15）绕组线规
根据经验，一般按类比法选取线规，本文中选取的线规为。
绝缘后直径d=1.27mm,截面积。
（16）槽满率
槽面积：
其中，槽楔高度按文献[6]中表2-7选取，取。
对于双层叠绕组，槽绝缘所占面积为：
其中，槽绝缘厚度按表文献[6]中2-7查取。
槽有效面积：
槽满率：
其中，导体并饶根数；导体绝缘后外径。
（17）铁芯长
铁芯有效长：
净铁芯长：
其中，铁芯叠压系数取。
（18）每相有效串联导体数
其中，绕组系数的计算详见附录B中
（1）。
3.2磁路计算
（1）每极磁通
设负载电势系数初值，,参考资料得，则每极磁通为：
（2）齿部截面积
定子齿截面积：
转子齿截面积：
其中，为定子齿部计算宽度；、为转子齿部计算宽度，一般取靠近齿最狭小的处的宽度。
（3）轭部截面积
定子轭部截面积：
转子轭部截面积：
其中，定、转子轭部磁路计算高度和的计算详见附录B中
（2）。
（4）空气隙截面积
（5）波幅系数
从这里开始进行饱和系数计算，一般需要进行多次的循环。
这里先假设饱和系数，对应的波幅系数。
（6）定子齿磁密
（7）转子齿磁密
（8）定子轭磁密
（9）转子轭磁密
（10）空气隙磁密
（11）各部分磁路的磁场强度
根据计算出的各部分磁密，按照磁化曲线可查出各部分磁场强度如下：
21.9A/cm，20.1A/cm，5.792A/cm，11.42A/cm，15.66A/cm。
（12）有效空气隙长度
其中气隙系数计算详见附录B中（3）。
（13）定、转子齿部磁压降
定子齿部磁压降：
转子齿部磁压降：
其中，定、转子齿部磁路计算高度、和的计算详见附录B中（4）。
（14）定、转子轭部磁压降
定子轭部磁压降：
转子轭部所需安匝数：
其中，定、转子轭部磁路计算长度和的计算详见附录B中（5）；定、转子轭部磁路长度校正系数、按文献[6]中图2-15查取。
（15）空气隙磁压降
（16）饱和系数
由于上述计算出的饱和系数值与假设值较为接近，即满足，故可以继续计算，否则必须返回重新计算直至满足要求。
（17）每极磁势
（18）满载磁化电流
（19）满载磁化电流标幺值
（20）励磁电抗标幺值
3.3参数计算
（1）定子槽漏抗标幺值
其中，漏抗系数详见附录B中（6）；定子槽比漏磁导详见附录B中（7）。
（2）定子谐波漏抗标幺值
其中，定子谐波单位漏磁导可查文献[6]中表2-12得到：
=0.00592
（3）定子端部漏抗标幺值
（4）定子漏抗标幺值
（5）转子槽漏抗标幺值
其中，为转子铁芯长度，因本台电机无径向通风道，故有；转子槽比漏磁导的计算详见附录B中（8）。
（6）转子谐波漏抗标幺值
其中，转子谐波单位漏磁导可查文献[6]中表2-13得到：
。
（7）转子端部漏抗标幺值
其中，转子导条长度；端环直径。
（8）转子斜槽漏抗标幺值
其中，斜槽度详见附录B中（9）。
（9）转子漏抗标幺值
（10）定、转子总漏抗标幺值
（11）定子绕组直流电阻
其中，导线电阻系数按文献[6]中表2-9查取；线圈平均半匝长详见附录B中（10）；
（12）定子相电阻标幺值
（13）有效材料用量
定子铜的重量：
其中，为考虑导线和引线质量的系数，漆包圆铜线C=1.05；为铜的密度。
硅钢片的重量：
（14）转子电阻
导条电阻：
端环电阻：
其中，；对于铸铝转子。
导条电阻标幺值：
端环电阻标幺值：
转子电阻标幺值：
3.4性能计算
3.4.1工作性能计算
（1）满载电流有功分量标幺值
从这里开始进行效率的计算，一般需要进行多次的循环。
这里先假定效率初值，则
（2）满载电抗电流标幺值
其中，。
（3）满载电流无功分量标幺值
（4）满载电势系数
（5）空载电势系数
（6）空载定子齿磁密
（7）空载转子齿磁密
（8）空载定子轭磁密
（9）空载转子轭磁密
（10）空载气隙磁密
根据上述计算出的各部分空载磁密，按照文献[6]中附表3的热轧硅钢片DR510牌号磁化曲线，查取各部分磁路所对应的磁场强度，然后继续进行计算。
所查得的结果为：
A/cm，A/cm，A/cm，A/cm，A/cm。
（11）空载时定子齿部磁压降
（12）空载时转子齿部磁压降
（13）空载时定、转子轭部磁压降
（14）空载气隙磁压降
（15）空载时每极磁势
（16）空载磁化电流
（17）定子电流
（18）定子电流密度
（19）线负荷
（20）转子电流
导条电流：
端环电流：
（21）转子电流密度
导条电密：
端环电密：
（22）定子铜耗
（23）转子铝耗
（24）杂散损耗
杂散损耗的大小与设计参数和工艺情况有关，目前尚难以准确计算，故以推荐值为主。
这里推荐：
=0.02
（25）机械损耗
根据经验，一般按类比法选取机械损耗。
这里参照文献[6]中表2-15选取，其取值如下：
（26）铁耗
定子轭部铁耗：
定子轭部重量：
定子齿部铁耗：
定子齿部重量：
其中，和可根据和查资料可得，按经验取=2.5，=2。
（27）总铁耗
（28）总铁耗标幺值
（29）总损耗标幺值
（30）输入功率标幺值
（32）效率
由于上述计算出的效率值与假设的效率初值相差很小，即满足，故可继续计算，否则需要重新假设初值，直到满足要求为止。
（33）功率因数
（34）转差率
旋转铁耗：
（35）转速
（36）最大转矩倍数
3.4.2起动性能计算
（1）起动电流假定初值
从这里开始进行电流的循环计算，一般需进行多次的循环，起动电流假定初值为：
（2）起动时定子槽漏抗标幺值
其中，起动时定子槽比漏磁导详见附录B中（11）。
（3）起动时定子谐波漏抗标幺值
其中，起动时漏磁路饱和系数取0.417。
（4）定子起动漏抗标幺值
（5）起动时转子槽漏抗标幺值
其中，起动时转子槽比漏抗详见附录B中（12）。
（6）起动时转子谐波漏抗标幺值
（7）起动时转子斜槽漏抗标幺值
（8）转子起动漏抗标幺值
（9）起动时定、转子总漏抗标幺值
（10）转子起动电阻标幺值
其中，电阻增加系数取4.79。
（11）起动总电阻标幺值
（12）起动总阻抗标幺值
（13）起动电流
起动电流倍数：
由于上述计算出的起动电流倍数与假设的初值相差很小，即，故可以继续计算，否则需要重新假设起动电流倍数的初值，直至满足要求。
（14）起动转矩
表3.1将计算出来的本台电机的主要性能指标与文献[4]中附录A给出的主要性能指标做了比较，结果表明该台电机各项性能指标均符合技术要求，并且最大转矩、起动电流倍数得到了明显地改善。
表3.1主要性能指标对比
主要性能指标
标准值
计算值
效率
0.9223
0.9100
功率因数
0.868
0.885
最大转矩
2.88
3.49
起动电流倍数
6.66
7.68
起动转矩
2.41
3.67
3.5程序流程图
因电动机的电磁计算是一个比较复杂的过程。
首先，磁路参数是非线性参数；其次，计算程序中有些公式是经验公式。
因此计算中有些参数需先依据经验公式假设，然后再核算。
如计算结果和假设及技术要求不符，需重新调整参数反复计算。
因此本文按照“中小型三相感应电动机电磁计算程序”，用MATLAB语言编写了中小型三相感应电动机电磁计算程序，程序及运行结果见附录A。
前面所带数据是调整好的数据，程序流程图如图3.1所示。
图3.1程序流程图
结论
三相鼠笼式异步电动机的电磁设计是决定该电机电磁性能好坏的重要因素，也是整个电机设计中最重要的环节。
电机的电磁设计不同于结构设计，首先，需要确定电机的主要参数，参数的确定对整个电磁设计很重要，决定电机主要性能指标。
其次，应该严格按照电磁计算步骤进行计算，在计算过程中，反复调整相关参数，使性能指标满足要求。
本设计是对Y2-200L-4型异步电动机的电磁设计。
通过查阅相关技术手册，确定该电机的主要参数，包括定、转子内外径，气隙和铁心长度，节距和绕组型式，槽形、槽形尺寸和槽配合，以及所需材料等。
设计结果表明，所确定的主要参数和选用的材料均符合设计要求。
由于本设计的计算量大，为了减少人工计算带来的误差，所以计算过程采用MATLAB编程，使计算量大大减小。
通过电磁计算得到的该电机的主要性能指标，包括起动转矩、最大转矩、起动电流倍数、效率和功率因数等均符合设计任务书的要求。
其中，起动转矩、最大转矩、起动电流倍数和功率因数均得到了改善。
为了使定、转子冲片图和绕组分布图清晰美观、尺寸标注准确，本次设计使用CAD画图。
致谢
本设计（论文）的工作是在田莉老师的悉心指导下完成的，田莉老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。
在此衷心感谢田莉老师对我的关心和指导。
在长达三个月的毕业设计期间，很庆幸能身处于一个团结友善的团队中，正是因为在本次设计中，大家集思广益、刻苦钻研，才能使毕业设计顺利完成。
非常感谢我们组内同学在设计期间给我的热情帮助和诚挚建议。
在即将毕业之际，借此机会也向四年大学生活中教育、帮助和关心过我的各位领导、任课教师以及同学表示由衷的感谢，谢谢你们陪我度过了一段充实、美好、难忘的大学生活。
这段美好时光将成为我人生中最珍贵的记忆。
同时，也要感谢我的父母，是你们给予了我生命，抚育我成长，谢谢你们多年来对我的支持与鼓励。
在撰写毕业设计（论文）期间，韩登存、杨小荣、杨秋明、马淑倩等同学对我设计工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。
参考文献
[1]汤藴璆,史乃.电机学[M].北京:
机械工业出版社,2007:
125-387.
[2]彭友元.电机绕组手册[M].辽宁:
辽宁科学技术出版社,1995:
38-56.
[3]关恩禄.计算机辅助电机设计[M].北京:
机械工业出版社,1990:
21-48.
[4]戴文进,张景明.电机设计[M].北京:
清华大学出版社,2010:
53-160.
[5]陈世坤.电机设计[M].西安:
西安交通大学出版社,1982:
1-280.
[6]
[7]
[8]
附录A
源程序
%第一部分额定数据和主要尺寸
PN=30000;UN=380;UNf=UN;
f=50;cosf1=0.86;eta1=0.913;m1=3;p=2;
Z1=48;Z2=38;q1=4;q2=54/6;%基本数据
Zp1=12;Zp2=9.5;
IKW=PN/（m1*UNf）;%功电流
D1=0.327;Di1=0.210;
D2=0.2086;Di2=0.075;%定转子内外径
lt=0.195;drta=0.0007;%铁心长度及气隙值
lef=lt+2*drta;
tao=pi*Di1/（2*p）;%极距
t1=pi*Di1/Z1;t2=pi*D2/Z2;%定转子齿距
bsk=1.26*t1;A_1=30000;
Nf1_1=（eta1*cosf1*pi*Di1*A_1）/（m1*IKW）;
a1=2;Ns1_1=（m1*a1*Nf1_1）/Z1;
Ns1=26;Ndrta=Ns1/2;
Nf1=（Ns1*Z1）/（m1*a1）;
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