三相感应电机设计题目-实例.doc

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北京交通大学

电机设计任务书

三相笼型感应电动机电磁设计及其运行性能的有限元电磁场仿真计算

专业班级：

班

学生姓名：

学号：

指导老师：

任务下达日期2014年4月21日

设计完成日期2014年6月13日

一、课程设计的性质与目的

《电机课程设计》的是电气工程及其自动化专业电机电器及其控制方向（本科）、电机制造（专科）专业的一个重要实践性教案环节，通过电机设计的学习及课程设计的训练，为今后从事电机设计工作、维护的人才打下良好的基础。

电机设计课程设计的目的：

一是让学生在学完该课程后，对电机设计工作过程有一个全面的、系统的了解。

另一个是在设计过程培养学生分析问题、解决问题的能力，培养学生查阅表格、资料的能力，训练学生的绘图和阅图能力，为今后从事电机设计技术工作打下坚实的基础。

二、设计内容

1．在查阅有关资料的基础上，确定电机主要尺寸、槽配合，定、转子槽形及槽形尺寸。

2．确定定、转子绕组方案。

3．完成电机电磁设计计算方案。

4．画出定、转子冲片图。

5．完成说明书（16开，计算机打印或课程设计纸手写，计算机打印需提供纸质计算原稿）

6.对已经完成的电磁设计方案建立有限元模型，利用ANSOFT软件进行运行性能的仿真计算，给出性能分析图表等。

三、课程设计的基本要求

1．求每位同学独立完成一种型号规格电机的全部电磁方案计算过程，并根据所算结果绘出定、转子冲片图。

2．要求计算准确，绘出图形正确、整洁。

3．要求学生在设计过程中能正确查阅有关资料、图表及公式。

四、题目（算例）：

Y132M-4额定数据与性能指标

1、电机型号Y132M-42、额定功率PN=7.5千瓦

3、额定频率fN=50赫4、额定电压及接法UN=380伏Δ

5、极数2P=46、绝缘等级B

7、力能指标：

效率0.878、功率因数cos0.85

9、最大转矩倍数

10、起动性能：

起动电流倍数,起动转矩倍数

五、设计题目

题目1：

Y132M1-6额定数据与性能指标

1、电机型号Y132M1-62、额定功率PN=4千瓦

3、额定频率fN=50赫4、额定电压及接法UN=380伏1-Δ

5、极数2P=66、绝缘等级B

7、力能指标：

效率8、功率因数cos

9、最大转矩倍数

起动性能：

起动电流倍数,起动转矩倍数

主要尺寸

；

定子槽形采用斜肩园底梨形槽：

，

转子采用斜肩平底槽：

题目2：

Y132M2-6额定数据与性能指标

1、电机型号Y132M2-62、额定功率PN=5.5千瓦

3、额定频率fN=50赫4、额定电压及接法UN=380伏1-Δ

5、极数2P=66、绝缘等级B

7、力能指标：

效率8、功率因数cos

9、最大转矩倍数

起动性能：

起动电流倍数,起动转矩倍数

主要尺寸

；

定子槽形采用斜肩园底梨形槽：

；

转子采用斜肩平底槽：

题目3：

Y132M-4额定数据与性能指标

1、电机型号Y132M-42、额定功率PN=7.5千瓦

3、额定频率fN=50赫4、额定电压及接法UN=380伏1-Δ

5、极数2P=46、绝缘等级B

7、力能指标：

效率8、功率因数cos

9、最大转矩倍数

起动性能：

起动电流倍数,起动转矩倍数

主要尺寸

；

定子槽形采用斜肩园底梨形槽：

转子采用斜肩平底槽：

题目4：

Y132S-4额定数据与性能指标

1、电机型号Y132S-42、额定功率PN=5.5千瓦

3、额定频率fN=50赫4、额定电压及接法UN=380伏1-Δ

5、极数2P=46、绝缘等级B

7、力能指标：

效率8、功率因数cos

9、最大转矩倍数

起动性能：

起动电流倍数,起动转矩倍数

主要尺寸

；定子槽形采用斜肩园底梨形槽：

转子采用斜肩平底槽：

题目5：

Y160M1-8额定数据与性能指标

1、电机型号Y160M1-82、额定功率PN=4千瓦

3、额定频率fN=50赫4、额定电压及接法UN=380伏1-Δ

5、极数2P=86、绝缘等级B

7、力能指标：

效率8、功率因数cos

9、最大转矩倍数

起动性能：

起动电流倍数,起动转矩倍数

主要尺寸

；

定子槽形采用斜肩园底梨形槽：

转子采用斜肩平底槽：

题目6：

Y160M2-8额定数据与性能指标

1、电机型号Y160M2-82、额定功率PN=5.5千瓦

3、额定频率fN=50赫4、额定电压及接法UN=380伏1-Δ

5、极数2P=86、绝缘等级B

7、力能指标：

效率8、功率因数cos

9、最大转矩倍数

起动性能：

起动电流倍数,起动转矩倍数

主要尺寸

；

定子槽形采用斜肩园底梨形槽：

转子采用斜肩平底槽：

题目7：

Y160M-6额定数据与性能指标

1、电机型号Y160M-62、额定功率PN=7.5千瓦

3、额定频率fN=50赫4、额定电压及接法UN=380伏1-Δ

5、极数2P=66、绝缘等级B

7、力能指标：

效率8、功率因数cos

9、最大转矩倍数

起动性能：

起动电流倍数,起动转矩倍数

主要尺寸

；

定子槽形采用斜肩园底梨形槽：

转子采用斜肩园底槽：

题目8：

Y160L-6额定数据与性能指标

1、电机型号Y160L-62、额定功率PN=11千瓦

3、额定频率fN=50赫4、额定电压及接法UN=380伏1-Δ

5、极数2P=66、绝缘等级B

7、力能指标：

效率8、功率因数cos

9、最大转矩倍数

起动性能：

起动电流倍数,起动转矩倍数

主要尺寸

；

定子槽形采用斜肩园底梨形槽：

转子采用斜肩园底槽：

说明书格式

1．课程设计封面；

2．课程设计任务书；

3．三相感应电动机电磁设计特点及设计思想；

4．三相感应电动机定、转子绕组方案；

5．电磁设计设计单；

6．定、转子冲片图；

7．总结与体会；

参考文献

1.《电机设计》,陈世坤,第二版

2.《中小型电机设计手册》，上海电器科学研究所《中小型电机设计手册》编写组，机械工业出版社.1994年

3.《小型三相异步电动机技术手册》，季杏法主编，机械工业出版社1987

4.《电机设计》，李隆年主编，清华大学出版社

5.《电机学》，汤蕴璆主编，机械工业出版社

算例

（一）额定数据和主要尺寸：

1.额定功率：

2.额定电压：

（接）

3.功电流：

4.效率：

5.功率因素：

6.极对数：

7.定转子槽数

每相每极槽数取整数

则

并采用斜肩平底槽

8.定转子每极槽数

9．确定电机电机主要尺寸

主要尺寸来确定和

计算功率

初选，，可取，取，假定。

取

则

按定子内外径比求出定子冲片外径

取

铁心的有效长度：

取铁心长

10．气隙的确定

于是铁心有效长度

转子外径

转子内径先按转轴直径：

11．极距

12．定子齿距

转子齿距

13．定子绕组采用单层绕组，交叉式，节距1-9，2-10，11-12

14．为了削弱齿谐波磁场的影响，转子采用斜槽，一般斜一个定子齿距，于是转子斜槽宽

15.设计定子绕组

并联支路.每槽导体数

16.每相串联匝数

每相串联匝数

17.绕组线规设计

初选定子电密，计算导线并绕根数和每根导线截面积的乘积。

其中定子电流初步估计值

选用截面积相近的铜线：

高强度漆包线，并绕根数，线径，绝缘后直径，截面积，

18.设计定子槽形

取

19.槽在面积

按槽绝缘采用DMDM复合绝缘，，槽楔为，复合板，槽绝缘占面积。

槽满率

20.绕组系数

其中

每相有效串联导体数

21.设计转子槽形与转子绕组

预计转子导条电流：

其中由资料查出。

初步取转子导条电密，

于是导条的截面积：

导条截面积（转子槽面积）

估计端环电流

端环所需面积

其中端环电密得端环所需面积为

（二）磁路计算

22.满载电势

初设

23.每极磁通

初设

由图3-5查得

为计算磁路各部分磁密，需先计算磁路中各部分的磁导截面

24.每极下齿部截面积

25.定子轭部高度

转子轭部高度

轭部导磁截面积

26.一极下空气隙截面积

27.波幅系数

28.气隙磁密计算

29.定子齿部磁密：

30.转子齿部磁密

31.从D23磁化曲线找出对应上述磁密的磁场强度：

32.有效气隙长度

其中气隙系数为

33.齿部磁路计算长度

34.轭部磁路计算长度

35.气隙磁压降

36.齿部磁压降

37.饱和系数

误差=，合格

38.定子轭部磁密

39.转子轭部磁密

40.从D23磁化曲线找出对应上述磁密的磁场强度：

41.轭部磁压降：

其中轭部磁位降校正系数由资料的附图查出

于是

，于是

42.每极磁势

43.满载磁化电流：

44.磁化电流标么值

45.励磁电抗

（三）参数计算

46.线圈平均半匝长

单层线圈

=0.195+1.2×0.09929=0.314m

=0.165+2×0.015=0.195m

τy=

=π[0.141+2（0.8+0.924）+（14.5-0.924）×10-3+4.4×10-3]/2×2

=99.29×10-3m

节距比2/3≤≤1,取=0.8

其中d1是线圈直线部分伸出铁心的长度，取10~30mm。

kc是经验系数取1.2

47．单层线圈端部平均长

2×0.015+1.2×0.0993=0.150m

48．漏抗系数

Cx=

=4××50×0.4×10-7（0.9598×192）2×0.163×7.5×10-3/3×2×3802

=0.03787

49．定子槽比漏磁导

=1×0.410+1×0.830

=1.24

=

=0.410

=0.830

因=1.543

=0.76

其中Ku1=KL1=1

50．定子槽漏抗

=

=0.440Cx

51．定子谐波漏抗

=

=0.5877Cx

其中S=0.009

52．定子端部漏抗

单层交叉式绕组的端部漏抗与分组的单层同心式绕组相近

则：

=

=0.270Cx

53．定子漏抗

=（0.440+0.5877+0.27）Cx

=1.2977Cx

=0.0491

54．转子槽比漏磁导

==1.73

h/b2=7.6，b1/b2=1.83

查表得λL=1.330

55．转子槽漏抗

=

=0.821Cx

56．转子谐波漏抗

=

=0.9023Cx

查表得R=0.015

57．转子端部漏抗

XE2*

=

=0.150Cx

58．转子斜槽漏抗

=

=0.29Cx

59．转子漏抗

=（0.821+0.9023+0.15+0.29）Cx

=2.1633Cx

=0.0819

60．总漏抗

=0.131

61．定子直流电阻

R1=

=

=1.196

62．定子相电阻标幺值

R1*=

=

=0.0207

63．有效材料

定子导线重量

=1.05×0.314×32×36×1.0936×10-6×8.9×103

=7.393kg

式中C为考虑导线绝缘和引线重量的系数，漆包圆铜线取1.05

为导线密度

硅钢片重量

GFe=

=0.95×0.163×（0.22+0.005）2×7.8×10-3

=61.897kg

式中为冲剪余量，取5×10-3m

64．转子电阻

导条电阻折算值

RB′=

=

=1.162

式中KB是叠片不整齐造成导条电阻增加的系数

端环电阻折算值

RR′=

=

=0.03716

导条电阻标幺值

RB*===0.02012

端环电阻标幺值

RR*===0.00643

转子电阻标么值

R2*=RB*+RR*=0.02655

（四）工作性能计算

65.满载时定子电流有功分量标么值

I1p*=

66.满载时转子电流无功分量标么值

Ix*=*I1p*2[1+（*I1p*）2]

=1.0216×0.13944×（1.1236）2×[1+（1.0216×0.1394×1.1236）2]

=0.181

=1+==1.0216

67．满载时定子电流无功分量标么值

I1Q*=Im*+Ix*=0.469+0.143=0.65

68满载电势标么值

KE=1－

=1－（I1p*R1*+I1Q**）

=1－（1.1236×0.0207+0.65×0.0491）

=0.942

与22项初设值KE相符

69.空载时电势标么值

1－=1－Im**=1－0.309×0.0419=0.976

70.空载时定子齿磁密

Bt10===1.637T

71.空载时转子齿磁密

Bt20==1.658T

72空载时定子轭磁密

Bj10==1.502T

73.空载时转子轭磁密

Bj20==1.287T

74.空载时气隙磁密

==0.748T

75.空载时定子齿部磁压降

Ft10=Ht10Lt1=46.8×102×15.97×10-3=74.74A

76.空载时转子齿部磁压降

Ft20=Ht20Lt2=53.4×102×23×10-3=122.82A

77.空载时定子轭部磁压降

Fj10=Cj1Hj10Lj1=0.40×20.1×102×78.81×10-3=63.36A

78.空载时转子轭部磁压降

Fj20=Cj2Hj20Lj2=0.43×8.90×102×27.69×10-3=10.597A

79.空气隙磁压降

=244.05A

80.空载总磁压降

=74.74+122.82+63.36+10.597+244.05

=504.97A

81.空载磁化电流

=

=4.06A

（四）工作性能计算

82.定子电流标么值

===1.249

定子电流实际值

1.249×6.58=8.51A

83.定子电流密度

J1=

84.线负荷

A1=

85.转子电流标么值

I2*=

=

=1.139

转子电流实际值

I2=

=

=258.96A

端环电流实际值

IR=A

86.转子电流密度

导条电密

端环电密

87.定子电气损耗

=1.2942×0.0207=0.0347

0.0347×7.5×103=260.25W

88.转子电气损耗

=1.1392×0.02655=0.0344

PAl2=PAl2*PN=0.0344×7.5×103=258W

89.附加损耗

铜条转子

Ps*=0.02

Ps=Ps*PN=0.02×7.5×103=150W

90.机械损耗

二级封闭自扇冷式

Pfw=（3/p）2（D1）4×104=（3/2）2×（0.22）4×104=52.7W

机械损耗标么值

Pfw*=Pfw/PN=52.7/7.5×103=0.00703

91.定子铁耗

（1）定子轭重量

Gt=4pAt1Lt1=4×2×2.934×10-3×78.81×10-3×7.8×103=14.43㎏

（2）定子齿重量

Gj=2pAj1Lj1′=4×2×8.26×10-3×15.97×10-3×7.8×103=4.116㎏

（3）损耗系数

Phet=6.8Phej=5.1

（4）定子齿损耗

PFet=K1PhetGt=2×5.10×14.43=147.2W

（5）定子轭损耗

PFej=K2PhejGj=2.5×6.80×4.116=69.97W

（6）定子铁耗

PFe=PFet+PFej=147.2+69.97=217.17W

对于半闭口槽按经验取

K1=2K2=2.5

铁耗标么值

PFe*=PFe/PN=217.17/7.5×103=0.029

92.总损耗标么值

Σp*=Pcu1*+PAl2*+Pfw*+Ps*+PFe*

=0.0347+0.0344+0.02+0.00703+0.029

=0.1251

93.输出功率

PN1*=1+Σp*=1+0.1251=1.1251

94.效率

=1－Σp*/PN1*=1－0.1251/1.1251=0.869%

（87%－86.9%）/87%=0.115%<0.5%

95.功率因数

=I1p*/I1*=1.1249/1.294=0.87

96.转差率

SN=

=

=0.0319

PFer*=

=

=0.015497.转速

nN=（60f/p）（1－SN）

=60×50/2×（1－0.0319）

=1452r/min

98.最大转矩倍数

Tm*=

=

=2.74

（五）起动性能计算

99.起动电流假设值

Ist′=（2.5~3.5）Tm*Ikw=3×3.157×6.58=59.1A

100.起动时定转子槽磁势平均值

Fst=Ist′（Ns1/a1）0.707[Ku1+Kd12Kp1（Z1/Z2）]

=59.1×32×0.707×[1+0.95982×1×（36/32）]×

=2836.5A

101空气隙中漏磁场的虚拟磁密

BL=μ0Fst/2

=0.4π×10-6×2836.5/2×0.4×10-3×0.9367

=4.757T

=0.64+2.5

=0.64+2.5

=0.9367

由BL查得漏抗饱和系数Kz=0.44

102齿顶漏磁饱和引起的定子齿顶宽度的减少

CS1=（t1－b01）（1－Kz）

=（12.3-3.5）×（1－0.44）

=4.93×10-3m

103.齿顶漏磁饱和引起的转子齿顶宽度的减少

CS2=（t2－b02）（1－Kz）

=（16.1－1）×（1－0.44）

=8.456×10-3m

104.起动时定子槽比漏磁导

=Ku1（－）+KL1

=（0.410-0.185）+0.83

=1.055

=

=0.185

105.起动时定子槽漏抗

Xs1（st）*=（）Xs1*

=（1.055/1.24）×0.440CX

=0.3743CX

106.起动时定子谐波漏抗

Xδ1（st）*=KZXδ1*

=0.44×0.5877CX

=0.2586CX

107.起动时定子漏抗

Xσ1（st）*=Xs1（st）*+Xδ1（st）*+XE1*

=（0.3743+0.2586+0.270）CX

=0.0342

108.考虑集肤效应转子导条相对高度

=1.987×10-3hB

=1.987×10-3×23×10-3√50/0.0434×10-6

=1.551

hB—转子导条高度hB=23×10-3m

bB/bS2—导条宽和槽宽之比bB/bS2≈1

109.转子电阻增加系数和电抗减少系数

KF=1.7KX=0.90

110.起动时转子槽比率磁导

=（0.5-0.447）+0.90×1.73=1.61

=（h02/b02）[CS2/（CS2+b02）]

=（0.5/1）×[8.456/（8.456+1）]

=0.447

111.起动时转子槽漏抗

Xs2（st）*=（）Xs2*

=（1.61/2.23）×0.821CX

=0.593CX

112.起动时谐波漏抗

Xδ2（st）*=KZXδ2*

=0.44×0.9023CX

=0.397CX

113.起动时转子斜槽漏抗

XSK（st）*=KZXSK*

=0.44×0.29CX

=0.1276CX

114.起动时转子漏抗

Xσ2（st）*=Xs2（st）*+Xδ2（st）*+XE2*+XSK（st）*

=（0.593+0.397+0.1276+0.150）CX

=0.048

115.起动时总漏抗

Xσ（St）*=Xσ2（St）*+Xσ1（St）*

=0.0342+0.048

=0.0822

116.起动时转子总电阻

R2（st）*=KFRB*+RR*

=1.7×0.02012+0.00643

=0.0406

117.起动时总电阻

Rst*=R1*+R2（st）*

=0.0207+0.0406

=0.0613

118.起动时总阻抗

Zst*=

=

=0.1121

119.起动电流

Ist=Ikw/Zst*=6.58/0.1121=58.6A

误差=0.676%

ist=Ist/I1=58.6/8.69=6.75

120.起动时转矩倍数

TSt*=（R2（st）*/Zst*2）（1－SN）

=（0.0406/0.11212）×（1－0.0319）

=2.458

下面将本台电机的主要性能指标与技术条件中的标准作一比较：

标准值

计算值

偏差

1.效率

0.87

0.869

-0.115%

2．功率因数

0.85

0.87

+2.3%

3．最大转矩倍数

2.2

2.74

+19.7%

4．起动转矩倍数

2.2

2.458

+10.5%

5．起动电流倍数

7

6.75

-3.6%