华中科技大学电机学课程设计

1、电机学课程设计单绕组变极双速异步电机 学 院 电气与电子工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 号 U201111954 姓 名 日 期 2014年2月20日 成 绩 指导教师 周 理 兵 电机学课程设计任务书（201107班-周理兵组19位同学用）2014.1.10课题：单绕组变极双速三相交流绕组设计说明：一台三相鼠笼型交流异步电动机，定子一套绕组，若采用绕组（引出线）改接变极调速实现双速运行，则称为单绕组变极双速交流绕组。任务要求：（1）定子48槽，4/8极，采用双层叠绕组，支路数、相带和节距自选； （2）绕组引出线6根； （3）画出两种极数下对应的槽电势星型图和三相绕组联接图；

2、 （4）根据所选节距和绕组方案，分析两种极对数下气隙基波磁密关系； （5）计算两种情况下相应的绕组系数，并分析谐波情况。*每位同学必须独立完成设计和提交报告； 设计报告必须在下学期开学第一周五下午5点钟之前交到电机楼202； 若设计报告出现雷同（含部分雷同），则相互雷同的同学均取消成绩目 录【题目分析】.1【变级原理】.1【接线方式】.2【绘制槽电动势星型图】.3【分相】.4【节距的分析与确定】.4【绘制绕组展开图】.5【分析气隙基波磁密】.8【绕组系数与谐波分析】.9【小结】.9【题目分析】 三相鼠笼型交流异步电动机，转子是鼠笼型，其相数、极对数自动与定子保持一致，异步电动机的转差率s=n1

3、-nn1，又因为s很小，这样nn160f1p。由此可见，当极对数改变后，异步电动机的转速会发生改变。【变级原理】 参见课本电机学（第三版）中P262-P263有如下的变极原理。 如图1.1有一个四级电机的A像绕组示意图，在如图的电流方向a1x1a2x2下，它产生了磁动势基波级数2p=4。 如图1.2 改接，即a1与x2连接作为首端A，x1与a2相连接，作为末端X，则它产生的磁动势基波极数2p=2，这样就实现了单绕组变极。 图1.1 变极原理 2p=4 图1.2 变极原理 2p=2 注：（a）（b）两个图 只是说明变极的原理，本题目中单绕组变极双速要求引出线是6根，所以其接线不能按照以上的简单方

4、式。应该让X，Y，Z三个末端连接起来，当处于8极时选取a=1，使其在A-X的中间引出一根导线作为A1，当A、B、C接三相电，此时电动机处于8极，慢速运行。当将A、B、C短接，A1、B1、C1接三相电，这样电机就处于4极，高速运行。具体如下：【接线方式】 常用的单相变极方式有反向法变极和换相法变极，其中反向法变极的接线方式更为简单，更为常用以Y/YY变极接线方式为例简单说明：A相黄色B相绿色C相红色蓝色为中性 图1.3 三相绕阻变极接线方式实例（Y/YY变极） 说明 1.图中虚线表示可能有多个元件相串联，此图仅画出两个表示原理； 2.图中蓝色线表示将三相的末端XYZ连接起来的线。 3.图中的箭头

5、表示在ABC接三相电时电流的方向。 4.具体的绕组展开接线见后面的图1.10. 参见课本电机学（第三版）中P262-P263有如下的变极接线方式。见课本P263图 图1.4左侧Y接，2p对极，A、B、C接电源。 图1.4右侧YY接，p对极，A、B、C短接，A1、B1、C1接电源。 图1.4 Y/YY变极法 见课本P263图 图1.5左侧接，2p对极，A、B、C接电源。 图1.4右侧YY接，p对极，A1、B1、C1短接，A、B、C接电源。 图1.5 /YY变极法 参见实用电机设计计算手册中，P47页说明了对于双速倍极比4/8，一般采用的是单绕组，反向法变极，绕组的接线方式有YY/，YY/Y等。【

6、绘制槽电动势星型图】 虚槽数Zi=uZ=2×48=96 每一个元件有两个元件边，每一个换向片同时接有一个上元件边和一个下元件边，元件数S与换向片数K相等；又由于每一个虚槽亦包含上、下两个元件边，即虚槽数也与元件数相等：S=K=Zi=96 表1.1 极数分别为4和8时各参数槽数并联支路a极数2p极距相数mq15171482412347.5157510548186327.530150210 图1.6 4极槽电动势星型图（30°相带） 图1.7 8极槽电动势星型图（60°相带）【分相】 表1.2 电机在4极各相带线圈分布表（30°相带）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 电机在8极各相带线圈分布表（60°相带）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【节距的分析与确定】 若接入的三相电不是标准的正弦波，可以将其傅里叶分解为：基波+3次谐波+5次谐波+7次谐波+9次谐波+，由于三相对称绕组，所以在其绕组中不能通过3次谐波以及3的倍数次谐波，那么这个电机的设计时在第一节距的选择的过程中主要考虑减小5次谐波和7次谐波。以下公式同样的适用于基波。谐波相电动势的有效值为：E=4.44NkNf第次谐波的绕组系数为：kN=kykq第次谐波的短距系数为：ky=sin（y1 2）第次谐波的分布系数为：kq=sinqa12qsina12 第次谐波的槽距电角：a1为了消除5,7次谐波，可以使得ky=siny1 2=0这样得出y1=

9、(1-1)在4极=12时，要消除5次谐波可以使用y1=1-1=8 要消除7次谐波可以使用y1=1-110 为了同时削弱5次和7次谐波可以使用y1=56=10在8极=6时，要消除5次谐波可以使用y1=1-15 要消除7次谐波可以使用y1=1-15 为了同时削弱5次和7次谐波可以使用y1=56=5 以上说明了不能同时在4极和8极采用同一种节距来消除谐波，这就要综合考虑，取整节距是不能减小谐波的，长距和短距相比一般选择短距，因为长距比较浪费导线，选取对于极距为6时，可以考虑节距为4，5，对于极距为12的可以考虑节距为7，8，9，10，11。同时考虑到基波的幅值。使用上面的公式计算各参数如表：极数2p

10、 极距 第一节距 短距系数ky 分布系数kq 绕组系数kN 表1.2 极数、节距不同时对应基波和谐波绕组系数表谐波次数基波(15°,30°)5次谐波（75°,150°）7次谐波（105°,210°）系数参数节距y1短距系数ky分布系数kq绕组系数kN短距系数ky分布系数kq绕组系数kN短距系数ky分布系数kq绕组系数kN极数p=4 极距=12 每极每相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 极数p=8 极距=6 每极每相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 根据上表格的计算结果。首先要考虑到基波的绕组系数要较大，其次再考虑5次谐波和7次谐波的绕组系数要较小。综合4极和8极使得其基波的绕组系数都在0.8以上，与此同时，其5次谐波和7次谐波的绕组系数在0.2左右。所以将节距定在8是最合适的。【绘制绕组展开图】 在本次设计中，在8极时，我选取的并联支路数是a=1，在4极时，我选取的并联支路数是a=2，参见上面的图1.4和图1.5两种变极接线方式，这里我选取Y/YY变极接线方式来说明，根据上面分析的节距为8和选择可以画出其绕组展开图。 线圈连接表可以根据槽电动势星型图和选取的节距来确定 单绕组变极双速异步

14、电动机绕组展开图可以根据线圈连接表来确定 表1.3 8极时线圈连接表（a=1） 跟据上面的接线可以顺利地得到在三角形状态下的Y/YY接线如下 图1.8 Y接，8极，A、B、C接电源a=1 图1.9 YY接，4极，A、B、C短接，A1，B1，C1接电源a=2 注：凡是数字左大右小是从首端连接，反之亦然。 在Y/YY接法中，三相的末端XYZ一直是连接在一起的，只不同的是在Y连接中从ABC接入三相电，在YY连接中将ABC短路，从A1、B1、C1接入三相电。下面将画出其三相双层叠绕组展开图： 【分析气隙基波磁密】 参数选择如下： 节距 y1=8 槽数 Z=48 4极并联支路 a=2 8极并联支路 a=

15、1 相绕组串联匝数 N=整个电机绕组总匝数3a 每个线圈的匝数 NC=1 元件的个数 S=48 整个电机绕组总匝数=S*NC=48 第次谐波相绕组磁动势的幅值为:FA=22PINkN 第次谐波的绕组系数为：kN=kykq 第次谐波的短距系数为：ky=sin（y1 2） 第次谐波的分布系数为：kq=sinqa12qsina12 绕组中通入电流，电流产生了磁场，这个磁场是脉振磁场，多个导体产生的磁场相互叠加，继而可以产生合成磁动势波形，该波形类似于正弦波，但是可以使用傅里叶分解。相绕组磁动势波的傅里叶极数展开式可以表示为： fAt,=22NIP=1,3,51kNCOSCOSt 三相绕组流过的电流分

16、别为： iA=2Icost iB=2Icos(t-23) iC=2Icos(t-43) A、B、C各相绕组脉振磁动势基波为 fA1=F1COSCOSt fB1=F1COS-23COS(t-23) fC1=F1COS-43COS(t-43) 三相基波磁合成磁动势：f1t，=fA1+fB1+fC1= F1COS(t-) F1为三相基波合成磁动势的幅值：F1=m2PINkN1 =F1=32PINkN1在4极，气隙基波磁动势幅值：F1=32P*U12*(R+jX)*整个电机绕组总匝数3*2kN1在8极，气隙基波磁动势幅值：F1=32P*UR+jX*整个电机绕组总匝数3*1kN1由此可见，两种状态下的气

17、隙基波磁动势幅值只与相绕组分布系数kN1有关， 根据上面的公式，表格中列出参数，可以看出在4极时，基波磁动势的绕组系数为0.829，在8极时，基波磁动势的绕组系数为0.837 。可以得出在8极时基波磁密稍大于在4极时的基波磁密。相差不大。 表1.2 极数、节距不同时对应基波和谐波绕组系数表谐波次数基波(15°,30°)5次谐波（75°,150°）7次谐波（105°,210°）系数参数节距y1短距系数ky分布系数kq绕组系数kN短距系数ky分布系数kq绕组系数kN短距系数ky分布系数kq绕组系数kN极数p=4 极距=12 每极每相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 极数p=8 极距=6 每极每相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 【绕组系数与谐波分析】 同样的根据上面的表格可以得出谐波的绕组系数如下表： 表1.3 基波和谐波的绕组系数表绕组系数kN极数基波5次谐波7次谐波40.829-0.178-0.13680.837-0.224-0.224第次谐波相绕组磁动势的幅值